Date of Award

11-2021

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Electrical Engineering

First Advisor

Dr. Addy Wahyudie

Abstract

The study comprises of designing permanent magnet linear generator (PMLG) for wave energy converters (WECs) and method for maximizing power absorption using less dependent mathematical model or low computationally cost controllers. There are three proposed controller methods: the damping control using maximum power point tracking (MPPT), the reactive control using MPPT, and finite control set model predictive control (FCSMPC).

The first part of the thesis is started with the design and testing of a laboratory scale test-rig for wave energy converters (WECs). The main element of the test-rig is a double-sided permanent magnet linear generator (PMLG). In this study, detailed design of the PMLG is described. The objective of the design is to find the detailed parameters of the PMLG to meet the targeted electromotive force (EMF) voltage with respect to the designed physical constraints. The design procedure is easy to follow and emphasizes the practical aspects to construct the PMLG. In addition to that, the procedure to find the rating temperature for the generator is explained. Finally, this PMLG is integrated with other components to form the test-rig. The experiment is conducted to show how close the performance of the constructed PMLG is, in term of its EMF voltage and rated thermal, to the designed values.

The second part of the thesis discusses low computationally cost controllers for the WECs. The first two proposed controllers used methods that have less dependent with the mathematical model for WEC systems, namely, damping and reactive controllers using MPPT. The last controller considers the method for reducing the computational cost in model predictive control for WECs. An assessment of damping control using various MPPT methods for heaving WEC was conducted in this study. Various damping controls were implemented using a DC–DC boost converter and an assessment study was conducted to evaluate the effectiveness of the damping controls. The duty cycle for MPPT was determined using a perturb and observes algorithm. This assessment study determines the following for applying MPPT for heaving WECs: best location for the observing parameters; best performance index for the MPPT; and effect of averaging the performance index. Various scenarios using nine MPPT methods were tested using simulated regular and irregular sea states. The test results were validated experimentally using a simple and low-cost hardware-in-the-loop (HIL) scheme. The results showed that the MPPT method has an optimum performance by using the performance index for maximizing power, using observing parameters between the source and the load, and deploying conventional instantaneous values for the observing parameters.

Next, a reactive control using MPPT technique is developed for maximizing of the output electrical power. The perturb and observe algorithm searches for optimum value of damping and stiffness coefficients in order to maximize the converted electrical power (Pe). The running mean value of the Pe is calculated in every MPPT control period and updating of the damping and stiffness coefficients are done as per the direction of the Pe. The proposed MPPT is then compared with the resistive loading and approximate complex conjugate control techniques. The results show significant improvements in Pe using the proposed MPPT using reactive control.

Finally, the thesis discusses a method for minimizing computational cost in model predictive control for WECs by proposing an estimator-based finite control set model predictive control (FCSMPC). The FCS-MPC is formulated such that a control command trajectory is not required; instead, it searches for the optimum control law—in the form of switching functions—that maximizes the WEC converted electrical energy while imposing soft constraints on the states of the power take-off (PTO) mechanism. Current transducers are deployed to measure the PTO three-phase currents and both mechanical and electrical variables required by the FCS-MPC strategy are estimated using an electrical-based extended Kalman filter (E-EKF). Simulations were performed to assess the effectiveness of the proposed control strategy. Results presented herein clearly show that the proposed reference less FCS-MPC managed to produce 10% – 23% more energy compared with benchmark resistive loading-based techniques with both fixed and variable wave frequency capabilities while utilizing 18% – 45% less PTO resources.

Arabic Abstract

تتألف هذه الدراسة من تصميم مولد خطي ذي مغناطيس دائم لمحولات طاقة أمواج البحر، وزيادة امتصاص الطاقة باستخدام طريقة أقل اعتماداً على النموذج رياضي، تتمثل في وحدات تحكم منخفضة التكلفة الحسابية. هناك ثلاث طرق مقترحة، للتحكم: التحكم في التثبيط باستخدام تعقب نقطة الطاقة القصوى، والتحكم التفاعلي باستخدام تعقب نقطة الطاقة القصوى والتحكم التنبئي بضوابط تحكم محددة. يتضمن الجزء الأول من الأطروحة، تصميم واختبار جهاز اختبار معملي مصغر، لمحولات طاقة الأمواج. المكون الرئيسي لجهاز الاختبار عبارة عن مولد خطي بمغناطيس دائم ذي وجهين. في هذه الدراسة تم توصيف التصميم التفصيلي للمولد الخطي بالمغناطيس الدائم. الهدف من التصميم هو العثور على المعاملات اللازمة لتحقيق القوة الدافعة الكهربائية المستهدفة، ضمن حدود قيود التصميم. إن خطوات التصميم سهلة التتبع، وهي تؤكد على الجوانب العملية لبناء مولد خطي بمغناطيس دائم. بالإضافة إلى ذلك، شرحت الأطروحة طريقة حساب درجة الحرارة القصوى للمولد. أخيراً، تم ربط المولد الخطي ذي المغناطيس الدائم بمكونات أخرى لتشكيل منصة الاختبار. ومن ثم تم إجراء تجربة لإظهار مدى قرب أداء المولد الذي تم بناؤه، من حيث القوة الدافعة الكهربائية والحرارة القصوى، من القيم المصممة.

يناقش الجزء الثاني من الأطروحة وحدات التحكم منخفضة التكلفة الحسابية لمحولات طاقة الأمواج. استخدمت وحدتي التحكم المقترحتين الأولى والثانية، طرقًا أقل اعتمادًا على النموذج الرياضي لنظم محولات طاقة الأمواج، وهي التحكم المُثبط والتفاعلي باستخدام تعقب نقطة الطاقة القصوى. في حين اعتمدت وحدة التحكم الأخيرة، طريقة تقليل التكلفة الحسابية في نموذج التحكم التنبئي لمحولات طاقة الأمواج. في هذه الدراسة، تم إجراء تقييم للتحكم في التثبيط باستخدام طرق مختلفة لتعقب نقطة الطاقة القصوى لمحول طاقة أمواج رأسي الحركة. تم تطبيق ضوابط تثبيط مختلفة باستخدام محول تيار مستمر رافع للجهد الكهربائي، وأجريت دراسة لتقييم فعالية ضوابط التثبيط. كما تم تحديد دورة التشغيل اللازمة لتعقب نقطة الطاقة القصوى باستخدام خوارزمية فرض الاضطراب والرصد. بالنسبة لتطبيق تعقب نقطة الطاقة القصوى، فإن هذه الدراسة تحدد: أفضل موقع للمعاملات المستخدمة للرصد، وأفضل مؤشر أداء لتعقب نقطة الطاقة القصوى، وتأثير احتساب متوسط مؤشر الأداء. تم اختبار سيناريوهات مختلفة باستخدام تسع طرق لتعقب نقطة الطاقة القصوى، وباستخدام حالات بحر محاكاة منتظمة وغير منتظمة. كما تم التحقق من صحة نتائج اختبار المحاكاة بشكل تجريبي باستخدام تقنية الأجهزة والمعدات في دائرة التشغيل الحاسوبية. تم تنفيذ مخطط هذه التقنية باستخدام جهاز تجاري يمكن استخدامه لأي تصميم من تصاميم محولات طاقة الأمواج. أظهرت النتائج أن الأداء الأمثل لطريقة تعقب نقطة الطاقة القصوى، يكون باستخدام مؤشر أداء زيادة الطاقة للحد الأقصى، وباستخدام معاملات الرصد بين المصدر والحِمل، وتوظيف القيم اللحظية التقليدية لمعاملات الرصد.

تم تطوير وحدة تحكم تفاعلية باستخدام تقنية تعقب نقطة الطاقة القصوى للحصول على أعلى طاقة كهربائية ممكنة. تبحث خوارزمية فرض الاضطراب والرصد عن القيمة المثلى لمعاملات التثبيط والجساءة، للحصول على أقصى طاقة كهربائية محولة. يتم حساب القيمة المتوسطة الجارية للطاقة الكهربائية المحولة في كل دورة، ويتم تحديث معاملات التثبيط والجساءة وفقاً لاتجاه الطاقة. أظهرت النتائج تحسن كبير في الطاقة الكهربائية المحولة مقارنة بطريقة تحكم حمل المقاومة غير التفاعلي وطريقة الرنين باستخدام مرافق المعاوقة المقرب.

أخيرًا، تناقش الأطروحة طريقة لتقليل التكلفة الحسابية في نموذج التحكم التنبئي لمحولات طاقة الأمواج، من خلال مقترح التحكم التنبئي بضوابط تحكم محددة مستند إلى مُقدّر. تستخدم استراتيجية التحكم المقترحة نموذج متطور غير خطي لعملية نقل الطاقة من الموجة إلى الأسلاك عند المخرج. تمت صياغة النموذج بحيث يبحث عن قانون التحكم الأمثل، من خلال التبديل بين عدة صيغ تحكم -عوضًا عن استخدام مسار تحكم محدد- بشكل يحقق الزيادة القصوى في الطاقة الكهربائية المحولة، مع فرض قيود معتدلة على حالات آلية استخراج الطاقة. كما تم استخدام محولات التيار الكهربائي لقياس التيار الكهربائي في المولد، ومن ثم تقدير المتغيرات الميكانيكية والكهربائية المطلوبة لوحدة التحكم التنبئي ذات ضوابط التحكم المحددة بواسطة مرشح كالمان. تم إجراء محاكاة لتقييم فعالية الإستراتيجية المقترحة. أظهرت النتائج بوضوح أن التقنية المقترحة تُظهر تحسن في إنتاج الطاقة الكهربائية بنسبة 10%-23% مقارنة بالتقنيات المعيارية المعتمدة على حمل المقاومة غير التفاعلي، وذلك مع كل من الموجات ذات التردد الثابت والمتغير. إضافة إلى استخدام أقل لموارد آلية استخراج الطاقة بمقدار 18%-45%.

Download

Share

COinS