Aero-Hydro-Servo-Elastic Modelling and Control of a Scaled Floating Offshore Wind Turbine on a Tension Leg Platform Including Experimental Validation

Abstract

Dette kandidatspeciale omhandler modellering og kontroldesign af en flydende vindmølle. Flydende vindmøller vil være en klar fordel i de dele af verden, hvor der er dyb sø. Offshore vindmøller med fast fundament er kun egnede til at stå i forholdsvist lavt vand, da fundamentet skal fastgøres til havbunden. Prisen på et fast fundament øges væsentligt, når havdybden øges og derved foreværres økonomien for hele vindmøllen. De nuværende intallationsskibe har også en begrænsning for hvor store fundamenter, der kan fragtes ud og monteres på havbunden. En mulig løsning er, at de flydende fundmaneter kan trækkes ud og derved undgås anvendelsen af dyre installationsskibe. En anden mulighed er at montere selve vindmøllen i havnen eller i en tørdok, således installationsomkostningerne sænkes yderligere. I tidligere projekter skrevet af forfatterne er der udviklet en fysisk model af en flydende vindmølle med et TLP (tension leg platform) fundament. Vindmøllen er tegnet i programmet Inventor og skaleret ift. NREL 5 MW vindmøllen og har individuel pitch regulering af vingerne. I dette speciale vil denne model blive testet vha. både bølge- og vindgenerator for at gøre belastningerne så virkelighedsnære som muligt. Der er udviklet en matematisk model af hele systemet i MATLAB Simulink, samt vha. NRELs FAST (fatique, aerodynamics, structures and turbulence) simuleringskode. Igennem hele specialet vil teorien bag modellerne blive gennemgået og de teoretiske koefficienter vil blive fundet. Herefter vil de teoretiske koefficienter, hvis det er muligt, blive valideret på den fysiske vindmølle. Når hydrodynamikken af systemet beskrives, vil der blive brugt lineær bølgeteori. Da teorien antager, at vandoverfladen er konstant, inkluderes Wheeler udstrækning af bølgerne, hvor hastighedsprofilen kommer til at følge den faktiske bølge. Irregulære bølger beskrives ved at lægge forskellige lineære bølger sammen. Energien i bølgerne kan beskrives vha. et spektrum, hvor der i dette speciale primært anvendes JONSWAP. Vindmøllens tårn vil blive beskrevet vha. FEM (finite element method), hvor tårnet deles op i elementer, som er afhængige af hinanden. Alle elementerne i masse-, stivheds- og dæmpningsmatricerne vil blive forklaret og de teoretiske værdier vil blive fundet. Dæmpningsmatricen bliver beskrevet ved en kombination af masse- og stivhedsmatricen. De naturlige frekvenser, samt de eksterne kræfter vil blive fundet. Aerodynamikken vil blive beskrevet ved UBEM (unsteady blade element method) for at kunne beskrive aerodynamiske kræfter i tidsdomænet, når der sker ændringer i operationsforhold. Både rigtige vindforhold og vindforholdene fra vindgeneratoren vil blive beskrevet, og vindfeltet vil blive modelleret ud fra målinger fra vindfeltet. Her vil både blive beskrevet 1D og 3D vindfelter. Ydermere vil forskellige korrektionsmetoder, samt de dynamiske modeller for varierende operationsforhold blive implementeret i UBEM. En matematisk model for drivtoget og generatoren, samt en simuleringsmodel for effektomformeren vil blive udledt. Den fysiske effektomformer, der vil blive brugt i den eksperimentelle opstilling, vil være en ombygget VLT fra Danfoss. Pitchsystemet vil blive beskrevet vha. eksperimentelle modeller. Sammenkoblingen af alle undermodellerne vil blive beskrevet og udført matematisk. Tårnet vil blive koblet til TLPen og der vil blive lavet simple forsøg, der kan bruges til at tune sammenkoblingen, samt mere avancerede forsøg, hvor den matematiske model for sammenkoblingen vil blive valideret. Aerodynamikken vil blive koblet til tårnet og drivtoget, mens generatoren bliver koblet på drivtoget, og dermed opnås en samlet model for vindmøllen som skal testes så realistisk som muligt. Det vil sige, at den fysiske model vil blive testet i bølgebassinet, hvor et realistisk bølgespektrum vil blive påført TLPen og vind vil blive påført tårnet og rotoren. For at systemet skal fungere så realistisk som muligt, skal der implementeres en kontrol. Her kan både styres på belastningen til generatoren, samt på pitchvinklen af vingerne, afhængig af hvilken vindhastighed, der påføres vindmøllen. Som kontrolmetode til generatoren anvendes FOC (field orientated control), som bliver designet ud fra rodkurve og OSM (optimum symmetric method), hvor et udvidet Kalman filter desgines og anvendes til at estimere vinklen på generatoren. Der vil blive designet to kontrolsystemer til den kollektive pitchkontrol; en med konstante PI termer og en, hvor PI termerne er varierende afhængig af pitchvinklen.

As the demand for clean energy is rising, new technologies are developed. One of these new technologies is the floating offshore wind turbine (FOWT). These can be placed at locations where the sea is too deep for wind turbines with bottom fixed foundations. However by making the foundation floating, additional dynamics will be introduced into the system and thus lead to more complex systems. This calls for more precise and validated models. These models include hydrodynamics, structural dynamics, aerodynamics, servo dynamics, the coupling between these and the control system. In this thesis two fully coupled mathematical models of the AAUE-TLP will be presented; one in the CAE tool FAST and one Simulink model developed throughout the thesis. The AAUE-TLP is a fully functional physical scaled model of a FOWT developed by the authors. Parts of some of the mathematical models will be found through simple experiments done on the AAUE-TLP, other will be purely theoretical. All models will be tested and validated through more advanced experiments on the AAUE-TLP. One control system for the generator and one control system for the pitching system will be designed and tested on the AAUE-TLP.

A master thesis from Aalborg University

Aero-Hydro-Servo-Elastic Modelling and Control of a Scaled Floating Offshore Wind Turbine on a Tension Leg Platform Including Experimental Validation