Development and preliminary testing of a wind tunnel wind turbine model conceived for wind farm control testing

This research presents the development of the control systems of an aerodinamically scaled wind turbine model, whose reference model is the a 7MW offshore wind turbine with a 164m diameter rotor manufactured by Samsung. Furthermore, the aim of this work is also the experimental testing of the model in a wind tunnel and the validation of experimental data with respect to the design one. The future development will be the replication of the model , in order to perform wind farm investigation by mean of wind tunnel testing. The scaled model, that was used, has a 1 meter diameter rotor and is yaw, pitch and torque controlled. The pitch is collective and the common activation is guaranteed from a bevel gear. The both are controlled in position and the operative ranges are bounded, because of the peculiar conditions that in a wind tunnel can be reproduced. The generator can be controlled in torque and speed in order to cope with specific demands of torque as well as to allow the performing of constant rotor speed testings in wind tunnel. The physical implementation of these controller is made using a CPU manufactured from Bachmann GmbH , identical to those used on real wind turbines and through PID controllers produced by Maxon Motors AG. The PID controllers used for pitch and yaw communicate through CAN protocol, while, for the generator and test bench motor analog-based control boards are employed. Measurements on these system are also relevant. In fact on this system are mounted strain gages at the tower base to measure fore-aft and side-side deflections, hall sensors on pitch to keep track of the absolute pitch reference, an encoder to measure the azimuth angle, and a torquemeter to measure the torque produced by the rotor. In addition the system makes available channels to acquire the external wind speed, using pitot tube, and the signal coming from a trigger to synchronize the acquisition of data with external devices. The programming of the CPU is written with a C code that is run realtime on the Bachmann CPU, and the control of the system is made through a graphical interface developed with a tool included in the Bachmann software “Solution Center”.

La ricerca riporta lo sviluppo del sistema di controllo di un modello di turbina eolica aerodinamicamente simile ad una, prodotta da Samsung, con diametro del rotore di 164m e potenza di targa di 7MW. Ulteriore risultato del lavoro è la validazione del modello all’interno della galleria del vento, mediante il confronto di dati ottenuti sperimentalmente con le specifiche di progetto. Futuro sviluppo di tale lavoro, sarà quindi la replica del modello per permettere di costruire e testare un parco eolico all’interno della galleria del vento. Il modello implementato ha un rotore di un metro di diametro e permette di controllare attivamente il passo delle pale e l’angolo di imbardata. Il passo pala è regolato collettivamente per mezzo di una coppia conica e controllato in posizione, mentre l’imbardata è comandata direttamente. Sia il passo pale che l’imbardata sono comandati in posizione e hanno un range operativo limitato, essendo all’interno di un ambiente controllato quale la galleria del vento e non essendo variazioni maggiori richieste. Il generatore può venire controllato in velocità o coppia per permettere di riprodurre le diverse tipologie di funzionamento di una turbina reale, così come di testare il modello in galleria del vento. L’espletamento di tali funzioni è effettuato mediante schede di controllo PID prodotte dalla Maxon Motors AG a loro volta controllate da una CPU prodotta da Bachmann GmbH, la quale viene utilizzata anche su turbine eoliche reali. I controllori PID per yaw e passo pala sono comandati utilizzando il protocollo digitale CAN, mentre il generatore e il motore per il banco prova utilizzano protocolli di comunicazione analogici. Sul modello sono inoltre installati molti sensori di misura. Infatti tale sistema dispone di estensimetri alla base della torre per la misura delle deformazioni in direzione parallela e perpendicolare al vento, sensori di hall, utilizzati per fornire un sistema di riferimento assoluto agli encoder che misurano passo pala e yaw, un encoder addizionale per la misura dell’angolo di azimuth ed un torsiometro per la misura della coppia prodotta. Sono inoltre disponibili due porte esterne, configurate per la connessione di un tubo di pitot, per la misura del vento, e di un trigger esterno, per sincronizzare le storie temporali dei dati acquisiti tramite il sistema con quelli acquisiti dalla galleria del vento. La CPU è programmata utilizzando applicazioni scritte in linguaggio C, che vengono eseguite in realtime su di essa. Il controllo e l’interazione con tali applicazioni è poi eseguita tramite un interfaccia grafica basata su linguaggio Java e realizzata grazie all’uso del tool VisDesigner disponibile all’interno della suite ”Solution Center”. In tale lavoro sono state quindi implementate varie applicazioni quali, applicazioni volte al controllo dei singoli controllori di basso livello, un applicazione volta alla registrazione dei dati acquisiti ed un applicazione di più alto livello, basata su una macchina agli stati, per la coordinazione e la gestione delle applicazioni di più basso livello. Tramite l’interfaccia grafica è quindi possibile gestire la macchina agli stati, con cui, allo stato attuale, è possibile disattivare il sistema, calibrarlo, metterlo in posizione di attesa e controllarlo manualmente. L’applicativo per il controllo automatico del sistema, al contrario, seppure già disponibile, non è stato adattato per interagire con gli altri applicativi e quindi tale opzione non è al momento disponibile. Infine con il sistema montato e controllabile, lo si è testato nella galleria del vento e un buon accordo tra le performance di progetto e quelle del sistema è stato riscontrato, validando quindi il modello scalato. Tale risultato è dunque un importante traguardo, poiché il modello risulta un valido punto di partenza per l’implementazione del controllore di turbina e per la costruzione futura di una wind farm e il test delle logiche di controllo della stessa.