Output voltage regulation of a wind turbine with model predictive control techniques

This research is dedicated to the control of a wind turbine system by considering a dynamic model for a variable-speed wind turbine electrical energy generation system, using a squirrel cage induction generator in autonomous operation mode, connected to the load by means of a PMW converter/rectifier and single capacitor. The main target of the thesis is to design a control scheme which is able to keep the DC voltage at the rectifier constant and equal to the reference value, regardless of changes in the rotor speed and load variation. In order to achieve this goal, a mathematical model of the system is found by using the appropriate identification methods. Black-box modeling is used to find the models around certain equilibrium points. Then, an advance control technique recognized as Model Predictive Control (MPC), based on a DMC framework in close-loop scheme with a receding horizon approach is developed. MPC has risen in popularity not only due to its inherent ability to systematically account for time-domain constraints on signals but it also overcomes the limitation from the process dead-time, non-minimum phase and slow process dynamics. In order to obtain a more robust controller that is capable of dealing with larger variations of load and rotor speed, it is essential to study other sophisticated MPCs. The next step is to design a switched MPC in which several models with respect to different system operating points have been studied and implemented, moreover a switching schedule is designed to present a proper control signal to the plant. Afterwards, an Adaptive MPC scheme is used to better cope with the situation of the arbitrary values of the load or the rotor speed. Results prove the effectiveness of using the proposed MPC controller under different operating conditions with a comparison between different options, including switched and adaptive MPC.

Questa ricerca è dedicata al controllo di una turbina eolica, considerando un modello del sistema di generazione energetica con velocità del vento variabile. Il sistema analizzato consiste in un generatore a induzione con rotore isolato di tipologia squirrel-cage connesso al carico tramite un convertitore di frequenza. Il principale obiettivo della tesi è il mantenimento della tensione del convertitore costante e uguale al riferimento, anche in presenza di variazioni della velocità di rotazione del rotore o cambiamenti della corrente assorbita dal carico. A partire dall’identificazione di un modello a scatola nera dell’impianto controllato, è stato progettato un controllore predittivo basato sull’approccio DMC (Dynamic Matrix Control) con strategia Receeding Horizon. La strategia di controllo implementata (Model Predictive Control – MPC) ha permesso di tenere efficacemente in considerazione sia i vincoli presenti sulle variabili di controllo e di stato, sia di superare le limitazioni introdotte dal dead-time del processo, dallo sfasamento non minimo e dalla lenta dinamica del sistema controllato. Al fine di ottenere un controllore robusto che sia in grado di operare efficacemente con differenti velocità di rotazione del rotore e per assorbimenti variabili del carico, si è reso necessario studiare metodologie avanzate di controllo predittivo, in grado di riconoscere automaticamente il punto di lavoro del sistema e utilizzare modelli differenti in accordo con il punto di lavoro individuato. A tal proposito è stato studiato è progettato un MPC Adattativo in grado di far fronte a valori arbitrari di assorbimento del carico e a velocità del vento variabili. I risultati proposti in questo lavoro mostrano come, per il sistema di generazione considerato, le tipologie di controllo avanzate (Switched e adaptive MPC) risultino particolarmente efficaci.