LiDAR enabled predictive control of wind turbines

This work has been carried out as a Master Thesis within the research group PoliWIND at the Wind Tunnel facility of the Politecnico di Milano. It embodies the natural continuation of a long-lasting activity led by Professor Carlo L. Bottasso with the support of several PhD candidates and MSc students whose findings are compared with those obtained through the latest activity. This document presents the application of LiDAR technology, capable of measuring the wind field in front of a wind turbine, in a model-based receding horizon controller (RHC) with real-time capabilities. This complex algorithm is compared, in term of performances, with a simpler control law, the LQRnh, that also uses the information provided by the LiDAR by simulating a 3~MW wind turbine with the professional Cp-Lambda software. The LiDAR has been modeled with focus on its ability to capture the slowly varying allure of the wind and to reproduce the behaviour of a real commercial sensor. This joins the new potential of the LiDAR with a predictive controller that is able to exploit it in real-time, thanks to an optimization problem based on a linearized reduced model of the turbine, scheduled with the windspeed. Simulations show an improvement in performance with respect to standard controllers but the enthusiasm spread by the availability of a preview wind measurement is qualified considering the sensible variations of the controller performance when the sensor provides measures at a slow pace or of bad quality because of weather conditions.

Le tecniche di misurazione della velocità del vento con tecniche LiDAR ha permesso la realizzazione di sensori sempre più affidabili. Nell'ambito del controllo di turbine eoliche studi recenti propongono l’applicazione di leggi di controllo predittive che sfruttano la conoscenza anticipata dell’andamento del vento, vantando riduzioni di carichi massimi e fatica. L'obiettivo del presente documento è implementare un Receding Horizon Controller ed applicarlo al software di simulazione multicorpo Cp-Lambda che permette di valutarne realisticamente gli effetti benefici sulla turbina. Si sono spese notevoli energie nell'implementazione di un simulatore che potesse rispecchiare le caratteristiche di un sensore LiDAR commerciale. Tale simulatore viene accuratamente descritto e costituisce un importante strumento che, affiancato al simulatore aeroelastico ed al nuovo algoritmo di controllo ha permesso di dimostrare l’alta sensibilità delle prestazioni dell'RHC rispetto alla qualità ed alla frequenza del segnale di misura. Per quanto riguarda l'algoritmo di controllo realizzato, si sottolinea che, grazie alla scelta di utilizzare un modello ridotto della turbina opportunamente linearizzato e schedulato rispetto alla velocità del vento, si sono ottenute performance compatibili con una azione di controllo in real-time. Una valutazione critica delle prestazioni di questo controllore ed il confronto con un il più semplice algoritmo LQRnh (controllore lineare quadratico che utilizza il segnale LiDAR grazie ad un termine aggiuntivo) motivano le critiche sull'affidabilità del RHC che richiede maggiore sforzo implementativo a fronte di una impossibilità di utilizzo in condizioni di tempo avverso (i.e. nebbia, pioggia...) e di performance che risultano molto degradate quando il sensore LiDAR non sia in grado di fornire misurazioni di qualità a frequenza elevata.