Numerical and experimental development of a 6-Dof/HIL methodology for wind tunnel tests of floating offshore wind turbines

The aim of this work deals with the development of a six degrees of freedom (Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch and Yaw) numerical model in Matlab and Simulink environment able to reproduce in real time the hydrodynamics of an offshore oating wind turbine and the implementation of that model in an Hardware in the Loop system. The code can represent di erent sea states and rst and second order forces acting on the platform: a detailed description of the linear effects and non-linear forces has been done. A second six degrees of freedom numerical model has also been developed in FAST environment and its outputs were used as a reference in order to validate the Matlab and Simulink numerical model. The reference systems are the SWE-TripleSpar Floating Platform and LIFES50+ OO-Star Wind Floater, both hosting the DTU 10MW wind turbine. 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 made of a six degrees of freedom robot able to reproduce the oater 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. The scaled physical model do not match exactly the reference inertia and sti ness 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 Hardware in the Loop real time system, composed by a physical and a numerical part, has been tested to validate the numerical model and the force correction method. Free decay tests have been carried out to assess the natural frequencies and damping coefficients. Wave only tests have been realized to validate the real time hydrodynamical numerical model and also wave tests with a constant thrust force have been carried out to simulate the real operating condition in the wind tunnel. All of this experimental results were compared to the numerical simulations made with the FAST software.

Lo scopo del seguente lavoro di tesi consiste nello sviluppo di un modello numerico a sei gradi di libertà (Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch and Yaw) negli ambienti Matlab e Simulink capace di riprodurre in tempo reale l'idrodinamica di una turbina eolica o shore galleggiante e la sua implementazione in un sistema di tipo Hardware in the Loop. Il codice é in grado di rappresentare diversi stati di mare nonché le forze di primo e secondo ordine agenti sulla piattaforma: una descizione dettagliata degli effetti delle forze lineari e non é stata fatta. Un secondo modello numerico a sei gradi di libertà é stato sviluppato nell'ambiente FAST e i suoi output sono stati usati come riferimento per poter validare il modello numerico creato in Matlab e Simulink. Le strutture galleggianti di riferimento sono: SWE-TripleSpar Floating Platform e LIFES50+ OO-Star Wind Floater. Entrambe le piattafome ospitano la turbina eolica DTU 10MW. Il modello numerico sviluppato in Matlab e Simulink é stato implementato nella logica di controllo Hardware in the Loop per poter condurre una serie di test i quali hanno permetteranno di simulare il comportamento del sistema nella galleria del vento del Politecnico di milano. Il sistema é composto da un robot a sei gradi di libertà capace di riprodurre il movimento della piattaforma e da un modello sico in scala della turbina al vero. Un'analisi approfondita dei problemi riguardanti i sistemi di controllo e di misura é stata fatta. Il modello sico scalato non presenta parametri d'inerzia e rigidezza corrispondenti a quelli della turbina scalata, quindi una procedura di correzione delle forze é stata sviluppata. Questo metodo elimina le forze d'inerzia errate da quelle misurate così da poter ottenere le forze aerodinamiche corrette in tempo reale. Questo modello di un sistema Hardware in the Loop agente in tempo reale, composto da una parte sica e una numerica, é stato testato per poter validare il modello numerico nonch e il processo di correzione delle forze. Test di tipo free decay sono stati condotti per individuare le frequenze naturali e i coefficienti di smorzamento delle strutture per i sei gradi di libertà. Test con stati di mare di tipo regolare e irregolare sono stati eseguiti per validare il modello numerico idrodinamico per applicazioni real time. Altri test identici ai precedenti ma con l'aggiunta di una forza aerodinamica costante sono stati fatti per simulare le condizioni operative che si realizzeranno nella galleria del vento. Tutti questi risultati sperimentali sono stati confrontati con gli output del software FAST.