Coordinated Control and Energy Management of a Hybrid Marine Energy System

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Researchers in renewable energy integration and microgrid control can leverage the proposed hierarchical control framework for hybrid systems.

🏢実務担当者:Practitioners designing marine energy systems or remote microgrids can use the two-tier storage strategy to improve reliability and reduce battery degradation.

持続可能で低炭素なエネルギー源に対する世界的な需要の高まりにより、特に潮汐エネルギーと波エネルギーを中心とした海洋再生可能エネルギーシステムに関する研究が intensified している。これらの海洋資源は、高い予測可能性、豊富な利用可能性、視覚的影響や土地利用への影響が最小限であることなど、かなりの利点を提供する。しかし、その固有の変動性、特に波エネルギーにおける変動性は、島嶼部または弱連系の系統への確実な統合に重大な課題をもたらす。さらに、海洋負荷の動的かつ非線形的な性質は、過酷なオフショア環境と相まって、堅牢で柔軟なエネルギー管理システムを要求する。これらの課題に対処するため、本研究は、潮汐エネルギー変換装置と波エネルギー変換装置をバッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）およびスーパーキャパシタエネルギー貯蔵システム（SCESS）と統合したハイブリッド海洋エネルギーシステムのための協調制御およびエネルギー管理フレームワークを提示する。 提案するアーキテクチャは、個々の資源の相補的な特性を活用する。周期的かつ高度に予測可能な性質を持つ潮汐エネルギーは、ベース負荷供給源として機能し、安定した供給を保証する。対照的に、波エネルギーはより確率的であるが、高エネルギー期間中の採取可能性を追加する。入力変動を平滑化し、安定した供給を確保するために、ハイブリッドシステムは2層の貯蔵戦略を採用する：BESSは中時間帯のバランス調整と定常状態負荷をサポートし、SCESSは負荷過渡現象や急激な波の変化による短時間・高周波数の電力変動を処理する。 ドループ制御原理と充電状態（SOC）を考慮した戦略を組み合わせた階層型協調制御アルゴリズムが開発され、最適なエネルギー共有を実現する。潮汐変換装置と波変換装置の両方が最大電力点追従（MPPT）制御の下で動作し、変化する環境条件下での最適なエネルギー採取を保証する。エネルギー管理システムは、マルチタイムスケールアプローチを用いて長期と短期の電力ニーズを区別する：SCESSは急激な過渡現象に迅速に対応し、BESSはSOCレベルと負荷予測に基づいて持続的な電力サポートに使用される。この協調応答により、システムの動的パフォーマンスが向上し、バッテリーへのストレスが軽減され、高周波数のサイクリングを最小限に抑えることで運用寿命が延長される。 提案戦略の有効性は、MATLAB/Simulinkで開発された包括的なシミュレーションモデルを通じて検証される。モデルには、現実的な潮汐および波エネルギーの入力プロファイル、変換装置の動特性、詳細な貯蔵システム特性が含まれる。可変潮汐速度、不規則な波高、急激な負荷変化、複合外乱など、複数の運用シナリオが評価される。シミュレーション結果は、電圧および周波数偏差を低減し、高品質で安定した電力を供給するハイブリッドシステムの能力を示す。協調制御メカニズムは、電源間の円滑な遷移、貯蔵の効率的な使用、困難な海洋条件下でも堅牢な動作を保証する。 本研究は、島嶼部または遠隔沿岸部の用途に適した、弾力性があり、効率的で、自律的な海洋マイクログリッドへの有望な道筋を強調する。潮汐エネルギーと波エネルギーの強みを高度な貯蔵技術と組み合わせて活用することにより、システムは強化された柔軟性、信頼性、系統互換性を提供する。将来の研究には、Typhoon HILベースのテストによるリアルタイム検証、故障検出メカニズムの統合、機械学習と予測分析を用いた適応制御戦略の探求が含まれる。 この研究は、米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局（EERE）の水力技術オフィス（WPTO）による助成番号DE-EE0009450の支援を受けている。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

The accelerating global demand for sustainable and low-carbon energy sources has intensified research into marine renewable energy systems, particularly tidal and wave energy. These marine resources offer considerable advantages, including high predictability, vast availability, and minimal visual or land-use impact. However, their inherent variability, especially in wave energy, introduces significant challenges for reliable integration into islanded or weakly connected grid systems. Moreover, the dynamic and nonlinear nature of marine loads, coupled with the harsh offshore environment, demands robust and flexible energy management systems. To address these challenges, this study presents a coordinated control and energy management framework for a hybrid marine energy system integrating tidal and wave energy converters with a Battery Energy Storage System (BESS) and a Supercapacitor Energy Storage System (SCESS). The proposed architecture exploits the complementary characteristics of individual resources. Tidal energy, with its cyclical and highly predictable nature, serves as the base contributor, ensuring consistent supply. In contrast, wave energy is more stochastic but adds harvesting potential during high-energy periods. To smooth input variability and ensure consistent delivery, the hybrid system employs a two-tier storage strategy: the BESS supports medium-duration balancing and steady-state loads, while the SCESS handles short-duration, high-frequency power fluctuations from load transients or abrupt wave changes. A hierarchical coordinated control algorithm is developed, combining droop control principles with state-of-charge (SOC)-aware strategies for optimal energy sharing. Both tidal and wave converters operate under Maximum Power Point Tracking (MPPT) control to ensure optimal energy extraction under varying environmental conditions. The energy management system differentiates between long- and short-term power needs using a multi-time scale approach: the SCESS responds rapidly to sudden transients, while the BESS is engaged for sustained power support based on SOC levels and load forecasts. This coordinated response improves the dynamic performance of the system, reduces battery stress, and extends its operational lifespan by minimizing high-frequency cycling. The effectiveness of the proposed strategy is validated through a comprehensive simulation model developed in MATLAB/Simulink. The model includes realistic tidal and wave energy input profiles, converter dynamics, and detailed storage system characteristics. Multiple operational scenarios are evaluated, including variable tidal speeds, irregular wave heights, sudden load changes, and combined disturbances. Simulation results demonstrate the capability of the hybrid system to deliver high-quality, stable power with reduced voltage and frequency deviations. The coordinated control mechanism ensures smooth transitions between power sources, efficient use of storage, and robust operation even under challenging marine conditions. This research highlights a promising pathway toward resilient, efficient, and autonomous marine microgrids suitable for islanded or remote coastal applications. By leveraging the strengths of tidal and wave energy in conjunction with advanced storage technologies, the system offers enhanced flexibility, reliability, and grid compatibility. Future work will involve real-time validation through Typhoon HIL-based testing, integration of fault detection mechanisms, and exploration of adaptive control strategies using machine learning and predictive analytics. This work is supported by the U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) under the Water Power Technologies Office (WPTO) Award Number DE-EE0009450.

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