Αεροελαστική ανάλυση ευστάθειας και απόκριση συχνότητας ανεμογεννήτριας σε λειτουργία ανοιχτού και κλειστού βρόχου και αξιολόγηση στρατηγικών ελέγχου για τη μείωση των φορτίων του πύργου

Abstract

Η παρούσα εργασία αποτελείται από δύο μέρη. Στα πλαίσια του πρώτου μέρους για την αεροελαστική ανάλυση της ανεμογεννήτριας (Α/Γ) , με σκοπό τον έλεγχο ευστάθειας, ήταν απαραίτητο να αναπτυχθεί αεροελαστικό πρότυπο για την προσομοίωση της συμπεριφοράς ολόκληρης της μηχανής . Χρησιμοποιήθηκε ένα απλό πρότυπο που βασίζεται στη λογική των συγκεντρωμένων ελαστικών ιδιοτήτων (lumped properties) για την αναπαράσταση των τμημάτων που συνθέτουν την κατασκευή (πτερύγια, αξονικό σύστημα, πύργος), ενώ η μοντελοποίηση έγινε με ένα σύστημα 16 βαθμών ελευθερίας. Το απλό αυτό μοντέλο, που αντιπροσωπεύει τα βασικά δυναμικά χαρακτηριστικά της Α/Γ, είναι πολύ χρήσιμο για την κατανόηση της δυναμικής συμπεριφοράς της κατασκευής με το ελάχιστο δυνατό υπολογιστικό κόστος. Για την διατύπωση των δυναμικών εξισώσεων του συστήματος της Α/Γ χρησιμοποιήθηκε ενεργειακή προσέγγιση (εξισώσεις Lagrange). Έτσι, το σύστημα διέπεται από 16 εξισώσεις όταν λειτουργεί σε ανοιχτό βρόχο, ενώ όταν λειτουργεί σε κλειστό βρόχο προστίθενται σε αυτό οι εξισώσεις του ελεγκτή και των φίλτρων που χρησιμοποιούνται. Από την επίλυση του συστήματος των εξισώσεων με την εφαρμογή της ιδιοδιανυσματικής ανάλυσης προκύπτουν οι ιδιοσυχνότητες και οι αποσβέσεις των ιδιομορφών που χαρακτηρίζουν το σύστημα. Μέσω των αποτελεσμάτων αυτών γίνεται η ανάλυση ευστάθειας του συστήματος. Με κατάλληλο μετασχηματισμό για τη μετατροπή των αεροελαστικών εξισώσεων σε μορφή κατάστασης-χώρου (state-space) γίνεται δυνατή η μελέτη της απόκρισης συχνότητας του συστήματος. Επίσης, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Το δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματεύεται την αξιολόγηση στρατηγικών ελέγχου για τη μείωση των φορτίων του πύργου. Ο έλεγχος γίνεται με αλλαγή της γωνία βήματος των πτερυγίων. Ο ελεγκτής που εξυπηρετεί τον σκοπό αυτό δρα επιπλέον του βασικού ελεγκτή του συστήματος κλειστού βρόχου του πρώτου μέρους. Σύμφωνα με την ανάλυση που έγινε στο πρώτο μέρος για την απόκριση συχνότητας, δοκιμάζονται διάφοροι ελεγκτές και φίλτρα για την αύξηση της απόσβεσης του πύργου και άρα τη μείωση των φορτίων που αυτός δέχεται. Οι δοκιμές γίνονται μέσω παραμετρικής ανάλυσης και τελικά επιλέγεται η βέλτιστη λύση για τον ελεγκτή και για το φίλτρο.

The present work consists of two parts. Within the first part and for the stability control, it was necessary to develop an aeroelastic model for the simulation of the behavior of the whole machine. We use a simple model that is based on the logic of lumped properties, represents the sections of the wind turbine (blades, drive-train system, tower) and has 16 degrees of freedom (DOFs). This model is very useful for the understanding of the dynamic behavior of the Wind Turbine and has very small computational cost. For the formulation of the dynamic equations of the problem the Lagrange equations are used. In this way the system is characterized by 16 equations when operating in open loop, while in closed loop operation the equations of the controllers and the filters are added. The system of equations is solved by applying the eigenvalue analysis. Through this analysis, we compute the eigenvalues, the damping and the modes of the system. In this way, the stability analysis is carried out. The equations of the system are transformed in a state-space form, where the system’s frequency response can be studied. The open loop operation is, then, compared to the closed loop one. The second part of this report has to do with the evaluation of control strategies for reducing tower loads. The control is performed through a collective change in the pitch angle of the blades. The controller that does this is superimposed to the baseline controller of the first part. We use different controllers and filters and we finally choose the one’s that accomplish the maximum tower load reduction.