Design, modeling, control and experimental validation of two stall-regulated wind turbine models for wind tunnel testing

In recent years, concerns about the environment and global climate change have encouraged research on renewable energies and, in particular, on wind energy whose global installed capacity in 2021 increased by 12.4%. In this regard, it becomes more and more important to find effective methods for developing wind energy conversion systems and optimizing their control. However, full-scale measurements and tests are usually complex. The aim of this work is to design, build and test two wind turbine scaled models, with a rotor diameter of about 1m that will be used to carry out wind tunnel tests about wake- to-rotor interaction, wake-to-wake interaction and wind farm control and optimization. The two turbines mainly differ in the rotor diameter (0.7m and 1.2m) and the number of blades (2 and 3) and are both equipped with a yaw system. The construction of the turbines relies mainly on aerodynamic and mechatronic design. A numerical model is also built to simulate the turbine behavior using OpenFAST and the aerodynamic response in open-loop configuration of the rotors is tested in the wind tunnel. Then, the turbine control system is developed and different strategies are tested. For the below-rated region TSR tracking and Kω2 law are implemented. Whereas, for the above-rated regions yaw control for power limitation, passive and assisted stall are used. The best strategy in below-rated wind is the TSR tracking because the Kω2 law results in lower rotor speed (57-58% lower) and lower generator torque (up to 70-75% lower). For the above-rated region, only assisted stall and yaw control for power limitation allow the extraction of the nominal power up to the cut-off wind speed. Finally, the Immersion and Invariance Estimator [1] is introduced to estimate the wind speed. Due to the small size of the turbines and the nature of the estimator, the error is on average around 15-25%. In conclusion, the turbine models described in this thesis are robust mechatronic systems. The main limits regard the tower diameter and the use of the wind speed estimator. However, further experiments are needed to validate the control strategies here tested numerically.

Negli ultimi anni, la preoccupazione per l’ambiente e per il cambiamento climatico globale ha incentivato lo sviluppo delle energie rinnovabili, tra cui quella eolica, la cui capacità installata nel 2021 a livello mondiale è aumentata del 12.4%. A questo proposito, è sempre più importante trovare dei metodi efficaci che permettano di sviluppare i sistemi di conversione dell’energia eolica e ottimizzarne il controllo. Spesso però le misurazioni e i test a scala reale risultano complicati. Lo scopo del seguente lavoro è la progettazione, la costruzione e il testing di due modelli in scala di turbina eolica con diametro del rotore di circa 1 m che verranno utilizzati per esperimenti in galleria del vento riguardanti l’interazione scia-rotore, scia-scia e il controllo e l’ottimizzazione di parchi eolici. Le due turbine differiscono principalmente per il diametro del rotore (0.7m e 1.2m) e per il numero di pale (2 e 3) e sono entrambe fornite di sistema di regolazione dell’angolo di imbardata. La costruzione delle turbine fa principalmente affidamento sulla progettazione aerodinamica e meccatronica. É stato anche costruito un modello numerico per simulare il comportamento delle turbine usando OpenFAST e la risposta aerodinamica dei rotori in anello aperto è stata testata in galleria del vento. In seguito, è stato sviluppato il sistema di controllo e sono state testate diverse strategie. Per il funzionamento in below-rated sono stati implementati il TSR tracking e la legge Kω2, mentre per il funzionamento in above rated sono stati testati il controllo dell’angolo di imbardata per la limitazione della potenza, lo stallo passivo e lo stallo assistito. La miglior strategia in below-rated è il TSR tracking perchè la legge Kω2 risulta in una minore velocità del rotore (57-58% più bassa) e in una minore coppia del generatore (fino al 70-75% più bassa). Per la regione in above-rated, solo lo stallo assistito e la regolazione dell’angolo di imbardata per la limitazione della potenza permettono di mantenere la potenza estratta al valore nominale fino alla velocità di cut-off. Infine, è stato implementato l’Immersion and Invariance Estimator [1] per la stima della velocità del vento. A causa della scala ridotta delle turbine e della natura dello stimatore, l’errore di stima è in media attorno al 15-25%. In conclusione, i modelli descritti in questa tesi sono risultati essere dei sistemi meccatronici robusti. I maggiori limiti riguardano il diametro della torre e l’uso dello stimatore. Nonostante questo, sono necessari ulteriori esperimenti per validare le strategie di controllo che qui sono state testate numericamente.