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Título: Instrumentation platform and Maximum Power Point tracking control for a hydrokinetic turbine
Autor(es): Mac Donald, Ramasy Rafaël
Orientador(es): Els, Rudi Henri van
Assunto: Turbinas hidrocinéticas
Estruturas hidráulicas
Turbinas eólicas
Data de publicação: 11-Set-2017
Data de defesa: 4-Abr-2017
Citação: MAC DONALD, Ramsay Rafaël. Instrumentation platform and Maximum Power Point tracking control for a hydrokinetic turbine. 2017. 134 f., il. Dissertação (Mestrado em Sistemas Mecatrônicos)—Universidade de Brasília, Brasília, 2017.
Resumo: O projeto Hydro-K tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina hidrocinética. O protótipo ou o modelo preliminar desta certamente apresenta incertezas e para eliminá-las são necessários testes e coleta de dados. Essa coleta foi feita através de uma plataforma instrumental desenvolvida neste trabalho. Um outro desafio foi o controle da turbina. O controle tradicional das turbinas hidrocinéticas com um eixo horizontal, velocidade variável e um angulo da pá fixo, requer o mapeamento da curva CP da turbina com antecedência. Em seguida, a sua velocidade de rotação é medida e manipulada de modo a manter a máxima eficiência do rotor. Recentemente, o controle do Maximum Power Point Tracking (MPPT) foi aplicado às turbinas eólicas. Esse método de controle elimina a necessidade de mapeamento de curva CP medindo a tensão e a saída de corrente do gerador e ajustando periodicamente a carga elétrica no gerador para manter a potência máxima de saída elétrica. Considerando as semelhanças entre as turbinas hidrocinéticas e as eólicas, é provável que o MPPT possa ser aplicado para os hidrogeradores. Um segundo objetivo desta dissertação é avaliar a eficácia do MPPT para turbinas hidrocinéticas comparando uma estratégia de controle convencional com o MPPT usando simulações no "SIMULINK". A carga elétrica no gerador é variada usando o Pulse Width Modulation (PWM). A turbina hidrocinética do Hydro-K desenvolvida na Universidade de Brasília (UnB) é equipada com um gerador síncrono-trifásico com ímã permanente. Os resultados das simulações e experiências são apresentados comparando os dois métodos de controle acima mencionados sob diferentes condições de velocidade da água, e mostram que o controle MPPT fornece uma saída elétrica superior.
Abstract: A project named Hydro-K is aimed at developing a hydrokinetic turbine. The prototype or preliminary model of this turbine will inherently present uncertainties. Eliminating them requires testing and data gathering. The data is acquired using an instrumentation platform designed in this dissertation. Another challenge will be controlling the turbine. Controlling traditional horizontal-axis-variable-speed-fixed-pitch hydrokinetic turbines requires mapping its efficiency at various water and rotor speeds, i.e., the CP curve of the turbine, in advance. Whereafter, its rotational velocity is measured and manipulated in order to maintain maximum efficiency of the rotor. Recently, Maximum Power Point Tracking (MPPT) control has been applied to wind turbines. This control method eliminates the necessity of CP curve mapping by measuring the generator’s voltage and current output, and periodically adjusting the electrical load on the generator to maintain the maximum electrical power output. Considering the similarities between hydrokinetic and wind turbines, it is likely that MPPT can be effectively applied for the hydrokinetic variant. Therefore, a second objective is assessing the effectiveness of MPPT for hydrokinetic turbines by comparing a conventional control strategy with MPPT using simulations in "SIMULINK". The electrical load on the generator is varied by using Pulse Width Modulation (PWM). The Hydro-K turbine developed at the University of Brasilia (UnB) is equipped with a three-phase-permanent-magnet-synchronous- generator (PMSG). The results of the simulations are presented by comparing the two aforementioned control methods under different water velocity conditions, and show that MPPT control delivers a superior electrical output.
Descrição: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017.
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