Offshore floating wind turbines as sea state observers

The coupled wind and waves forcing on offshore floating wind turbines represents a complex engineering challenge as far as the design of control logics is concerned. In this framework the present work deals with the implementation of a state observer for the estimation of the incident wave elevation experienced by an offshore floating wind turbine. The observer has the form of a Kalman filter for harmonic detection on a multiple rotating reference frame. The estimation process is carried out in real time, providing in each time instant the vertical coordinate of the sea surface in a proper point of the body. Inputs to the observer are the rigid displacements time histories experienced by the floating structure. As a preliminary step, the work reports the composition of a linear hydrodynamic model of the OC3-Hywind spar buoy platform coupled with a 5 MW wind turbine; the model is validated and details about the generation of motion time histories are clarified. After that the observer algorithm is shown in its equations, and issues about covariance matrices and dimensions of state and measurement vectors are discussed. The observer is tested with motion time histories derived from the linear hydrodynamic model, and the sensitivity of the estimation quality to several parameters is studied. As a further task, the estimator is tested in coupled wind and waves condition exploiting the FAST routine, and the trend of error in different wind speed or turbine state is analysed. Finally, a brief testing phase is dedicated to determine the performances of the observer in presence of second-order hydrodynamic effects, and a small modification to the original algorithm is suggested to overcome problems emerged in this case.

L'effetto combinato del vento e delle onde su una turbina eolica galleggiante rappresenta una sfida ingegneristica complessa per quanto riguarda la progettazione di logiche di controllo. In questo contesto il presente lavoro espone l'implementazione di un osservatore di stato per la stima dell'elevazione d'onda incidente su una turbina eolica galleggiante. Lo stimatore assume la struttura di un filtro di Kalman per il tracciamento di segnali armonici proiettato su sistemi di riferimento rotanti multipli. Il processo di stima è effettuato in tempo reale, e ad ogni istante fornisce la coordinata verticale della superficie dell'acqua in un determinato punto del corpo galleggiante. Sono assunte come input le storie temporali delle misure dei moti rigidi della struttura. Come fase preliminare si riporta la costruzione di un modello idrodinamico lineare della piattaforma OC3-Hywind accoppiata ad una turbina da 5 MW; il modello è validato e sono chiariti tutti i dettagli sulla generazione di storie temporali di moto. In seguito sono elencate le equazioni dell'algoritmo, e si trattano criticità riscontrate a proposito delle matrici di covarianza e delle dimensioni dei vettori di stato e di misura. L'osservatore è quindi provato con storie temporali provenienti dal modello idrodinamico lineare, e viene analizzata la sensibilità della qualità della stima al variare di diversi parametri. Successivamente lo stimatore è provato in condizioni di vento e mare accoppiati usando il software FAST, e si studia l'andamento dell'errore di stima sotto diverse velocità del vento o in diversi stati della turbina. Infine, una breve fase di prove è dedicata alla determinazione delle prestazioni dell'osservatore in presenza di effetti idrodinamici del secondo ordine, ed è proposta una modifica alla forma originale dell'algoritmo per superare alcuni problemi emersi in questa situazione.