Numerical and experimental development of an optimized controller for wind tunnel tests of floating offshore wind turbines

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 development and 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 to overcome the issues arising from the offshore deployment of wind turbines designed for onshore application. The control logic is validated through proper numerical simulations. The wind turbine is then deployed on the models of suitable floating platforms, SWE-TripleSpar and OlavOlsen-Star. The dynamic response due to combined wind, waves and controller action is analysed, making evident the unstable coupling between platform modes and pitch control, resulting in a poor or negative damping of the structure motion, and the effectiveness of the solution adopted to cope with this issue. A description of the physical PoliMi wind turbine model is given, with particular attention to the mechatronic setup, and the real-time environment created to actually control the turbine model is presented. The model actuators experimental characterization is performed and the rotor aerodynamic sensitivities are experimentally evaluated in a wind tunnel test session. The controller is scaled to PoliMi 1/75 wind tunnel model scale and properly tuned in order to reproduce the steady-state and dynamic behaviour of the DTU 10 MW wind turbine for LIFES50+ Project wind tunnel tests. The controller is assessed together with the FAST numerical model of the scaled wind turbine in onshore and floating-offshore operating conditions. At last, the previously tuned controller is suitably modified and implemented on the physical wind turbine model.

Le turbine eoliche galleggianti sono state recentemente riconosciute come una potenziale soluzione per ridurre il costo dell’energia eolica, tuttavia lo sviluppo e l’ottimizzazione di questa tecnologia implica nuove sfide ingegneristiche. In questo contesto le prove su modelli in scala sono di fondamentale importanza, poiché consentono di raccogliere dati per la validazione dei codici numerici e di studiare la complessa interazione tra i carichi generati dal vento e dalle onde. Questa tesi si occupa dello sviluppo e dell’implementazione del controllore variable-pitch variable-speed della turbina DTU 10 MW sul modello PoliMi in scala 1/75 per prove in galleria del vento. Viene presentato il problema del controllo delle turbine eoliche, con particolare attenzione alle tecniche di controllo utilizzate per risolvere i problemi derivanti dall’impiego in mare aperto su piattaforme galleggianti di turbine eoliche progettate per applicazioni onshore. La logica di controllo è validata attraverso opportune simulazioni numeriche. La turbina eolica viene quindi installata su modelli di piattaforme galleggianti idonee, SWE-TripleSpar e OlavOlsen-Star. La risposta dinamica dovuta all’effetto combinato del vento, delle onde e dell’azione del controllore viene analizzata, rendendo evidente l’instabilità data dall’accomppiamento tra i modi rigidi della piattaforma e il controllore agente sul pitch delle pale, risultante in uno smorzamento negativo del movimento della struttura, e l’efficacia della soluzione adottata per far fronte a questo problema. Viene fornita una descrizione del modello fisico della turbina eolica PoliMi, con particolare attenzione all’impostazione meccatronica e all’ambiente di controllo real-time. La caratterizzazione sperimentale degli attuatori del modello viene eseguita e le sensitività aerodinamiche del rotore vengono valutate sperimentalmente in una sessione di prove in galleria del vento. Il controllore viene ridimensionato alla scala 1/75 del modello di galleria del vento e sintonizzato correttamente per riprodurre il comportamento dinamico e stazionario della turbina eolica prototipo per le prove in galleria del vento all’interno del progetto LIFES50+. Il controllore viene validato con il modello numerico FAST dela turbina in scala, simulando i casi onshore e offshore. Infine, il controllore precedentemente sintonizzato viene opportunamente modificato e implementato sul modello fisico della turbina eolica.