Advanced control laws for variable-speed wind turbines and supporting enabling technologies

This work is intended to investigate the performance of both original and existing control architectures applied to horizontal-axis wind turbines, comparing their performance to what is obtained from the most widespread industrial control systems. In order to make the results of the analysis more meaningful, a stress has been put on the use of a realistic, extremely high-fidelity simulation tool, and to the implementation of all sensor systems and observation tools making possible the application in real environment of the various control systems without the need for significant alterations. Several multi-body/FEM models of existing turbines, whose data were made available by some collaborating subjects, have been implemented and used for performance comparisons. All control and observation software was developed in order to make it easily applicable to real-time operation in real environment. Moreover, all control laws and observers have been tested under several requiring and realistic wind conditions. In the first chapter some state-space designed controllers are used to trim the machine by means of collective pitch and torque inputs. Their performance is compared to that of an existing PID architecture, finding a similar power performance and a better performance on loads under several test wind conditions. In the next chapters, a LiDAR-based predictive controller, whose formulation comes as an extension of the linear-quadratic-regulator theory, is tested against a more computationally requiring receding-horizon controller, finding comparable performance on loads. To make possible the implementation of these controllers, a LiDAR simulator was implemented first. Next, a multi-layer architecture based on the higher-harmonic control theory developed for helicopters is applied to wind turbines, trying to lower some selected design-relevant harmonic components of the loads by means of cyclic pitch input. The adopted formulation involves a model identification step, in order to connect the harmonic of input to those in the target signal. The results are compared to that of the simpler individual pitch control proposed by Bossanyi, finding significant improvements. An alternative decentralized implementation provides interesting results on blade loads. A different higher-harmonic control concept, based on the use of multiple Coleman's transformations, is also presented. The last chapters show two different approaches to the problem of wind observation. The first is based on the measurements of structural deflections of the tower and blades, and of an exogenous reduced model whose equations are used to translate these measurements into the correct value of some wind states, providing a detailed description of the wind over the rotor. The wind observer is implemented based on the Kalman theory. The measurements of the structural deflections come in turn from Kalman filters, thus generating a cascading Kalman architecture. The second approach, aimed at the robust observation of yaw misalignment, is based on the formulation of a model connecting the 1P amplitudes of the flap and lag moments on the blades to the wind cross-flow. The coefficients of the model are obtained through a model identification procedure, and the observer is tested in requiring wind conditions, providing satisfactory results.

In questa ricerca sono state esplorate le prestazioni di nuovi sistemi di controllo sia originali che esistenti, applicati a turbine eoliche ad asse orizzontale, attraverso un'analisi comparata completata rispetto a sistemi industriali tra i più diffusi. Per rendere più significativi i risultati di questa analisi, si è attribuita grande importanza all'uso di un simulatore molto realistico e ad alta fedeltà, e all'implementazione di tutti i sensori ed osservatori che rendano possibile l'applicazione nella realtà dei sistemi di controllo e degli osservatori proposti senza la necessità di alterazioni significative. Diversi modelli multi-corpo/FEM di turbine esistenti, rese disponibili da soggetti che hanno collaborato alla ricerca, sono stati impiegati per la valutazione delle prestazioni. Tutti i programmi creati per implementare le leggi di controllo e gli osservatori sono stati pensati per una realistica applicazione real-time sul campo. Inoltre, tutte le leggi di controllo e gli osservatori sono stati testati in condizioni di vento realistiche e complesse. Nel primo capitolo alcuni controllori progettati nello spazio degli stati sono utilizzati per tenere la macchina in equilibrio usando passo collettivo e coppia. Le prestazioni sono confrontate con quelle di un'architettura PID esistente, trovando un simile comportamento in termini di potenza e miglioramenti sui carichi. Nei capitoli successivi un controllore predittivo basato sul sensore LiDAR e su di un'estensione della teoria dei controllori lineari-quadratici, è confrontato con ciò che si ottiene da un controllore a orizzonte recessivo di maggiore complessità implementativa, trovando prestazioni del tutto paragonabili sui carichi. Per consentire l'applicazione di entrambi questi sistemi è stato previamente programmato un simulatore LiDAR. A seguire, un'architettura multi-strato basata sulla teoria del controllo delle armoniche superiori sviluppato in ambito elicotteristico è qui applicata alle turbine eoliche, mirando all'abbattimento di alcune componenti armoniche di determinati carichi rilevanti a livello di progetto ricorrendo all'uso del passo ciclico. La formulazione presentata prevede l'uso di un modello opportunamente identificato tra le ampiezze armoniche dell'ingresso e del segnale da controllare. I risultati sono confrontati con quelli del più semplice approccio proposto da Bossanyi. Un'ulteriore implementazione decentralizzata consente di ottenere buoni risultati sui carichi di pala. E' anche presentato un diverso concetto di controllo delle frequenze superiori, basato sull'uso di molteplici trasformate di Coleman. Gli ultimi capitoli trattano due possibili approcci al problema dell'osservazione del vento. Il primo è basato sulla misura di deflessioni strutturali di torre e pale, e sull'implementazione di un modello ridotto esogeno, le cui equazioni sono adoperate per la traduzione di tali deformazioni nel corretto valore di determinati stati del vento, in grado di fornire una dettagliata descrizione del campo di velocità incidente sul rotore. L'osservatore del vento è progettato nell'ambito della teoria di Kalman. La misura delle deformazioni strutturali proviene da filtri di Kalman, generando così un'architettura basata su filtri di Kalman a cascata. Il secondo approccio, mirato all'osservazione robusta del disallineamento di yaw, è basato sulla formulazione di un modello che connetta le ampiezze alla 1P dei segnali di momento di flappeggio e ritardo delle pale e la componente del vento nel piano del rotore. I coefficienti del modello sono ottenuti tramite un processo di identificazione, e l'osservatore così ottenuto è testato in condizioni di vento anche molto complesse, fornendo risultati soddisfacenti.