Power-Split Strategies for Hybrid Marine Propulsion Plants in Transient Loading Conditions for Optimal Energy Management and Emissions Reduction

Πλανάκης, Νικόλαος; Planakis, Nikolaos

dc.contributor.author	Πλανάκης, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Planakis, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2021-09-15T08:54:15Z
dc.date.available	2021-09-15T08:54:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53859
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21557
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Energy management system	en
dc.subject	Nonlinear model predictive control	en
dc.subject	Marine loading cycles	en
dc.subject	Yβριδική πρόωση πλοίου	el
dc.subject	Sύστημα διαχείρησης ενέργειας	el
dc.subject	Eλαχιστοποίηση αέριων ρύπων	el
dc.subject	Ηybrid ship propulsion control	en
dc.subject	Mηχανική μάθηση	el
dc.subject	Machine learning	en
dc.subject	Emissions control	en
dc.title	Power-Split Strategies for Hybrid Marine Propulsion Plants in Transient Loading Conditions for Optimal Energy Management and Emissions Reduction	en
dc.title	Στρατηγικές Κατανομής Ισχύος σε Ναυτικές Υβριδικές Εγκαταστάσεις Πρόωσης κατά την Διάρκεια Μεταβατικής Φόρτισης για Βέλτιστη Διαχείριση Ενέργειας και Ελαχιστοποίηση Αέριων Ρύπων	el
dc.contributor.department	Laboratory of Marine Engineering	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Marine Engineering	en
heal.classification	Control Engineering	en
heal.classification	Ναυτική Μηχανολογία	el
heal.classification	Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-04
heal.abstract	The need to increase vessels’ efficiency, reduce their environmental footprint and adapt quickly to new regulations, makes it as urgent as possible to develop and use novel control technologies on ship energy management systems. Marine hybrid propulsion plants are complex multivariable systems, in terms of the underlying technology, principles of operation, size, and physical limitations. System performance specifications strive for competitive objective satisfaction to ensure efficiency and safety. This Thesis investigates power-split strategies for hybrid marine propulsion plants for optimal energy management and emissions, during the operation in transient loading conditions. In this context, two predictive control schemes were developed, implemented, and experimentally evaluated. At first, a NMPC-based control scheme was proposed to deal with the load-split between the power sources during transient loading conditions, ensuring the dynamic torque delivery with respect to the powertrain physical and operating limits. In the next step, the optimal control problem is reformulated and extended to develop an energy management and emissions minimization strategy. The energy management planning is performed according to the trade-off criteria between fuel consumption and NOx emissions minimization. For the development of the Energy Management and Emissions Minimization System (EMEMS), the following procedure was followed. Initially, first principle and data-based models were fitted to powertrain measurement data to derive models that approximated accurately the dynamical system behavior during transient operation, as well as the patterns that were observed within the measured data. Secondly, to evaluate the interaction of the system "power plant-propulsion system-environment", a parametric propulsion plant model that matches the experimental facility was employed, to apply propeller loading considering several vessel operating scenarios and irregular wave disturbance. Also, a propeller observer is designed and implemented to quantify the propeller load characteristics, without knowledge of the uncertain propulsion plant parameters. The approach is based on the propeller law principle to produce accurate estimates, in both steady-state and transient loading conditions. Thirdly, using machine learning techniques and data from actual ship operation, identification and prediction of the operator’s reference input during ship maneuvering are performed. Profiles that contain rich information about the transient operation were identified and utilized for control system development. A neural network model is designed to predict future speed reference input based on historic data. The online information generated by the prediction model is used along with the propeller observer by the controller to calculate the future propeller load disturbance. EMEMS is tuned to perform similarly to the benchmark optimization problem and the trade-off performance between fuel consumption and NOx emissions is investigated in simulation. HIPPO-2 experimental facility at LME/NTUA is used for the experimental implementation and evaluation of the developed power-split control schemes. The EMEMS are experimentally tested in real-time operation, where their capabilities for robustness to disturbance load characteristics are investigated. Offset-free reference tracking independently of the propulsion plant size, the uncertainty of the propeller and ship characteristics, as well as the modeling errors between the powertrain components and the internal model of the controller is achieved. In parallel, with the EMEMS design, the power-split control can be performed according to the energy management and emission minimization targets. For the considered scenario, where the aim was to have a charge sustaining strategy at the end of the load cycle, fuel consumption and NOx emissions reduction up to 6.5% and 8%, respectively, were achieved.	en
heal.abstract	Η ανάγκη αύξησης της ενεργειακής αποδοτικότητας των πλοίων και της ταυτόχρονης μείωσης των εκπομπών αέριων ρύπων από τα συστήματα πρόωσης των πλοίων, καθιστούν επείγουσα την ανάπτυξη και την χρησιμοποίηση νέων τεχνολογιών που θα επιτύχουν την άμεση εναρμόνιση στους νέους κανονισμούς. Οι υβριδικές εγκαταστάσεις πρόωσης αποτελούν πολυμεταβλητά συστήματα και εμφανίζουν αυξημένη πολυπλοκότητα, όσον αφορά την υποκείμενη τεχνολογία, τις αρχές λειτουργίας, το μέγεθος και τους φυσικούς περιορισμούς. Οι προδιαγραφές απόδοσης του συστήματος διαχείρισης ενέργειας ορίζουν την ικανοποίηση ανταγωνιστικών στόχων για την επίτευξη αυξημένης αποδοτικότητας και ασφαλούς λειτουργίας του συστήματος. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνά στρατηγικές κατανομής ισχύος σε ναυτικές υβριδικές εγκαταστάσεις πρόωσης πλοίων για βέλτιστη διαχείριση ενέργειας και εκπομπές αέριων ρύπων, κατά την διάρκεια επιβολής μεταβατικού φορτίου. Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκαν στρατηγικές ελέγχου βασισμένες σε μη-γραμμικό προβλεπτικό έλεγχο (MPC). Σε πρώτο επίπεδο, προτείνεται μια στρατηγική για τον υπολογισμό της κατανομής φορτίου μεταξύ των πηγών ισχύος κατά τη διάρκεια μεταβατικής φόρτισης, η οποία εξασφαλίζει τη δυναμική παραγωγή και απόδοση ροπής στον άξονα της προπέλας, σε συμμόρφωση με τα φυσικά και λειτουργικά όρια του συστήματος πρόωσης. Στο επόμενο βήμα, το πρόβλημα βελτιστοποίησης αναδιατυπώνεται και επεκτείνεται για να αναπτυχθεί μια στρατηγική διαχείρισης ενέργειας και ελαχιστοποίησης εκπομπών αέριων ρύπων. Ο σχεδιασμός διαχείρισης ενέργειας πραγματοποιείται σύμφωνα με έναν συντελεστή που καθορίζει την στάθμιση μεταξύ κατανάλωσης καυσίμου και ελαχιστοποίησης εκπομπών οξειδίων του αζώτου NOx. Για την ανάπτυξη του Συστήματος Διαχείρισης Ενέργειας και Ελαχιστοποίησης Εκπομπών (EMEMS), ακολουθήθηκε η διαδικασία που περιγράφεται παρακάτω. Σε πρώτο επίπεδο, αναπτύχθηκαν μοντέλα βασισμένα τόσο σε βασικές αρχές μηχανικής όσο και σε δεδομένα, τα οποία βασίστηκαν σε πειραματικά δεδομένα, στοχεύοντας στην προσέγγιση της δυναμικής συμπεριφοράς του συστήματος κατά τη διάρκεια μεταβατικής λειτουργίας, καθώς και στην αναγνώριση μοτίβων που παρατηρήθηκαν στα πειραματικά δεδομένα. Κατά δεύτερον, για την αξιολόγηση της αλληλεπίδρασης του συζευγμένου συστήματος ¨κινητήρες - σύστημα πρόωσης - περιβάλλον¨, χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο πρόωσης πλοίου όμοιου μεγέθους με την πειραματική εγκατάσταση, για προσομοίωση φορτίου έλικας, λαμβάνοντας υπόψη διάφορες καταστάσεις λειτουργίας του πλοίου και την διαταραχή μη-αρμονικών κυματισμών. Επιπλέον, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένας παρατηρητής έλικας, προκειμένου να ποσοτικοποιούνται, κατά την λειτουργία του συστήματος σε πραγματικό χρόνο, τα χαρακτηριστικά του φορτίου της έλικας, χωρίς γνώση των παραμέτρων του συστήματος πρόωσης πλοίου, οι οποίες περιλαμβάνουν αβεβαιότητα. Η προσέγγιση βασίζεται στην αρχή του νόμου της προπέλας για την εκτίμηση του φορτίου, τόσο σε συνθήκες σταθερής πλεύσης όσο και σε κατάσταση μεταβατικής φόρτισης. Σε τρίτο επίπεδο, χρησιμοποιώντας τεχνικές μηχανικής μάθησης και δεδομένα από πραγματική λειτουργία πλοίου, πραγματοποιήθηκε αναγνώριση και πρόβλεψη της εισόδου αναφοράς στο σύστημα από τον χειριστή, κατά τη διάρκεια πραγματοποίησης ελιγμών πλοίου. Αναγνωρίστηκαν μοτίβα που περιέχουν πληροφορίες σχετικά με την μεταβατική λειτουργία, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη συστήματος ελέγχου. Τέλος, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο βασισμένο σε νευρωνικό δίκτυο για την πρόβλεψη μελλοντικής εισόδου αναφοράς βάσει ιστορικών δεδομένων. Οι πληροφορίες που παράγονται κατά την λειτουργία από το μοντέλο πρόβλεψης, χρησιμοποιούνται, μαζί με τον παρατηρητή έλικας, από τον ελεγκτή για την εκτίμηση της μελλοντικής ζήτησης του φορτίου της έλικας. Τέλος, έγινε ρύθμιση έτσι ώστε το EMEMS να αποδίδει παρόμοια με το πρόβλημα βελτιστοποίησης αναφοράς, το οποίο επιλύεται με εκ των προτέρων γνώση του κύκλου φόρτισης. Διερευνήθηκε η αντιστάθμιση μεταξύ της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών αέριων ρύπων NOx κατά την λειτουργία του υβριδικού συστήματος πρόωσης. Για την πειραματική επιβεβαίωση και αξιολόγηση των στρατηγικών ελέγχου κατανομής ισχύος που αναπτύχθηκαν, χρησιμοποιήθηκε η πειραματική εγκατάσταση HIPPO-2 στο ΕΝΜ / ΕΜΠ. Το EMEMS δοκιμάστηκε σε λειτουργία σε πραγματικό χρόνο, όπου διερευνήθηκε η ευρωστία έναντι διαταραχών του φορτίου της προπέλας. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, επιτυγχάνεται παρακολούθηση της τιμής αναφοράς χωρίς σφάλμα, ανεξάρτητα από το μέγεθος του συστήματος πρόωσης, την αβεβαιότητα των παραμέτρων της έλικας και του πλοίου, καθώς και τα σφάλματα μοντελοποίησης μεταξύ της συμπεριφοράς του συστήματος παραγωγής ισχύος και του εσωτερικού μοντέλου του ελεγκτή. Παράλληλα, με τον σχεδιασμό του EMEMS, η στρατηγική κατανομής ισχύος μπορεί να ικανοποιήσει ταυτόχρονα τους στόχους διαχείρισης ενέργειας και ελαχιστοποίησης εκπομπών αέριων ρύπων. Για το σενάριο το οποίο εξετάστηκε, με ζητούμενο την διατήρηση του επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας στο τέλος του κύκλου φόρτισης, επιτεύχθηκε μείωση κατανάλωσης καυσίμου έως 6.5% και εκπομπών αερίων ρύπων NOx έως 8%.	el
heal.advisorName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.advisorName	Papalambrou, George	en
heal.committeeMemberName	Σταματέλλος, Αναστάσιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κυρτάτος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Προυσαλίδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Γρηγορόπουλος, Γρηγόρης	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Σαρίμβεης,Χαράλαμπος	el
heal.committeeMemberName	Stamatellos, Anastasios	en
heal.committeeMemberName	Papalambrou, Georgios	en
heal.committeeMemberName	Kyrtatos, Nikolaos	en
heal.committeeMemberName	Prousalidis, Ioannis	en
heal.committeeMemberName	Grigoropoulos, Grigoris	en
heal.committeeMemberName	Kyriakopoulos, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Sarimveis, Haralambos	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	135 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false