Modellazione e caratterizzazione metrologica di un setup di tipo HIL per test in galleria del vento : il sistema eolico galleggiante OC5/5MW-NREL

The aim of this work deals with the development of a two degrees of freedom (surge and pitch) numerical model in Matlab and Simulink environment able to reproduce in real time the hydrodynamics of an offshore floating wind turbine and the implementation of that model in an Hardware in the Loop system. The code can represent different sea states and first and second order forces acting on the platform: a detailed description of the linear effects and non-linear forces has been done. The model has been compared with the experimental results carried out in the water basin with a Froude scaled floating wind turbine model. A second six degrees of freedom numerical model has also been developed in FAST environment matching the water basin tests. The reference model is the OC5 DeepCWind floater and the 5MW-NREL wind turbine, developed at the National Renewable Energy Laboratory. The Matlab numerical model has been implemented in an Hardware in the Loop control system in order to conduct a series of test to simulate the system behaviour in the Politecnico di Milano wind tunnel facility. The system is built of a two degrees of freedom robot able to reproduce the floater motion and a scaled model of a full scale reference wind turbine. A detailed analysis of the problems regarding the system control and the measurement setup has been conducted, in order to describe the phase shift caused by the hydraulic actuator control system. A method to evaluate the effects of the time and phase shift on the simulation has been proposed. The scaled phisical model do not match exactly the reference inertia and stiffness therefore a force correction method has been developed. This method removes the wrong inertia force from the measured one in order to obtain the corrected aerodynamic force in real time. This mechanical-numerical Hardware in the Loop real time system has been tested to validate the numerical model and the force correction implemented methods. Free decay tests and has been carried out to assess the natural frequencies and damping coefficients. Wave only test has been iii iv ABSTRACT realized to prove the real time hydrodynamical numerical model and also wave test with a constant numerical thrust force has been carried out to simulate the real operating condition in the wind tunnel. All of this experimental result were compared to the numerical simulations and the water basin tests.

Lo scopo del seguente lavoro di tesi consiste nello sviluppare un modello numerico in ambiente Matlab e Simulink capace di riprodurre in tempo reale l’idrodinamica di un sistema eolico galleggiante e implementarlo in un sistema di tipo "Hardware in the Loop". Il codice è in grado di rappresentare differenti tipi di condizioni di mare e di forzamenti di primo e secondo ordine: . Il modello è stato in seguito confrontato con una serie di prove sperimentali effettuate in vasca navale, per la caratterizzazione del sistema galleggiante, e con un secondo modello numerico idrodinamico e aerodinamico sviluppato in ambiente FAST, nell’ambito del progetto OC5 DeepCWind di cui si utilizza il sistema come riferimento. Il modello numerico sviluppato in Matlab è quindi stato introdotto in un sistema di controllo e di tipo Hardware in the Loop con lo scopo di simulare il comportamento reale del sistema eolico galleggiante in galleria del vento. Il meccanismo è costituito da un robot a due gradi di libertà, atto riprodurre il moto del galleggiante, e da un modello in scala di una turbina eolica. Sono state analizzate nel dettaglio le problematiche dovute al controllo del sistema e alla misura delle forze agenti sul modello, effettuando un’identificazione degli sfasamenti e dei ritardi temporali indotti dal sistema di controllo, attuazione e misura, proponendo un metodo per considerarne gli effetti sulla forza misurata. Le forze devono, inoltre, essere depurate del contributo inerziale e gravitazionale dovuto al modello scalato, che presenta dei parametri di massa e inerzia differenti rispetto al modello scalato di riferimento. Si è sviluppato e validato quindi un metodo di correzione basato sullo stato e sulle accelerazioni calcolate dalla simulazione. Con il sistema ottenuto è stata condotta una serie di prove in modo da validare la procedura di prova, confrontando i risultati con le prove effettuate in vasca navale e con le simulazioni effettuate.