Projeto de controle baseado em dados para regulação de velocidade de rotor e redução de esforços mecânicos em turbinas eólicas

Abstract

Essa dissertação apresenta a aplicação do método Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) na regulação da velocidade do rotor e redução de esforços mecânicos em turbinas eólicas. Nesse sistema, duas estratégias de controle são aplicadas em paralelo: o ajuste coletivo dos ângulos (CPC, do inglês Collective Pitch Control), para regulação da velocidade do rotor, e ajuste individual dos ângulos (IPC, do inglês Individual Pitch Control) para reduzir a deflexão das pás. Os controladores utilizados nas estratégias são projetados com base em dados coletados em ensaios simulados na turbina, de modo que o sistema em malha fechada apresente um comportamento próximo ao descrito por um dado modelo de referência. No caso do CPC, controladores do tipo proporcional-integral são projetados com objetivo de manter a velocidade de rotação da turbina constante. Já na estratégia IPC, controladores ressonantes são projetados com intuito de reduzir a deflexão de cada uma das pás. São analisados aspectos fundamentais para a aplicação do método VRFT, como a definição do modelo de referência e do experimento adequado para a coleta de dados. Simulações no software FAST considerando uma turbina de 5 MW ilustram o comportamento do método no seguimento de referências de velocidade do rotor e na rejeição de distúrbios do vento incidente na turbina. Os controladores projetados são comparados a partir de critérios como o Integral Absolute Error (IAE) e Time Until Failure (TUF). Tanto os controladores CPC quanto os controladores IPC projetados apresentaram redução do critério IAE e aumento do critério TUF em comparação ao controlador padrão apresentado na literatura. Adicionalmente, o projeto do IPC de controladores ressonantes via método VRFT se mostrou mais simples que as alternativas baseadas modelo que utilizam transformadas de coordenadas devido à natureza periódica do sistema.

This dissertation presents the application of the Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) method in the regulation of rotor speed and reduction of mechanical efforts in wind turbines. In this system, two control strategies are applied in parallel: Collective Pitch Control (CPC) for rotor speed regulation and Individual Pitch Control (IPC) to reduce blade deflection. The controllers used in these strategies are designed based on data collected from simulated tests on the turbine, so that the closed-loop system exhibits behavior close to that described by a given reference model. In the case of CPC, proportional-integral controllers are designed to maintain a constant turbine rotation speed. In the IPC strategy, resonant controllers are designed to reduce the deflection of each blade. Fundamental aspects for the application of the VRFT method are analyzed, such as the definition of the reference model and the appropriate experiment for data collection. Simulations in the FAST software considering a 5 MW turbine illustrate the behavior of the method in tracking rotor speed references and rejecting disturbances from incident wind on the turbine. The designed controllers are compared based on criteria such as Integral Absolute Error (IAE) and Time Until Failure (TUF). Both the CPC and IPC controllers designed showed improvements in IAE and TUF compared to the standard controller presented in the literature. Additionally, the design of IPC resonant controllers by VRFT proved to be simpler than alternative model-based approaches that use coordinate transformations due to the periodic nature of the system.