Design of Robust Controllers for Load Reduction in Wind Turbines

Tesi honek aldagai anitzeko kontrolatzaile sendoak diseinatzeko metodologia bat ezartzen du, non kontrolatzaileak H∞ normaren gutxitzean eta LPV (Linear Parameter Varying) kontrol-tekniketan oinarrituta dauden, haize-errotetako karga mekanikoak murrizteko. Horretarako, 'Upwind' europar proiektuan definitutako 5 MWeko itsas haize-errotaren eredua garatu da GH Bladed softwarean. Kontrolatzaile horien diseinua 'above rated' izeneko funtzionamendu-zonalderako da. Zonalde horretan haize-erroten ez-linealtasunak garrantzi handikoak dira eta haize-errotaren funtzionamendua biratze-abiadura eta momentu nominaletan egin nahi da, horrela haize altuetan potentzia nominala lortu ahal izateko. Hauxe helburu nagusia izanda, beste kontrol-helburuak ere kontuan hartzen dira: haize-errotaren osagai desberdinetan karga mekanikoak txikitzea kontrolatzaileen diseinua aldagai anitzeko ikuspuntu batetik eginez. GH Bladed paketean definitutako eredu ez-linealaren linealizaziotik lortzen den eredu linealen familia erabiltzen da kontrolatzaileak diseinatzeko, nahiz eta oso orden handiko ereduak izan modelatze-konplexutasuna dela-eta. Kontrolatzaileak sortzeko MATLAB-eko kontrol sendoaren 'toolbox'-a erabiltzen da eta baita Dr. Carsten Scherer-en lantaldeak garatutako LPVMAD 'toolbox'-a ere.

Haize-errotentzako kontrol-sistemen Arte-Egoeraren analisi sakon baten ondoren, hasieran, erreferentzi kontrolatzaile bat diseinatzen da, normalean erabiltzen diren kontrolatzaile klasikoetan oinarrituta. Tesian bost kontrolatzaile sendo, H∞ normaren txikitzean oinarrituak, aurkezten dira, aldagai bakarrekoak, MISO (Multiple Input Single Output) eta aldagai aniztzekoak, alde batetik erreferentzi kontrol-estrategiaren prestazioak hobetzeko eta beste aldetik haize-errotetan karga mekaniken murrizketak eragiten dituzten helburuak betetzeko: sortzailearen abiadura angeluarra erregulatzea, potentzi trenaren modua moteltzea, dorrearen aurre-atzerako eta alboko lehenengo bibrazio-moduetan haizearen efektuak murriztea eta errotorea lerrokatzea. Kontrolatzaileek sortzaileentzako momentuen kontrol-seinaleak, itxoroskientzat pitch-angelu kolektiboa eta baita itxoroski bakoitzarentzat pitch-angelu independenteak ere sortzen dituzte, inposatutako kontrol-helburuak betetzeko. Horietatik at, beste bi LPV kontrol-estrategia diseinatzen dira 'above rated' funtzionamendu-zonaldean sortzailearen abiadura angeluarraren kontrola hobetzeko pitch-angelu kolektiboaren kontsignen bidez. Lehenengo LPV kontrolatzailea hiru funtzionamendu-puntu desberdinetan diseinaturiko hiru H∞ kontrolatzaileen interpolazioan datza. Bigarren LPV kontrolatzailearen diseinua, ordea, LMI (Linear Matrix Inequalities) sistema baten askatzean datza, LPVMAD 'toolbox'-a eta haize-errotaren LPV eredu bat erabiliz. Haize-errota baten aldagai anitzeko LPV modelatze-prozesua ere zehatz-mehatz azaltzen da tesi honetan.

Diseinatutako kontrolatzaileak GH Bladed paketean balioztatu dira analisi sakon baten bidez, non neke-kargen eta mutur-kargen murrizketak haize-errotaren osagai desberdinetan kalkulatzea ahalbideratzen baita. Kontrolatzaileak HIL (Hardware in the Loop) simulazioak egitea errazten duen denbora errealeko prototipo batean ere probatu dira, kontrolatzaileen funtzionamendu egokia ziurtatzen duena. Garatutako kontrolatzaileen diseinua errazteko interfaze grafiko bat gauzatu da MATLAB-en, non tesian aurkeztutako kontrolatzaile bakoitzaren diseinua prozedura sekuentzial baten bidez egin ahal izan den. Azkenean, aldagai anitzeko kontrolatzaile sendoen diseinurako proposaturiko metodologia 3 MWeko haize-errota komertzial batean aplikatu egin da.