ارائه راهبرد جهت بهره‌برداری روش کنترل پیش‌بین با هدف کاهش نوسانات فرکانسی در سیستم برق کشتی

حمل‌ونقل دریایی به‌دلیل ظرفیت بالا، صرفه‌جویی در هزینه‌ها و قابلیت حمل مقادیر زیادی کالا، یکی از مهم‌ترین روش‌های حمل‌ونقل بین‌المللی است. این نوع حمل‌ونقل نقش حیاتی در تجارت جهانی دارد و حدود 80 درصد از کالاهای جهان از طریق دریا جابه‌جا می‌شوند. بهره‌گیری از حمل‌ونقل دریایی نه‌تنها باعث کاهش هزینه‌ها می‌شود بلکه به توسعه اقتصادی و افزایش روابط تجاری بین کشورها کمک می‌کند. توسعه فناوری‌ها به کشتی‌های بدون خدمه و خودمختار منجر می‌شود (آگاروالا^[1] و همکاران، 2024). همچنین صنایع دریایی نقشی اساسی در نبردها دارند (اسپلر^[2] و همکاران، 2023). یکی از مهم‌ترین نبردهای اخیر بین روسیه و اوکراین است. مسئله آماد و لجستیک دفاعی نقشی تعیین‌کننده را داشته است (پویس^[3] و همکاران، 2022). تحلیل محیطی و ارزیابی عوامل درونی و بیرونی، ابزارهای کلیدی در برنامه‌ریزی استراتژیک هستند. این تحلیل‌ها باعث فهم عمیق از محیط، شناسایی فرصت‌ها و تهدیدها و بهره‌برداری بهتر از منابع شده و آمادگی جهت تغییرات و کاهش ریسک‌ها را میسر می‌کند. در این پژوهش با مشورت متخصصین مرتبط با صنایع دریایی، به بررسی عوامل محیطی درونی (نقاط قوت و ضعف) و عوامل محیطی بیرونی (تهدید و فرصت) پرداخته شده است. با اولویت‌بندی عوامل محیطی به استخراج راهبردها پرداخته شده است. برنامه‌های اجرایی، فعالیت‌های لازم‌الاجرایی هستند که در راستای هر یک از راهبردها و جهت تحقق اهداف کلان، مورد نیاز هستند. برای 10 راهبرد قوی، تعدادی طرح، برنامه و پروژه تعریف شده که در چند مرحله به اجرا درمی‌آیند و تحقق اهداف برنامه را تضمین می‌نمایند. یکی از راهبردهای قوی برنامه‌ریزی جهت توسعه علوم و فناوری‌های مرتبط با صنایع دریایی در کاربردهای دفاعی است. از پروژه‌های مهم در تحقق این راهبرد، ایجاد زیرساخت آزمایشگاهی و شبیه‌سازی کنترل اختلالات بر تجهیزات است. در ادامه مدلی از سامانه توان کشتی بیان شده و به بررسی اثر روش کنترل پیش‌بین بر نوسانات فرکانسی سامانه پرداخته شده است. نگهداری فرکانس سامانه قدرت در محدوده مجاز یکی از الزامات مهم در کشتی‌ها به‌ویژه در کاربردهای دفاعی است. عدم تعادل بین بار و سامانه تولید باعث خروج فرکانس از این محدوده مجاز می‌شود. بنابراین در این مقاله در قسمت پایانی، مسئله تعادل فرکانس با به‌کارگیری روش کنترل پیش‌بین مورد بررسی قرار گرفته شده است.

1. مبانی نظری پژوهش

در سال‌های اخیر شرکت‌های کشتیرانی تحت فشار فزاینده‌ای برای رعایت مقررات انتشار، به‌ویژه هنگام ورود به مناطق کنترل انتشار ^[4](ECA) هستند. برقی شدن کشتی‌ها این امکان را به وجود می‌آورد که شدت انتشار گازهای گلخانه‌ای کاهش‌یافته و همچنین در هزینه‌ها صرفه‌جویی شود. این مزایا باعث شده کشتی‌ها پیشرفت فناوری بزرگی در زمینۀ الکتریکی داشته باشند تا جایی که امروزه کشتی‌ها تقاضای توان بالاتر و بارهایی با ماهیت متغیر دارند (لان^[5] و همکاران، 2016؛ رویکو^[6] و همکاران، 2024). این مشخصه، بررسی، تحلیل و کنترل سامانه برق کشتی را همچنان که سامانه برق شهری در این موارد مورد مطالعه قرار گرفته به یک نیاز ضروری تبدیل کرده است. البته سامانه تولید برق کشتی در مقایسه با سامانه برق شهری دارای ظرفیت و اینرسی محدودی است و از سیستم‌های قدرت سایر کشتی‌های اطراف پشتیبانی نمی‌کند. این کوچک بودن و جدا بودن از سایر سیستم‌های قدرت، سامانه برق کشتی (SPS)^[7] را مستعد اختلال می‌کند. (SPS) مورد نظر در شکل (1)، توضیح داده شده است) (فانگ^[8] و همکاران، 2022؛ یان^[9] و همکاران، 2024). تغییرات مکرر بار و متعاقباً عدم تعادل بین تولید و تقاضا یکی از مهم‌ترین دلایل ایجاد این اختلالات بوده که نیازمند در نظر گرفتن تمهیداتی جهت کاهش اثرات آن است (رادان^[10] و همکاران، 2008؛ میندوکوسکی^[11] و همکاران، 2005؛ میروسوی^[12] و همکاران، 2015؛ پروسالیدیس^[13] و همکاران، 2005). استفاده از منبع ثانویه انرژی یکی از راه‌حل‌هایی است که می‌توان جهت حفظ این تعادل پیشنهاد کرد. شواهد زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد استفاده از این منبع می‌تواند به‌عنوان یک گزینه مناسب برای کاهش این اثرات در سامانه قدرت کشتی به‌کار گرفته شود (هو^[14] و همکاران، 2014؛ آرانی^[15] و همکاران، 2013 ونجی^[16] و همکاران، 2010؛ لوپز^[17] و همکاران، 2006؛ آلبارازانچی^[18] و همکاران، 2015؛ بو^[19] و همکاران، 2017). به‌کارگیری منبع یا منابع انرژی در کنار سامانه تولید اصلی، مسئله تقسیم قدرت بین منابع به وجود می‌آید زیرا که بایستی این تقسیم به‌طور مناسب انجام پذیرد. در (کالیکاتزاراکیس^[20] و همکاران، 2018). از راه‌حل بهینه‌سازی غیرخطی به‌منظور تقسیم بهینه توان بین سه یا چند منبع انرژی استفاده شده که این منابع می‌توانند باتری، ژنراتور و یا منابع انرژی تجدیدپذیر باشند. راهبرد کنترل تعادل توان و مدیریت بهینه انرژی در سامانه قدرت برق کشتی و حفظ ولتاژ بأس در حد مطلوب با استفاده از منطق فازی و ترکیبی از منابع باتری و ابرخازن به‌عنوان سامانه ذخیره انرژی در (گو^[21] و همکاران، 2016) پیشنهاد شده است. در (فدل^[22] و همکاران، 2020)، روش هموارسازی تغییرات توان با استفاده از باتری‌ها در شبکه برق کشتی پیشنهاد شده است. در اینجا باتری‌ها به‌منظور کاستن از نوسانات فرکانس و جلوگیری از فرسودگی بیش از حد منبع تولید به‌کار گرفته شده است. البته همان‌گونه که در مقاله نیز اشاره شده است نوسانات زیاد باعث گرم ‌شدن بیش از حد باتری‌ها می‌شود. تا جایی که نویسندگان روشی مبتنی بر مدل پیش‌بین به‌منظور استفاده بهینه از باتری و جلوگیری از گرم‌شدن بیش از حد پیشنهاد داده‌اند. فناوری توان هیبریدی برای کشتی‌ها روشی مؤثر برای ارتقای توسعه سبز و کم‌کربن صنعت دریایی است. برای کاهش مصرف سوخت، یک راهبرد مدیریت انرژی کنترل پیش‌بینی‌کننده مدل غیرخطی مبتنی بر شناسایی شرایط کاری برای مدیریت بهینه انرژی پیشنهاد شده است تا مشکل تنظیم بهینه ژنراتورها و باتری‌ها را در زمان واقعی حل کند (یان^[23] و همکاران، 2025). طراحی بهینه سامانه مدیریت انرژی کشتی هیبریدی تحت شرایط مختلف دریایی با استفاده از مدل کنترل پیش‌بین صورت پذیرفته است. یک مدل کنترل پیش‌بین برای مدیریت مؤثر سامانه ذخیره‌سازی انرژی ترکیبی باتری‌ها و ابرخازن‌ها بیان شده است که به‌صورت پویا به تغییرات توان ناشی از امواج اقیانوس پاسخ می‌دهد (مشتاق^[24] و همکاران، 2025). در این مقاله هدف اصلی ارزیابی محیطی و ارائه راهبردهایی برای افزایش بهره‌وری کشتی‌ها وضعیت فرکانسی بود. در کنار آن با ارائه مدلی به بررسی اعمال روش کنترل پیش‌بین پرداخته شده است. نسبت به سایر مقالات اولویت اصلی پاسخ حالت گذرا بود که به‌طور قابل ملاحظه‌ای سریع‌تر شده است. همچنین با اعمال ضریب Soc در آزمایشات حالت دائم، قطع و وصل‌های مکرر باتری کاهش و طول عمر آن افزایش می‌یابد. در روش پیشنهادی به ازای ضریب درصد مشارکت باتری، مقادیر اختلاف فرکانس جدید با سرعت مرجع، اختلاف فرکانس جدید با فرکانس بازه زمانی قبل و اختلاف تغییرات Soc در دو بازه زمانی k+1 و k به‌دست می‌آید. سپس هرکدام از سه عبارت در ضریب وزنی مربوط به خود ضرب شده و مقدار نهایی که حاصل جمع این سه است در حافظه ذخیره می‌شود. این فرایند تا n که مقدار درصد مشارکت‌های باتری است ادامه خواهد داشت. سپس از بین این n مقدار ضریب مشارکت باتری که منجر به کم‌ترین مقدار تابع هدف می‌شود انتخاب شده و بعد از عبور از گین مربوط به ضریب خروجی به سامانه قدرت منتقل می‌شود. نسبت به سایر مقالات حجم محاسبات کم‌تر شده و با مقایسه پاسخ حالت دائم در 4 حالت، اثر اعمال ضرایب به‌خوبی نشان داده شده است.

2. روش‌شناسی پژوهش

این پژوهش از نوع کاربردی است و از روش مصاحبه، تحلیل محیطی و اشباع نظری استفاده شده است. روش اشباع نظری (که به انگلیسی نظریه اشباع‌پذیری^[25]  نامیده می‌شود) یک رویکرد در تحقیق کیفی است که اجازه می‌دهد محقق تصمیم بگیرد که جمع‌آوری داده‌ها کافی است و پژوهش باید پایان یابد. هدف اصلی این روش، رسیدن به نقطه‌ای است که اطلاعات جدید، ارزش افزوده‌ای برای درک پدیده مورد مطالعه نداشته باشد، یعنی داده‌ها به اندازه کافی غنی و جامع شده‌اند. محقق هر چه بیشتر داده جمع می‌کند، دسته‌بندی‌ها و مفاهیم دقیق‌تر مشخص می‌شوند. پس از هر مرحله جمع‌آوری، محقق تحلیل‌های اولیه را انجام می‌دهد تا الگوها، مفاهیم و رهیافت‌ها مشخص شوند. زمانی که نمونه‌های جدید، مفاهیم و الگوهای تکراری را به وجود می‌آورند و هیچ‌چیز جدیدی به دانش موجود اضافه نمی‌کند، عمل اشباع اتفاق افتاده و فرایند پایان یافته است و از طریق مطالعات اسنادی و کتابخانه‌ای، پرسش‌نامه با مصاحبه و هم‌فکری با خبرگان داده‌های لازم جمع‌آوری گردید و سپس پس از تحلیل داده‌ها و نتایج به ارائه راهبردها در زمینه کنترل نوسانات در سامانه برق کشتی پرداخته شده است، اقدامات و روند پیش‌گرفته شده در این پژوهش به‌صورت زیر است:

• بیان مسئله، اهداف پژوهش، پیشینه پژوهش
• ادبیات و مبانی نظری پژوهش
• بررسی و تجزیه‌وتحلیل عوامل محیطی
• طراحی پرسش‌نامه
• جمع‌آوری داده‌ها و تحلیل آن‌ها
• ارائه راهبردها
• پیاده‌سازی شبیه‌سازی و مشاهده نتایج در کنترل نوسانات فرکانسی

جامعه آماری این پژوهش، 23 نفر از خبرگان، صاحب‌نظران و فارغ‌التحصیلان، آشنایان حوزه صنایع دریایی و متخصصین هستند، قلمرو مکانی پژوهش نیز، جمهوری اسلامی ایران و افق زمانی 1414 است.

پس از طراحی پرسش‌نامه و توزیع آن، پاسخ‌دهندگان به هر یک از نقاط قوت، ضعف، فرصت و تهدید به‌صورت تستی 5 گزینه‌ای خیلی کم، کم، متوسط و خیلی زیاد پاسخ می‌دهند که معادل کمی این گزینه‌ها از 1 تا 5 امتیازدِهی می‌شود و سپس پس از جمع‌آوری و ارزیابی نتایج با استفاده از تحلیل SWOT به استخراج راهبردهای تهاجمی (آفندی)، تغییر جهت (محافظه کارانه)، تدافعی (پدافند غیرعامل) و رقابتی (پدافند غیرعامل) پرداخته شده است و سپس با طراحی پرسش‌نامه دوم و توزیع آن و پاسخ‌دهندگان برای ارتباط راهبرد پیشنهادی با فرصت‌ها، تهدیدات، قوت‌ها و ضعف‌ها از 1 تا 5 به‌صورت 5 (کاملاً مرتبط)، 4 (مرتبط)، 3 (ارتباط ضعیف)، 2 (ارتباط خیلی ضعیف)، 1 (بی‌ارتباط) نمره‌دِهی می‌کنند که ارزیابی نتایج انجام شده و راهبردهایی استخراج شده است. در انتها شبیه‌سازی اثر روش کنترل پیش‌بین در راستای یکی از راهبردها انجام شده است.

3. ارزیابی محیطی استفاده از کنترل پیش‌بین برای کاهش نوسانات فرکانسی

3-1. نقاط قوت

استفاده از «کنترل پیش‌بین»^[26] برای کاهش نوسانات فرکانسی در کشتی‌ها، در مواجهه با عوامل محیطی درونی، نقاط قوت قابل توجهی دارد. عوامل محیطی درونی شامل مواردی مانند تغییرات بار وضعیت تجهیزات و محدودیت‌های سیستم‌های داخلی است. ازاین‌رو، استخراج عوامل محیطی درونی برای بهره‌برداری بهتر از روش‌های کنترلی مهم است. متغیرهای اصلی مؤثر برای کنترل نوسانات در کشتی عبارت‌اند از: وضعیت و تغییرات بار سامانه وضعیت اجزای داخلی و تجهیزات، محدودیت‌های فنی و عملیاتی، مشاهدات و اندازه‌گیری‌های داخلی و پاسخ سامانه به شرایط کاری مختلف. درنتیجه، درک و استخراج این عوامل درونی به کنترل پیش‌بین اجازه می‌دهد تا واکنش‌های بهتری نسبت به تغییرات درون‌سیستمی داشته باشد و نوسانات فرکانسی در کشتی کاهش یابد.

جدول 1: عوامل محیطی درونی، نقاط قوت

3-2. نقاط ضعف

در مورد نقاط ضعف کشور در استفاده از روش‌های کنترلی به‌ویژه اعمال روش کنترل پیش‌بین برای کاهش نوسانات فرکانسی کشتی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: کمبود سیستم‌های حسگر و کنترلی، به‌روز نبودن تجهیزات و کمبود زیرساخت‌های مرتبط با بومی‌سازی سامانه توان کشتی.

این ضعف‌ها می‌تواند کارایی کنترل پیش‌بین در کاهش نوسانات فرکانسی را کاهش دهد، چون نیازمند داده‌های دقیق، فناوری پیشرفته و نیروی انسانی آموزش‌دیده است. اصلاح این ضعف‌ها نیازمند سرمایه‌گذاری در فناوری، آموزش و توسعه زیرساخت‌های داخلی است.

جدول 2: عوامل محیطی درونی، نقاط ضعف

به‌دلیل وجود موارد محرمانه در جدول فوق، اطلاعات مورد نیاز در بایگانی دبیرخانه فصلنامه قابل بهره‌برداری است.

در زمینه استفاده از کنترل پیش‌بین برای کاهش نوسانات فرکانسی کشتی‌ها، عوامل محیطی بیرونی که به‌عنوان نقاط تهدید برای کشور محسوب می‌شوند، نقش مهمی در تأثیرگذاری بر پایداری سامانه دارند. این عوامل می‌توانند بر کارایی و امنیت سامانه کنترل اثر منفی بگذارند و نیازمند برنامه‌ریزی و تدابیر خاص هستند. عمده این عوامل مربوط به تحریم‌های خصمانه و تأثیر آن در تجهیز یا به‌روزرسانی سامانه توان کشتی و سیستم‌های کنترلی است.

جدول 3: عوامل محیطی بیرونی، تهدید

این عوامل تهدید، خارج از کنترل مستقیم کشور هستند و می‌توانند بر استقرار، توسعه و امنیت سیستم‌های کنترل پیش‌بین اثرگذار باشند. شناسایی و مقابله با این تهدیدها نیازمند استراتژی‌های مقاومتی و همکاری‌های بین‌المللی است.

3-3. فرصت

عوامل محیطی بیرونی که فرصت‌هایی برای کشور در استفاده از کنترل پیش‌بین برای کاهش نوسانات فرکانسی کشتی فراهم می‌کنند، نقش مهمی در توسعه و بهره‌برداری بهتر از این فناوری دارند. این فرصت‌ها می‌توانند در ارتقای پایداری و امنیت سیستم‌های دریایی تأثیرگذار باشند:

این فرصت‌ها، کشور را قادر می‌سازند تا فناوری کنترل پیش‌بین را با بهره‌گیری از زیرساخت‌ها و استانداردهای جهانی توسعه دهد و درنتیجه نقش فعال‌تری در بازارهای بین‌المللی ایفا کند و امنیت و پایداری سیستم‌های دریایی خود را ارتقا دهد.

جدول 4: عوامل محیطی بیرونی، نقاط فرصت

3-4. ارائه راهبرد جهت بهره‌برداری و افزایش بازدهی

نقش کشتی در صنایع دفاعی به‌عنوان یکی از ارکان اساسی تأمین امنیت و دفاع از کشورها، بسیار حائز اهمیت است. در زیر به برخی از این نقش‌ها اشاره می‌کنم:

• حمل‌ونقل نیرو و تجهیزات

کشتی‌ها به‌عنوان وسیله‌ای برای انتقال نیروها، تجهیزات نظامی و نیازمندی‌های لجستیکی به مناطق عملیاتی عمل می‌کنند. این قابلیت به‌خصوص در مواقع بحران یا جنگ، اهمیت زیادی دارد.

• پشتیبانی و تأمین امنیت دریایی

کشتی‌های نظامی مانند ناوها و زیردریایی‌ها به حفاظت از مرزهای دریایی کمک می‌کنند و می‌توانند به شناسایی و مقابله با تهدیدات دریایی بپردازند.

• عملیات جنگی

کشتی‌ها می‌توانند در عملیات نبرد دریایی نقش کلیدی ایفا کنند. نیروی دریایی معمولاً برای پشتیبانی از نیروهای زمینی و هوایی نیز استفاده می‌شود.

• آموزش و تمرین

کشتی‌ها یکی از ابزارهای مهم برای آموزش نیروی دریایی و انجام تمرینات مشترک با نیروی هوایی و زمینی هستند.

• جمع‌آوری اطلاعات و انجام گشت‌زنی

کشتی‌های نظامی می‌توانند برای جمع‌آوری اطلاعات و انجام گشت‌زنی در مناطق حساس استفاده شوند که این خود به‌ایجاد امنیت و پایش وضعیت دریاها کمک می‌کند.

• کمک‌های بشردوستانه و عملیات نجات

کشتی‌ها در شرایط بحرانی می‌توانند به ارائه کمک‌های بشردوستانه و نجات افراد در دریا کمک کنند که این خود بخشی از نقش گسترده آن‌ها در امنیت جهانی است.

جدول 5: اولویت‌بندی راهبردها

برنامه‌های اجرایی، فعالیت‌های لازم‌الاجرایی هستند که در راستای هر یک از راهبردها و جهت تحقق اهداف کلان، مورد نیاز هستند. برای هر راهبرد تعدادی طرح و برای هر طرح تعدادی برنامه‌های اجرایی و پروژه تعریف می‌شود که در چند مرحله به اجرا درمی‌آیند و تحقق اهداف برنامه را تضمین می‌نمایند. در جداول (6)، زیر به ترتیب به برنامه‌ها طرح‌ها و پروژه‌ها مربوط به 10 راهبرد قوی پرداخته شده است:

جدول 6: برنامه‌ها، طرح‌ها و پروژه‌ها

برنامه‌های اجرایی، فعالیت‌های لازم‌الاجرایی هستند که در راستای هر یک از راهبردها و جهت تحقق اهداف کلان، مورد نیاز هستند. برای هر راهبرد تعدادی طرح و برای هر طرح تعدادی برنامه‌های اجرایی و پروژه تعریف می‌شود که در چند مرحله به اجرا درمی‌آیند و تحقق اهداف برنامه را تضمین می‌نمایند. در جداول زیر به ترتیب به برنامه‌ها طرح‌ها و پروژه‌ها مربوط به 10 راهبرد قوی پرداخته شده است

یکی از راهبردهای قوی برنامه‌ریزی جهت توسعه علوم و فناوری‌های مرتبط با صنایع دریایی در کاربردهای دفاعی است. از پروژه‌های مهم در تحقق این راهبرد، ایجاد زیرساخت آزمایشگاهی و شبیه‌سازی کنترل اختلالات بر تجهیزات است. در ادامه مدلی از سامانه توان کشتی بیان شده و به بررسی اثر روش کنترل پیش‌بین بر نوسانات فرکانسی سامانه پرداخته شده است.

3-5. مدل سامانه تحت مطالعه

به‌منظور بررسی اثر تغییرات بار بر روی سامانه تولید و چگونگی مشارکت باتری در جلوگیری از وقوع نوسانات فرکانس می‌توان از مدل ارائه در شکل (1)، استفاده کرد.

شکل 1: مدل سامانه تحت مطالعه شامل بار، باتری، ژنراتور و کنترل‌کننده مدل پیش‌بین

این مدل با توجه به نیاز سامانه قدرت برق کشتی از ژنراتور، باتری، بار و تجهیزات جانبی تشکیل شده است. همان‌گونه که در شکل نیز مشخص است، مطالعه انجام شده مبسوط بوده به‌طوری‌که در آن n ژنراتور، پک باتری با هر مقدار توان و بار از هر نوعی را می‌توان مورد بررسی قرار داد. به‌منظور بررسی و مطالعه این سامانه نیاز به مدل‌های ژنراتور، بار و باتری به‌صورت جداگانه است. مدل مداری ژنراتور شامل منبع ولتاژ، مقاومت و راکتانس سلفی سیم‌پیچ‌های ژنراتور است که رابطه مداری این المانها در رابطه براساس مدل Behn-Eschenburg ارائه شده است.

(1)                                                                               

یکی از دلایل مهم وقوع نوسانات فرکانس در سامانه برق کشتی عدم تعادل بین تولید و تقاضا است که این عدم تعادل عمدتاً به‌دلیل تغییر در تقاضا به وجود می‌آید. درصورتی‌که تمهیدات مقتضی جهت جلوگیری از وقوع این نوسانات اتخاذ نشود ممکن است موجب خسارت به تجهیزات تولید و مصرف و عدم کارکرد صحیح آن‌ها شود. در این مطالعه مبتنی بر روش MPC راه‌حلی پیشنهاد شده است که با به‌کارگیری آن و با مشارکت منبع ثانویه انرژی در کنار سامانه تولید از وقوع نامتعادلی در سامانه قدرت کشتی جلوگیری می‌شود. بطوریکه در هرلحظه از زمان مقدار بار و تولید اندازه‌گیری شده و با توجه به مقدار این دو، ضرایب متفاوت مشارکت باتری ارزیابی شده و درصدی که کم‌ترین انحراف از حالت تعادل را به وجود می‌آورد توسط تابع هدف انتخاب می‌شود.

در روش پیشنهادی بعد از اندازه‌گیری داده‌ها و جانشانی مقادیر اولیه، فرکانس جدید با اولین مقدار درصد مشارکت باتری به‌دست می‌آید. در بلوک بعدی به ازای ضریب درصد مشارکت باتری مقادیر اختلاف فرکانس جدید با سرعت مرجع، اختلاف فرکانس جدید با فرکانس بازه زمانی قبل و اختلاف تغییرات Soc در دو بازه زمانی k+1 و k به‌دست می‌آید. سپس هرکدام از سه عبارت در ضریب وزنی مربوط به خود ضرب شده و مقدار نهایی که حاصل جمع این سه است در حافظه ذخیره می‌شود. این فرایند تا n که مقدار درصد مشارکت‌های باتری است ادامه خواهد داشت. سپس از بین این n مقدار ضریب مشارکت باتری که منجر به کم‌ترین مقدار تابع هدف می‌شود انتخاب شده و بعد از عبور از گین مربوط به ضریب خروجی به سامانه قدرت منتقل می‌شود.

4. تجزیه‌وتحلیل داده‌ها

چگونگی کارایی روش پیشنهادی، بر روی سامانه قدرت برق کشتی که شامل باتری، ژنراتور، بار و سامانه کنترل است شبیه‌سازی و مورد آزمایش قرار گرفته است. داده‌های باتری از مشخصات باتری مدل KCP216060EN0 ساخت شرکت kokam استخراج شده است. همچنین از بار ارائه شده در (واکتزجولد^[27] و همکاران، 2013) که یک بار با مشخصه سری زمانی است در این مطالعات استفاده شده است.

جدول 7: پارامترهای ژنراتور، باتری و ضرایب روش پیشنهادی

بررسی ضرایب فرکانسی روش پیشنهادی بر عملکرد حالت دائم سامانه قدرت کشتی

به‌منظور بررسی رفتار سامانه قدرت در حالت کار دائم، پاسخ این سامانه برای چهار حالت بدون استفاده از پکیج باتری یا ضریب خروجی صفر، استفاده از پکیج باتری و با اعمال ضریب kw صفر در تابع هدف روش پیشنهادی، استفاده از پکیج باتری و اعمال ضریب kdw در تابع هدف روش پیشنهادی و حالت چهارم استفاده از باتری و اعمال تمامی ضرایب در تابع هدف مورد بررسی قرار گرفته و در شکل (2)، نمایش داده شده است. همان‌گونه از شکل مشخص است پاسخ حالت دائم در حالتی که تمامی ضرایب در تابع هدف به‌کار گرفته شده است کیفیت بهتری نسبت به سه روش دیگر دارد. همچنین در حالتی که ضرایب باتری صفر در نظر گرفته شود کیفیت فرکانس نسبت به سه حالت دیگر پایین‌تر بوده و دارای نوسانات فرکانس بیشتری است. این آزمایش نیز نشان می‌دهد که در صورت نادیده‌گرفتن ضریب kw در روش پیشنهادی از کیفیت فرکانس به‌طور چشم‌گیری کاسته می‌شود. به‌طورکلی می‌توان گفت نوسانات فرکانس در حالت اول بین 95/0 و 05/1، برای حالت دوم 95/0 و 01/1 و برای حالت سوم و چهارم بین 985/0 تا 02/1 است. نتایج نشان می‌دهد در حالتی که از ضریب kdw در تابع هدف استفاده نشود در مقایسه با حالتی که تمامی ضرایب در تابع هدف استفاده شود تغییر چندانی در کیفیت فرکانس خروجی به وجود نمی‌آید و تنها مزیتی که پاسخ فرکانس با اضافه شدن این ضریب به سامانه کنترل پیدا می‌کند عدم وقوع
تغییرات فرکانسی شدید است که در شکل (2)، این موضوع نمایش داده شده است.

شکل 2: پاسخ حالت دائم سامانه قدرت برای چهار حالت بدون استفاده از پکیج باتری، استفاده از باتری با اعمال ضریب صفر در روش پیشنهادی، استفاده از باتری و اعمال ضریب در تابع هدف روش پیشنهادی و حالت چهارم استفاده از باتری و اعمال تمامی ضرایب در تابع هدف

همان‌گونه که از این شکل ملاحظه می‌گردد این ضریب به‌خوبی هدف سامانه کنترل که جلوگیری از تغییرات سریع فرکانس است را محقق می‌کند به‌طوری‌که نتایج این آزمایش نشان داده است که در صورت به‌کارگیری این ضریب در تابع هدف روش پیشنهادی، تغییرات فرکانس در اثر تغییرات بار، شیب ملایم‌تری در مقایسه با به‌کارگیری تابع هدف بدون حضور این ضریب را دارد.

شکل 3: تغییرات فرکانس در اثر تغییرات بار برای دو حالت به‌کارگیری روش پیشنهادی با اعمال ضریب و بدون آن

یکی از مزایای روش پیشنهادی انعطاف‌پذیری برای انواع کاربردها و سیستم‌های قدرت با بارهای مختلف است. این انعطاف‌پذیری مدیون 4 ضریبی است که هرکدام از آن‌ها برای هدف مشخصی طراحی شده‌اند و تأثیر هر یک از این ضرایب در نتایج آزمایشات صورت گرفته بررسی و تحلیل شد. به‌طور خلاصه ضریب خروجی پکیج باتری در سرعت پاسخ در حالت گذرا تأثیر چشم‌گیری داشت به‌نحوی‌که هر چه این ضریب بزرگ‌تر می‌شود سرعت پاسخ نیز افزایش پیدا می‌کرد. نتایج دیگر آزمایشات نیز حاکی از آن است، ضریب kw که مربوط به عبارت انحراف فرکانس از محدوده مجاز است تأثیر بسزایی در کیفیت پاسخ حالت دائم دارد. همچنین نتایج نشان که اگرچه به‌کارگیری دو ضریب kw و kdw در کیفیت پاسخ در حالت کار دائم نسبت به حالتی که فقط ضریب kw استفاده می‌شود تأثیر چندانی ندارد ولی پاسخ حالت گذرا به‌طور قابل ملاحظه‌ای سریع می‌شود. ضریب soc دیگر ضریب مهم در تابع هدف روش پیشنهادی است که آزمایشات حالت دائم نشان می‌دهد که به‌کارگیری این ضریب باعث جلوگیری از قطع و و وصل‌های مکرر باتری و افزایش طول عمر آن می‌گردد درحالی‌که به‌کارگیری این ضریب به کیفیت فرکانس لطمه‌ای وارد نمی‌کند.

5. نتیجه‌گیری

عدم تعادل بین تولید و تقاضا در سامانه قدرت برق کشتی باعث ایجاد نوسانات فرکانسی و اختلال در عملکرد عادی بارها و ژنراتورهای الکتریکی می‌گردد. به‌کارگیری منبع توان ثانویه در کنار ژنراتور اصلی و استفاده از روش کنترل پیش‌بین پیشنهادی در این مقاله می‌تواند به‌عنوان راه‌حل مناسبی جهت خنثی‌سازی این نوسانات فرکانسی به‌کار گرفته شود. این مقاله در 2 بخش اصلی تدوین گردید، بخش اول مربوط به عوامل محیطی و استخراج راهبردهاست. از مهم‌ترین راهبردها در ادامه به مواردی اشاره شده است: برنامه‌ریزی جهت توسعه علوم و فناوری‌های مرتبط با صنایع دریایی در کاربردهای دفاعی، ایجاد سیاست‌های حمایت مادی و معنوی جهت تقویت و مؤثر سازی ارتباط نخبگان، اعضای هیئت‌علمی دانشگاه‌ها و شرکت‌های دانش‌بنیان با صنعت دریایی و حوزه عملیاتی دریاپایه کشور، حمایت از بومی‌سازی و توسعه فناوری‌های زنجیره تأمین صنایع دریایی از طریق صنایع دریایی با کمک شرکت‌های دانش‌بنیان و مراکز دانشگاهی کشور، بهینه‌سازی و بومی‌سازی مستمر تجهیزات و قطعات موجود در سامانه توان کشتی با توجه به پیشرفت فناوری‌ها، برنامه‌ریزی جهت ایجاد هماهنگی بین نیازهای پژوهشی تحقیقاتی صنایع دفاعی نظامی و اولویت‌های پژوهشی دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی و هدایت سرمایه‌های بخش خصوصی در زمینه تحقیقات و توسعه سامانه‌های پیشرفته و صنایع دریایی پویا. نبرد تحمیلی اخیر با رژیم صهیونیستی نشان داد که لازم است هرچه سریع‌تر به تقویت صنایع دفاعی پرداخته شود.

بخش دوم در زمینه اجرای راه‌حل پیشنهادی مطابق با یکی از راهبردها بود. راه‌حل پیشنهادی مبتنی بر روش mpc با تابع هدفی متشکل از 2 قید فرکانس شامل خنثی‌سازی انحرافات فرکانس از مقدار مرجع و جلوگیری از تغییرات سریع فرکانس و همچنین یک قید مقدار شارژ باتری و عدم قطع وصل مکرر باتری است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که روش پیشنهادی در دو حالت ماندگار و گذرا دارای دقت مناسب و سرعت پاسخ بالایی است که کیفیت و سرعت پاسخ با توجه به 4 ضریب (ضریب خنثی‌سازی انحرافات فرکانس از مقدار مرجع، ضریب جلوگیری از تغییرات سریع فرکانس، ضریب عدم قطع و وصل‌های مکرر باتری و ضریب خروجی کنترل) که هرکدام برای هدف معینی طراحی شده‌اند می‌تواند تغییر کند. به‌طوری‌که افزایش ضریب کنترل خروجی به 2 باعث بهبود پاسخ حالت گذرا شده و به‌کارگیری توأمان دو ضریب فرکانسی باعث بهبود پاسخ حالت دائم می‌شوند. همچنین این نتایج نشان می‌دهد که با تنظیم ضریب مربوط به حالت شارژ (ksoc) در mpc از تعداد قطع و وصل‌های مکرر باتری تا حد زیادی کاسته شده و باعث افزایش طول عمر باتری می‌گردد.

ازآنجاکه برای اجرای کنترل پیش‌بین مؤثر، نیاز است که مدل دقیقی از سامانه توان کشتی تهیه شود پیشنهاد می‌شود مدل‌سازی دقیق سامانه صورت گیرد و براساس نیازهای سامانه، می‌توان از کنترل پیش‌بین مناسب استفاده کرد. با توجه به نوسانات دریایی و شرایط متغیر، پیشنهاد می‌شود که از ابزارها و الگوریتم‌هایی برای تخمین پارامترهای سامانه در زمان واقعی و پیش‌بینی آن‌ها تدوین شود. همچنین برای بهبود دقت پیش‌بینی و کنترل، پیشنهاد می‌شود قبل از اجرای روش کنترلی، فاز جمع‌آوری اطلاعات و داده‌های لحظه‌ای به‌صورت صحیح و سریع جمع‌آوری و تحلیل شوند. با تغییر شرایط دریایی و تجهیزات، مدل‌سازی باید مرتباً به‌روزرسانی شود تا کنترل‌های پیش‌بین همچنان کارآمد باقی بمانند.

[1]. Agarwala

[2]. Speller

[3]. Powis

[4]. مناطق کنترل انتشار (ECA) یا Emissions Control Areas  مناطق خاصی در دریای آزاد و بنادر هستند که مقررات سخت‌تری برای کاهش انتشار آلاینده‌های هوا از وسایل نقلیه دریایی، مانند کشتی‌ها، اعمال می‌شود. هدف از تعیین این مناطق، کاهش آلودگی هوا و حفاظت از محیط زیست دریایی و هوایی در مناطق مهم است.

[5]. Lan

[6]. Ruichu

[7] Shipboard Power System

[8]. Fang

[9]. Yun

[10]. Radan

[11]. Mindykowski

[12]. Miroševi

[13]. Prousalidis

[14]. Hou

[15]. Arani

[16]. Wenjie

[17]. Lopes

[18]. Al-Barazanchi

[19]. Bø

[20]. Kalikatzarakis

[21]. Guo

[22]. Faddel

[23]. Yan

[24]. Mushtaq

[25]. Theoretical Saturation

[26]. Model Predictive Control

[27]. Vaktskjold