Modelado de incertidumbre en sistema de comunicaciones y actuadores de un aerogenerador y diseño de algoritmos de control inmunes a sus efectos
Fecha
2018Autor
Versión
Acceso abierto / Sarbide irekia
Tipo
Trabajo Fin de Máster/Master Amaierako Lana
Impacto
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nodoi-noplumx
|
Resumen
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 depart ...
[++]
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 ac ...
[++]
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. [--]
Materias
Aerogeneradores,
Retraso,
Pitch,
Velocidad del generador,
Potencia,
Cargas a fatiga,
estrategia de control,
Lazo de pitch o control del pitch,
Ancho de banda,
Pico,
Márgenes de estabilidad,
Bode,
Respuesta escalón
Titulación
Máster Universitario en Ingeniería Industrial por la Universidad Pública de Navarra /
Nafarroako Unibertsitate Publikoko Unibertsitate Masterra Industria Ingeniaritzan