Control of a spar-buoy floating wind turbine

Floating wind turbines take advantage of the offshore wind force to produce a renewable and clean electric energy. Such systems offer a solution to overcome offshore barriers due to the deep water. Nevertheless, adopting a floater platform introduces an additional motion that must be taken into account in the control system, which aims at achieving a better efficiency and system longevity. In this work, the development, implementation and simulation of a multi-objectives state feedback obtained with a Linear Quadratic Regulator and Disturbance Accommodating controllers are addressed. The results are applied in simulation to a spar-buoy floating platform. The spar-buoy platform achieves hydrostatic stability using a deep drafted ballast with three catenary mooring lines. The deep draft increases the platform roll and pitch inertias, reducing their respective natural frequency. This affects the DOFs choice in the control design. Adding the platform surge and the first tower fore-aft, a correct representation of the platform pitch response to the collective blade pitch is achieved. Simulation are carried out using a high-fidelity model obtained with FAST within MATLAB Simulink and the fatigue analysis is obtained according to design load case (DLC) 1.1 of the IEC 61400-3 standard for normal operation conditions. The simulation results, compared to a gain scheduled PI controller, show that a multi-objective state feedback controller obtained with collective blade pitch is able to improve the rotor speed regulation, thus the power quality. Furthermore, it is able to reduce tower-base side-to-side bending fatigue load by an average of 15%. Disturbance Accommodating Controller using the collective blade pitch further improves the rotor speed regulation. The state feedback controller obtained with the individual blade pitch is able to improve the rotor speed regulation reducing the RMS value of the rotor speed error by an average of 69%. Moreover it is able to reduce tower-base fore-aft bending fatigue load by an average of 8%. Disturbance Accommodation Controller, using the individual blade pitch, is able to improve the rotor speed regulation, thus diminishing the RMS value of the generator power error by an average of 70%, a better power quality is obtained. The performances achieved by creating asymmetric loads, over symmetric load, help in a better regulation of the rotor speed keeping a limited motion of the platform rotation about its pitch axis. Furthermore, individual blade pitch prevents the controller from conflict issues arising when rotor speed and platform pitch are regulated simultaneously.

Le turbine eoliche galleggianti, destinate alla produzione di energia elettrica pulita sfruttando la forza del vento in mare aperto, offrono una soluzione realizzabile per superare gli ostacoli causati delle acque profonde. Il fatto di utilizzare un sistema galleggiante, introduce un ulteriore movimento che assume un aspetto rilevante al fine del controllo destinato al miglioramento del rendimento e della longevità del sistema. In questo progetto è stato affrontato lo sviluppo, l'implementazione e la simulazione di due controllori multi-obiettivo a retrazione dello stato. Il primo è stato ricavato utilizzando un regolatore lineare quadratico (LQR) e il secondo utilizzando un Disturbance Accommodation Control (DAC) finalizzato alla reiezione dei disturbi. Entrambi i controllori sono stati applicati a una piattaforma galleggiante di tipo Spar-Buoy. Questa tipologia di piattaforma raggiunge la stabilità idrostatica per mezzo di un profondo pescaggio e tre linee di ancoraggio. La profondità del pescaggio aumenta le inerzie di rollio e beccheggio, riducendo le frequenze naturali della piattaforma, interagendo con la scelta dei gradi di libertà da considerare nel modello di controllo. Al fine di ottenere una corretta rappresentazione della risposta in frequenza del beccheggio della piattaforma è necessario considerarne l’avanzamento della stessa in direzione-x (surge) e il primo modo di vibrare della torre in direzione prua-poppa. Le simulazioni sono effettuate utilizzando un modello ad alta fedeltà ottenuto con il simulatore FAST e MATLAB Simulink. Rispettando le norme IEC 61400-3, l’analisi a fatica è ricavata utilizzando il disegno di carico (DLC 1.1) adottato per le normali condizioni operative. I risultati delle simulazioni, comparati con un controllore PI a guadagno variabile, mostrano che un controllo multi-obbiettivo a retrazione dello stato, ottenuto con un beccheggio collettivo delle pale, migliora la regolazione della velocità del rotore e di conseguenza la qualità della potenza prodotta. Applicando questo controllo si riscontra, risultante dall’analisi a fatica, la riduzione media del 15% sul carico alla base della torre, in direzione lato-lato. Il controllore DAC, anch’esso realizzato con un controllo collettivo delle pale, evidenzia un ulteriore miglioramento nella regolazione della velocità di rotazione del rotore. Il controllore a retrazione dello stato, ottenuto con una regolazione individuale della pale, migliora la prestazione della velocità del rotore riducendo il valore RMS del 69%. In questo caso i carichi a fatica alla base della torre, in direzione prua-poppa, risultano ridotti del 8%. Il regolatore DAC, ottenuto con una regolazione individuale delle pale, migliora ulteriormente la performance del controllo di velocità, diminuendone il valore RMS del 70%. Rispetto a carichi aerodinamici simmetrici, l’utilizzo di carichi asimmetrici permette una migliore regolazione della velocità del rotore mantenendo limitato il movimento di beccheggio della piattaforma. Inoltre, preserva il controllore da eventuali conflitti che sorgono durante la regolazione simultanea della velocità del rotore e il beccheggio della piattaforma.