Projeto de controladores escalonados e laços de anti-windup para regulação de velocidade em turbinas eólicas

Abstract

Este trabalho apresenta a análise e o projeto de controladores e laços de anti-windup visando a regulação de velocidade do rotor em turbinas eólicas. Essa regulação se dá pelo ajuste do ângulo das pás da turbina e é importante para garantir a extração ótima de energia e também tem papel na redução das forças mecânicas atuando sobre a torre. Além da regulação de velocidade, a operação da turbina em diferentes intensidades de vento gera diferentes objetivos de controle - em particular, há uma região de transição onde é desligado o controle de ângulo quando a intensidade de vento é baixa. Dependendo do controlador utilizado, a regulação nessa região de transição pode apresentar piora no desempenho transitório devido à saturação pelo windup da ação integral. Além do problema da saturação, o sistema da turbina é não linear e pode ser aproximado por um modelo LPV (do inglês: Linear Parameter Varying). Baseado nesses fatos, foram considerados controladores PI com ganhos escalonados a partir da velocidade de vento e a utilização de laços anti-windup dinâmicos projetados a partir da solução de um prolema de otimização com restrições LMI (do inglês, Linear Matrix Inequalities). O controle proposto foi numericamente avaliado em uma turbina de 5MW, modelando os efeitos aerodinâmicos, elétricos e mecânicos. As simulações utilizaram o FAST em conjunto do Simulink/MATLAB. O sistema proposto obteve uma redução de até 26, 19% do overshoot em resposta a distúrbio de vento com o controlador PI escalonado, e uma redução de até 52, 94% no overshoot na região de transição no laço anti-windup dinâmico com relação ao estático.

This work presents the analysis and design of controller and anti-windup loop aiming for rotor speed regulation in wind turbines (WT). This regulation occurs by changing blade pitch angle and is important to guarantee optimal power generation. Furthermore, it has an important role in reducing mechanical forces acting on the tower. Besides speed regulation, WTs operating in different wind intensities have different control objectives - in particular, there’s a transition region where pitch control is turned off when the wind is low. Depending on the utilized controller, regulation in this transition region may degrade transient performance due to saturation and the ocurrence of integral windup action. Besides the saturation problem, WTs are highly non-linear systems that may be approximated by a Linear Parameter Varying (LPV) model. Based on these facts, a scheduling-gain PI controller for speed regulation and a dynamic anti-windup loop designed as a solution of Linear Matrix Inequalities (LMI) restrictions were considered. The proposed controller was numerically evaluated in a 5MW WT, modeling aero, electrical and mechanical dynamics. The simulations were made with FAST and Simulink/MATLAB. The proposed system achieved up to 26, 19% reduction in overshoot to step disturbance with the scheduling PI and a reduction of up to 52, 95% overshoot reduction in the transition region with the dynamic anti-windup compared to static.