[en] This thesis determines a design methodology of robust and multivariable controllers based on the H∞ norm reduction and on LPV (Linear Parameter Varying) techniques for load reduction in wind turbines. In order to do this, a 5 MW offshore wind turbine model based on the 'Upwind' European project is developed using GH Bladed, which is a wind turbine modelling specific software package. These controllers work in the above rated control zone, where the non-linearities of the wind turbine appear with more intensity. The main control objective in this zone is to keep the generator working at the nominal values of rotational speed and torque to correctly extract the nominal electric power in high winds. Furthermore, new control objectives are included to mitigate the loads in different components of the wind turbine, which involves the need of a multivariable control design. The family of linear models extracted from the non-linear model is used to design the proposed controllers. In this work, the family of linear models extracted from the GH Bladed is high ordered due to the complexity and accuracy of the wind turbine model. The Robust Control and LPVMAD MATLAB toolboxes are used to make the controller synthesis. LPVMAD is a toolbox developed by the scientific control group directed by Prof. Dr. Carsten Scherer at the Stuttgart University. After an exhaustive analysis of the State of the Art about the wind turbine control systems, a baseline control strategy based on classical control methods is initially designed. Five monovariable, MISO (Multiple Input Single Output) and multivariable robust control strategies, based on the H∞ norm reduction, are presented to improve the benefits of the baseline controller. These controllers fulfill some control objectives to mitigate the loads in the wind turbine: generator speed regulation, drive train mode damping, tower first fore-aft and side-to-side first mode damping and rotor alignment. The designed H∞ controllers generate control signals of generator torque, collective pitch blade angle and individual pitch angles for each blade. On the other hand, two LPV control strategies are designed to improve the generator speed regulation in the above rated zone generating collective pitch angle set-point values. The first LPV controller consists of the interpolation of three H∞ controllers designed in three different operational points. The second LPV controller synthesis is based on a LMI (Linear Matrix Inequalities) solution using the LPVMAD toolbox and a wind turbine LPV model. The wind turbine multivariable LPV modelling process is also explained in this thesis. The designed controllers are validated in GH Bladed and an exhaustive analysis is carried out to calculate the fatigue load reduction on the wind turbine components, as well as to analyze load mitigation in some extreme cases. The controllers are tested in a real time prototype which allows to carry out HIL (Hardware in the Loop) simulations. A GUI interface tool is developed in MATLAB to determine a sequential method making easier the controller design explained in this thesis. Finally, the proposed design methodology of robust and multivariable controllers is applied to a commercial 3 MW wind turbine.

[eu] Tesi honek aldagai anitzeko kontrolatzaile sendoak diseinatzeko metodologia bat ezartzen du, non kontrolatzaileak H∞ normaren gutxitzean eta LPV (Linear Parameter Varying) kontrol-tekniketan oinarrituta dauden, haize-errotetako karga mekanikoak murrizteko. Horretarako, 'Upwind' europar proiektuan definitutako 5 MWeko itsas haize-errotaren eredua garatu da GH Bladed softwarean. Kontrolatzaile horien diseinua 'above rated' izeneko funtzionamendu-zonalderako da. Zonalde horretan haize-erroten ez-linealtasunak garrantzi handikoak dira eta haize-errotaren funtzionamendua biratze-abiadura eta momentu nominaletan egin nahi da, horrela haize altuetan potentzia nominala lortu ahal izateko. Hauxe helburu nagusia izanda, beste kontrol-helburuak ere kontuan hartzen dira: haize-errotaren osagai desberdinetan karga mekanikoak txikitzea kontrolatzaileen diseinua aldagai anitzeko ikuspuntu batetik eginez. GH Bladed paketean definitutako eredu ez-linealaren linealizaziotik lortzen den eredu linealen familia erabiltzen da kontrolatzaileak diseinatzeko, nahiz eta oso orden handiko ereduak izan modelatze-konplexutasuna dela-eta. Kontrolatzaileak sortzeko MATLAB-eko kontrol sendoaren 'toolbox'-a erabiltzen da eta baita Dr. Carsten Scherer-en lantaldeak garatutako LPVMAD 'toolbox'-a ere. Haize-errotentzako kontrol-sistemen Arte-Egoeraren analisi sakon baten ondoren, hasieran, erreferentzi kontrolatzaile bat diseinatzen da, normalean erabiltzen diren kontrolatzaile klasikoetan oinarrituta. Tesian bost kontrolatzaile sendo, H∞ normaren txikitzean oinarrituak, aurkezten dira, aldagai bakarrekoak, MISO (Multiple Input Single Output) eta aldagai aniztzekoak, alde batetik erreferentzi kontrol-estrategiaren prestazioak hobetzeko eta beste aldetik haize-errotetan karga mekaniken murrizketak eragiten dituzten helburuak betetzeko: sortzailearen abiadura angeluarra erregulatzea, potentzi trenaren modua moteltzea, dorrearen aurre-atzerako eta alboko lehenengo bibrazio-moduetan haizearen efektuak murriztea eta errotorea lerrokatzea. Kontrolatzaileek sortzaileentzako momentuen kontrol-seinaleak, itxoroskientzat pitch-angelu kolektiboa eta baita itxoroski bakoitzarentzat pitch-angelu independenteak ere sortzen dituzte, inposatutako kontrolhelburuak betetzeko. Horietatik at, beste bi LPV kontrol-estrategia diseinatzen dira 'above rated' funtzionamendu-zonaldean sortzailearen abiadura angeluarraren kontrola hobetzeko pitch-angelu kolektiboaren kontsignen bidez. Lehenengo LPV kontrolatzailea hiru funtzionamendu-puntu desberdinetan diseinaturiko hiru H∞ kontrolatzaileen interpolazioan datza. Bigarren LPV kontrolatzailearen diseinua, ordea, LMI (Linear Matrix Inequalities) sistema baten askatzean datza, LPVMAD 'toolbox'-a eta haize-errotaren LPV eredu bat erabiliz. Haize-errota baten aldagai anitzeko LPV modelatze-prozesua ere zehatz-mehatz azaltzen da tesi honetan. Diseinatutako kontrolatzaileak GH Bladed paketean balioztatu dira analisi sakon baten bidez, non neke-kargen eta mutur-kargen murrizketak haize-errotaren osagai desberdinetan kalkulatzea ahalbideratzen baita. Kontrolatzaileak HIL (Hardware in the Loop) simulazioak egitea errazten duen denbora errealeko prototipo batean ere probatu dira, kontrolatzaileen funtzionamendu egokia ziurtatzen duena. Garatutako kontrolatzaileen diseinua errazteko interfaze grafiko bat gauzatu da MATLAB-en, non tesian aurkeztutako kontrolatzaile bakoitzaren diseinua prozedura sekuentzial baten bidez egin ahal izan den. Azkenean, aldagai anitzeko kontrolatzaile sendoen diseinurako proposaturiko metodologia 3 MWeko haize-errota komertzial batean aplikatu egin da.