Development of robust hardware-in-loop control algorithms with inertia emulation functionality in presence of time-delayed environment

For the past decade, the wind energy field has increased yearly its share of the market among renewable energy sources. This increase is mainly due to policies around the world which has ease renewable energy installation. An increase in these installations led to the development of these technologies capable of producing much more energy. Therefore, the dimensions of wind turbines have increased each year during this past decade. These high dimensions create problems in generator testing for the test must be performed in a controlled environment to provide the most realistic possible scenarios. Today industrial wind turbine blades length could be about 80 meters and even more (LM WIND POWER, 2020), therefore as it is possible to imagine, it is no more possible to assemble all the rotor parts, and generator in a controlled environment to perform tests. Therefore, if the generators are tested without all rotor parts which greatly influences the dynamic of the load condition during the test, making it different from the real load conditions. Consequently, it is no more possible to compare and correlate the results obtained in the test with the real one on the field. To make this possible, the dynamic load conditions of the field should be replicated in a control environment. This was achieved in this master thesis thanks to the inertia emulation task. The model of the device (small test rig) used in this research work is that of the Fraunhofer Dynamic Nacelle Laboratory (DyNaLab). This device can emulate a wide range of dynamic behavior to perform the most realistic testing scenario. This is understood better by looking at the performance in the frequency domain, the dynamic behavior of a mechanical system can be defined looking at its transfer function. The main task of the inertia emulation can be defined as: “the control framework that can hide the dynamic behavior, in terms of natural frequencies and steady-state performance of a mechanical system, in order to emulate another one, called reference one”. Therefore, the performance of the control logic was compared both in the time and in the frequency domain, thanks to bode diagram plots. The framework chosen for achieving this goal was the hardware-in-the-loop framework, which is mainly based on the augmentation of a physical system with a virtual system. This augmentation caused delay in the feedback loop. Therefore, in this master thesis, the first part dealt with the design of an mathbf{H}_infty robust controller for the inertia emulation of a reference system on a small test rig system in a delay free system. This controller was able to reject load disturbance input and was robust against norm bounded uncertainty. The second part of this work had to replicate the same above results, but in this case in the presence of delay in the feedback loop of the system.

Nell'ultimo decennio, il settore dell'energia eolica ha aumentato ogni anno la sua quota di mercato tra le fonti di energia rinnovabile. Questo aumento è dovuto principalmente alle politiche di tutto il mondo che hanno facilitato l'installazione di energie rinnovabili. Un aumento di queste installazioni ha portato allo sviluppo di queste tecnologie in grado di produrre molta più energia. Pertanto, le dimensioni delle turbine eoliche sono aumentate ogni anno in quest'ultimo decennio. Queste dimensioni elevate creano problemi nei test dei generatori per il test devono essere eseguiti in un ambiente controllato per fornire gli scenari più realistici possibili. Oggi la lunghezza delle pale delle turbine eoliche industriali potrebbe essere di circa 80 metri e anche di più (LM WIND POWER, 2020), quindi come è possibile immaginare, non è più possibile assemblare tutte le parti del rotore e del generatore in un ambiente controllato per eseguire i test. Pertanto, se i generatori vengono testati senza tutte le parti del rotore che influenzano notevolmente la dinamica della condizione di carico durante la prova, rendendola diversa dalle condizioni di carico reali. Di conseguenza, non è più possibile confrontare e correlare i risultati ottenuti nella prova con quelli reali sul campo. Per rendere ciò possibile, le condizioni di carico dinamico del campo devono essere replicate in un ambiente di controllo. Questo è stato ottenuto in questa tesi di master grazie al compito di emulazione per inerzia. Il modello del dispositivo (piccolo banco prova) utilizzato in questo lavoro di ricerca è quello del Fraunhofer Dynamic Nacelle Laboratory (DyNaLab). Questo dispositivo è in grado di emulare un'ampia gamma di comportamenti dinamici per eseguire lo scenario di test più realistico. Questo si capisce meglio osservando le prestazioni nel dominio della frequenza, il comportamento dinamico di un sistema meccanico può essere definito guardando alla sua funzione di trasferimento. Il compito principale dell'emulazione per inerzia può essere definito come: "il quadro di controllo che può nascondere il comportamento dinamico, in termini di frequenze naturali e di prestazioni stazionarie di un sistema meccanico, per poterne emulare un altro, detto di riferimento". Pertanto, le prestazioni della logica di controllo sono state confrontate sia nel dominio del tempo che in quello delle frequenze, grazie ai diagrammi di bode. Il framework scelto per raggiungere questo obiettivo è stato quello hardware-in-the-loop, che si basa principalmente sull'incremento di un sistema fisico con un sistema virtuale. Questo aumento ha causato un ritardo nel ciclo di feedback. Pertanto, in questa tesi di master, la prima parte ha trattato la progettazione di un mathbf{H__infty robust controller per l'emulazione inerziale di un sistema di riferimento su un piccolo sistema di test rig in un sistema privo di ritardi. Questo controllore era in grado di rifiutare l'input di disturbo del carico ed era robusto contro l'incertezza limite della norma. La seconda parte di questo lavoro ha dovuto replicare gli stessi risultati di cui sopra, ma in questo caso in presenza di ritardo nel ciclo di retroazione del sistema.