Performance of a 25 MW semi-submersible floating wind turbine under different control strategies

Abstract

Flytende havvind er en fornybar energikilde med stort potensiale. En økt størrelse på den flytende turbinen er en av metodene for å redusere kostnaden. Den økte størrelsen av turbinen og at turbinen er flytende fører til en endret dynamisk oppførsel for turbinen, sammenlignet med en bunnfast vind turbin. Utfordringene den endrede dynamiske oppførselen medfører kan tas hensyn til ved å introdusere nye kontrollsystemer.

I denne masteren ble flere forskjellige kontrollstrategier brukt med mål om å forbedre stabiliteten og ytelsen til en 25 MW halvt nedsenkbar flytende vindturbin. Den originale kontrollstrategien er iverksatt ved bruk av ROSCO. De andre implementerte kontrollstrategiene er ''nacelle feedforward" og ''IPC". KI, KP og Kfloat justeringsfaktorene ble også endret. Doblingen av Kfloat er det mest spennende resultatet, med en reduksjon av kortvarig utmattings-skade i bunnen av tårnet. Doblingen av KI og KP førte til en økning i respons og kortvarig utmatting skade i bunen av tårnet. ''Feedforward" implementeringen førte også til økning i respons og kortvarig utmattings-skade i bunnen av tårnet. ''IPC" implementeringen førte til økt skyvekraft og endret vindturbin oppførsel. Dette viser viktigheten av kontrollstrategier som er tilpasset oppførselen for store vindturbiner.

De ulike kontrollstrategiene ble evaluert ved å kjøre ''aero-hydro-servo-elastic" simulering i SIMA. Simuleringene som ble kjørt var konstant trinn vind tester og operasjonelle tester. Analysen av dataene fra simuleringene hadde hovedfokus på hvordan lastene for de ulike kontroll strategiene påvirket vind turbinen.

Floating offshore wind is a renewable energy source with great potential. Increasing the size of the floating offshore wind turbine is one of the ways to reduce costs. The increase in size and the fact that the turbine is floating leads to a changed dynamic behavior of the turbine, compared to the bottom-fixed wind turbine (WT). The challenges this introduces can be handled through introducing new control strategies.

This thesis investigates several different control strategies aimed at improving the stability and performance of a 25 MW semi-submersible floating offshore wind turbine (FOWT). The baseline controller is a controller strategy implemented through ROSCO. The other control strategies implemented are a nacelle velocity feedforward and individual pitch control (IPC). Changing the KI, KP, and Kfloat gains was also done. The doubling of Kfloat is the most interesting result in this thesis, with a reduction in the short-duration fatigue tower base damage. Doubling of KI and KP led to an increase in response and the short-duration fatigue tower base damage. The feedforward implementation led to increased response as well and had the highest short-duration fatigue tower base damage. The IPC implementation led to an increase in the thrust force and a changed WT behavior. This shows the importance of control strategies that are tuned for large FOWT behavior.

The different control strategies were evaluated through aero-hydro-servo-elastic simulation in SIMA. Constant step wind test and operational condition test were the simulations that were run. The post-processing mainly looked into how the load on the WT was affected by the different controllers.