title: Έλεγχος πρόβλεψης διαχείρισης μεταβολών ζήτησης ενέργειας σε υβριδικά συστήματα θαλάσσιας πρόωσης
title: Dynamic model predictive control of power management applied in  hybrid marine propulsion systems
Creators: name: Φανουρακη Ειρηνη
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2015

description: Στα συστήματα απομονωμένων δικτύων ισχύος (microgrids), όπως τα θαλάσσια σκάφη, πλωτές εξέδρες άντλησης πετρελαίου, κλπ, οι διακυμάνσεις του φορτίου ζήτησης σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας τα οδηγούν σε διακυμάνσεις στην συχνότητα του δικτύου. Αυτές οι διακυμάνσεις αντισταθμίζονται με ένα σύστημα LFC (Load Frequency Control). Στην παρούσα εργασία μελετάται μια δοκιμασμένη τεχνική προβλεπτικού ελέγχου βασισμένη σε εξισώσεις κατάστασης, Model Predictive Control (MPC) η οποία ρυθμίζει το σήμα αναφοράς σε ένα συμβατικό Αναλογικό-Ολοκληρωτικό ελεγκτή (PID) για το σύστημα FLC.
Η κύρια συνεισφορά αυτής της μελέτης είναι η εφαρμογή της παραπάνω μεθόδου ελέγχου προς την άριστη ρύθμιση του ρυθμού τροφοδοσίας καυσίμου και της συχνότητας λειτουργίας, προκειμένου να ξεπεραστούν προβλεπόμενες διακυμάνσεις του φορτίου ζήτησης που οφείλονται στη κίνηση των κυμάτων. Το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου είναι σε θέση να αντισταθμίσει αυτές τις αλλαγές φορτίου κατά τη διάρκεια διαφόρων και κοινών θαλάσσιων επιχειρήσεων, όπως οι επιχειρήσεις ανέλκυσης ναυαγίων, των γεωτρήσεων πετρελαίου ή την πλοήγηση των πλοίων και για την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας, που υπόκεινται σε όλα τα πρωτόκολλα ασφαλείας που εφαρμόζονται.
Αν και η τεχνική ελέγχου MPC ως είσοδος αναφοράς σε κλασσικό έλεγχο PID είναι ήδη τεκμηριωμένη από άλλη ερευνητική ομάδα, μέσω προσομοιώσεων, για τον έλεγχο σε σενάρια δυσλειτουργίας όσον αφορά τα ντιζελοκίνητα σετ γεννήτριας (Genset), αυτή δεν έχει μελετηθεί για αλλαγές φορτίου λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών. Στην παρούσα εργασία η μονάδα ελέγχου μας δοκιμάζεται για την αποδοτικότητά της σε συνθήκες σκληρού φυσικού περιβάλλοντος.
Η απόκριση συχνότητας του δυναμικού μοντέλου ενός αυτόνομου ηλεκτρικού συστήματος ισχύος πλοίου με δύο γεννήτριες εισάγεται και οι φυσικοί περιορισμοί των μηχανών του συνυπολογίζονται. Η εγκυρότητα αυτής της μεθόδου αξιολογήθηκε με ανάλυση προσομοίωση σε υπολογιστή χρησιμοποιώντας MATLAB® / Simulink®. Ο στόχος του ελεγκτή είναι να κρατήσει την γεννήτρια σε μία δεδομένη κατανομή του φορτίου, διατηρώντας παράλληλα τη συχνότητα εντός των επιθυμητών κανόνων και κανονισμών, σε μια κατάσταση όπου η βέλτιστη δράση ελέγχου του καυσίμου κανονικής λειτουργίας μπορεί να αντιμετωπίσει και μια απρόβλεπτη βλάβη γεννήτριας (πριν την ανανέωση υπολογισμών του αλγόριθμου) χωρίς να οδηγήσει σε blackout. Προσομοιώσεις υλοποιούνται για τη μέθοδο MPC-PID, για την κλασσική μέθοδο PID και συγκρίνονται.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, με τον συνδυασμό ελέγχου MPC-PID, η συνολική απόδοση του συστήματος κλειστού βρόχου απέδειξε ευρωστία ανεξάρτητα από την παρουσία των αβεβαιοτήτων που οφείλονται στις διακυμάνσεις των διαταραχών φορτίων ζήτησης, υπό κανονική ή αποτυχία λειτουργίας γεννήτριας. Η αντιστάθμιση επιτυγχάνεται άριστα στις περιπτώσεις των διακυμάνσεων του φορτίου ζήτησης λόγω κύματος υπό συνθήκη κανονικής λειτουργίας των γεννητριών. Η αντιστάθμιση που επιτυγχάνεται στις περιπτώσεις των διακυμάνσεων του φορτίου ζήτησης λόγω κύματος υπό συνθήκη απρόβλεπτης βλάβης γεννήτριας είναι πολύ συντηρητική και οριακά ικανοποιητική. Αυτό οφείλεται στην επιλογή των περιορισμών ρυθμού του καυσίμου.
Η μέθοδος PID έχει καλή απόδοση μόνο κατά τη διάρκεια των προσομοιώσεων που αφορούν περιοδική αλλαγή φορτίου συχνότητας μικρότερης της κυμάτωσης και μόνο για τις περιπτώσεις κανονικής λειτουργίας γεννητριών. Ο έλεγχος PID αποκρίνεται με μεγαλύτερο χρόνο αποκατάστασης από ότι στη μέθοδο ελέγχου MPC-PID. Ο έλεγχος PID δεν αποκρίνεται ικανοποιητικά στις περιπτώσεις της λειτουργίας βλαβών.
description: In microgrid power systems, such as vessels, oil rigs, etc, the load fluctuations and abnormal conditions lead to mismatches in frequency. These mismatches have to be corrected by an LFC system. A robust frequency control technique involving the combination Model state based Predictive Control (MPC) as a reference generation to a conventional Proportional-Integral (PID), in the presence of forecast uncertainties is studied. 
The main contribution of this study is the implementation of the above control method towards the optimal regulation of the fuel rate and the operating frequency in order to overcome possible load fluctuations attributed to wave motion. The proposed control scheme is able to compensate during various and common sea operations, such as salvage operations, oil drilling or ship navigation and to minimize energy consumption, subject to all safety protocols applied.
Although the MPC-PID technique is already documented and tested upon failure scenarios concerning diesel driven generator set (Genset) malfunctions, our additive control module is designed in a way to provide the necessary compensation for the uncertainty and the unaccountability of a harsh natural environment. 
A frequency response dynamic model of an electric ship power system with two Genset is introduced, and physical constraints of the governors and turbines are considered. The MPC-PID control technique is tested on this power system, for enhancement of the network frequency quality and energy consumption. The validity of this method is evaluated by computer simulation analysis using Matlab® / Simulink®. The objective of the controller is to keep the Genset at a given load sharing, while keeping the frequency within the desired rules and regulations, to a state where a single point failure does not lead to blackout, subject to energy minimization. Simulations implemented the MPC-PID method and the PID method are compared. 
The results show that, with the MPC-PID combination technique, the overall closed loop system performance demonstrated robustness regardless of the presence of uncertainties due to variations of the loads disturbances, under normal or failure Genset operation. The compensation achieved by the controller in the cases of wave load fluctuations under failure operation, are conservative. This is due to the choice of the fuel rate constraints. 
The PID method performs well only during the normal simulated cases (all Gensets in operation). The PID responses with bigger settling time than MPC-PID method. The PID method does not response well under failure operation cases.