Individual pitch control and load measurement strategies for a wind turbine scaled model

Wind tunnel testing is among the most prominent experimental methodologies used for design and testing of wind turbine. It ascertains the possibility of on demand environmental conditions for development and testing of turbines. The wind turbine scaled models used in wind tunnel testing can provide a variety of data for analysis. Moreover, with development in mechatronics, miniaturised electronic component can be implemented on scaled models for control possibilities. Pertaining to this, Individual pitch control (IPC), a popular approach in industry for load mitigation in wind turbines is considered. PoliMi wind turbine model is used here to implement IPC using blade roots loads measured at a rotating coordinate system and alternatively using tower top loads measured at the non-rotating coordinate system. To test turbines in an experimental setting, initial numerical simulations are useful to understand the viability of the control strategies with respect to the model. Moreover, they help in the calibration and parameterization of the measuring instruments for the test model. The current work simulates the PoliMi Wind Turbine model in FAST with Simulink for the control part. IPC using blade root loads provide the optimum solution but at the cumbersome cost of implementation of strain gauges at blade roots. IPC using tower top loads is also a viable solution using the already installed yaw bearing load sensor. Moreover, a pitch offset imbalance compensation methodology is reported. The methodology mitigates the pitch misalignment problem on the rotor. Pitch misalignment can cause aerodynamic, dynamic, and gravitational load imbalance on the rotors, leading to increased vibration and consequently fatigue loading on turbines’ rotating and non-rotating components. A system for blade load measurement was designed for the PoliMi wind turbine model, which analyses the possibility of using strain gauges on blade roots for implementation of IPC.

I test in galleria del vento sono tra le principali metodologie sperimentali utilizzate per la progettazione e il collaudo delle turbine eoliche. Essi consentono di avere condizioni ambientali su richiesta per lo sviluppo e il collaudo delle turbine. I modelli in scala delle turbine eoliche utilizzati nei test in galleria del vento possono fornire una serie di dati per l'analisi. Inoltre, con lo sviluppo della meccatronica, è possibile implementare componenti elettronici miniaturizzati sui modelli in scala per le possibilità di controllo. A questo proposito, viene preso in considerazione l'Individual pitch control (IPC), un approccio comune nell'industria per la mitigazione del carico nelle turbine eoliche. Il modello PoliMi di turbina eolica viene utilizzato per implementare l'IPC utilizzando i carichi delle radici delle pale misurati in un sistema di coordinate rotanti e, in alternativa, i carichi della sommità della torre misurati in un sistema di coordinate non rotanti. Per testare le turbine in un contesto sperimentale, le simulazioni numeriche iniziali sono utili per comprendere la fattibilità delle strategie di controllo rispetto al modello. Inoltre, aiutano a calibrare e parametrizzare gli strumenti di misura per il modello di prova. Il presente lavoro simula il modello di turbina eolica PoliMi in FAST adoperando Simulink per la parte di controllo. L'IPC utilizzante i carichi sulle radici delle pale fornisce la soluzione ottimale, ma al costo oneroso dell'implementazione di estensimetri sulle radici delle pale. Anche l'utilizzo di IPC per i carichi sulla sommità della torre è una soluzione praticabile, grazie al sensore di carico per l'imbardata già installato. Inoltre, viene presentata una metodologia di compensazione dello sbilanciamento del passo. La metodologia attenua il problema del disallineamento del passo sul rotore. Il disallineamento del passo può causare uno squilibrio del carico aerodinamico, dinamico e gravitazionale sui rotori, con conseguente aumento delle vibrazioni e quindi del carico di fatica sui componenti rotanti e non rotanti delle turbine. È stato progettato un sistema di misurazione del carico delle pale per il modello di turbina eolica PoliMi, il quale analizza la possibilità di utilizzare estensimetri sulle radici delle pale per implementare l'IPC.