Electricity Generation with Direct Drive Wave Energy Converters: Resistive Loading Control, Grid Integration and Wave Prediction

Rocha Mendonca, Hugo (2020). Electricity Generation with Direct Drive Wave Energy Converters: Resistive Loading Control, Grid Integration and Wave Prediction. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.64745.

Description

Title: Electricity Generation with Direct Drive Wave Energy Converters: Resistive Loading Control, Grid Integration and Wave Prediction
Author/s:
  • Rocha Mendonca, Hugo
Contributor/s:
  • Martínez Gonzalez, Sergio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Existe un consenso global sobre la generación eléctrica a partir de fuentes de energía renovables. En este marco, la energía oceánica presenta un gran potencial y puede ser explotada de distintas formas. Prueba de esto es que la energía oceánica ha sido tema de muchas investigaciones recientes. Hay un grupo significativo de tecnologías empleadas para la conversión undimotriz mediante convertidores de energía de las olas (WEC - del inglés: wave energy converter). Esta tesis se centra en el sistema de accionamiento directo de un convertidor del tipo absorbedor puntual, en el que una boya está conectada a un sistema de extracción de energía (PTO - del inglés: power take-off) en el lecho marino. La conversión de energía en el PTO se realiza mediante un generador lineal de imanes permanentes. De manera general, el gran desafío para la explotación de las energías renovables es aumentar su eficiencia. En la generación undimotriz no es diferente. La operación del convertidor debe ser optimizada para que sea factible económicamente su implementación. Esta tesis propone una estrategia basada en un control de fuerza resistiva de un absorbedor puntual, donde la potencia generada es maximizada mediante el control de la fuerza electromagnética del generadora través de un sistema emulador de resistencia. Estos WEC se conectan a la red eléctrica mediante un sistema de electrónica de potencia, que se aprovecha para implementar el sistema emulador de resistencia mediante un controlador de corriente. Este debe ser capaz de manejar grandes variaciones en las magnitudes eléctricas, además de intervalos de tiempo largos en que estas presentan un valor bajo. Para ello, se ha desarrollado un algoritmo de fuente de corriente no lineal (banda de histéresis) mediante vectores espaciales con frecuencia de conmutación constante para controlar el generador eléctrico. Además, se ha implementado un controlador tradicional por banda de histéresis y un controlador PWM por vectores espaciales basado en un control orientado a la tensión para comparar sus prestaciones desde el punto de vista de la eficiencia del WEC y su respuesta dinámica. Muchas de estas estrategias de control son no causales, es decir, dependen de datos futuros del oleaje. Sin embargo, la predicción del oleaje en un parque marino puede que no sea económicamente factible, ya que se necesitarían muchos instrumentos de medida. Como parte de un sistema de predicción, en esta tesis se plantea un estimador espacial del oleaje en un parque marino basado en un único punto de medida. Se ha implementado este planteamiento mediante una red neuronal artificial con retraso temporal. En este estudio se evalúa el desempeño de dicho estimador y su sensibilidad a distintas situaciones. Por otro lado, el nivel de penetración de energías renovables en la red eléctrica está en aumento día tras día. La eólica y solar han alcanzado un alto nivel de madurez y, por tanto, sus impactos están bien definidos y estudiados. Pero este no es el caso de otras fuentes de energía emergentes como es la undimotriz. Así, en esta tesis, también se estudia el impacto de la potencia fluctuante inyectada por un WEC en una red de distribución eléctrica. Además, se propone una estrategia para mitigar las fluctuaciones de tensión resultantes. El método de corrección propuesto utiliza la propia electrónica de potencia del WEC para controlar la potencia reactiva disponible en el convertidor del lado de la red. También se plantea el uso de un STATCOM como dispositivo adicional para la compensación de reactiva. ----------ABSTRACT---------- There is a global consensus on the use of renewable energies. In this context, the sea has great energy potential to be exploited in different ways, and it has been the subject of many studies. A significant group of technologies is based on the conversion of the ocean wave energy into electricity by a Wave Energy Converter (WEC). This thesis is focused on the direct drive system of a point absorber converter, where a buoy is connected to a Power Take-Off (PTO) system on the seabed. The energy conversion in the PTO is made through a Linear Permanent Magnet Synchronous Generator (LPMSG). In general, a major challenge for the exploitation of renewable energies is to improve their efficiency. In electricity generation from the energy of ocean waves, not unlike other technologies, the converter must be optimised to make the energy harvesting economically feasible. This thesis proposes a resistive loading control strategy of a point absorber in which the generated power is maximised by controlling the electromagnetic force of the generator with a resistance emulation approach. As a power electronic interface is required for grid connection, the resistance emulation approach has been implemented by a current controller. It must be able to handle with large variations of voltage and current, and also with large periods where these variables present low values. Therefore, a current source with a space-vector hysteresis-band and a constant switching frequency has been developed to be used with surface-mounted LPMSG. Also, a traditional hysteresis-band controller and a space-vector PWM controller based on voltage oriented control are implemented. This work assesses the performance of the current controllers mentioned above from the point of view of the overall conversion efficiency and dynamic response. Most control strategies to maximise the captured power by wave energy converters depend on the knowledge of the incoming wave in a short-term future. However, the wave prediction may be unpractical in a wave farm, since many measurement systems would be required. As a part of a prediction system, this thesis presents an estimator of the spatial sea surface elevation in a wave farm based on a single measurement point. The approach is based on a time delay artificial neural network. This work also explores the performance of the estimation for a given farm and the sensitivity to different sea characteristics. On the other hand, renewable energy is steadily increasing its penetration level in electric power systems. Wind and solar energy have reached a high degree of maturity, and their impacts on the grid are well known. However, this is not the case for emerging sources like wave energy. In this sense, this work explores the impact of the fluctuating power injected by a wave energy converter on the distribution grid voltage and proposes a strategy for mitigating the induced voltage fluctuations. The proposed corrective action makes use of the hardware resources already available in the WEC, employing a control strategy on the reactive capability of the grid-side converter. The use of a STATCOM as additional reactive compensation equipment is also explored.

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Item ID: 64745
DC Identifier: http://oa.upm.es/64745/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:64745
DOI: 10.20868/UPM.thesis.64745
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 19 Oct 2020 06:27
Last Modified: 19 Oct 2020 06:27
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