Metodologie di controllo avanzate per aerogeneratori off-shore

The need to use alternative resources from fossil fuels has led to the search of renewable energy resource, among which wind energy represents the fastest growing. An off-shore wind turbine is an innovative choice with respect to on-land classic one and produces advantages both from the environmental impact and potentialities of exploiting more intense winds. This work will focus on particular off-shore wind turbine, which can be installed in deep water. In this work more advanced strategies of control for off-shore wind turbine will be faced to solve the problems which exist in the application of traditional techniques for the regulation of on-land wind turbines. These problems are mainly related to the establishment of oscillatory movement of pitch of the floating structure, in particular when the speed of the wind is superior to a rated threshold. A simplified model of this system will be described and it will be used to study, through simulation tests, the performance and the limits of traditional controllers. The simulations show poor performances in the control of turbine rotoric speed and in the attenuation of the oscillatory pitch of the structure by this control scheme. New alternative configuration of control will be proposed. First an H infinity controller will be developped in order to improve the results of the controlled system in respect to the traditional controllers. A deeper analysis of the linearized system will show a dependence of the system dynamics and the rated values of input variables on the wind speed. A gain-scheduled approach will be then presented to vary the parameters of the H infinity controller according to the operative condition of the turbine. This controller allows to reach control performances very effective for the control objectives as shown by comparative simulations of the differents controllers when the system is affected by a ralistic disturb of the wind.

La necessità di utilizzo di fonti alternative rispetto ai combustibili fossili ha portato negli ultimi anni alla ricerca di fonti energetiche rinnovabili, tra le quali l’energia eolica rappresenta la risorsa più emergente. Un impianto eolico off-shore, ovvero installato in mare al largo della costa, è una scelta innovativa rispetto alle classiche turbine on-land (su terraferma), e produce vantaggi sia dal punto di vista dell’impatto ambientale che da quello della potenzialità di sfruttare venti più intensi. Questa Tesi si focalizzerà su particolari turbine off-shore che possono essere installate in acque profonde. In questa Tesi verranno proposte alcune metodologie avanzate di controllo per aerogeneratori off-shore in acque profonde, per far fronte ai problemi che si riscontrano in letteratura nell’applicazione, a questi sistemi, di tecniche tradizionalmente proposte per la regolazione di turbine eoliche on- land. Questi problemi sono soprattutto relativi all’instaurarsi di movimenti oscillatori di beccheggio della struttura galleggiante, in particolare quando la velocità del vento superiore a una determinata soglia. Verrà descritto un modello semplificato del sistema in esame che sarà utilizzato per studiare, attraverso prove di simulazione, le prestazioni dei controllori tradizionali e per verificarne i limiti. Tale studio evidenzia scarse prestazioni nella regolazione della velocità della turbina e nella attenuazione delle oscillazioni di beccheggio della struttura da parte di tali schemi di controllo. Verranno quindi proposte configurazioni di controllo alternative. In primo luogo verrà sviluppato un controllore di tipo H infinito, in grado di migliorare le risposte del sistema controllato rispetto a regolatori tradizionali. Analizzando in maniera più approfondita il sistema linearizzato, si verifica infine una dipendenza delle dinamiche del sistema stesso e dei valori nominali delle variabili di ingresso dalla velocità del vento. Verrà descritto lo schema di controllo H infinito con una configurazione di tipo gain-scheduling, in grado di variare i parametri del controllore H infinito in funzione dei punti di lavoro della turbina. Tale controllore permette di raggiungere prestazioni di controllo molto efficaci per gli obiettivi prefissati come dimostrano, in particolare, le simulazioni comparative dei controllori quando il sistema è sollecitato da un disturbo realistico del vento.