Advanced control and wake modeling to improve floating offshore wind turbines performance

Over the past decades, wind energy has experienced substantial growth, establishing itself as one of the leading technologies for renewable energy production. Within this context, floating offshore wind represents a particularly promising solution for exploiting abundant wind resources in deep-water sites, while simultaneously introducing new aerodynamic, structural, and control-related challenges. This PhD thesis is positioned within this framework and aims to develop models, analytical methodologies, and control strategies that support the technological maturation of floating offshore wind systems. The research activities address the problem across multiple physical scales, ranging from the dynamics and control of a single turbine, to aerodynamic wake modeling, and finally to the analysis of turbine–turbine interactions within floating wind farm environments. A first major contribution concerns the development of a control strategy specifically tailored to the distinctive, coupled dynamics of floating wind turbines, with particular emphasis on mitigating platform–pitch instability. The controller is designed on the basis of a linearized aero-hydro-servo-elastic model and employs an advanced gain-scheduling technique to adapt the control action across operating conditions. This approach maximizes drivetrain performance and power quality while maintaining adequate damping of the platform pitch mode, thereby improving closed-loop stability and reducing structural loads. The strategy is validated under challenging environmental conditions, including turbulent wind and severe sea states, demonstrating robust performance and stability. A key outcome of this work is a fast and flexible design methodology that enables systematic tuning and straightforward retuning for different turbine configurations and dynamic requirements, while generating controller gains fully compatible with standard industrial control architectures. The second main contribution consists of the development of an analytical wake model capable of capturing the macroscopic behavior of wakes generated by yaw-misaligned rotors. Such wakes exhibit a characteristic asymmetric, kidney-shaped cross-section, which is typically resolved only by high-fidelity simulations at significant computational cost. The proposed model reproduces these key features while maintaining low computational complexity, making it suitable for control applications, layout optimization, and reduced-order wind farm simulations. The model is validated against both high-resolution CFD results and dedicated wind-tunnel measurements, demonstrating its accuracy and robustness across a range of operating conditions. Finally, the thesis investigates the interactions among floating wind turbines under non-nominal operating conditions, highlighting how platform motion, wake deflection, and turbulence characteristics can significantly affect optimal operating strategies at the wind farm level. The results emphasize the need for farm-level control approaches specifically designed for floating wind systems, in which platform degrees of freedom play a decisive role in wake behavior and overall farm efficiency. Taken together, the contributions presented in this thesis provide a coherent set of tools for analyzing and improving the performance of floating offshore wind systems across multiple scales, supporting the development of more predictable, controllable, and reliable floating wind farms.

Negli ultimi decenni, l’energia eolica ha registrato una crescita significativa, affermandosi come una delle principali tecnologie per la produzione di energia da fonti rinnovabili. In questo contesto, l’eolico offshore galleggiante rappresenta una soluzione particolarmente promettente per lo sfruttamento delle abbondanti risorse eoliche in siti a grande profondità, introducendo al contempo nuove sfide di natura aerodinamica, strutturale e di controllo. La presente tesi di dottorato si inserisce in questo scenario e mira allo sviluppo di modelli, metodologie analitiche e strategie di controllo a supporto della maturazione tecnologica dei sistemi eolici offshore galleggianti. Le attività di ricerca affrontano il problema su diverse scale fisiche, spaziando dalla dinamica e dal controllo della singola turbina, alla modellazione aerodinamica della scia, fino all’analisi delle interazioni tra turbine all’interno di parchi eolici galleggianti. Un primo contributo rilevante riguarda lo sviluppo di una strategia di controllo specificamente concepita per le peculiari dinamiche accoppiate delle turbine eoliche galleggianti, con particolare attenzione alla mitigazione delle instabilità di beccheggio della piattaforma. Il controllore è progettato sulla base di un modello aero-idro-servo-elastico linearizzato e impiega una tecnica avanzata di gain scheduling per adattare l’azione di controllo alle diverse condizioni operative. Questo approccio consente di massimizzare le prestazioni della trasmissione di potenza e la qualità dell’energia prodotta, garantendo al contempo un adeguato smorzamento del modo di beccheggio della piattaforma, con conseguente miglioramento della stabilità in anello chiuso e riduzione dei carichi strutturali. La strategia è validata in condizioni ambientali particolarmente gravose, includendo vento turbolento e stati di mare severi, dimostrando robustezza e affidabilità delle prestazioni. Un risultato chiave di questo lavoro è la definizione di una metodologia di progetto rapida e flessibile, che consente una taratura sistematica e una semplice ri-taratura per diverse configurazioni di turbina e requisiti dinamici, generando al contempo guadagni di controllo pienamente compatibili con le architetture di controllo industriali standard. Il secondo contributo principale consiste nello sviluppo di un modello analitico di scia in grado di catturare il comportamento macroscopico delle scie generate da rotori disallineati in imbardata. Tali scie presentano una caratteristica sezione trasversale asimmetrica reniforme, che è tipicamente descrivibile solo mediante simulazioni ad alta fedeltà e a elevato costo computazionale. Il modello proposto riproduce queste caratteristiche fondamentali mantenendo al contempo una ridotta complessità computazionale, risultando quindi adatto ad applicazioni di controllo, ottimizzazione del layout e simulazioni di parchi eolici a ordine ridotto. Il modello è validato sia mediante risultati CFD ad alta risoluzione sia attraverso misure sperimentali ottenute da campagne in galleria del vento, dimostrandone l’accuratezza e la robustezza in un ampio intervallo di condizioni operative. Infine, la tesi analizza le interazioni tra turbine eoliche galleggianti in condizioni operative non nominali, evidenziando come il moto della piattaforma, la deflessione della scia e le caratteristiche della turbolenza possano influenzare in modo significativo le strategie operative ottimali a livello di parco eolico. I risultati sottolineano la necessità di approcci di controllo a livello di parco specificamente progettati per sistemi galleggianti, nei quali i gradi di libertà della piattaforma svolgono un ruolo determinante nel comportamento della scia e nell’efficienza complessiva dell’impianto. Nel complesso, i contributi presentati in questa tesi forniscono un insieme coerente di strumenti per l’analisi e il miglioramento delle prestazioni dei sistemi eolici offshore galleggianti su più scale, supportando lo sviluppo di parchi eolici galleggianti più prevedibili, controllabili e affidabili.