Simulazione e controllo fuzzy di aerogeneratori in zona di transizione

Based on the results of the European project UpWind, on design and control of a 5MW off-shore wind turbine, this thesis describes the creation of a wind turbines simulation tool, based on FAST software and MATLAB-Simulink. Then, using the tool described in the first section of the thesis, in the second part is shown the development of a new control for transition zone between the Below Rated speed control zone and the Above Rated speed control zone. This new idea for the control uses fuzzy control theory to create a speed control for the wind turbine, helping also to reduce the mechanical loads on the whole wind turbine structure, as shown in the comparison with the classic control used nowadays.

Negli ultimi anni la necessità di trovare valide alternative energetiche ai combustibili fossili ha dato un forte impulso alla ricerca di fonti rinnovabili, tra cui l'energia eolica. La ricerca si è concentrata sugli impianti eolici off-shore, ossia installati in mare al largo delle coste, che offrono vantaggi sia per quanto riguarda l'impatto ambientale, che per la possibilità di sfruttare venti migliori rispetto alle turbine on-shore (su terraferma). Grazie ai grandi investimenti nella ricerca, le turbine eoliche off-shore hanno raggiunto al giorno d'oggi dimensioni e potenze considerevoli: il modello di turbina utilizzato come riferimento in questa tesi è la turbina UpWind da 5MW di potenza, risultato del progetto europeo UpWind a cui hanno partecipato 40 tra aziende, istituti e università di tutta Europa. Le dimensioni di questa turbina sono imponenti: 110 metri di torre, poggiata su un fondale a 20 metri di profondità, e 126 metri di diametro del rotore. In questa tesi si presentano i principali software utilizzati per la simulazione di aerogeneratori, in particolare GH Bladed e NREL FAST, e le tecniche di controllo attualmente impiegate. Sfruttando FAST si procede allo sviluppo di un ambiente di simulazione e analisi dei risultati consistente ed affidabile, grazie anche agli strumenti offerti da MATLAB e Simulink. Una volta creato lo strumento di simulazione, sarà possibile sviluppare tecniche innovative di controllo, confrontando i risultati con quelli forniti dal controllo attuale. In particolare, si studierà un controllo per la zona di transizione tra controllo Below Rated, in cui la turbina è a velocità variabile, e controllo Above Rated, in cui la velocità deve essere limitata al valore massimo. Per il controllo si utilizzeranno tecniche di controllo Fuzzy, con il duplice obiettivo di controllare la velocità della turbina e contemporaneamente massimizzare la produzione di energia elettrica e ridurre i carichi sulla struttura della turbina stessa.