Effect of a Non-Ideal Power Take-Off System on the Electrical Power Output of a Wave Energy Converter under Passive Control

Abstract

Fysiske havbølger er ikke-stasjonære av natur, noe som gir en utfordring når en bølgeomformer skal konstrueres og kontrolleres. Gjennom tidene er det foreslått mange forskjellige kontrollstrategier for å kunne øke mengden energi som absorberes av bølgeomformeren under ulike driftsforhold. Ytelsen til disse kontrollmetodene er bekreftet ved bruk av hydrodynamiske modeller, hvor ideelle elektriske kraftuttakssystemer (PTO) er antatt. Generelt kan de elektriske kraftuttakssystemene justeres enten etter en konstant frekvens karakterisert av et lokalt spektrum eller etter en kontinuerlig frekvens som følger bølgefrekvensen. Nyere studier med en passiv kontroll (PC) metode basert på Hilbert-Huang transform (HHT), som justerer PTO systemet fra bølge til bølge, har vist lovende resultater med en ideell PTO for å kunne øke mengden absorbert energi fra bølgene. I denne masteroppgaven har disse studiene blitt utvidet til å omfatte en modell som inkluderer de fysiske begrensningene og effektiviteten til det elektriske PTO systemet. Gjennom numeriske simuleringer og sammenligninger med en passiv belastningsmetode (PL) som bruker den gjennomsnittlige spektralsentroiden av energispekteret til kraften av den innkommende bølgen og tilfellet når bare den hydrodynamiske modellen er vurdert, blir effekten PC metoden har på mengden elektrisk generert effekt til bølgeomformeren studert. Simuleringene med kun den hydrodynamiske modellen viser at PC strategien absorberer mer energi fra bølgene enn PL. Ett eksempel er, for havtilstander karakterisert med et bredt frekvensspekter, oppnådde PC en ytelsesforbedring i den absorberte energien på opptil 32% sammenlignet med PL. Fra resultatene med modellen av bølgeomformeren med en ikke-ideell PTO, ble det observert at PC genererer i gjennomsnitt 10% mer elektrisk effekt enn PL, noe som støtter resultatene med en ideell PTO. Derimot krever PC 84% mer effekt fra nettet, sammenlignet med PL, for å kunne operere korrekt. Selv om PL resulterer i høyere gjennomsnittlige effekttap enn PC, vil PL i gjennomsnitt gi ut ca. 6% mer elektrisk effekt enn PC. Dette viser at de fysiske begrensningene og ikke-linearitetene til PTO systemet reduserer fordelen med en tidsvarierende PTO dempning.

Real ocean waves are non-stationary by nature, which gives a challenge when designing and controlling wave energy converters (WECs). Many different control strategies have been proposed to increase the energy absorption of WECs under a variety of operating conditions. The performance of these control schemes have been verified through the use of hydrodynamic models, with the assumption that the power take-off (PTO) system is ideal. Generally, the PTO system can either be tuned on a constant frequency characterized by a local spectrum or continuously tuned after the wave frequency. Recent studies with a passive control (PC) method based on the Hilbert-Huang transform (HHT), that tunes the PTO on a wave-by-wave basis, have shown promising results with an ideal PTO for increasing the energy absorption from the waves. In this thesis, these studies have been extended to include a fully-coupled wave-to-wire model that includes the physical limitations and efficiency of an electrical PTO system. Through numerical simulations and comparisons with a passive loading (PL) method tuned at the mean centroid frequency of the excitation force spectrum and the case when only the hydrodynamic model is considered, the effect of the PC strategy on the electrical power output of the WEC is studied. Simulations with the hydrodynamic model only showed that the PC scheme absorbs more energy from the waves than PL. For instance, for sea states characterized by a wideband spectra, PC obtained a performance improvement in the absorbed energy of up to 32% compared to PL. From the wave-to-wire results, it was observed that PC averagely generates 10% more electrical power than PL, supporting the results with an ideal PTO. However, PC also requires 84% more power from the grid compared to PL in order to operate correctly. Even though PL results in more average power losses than PC, PL still averagely give around 6% more electrical power output than PC. This shows that the physical limitations and non-linearity of the PTO reduces the benefit of a time-varying PTO damping.