Control Oriented Modeling of Floating Offshore Wind Turbines

Abstract

Dagens energibehov øker betydelig, etterspørselen øker med 1,3 % hvert a ̊r innen 2040, ifølge internasjonalt energibyra ̊. Dermed øker det etterspørselen etter en bærekraftig og ren energiressurs som foreksempel vindenergi. Vindenergiteknologi bruk øker bety- delig i kommersiell skala og etablerer seg som en primær kilde for produksjon av forny- bar energi. Installering av vindturbiner pa ̊ flytende offshore plattformer maksimerer den ̊ oppna ̊dde vindkraften. A lokalisere en flytende plattform ut i sjøen medfører noen tekniske utfordringer. En betydelig utfordring er de økte kreftene som turbinen opplever pa ̊ et off- shore flytende plattform pa ̊ grunn av kombinasjon av bølger og vindkobling pa ̊ platformen. Et antall styresystemer brukes for a ̊ holde turbinen stabil. Styresystemenes design og opti- malisering krever en pa ̊litelig modell som kombinerer strukturell dynamikk, hydrostatisk, hydrodynamisk og aerodynamisk belastning. I dette prosjektet er det utviklet en dynamisk modell for bruk i utvikling av styringssys- temer av flytende havvindturbiner. Bevegelsesligningene er utledet ved hjelp av New- ton Euler tilnærmingen og formulert i en lineær tilstandsromsform. Modellen inkluderer hydrodynamiske, hydrostatiske og fortøyningskrefter for plattformen og fokuserer pa ̊ a ̊ utlede en ny aerodynamisk modell hovedsakelig basert pa ̊ Kutta Jouski løfteteori. Resul- tatmodell er enkel a ̊ implementere, der de fleste av beregningene er forha ̊ndsbestemt i noen geometriske parametere som er utledet i dette prosjektet. Den utledede aerodynamikken er representert i vektorform, som beskriver kreftene i seks frihetsgrader, og valideres mot eksperimentelle data.

The energy demand in current time increases significantly, the demand rises by 1.3 \% each year to 2040 , according to international energy agency. Thus, it increases the request for a sustainable and clean energy resource such as wind energy. Wind energy technology is being exploited at significant commercial scales and established itself as a primary source for renewable energy generation. Installing wind turbines on floating platforms offshore maximizes the obtained wind power. However, locating a floating platform out into the sea carries with it some technical challenges. One significant challenge is the increased loads experienced by the turbine located on an offshore floating platform, due to the addition of waves and wind coupling to the platform's motion, etc. A number of control systems used to keep the turbine stable. The control systems' design and optimization require a reliable model that combines structural dynamics, hydrostatic, hydrodynamic, and aerodynamic loads.

In this project, a dynamic model for control applications of floating offshore wind turbines is developed. The equations of motion derived using the Newton Euler approach and formulated in a linear state space form. The model considered hydrodynamic, hydrostatic, and mooring forces for the platform and focused on deriving a new aerodynamic model mainly based on the Kutta Jouski lifting theory. Resulted model is simple to implement, where most of the calculations are predetermined in some geometrical parameters. The derived aerodynamic are represented in vectorial form, that expresses the collective and cyclic blade pitch forces in six DOF, and validated against experimental data.