Castaignet, Damien Bruno

Bevægelige bagkanter på vindmøllevinger, såkaldte flaps, har i de seneste årti været genstand for betydelig forskning. Gennem aero-servo-elastiske simuleringer med forskellige beregningsværktøjerog styringsrutiner er det påvist at udvalgte flapkonstruktioner kan reducere både udmattelses- og ekstremlaster pa vindmøller. Dette potentiale har ligeledes været bekræftet med vindtunnelforsøg på vingesektioner og på en nedskaleret mølle med to vinger. Arbejdet, der præsenteres i denne afhandling, indeholder en fuldskalatest på en Vestas V27 vindmølle på Risø ved Roskilde udstyretmed tre bagkants flaps på den ene vinge.Afhandlingen er opdelt i tre dele: Design af flapstyring, resultater fra simuleringer og resultater fra fuldskalatesten.Den prsenterede flapstyring er en frekvens-vægtet model-prediktiv styring, som er indstillet til at reducere flapvise vingerods-udmattelseslaster. Dette opnås ved kun at behandle de frekvenser som bidrager mest til de flapvise vingerods-udmattelseslaster (1P, 2P og 3P frekvenserne). Der undgås et undigt slid på flap-aktuatorerne ved at forsøge at behandle højere frekvenser. En beskrivelse af forstyrrelserne fra både det rotorhastighedsperiodiske og det kvasistatiske er samlet til en analytisk prediktions-model for simulering af gensvar af en roterende vinge med bagkantsflapper i et fluktuerende vindfelt.Simuleringer på en multimegawatt vindmølle viser de bevægelige bagkanters evne til at reducere de flapvise vingerods-udmattelseslaster med 23% og ligeledes udmattelseslaster i hovedaksel og tårnetmed op til 32%. Ekstremlaster under normal drift reduceres også med bevægelige bagkanter.Afslutningsvis er flapstyringen afprøvet eksperimentelt på Vestas V27 møllen med de tre flaps på den ene vinge. På trods af komplikationer med svigt af sensorer og aktuatorer blev der opnået enentydig reduktion af de flapvise vingerods-udmattelseslaster. I en sammenhængende periode på 38 minutter blev der opnået en gennemsnitlig reduktion på 14%.Eksperimentet viste imidlertid også nogle svagheder ved styringsrutinen for de bevægelige bagkanter. Styringen skal i praksis gøres mere adaptiv for at tilpasse sig til de forskellige variationer ivindtilstande, der optræder i virkeligheden.De enkelte dele af afhandlingen er blevet søgt publiceret i en række videnskabelige artikler ved konferencer og i tidsskrifter. Disse artikler udgør hovedparten af afhandlingen.Trailing edge flaps on wind turbine blades have been investigated for several years. Aero-servoelastic simulations carried out with different simulation tools, trailing edge flaps configurations and controller designs proved that trailing edge flaps are a suitable solution for reducing some of the wind turbine fatigue and extreme loads. This potential was confirmed with wind tunnel tests made on blade sections with trailing edge flaps and on a scaled two-bladed wind turbine in a wind tunnel. The work presented in this thesis includes a full-scale test run on a Vestas V27 wind turbine equipped with three trailing edge flaps on one blade, located on DTU’s Risø Campus in Roskilde, Denmark. This thesis is divided into three parts: the controller design, results from simulations, and results from the experiments.The trailing edge flaps controller designed for this project is based on a frequency-weighted model predictive control, tuned in order to target only the flapwise blade root loads at the frequencies contributing the most to blade root fatigue damage (the 1P, 2P and 3P frequencies), and to avoid unnecessary wear and tear of the actuators at high frequencies. A disturbance model consisting in periodic disturbances at the rotor speed harmonic frequencies and a quasi-steady input disturbance is aggregated to an analytical model of a spinning blade with trailing edge flaps. Simulations on a multi-megawatt wind turbine show the potential of the trailing edge flaps to reduce the flapwise blade root fatigue loads by 23%, but also the main shaft and the tower fatigue loads by up to 32%. Extreme loads during normal production also benefit from the trailing edge flaps.At last, the same controller was run on the Vestas V27 wind turbine located at the Risø Campus of the Technical University of Denmark, in Roskilde, Denmark. One blade of the turbine was equipped with three independent trailing edge flaps. In spite of the failure of several sensors and actuators, the test of the trailing edge flaps controller described in this thesis showed a consistent flapwise blade root fatigue load reduction. An average of 14% load reduction was achieved during a 38 minute test. However, the experiment also highlighted the weaknesses of the controller. The trailing edge flap controller should be made more adaptive in order to cope with the very different wind conditions that can be expected on-site. <br/

Online Research Database In Technology

Model predictive control of trailing edge flaps on a wind turbine blade

http://orbit.dtu.dk/ws/files/9728039/phdthesis_Damien_Castaignet.pdf

Model predictive control of trailing edge flaps on a wind turbine blade

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology