Modeling a DC Power System in Hardware-in-the-Loop Environment

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-06-13
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
73+9
Series
Abstract
Ever increasing requirements for increased fuel efficiency and reduced emissions on board a ship has prompted designers to turn their interest towards a distribution system where the main energy carrier is DC instead of AC. A DC power plant offers significantly reduced fuel consumption and easier integration of an increasing number of DC based sources and consumers, but also requires a more complicated control system for smart operation of the power plant. Therefore, the role of testing these control systems becomes even more important than before. This work introduces a Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation technique for modeling and simulating a DC power plant on board a ship. In HIL simulation technique, a control-loop is built by using components, of which some are real hardware and some are simulated. This thesis work explores the possibilities for using the HIL simulation technique to perform real-time system level tests for a DC power plant on board a ship. The interfaces required to connect the real hardware components to the HIL simulator, and that way to the software component models as required by the simulation, will be examined. These interfaces consist of fieldbus communication (IEC61850 and Modbus) and a combination of digital and analog input and output signals. The goal of the HIL model of this work, is to offer an environment where different control schemes of the DC power system and the operation of the upper level power management and energy management systems can be tested safely and in a controlled manner. This requires that at least the controllers in the generating units are modeled using real hardware. The rest of the system can be modeled using virtual component models in the HIL software. A HIL model for modeling and simulating a complete DC power plant will be proposed and finally, the possibility to expand the model to include larger systems with more hardware will be discussed.

Kasvavat vaatimukset polttoaineen kulutuksen ja päästöjen vähentämiseksi on saanut suunnittelijat kääntämään katseensa kohti sähkönjakelujärjestelmää, jossa sähkön jakelu kuluttajille toteutuu tasavirtana vaihtovirran sijasta. Tasasähkövoimalaitos mahdollistaa huomattavasti pienemmän polttoaineen kulutuksen ja helpottaa erilaisten DC lähteiden ja kuluttajien integroimista sähköverkkoon, mutta vaatii myös monimutkaisemman ohjausjärjestelmän voimalaitoksen älykkäälle toiminnalle. Tästä syystä ohjausjärjestelmän testauksen merkitys kasvaa jopa entuudestaan. Tämä työ esittelee Hardware-in-the-Loop (HIL) simulointimenetelmän tasasähkövoimalaitoksen mallintamiseksi ja simuloimiseksi. HIL mallinnustavassa säätöpiiri muodostetaan komponenteista, joista osa ovat oikeita komponentteja ja osa virtuaalisesti mallinnettuja komponentteja. Tämä diplomityö tutkii HIL mallinnustavan mahdollisuuksia suorittaa reaaliaikaisia järjestelmätason kokeita laivan tasasähkövoimalaitoksesta. Rajapinnat, jotka vaaditaan oikeiden komponenttien ja HIL simulaattorin yhteen liittämiseen tutkitaan tässä työssä. Nämä rajapinnat koostuvat kenttäväyläkommunikaatiosta (IEC61850 ja Modbus) sekä digitaalisten ja analogisten signaalien yhdistelmästä. Tämän työn HIL mallin tavoitteena on tuottaa testiympäristö, jossa tasasähkövoimalaitoksen säätöjärjestelmät ja ylemmän tason tehonhallinnan ja energianhallinnan järjestelmät voidaan testata turvallisesti ja hallitusti. Tämä vaatii, että ainakin sähköä tuottavien yksiköiden ohjaimet mallinnetaan oikeina komponentteina. Loput järjestelmästä voidaan mallintaa virtuaalisina komponentteina HIL simulaattorin ohjelmistossa. Työssä ehdotetaan mahdollinen HIL malli, jolla voidaan mallintaa ja testata koko tasasähkövoimalaitos. Lopuksi keskustellaan vielä mahdollisuuksista laajentaa mallia koskemaan laajempaa järjestelmää, jossa on enemmän oikeita komponentteja kytketty säätöpiiriin.
Description
Supervisor
Kyyrä, Jorma
Thesis advisor
Pohjanheimo, Pasi
Keywords
simulation, marine, modeling, hardware-in-the-loop
Other note
Citation