Closed-loop control of scale model wind turbines in wind farm applications

Wind energy represents a key player in global effort towards renewable energy sources. Over last years, wind turbines technology experienced a significant step forward: as wind turbines grow in size and complexity, they face considerable aerodynamic and structural systemic issues, so advanced control systems are needed to enhance power extraction efficiency, mitigate mechanical loads and increase turbine components lifetime. In this framework, this work aims to improve ROSCO (Reference Open Source COntroller) controller inclusion in FAST.Farm simulation framework, both developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL). The primary aim is to tune and test ROSCO's generator torque control for POLIMI WTM D1.2m, the scale model used to carry out simulations and investigate control performance. Moreover, the Simulink and ROSCO implementation of a new online wind speed estimator, whose primary aim is to estimate incident rotor wind speed in waked turbines, is discussed. The present research is structured into many stages. After an overview on today's energy scenario, an insight on wind turbines characteristics and classification, together with an introduction on basic theory concepts, is provided. This is followed by an overview on wind tunnel scale models and by a description of the POLIMI WTM D1.2m, together with informations on the adopted design process. Then, a detailed description of the modeling tools (FAST.Farm, ROSCO, TurbSim) employed in this work is given, focusing on their structure and potential in research. Generator torque control and real-time wind speed estimator implementations are discussed in detail, highlighting key parameters of POLIMI WTM D1.2m FAST.Farm model, generated wind input files and controller settings. Finally, a discussion on simulation results ends the work. In conclusion, this work aims to contribute to wind turbine control systems development by providing practical improvements in ROSCO and highlighting the main benefits of implemented logics. In terms of performances, results are promising, both for generator torque control and wind speed estimator. Further research is recommended to enhance advanced control methods implementation and support energy sector’s shift towards larger and more efficient turbine systems.

L'energia eolica rappresenta un attore chiave nello sforzo globale verso le fonti di energia rinnovabile. Negli ultimi anni, la tecnologia delle turbine eoliche ha compiuto un grande passo avanti: con l'aumento delle dimensioni e della complessità delle turbine, esse affrontano notevoli sfide aerodinamiche e strutturali, richiedendo sistemi di controllo avanzati per migliorare l'efficienza nella generazione di potenza, ridurre i carichi meccanici e aumentare la durata dei componenti. In questo contesto, il presente lavoro mira a migliorare l'integrazione del controllore ROSCO (Reference Open Source COntroller) nel'ambiente di simulazione FAST.Farm, entrambi sviluppati dal National Renewable Energy Laboratory (NREL). L’obiettivo principale è ottimizzare e testare il controllo della velocità di rotazione del rotore di ROSCO per il POLIMI WTM D1.2m, il modello in scala utilizzato per eseguire simulazioni e valutare le prestazioni del controllo. Inoltre, viene discussa l'implementazione in Simulink e ROSCO di un nuovo stimatore online di velocità del vento, il cui scopo principale è stimare la velocità del vento incidente sul rotore delle turbine in scia. La ricerca è strutturata in diverse fasi. Dopo una panoramica sullo scenario energetico odierno, viene fornito un approfondimento sulle caratteristiche e la classificazione delle turbine eoliche, insieme a un'introduzione ai concetti teorici di base. Viene poi fornita una panoramica sui modelli in scala per prove in galleria del vento e una descrizione del modello in scala POLIMI WTM D1.2m, includendo informazioni sul processo di design adottato. Successivamente, vengono descritti nel dettaglio gli strumenti di modellazione (FAST.Farm, ROSCO, TurbSim) utilizzati in questo lavoro, con un focus sulla loro struttura e sul loro potenziale nella ricerca. Vengono discussi in dettaglio l'implementazione del controllo della velocità di rotazione del rotore e dello stimatore in tempo reale della velocità del vento, analizzando i parametri chiave del modello FAST.Farm della POLIMI WTM D1.2m, i file di input per la generazione dei venti usati nelle simulazioni e le impostazioni del controllore. Una discussione sui risultati ottenuti conclude il lavoro. In conclusione, questo lavoro mira a contribuire allo sviluppo dei sistemi di controllo delle turbine eoliche, apportando miglioramenti pratici al controllore ROSCO e mettendo in evidenza i principali vantaggi delle logiche implementate. In termini di prestazioni, i risultati sono promettenti sia per il controllo della velocità di rotazione del rotore che per lo stimatore della velocità del vento. Ulteriori ricerche sono necessarie per migliorare l'implementazione di metodi di controllo avanzati e supportare il settore energetico nella transizione verso sistemi eolici di dimensioni maggiori e con una maggiore efficienza.