Σχεδίαση συστήματος ελέγχου αξονικής γεννήτριας και ανάλυση λειτουργίας στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας πλοίου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε ένα πρότυπο σύστημα ελέγχου αξονικών γεννητριών με τη χρήση ενός μετατροπέα τεσσάρων τεταρτημορίων. Το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου επιτρέπει την παραγωγή ισχύος σταθερής τάσης και συχνότητας ακόμα και σε περιπτώσεις μεταβολής των στροφών της κύριας κινητήριας μηχανής. Επίσης, επιτρέπει τη λειτουργία της αξονικής γεννήτριας ως κινητήρα σε περίπτωση βλάβης της κινητήριας μηχανής ή για ενίσχυση αυτής. Για την επιβεβαίωση της λειτουργίας της προτεινόμενης διάταξης μοντελοποιήθηκε το πραγματικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας ενός σύγχρονου πλοίου και προσομοιώθηκε σε περιβάλλον MATLAB/SIMULINK σε τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας: • Απομονωμένη λειτουργία γεννητριών ντήζελ • Παράλληλη λειτουργία αξονικών γεννητριών και γεννητριών ντήζελ • Απομονωμένη λειτουργία αξονικών γεννητριών • Λειτουργία έκτακτης ανάγκης με χρήση της αξονικής μηχανής ως κινητήρα Μέσω των προσομοιώσεων επιβεβαιώθηκε η άμεση απόκριση του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου κατά την εμφάνιση μεταβατικών φαινομένων όπως η αιφνίδια αύξηση του φορτίου του συστήματος του πλοίου κατά 69% και η επιτάχυνση του άξονα των αξονικών γεννητριών κατά 10%. Επίσης διαπιστώθηκε η ικανότητα των αξονικών μηχανών, η ισχύς των οποίων αντιστοιχεί στο 8% της ισχύος των κύριων μηχανών, να εξασφαλίζουν το 50% της ονομαστικής ταχύτητας σε έκτακτες περιπτώσεις λειτουργίας. Τέλος, προτάθηκε μια μέθοδος για τον υπολογισμό της ελάχιστης κατανάλωσης καυσίμου και αποτιμήθηκαν οι ωφέλειες από την εφαρμογή της προτεινόμενης σε σύγκριση με την υπάρχουσα διαμόρφωση του ηλεκτρικού συστήματος του πλοίου που εξετάστηκε. Αξίζει να σημειωθεί πως η προτεινόμενη διαμόρφωση επιτρέπει την πλήρη αξιοποίηση των αξονικών γεννητριών οδηγώντας σε εξοικονόμηση καυσίμου της τάξης του 3%.

This diploma thesis proposes an innovative control system for the shaft generators, by implementing a back to back converter in the ship propulsion system. The proposed system ensures that the switchboards operate at constant frequency and voltage under variable engine speed. It also enables operation of the shaft generator as motor in case of failure in the propulsion engine or running in parallel with the main engine. To validate the operation of the proposed system, the complete model of the ship power system was built and used for simulation in the MATLAB/SIMULINK environment, for four different operating modes: • Isolated operation of diesel generators • Parallel operation of shaft generators and diesel generators • Isolated operation of shaft generators • Emergency operation with the shaft generator running in motor mode The aforementioned simulations confirmed the immediate response of the proposed control system at the onset of transients such as a sudden load increase by 30% or an acceleration of the shaft speed by 10%. The simulations also demonstrated the shaft system’s ability, the power of which corresponds to 8% of the main engine’s power, in order to provide 50% of the rated shaft speed in emergency operation. Finally, a method for calculating the minimum fuel oil consumption is proposed and the benefits of implementing the proposed control scheme compared to the existing configuration of the examined vessel are assessed. It is worth noting that the proposed configuration allows full utilization of the shaft generators, leading to 3% fuel savings.