Modelado de incertidumbre en sistema de comunicaciones y actuadores de un aerogenerador y diseño de algoritmos de control inmunes a sus efectos

Abstract

Este Trabajo Fin de Máster (TFM) se ha llevado a cabo en la empresa Siemens Gamesa R.E. ubicada en Pamplona (Navarra), la cual se dedica al sector eólico. Se enmarca dentro de la colaboración existente entre el Grupo de Sistemas Dinámicos y de Control de la Universidad Pública de Navarra (UPNA) con Siemens Gamesa desde 2014. En concreto se realiza en el departamento de Tecnología, dentro del área de control. Este trabajo surge debido a una problemática real existente en el entorno industrial una vez que los aerogeneradores son instalados y puestos en funcionamiento. Debido a diferentes retrasos en los sistemas de comunicación y a la dinámica de los actuadores, se generan diversas cargas a fatiga en el sistema que pueden llegar a afectar de manera crítica al funcionamiento de la máquina y a reducir notablemente el tiempo de vida útil de varios de sus componentes. Ante esta problemática, este proyecto propone diferentes alternativas para reducir los efectos de los retrasos a través de la mejora de la estrategia de control de la máquina. En concreto, en este trabajo se proponen varias modificaciones dentro de una estrategia tradicional de control de un aerogenerador para conseguir que dicho control sea inmune a los efectos de los retrasos que se producen en las comunicaciones del aerogenerador y funcionamiento de actuadores en el lazo de control de pitch, o paso de pala. Para llevar a cabo el diseño de estas estrategias de control, se ha trabajado con un modelo de máquina denominado UPWIND. Este modelo tiene una potencia de 5MW , cuyas palas están ubicadas a barlovento (delante de la torre). Es una máquina de velocidad variable y está ubicada tierra a dentro (onshore). El modelo UPWIND se ha desarrollado utilizando el código aerolástico FAST, un software gratuito proporcionado por NREL (National Renewable Energy Laboratory). La estrategia de control que se va a emplear como referencia en este proyecto es la desarrollada por Asier Díaz de Corcuera en [3]. Las diferentes propuestas de control de sarrolladas en este TFM se incluyen dentro del código fuente elaborado en dicha tesis doctoral mediante la programación de las mismas en lenguaje C y la generación de su correspondiente librería dll. El diseño de dichas modificaciones dentro de las estrategias tradicionales de control de un aerogenerador y su análisis en lazo cerrado se ha llevado a cabo utilizando el software MATLAB. La información dinámica de las plantas utilizadas para poder llevar a cabo el diseño de control se ha obtenido gracias a un proceso de linealización del modelo no-lineal desarrollado en FAST. A su vez, es importante destacar que, para poder llevar a cabo el diseño de estas modificaciones de control, previamente es necesario el modelado de los retardos de comunicación y de la dinámica de los actuadores, aspecto que también se ha abordado a lo largo de este proyecto. Para la realización de las distintas simulaciones se emplea el código aerolástico FAST. Además, a través de MATLAB, se realiza una estimación de cargas extremas y a fatiga con la que se evalúan los distintos resultados obtenidos. Estas simulaciones de carga se establecen mediante la norma IEC 61400-1, por lo que se realizan en condiciones cuasi realistas. Los resultados obtenidos a través del modelo teórico lineal izado y a través de las diversas simulaciones realizadas indican una mejora en la inmunidad de los sistemas de control a los retrasos mencionados anteriormente. En concreto, se ha conseguido hacer que el controlador sea más robusto frente a diferentes tipos de retrasos y disminuir las cargas a las que está sometido el aerogenerador. Finalmente, hay que decir que este proyecto se complementa con el documento Complemento Trabajo Fin de Máster titulado “Simulación mecánica de incertidumbre en sistema de comunicaciones y actuadores de un aerogenerador”. En este documento se encuentra el estudio a fatiga mencionado en este TFM.

This Master Thesis has been carried out in the company Siemens Gamesa R.E. located in Pamplona (Navarra, Spain), dedicated to the field of wind energy. The work is framed within the existing collaboration in between the Dynamic Systems and Control Research Group at the Public University of Navarre (UPNA) and Siemens Gamesa since 2014. More specifically, it has been accomplished in the Department of Technology, within the area of control. This Thesis originates as a result of a real problem in the industrial sector that arises once the wind turbines are installed and started. Due to the communication delays and the dynamics of the actuators, different fatigue loadings might appear in the system. As a consequence, the well-functioning of the generator and the lifetime of several components might be compromised. In order to tackle this problem, this project proposes different alternatives for the reduction of the effects of the delays through the improvement of the control strategies of the machine. In particular, this work proposes several modifications to the traditional control strategy of the wind turbine in order to increase the immunity of the controls to the effects of the delays due to communication and the actuators in the pitch control loop. The final objective is to improve the functioning of the wind turbine system by reducing the fatigue loading and, thus, augmenting the li fetime of several wind turbine components. In order to redesign these control strategies, a specific wind turbine model called UPWIND has been under study. This wind turbine has a rated power of 5MW and, as its name indicates, its blades are positioned upwind (in front of the tower). The machine has a variable velocity characteristic and is located onshore. The UPWIND model has been developed using the aeroelastic code FAST, a publicly available software offered by NREL (National Renewable Energy Laboratory). The control strategy used as a reference in this project is the one developed by Asier Díaz de Corcuera in [3]. The different control strategies proposed in here have been included in the source code developed in that Doctoral Thesis through a coding procedure in C and the generation of the corresponding dll libraries. The design of the mentioned modifications of the traditional control strategies and their closed-loop analysis has been undertaken in the software MATLAB. The dynamic information of the system plants has been obtained thanks to a linearization procedure of the non-linear model developed in FAST. Moreover, it is important to mention that in order to conceive these control modifications, previously it is necessary to model the communication delays and the actuators dynamics, issue which has also been accomplished in this work.