Modelling in a real time environment the integration of wave energy, storage system and grid

Ocean wave energy is a renewable energy resource that is denser than other resources like solar or wind, yet power converter devices that convert ocean wave energy into electrical energy are still in its development phase. Among the different types of PTOs, heaving point absorber WECs that are characterized by its physical horizontal dimension much smaller than the wave incident, have the simplest structure as it directly convert wave power into electrical power without having any other intermediate power conversion steps. However, such direct power conversion implicates the association between the generated power and the wave power that is highly variable and intermittent, thus serious challenges arise when integrating these devices with the electrical grid. This work aimed at providing an early stage solution to tackle the problem of integrating point absorber based WECs and the grid, which started with the implementation of an ESS within the system to compensate for the power generation deficiency or surplus at any given time in order to provide the grid with a much smoother power. Due to the nature of ocean wave period that is relatively short (seconds), supercapacitors appeared to be the best candidate to be implemented because of their high power density and high cycling efficiency. In this context, the work started with the modelling then the design of the different components that make-up the system when integrated all together, which can be summarized by: the PMLG and its power converter, the supercapacitor and its power converter and the grid and its power converter. Then the problem of controlling each of the active converters was considered to achieve the desired behavior of the system at its low level. Lastly, as the sea state is of a continuous slow change (days), a high level power management control was implemented with the aim of managing the produced power as well as the injected power to the grid while maintaining the ESS energy state within its prescribed limits in order to preserve the stability and improve the reliability of the overall system. The modelling and simulation were done on a real time HIL simulator with microseconds execution rate allowing to emulate the real behavior of the different subsystems and the interaction among them in real time. The system model was able to generate, store and inject to the grid the electrical power as intended while maintaining the system stability as well as the different system parameters within their permissible limits. In addition, it was able to adapt to the sea state change in the long run.

L’energia del moto ondoso è un’energia rinnovabile più densa di altre forme, quali quella solare ed eolica, tuttavia I convertitori usati per convertirla in energia elettrica sono ancora in fase di sviluppo. Tra i diversi tipi di prese di potenza (PTOs – Power Take off), i convertitori dell’energia del moto ondoso basati su boe “quasi” puntiformi, caratterizzati da una dimensione orizzontale molto più piccola di quella dell’onda incidente, dispongono della struttura più semplice, in quanto convertono l’energia cinetica del moto ondoso in energia elettrica in modo diretto, senza alcun passo di conversione di potenza intermedio. Tuttavia, la conversione diretta causa una forte dipendenza della potenza elettrica generata da quella del moto ondoso, essendo quest’ultima altamente variabile ed intermittente, una serie di sfide notevoli emergono nell'integrazione di questi dispositivi nella rete elettrica. Il lavoro di questa tesi è volto a fornire una soluzione per l’integrazione dei convertitori dell’energia del moto ondoso nella rete. In primo luogo, viene presentata l’implementazione di un sistema di accumulo dell’energia, atto a compensare in ogni istante le fluttuazioni della potenza generata, in modo che il profilo della potenza fornita alla rete sia il meno burrascoso possibile. Data la natura dell’onda oceanica, relativamente corta (nell'ordine dei secondi), i supercondensatori si sono rivelati la miglior soluzione data la loro elevata densità di potenza e l’elevata efficienza. In tale contesto, il lavoro si apre con la modellizzazione, in seguito la progettazione dei singoli componenti del sistema, quali: il generatore lineare a magneti permanenti, il supercondensatore, la rete e i corrispettivi convertitori di potenza. Successivamente è stato considerato il problema di controllo di ciascuno dei convertitori, in modo tale da ottenere il comportamento desiderato del sistema a basso livello. Infine, avendo le variabili di stato del mare una dinamica molto lenta (nell'ordine dei giorni), è stato implementato un controllo di gestione della potenza ad alto livello, con l’obbiettivo di gestire la potenza prodotta e la potenza iniettata nella rete mantenendo al contempo lo stato di carica del sistema di accumulo entro predeterminati limiti, in modo da preservare la stabilità e migliorare l’affidabilità dell’intero sistema. La modellizzazione e la simulazione sono state eseguite su un simulatore Hardware-In-the-Loop (HIL) real time, con uno passo d’integrazione nell'ordine dei microsecondi. In tal modo è stato possibile simulare il comportamento reale dei vari sottosistemi e la loro interazione in real time. Il sistema è stato in grado generare, accumulare e iniettare nella rete potenza elettrica, come previsto, preservando al contempo la stabilità e i vari parametri entro i corrispettivi limiti ammissibili. Inoltre, è stato in grado di adattarsi al cambiamento dello stato del mare sul lungo periodo.