Technical and economic assessment of electrical systems for an offshore wave energy farm
2022 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
Ocean Harvesting Technology (OHT) AB, a company base for wave energy production in Karlskrona Sweden, has developed a 690V low voltage; full scale 500KW average power capacity (rms value of 700kW) point absorbing version of WEC called InfinityWEC. This device is powerful and can overcome various challenges in different sea states, including extreme sea conditions, during power generation, thus providing strong support to the emerging wave energy industry to overcome the growing energy crisis. To achieve its commercial operation ambition, OHT AB aims to investigate the technical and economic impact that InfinityWEC units would have in terms of an offshore electrical system. Therefore, this study has investigated, designed and analyzed the technical economic impact of designing and developing an array of InfinityWECs in an offshore wave farm for grid integration, focusing on electrical components. The electrical system is an AC/AC system and it is designed for 107MW capacity with 216 InfinityWEC units.
An optimal design for InfinityWEC's array electrical network has been presented as a combination of cluster and string configuration desired by OHT AB. The capital expenditure (CapEx) for each type of electrical component used in the offshore wave farm electrical system was investigated and modeled to achieve reduced costs. Specifically, generic functions have been developed to calculate the lengths and costs of cables as functions of various included minimum buoy distances of WECs. This is to help the farm operator choose the best possible configuration in terms of unit spacing and cable cost that corresponds to its technical and economic potential. In addition, the total cost of the electrical system for different power generation such as 400kW, 500kW, 600kW and 700kW for the WEC units was evaluated and the optimal cost has been presented. In addition to achieving a techno-economic optimization, the performance of the system in terms of network efficiency is investigated and analyzed. Against this background, loss functions for loss components are developed. The efficiency is derived from potential losses due to components that have a high contribution to losses, such as cables. The MATLAB tool was used to model cost functions and to generate costs and losses in the power system. The levelized cost of energy (LCoE) of the electrical system has been estimated based on the annual energy production (AEP) of the InfinityWECs and the CapEx of the electrical components involved. The results prove to fulfill the purpose of the study. Some social and ethical implications for ocean wave electrical systems are also discussed.
Abstract [sv]
Ocean Harvesting Technology (OHT) AB, en företagsbas för vågenergiproduktion i Karlskrona Sverige, har utvecklat en 690V lågspänning; fullskalig 500KW medeleffektkapacitet (rms-värde på 700kW) punktabsorberande version av WEC kallad InfinityWEC. Denna enhet är kraftfull och kan övervinna olika utmaningar i olika havsstater, inklusive extrema havstillstånd, under energiproduktion, och ger därför ett starkt stöd för den framväxande vågenergiindustrin för att övervinna den växande energikrisen. För att uppnå sin kommersiella driftambition har OHT AB som mål att undersöka den tekniska och ekonomiska påverkan som InfinityWEC-enheter skulle ha i termer av ett offshore-elektriskt system. Därför har denna studie undersökt, designat och analyserat den tekniska ekonomiska effekten av att designa och utveckla en rad InfinityWECs i en offshore-vågfarm för nätintegration, med fokus på elektriska komponenter. Det elektriska systemet är ett AC/AC-system och det är utvecklat för 107MW kapacitet med 216 InfinityWEC-enheter.
En optimal design för InfinityWECs array-elektriska nätverk har presenterats som en kombination av kluster- och strängkonfiguration som önskas av OHT AB. Kapitalutgifterna (CapEx) för varje typ av elektriska komponenter som används i det elektriska systemet för våggårdar till havs undersöktes och modellerades för att uppnå minskade kostnader. Specifikt har generiska funktioner utvecklats för att beräkna längderna och kostnaderna för kablar som funktioner för olika ingående minimiavstånd mellan WECs boj. Detta för att hjälpa gårdsoperatören att välja den bästa möjliga konfigurationen när det gäller enhetsavstånd och kabelkostnad som motsvarar dess tekniska och ekonomiska potential. Dessutom utvärderades den totala kostnaden för det elektriska systemet för olika kraftgenerering såsom 400kW, 500kW, 600kW och 700kW för WEC-enheterna och den optimala kostnaden har presenterats. Förutom att uppnå en teknoekonomisk optimering undersöks och analyseras systemets prestanda vad gäller nätverkseffektivitet. Mot denna bakgrund utvecklas förlustfunktioner för förlustkomponenter. Verkningsgraden härleds från potentiella förluster till följd av komponenter som har högt bidrag till förluster, såsom kablar. MATLAB-verktyget användes för att modellera kostnadsfunktioner och för att generera kostnader och förluster i elsystemet. Den utjämnade energikostnaden (LCoE) för det elektriska systemet har uppskattats baserat på den årliga energiproduktionen (AEP) för InfinityWECs och CapEx för de inblandade elektriska komponenterna. Resultaten visar sig uppfylla syftet med studien. Vissa sociala och etiska konsekvenser för havsvågornas elektriska system diskuteras också.
Place, publisher, year, edition, pages
2022. , p. 124
Keywords [en]
Wave energy converter, InfinityWEC, electrical system, PMSG generator, power converter, AC/DC, DC-Link, DC/AC, transformer, hub, substation, low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), grid, cost function, loss function, performance, capital expenditure (CapEx), economic.
Keywords [sv]
Vågenergiomvandlare, InfinityWEC, elsystem, PMSG-generator, effektomvandlare, AC/DC, DC-Link, DC/AC, transformator, nav, transformatorstation, lågspänning (LV), mellanspänning (MV), högspänning (HV), rutnät, kostnadsfunktion, förlustfunktion, prestanda, kapitalutgifter (CapEx), ekonomisk.
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:miun:diva-46800OAI: oai:DiVA.org:miun-46800DiVA, id: diva2:1725526
Subject / course
Electronics EL1
Educational program
Master's Programme in Embedded Sensor Systems TELBA 120 credits
Supervisors
Examiners
2023-01-122023-01-112023-01-12Bibliographically approved