State and force estimation of a point absorber wave energy converter

Abstract

Wave energy is among the largest untapped resources of renewable energy. As waves have the highest energy density of all renewable energy sources, wave energy converters (WECs) have considerable potential to contribute to the global energy mix. However, for WECs to become a cost-effective alternative, effective control strategies are essential. Advanced control techniques rely on the excitation force of the wave as an input, which is not measurable. Therefore, accurate and reliable estimates are essential. Using the Euler-Lagrange equations, a simplified nonlinear dynamic model for a point absorber WEC is derived in this thesis. Numerical simulations demonstrate that the model captures the relevant dynamics of the WEC in three degrees of freedom. Based on this model, a state observer is designed that is able to provide estimates for the excitation force and the wave elevation. To increase the robustness of the estimation, several sensors are used. The performance of the observer is evaluated across various sea states using a comprehensive six-degree-of-freedom model. Various sensor failures are also simulated to determine the reliability of the observer. Further, the significance of using a three-degree-of-freedom model for estimation is shown.

Wellenenergie gilt als eine der größten ungenutzten erneuerbarer Energiequellen. Durch die hohe Energiedichte der Wellen haben Wellenenergiekonverter (WEC) ein erhebliches Potenzial einen bedeutenden Teil zum globalen Energiemix beizutragen. Damit WECs jedoch zu einer kosteneffizienten Alternative werden, sind effektive Regelungsstrategien unerlässlich. Fortgeschrittene Regelungsmethoden benötigen die Erregungskraft der Welle als Eingang, die aber nicht messbar ist. Daher sind akkurate und zuverlässige Schätzungen entscheidend. Unter Verwendung der Euler-Lagrange-Gleichungen wird in dieser Arbeit ein vereinfachtes nichtlineares dynamisches Modell für ein Punktabsorber-WEC hergeleitet. Anhand numerischer Simulationen wird gezeigt, dass das Modell die relevanten Dynamiken des WECs unter der Verwendung von drei Freiheitsgraden abbildet. Auf der Grundlage dieses Modells wird ein Zustandsbeobachter entworfen, der in der Lage ist, Schätzungen für die Erregungskraft und die Wellenhöhe zu liefern. Um die Robustheit der Schätzung zu erhöhen, werden mehrere Sensoren mit dem Zustandsbeobachter kombiniert. Die Performance des Beobachters wird anhand eines detaillierten Modells mit sechs Freiheitsgraden unter Berücksichtigung verschiedener Seegänge ermittelt. Außerdem werden verschiedene Sensorausfälle simuliert, um die Zuverlässigkeit des Beobachters zu bewerten. Die Bedeutung der Verwendung eines Modells im Beobachter, basierend auf drei Freiheitsgraden, wird zudem gezeigt.