Controllo avanzato di turbine eoliche galleggianti per la riduzione della fatica della struttura

Wind power generation systems are considered one of the most promising technologies. In the last years the research has been focused particularly on offshore floating wind turbines. Also, offshore installations reduce visual and environmental impact. Unfortunately, the conventional controllers used in the onshore wind farms show significant oscillations of the generated power and of the fatigue of the components, with particular reference to the tower. The purpose of this Thesis, developed in collaboration with the Control and Automation Department of Aalborg, is to develop different controllers able to effectively regulate the power production and to reduce the fatigue in the tower. First, a simplified model describing the motion of the drivetrain, tower and platform has been developed and validated. Also, an analysis on the incidence of the tower movement over the tower fatigue has been carried out, in order to better define the objectives of the different controllers. The regulators developed in this project can be divided in two classes: (i) conventional controllers, characterized by the the actual baseline controller, properly modified in order to achieve better performance in terms of fatigue reduction on the tower; (ii) advanced controllers, that are meant to replace the baseline controller presently used. In the first case, the controller has been developed based on the one presently adopted in the literature with some modifications. In the second case controllers based on LQG and H_∞ have been developed. Finally, a comparison between the performance of the controllers has been performed. This comparison has revealed that the use of the modified conventional controllers reduces the fatigue on tower, without severely affecting other components nor the power generation quality. The controllers based on LQG and H_∞ show even better performance, at the cost of an increase of the actuator activity. These controllers also allow to reduce the fatigue in the other components of the wind turbine, and to stabilize the electric power production.

Il settore dell’energia eolica ha mostrato costante crescita negli ultimi decenni, dimostrando l’effettiva convenienza di tali sistemi di produzione. La ricerca negli ultimi anni si è concentrata sullo studio di diverse tipologie di aerogeneratori offshore galleggianti. L’utilizzo dei controllori convenzionali per le turbine offshore si è dimostrato non particolarmente efficace. Il lavoro in questa Tesi, sviluppato in collaborazione con il Dipartimento di Controllo e Automazione dell’Università di Aalborg, si pone come obiettivo lo studio di sistemi di controllo in grado di regolare efficacemente la potenza generata e ridurre la fatica della torre. Tale obiettivo ha portato, in primo luogo, allo sviluppo di un modello semplificato in grado di descrivere i movimenti di interesse del rotore, della piattaforma e della torre. Uno studio sull’incidenza dei movimenti della torre sulla fatica della stessa è stato poi effettuato, così da poter meglio definire gli obiettivi da imporre ai vari controllori sviluppati. I controllori studiati possono essere suddivisi in due categorie: (i) controllori convenzionali, a cui sono apportate opportune modifiche in modo da rendere tali sistemi in grado di ridurre la fatica sulla struttura; (ii) controllori avanzati. In particolare, nel primo caso, i controllori sviluppati sono stati ispirati da studi effettuati in letteratura basati su regolatori proporzionali integrali. Nel secondo caso sono stati sviluppati controllori basati su metodi LQG e H_∞. I controllori avanzati sviluppati da questa Tesi hanno come scopo, con leggere differenze tra loro, la riduzione della deflessione della torre, al fine di ridurne la fatica. Infine, è stato effettuato un confronto tra i diversi controllori trattati, in cui si è evidenziato che il controllore convenzionale modificato provoca una riduzione considerevole della fatica della torre, senza peggiorare la qualità della regolazione di potenza generata. I sistemi di controllo ottimi hanno inoltre portato a un ulteriore miglioramento di tali prestazioni, a discapito di un forte incremento dell’attività dell’attuatore.