Managing the maneuvering originated peak loads in diesel-electric power system
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Author
Date
2016-12-12
Department
Major/Subject
Koneensuunnittelu
Mcode
K3001
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
87 + 7
Series
Abstract
In cruise ship the propulsion and hotel loads vary depending on the prevailing cruise itinerary and conditions at sea. To enable efficient and stable operation of the power system online generating set combination can be varied depending on the load requirement. Yet transient peak loads in particular present a challenge when both energy efficiency and system stability are considered. The aim of this thesis was to investigate the management of these loads by integration of hybrid energy storage into the current power system design. Based on the literature review both the energy storage and DC grid technology are utilized in vessels such as ferries and tugboats. Equipment required for 11 kV DC distribution is under development but not currently available. However the energy storage can be integrated alongside the current AC distribution network. Most hybrid marine projects are based on variations of lithium-ion battery chemistries, such as NMC and LiFePO4, and the largest hybrid ferry retrofit currently in service has a capacity of 2.6 MWh. Performance of hybridized cruise ship concept containing 3.2 MWh of energy storage capacity was simulated based on the operation data from the sea trial. Findings of the thesis indicate that currently, due to limited ramping capacity and power reserve required for load transients, the usable operation point is limited to 80 % of the maximum online power generation capacity. When hybrid power system is utilized the load of the generating sets can be increased near 100 % which increases the efficient operation window by 66 %. The hybridized power system manages the emergency propulsion load transient safely with half the power generation capacity online. The reduction of online generating sets both increases the efficiency of the power system and reduces the cumulated running hours for the engines. Results of the simulations indicate that the capacity of the energy storage could be optimized to lower the acquisition cost for the system. As the price of the energy storage technology is predicted to degrease in the near future hybridization could be viable solution for improving both stability and efficiency of the cruise ship power system.Risteilyaluksen propulsio- ja hotellikuormien suuruus vaihtelee risteilyaikataulun ja merenkäynnin mukaan. Energiatehokkaan operoinnin takaamiseksi käynnissä olevaa generaattori kombinaatiota voidaan muuttaa kuorman mukaan. Kuitenkin erityisesti hetkelliset kuormapiikit aiheuttavat haasteen energiatehokkuuden kannalta, kun järjestelmän vakaus otetaan huomioon. Tämän diplomityön tarkoitus oli tutkia näiden kuormapiikkien hallitsemista erillisen energiavaraston integroinnilla osaksi nykyistä järjestelmää. Kirjallisuustutkimus paljasti että energiavarasto ja DC-verkko teknologioita käytetään muun muassa lautoissa ja hinaajissa. Tarvittava laitteisto 11 kV DC jakeluun on kehitystyön alla, muttei tällä hetkellä saatavilla. Energiavarasto on kuitenkin mahdollista integroida nykyisen AC-jakeluverkon yhteyteen. Valtaosa hybridialuksissa käytetyistä akuista perustuvat eri lithium-ion kemioille, esimerkiksi NMC ja LiFePO4 kemioille, ja suurikapasiteettisin hybridilauttakonversio sisältää 2.6 MWh akuston. Hybridiristeilijäkonseptin ja sen 3.2 MWh akuston suorituskykyä simuloitiin perustuen dataan laivan merikokeelta. Tutkimuksissa havaittiin, että nykyisin moottorien kuormanottokyky ja tarvittava tehoreservi rajoittaa käytettävän tehoalueen 80 % voimalaitoksen maksimitehosta. Hybridijärjestelmässä moottoreiden kuormitus voidaan nostaa lähelle 100 %, jolloin taloudellinen tehoalue kasvaa 66 %. Hybridivoimalaitos kykenee hallitsemaan hätätilanteessa tarvittavan propulsiokuormapiikin turvallisesti, kun puolet moottoreista on kytkettynä verkkoon. Käynnissä olevien koneiden määrän väheneminen toisaalta nostaa voimalaitoksen energiatehokkuutta toisaalta vähentää moottoreiden käyttötuntien kumuloitumista. Simulaatiotulosten perusteella energiavaraston kapasiteetissa on varaa optimoinnille, mikä laskee järjestelmän hankintahintaa. Koska energiavarastoteknologian hinnan arvioidaan laskevan lähitulevaisuudessa, hybridisaatio voisi olla varteenotettava ratkaisu risteilyaluksen voimalaitoksen energiatehokkuuden ja vakauden parantamiseen.Description
Supervisor
Tammi, KariThesis advisor
Eriksson, HarriTikkanen, Olli
Keywords
automation, integrated power system, Simulink, thruster, supercapacitor
