Date of Award

11-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Electrical Engineering

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Addy Wahyudie

Abstract

Wave energy is an emerging renewable energy source with great potential attributable to its consistent availability and high energy density. Technologies responsible for harnessing this form of energy are referred to as wave energy converters (WECs), among which point absorbers (PAs) are a notable subcategory. Unfortunately, the unpredictable and variable nature of waves, coupled with their complex hydrodynamics, has hindered PAs from achieving maximum wave energy absorption. Moreover, the inherent variability in wave energy leads to fluctuations in the power output of PAs. These power fluctuations pose challenges for grid integration, which requires power quality compatible with grid code standards. This dissertation focuses on control strategies that enhance the energy absorption capabilities of PAs and improve their power output for grid integration. The PA configuration incorporates a back-to-back converter topology for grid interface, complemented by a supercapacitor energy storage (SCES) serving as an intermediary buffer to attenuate power fluctuations. A holistic wave-to-grid dynamic model has been derived to describe the energy conversion process and to design the control system. Three control strategies were proposed for maximum energy absorption, classified according to their dependence on an accurate PA model into: model-free, less modeldependent, and model-based controllers. The model-free and less model-dependent

controllers were based on a reactive control approach, where properly adjusting the damping and stiffness coefficients of the PA enables the system's velocity to resonate with incident wave frequency for optimal energy absorption. The model-free controller, called the maximum power point tracking (MPPT) reactive control, tunes the coefficients in the direction of maximum generated power. The less model-dependent controller, termed reactive phase control (RPC), adjusts the coefficients to achieve a desired phase shift resonance. The model-based controller implements a Laguerre-based model predictive control (MPC) algorithm that formulates the energy absorption as a quadratic cost function, from which it determines the optimal control signal that maximizes the function with respect to system constraints. Computer simulations under various realistic sea conditions were conducted to evaluate the developed maximum energy absorption controllers. The results demonstrated that the MPC yielded the best performance in terms of absorbed power, generated power, and wave to wire efficiency. To facilitate grid integration, the grid-side converter (GSC) adopted a voltage-oriented control structure consisting of two cascaded Proportional-Integral (PI) control loops. The inner control loop ensures that the injected power meets grid requirements in terms of frequency synchronization and harmonic content. The grid’s power absorption capacity determined whether the outer loop performed DC bus voltage regulation for maximum power injection or performed active and reactive power regulation tasks. Furthermore, a linear quadratic regulator (LQR) controller with integral action governed the charging and discharging operations of the SCES. In an effort to reduce dependence on the SCES, a novel PI-based power curtailment control strategy was introduced. This strategy enables the PA to follow a power setpoint below its maximum generation capacity, thereby minimizing the margin between generated power and grid demand. An energy management strategy was formulated to coordinate the grid integration controllers, and their efficacy was evaluatedvia simulations in a MATLAB/Simulink environment, revealing satisfactory results. Finally, a hardware in the loop (HIL) setup was constructed, where the control algorithms were executed in real-time on a target processor, concurrently interacting with physical hardware and a virtual PA model. The experimental results obtained from the HIL setup substantiated the simulation outcomes and affirmed the feasibility of the proposed control methods for real-time application.

Arabic Abstract


طرق تحكم محولات طاقة الأمواج ذات الامتصاص النقطي لزيادة كفاءة امتصاص الطاقة وإدماجها داخل شبكة الكهرباء

تعد طاقة الأمواج أحد مصادر الطاقة المتجددة الناشئة ذات الإمكانات الكبيرة بسبب توفرها وكثافة طاقتها العالية. يشار إلى التقنيات المسؤولة عن استخلاص هذا النوع من الطاقة باسم محولات طاقة الأمواج (WECS)‎، ‏ومن أبرز أنواعها أجهزة الامتصاص النقطي (PAS). لسوء الحظ، فإن الطبيعة المتغيرة وغير المتوقعة للأمواج، إلى جانب الديناميكا الهيدروليكية المعقدة، تقلل من كميه الطاقة الممتصة بواسطة الامتصاص النقطي. إضافة إلى ذلك، يسبب التباين المتاصل في طاقة الأمواج إلى توليد طاقة كهربائية متذبذبة. تشكل هذه الطاقة المتذبذبة تحديات عند إرسالها إلى الشبكة الكهربائية بسبب عدم توافق جودة الطاقة المنتجة مع معايير الشبكة. يركز هذا البحث على استراتيجيات التحكم التي تعزز مقدرة أجهزة الامتصاص النقطي على سحب أقصى طاقة ممكنة من الأمواج وتحسين إنتاج الطاقة لتسهيل دمجها مع الشبكة. يتصل الامتصاص النقطي مع الشبكة عبر طوبولوجيا محول تيار متذبذب إلى تيار مستمر ومحول تيار مستمر إلى تيار متذبنب، إضافة الى مكثف فائق مخزن للطاقة ليساهم في تقليل تأئير طاقة الأمواج المتقلبة. لقد تم استخلاص نموذج ديناميكي شامل من الموجة إلى الشبكة لوصف عملية تحويل الطاقة وتصميم أنظمة التحكم. تم اقتراح ثلاث استراتيجيات تحكم للحصول على أقصى امتصاص للطاقة، مصنفة وفقا لاحتياجها على نموذج الامتصاص النقطي إلى: نظام تحكم بدون نموذج، نظام تحكم أقل اعتمادا على النموذج، نظام تحكم معتمد على النموذج. يستند نظاما التحكم بدون نموذج والتحكم الأقل اعتمادا على نهج التحكم التفاعلي، حيث يمكن تعديل معاملا الصلابة والتخميد في جهاز الامتصاص النقطي بشكل صحيح ليتوافق ديناميكية الجهاز مع تردد الأمواج للحصول على أمثل امتصاص للطاقة. يعدل نظام التحكم بدون نموذج المعاملان بتتبع اتجاه نقطة القدرة القصوى لمحول الامتصاص النقطي. أما التحكم الأقل اعتمادا على النموذج يقوم بضبط المعاملان لتقليل زاوية الطور بين ديناميكية الامتصاص النقطي وتردد الأمواج. نظام التحكم المعتمد علي النموذج يستخدم خوارزمية التحكم التنبؤوي المبني على لاغير (Laguerre based MPC) لصياغة قدرة امتصاص الطاقة كدالة ثم تقوم الخوارزمية بإيجاد الحل الأمثل لتعظيم الدالة. تم إجراء محاكاة حاسوبية لتقيم أنظمة التحكم المقترحة تحت عدد من الظروف البحرية الواقعية. أظهرت النتائج أن خوارزمية التحكم التنبؤي حققت أفضل أداء من حيث الطاقة الممتصة والطاقة المولدة وكفاءة. لتسهيل دمج الامتصاص النقطي بالشبكة، اعتمد المحول من جانب الشبكة متحكم يتكون من حلقتين متتابعتين من النوع التناسبي-التكاملي (PI). تضمن الحلقة الداخلية للتحكم أن القدرة المرسلة تلبي متطلبات الشبكة من حيث تزامن التردد والمحتوى التوافقي. تحدد قدرة امتصاص الشبكة للقدرة المنتجة ما إذا كانت الحلقة الخارجية تقوم بتنظيم جهد ناقل التيار المستمر أو تقوم بمهام تنظيم القدرة النشطة والمتفاعلة. علاوة على ذلك، فإن وحدة التحكم الخطية التربيعية (LQR) تحكم عمليات شحن وتفريغ المكثف الفائق. وفي محاولة لتقليل الاعتماد على المكثف الفائق، تم تقديم استراتيجية جديدة للتحكم في تقليص الطاقة المنتجة من الامتصاص النقطي بواسطة متحكم تناسبي-تكاملي. هذه الاستراتيجية تمكن الامتصاص النقطي من التحكم بقدرته الإنتاجية لتقليل الفارق بينها وبين القدرة المطلوبة من قبل الشبكة. وأيضأ تم صياغة استراتيجية لإدارة وتنسيق هذه المتحكمات، وتم تقييم فعاليتها عبر محاكاة رقمية بو اسطة MATLABI/Simulink مما كشف عن تتائج مرضية. أخيرا، تم عمل التجارب المخبرية باستخدام أسلوب محاكاة للأجهزة في الحلقة، حيث تم تشغيل خوارزميات التحكم على معالج على أساس آني، مع التفاعل بشكل متزامن مع أجهزة مادية وامتصاص نقطي افتراضي. أثبتت النتائج التجريبية نتائج المحاكاة الرقمية وأكدت قابلية حوسبة أنظمة التحكم المقترحة في الوقت الحقيقي.

Download

Share

COinS