Numerical model of a floating wind turbine controller and experimental implementation

Floating offshore wind turbines have been recently recognized as a potential solution to lower the wind energy cost, however the development and optimization of this technology implies new engineering challenges. In this contest model testing is of fundamental importance, since it makes possible to gather data for the validation of numerical codes and to directly study the complex interaction between wind and waves loads. This thesis deals with the implementation of the DTU 10 MW variable-speed variable-pitch controller on the PoliMi 1/75 wind tunnel scale model. The wind turbines control problem is introduced, with particular focus on the control techniques used in modern machines to regulate the rotor speed and energy capture. The control logic, originally developed for the HAWC2 model of the reference wind turbine, is translated into MathWorks® Simulink® for co-simulation in FAST, and the response of the onshore controlled full-scale system is assessed through proper numerical simulations. The wind turbine is then deployed on the model of a suitable floating platform. The dynamic response due to combined wind, waves and onshore controller action is analyzed, making evident the unstable coupling between platform modes and pitch control, resulting in a poor or negative damping of the structure motion. A simplified linear coupled model is introduced, to describe the interaction of aerodynamics, hydrodynamics and structural dynamics and, lately, to modify the original controller, making it effective in offshore applications. The FAST model of the ideally scaled pitch-controlled floating wind turbine is developed, as an intermediate step, to study the effect of scaling laws on the numerical and theoretical tools built for the full-scale system. A FAST model able to simulate the response of the real PoliMi wind tunnel model is then created, and the control logic designed for the full-scale system is modified to be able to reproduce the prototype dynamics during wind tunnel tests. Finally, a description of the physical turbine model is given, with particular attention to the mechatronic setup, and the real-time environment created to effectively control the scaled turbine is pre- sented.

Le turbine eoliche galleggianti sono state recentemente riconosciute come una potenziale soluzione per ridurre il costo dell'energia eolica, tuttavia l'ottimizzazione e lo sviluppo di tale tecnologia implica nuove sfide ingegneristiche. In questo contesto sono ritenute di fondamentale importanza le prove su modelli in scala che consentono di raccogliere dati per la validazione dei codici di calcolo numerico e di studiare direttamente la complessa interazione tra carichi generati dal vento e dalle onde. Questa tesi si occupa dell'implementazione del controllore variable-speed variable-pitch della turbina DTU 10 MW sul modello del PoliMi in scala 1/75, per prove in galleria del vento. Inizialmente, viene introdotto il problema del controllo di una turbina eolica, con particolare attenzione alle tecniche usate sulle macchine più recenti per regolare la velocità del rotore e l'estrazione di energia. La logica di controllo, originariamente sviluppata per il modello HAWC2 della turbina di riferimento, è tradotta in MathWorks® Simulink®, per la co-simulazione con FAST, e la risposta del sistema prototipo onshore è verificata attraverso le simulazioni numeriche più appropriate. La turbina eolica è poi dispiegata su una piattaforma galleggiante adatta allo scopo. La risposta dinamica causata dalla combinazione di vento, onde e azione del controllore onshore è analizzata, rendendo evidente l'accoppiamento instabile tra i modi della piattaforma e del controllore del passo delle pale, risultante in un smorzamento del moto della struttura negativo o comunque ridotto. Al fine di descrivere l'interazione tra aerodinamica, idrodinamica e dinamica strutturale viene sviluppato un modello lineare accoppiato semplificato, utilizzato in seguito per modificare il controllore originale, rendendolo efficace in applicazioni offshore. Come passo intermedio, è creato il modello FAST della turbina idealmente scalata, utilizzato per verificare l'effetto delle leggi di scalatura sugli strumenti numerici e teorici costruiti nello studio del sistema prototipo. La risposta del vero modello in scala del PoliMi è poi analizzata con un apposito modello FAST, quindi le logiche di controllo studiate per il sistema full-scale sono modificate, così da poter riprodurre la dinamica del prototipo durante le prove in galleria del vento. Infine, viene descritto, con particolare attenzione alla configurazione meccatronica, il modello fisico della turbina eolica ed è poi presentato l'ambiente real-time appositamente creato per controllarla.