Una procedura di monitoraggio dell'inviluppo operativo per la gestione di guasti e funzionamenti anomali di aerogeneratori

The problem of condition monitoring, fault detection and anomalies recognition in wind energy converters (WEC) has become more and more important in the last few years, due to the increasing development of great power wind turbines and off-shore wind farms. The importance of accurate control of the operational conditions of the machines is becoming a matter of absolute interest, in order to prevent sudden breakings in any part of the WEC, to plan the maintenance well in advance and to enhance the capacity factor of the plant. We will face this problem by the point of view of monitoring various process parameters, such as blades pitch angle, nacelle accelerations, blades root strain, etc. A new operational envelope monitoring procedure will be proposed, based on the usual operational behaviours of the wind turbine. This procedure is able to recognize any anomaly in the machine functioning and to start-up the shut-down process, so to avoid dangerous situation and possible overloading on the structure. In order to define the wind turbine operating field, some numerical simulation are used, which reproduce most of the design load conditions of the wind turbine and a series of simulations of normal power production processes. Using this data, a computational procedure able to understand if the turbine is currently working inside or outside the normal functioning behaviour will be developed; this procedure is designed also to be able to detect any kind of anomalous operational state, and to shut-down the turbine's rotor as a result. This new monitoring system will be finally tested by facing two failure scenarios, in which its effectiveness will be balanced against the normal control system one.

Il problema del monitoraggio delle condizioni di funzionamento di un aerogeneratore e dell'identificazione di guasti ed anomalie sta assumendo sempre maggiore rilievo negli ultimi anni, visto il crescente sviluppo di turbine di grande potenza e di installazioni off-shore. Diventa sempre più importante il controllo accurato delle condizioni operative delle macchine, in modo da prevenire rotture dei componenti e pianificare gli interventi di manutenzione, al fine di massimizzare il capacity factor degli impianti. In questa tesi si affronta questo problema dal punto di vista del monitoraggio di una serie di parametri caratteristici del generatore eolico, che vanno dall'angolo di pitch alle accelerazioni della gondola, passando per i carichi alla radice delle pale e di quelli alla base della torre di sostegno. Si proporrà una nuova procedura per il controllo delle condizioni di funzionamento del rotore, la quale, basandosi sull'inviluppo operativo della turbina, sarà in grado di riconoscere eventuali anomalie nel comportamento della macchina ed avviare di conseguenza una frenata, evitando così situazioni potenzialmente critiche per l'integrità strutturale dell'aerogeneratore. Per definire il campo di funzionamento del convertitore si utilizzeranno delle simulazioni numeriche sviluppate in modo da riprodurre le condizioni di carico dimensionanti e una serie di situazioni di normale produzione energetica, da cui si estrarranno i possibili valori assunti dalle varie grandezze monitorate; ottenute queste informazioni, si svilupperà una procedura numerica in grado di comprendere in tempo reale se la macchina stia lavorando all'interno delle normali condizioni di impiego, oppure se ci sia qualche anomalia che comporti un funzionamento inusuale dell'aerogeneratore, nel qual caso verrà avviata la frenata d'emergenza del rotore. Il sistema di monitoraggio sarà infine testato con due simulazioni di guasto, in cui si metteranno a confronto l'efficacia del normale sistema di controllo presente sulla turbina con quella del nuovo sistema progettato.