Design and control of harbour area smart grids with application of battery energy storage system

Abstract

Global trade occurs mostly on seaborne vessels, and harbours exist as the most significant part for enabling the economic development of any country. However, the amount of fossil fuels used by conventional diesel-engine powered vessels produce a great number of types of toxic emissions, such as air pollution particles at harbours, which create a threat to human health that can contribute to higher morbidity and mortality rates among humans. Therefore, the International maritime organisation and the European Directives recommend that ships implement methods that limit toxic gas emissions and air pollution, such as using onshore power supply and fuel with low-sulphur content for on-board power generation in vessels while remaining at harbours.

This research presents cutting-edge methods and tools for contributing to the development of future marine solutions and analyses of modern vessel technological requirements as well as harbour grids, and it proposes novel models of harbour area smart grids for facilitating the support of onshore power supply and charging of batteries for those vessels that require it. This research explores the usage of multiple battery-charging configurations with either slow- or fast-charging systems for electric or hybrid vessels, and it analyses the technical challenges that could inhibit or prevent the practicality of their implementation. The suitable size and allocation of battery energy storage systems for real-world case power systems of Åland Islands harbour grid are also investigated to enhance power capacity of harbour grids. Moreover, a control algorithm for the battery energy storage controller was first developed in MATLAB/Simulink for the Vaasa harbour grid, and then its performance was tested in the OPAL-RT real-time simulator by conducting a controller hardware-in-the-loop test to maintain the power balance inside the harbour grid.

The proposed harbour grid models can reduce the degree of pollution that degrades the environment while providing onshore power supply and battery-charging stations for hybrid or electric vessels. Moreover, this dissertation acts as a foundation for developing future business strategies for ship owners, port administrators, and local authorities to solve similar problems as technology develops and environmental degradation continues to be a problem of every country in the world.

Maailmanlaajuinen kauppa tapahtuu pääasiassa merialuksilla, ja satamista on tulossa merkittävin osa minkä tahansa maan talouskehitystä. Perinteisten dieselmoottorialusten käyttämä fossiilinen polttoaine aiheuttaa kuitenkin satamissa monenlaisia myrkyllisiä päästöjä ja ilmansaasteita, jotka ovat uhka ihmisten terveydelle ja aiheuttavat monenlaisia vaarallisia sairauksia. Tästä syystä Kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO ja EU-direktiivit suosittelevat, että alukset käyttävät satamissa ollessaan maalta tulevaa sähkönsyöttöä tai vähärikkistä polttoainetta myrkyllisten kaasupäästöjen ja ilmansaasteiden rajoittamiseksi.

Tämä tutkimus esittelee uusimpia ja tulevaisuuden merenkulun ratkaisuja, analysoi nykyaikaisten alusten teknisiä vaatimuksia sekä satamaverkkoja ja esittelee uusia malleja satama-alueen älykkäille sähköverkoille, joilla tuetaan maasähkön käyttöä ja akkujen lataamista vaativia aluksia. Tutkimuksessa tarkasteltiin useita akkuenergiavarastojen latauskonfiguraatioita sekä hitailla että nopeilla latausjärjestelmillä sähkö-/hybridialuksille ja analysoitiin niiden käytännön toteutukseen liittyviä teknisiä haasteita. Akkuenergiavarastojen sopivaa kokoa ja sijoittelua satamaverkkojen tehokapasiteetin parantamiseksi selvitettiin todelliseen verkkoon perustuvassa tapaustutkimuksessa, jossa parannettiin Ahvenanmaan verkon satamien tehokapasiteettia. Lisäksi kehitettiin akkuenergiavarastojen ohjausalgoritmi tehotasapainon ylläpitämiseksi Vaasan satamaverkossa ensin MATLAB/Simulink-mallina, jonka jälkeen sen suorituskykyä testattiin OPAL-RT reaaliaika-simulaattorilla suorittamalla ns. laitesilmukkasimulaatioita.

Ehdotetuilla satamaverkkomalleilla voidaan vastata ilmansaasteista aiheutuviin ympäristöongelmiin sekä mahdollistaa maasähkönsyöttö ja akkujen latausasemat tuleville hybridi- ja sähköaluksille. Lisäksi tämä väitöskirja voi toimia pohjana uusien liiketoimintastrategioiden kehittämiselle alusten omistajien, satamajohtajien ja paikallisviranomaisten tarpeisiin.