[论文解读] Predictive Control for Energy Management in Ship Power Systems under High-power Ramp Rate Loads

Tuyen Vu, David Gonsoulin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Multilevel Inverters and Converters参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于模型预测控制（MPC）的能量管理系统，用于在高功率斜率负载（如电磁炮和先进雷达）作用下稳定船舶电力系统。通过实时协调储能系统与发电机，该方法维持了功率平衡并防止了系统失稳，其有效性通过在缩小比例的电动船舶电力系统上的仿真与实验结果得到验证。

ABSTRACT

Electrical weapons and combat systems integrated into ships create challenges for their power systems. The main challenge is operation under high-power ramp rate loads, such as rail-guns and radar systems. When operated, these load devices may exceed the ships generators in terms of power ramp rate, which may drive the system to instability. Thus, electric ships require integration of energy storage devices in coordination with the power generators to maintain the power balance between distributed resources and load devices. In order to support the generators by using energy storage systems, an energy management scheme must be deployed to ensure load demand is met. This paper proposes and implements an energy management scheme based on model predictive control to optimize the coordination between the energy storage and the power generators under high-power ramp rate conditions. The simulation and experimental results validate the proposed technique in a reduced scale, notional electric ship power system.

研究动机与目标

• 解决由电磁炮和先进雷达系统等高功率斜率负载引起的船舶电力系统失稳挑战。
• 开发一种能量管理策略，协调储能系统与发电机以维持功率平衡。
• 在电动船舶的瞬态高需求负载条件下，确保系统稳定与可靠运行。
• 通过在缩小比例试验平台上进行的仿真与实验测试，验证所提出的控制方案。

提出的方法

• 利用模型预测控制（MPC）预测未来系统状态，并在有限时域内优化控制动作。
• 将储能系统（ESS）与船载发电机集成，以在快速负载变化期间吸收或提供功率。
• 构建一个优化问题，以最小化发电机斜率率和储能系统使用量，同时维持电压与频率稳定。
• 采用包含发电机、储能系统和高斜率率负载的船舶电力系统动态模型，以实现精确预测。
• 采用移动时域方法实现实时控制，基于当前测量值持续更新控制输入。
• 在缩小比例的虚拟电动船舶电力系统上通过软硬件协同测试验证控制策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何最优协调储能系统与发电机，以缓解船舶电力系统中高功率斜率负载引起的失稳？
• RQ2 何种控制策略可确保在瞬态高动态负载条件下实现稳定的电压与频率运行？
• RQ3 模型预测控制在快速负载变化期间，对最小化发电机斜率率和储能系统应力方面有多有效？
• RQ4 所提出的基于MPC的能量管理方案是否可在缩放的船舶电力系统上实现并得到验证？

主要发现

• 基于MPC的能量管理方案在高功率斜率率负载事件中成功维持了系统稳定，防止了电压与频率偏差。
• 与传统控制策略相比，发电机斜率率显著降低，提升了系统寿命与可靠性。
• 储能系统有效吸收了峰值功率需求，在快速负载转换期间减轻了发电机的应力。
• 仿真与实验结果表明，所提出的控制方法在缩小比例试验平台上的可行性与鲁棒性。