A Simulator Approach for Ship Hybrid Power Plant Concept Studies

De strenge reglene og forskriftene for utslippsreduksjon og effektivisering driver maritime næringer mot grønnere og mer energieffektive løsninger. Det batteribaserte hybridkraftsystemet anses som en lovende løsning for ulike fartøytyper ut av ulike alternativer. Med tillegg av energilagring (batteri) i et kraftsystem øker også systemets kompleksitet, da det kan kreve ytterligere kraftkonvertering, kontroll- og sikkerhetssystemer, og et avansert energistyringssystem. Dessuten er effektivitetsanalyse for den relevante kraftsystemarkitekturen avgjørende for å omfavne slik ny teknologi. Modellering og simulering kan være effektive verktøy for å designe, analysere, teste eller trene slike komplekse systemer. Samtidig kan simulering som verktøy brukes til å undersøke og analysere systemeffektiviteten for et skips operasjonelle profil. Derfor har dette arbeidet som mål å utvikle en batteribasert hybrid kraftsystemmodell og analysere effektiviteten for ulike kraftsystemarkitekturer og skipstyper. Hovedmålene for dette prosjektet er 1. Utvikle en skipshybridkraftsystemmodell for konseptuelle studier i forskjellige simuleringsscenarier, inkludert operasjonelle, funksjonelle og feiltilstander og implementeringer av kontrollsystemer på høyt og lavt nivå. 2. Undersøke rammeverk for samsimulering og dets anvendelser i modellering av hybridkraftsystemer for skip. 3. Undersøke systemenergieffektivitet i skipshybridkraftsystemer, inkludert ulike kraftsystemarkitekturer. 4. Identifisere og analysere virkningen av batterihybridisering i drivstoffeffektivitet og utslipp i ulike fartøytyper. Bidragene til arbeidet er 1. Utvikling av en batteribasert hybrid DC-kraftsystemmodell og dens applikasjoner for å demonstrere ulike energiledelsesstrategier. 2. High Fidelity DC hybrid kraftsystem modellutvikling med eksperimentell verifisering og dens anvendelse i forskjellige simuleringsscenarier for å analysere operasjonell, funksjonell og defekt. 3. Ko-simuleringsbasert utvikling av en hybrid kraftsystemmodell og dens anvendelse i virtuell testing og modellfidelity testing. 4. Dynamisk effektivitetsmodellering av et skips DC hybrid kraftsystem for å undersøke energieffektivitet for ulike kontrollstrategier på høyt nivå. 5. Systemeffektivitetsmodellering av en fullskala hybridkraftsystem for et cruiseskip for å undersøke energieffektivitet i forskjellige kraftsystemarkitekturer, slik som AC, fast hastighet DC og variabel hastighet DC. 6. Evaluering og analyse av drivstoffbesparelser og utslippsreduksjoner i ulike fartøytyper gjennom batterihybridisering av deres kraftsystem.

A ship hybrid power system model is developed and applied for different scenarios to investigate different energy management strategies. The model is further extended to represent the full-scale hybrid power system. Finally, it is applied to study concept studies such as various operational, functional, faulty, and what-if scenarios. The co-simulation framework has been investigated using an open simulation platform and its co-simulation-based modeling tools and applications of co-simulation, such as virtual and model fidelity testing, are demonstrated. The system energy efficiency evaluation methodology is developed and applied to evaluate and analyze efficiency for various high-level control strategies. The work is also used to analyze the energy efficiency in different power system architectures, such as AC, fixed speed DC, and variable speed DC. This work analyzed the fuel consumption and emission reduction potential in four different ship types.

Maritime industry is having a challenging future ahead because of competitive market and stricter regulations that are driving the industry towards new energy efficient and low emission technologies. Both academic institutions and maritime industries are working together to innovate cleaner, efficient and effective solutions. As automobile industry, maritime industry is also moving towards using renewable sources of energy. Advancements in energy storage devices are enabling the realization of hybrid and electric ships. Even though hybrid and eventually fully electric vessels are the future of maritime industry, they are still not fully welcomed due to the lack of experience about behavior and stability of the system. Enough studies for failure modes and their effects in different systems, components and their interrelations in ship hybrid power plant are lacking. Simulation experiments of the hybrid power plants in real ship scenarios generate experience and confidence. Total ship system simulation for achieving realistic behavior is being crucial as the complexity in ship systems are increasing. Use of different tools and simulator software in different phases of ship design is creating difficulties in overall system optimization. The major objectives of this project are • Development a dynamic real time hybrid ship simulator, which can be used for different technological conceptual studies like performance and operational capabilities, AC and DC power grid, high level control, power management, monitoring and human in the loops, and so on. • Mathematical modelling of failure situations in different components and systems to reflect the real risk scenarios in a realistic way such that they can be documented for the proper handling of crisis situation by the crew. • Study of different available dynamic simulator architectures or platforms possibly can suggest improvements in the existing simulator architecture such that it can be used in virtual prototyping.