Modelling and Control of Wave-to-Wire Model of Point Absorber Wave Energy Converters (WECs)

Abstract

Bølger har et stort potensial, da rundt 10% av verdens strømforbruk kan leveres fra bølgeenergi. Dette gir en unik mulighet til å bringe mer fornybar energi inn i verden ved bruken av bølgeenergiomformere (WEC). WEC-er sin evne til å stå alene på steder der det ikke er noe nett, gir også WEC-er en spesiell betydning.

Denne masteroppgaven presenterer modellering og kontroll av en bølge-til-kabel (wave-to- wire-modell) av punktabsorbator WEC-er. Punktabsorbatoren (PA3) som brukes er fra Cruz-Atcheson Consulting Engineers-modell, utviklet i EU-prosjektet IMAGINE og inspirert av CETO3 WEC. WEC-en er koblet til en roterende permanentmagnet synkrongenerator (PMSG) direkte gjennom en resirkulerende kuleskrue. PMSG-en er koblet til en DC-kobling gjennom en omformer. To typer kontrollstrategier, henholdsvis passiv lasting og optimal kontroll (passive loading og optimum control), blir brukt for pa maksimere effekten utvunnet fra innkommende uregelmessig bølge. Masteroppgaven er begrenset til en innkommende uregelmessig bølge av Bretschneider-spektrum med en betydelig høyde på 3,25m og en topperiode på 12 sekunder. Begrensningene på effekt, sluttgrenser og maksimal effekt som PMSG-en kan generere, 296,20 kW, er tatt hensyn til.

Passive loading og optimum control påføres med og uten begrensning av mekanisk inngangseffekt til PMSG-en ved 250 kW. Den høyeste maksimale gjennomsnittlige effekten på 35,82 kW genereres ved ubegrenset optimal kontroll med et forhold mellom topp og gjennomsnittlig på 8,64. Den maksimale gjennomsnittsverdien er 3,5%, 4% og 1,5% høyere enn den maksimale gjennomsnittlige effekten som er oppnådd ved henholdsvis ubegrenset passive loading, begrenset passive loading og begrenset optimum control. Forskjellen er senket på grunn av grensen for maksimal effekt generert av PMSG-en. Da PA3 har to frihetsgrader, er den maksimale genererte kraften høyere enn PMSG-en sin begrensende effektverdi.

Waves have a huge potential where around 10% of the world’s electricity demand can be supplied from wave energy. This provides a unique opportunity to bring more renewable energy into the world by deploying wave energy converters (WECs). The ability of WECs to stand alone in places where there is no grid also offers WECs special importance.

This master thesis presents the modelling and control of wave-to-wire model of point absorber wave energy converters (WECs). The point absorber (PA3) used is adopted from the Cruz-Atcheson Consulting Engineers model developed within the EU project IMAGINE and inspired by the CETO3 WEC. The WEC is connected to a rotating permanent magnet synchronous generator (PMSG) directly through a recirculating ball screw. The PMSG is connected to a dc-link through a converter. Two types of control strategies are applied to maximize the power extracted from the incoming irregular wave. These are passive loading and optimum control. The study is limited to an incoming irregular wave of Bretschneider spectrum with a significant height of 3.25m and a peak period of 12 seconds. The constraints on power, end limits and the maximum power that the PMSG can generate, 296.20 kW, are taken into account.

Passive loading and optimum control are applied with and without of capping of mechanical input power to the PMSG at 250 kW. The highest maximum average power of 35.82 kW is generated by uncapped optimum control with a ratio of peak to average electrical power, 8.64. The maximum average value is 3.5%, 4% and 1.5% higher than the maximum average power obtained in uncapped passive loading, capped passive loading and capped optimum control respectively. The difference is lowered due to the limit of maximum power generated by PMSG. The PA3 has two degrees of freedom and therefore a power higher than the capping value is generated. The delay of the actuator also influences the power generated by the WEC.