A resistance emulation approach to optimize the wave energy harvesting for a direct drive point absorber

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 optimized to make the energy harvesting economically feasible. This paper proposes a passive tuning control strategy of a point absorber in which the power captured is maximized by controlling the electromagnetic force of the generator with a resistance emulation approach. The proposed strategy consists of mapping the optimal values for regular waves and applying them to irregular waves. This strategy is tested in a wave energy converter in which the generator is connected to a boost rectifier converter whose controller is designed to emulate a resistance. The power electronics system implemented is validated by comparing its performance with the case in which the generator is directly connected to a resistive load. The simulation results show the effectiveness of the proposed strategy as the maximum captured power is concentrated around the optimal values previously calculated and with the same behavior for both excitations.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.

Ground maritime structure interaction. Recent failures in inner gravity constructions on the Spanish Coastline

A maritime construction is usually a slender line in the ocean.It is usual to see just its narrow surface strip and not analyse the large amount of submerged material the latter is supporting.Without doubt,it is the ground to which a notable load is transmitted in an environment subjected to periodic,alternating stresses,dynamic forces which the sea's media constitute. Both an outer and inner maritime construction works in a complex fashion.A granular solid(breakwater)breathes with the incident wave flow,dissipating part of the wave energy between its gaps.The backflow tries to extract the different items from the solid block,setting a balance between effective and neutral tensions that follow Terzaghui's principle. On some occasions,fluidification of the armour layer has caused the breakwater to collapse(Sines,Portugal,February 1978).On others,siphoning or liquefaction of sand supporting monoliths(vertical breakwaters)lead them to destruction or collapse(New Barcelona Harbour Mouth,Spain,November 2001). This is why the ground-force-structure interaction is a complicated analysis with joint design tools still in an incipient state. The purpose of this article is to describe two singular failures in inner maritime constructions in Spain deriving from ground problems(Malaga,July 2004and Barcelona,January 2007).They occurred recently and the causes are the subject of reflection and analysis.

Estudio en modelo físico a escala reducida de la viabilidad del empleo de buques fondeados como diques flotantes para abrigo portuario y defensa de costas

Los diques flotantes son estructuras que atenúan la energía del oleaje fundamentalmente por reflexión y turbulencia. Aunque presentan importantes ventajas en términos constructivos y medioambientales, su efectividad es limitada y en la práctica sólo se emplean en condiciones climáticas propias de zonas con oleajes poco energéticos. Por otro lado, el buque es la estructura flotante por excelencia y su empleo para el abrigo portuario y costero en determinadas situaciones puede aportar las ventajas propias de los diques flotantes, al tiempo que ampliar el rango de oleajes frente a los que estas estructuras son efectivas. El propósito de esta Tesis Doctoral es evaluar la viabilidad del empleo de buques fondeados como diques flotantes para el abrigo portuario y costero. Para ello, se han realizado ensayos en modelo físico a escala reducida en un canal de oleaje del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC), con el objeto de determinar los coeficientes de transmisión (Ct), reflexión (Cr) y disipación (Cd) de barcos de diversas tipologías y dimensiones, sometidos a diferentes oleajes en distintas situaciones de carga, fondeo y profundidad del emplazamiento. La efectividad de los buques empleados en los ensayos se ha determinado mediante el análisis de dichos coeficientes y su variación con la altura de ola y el periodo de los oleajes incidentes. Además, se han registrado las fuerzas existentes en las cadenas de fondeo con objeto de comprobar la viabilidad del mismo y facilitar una estimación del diámetro de las cadenas que serían necesarias en cada situación. Posteriormente, se han aplicado los resultados obtenidos en los ensayos en modelo físico reducido a dos situaciones de abrigo portuario y costero. La primera aplicación consiste en el empleo de buques como defensa temporal en fases constructivas por medios marítimos, partiendo de la hipótesis de que, actuando como diques flotantes, puede proteger la zona de la obra y ampliar las ventanas temporales de periodos de actividad en obra marítima. Las actividades que se han analizado son las de dragado de fondos, vertidos de material granular y transporte y fondeo de cajones flotantes para diques y muelles. La segunda aplicación estudiada es el empleo de buques para la protección costera y la formación de salientes y tómbolos. Los coeficientes de transmisión obtenidos se han introducido en formulaciones analíticas que permiten prever la evolución de la costa frente a la protección procurada por el buque actuando como dique flotante exento. Finalmente se han redactado las conclusiones de la investigación y se han propuesto nuevas líneas de investigación relacionadas con esta Tesis Doctoral. Floating breakwaters are structures which attenuate wave energy mainly by reflection and turbulence. They display advantages in terms of construction and ecology, amongst others. However, their use is restricted in practice to certain areas with good climatic conditions and low energy waves. Moreover, ships are the most common floating structures and their use for port and coastal shelter in certain situations could widen the range of applicability in addition to the rest of advantages of floating breakwaters. The purpose of this research is to assess the feasibility of ships anchored as floating breakwaters for port and coastal protection. To that end, tests in a scaled down physical model have been conducted in a wave flume in the Centre of Port and Coastal Studies (CEPYC), in order to determine the transmission (Ct), reflection (Cr) and dissipation (Cd) coefficients of ships of diverse types and dimensions, under different wave, load, anchoring and depth conditions. The effectiveness of the several ships used in the tests has been determined by analyzing these coefficients and their variation with the wave height and period of the incident waves. In addition, the existing forces in the anchor chains have been registered to verify the feasibility of the anchoring systems, as well as to provide an estimation of the diameter of the chains that would be needed in each situation. Subsequently, the results of the tests have been applied to two situations of port and coastal protection. The first one is the use of ships as a temporary defense for maritime works with construction phases by maritime means, on the assumption that, acting as floating breakwaters, they can protect the work area and increase the time windows of periods of activity in maritime works. Dredging, dumping of granular material and transport and positioning of big concrete caissons for docks and breakwaters were the activities analyzed. The second situation is the use of ships for coastal protection and forming salients of sand or tombolos. Some analytical formulations which take into account the transmission coefficients from the tests have been used to predict the evolution of the coastline under the protection given by the ships acting as detached floating breakwaters. Finally, the conclusions of the research have been addressed and the proposal of new lines of work related to the topic has been made.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Modelado dinámico y control de maniobras de dispositivos submarinos

Es bien conocido por todos que la Primera Revolución Industrial, que tuvo su inicio en la segunda mitad del Siglo XVIII, conllevó un aumento del uso de los recursos energéticos que no se ha detenido para llegar a los niveles de desarrollo tecnológico, industrial y de calidad de vida, de los que se dispone en la actualidad. A simple vista podría intuirse que para disponer de un mayor nivel tecnológico, industrial, de confort, etc. sea necesario un mayor consumo de energía primaria. La actual generación de energía está principalmente basada en el procesamiento de los diversos compuestos del carbono (hidrocarburos, gases y productos derivados del petróleo), que son contaminantes y además, se agotan. Desde hace unas pocas décadas, la humanidad ha sido consciente que es necesario generar energía a partir de fuentes de origen renovable, y que además resulten menos contaminantes. Así, en la actualidad, se ha llegado a un estado de desarrollo avanzado para la explotación de diversas fuentes de energías como la eólica, a la vez que se comienza a mirar con realismo la posibilidad de explotación de diversas energías de origen marino. Se considera que las energías renovables procedentes de los océanos que se encuentran más desarrolladas tecnológicamente hablando, sin tener en cuenta la energía eólica fuera costa (offshore), son la denominada energía undimotriz o de las olas y la energía de las corrientes marinas, no necesariamente en este orden. El trabajo propuesto en esta Tesis se centra en este último recurso energético y, aunque no se dispone todavía de ningún dispositivo en fase de explotación comercial, la concepción, diseño y desarrollo de dispositivos para la extracción de energía de las corrientes, y su evolución, han sido relativamente rápidos e importantes en estos últimos años. Existen ya diferentes dispositivos en fase de pruebas con resultados muy prometedores. Aunque los dispositivos actuales se encuentran limitados a la explotación energética en zonas de poca profundidad, los diferentes estudios del recurso indican la necesidad de explotar corrientes marinas a mayores profundidades, para lo que se están desarrollando actualmente dispositivos, cuya evolución en lo que a sistemas de fondeo se refiere, está siendo muy parecida a la que se ha producido en los parques eólicos fuera costa, similar a su vez, a la evolución llevada a cabo en las plataformas oceánicas para la explotación de recursos petrolíferos (denominados oil & gas) que se extraen de profundidades cada vez mayores. Las soluciones tecnológicas que resulten válidas han de ser también económicamente viables, y en la actualidad se requiere todavía reducir costos en todas las fases de instalación, explotación y mantenimiento de estos dispositivos, sea cual sea su profundidad de operación. Uno de los focos de estudio para abaratar los costes de explotación en general, pasa por abaratar y reducir los costes en las maniobras necesarias de inmersión (de la superficie del mar a la profundidad de operación) y emersión (de la profundidad de operación a la superficie del mar) de estos dispositivos, para llevar a cabo tareas de mantenimiento in situ, en el mar, y sin necesidad de buques especializados ni de su transporte a tierra. En esta Tesis se propone, en primer lugar, un método para evaluar el ciclo de vida de diversos dispositivos de aprovechamiento de las corrientes marinas. Se evidencia que el coste de la energía así generada sigue siendo no plenamente competitivo, por lo que se requiere avanzar en el abaratamiento de costes, principalmente en la instalación y en su mantenimiento. Para ello se propone como novedad principal, introducir sistemas de control en lazo cerrado para realizar maniobras de instalación y mantenimiento de forma automática. También se aporta un modelo dinámico original y muy sencillo para dispositivos bajo estos movimientos de emersión/inmersión, a partir del cual se han desarrollado los algoritmos de control para el propósito mencionado, que no es otro sino automatizar en todo lo posible las maniobras completas. Los algoritmos de control propuestos han sido validados mediante simulación. Se proponen trayectorias de referencia de movimiento suaves (smooth) similares a las utilizadas en robótica. Estos movimientos de cambios de profundidad en lazo cerrado, combinados con secuencias de movimientos en bucle abierto para cuando el dispositivo interacciona en la superficie libre, han dado lugar a nuevas maniobras completas de instalación y mantenimiento que se presentan en esta Tesis, diferentes a las actuales. Finalmente, y como justificación de la viabilidad económica del método novedoso aportado, se ha realizado un estudio comparativo de los costes de la tecnología propuesta, frente a la tecnología actual. Este nuevo sistema de maniobras automáticas implica un ciclo de vida diferente para los dispositivos de aprovechamiento de la energía de las corrientes, ciclo que se cuantifica a partir de un dispositivo base que ha sido modificado y adaptado para la nueva tecnología propuesta, demostrando su viabilidad tanto técnica como económica. ABSTRACT It’s well known that the First Industrial Revolution started in the second half of the eighteenth century, carried the increasing of the use of energy resource which have not been stopped until reach the present technology, industrial evolution and daily life quality. On the surface, it can be known intuitively that a higher consumption of primary energy resource is demanded for benefiting from a higher technological industrial and daily life level. Today, the generation of energy is mainly based in the processing of carbon products (hydrocarbons, gases and petroleum products) which are pollutants, and additionally, are depleted. From a few decades ago, the humanity is aware the energy should be obtained from renewable resources, which besides, should be cleaner. So, at the present, a technical develop has been gained to exploit several energy source, as wind energy, and, at the same time, the extraction of the marine energy starts to seem as a reality. The renewable marine energies considered more advanced and technically developed, without keeping in mind, the offshore wind energy, are the wave energy and the tidal current energy, not necessarily in that order. This Thesis is focused in this last energy resource, and, although, any device is under commercial operation, the concept, design and develop of this type of devices to extract the tidal current energy and their evolution has been comparatively fast and important the last years. There are several devices under test with promising results. Even through the current devices are limited to lower depth areas, the several studies of the tidal energy resource suggest the need to exploit the marine current at greater depths to what is being developed devices, where their evolution in the anchoring system is being very similar to the evolution performed in the offshore wind farms, which is at the same time, similar to the evolution in the oil and gas exploitation which are extracted to greatest depths. Viable technical solutions should be also viable economically and nowadays the cost in all phases of the project (installation, maintenance and operation) should be decreased whatever the operation depth is. One focus of study to lower the operation cost is the cost decreasing of immersion manoeuvring operations (from sea surface to the operation depth) and immersion manoeuvring operations (from operation depth to the sea surface), therefore the maintenance operations can be performed on – site, in the sea, and no specialized vessels are required to transport the devices from the sea to shore. In this dissertation, firstly is proposed a method to evaluate the life cycle of the tidal energy current devices. It is proved the energy generated by these devices is not fully competitive; therefore, the cost falling is mainly an objective in the installation and the maintenance operations. For that, it is proposed as main novelty, the using of closed loop control systems to perform the automatic installation and manoeuvring operations. It is also contributed with an original and simple dynamic model and for controlling the immersion/emersion movements of these devices, from which the control algorithms are developed in order to automate as much as possible the complete manoeuvring. The control algorithms proposed has been validated by simulations. Reference paths with smooth movements, similar which are used in robotics, are suggested. These movements to change the depth using closed loop control, combined with the sequences in open loop movements when the device is in free surface, have been development for a new complete manoeuvring to installation and maintenance operations which are advanced in this Thesis and they are different to the present manoeuvrings. Finally and as justification of the economic viability of this original method, a comparative cost study between the technology proposed and the current technology is performed. This new automatic manoeuvring system involves a different life cycle for the tidal energy current devices, cycle that is quantified from a base device which has been modified and adapted for the new proposed technology, showing the technical and economic viability.

Desarrollo de un Procedimiento Basado en Algoritmos de Optimización para el Dimensionado de Absorbedores Puntuales Aplicados a la Conversión de Energía Undimotriz

La energía transportada por el oleaje a través de los océanos (energía undimotriz) se enmarca dentro de las denominadas energías oceánicas. Su aprovechamiento para generar energía eléctrica (o ser aprovechada de alguna otra forma) es una idea reflejada ya hace más de dos siglos en una patente (1799). Desde entonces, y con especial intensidad desde los años 70, ha venido despertando el interés de instituciones ligadas al I+D+i y empresas del sector energético y tecnológico, debido principalmente a la magnitud del recurso disponible. Actualmente se puede considerar al sector en un estado precomercial, con un amplio rango de dispositivos y tecnologías en diferente grado de desarrollo en los que ninguno destaca sobre los otros (ni ha demostrado su viabilidad económica), y sin que se aprecie una tendencia a converger un único dispositivo (o un número reducido de ellos). El recurso energético que se está tratando de aprovechar, pese a compartir la característica de no-controlabilidad con otras fuentes de energía renovable como la eólica o la solar, presenta una variabilidad adicional. De esta manera, diferentes localizaciones, pese a poder presentar recursos de contenido energético similar, presentan oleajes de características muy diferentes en términos de alturas y periodos de oleaje, y en la dispersión estadística de estos valores. Esta variabilidad en el oleaje hace que cobre especial relevancia la adecuación de los dispositivos de aprovechamiento de energía undimotriz (WEC: Wave Energy Converter) a su localización, de cara a mejorar su viabilidad económica. Parece razonable suponer que, en un futuro, el proceso de diseño de un parque de generación undimotriz implique un rediseño (en base a una tecnología conocida) para cada proyecto de implantación en una nueva localización. El objetivo de esta tesis es plantear un procedimiento de dimensionado de una tecnología de aprovechamiento de la energía undimotriz concreta: los absorbedores puntuales. Dicha metodología de diseño se plantea como un problema de optimización matemático, el cual se resuelve utilizando un algoritmo de optimización bioinspirado: evolución diferencial. Este planteamiento permite automatizar la fase previa de dimensionado implementando la metodología en un código de programación. El proceso de diseño de un WEC es un problema de ingería complejo, por lo que no considera factible el planteamiento de un diseño completo mediante un único procedimiento de optimización matemático. En vez de eso, se platea el proceso de diseño en diferentes etapas, de manera que la metodología desarrollada en esta tesis se utilice para obtener las dimensiones básicas de una solución de referencia de WEC, la cual será utilizada como punto de partida para continuar con las etapas posteriores del proceso de diseño. La metodología de dimensionado previo presentada en esta tesis parte de unas condiciones de contorno de diseño definidas previamente, tales como: localización, características del sistema de generación de energía eléctrica (PTO: Power Take-Off), estrategia de extracción de energía eléctrica y concepto concreto de WEC). Utilizando un algoritmo de evolución diferencial multi-objetivo se obtiene un conjunto de soluciones factibles (de acuerdo con una ciertas restricciones técnicas y dimensionales) y óptimas (de acuerdo con una serie de funciones objetivo de pseudo-coste y pseudo-beneficio). Dicho conjunto de soluciones o dimensiones de WEC es utilizado como caso de referencia en las posteriores etapas de diseño. En el documento de la tesis se presentan dos versiones de dicha metodología con dos modelos diferentes de evaluación de las soluciones candidatas. Por un lado, se presenta un modelo en el dominio de la frecuencia que presenta importantes simplificaciones en cuanto al tratamiento del recurso del oleaje. Este procedimiento presenta una menor carga computacional pero una mayor incertidumbre en los resultados, la cual puede traducirse en trabajo adicional en las etapas posteriores del proceso de diseño. Sin embargo, el uso de esta metodología resulta conveniente para realizar análisis paramétricos previos de las condiciones de contorno, tales como la localización seleccionada. Por otro lado, la segunda metodología propuesta utiliza modelos en el domino estocástico, lo que aumenta la carga computacional, pero permite obtener resultados con menos incertidumbre e información estadística muy útil para el proceso de diseño. Por este motivo, esta metodología es más adecuada para su uso en un proceso de dimensionado completo de un WEC. La metodología desarrollada durante la tesis ha sido utilizada en un proyecto industrial de evaluación energética preliminar de una planta de energía undimotriz. En dicho proceso de evaluación, el método de dimensionado previo fue utilizado en una primera etapa, de cara a obtener un conjunto de soluciones factibles de acuerdo con una serie de restricciones técnicas básicas. La selección y refinamiento de la geometría de la solución geométrica de WEC propuesta fue realizada a posteriori (por otros participantes del proyecto) utilizando un modelo detallado en el dominio del tiempo y un modelo de evaluación económica del dispositivo. El uso de esta metodología puede ayudar a reducir las iteraciones manuales y a mejorar los resultados obtenidos en estas últimas etapas del proyecto. ABSTRACT The energy transported by ocean waves (wave energy) is framed within the so-called oceanic energies. Its use to generate electric energy (or desalinate ocean water, etc.) is an idea expressed first time in a patent two centuries ago (1799). Ever since, but specially since the 1970’s, this energy has become interesting for R&D institutions and companies related with the technological and energetic sectors mainly because of the magnitude of available energy. Nowadays the development of this technology can be considered to be in a pre-commercial stage, with a wide range of devices and technologies developed to different degrees but with none standing out nor economically viable. Nor do these technologies seem ready to converge to a single device (or a reduce number of devices). The energy resource to be exploited shares its non-controllability with other renewable energy sources such as wind and solar. However, wave energy presents an additional short-term variability due to its oscillatory nature. Thus, different locations may show waves with similar energy content but different characteristics such as wave height or wave period. This variability in ocean waves makes it very important that the devices for harnessing wave energy (WEC: Wave Energy Converter) fit closely to the characteristics of their location in order to improve their economic viability. It seems reasonable to assume that, in the future, the process of designing a wave power plant will involve a re-design (based on a well-known technology) for each implementation project in any new location. The objective of this PhD thesis is to propose a dimensioning method for a specific wave-energy-harnessing technology: point absorbers. This design methodology is presented as a mathematical optimization problem solved by using an optimization bio-inspired algorithm: differential evolution. This approach allows automating the preliminary dimensioning stage by implementing the methodology in programmed code. The design process of a WEC is a complex engineering problem, so the complete design is not feasible using a single mathematical optimization procedure. Instead, the design process is proposed in different stages, so the methodology developed in this thesis is used for the basic dimensions of a reference solution of the WEC, which would be used as a starting point for the later stages of the design process. The preliminary dimensioning methodology presented in this thesis starts from some previously defined boundary conditions such as: location, power take-off (PTO) characteristic, strategy of energy extraction and specific WEC technology. Using a differential multi-objective evolutionary algorithm produces a set of feasible solutions (according to certain technical and dimensional constraints) and optimal solutions (according to a set of pseudo-cost and pseudo-benefit objective functions). This set of solutions or WEC dimensions are used as a reference case in subsequent stages of design. In the document of this thesis, two versions of this methodology with two different models of evaluation of candidate solutions are presented. On the one hand, a model in the frequency domain that has significant simplifications in the treatment of the wave resource is presented. This method implies a lower computational load but increased uncertainty in the results, which may lead to additional work in the later stages of the design process. However, use of this methodology is useful in order to perform previous parametric analysis of boundary conditions such as the selected location. On the other hand, the second method uses stochastic models, increasing the computational load, but providing results with smaller uncertainty and very useful statistical information for the design process. Therefore, this method is more suitable to be used in a detail design process for full dimensioning of the WEC. The methodology developed throughout the thesis has been used in an industrial project for preliminary energetic assessment of a wave energy power plant. In this assessment process, the method of previous dimensioning was used in the first stage, in order to obtain a set of feasible solutions according to a set of basic technical constraints. The geometry of the WEC was refined and selected subsequently (by other project participants) using a detailed model in the time domain and a model of economic evaluation of the device. Using this methodology can help to reduce the number of design iterations and to improve the results obtained in the last stages of the project.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

Emulation of an OWC Ocean Energy Plant With PMSG and Irregular Wave Model

Ocean energy is a promising resource for renewable electricity generation that presents many advantages, such as being more predictable than wind energy, but also some disadvantages such as large and slow amplitude variations in the generated power. This paper presents a hardware-in-the-loop prototype that allows the study of the electric power profile generated by a wave power plant based on the oscillating water column (OWC) principle. In particular, it facilitates the development of new solutions to improve the intermittent profile of the power fed into the grid or the test of the OWC behavior when facing a voltage dip. Also, to obtain a more realistic model behavior, statistical models of real waves have been implemented.

Sensitivity of a distributed temperature-radiation index melt model based on AWS observations and surface energy balance fluxes, Hurd Peninsula glaciers, Livingston Island, Antarctica

We use an automatic weather station and surface mass balance dataset spanning four melt seasons collected on Hurd Peninsula Glaciers, South Shetland Islands, to investigate the point surface energy balance, to determine the absolute and relative contribution of the various energy fluxes acting on the glacier surface and to estimate the sensitivity of melt to ambient temperature changes. Long-wave incoming radiation is the main energy source for melt, while short-wave radiation is the most important flux controlling the variation of both seasonal and daily mean surface energy balance. Short-wave and long-wave radiation fluxes do, in general, balance each other, resulting in a high correspondence between daily mean net radiation flux and available melt energy flux. We calibrate a distributed melt model driven by air temperature and an expression for the incoming short-wave radiation. The model is calibrated with the data from one of the melt seasons and validated with the data of the three remaining seasons. The model results deviate at most 140 mm w.e. from the corresponding observations using the glaciological method. The model is very sensitive to changes in ambient temperature: a 0.5 ◦ C increase results in 56 % higher melt rates.

Novel Inductor‐less Conversion Strategy Based on Multiphase Transformer‐Coupled Converters: Analysis, Design and Applications

There are many the requirements that modern power converters should fulfill. Most of the applications where these converters are used, demand smaller converters with high efficiency, improved power density and a fast dynamic response. For instance, loads like microprocessors demand aggressive current steps with very high slew rates (100A/mus and higher); besides, during these load steps, the supply voltage of the microprocessor should be kept within tight limits in order to ensure its correct performance. The accomplishment of these requirements is not an easy task; complex solutions like advanced topologies - such as multiphase converters- as well as advanced control strategies are often needed. Besides, it is also necessary to operate the converter at high switching frequencies and to use capacitors with high capacitance and low ESR. Improving the dynamic response of power converters does not rely only on the control strategy but also the power topology should be suited to enable a fast dynamic response. Moreover, in later years, a fast dynamic response does not only mean accomplishing fast load steps but output voltage steps are gaining importance as well. At least, two applications that require fast voltage changes can be named: Low power microprocessors. In these devices, the voltage supply is changed according to the workload and the operating frequency of the microprocessor is changed at the same time. An important reduction in voltage dependent losses can be achieved with such changes. This technique is known as Dynamic Voltage Scaling (DVS). Another application where important energy savings can be achieved by means of changing the supply voltage are Radio Frequency Power Amplifiers. For example, RF architectures based on ‘Envelope Tracking’ and ‘Envelope Elimination and Restoration’ techniques can take advantage of voltage supply modulation and accomplish important energy savings in the power amplifier. However, in order to achieve these efficiency improvements, a power converter with high efficiency and high enough bandwidth (hundreds of kHz or even tens of MHz) is necessary in order to ensure an adequate supply voltage. The main objective of this Thesis is to improve the dynamic response of DC-DC converters from the point of view of the power topology. And the term dynamic response refers both to the load steps and the voltage steps; it is also interesting to modulate the output voltage of the converter with a specific bandwidth. In order to accomplish this, the question of what is it that limits the dynamic response of power converters should be answered. Analyzing this question leads to the conclusion that the dynamic response is limited by the power topology and specifically, by the filter inductance of the converter which is found in series between the input and the output of the converter. The series inductance is the one that determines the gain of the converter and provides the regulation capability. Although the energy stored in the filter inductance enables the regulation and the capability of filtering the output voltage, it imposes a limitation which is the concern of this Thesis. The series inductance stores energy and prevents the current from changing in a fast way, limiting the slew rate of the current through this inductor. Different solutions are proposed in the literature in order to reduce the limit imposed by the filter inductor. Many publications proposing new topologies and improvements to known topologies can be found in the literature. Also, complex control strategies are proposed with the objective of improving the dynamic response in power converters. In the proposed topologies, the energy stored in the series inductor is reduced; examples of these topologies are Multiphase converters, Buck converter operating at very high frequency or adding a low impedance path in parallel with the series inductance. Control techniques proposed in the literature, focus on adjusting the output voltage as fast as allowed by the power stage; examples of these control techniques are: hysteresis control, V 2 control, and minimum time control. In some of the proposed topologies, a reduction in the value of the series inductance is achieved and with this, the energy stored in this magnetic element is reduced; less stored energy means a faster dynamic response. However, in some cases (as in the high frequency Buck converter), the dynamic response is improved at the cost of worsening the efficiency. In this Thesis, a drastic solution is proposed: to completely eliminate the series inductance of the converter. This is a more radical solution when compared to those proposed in the literature. If the series inductance is eliminated, the regulation capability of the converter is limited which can make it difficult to use the topology in one-converter solutions; however, this topology is suitable for power architectures where the energy conversion is done by more than one converter. When the series inductor is eliminated from the converter, the current slew rate is no longer limited and it can be said that the dynamic response of the converter is independent from the switching frequency. This is the main advantage of eliminating the series inductor. The main objective, is to propose an energy conversion strategy that is done without series inductance. Without series inductance, no energy is stored between the input and the output of the converter and the dynamic response would be instantaneous if all the devices were ideal. If the energy transfer from the input to the output of the converter is done instantaneously when a load step occurs, conceptually it would not be necessary to store energy at the output of the converter (no output capacitor COUT would be needed) and if the input source is ideal, the input capacitor CIN would not be necessary. This last feature (no CIN with ideal VIN) is common to all power converters. However, when the concept is actually implemented, parasitic inductances such as leakage inductance of the transformer and the parasitic inductance of the PCB, cannot be avoided because they are inherent to the implementation of the converter. These parasitic elements do not affect significantly to the proposed concept. In this Thesis, it is proposed to operate the converter without series inductance in order to improve the dynamic response of the converter; however, on the other side, the continuous regulation capability of the converter is lost. It is said continuous because, as it will be explained throughout the Thesis, it is indeed possible to achieve discrete regulation; a converter without filter inductance and without energy stored in the magnetic element, is capable to achieve a limited number of output voltages. The changes between these output voltage levels are achieved in a fast way. The proposed energy conversion strategy is implemented by means of a multiphase converter where the coupling of the phases is done by discrete two-winding transformers instead of coupledinductors since transformers are, ideally, no energy storing elements. This idea is the main contribution of this Thesis. The feasibility of this energy conversion strategy is first analyzed and then verified by simulation and by the implementation of experimental prototypes. Once the strategy is proved valid, different options to implement the magnetic structure are analyzed. Three different discrete transformer arrangements are studied and implemented. A converter based on this energy conversion strategy would be designed with a different approach than the one used to design classic converters since an additional design degree of freedom is available. The switching frequency can be chosen according to the design specifications without penalizing the dynamic response or the efficiency. Low operating frequencies can be chosen in order to favor the efficiency; on the other hand, high operating frequencies (MHz) can be chosen in order to favor the size of the converter. For this reason, a particular design procedure is proposed for the ‘inductorless’ conversion strategy. Finally, applications where the features of the proposed conversion strategy (high efficiency with fast dynamic response) are advantageus, are proposed. For example, in two-stage power architectures where a high efficiency converter is needed as the first stage and there is a second stage that provides the fine regulation. Another example are RF power amplifiers where the voltage is modulated following an envelope reference in order to save power; in this application, a high efficiency converter, capable of achieving fast voltage steps is required. The main contributions of this Thesis are the following: The proposal of a conversion strategy that is done, ideally, without storing energy in the magnetic element. The validation and the implementation of the proposed energy conversion strategy. The study of different magnetic structures based on discrete transformers for the implementation of the proposed energy conversion strategy. To elaborate and validate a design procedure. To identify and validate applications for the proposed energy conversion strategy. It is important to remark that this work is done in collaboration with Intel. The particular features of the proposed conversion strategy enable the possibility of solving the problems related to microprocessor powering in a different way. For example, the high efficiency achieved with the proposed conversion strategy enables it as a good candidate to be used for power conditioning, as a first stage in a two-stage power architecture for powering microprocessors.

Space-time ocean wave measurement using variational stereo vision systems

Remote sensing imaging systems for the measurement of oceanic sea states have recently attracted renovated attention. Imaging technology is economical, non-invasive and enables a better understanding of the space-time dynamics of ocean waves over an area rather than at selected point locations of previous monitoring methods (buoys, wave gauges, etc.). We present recent progress in space-time measurement of ocean waves using stereo vision systems on offshore platforms. Both traditional disparity-based systems and modern elevation-based ones are presented in a variational optimization framework: the main idea is to pose the stereoscopic reconstruction problem of the surface of the ocean in a variational setting and design an energy functional whose minimizer is the desired temporal sequence of wave heights. The functional combines photometric observations as well as spatial and temporal smoothness priors. Disparity methods estimate the disparity between images as an intermediate step toward retrieving the depth of the waves with respect to the cameras, whereas elevation methods estimate the ocean surface displacements directly in 3-D space. Both techniques are used to measure ocean waves from real data collected at offshore platforms in the Black Sea (Crimean Peninsula, Ukraine) and the Northern Adriatic Sea (Venice coast, Italy). Then, the statistical and spectral properties of the resulting observed waves are analyzed. We show the advantages and disadvantages of the presented stereo vision systems and discuss the improvement of their performance in critical issues such as the robustness of the camera calibration in spite of undesired variations of the camera parameters.

A time-domain finite element method for seakeeping and wave resistance problems

El objetivo de la tesis es la investigación de algoritmos numéricos para el desarrollo de herramientas numéricas para la simulación de problemas tanto de comportamiento en la mar como de resistencia al avance de buques y estructuras flotantes. La primera herramienta desarrollada resuelve el problema de difracción y radiación de olas. Se basan en el método de los elementos finitos (MEF) para la resolución de la ecuación de Laplace, así como en esquemas basados en MEF, integración a lo largo de líneas de corriente, y en diferencias finitas desarrollados para la condición de superficie libre. Se han desarrollado herramientas numéricas para la resolución de la dinámica de sólido rígido en sistemas multicuerpos con ligaduras. Estas herramientas han sido integradas junto con la herramienta de resolución de olas difractadas y radiadas para la resolución de problemas de interacción de cuerpos con olas. También se han diseñado algoritmos de acoplamientos con otras herramientas numéricas para la resolución de problemas multifísica. En particular, se han realizado acoplamientos con una herramienta numérica basada de cálculo de estructuras con MEF para problemas de interacción fluido-estructura, otra de cálculo de líneas de fondeo, y con una herramienta numérica de cálculo de flujos en tanques internos para problemas acoplados de comportamiento en la mar con “sloshing”. Se han realizado simulaciones numéricas para la validación y verificación de los algoritmos desarrollados, así como para el análisis de diferentes casos de estudio con aplicaciones diversas en los campos de la ingeniería naval, oceánica, y energías renovables marinas. ABSTRACT The objective of this thesis is the research on numerical algorithms to develop numerical tools to simulate seakeeping problems as well as wave resistance problems of ships and floating structures. The first tool developed is a wave diffraction-radiation solver. It is based on the finite element method (FEM) in order to solve the Laplace equation, as well as numerical schemes based on FEM, streamline integration, and finite difference method tailored for solving the free surface boundary condition. It has been developed numerical tools to solve solid body dynamics of multibody systems with body links across them. This tool has been integrated with the wave diffraction-radiation solver to solve wave-body interaction problems. Also it has been tailored coupling algorithms with other numerical tools in order to solve multi-physics problems. In particular, it has been performed coupling with a MEF structural solver to solve fluid-structure interaction problems, with a mooring solver, and with a solver capable of simulating internal flows in tanks to solve couple seakeeping-sloshing problems. Numerical simulations have been carried out to validate and verify the developed algorithms, as well as to analyze case studies in the areas of marine engineering, offshore engineering, and offshore renewable energy.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.