Denne afhandling omhandler udviklingen af et aktivt smart rotor koncept fra et aeroservoelastisk perspektiv. En aktiv smart rotor er en vindmøllerotor som igennem en kombination af sensorer, reguleringsenhed og aktuatorer, aktivt kan reducere den fluktuerende del af de aerodynamiske kræfter møllen skal modstå. Undersøgelsen omhandler en specifik aktuator type: Adaptive Trailing Edge Flap (ATEF), der består af en kontinuert deformation af den bagerste del af vingeprofilernes tværsnitsform.Der er udviklet en aerodynamisk model som medtager både de stationære og instationære effekter af flapudbøjningen på en 2D vingesektion der opererer i både vedhæftet og separeret strømning. Modellen er valideret med resultater fra både Computational Fluid Dynamics simuleringer samt panelkode-baserede simuleringer. Denne aerodynamiske model er integreret i det BEM-baserede aero-elastiske simuleringsværktøj HAWC2, som derved kan simulere responset af en vindmølle med ATEF’s på.Lastanalyser af NREL’s 5MW referencevindmøllen i dennes basiskonfiguration viser at det største bidrag til vingernes flapvise udmattelsesskade stammer fra normaloperation ved vindhastigheder over nominel hastighed, og fra lastfrekvenser under 1Hz. Analysen viser ligeledes at de periodiske lastvariationer på vingerne står for cirka 11 % af vingernes flapvise levetids udmattelsesskade, hvorimod resten kommer fra laster af stokastisk oprindelse. I denne afhandling foreslås en smart rotor konfiguration hvor 20 % af vingernes spanvidde er monteret med flapper, fra 77 % til 97 % af vingens længde. Denne konfiguration testes først med en simplificeret cyklisk regulering, som både giver en præliminær indikation af lastreduktionspotentialet og tillige indikerer muligheden for at forøge energiproduktionen for vindhastigheder under nominel hastighed ved brug af flapperne. Der er udviklet to modelbaserede kontrolalgoritmer for aktivt at reducere udmattelseslasterne på en smart rotor med ATEF. Den første algoritme har en lineær kvadratisk regulator med afvisning af periodiske forstyrrelser, og baserer styringen af flappens udbøjning på hver vinge fra det flapvise moment ved vingeroden; hver vinge ses som et uafhængigt Single Input-Single Output (SISO) system. Den anden algoritme er et Multiple Input-Multiple Output Model Predictive Control (MIMO-MPC) system, som monitorerer hele møllens respons og regulerer alle tilgængelige aktuatorer: ATEF, vingernes pitch samt generatoren. Begge algoritmer har frekvensafhængig vægtning af reguleringsaktiviteten for at kunne begrænse højfrekvent reguleringsaktivitet, og derigennem reducere brugen af og dermed også sliddet på aktuatorerne.Ydeevnen af de forskellige smart rotor konfigurationer bliver evalueret ved hjælp af HAWC2 simuleringer for vindfelter med standard turbulens. Begge algoritmer reducerer den flapvise udmattelsesskade for møllens levetid på 15 % ved hjælp af ATEF aktuatorerne. Denne reduktion forøges til tæt ved 30 % ved at kombinere pitch og ATEF aktuation ved hjælp af MIMO-MPC reguleringsmetoden. MIMO-MPC regulerinsmetoden kræver mindre flapaktivitet, og opnår desuden højere reduktioner af udmattelseslasterne på tårnet. Dette indikerer at en kombineret reguleringsmetode, som koordinerer og integrerer alle tilgængelige sensorer og aktuatorer har potentialet til at opnå bedre resultater end det der er opnåeligt ved brug af en serie uafhængige reguleringssystemer.
展开▼
