Advanced control laws for variable-speed wind turbines and supporting enabling technologies

In questa ricerca sono state esplorate le prestazioni di nuovi sistemi di controllo sia originali che esistenti, applicati a turbine eoliche ad asse orizzontale, attraverso un'analisi comparata completata rispetto a sistemi industriali tra i piu diffusi. Per rendere piu significativi i risultati di questa analisi, si e attribuita grande importanza all'uso di un simulatore molto realistico e ad alta fedelta, e all'implementazione di tutti i sensori ed osservatori che rendano possibile l'applicazione nella realta dei sistemi di controllo e degli osservatori proposti senza la necessita di alterazioni significative. Diversi modelli multi-corpo/FEM di turbine esistenti, rese disponibili da soggetti che hanno collaborato alla ricerca, sono stati impiegati per la valutazione delle prestazioni. Tutti i programmi creati per implementare le leggi di controllo e gli osservatori sono stati pensati per una realistica applicazione real-time sul campo. Inoltre, tutte le leggi di controllo e gli osservatori sono stati testati in condizioni di vento realistiche e complesse. Nel primo capitolo alcuni controllori progettati nello spazio degli stati sono utilizzati per tenere la macchina in equilibrio usando passo collettivo e coppia. Le prestazioni sono confrontate con quelle di un'architettura PID esistente, trovando un simile comportamento in termini di potenza e miglioramenti sui carichi. Nei capitoli successivi un controllore predittivo basato sul sensore LiDAR e su di un'estensione della teoria dei controllori lineari-quadratici, e confrontato con cio che si ottiene da un controllore a orizzonte recessivo di maggiore complessita implementativa, trovando prestazioni del tutto paragonabili sui carichi. Per consentire l'applicazione di entrambi questi sistemi e stato previamente programmato un simulatore LiDAR. A seguire, un'architettura multi-strato basata sulla teoria del controllo delle armoniche superiori sviluppato in ambito elicotteristico e qui applicata alle turbine eoliche, mirando all'abbattimento di alcune componenti armoniche di determinati carichi rilevanti a livello di progetto ricorrendo all'uso del passo ciclico. La formulazione presentata prevede l'uso di un modello opportunamente identificato tra le ampiezze armoniche dell'ingresso e del segnale da controllare. I risultati sono confrontati con quelli del piu semplice approccio proposto da Bossanyi. Un'ulteriore implementazione decentralizzata consente di ottenere buoni risultati sui carichi di pala. E' anche presentato un diverso concetto di controllo delle frequenze superiori, basato sull'uso di molteplici trasformate di Coleman. Gli ultimi capitoli trattano due possibili approcci al problema dell'osservazione del vento. Il primo e basato sulla misura di deflessioni strutturali di torre e pale, e sull'implementazione di un modello ridotto esogeno, le cui equazioni sono adoperate per la traduzione di tali deformazioni nel corretto valore di determinati stati del vento, in grado di fornire una dettagliata descrizione del campo di velocita incidente sul rotore. L'osservatore del vento e progettato nell'ambito della teoria di Kalman. La misura delle deformazioni strutturali proviene da filtri di Kalman, generando cosi un'architettura basata su filtri di Kalman a cascata. Il secondo approccio, mirato all'osservazione robusta del disallineamento di yaw, e basato sulla formulazione di un modello che connetta le ampiezze alla 1P dei segnali di momento di flappeggio e ritardo delle pale e la componente del vento nel piano del rotore. I coefficienti del modello sono ottenuti tramite un processo di identificazione, e l'osservatore cosi ottenuto e testato in condizioni di vento anche molto complesse, fornendo risultati soddisfacenti.