Design of robust controllers for load reduction in wind turbines

Resumen

Esta tesis establece una metodología de diseño de controladores robustos multivariables basados en la reducción de la norma H¿ y en técnicas de control LPV (Linear Parameter Varying) para la reducción de cargas en aerogeneradores. Para ello, se ha desarrollado un modelo de un aerogenerador offshore de 5 MW definido en el proyecto europeo 'Upwind' mediante el software de modelado específico de aerogeneradores GH Bladed. El diseño de estos controladores se centra en la zona de funcionamiento denominada 'above rated', donde se manifiestan con mayor importancia las no-linealidades del aerogenerador y en la que se pretende mantener el funcionamiento del generador en sus valores nominales de velocidad de giro y par para la correcta extracción de potencia nominal a vientos altos. Además de este objetivo principal, se incluyen nuevos objetivos de control que minimicen las cargas en las diferentes partes del aerogenerador haciendo que el diseño de los controladores requiera un punto de vista multivariable. Para el diseño de los controladores se utiliza la familia de modelos lineales extraída de la linealización del modelo no lineal, en este caso definido en GH Bladed, siendo estos modelos de un orden elevado debido a la complejidad del modelado. Para la síntesis de los controladores se utiliza las 'toolbox' de MATLAB de control robusto y la 'toolbox' LPVMAD desarrollada por el grupo de trabajo del Prof. Dr. Carsten Scherer. Tras un profundo análisis del estado del arte sobre los sistemas de control en los aerogeneradores, inicialmente se diseña una estrategia de control referencia basada en los controladores clásicos comúnmente utilizados. En la tesis se presentan cinco controladores robustos monovariables, MISO (Multiple Input Single Output) y multivariables basados en la reducción de la norma H¿ para mejorar las prestaciones de la estrategia de control referencia y que cumplen con diferentes objetivos de control que implican una reducción de cargas en el sistema: regulación de la velocidad angular del generador, amortiguamiento del modo del tren de potencia, reducción del efecto del viento sobre los primeros modos adelante-atrás y lateral de la torre y alineamiento del rotor. Los controladores generan señales de control de par en el generador, ángulo de pitch colectivo en las palas y ángulos independientes de pitch para cada pala con la finalidad de satisfacer los objetivos de control impuestos. Por otro lado, se diseñan dos estrategias de control LPV para mejorar la regulación de velocidad angular del generador en la zona de 'above rated' mediante consignas de ángulo de pitch colectivo. El primer control LPV consiste en la interpolación de tres controladores H¿ diseñados en tres puntos de operación diferentes, mientras que la síntesis del segundo controlador LPV se basa en la solución de un sistema LMI (Linear Matrix Inequalities) mediante la toolbox LPVMAD y utilizando el modelo LPV del aerogenerador. El proceso de modelado LPV multivariable de un aerogenerador también es explicado con detenimiento en esta tesis. Los controladores diseñados son validados en GH Bladed mediante un exhaustivo análisis que permite calcular la reducción de cargas extremas y cargas de fatiga en los diferentes componentes del aerogenerador. Los controladores son probados en un prototipo en tiempo real que permite realizar simulaciones HIL (Hardware in the Loop) que ratifican el correcto funcionamiento de los controladores. Para facilitar el diseño de estos controladores se ha implementado una interfaz gráfica en MATLAB que permite establecer un procedimiento secuencial para el diseño de cada controlador explicado en la tesis. Finalmente, la metodología propuesta para el diseño de controladores robustos multivariables se ha aplicado a un aerogenerador comercial de 3 MW.