| dc.description.abstract | Offshore vindturbiner er regulert av et kontrollsystem med det overordnede målet å optimalisere for energiproduksjon. Dette systemet kontrollerer generatorens dreiemoment og rotorblad-pitch med hensyn til den innkommende vindhastigheten. Som et ekstra mål kan responskontroll legges til dette systemet i form av ytterligere regulering av generatorens dreiemoment eller rotorblad-pitch. Responskontroll av Offshore vindturbiner er av interesse ettersom hydrodynamiske belastninger fra bølger induserer utmattingsskader i støttestrukturen til turbinen. Målet med responskontrollen er derfor å redusere den bølgeinduserte dynamiske responsen til turbinen, og dermed øke levetiden til turbinens støttestruktur med hensyn til utmattingsskader.
Responskontroll er av interesse både i for-akter og i sideveisretning, men i denne oppgaven er fokuset på sideveiskontroll. På noen måter er for-akterretningen den mest utsatte for bølgeindusert utmatting, ettersom vind og bølger har en tendens til å forplante seg i samme retning, og dermed vanligvis indusere dynamiske responser i for-akterretningen. Men noen ganger har vind og bølger forskjellig retning, noe som skaper dynamiske responser i sideretningen. Til tross for at dette er en mindre vanlig tilstand, kan det potensielt ha stor betydning for støttestrukturens levetid med hensyn til utmatting, da den aerodynamiske dempingen i sideveisretning er mye lavere enn i for-akter-retning. I tillegg har kryssvindtilstander en tendens til å inneholde høyfrekvente bølger med frekvenser i nærheten av egenfrekvensen til den første sideveis vibrasjonsmoden til turbinen.
I denne oppgaven er aktiv-generator-moment-kontroll (AGTC) brukt. Den fungerer ved å bruke generatorens dreiemoment til å indusere en dynamisk reaksjon i bærestrukturen for å motvirke de bølgeinduserte induserte belastningene. Videre består kontrolllogikken til AGT-kontrolleren utviklet i denne oppgaven av to ledd, et dempingsledd og et stivhetsledd. Dempingsleddet fungerer ved å endre generatorens dreiemoment proporsjonalt med den bølgeinduserte turbin posisjonen. Stivhetsleddet fungerer ved å endre generatorens dreiemoment proporsjonalt med hastigheten til de bølgeinduserte bevegelsene i turbinen.
For å oppnå den ønskede effekten fra kontorlleren skissert ovenfor implementeres en referansemodell og en tilstandsestimator i styringssystemet for å gi AGT-kontrolleren de nødvendige innput-signalene.
Flere simuleringer er gjort i det hydro-servo-aero-elastiske simuleringsprogrammet SIMA, med og uten AGT-Kontrolleren inkludert i kontrollsystemet, og med en rekke sjøtilstander. I tillegg har resultatene fra simuleringene blitt analysert, og utmattingsberegninger av støttestrukturen og drivtoget har blitt gjennomført.
Resultatene fra simuleringene og utmattingsberegningene gjort i oppgaven antyder at AGT-kontrolleren fungerer som tiltenkt, og med små negative bivirkninger. Spesielt AGTC-dempingen fungerer effektivt for å redusere bølgeindusert utmattelse. AGTC-stivheten har imidlertid ikke vist seg å ha stor innvirkning på tretthetslevetiden til støttestrukturen slik som har blitt implementert, men den kan muligens forbedres ved en mer omfattende innstillingsprosess. | |
| dc.description.abstract | Offshore wind turbines are regulated by a control system with the general objective of optimizing for energy production. This system controls the generator torque and the blade pitch of the turbine with respect to the incoming wind speed. As an additional objective, response control can be added to this system in the form of additional controller demands to the generator torque or the blade pitch of the turbine. Response control of OWTs are of interest as hydrodynamic loads from waves induce fatigue damage in the support structure of the turbine. Thus, the objective of the response control is to reduce the wave induced dynamic response of the turbine, and in turn increase the longevity of the turbine support structure with regards to fatigue damage.
Response control is of interest in both the fore-aft and in the side-side direction, but in this thesis the focus is on the side-side direction. In some ways the fore-aft direction is the most exposed to wave induced fatigue, as wind and waves tend to propagate in the same direction, thus usually inducing dynamic responses in the fore-aft direction. But sometimes wind and waves are misaligned, creating dynamic responses in the side-side direction. Despite this being a less common condition, it is potentially of large significance to the fatigue life of the structure as the aerodynamic damping in the side-side direction is much lower than in the fore-aft direction, due to the directionality of the rotor blades. Additionally, crosswind sea states tend to contain high frequency waves close to the eigenfrequency of the first side-side vibrational mode of the OWT.
The particular response controller investigated in this thesis is the active generator torque controller. It functions by using the generator torque induced dynamic reaction of the support structure to counteract the wave induced loads. Further, the control logic of the AGTC in this thesis is made up of two terms, namely, a damping term and a stiffness term. The damping term functions by changing the generator torque proportionally to the wave induced lateral deflection of the turbine. The stiffness term functions by changing the generator torque proportionally to the speed of wave induced motion in the turbine.
To achieve the desired effect from the AGTC outlined above, a reference model and a state estimator are implemented in the control system to provide the AGTC with the input signals needed to function as described.
Several simulations are done in the hydro-servo-aero-elastic simulation program SIMA, with and without the AGTC included in the control system, and with a variety of environmental conditions. Additionally, the results from the simulations have been investigated, and fatigue calculations of the support structure and the drive train have been done.
The results of the simulations and the fatigue calculations done in the thesis suggests that the AGTC functions as intended, and with small negative side effects. Particularly the AGTC damping functions effectively to reduce the wave induced fatigue. The AGTC stiffness however, has not been proven to have a large impact on the fatigue life of the support structure, but it might be improved by a more extensive tuning process. | |