Síntese de controladores ressonantes para redução de esforços mecânicos em turbinas eólicas

Abstract

Este trabalho apresenta uma proposta para a redução de esforços mecânicos em turbinas eólicas, visando a diminuição do LCoE (do inglês: Levelized Cost of Electricity) para tornar a geração de energia através dos ventos mais atrativa financeiramente. Os esforços mecânicos a serem minimizados são originados pelas assimetrias do vento ao longo do plano do rotor e apresentam característica periódica. A deflexão de cada pá é transmitida ao eixo e, por consequência, às estruturas de sustentação como uma força com nível médio e periodicidade definidos pelas velocidades do vento e do rotor, respectivamente. Para minimizar os efeitos da vibrações, é proposta a integração de controladores baseados no princípio do modelo interno para turbinas operando em plena carga. A rejeição dos sinais periódicos das deflexões das pás é feita através de controladores ressonantes que utilizam, como atuadores, o ângulo de pitch das mesmas. Ainda são avaliadas as possibilidades de considerar a utilização de um modelo LPV (do inglês: Linear Parameter Varying) desacoplado e um modelo LPV completo para o projeto dos controladores. O modelo desacoplado considera que as pás não interagem uma com as outras, os seja, ao alterar o ângulo de pitch da pá 1, as demais não têm suas deflexões alteradas. O modelo completo considera que o eixo é capaz de fornecer certo acoplamento entre o ângulo de uma pá e as deflexões das demais. Ao simular os controladores projetados percebeu-se que os modelos LVP desacoplado e completo obtiveram respostas muito semelhantes, com máxima diferença percentual para redução da amplitude dos distúrbios de 5,1%. Também pôde-se confirmar a eficiência dos controladores com 2 modos ressonantes que rejeitaram no pior caso 98,78% da amplitude das vibrações das pás.

This paper presents a proposal for the reduction of mechanical loads in wind turbines, aiming to reduce LCoE (Levelized Cost of Electricity) to make wind power generation more attractive financially. The mechanical loads to be minimized are generated by wind asymmetries along the rotor plane and have periodic characteristics. The deflection of each blade is transmitted to the shaft and, consequently, to the supporting structures as a force with medium level and periodicity defined by the wind and rotor velocities, respectively. To minimize the effects of vibrations, it is proposed the synthesis of controllers based on the internal model principle for turbines operating at full load. The periodic signals rejection of the blades deflections is done by resonant controllers which use the blade pitch angles to regulate it. The possibilities of considering the use of a decoupled LPV (Linear Parameter Varying) model and a complete LPV model for the design of the controllers are evaluated. The decoupled model considers that the blades do not interact with each other, ie, by changing the pitch angle of blade 1, the others do not have their deflections altered. The complete model considers that the shaft is capable of providing a certain coupling between the angle of one blade and the deflections of the others. By simulating the designed controllers it was noticed that the uncoupled and complete LVP models obtained very similar responses, with a maximum percentage difference for reduction of the disturbance amplitude of 5.1 %. The efficiency of the controllers could also be confirmed with 2 resonant modes which rejected in the worst case 98.78 % of the amplitude of the blade vibrations.