Autore/i ROJAS SANDOVAL, JUAN SEBASTIAN
FUGAZZA, ANDREA
Relatore CROCE, ALESSANDRO
Correlatore/i BOTTASSO, CARLO L.
Scuola / Dip. ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Data 28-lug-2015
Anno accademico 2014/2015
Titolo della tesi Real time control of a scaled wind turbine and experimental test of a wind farm
Abstract in italiano Il presente lavoro di tesi consiste nella descrizione delle attività che hanno permesso il funzionamento di sei modelli di generatori eolici pienamente strumentati e controllati, che sono stati utilizzati in test sperimentali nella galleria del vento civile del Politecnico di Milano. I modelli, di dimensioni ridotte per consentire test di un intero parco eolico, sono scalati, con coefficiente di scalatura geometrico pari a 1:155, a partire da un esemplare di aerogeneratore realmente esistente, prodotto da Samsung Heavy Industries e caratterizzato da una potenza nominale di 7 MW. Al fine di consentire il pieno funzionamento dei modelli di aerogeneratori, sono stati scritti diversi codici in linguaggio C che garantiscono l'operatività dei modelli in diverse condizioni d'uso e, successivamente, integrati nella CPU, prodotta da Bachmann Gmbh., che governa tanto il funzionamento dei modelli in scala quanto quello di reali generatori eolici. Tali codici si distinguono tra algoritmi di "basso livello", che governano il funzionamento degli attuatori, e di "alto livello", che implementano logiche di controllo che, agendo sul momento torcente e sul passo della pala, consentono il funzionamento in maniera automatica di ogni singolo modello di generatore al fine di produrre energia seguendo le curve di regolazione tipiche di questo tipo di macchine, in cui la velocità angolare del rotore, il passo della pala, il momento torcente e la potenza prodotta sono espresse al variare della velocità del vento. I controllori PID implementati permettono tanto il funzionamento automatico dell'aerogeneratore, sulla base delle misure rilevate dai sensori e di look-up tables inserite dall'utente, sia quello manuale in base ai valori di velocità e passo della pala decisi dall'utilizzatore. La comunicazione con il motore Maxon che regola il passo della pala è realizzata mediante protocollo di comunicazione CAN, mentre quella relativa al generatore tramite protocollo di comunicazione analogica. E' stato inoltre implementato un secondo algoritmo di controllo sviluppato dalla Kyungpook National University e dedito al controllo di ogni singolo generatore eolico. Infine è stato integrato nella logica di funzionamento real-time un terzo algoritmo di controllo, sviluppato in collaborazione tra Kyungpook National University e Samsung Heavy Industries e dedicato al controllo dell'intero parco eolico al fine di massimizzare la produzione di potenza. Sono state anche sviluppate delle interfacce grafiche, basate su linguaggio Java, che permettono, in maniera semplice ed intuitiva, la gestione della turbina tramite una macchina agli stati, la regolazione di tutti i parametri che descrivono il comportamento della macchina, la visualizzazione dei risultati e la registrazione dei dati. Altre due interfacce grafiche, infine, permettono la gestione di una intera riga di aerogeneratori e il controllo dei principali parametri che caratterizzano la galleria del vento, quali la densità e la velocità dell'aria. E' stato infine sviluppato un codice Simulink che riproduce la dinamica del modello di aerogeneratore e lo stesso sistema di controllo implementato nella CPU che gestisce il funzionamento real-time della turbina eolica; esso ha permesso un confronto con il comportamento reale al fine di validare i codici scritti. Accanto alla programmazione di codici di controllo, sono stati interamente assemblati, cablati e strumentati i sei modelli di aerogeneratore e sono state svolte varie attività indispensabili a garantire il corretto funzionamento delle macchine, quali la calibrazione dei sensori e lo sviluppo di un banco prova che ha permesso di simulare la presenza del vento anche all'esterno della galleria. I modelli sono stati infine testati in galleria del vento al fine di validare il funzionamento degli algoritmi di controllo, di rilevare le effettive prestazioni e curve caratteristiche delle macchine e di verificare gli effetti della presenza contemporanea di diversi generatori eolici e la loro interazione reciproca. Al termine dei test sperimentali sono state dedicate diverse settimane di lavoro alla risoluzione di diversi problemi, specialmente di carattere vibratorio, riscontrati in questa campagna di prove; tali accorgimenti garantiranno un migliore svolgimento di tutte le prove sperimentali previste dopo la conclusione della presente tesi.
Abstract in inglese This research describes the activities necessary to allow the operation of six models of wind turbines, fully instrumented and controlled, which have been used in experimental tests in the Politecnico di Milano civil wind tunnel. The wind turbine models, characterized by a small size to allow the test of a whole wind farm, have been scaled down, with a geometric scaling factor of 1:155, from an existing wind turbine, built by Samsung Heavy Industries and characterized by a rated power of 7 MW. To allow the functioning of the six scaled wind turbines, several codes that permit the operation of the models in different modes have been written in C language and have been integrated inside the CPU, built by Bachmann Gmbh., that rules the functioning of the scaled models as well as that of real multi MegaWatt wind turbines. Low level control algorithms govern the functioning of actuators, whereas high level control algorithms allow, by acting on torque and pitch angle, the operation of the machine according to the desired regulation curves, which, for these kinds of machines, correspond to certain angular speed, blade pitch angle and torque expressed as function of wind speed. The PID controllers allow the models to run both in automatic mode, deciding rotor speed, torque and pitch angle based on look-up tables and measurements, and in manual mode, achieving user defined values. The communication with the Maxon pitch motor is performed through a CAN network, whereas the communication with the generator is carried out through analog protocol. Two other control algorithms were also integrated within the CPU. The first, developed at Kyungpook National University (KNU), is aimed at the control of a single wind turbine through PID control laws; the second, developed together by KNU and Samsung Heavy Industries, is used to control the whole wind farm with the goal of maximing the production of power. Moreover, three graphical interfaces, based on Java language, were developed using the SolutionCenter software. The first allows, in a simple and intuitive manner, the management of the wind turbine model through a state machine, the regulation of all the necessary parameters, the visualization fo the results, both as values and plots, and the recording of data; the second interface allow the managemente of a whole row of wind turbines, whereas the third permits the control of the environmental parameters of the wind tunnel, such as the wind speed measured by Pitot sensors and the air density. A Simulink model of the wind turbine, reproducing both the dynamics of the model and the same control algorithm implemented in the C codes installed in the CPU, was also developed; this allowed to check the results of the model in order to verify the written codes. Besides the programming activities, six wind turbine models were completely assembled, cabled and instrumented; several others actions necessary to guarantee the correct functioning of the machines were performed, such as the calibration of sensors and the development of a test bench, which has been used to simulate the wind in order to test the control algorithms also outside the wind tunnel. The six scaled wind turbine models have finally been tested in the wind tunnel in order to validate the control algorithsm, to detect the actual performance and to check the effects caused by the presence of several models close to each other. During the test, some problems, especially related to vibrations, were encountered; therefore, after the tests, several weeks were devoted to the analysis of these problems and to the detection of possible solutions, which will allow to achieve better results in the future experimental tests.
Tipo di documento Tesi di laurea Magistrale
Appare nelle tipologie: Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/10589/109034