Sviluppo e sperimentazione di algoritmi di controllo e sistemi hardware per aerogeneratori in galleria del vento

This thesis work is part of the (WT)^2 project of the Department of Aerospace Engineering, that deals with the realization of a wind tunnel scaled model of the V90 wind turbine, produced by Vestas Wind Systems A/S. The present work aims to develop hardware and software environment to test wind turbine control laws in a wind tunnel. First of all, to achieve this goal, various control laws were designed numerically, for the management of the correct behavior of the turbine in different operational states, among these: an optimal LQR control, to maintain the trim condition, the IPC control, for asymmetrical loads alleviation and the emergency shutdown due to a grid loss. These control laws, designed with multibody simulations in Cp-Lambda, were subsequently implemented on the real-time control system of the V2 model to test their effectiveness in the wind tunnel. For this purpose, a particular attention was given to the tweak of the machine's hardware devices, through the characterization of pitch and torque actuators and the calibration of the strain gauges for the measurement of the blades and shaft loads. Finally, wind tunnel experimentations were organized and realized to test the emergency shutdown. The results proved the possibility to reduce the fore-aft bending moment at the base of the tower, thanks to an appropriate actuation law of pitch, that guarantees at the same time limited rotor overspeed.

Questo lavoro di tesi si inserisce all'interno del progetto (WT)^2, del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, che si occupa della realizzazione di un modello in scala, per galleria del vento, dell'aerogeneratore V90, prodotto da Vestas Wind Systems A/S. Il presente lavoro ha l'obiettivo di sviluppare l'ambiente hardware e software per la sperimentazione in galleria del vento di leggi di controllo per turbine eoliche. Per conseguire questo obiettivo, sono state innanzitutto progettate, numericamente, alcune leggi di controllo atte a gestire il corretto funzionamento della macchina nei suoi diversi stati operativi, tra cui: il controllo ottimo LQR, per mantenere il sistema in condizioni di trim, il controllo IPC, per l'alleviazione dei carichi asimmetrici, e la frenata di emergenza, per gestire la perdita della rete elettrica. Queste tecniche di controllo, progettate numericamente con simulazioni multicorpo in ambiente Cp-Lambda, sono state successivamente implementate sul sistema di gestione real time del modello V2, al fine di verificarne l'efficacia in galleria del vento. A questo scopo, particolare attenzione è stata data alla messa a punto dell'apparato hardware della macchina, attraverso la caratterizzazione degli attuatori di passo pala e di coppia e la taratura dei sensori estensimetrici per la misura dei carichi sulle pale e sull'albero. Sono state, infine, progettate e realizzate le prove in galleria del vento per sperimentare la manovra di emergenza. I risultati ottenuti hanno dimostrato la possibilità di ridurre il momento flettente di fore-aft a base torre, grazie a un'opportuna legge di attuazione del passo, che garantisce al contempo limitate sovra-velocità del rotore.