Synergetic combination of passive and active control strategies in a 10MW wind turbine

Energy is one of the central and foremost grand challenges facing our society today and wind energy is one of the main sources which is providing significant renewable contributions to the growing need for clean energy. Future plans realization includes the up-scaling of the current wind turbine(WT) power production, which in turn requires the up-scaling of the WT structure, leading to different design requirements and control strategies in order to achieve a turbine lifetime duration that minimize the cost of energy. This thesis deals with the analysis of the Bend-Twist-Coupling(BTC) passive load control strategy and its synergetic interaction with active load control. The first part of the study is focused on evaluating the benefits of BTC implementation for multi-MW wind turbine.Results analysis highlights that BTC implementation in WT rotor blades provides fatigue load reduction in almost the entire turbine structure, the approach employed to reach this conclusion follows fatigue damage equivalent loads(DEL) analysis. The natural application of multi-MW rotors is the offshore environment, because of fewer size limitations and more uniform wind speed across the rotor height. Hence, BTC is implemented in a 10MW floating WT formed by the DTU 10MW RWT and the INNWIND. EU TripleSpar platform. Simulations carried out in realistic power production conditions lead to fatigue DEL analysis results equal to the onshore configuration, therefore it is concluded that BTC implementation provides the same fatigue load reduction for the floating and the onshore configuration. The study is concluded with the analysis of the synergetic combination of BTC and individual pitch control(IPC), to accomplish this purpose the multi-blade-coordinate (MBC) IPC strategy is considered and is utilized to control the DTU 10MW RWT with BTC blades. The implementation of the IPC and the BTC rotor blades in the DTU 10MW RWT points out a constructive synergetic combination between the two control strategies, this interaction could be optimized weighting the contribution of each control logic in order to minimize the pitch actuator involvement and maximize both power production and wind load alleviation.

La produzione di energia è una delle principali sfide che la società deve attualmente affrontare e l’eolico è una delle fonti primarie che forniscono contributi rinnovabili alla crescente necessità di energia pulita. I piani previsti per il futuro includono l’aumento di scala dell’attuale produzione energetica della turbina eolica(TE), la quale richiederà alla struttura della stessa turbina un aumento di scala, da cui derivano diversi requisiti di progettazione e strategie di controllo per ottenere una durata utile della TE che minimizzi il costo dell’energia. Questa tesi si occupa della strategia di controllo dei carichi passiva Bend-Twist-Coupling(BTC) e della sua interazione sinergica con le strategie di controllo attive. La prima parte dello studio è focalizzata sulla valutazione dei benefici dati dall’implementazione del BTC per una TE multi-MW. L’analisi dei risultati ottenuti tramite approccio damage equivalent loads(DEL) dimostra come l’implementazione del BTC nelle pale porti a una riduzione dei carichi a fatica in quasi ogni componente strutturale. L’ambiente perfetto per la collocazione delle TE è quello offshore, dal momento che ci sono meno limitazioni dimensionali e il rotore è investito da un vento più uniforme.Per questo motivo l’implementazione del BTC è stata eseguita per una TE galleggiante da 10MW ottenuta combinando la DTU 10MW RWTe la piattaforma INNWIND.EU. Le simulazione eseguite in condizioni di esercizio realistiche hanno portato tramite l’analisi con approccio DEL a concludere che l’implementazione del BTC fornisce gli stessi benefici sia nel caso onshore che in quello offshore. La parte conclusiva dello studio è incentrata sull’analisi della combinazione sinergetica tra BTC e controllo del pitch individuale(IPC), in particolare la strategia di controllo multi-blade-coordinate(MBC) IPC è implementata nel controllore della DTU 10MW RWT con pale BTC. Dai risultati numerici risulta che IPC e BTC sono caratterizzati da una combinazione sinergica costruttiva e questa interazione può essere ottimizzata regolando i contributi delle singole strategie di controllo al fine di minimizzare il coinvolgimento dell’attuatore del pitch e massimizzare sia la produzione energetica sia la riduzione dei carichi.