Nonlinear Model Predictive Control of Offshore Hybrid Power Systems

Abstract

Produksjon av olje og gass på utaskjærs plattformer er en viktig industri for mange land over hele verden. Uheldigvis medfører den nåværende produksjonen høye utslipp av drivhusgasser. En løsning som allerede er i gang for å håndtere utslippene, er å integrere utaskjærs vindkraft produksjon med de nåværende kraftsystemene på utaskjærs plattformer. Bruken av tradisjonelle kraftsystemer sammen med vindkraft resulterer i hybride kraftsystemer. Denne masteroppgaven har som mål å produsere en regulator som kan utnytte den potensielle energien i vind for et slikt hybrid kraftsystem. Masteroppgaven utforsker spesifikt bruken av en modell prediktiv regulator i et hybrid kraftsystem. En modell prediktiv regulator er en regulator basert på en matematisk modell av systemet.

Først er en matematisk modell av systemet utledet for å teste ytelsen til den modell prediktive regulatoren i et hybrid kraftsystem. Systemmodellen er videre brukt som et testsystem og designgrunnlag for den modell prediktive regulatoren. En mengde testscenarioer med ulike realistiske betingelser er simulert for å analysere oppførselen til den regulerte systemmodellen av det hybride kraftsystemet. Resultatene fra simuleringene tilsier at den modell prediktive regulatoren klarer å utnytte en stor andel av den potensielle kraften i vinden. I tillegg blir kraften i det hybride kraftsystemet distribuert mellom komponentene på en tilfredsstillende måte.

Resultatene fra denne masteroppgaven tydeliggjør potensialet av modell prediktiv regulering i utaskjærs hybride kraftsystemer.

Oil and gas production on offshore platforms is a crucial industry for several countries worldwide. Unfortunately, production currently suffers from high emissions of greenhouse gasses. An approach already set in motion to deal with these offshore emissions is integrating offshore wind power production into the current power systems on the offshore platforms, resulting in hybrid power systems. This thesis aims to make a controller for an offshore hybrid power system to exploit the potential energy in the wind. More specifically, this thesis investigates the use of a model predictive controller for such a power system. A model predictive controller is a controller that is based on a mathematical model of the plant.

A mathematical plant model is firstly derived to test the performance of a model predictive controller in a hybrid power system. The plant model is then used as a test plant and design basis for the model predictive controller. Several test cases under different realistic conditions are simulated to analyze the behavior of the controlled hybrid power system plant model. The resulting simulations show that the model predictive controller manages to utilize a large proportion of the potential wind power. Additionally, the overall power in the hybrid power system is appropriately distributed between components.

The findings from this thesis show the potential of model predictive control for offshore hybrid power systems.