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Società Scientifica Italiana di Progettazione Meccanica e Costruzione di Macchine 47° Convegno Nazionale AIAS Università degli Studi della Calabria Villa San Giovanni (RC), 5-8 Settembre 2018 DYNAMIC BEHAVIOR OF WIND TURBINES. AN ON-BOARD EVALUATION TECHNIQUE TO MONITOR FATIGUE F. Cianetti a , A. Cetrini a, M.L. Corradini b, G. Ippoliti c, G. Orlando c
a Università degli Studi di Perugia – Dipartimento di Ingegneria b Università di Camerino – Scuola di Scienze e Tecnologie c Università Politecnica delle Marche – Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Agenda presentazione
• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”
• Descrizione Progetto ed Obiettivi della Ricerca
• La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
• Le turbine eoliche
• Rotture a fatica
• Le principali tecniche di controllo adottate
• La previsione del Danno a Fatica in linea
• Analisi della letteratura
• Approccio classico
• Modello di previsione proposto per la stima in linea del comportamento a fatica
• Implementazione del modello in un ambiente di simulazione dinamica
• Test cases
• Conclusioni
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
PRIN 2015 – Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines
Titolo: Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines
Obiettivi: sviluppare innovativi sistemi di controllo delle turbine eoliche di grandi dimensioni finalizzato alla minimizzazione del danneggiamento strutturale (carichi) dei suoi componenti. Obiettivi paralleli sono la ideazione, progettazione e realizzazione di materiali innovativi e sistemi di misura on-board per il monitoraggio delle pale.
Finanziamento erogato: 400 KEuro
Descrizione Progetto di Ricerca
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Descrizione Progetto di Ricerca
Coordinatrice: Prof.ssa Corradini (Univ. Camerino)
PRIN 2015 – Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines
Unità di Camerino: ING-INF/04, ING-IND/14, ING-IND/22, MAT/05, MAT/07
Prof.ssa Corradini
Unità di Perugia: ING-IND/14, ING-IND/13
Prof. Cianetti
Unità di Ancona: ING-INF/04
Prof. Orlando
Unità di Lecce: ING-IND/14
Prof. Nobile
(www.softwind.it)
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
PRIN 2015 – Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines
Obiettivi della Ricerca
Obiettivi: All’interno di questo progetto l’unità di ricerca dell’Università degli Studi di Perugia ha l’obiettivo di sviluppare metodologie di modellazione e simulazione dinamica e di valutazione del comportamento a fatica delle turbine nel loro complesso. Lo sviluppo di tali metodologie sarà finalizzato alla ottimizzazione del loro controllo, finalizzato appunto alla riduzione delle condizioni di crisi di queste macchine.
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
PRIN 2015 – Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines
Obiettivi della Ricerca
Obiettivi: All’interno di questo progetto l’unità di ricerca dell’Università degli Studi di Perugia ha l’obiettivo di sviluppare metodologie di modellazione e simulazione dinamica e di valutazione del comportamento a fatica delle turbine nel loro complesso. Lo sviluppo di tali metodologie sarà finalizzato alla ottimizzazione del loro controllo, finalizzato appunto alla riduzione delle condizioni di crisi di queste macchine. Attività svolta: In questo lavoro viene descritta una semplice tecnica di monitoraggio in linea (on board) del comportamento a fatica, prima definita analiticamente e poi sviluppata in un linguaggio di simulazione dinamica atto alla verifica della sua possibile realizzazione fisica mediante catena di misura sperimentale e, quindi, al suo possibile utilizzo in sistemi di controllo.
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Agenda presentazione
• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”
• Descrizione Progetto ed Obiettivi della Ricerca
• La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
• Le turbine eoliche
• Rotture a fatica
• Le principali tecniche di controllo adottate
• La previsione del Danno a Fatica in linea
• Analisi della letteratura
• Approccio classico
• Modello di previsione proposto per la stima in linea del comportamento a fatica
• Implementazione del modello in un ambiente di simulazione dinamica
• Test cases
• Conclusioni
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
Le turbine eoliche
HAWT
VAWT
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
Le turbine eoliche
Il motore e le pale
La struttura portante
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
Rotture a Fatica La
str
utt
ura
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Il m
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ale
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
Le principali tecniche di controllo adottate
Pitch control
Yaw control
Generator torque control
HAWT Control strategies to maximize extracted power
Pow
er (k
ilow
atts
)
Steady Wind Speed (m/s)
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Agenda presentazione
• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”
• Descrizione Progetto ed Obiettivi della Ricerca
• La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
• Le turbine eoliche
• Rotture a fatica
• Le principali tecniche di controllo adottate
• La previsione del Danno a Fatica in linea
• Analisi della letteratura
• Approccio classico
• Modello di previsione proposto per la stima in linea del comportamento a fatica
• Implementazione del modello in un ambiente di simulazione dinamica
• Test cases
• Conclusioni
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La previsione del Danno a Fatica in linea
Beretta 2000, Milano «Giornata sulla fatica multiassiale» (cit. «mini RainFlow-corder», Murakami 1999)
Socie 1979, Int. J. Fat. 1 (2), 103-111
Socie 1982, Int. J. Fat. 4 (1), 31-40
Murakami 1999, Eur. Struct. Integr. Soc. 23, 135-145
Barradas-Berglind, Wisniewski, Soltani, 2015, Fatigue damage estimation and data-based control for wind turbines, IET Control Theory and Applications, 9 (7), 1042-1050
Njiri, Beganovic, Manh, Soffker, 2019, Consideration of lifetime and fatigue load in wind turbine control, Renewable Energy, 131, 818-828
Analisi della letteratura
𝐷𝑝(𝑡)
𝑥(𝑡) 𝑅𝑅𝑅
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La previsione del Danno a Fatica in linea
Approccio classico
𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺
𝑪𝑪𝑪𝑪𝑺 𝒅𝒅 𝑪𝑺𝒓𝒅𝒓𝒓𝑺𝑺𝒓𝑺 𝑺 𝑭𝑺𝒓𝒅𝑭𝑺 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑚𝑚𝑚𝑡𝑚𝑚𝑚𝑃
𝑫𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝒅𝑺𝑫𝑺𝑺𝒓𝑫 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑃𝑃 − 𝑀𝑚𝑃𝑃𝑃
𝑺𝑺𝑺𝒓𝒓𝑪𝑫 𝒅𝒅 𝑭𝑺𝑪𝒅𝑭𝑫 𝑃 𝑺𝑪𝑫𝑺𝑪𝑫 𝒅𝒅 𝑭𝒅𝑭𝑺𝒅 𝑅𝑅𝑅
𝑹𝑺𝒅𝑺𝑹𝑺𝑫𝑹 𝑪𝑫𝑪𝑺𝒓𝒅𝑺𝑺 𝑅𝑚𝐶𝑃𝑚𝑃𝑃𝑃 − 𝑆𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑚. 𝑃.𝐺𝐶𝐶𝑃𝑚𝑃𝑃
𝑫𝑺𝑫𝑺𝑺𝑺 𝑬𝑬𝑪𝒅𝑪𝑺𝑺𝑺𝑺𝒓 𝑺𝒅𝑺𝑺𝑺𝑺
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La previsione del Danno a Fatica in linea
Approccio classico
𝑥(𝑡)
𝑥[0, 𝑡𝑖]
𝐷𝑝(𝑡)
𝑅𝑅𝑅[0, 𝑡𝑖] 𝑚[0, 𝑡𝑖] (𝒙𝑎 ,𝑺)[0, 𝑡𝑖]
𝐷𝑝(𝑡𝑖)
𝑥𝑓 = 𝛼 ∙ 𝑃𝛽
𝑥𝑎𝑑𝑑𝑑𝑖
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La previsione del Danno a Fatica in linea
𝑥(𝑡)
𝑥∆𝑇𝑖 𝐷𝑝𝑖
𝐷𝑝(𝑡)
𝑅𝑅𝑅∆𝑇𝑖 𝑚𝑖 (𝒙𝑎 ,𝑺)𝑖 𝑥𝑎𝑑𝑑𝑑𝑖 , �̅�𝑎𝑑𝑑𝑑𝑖 𝑃𝑝𝑖
𝑥𝑓 = 𝛼 ∙ 𝑃𝛽
Modello di previsione proposto per la stima in linea del comportamento a fatica
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
La previsione del Danno a Fatica in linea
Modello di previsione proposto per la stima in linea del comportamento a fatica
𝑪𝑪𝑪𝑪𝑺 𝒅𝒅 𝑪𝑺𝒓𝒅𝒓𝒓𝑺𝑺𝒓𝑺 𝑺 𝑭𝑺𝒓𝒅𝑭𝑺 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑚𝑚𝑚𝑡𝑚𝑚𝑚𝑃
𝑺𝑺𝑺𝒓𝒓𝑪𝑫 𝒅𝒅 𝑭𝑺𝑪𝒅𝑭𝑫 𝑃 𝑺𝑪𝑫𝑺𝑪𝑫 𝒅𝒅 𝑭𝒅𝑭𝑺𝒅
𝑅𝑅𝑅𝑖 𝑹𝑺𝒅𝑺𝑹𝑺𝑫𝑹 𝑪𝑫𝑪𝑺𝒓𝒅𝑺𝑺 𝑅𝑚𝐶𝑃𝑚𝑃𝑃𝑃 − 𝑆𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑚. 𝑃.𝐺𝐶𝐶𝑃𝑚𝑃𝑃
𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺
, ,
𝑚
𝑫𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝒅𝑺𝑫𝑺𝑺𝒓𝑫 𝒅𝒓𝒓𝑺𝑺𝒓𝑺𝑺𝑺𝑫 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑃𝑃 −𝑀𝑚𝑃𝑃𝑃
𝑫𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝒅𝑺𝑫𝑺𝑺𝒓𝑫 𝑭𝑪𝑫𝑪𝑺𝑺𝒓𝑫
𝑫𝑺𝑫𝑺𝑺𝑺 𝑬𝑬𝑪𝒅𝑪𝑺𝑺𝑺𝑺𝒓 𝑺𝒅𝑺𝑺𝑺𝑺 𝒅𝒓𝒓𝑺𝑺𝒓𝑺𝑺𝑺𝑫 𝑫𝑬𝑺 𝒅𝒓𝒓. 𝑺𝑫𝑪𝑫𝑺𝑺𝒅𝒓𝒓𝑺𝒓𝑫
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
• Sviluppo del modello di stima in Matlab/Simulink ©
La previsione del Danno a Fatica in linea
Implementazione del modello in un ambiente di simulazione dinamica
𝑫𝑺𝑫𝑺𝑺𝑺 𝑬𝑬𝑪𝒅𝑪𝑺𝑺𝑺𝑺𝒓 𝑺𝒅𝑺𝑺𝑺𝑺 𝒅𝒓𝒓𝑺𝑺𝒓𝑺𝑺𝑺𝑫,𝑺𝑫𝑪𝑫𝑺𝑺𝒅𝒓𝒓𝑺𝒓𝑫
𝑚𝑖 = 1
𝑫𝑺𝑫𝑺𝑺𝑺 𝑬𝑬𝑪𝒅𝑪𝑺𝑺𝑺𝑺𝒓 𝑺𝒅𝑺𝑺𝑺𝑺 𝒅𝒓𝒓𝑺𝑺𝒓𝑺𝑺𝑺𝑫
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
• Sviluppo del modello di stima in Matlab/Simulink ©
• Test per verificare la bontà della previsione on line
• Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo e la realizzazione di una scheda elettronica da montare sul generatore
La previsione del Danno a Fatica in linea
Implementazione del modello in un ambiente di simulazione dinamica
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Agenda presentazione
• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”
• Descrizione Progetto ed Obiettivi della Ricerca
• La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
• Le turbine eoliche
• Rotture a fatica
• Le principali tecniche di controllo adottate
• La previsione del Danno a Fatica in linea
• Analisi della letteratura
• Approccio classico
• Modello di previsione proposto per la stima in linea del comportamento a fatica
• Implementazione del modello in un ambiente di simulazione dinamica
• Test cases
• Conclusioni
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#1 Test per verificare la bontà della previsione on line
Test Case Wind Turbine WT parameters
Wind tunnel «Raffaele Balli» Università degli Studi di Perugia
𝐴𝐴𝐴𝑃𝑚𝑃𝑃𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃 𝑥 𝑡 𝐴𝐴𝐴𝑃𝑚𝑃𝑃𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃 𝑥 𝑡
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#1 Test per verificare la bontà della previsione on line
𝑅𝑅𝑅 𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑪𝑺𝑺𝒓𝒓𝒅𝑭𝑫
𝐴𝐴𝐴𝑃𝑚𝑃𝑃𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃 𝑠𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚
𝑥 𝑡 𝑥𝑚𝑎𝑚 ≅ 2 𝑚/𝑠2 𝑥𝑚𝑖𝑖 ≅ −2 𝑚/𝑠2
𝑇 = 78 𝑠 𝑃𝑡 = 0.005 𝑠
𝑊𝐶𝑊𝑚𝑃𝑃 𝑅𝑚𝑃𝐶𝑃 𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑡𝑃𝑃𝑠
𝛼 = 19.247 m/𝑠2 𝛽 = −0.2228
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#1 Test per verificare la bontà della previsione on line
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑷𝑪𝑫𝑺𝑫𝒓𝒓𝑫
𝐴𝐴𝐴𝑃𝑚𝑃𝑃𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃 𝑠𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚
∆𝑇 = 1 𝑠 𝑃𝑡 = 0.005 𝑠
𝑘 = 5 𝑓𝑚𝑖𝑖 = 5 𝐻𝑃 𝑓𝑚𝑎𝑚 = 50 𝐻𝑃
𝑊𝐶𝑊𝑚𝑃𝑃 𝑅𝑚𝑃𝐶𝑃 𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑡𝑃𝑃𝑠
𝛼 = 19.247 m/𝑠2 𝛽 = −0.2228
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Danneggiamento cumulato
Test cases
#1 Test per verificare la bontà della previsione on line
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑷𝑪𝑫𝑺𝑫𝒓𝒓𝑫 Estimated
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑪𝑺𝑺𝒓𝒓𝒅𝑭𝑫 Real
∆𝑇 = 1 𝑠
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases Test cases – Analisi di sensibilità
∆𝑇, 𝑃𝑡 Parametri
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
𝑳𝑫𝑺𝒅𝑭𝑺 𝒅𝒅 𝑪𝑫𝑺𝒓𝑪𝑫𝑺𝑺𝑫 𝑅𝐶𝑃𝑡𝑃𝐶𝑚𝑚𝐶 𝑃𝑚 𝑚𝐶𝑡𝑃𝑃𝑃𝑃 𝐵𝑃𝑠𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃 𝑅𝐶𝑃𝑡𝑃𝐶𝑚 𝑆𝑆𝑠𝑡𝑃𝑚
𝑵𝑪𝑫𝑺𝑪𝒅𝑭𝑺𝑺 𝑴𝑫𝒅𝑺𝑺 𝑁𝑅𝑁𝑁 𝑅𝐴𝑆𝑇 𝑀𝐵𝑆 𝑚𝐶𝑃𝑃𝑚
𝑺𝒅𝑺𝑺𝑺𝑺 𝑀𝐶𝑚𝑃𝑃𝑡𝐶 𝑃𝑚 𝑚𝑃𝐴𝑃𝑠𝑡𝑃𝐶 𝑅𝐴 𝑃𝑚𝑚𝑃 𝑏𝑃𝑠𝑃 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃 𝑡𝐶𝑃𝑃𝑃
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑷𝑪𝑫𝑺𝑫𝒓𝒓𝑫
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑾𝒅𝑺𝒅 𝑻𝑪𝑪𝑻𝒅𝑺𝑺 5 𝑀𝑊 𝐻𝑊𝑇 3 𝑚𝑃𝑚𝑃
88 𝑚 𝑃𝑚𝑡𝑃𝑃𝑃𝑃 torre 63 𝑚 𝑚𝑚𝑃𝑃𝑊𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑚𝑃𝑚𝑃
𝑳𝑫𝑺𝒅 𝑪𝑫𝑺𝒅𝒅𝒓𝒅𝑫𝑺𝒓 𝑅𝑃𝑃𝑃𝐶𝑚 𝑊𝑚𝑃𝑃 (𝑃𝐶𝑃𝑃 𝐼𝐼)
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃y
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑾𝒅𝑺𝒅 𝑻𝑪𝑪𝑻𝒅𝑺𝑺 5 𝑀𝑊 𝐻𝑊𝑇 3 𝑚𝑃𝑚𝑃 88 𝑚 𝑃𝑚𝑡𝑃𝑃𝑃𝑃 torre 63 𝑚 𝑚𝑚𝑃𝑃𝑊𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑚𝑃𝑚𝑃
𝑳𝑫𝑺𝒅 𝑪𝑫𝑺𝒅𝒅𝒓𝒅𝑫𝑺𝒓 𝑅𝑃𝑃𝑃𝐶𝑚 𝑊𝑚𝑃𝑃 (𝑃𝐶𝑃𝑃 𝐼𝐼)
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃y
𝑵𝑪𝑫𝑺𝑪𝒅𝑭𝑺𝑺 𝑴𝑫𝒅𝑺𝑺 𝑁𝑅𝑁𝑁 𝑅𝐴𝑆𝑇 𝑀𝐵𝑆 𝑚𝐶𝑃𝑃𝑚
𝑳𝑫𝑺𝒅𝑭𝑺 𝒅𝒅 𝑪𝑫𝑺𝒓𝑪𝑫𝑺𝑺𝑫 𝐵𝑃𝑠𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃 𝑅𝐶𝑃𝑡𝑃𝐶𝑚 𝑆𝑆𝑠𝑡𝑃𝑚
𝑺𝒅𝑺𝑺𝑺𝑺 𝑀𝐶𝑚𝑃𝑃𝑡𝐶 𝑃𝑚 𝑚𝑃𝐴𝑃𝑠𝑡𝑃𝐶 𝑃𝑚𝑚𝑃 𝑏𝑃𝑠𝑃 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃 𝑡𝐶𝑃𝑃𝑃
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
DES Istantaneo, normalizzato [Nm] Danneggiamento Istantaneo
Momento Flettente [Nm] Danneggiamento Cumulato
Damage Tool
MBS/Control Model
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
DES Istantaneo, normalizzato [Nm] Danneggiamento Istantaneo
Momento Flettente [Nm] Danneggiamento Cumulato
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
Possibile soglia di controllo
Possibile soglia di controllo
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
𝐵𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑃 𝑀𝐶𝑚𝑃𝑃𝑡 𝑠𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚
∆𝑇 = 5 𝑠 𝑃𝑇 = 0.01 𝑠
𝑊𝐶𝑊𝑚𝑃𝑃 𝑅𝑚𝑃𝐶𝑃 𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑡𝑃𝑃𝑠
𝛼 = 1.92474 ∙ 108 𝑁𝑚 𝛽 = −0.2228
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝐷𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑚𝑃𝑃𝑡𝐶 𝑚𝑠𝑡𝑃𝑃𝑡𝑃𝑃𝑃𝐶
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
𝐵𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑃 𝑀𝐶𝑚𝑃𝑃𝑡 𝑠𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚
∆𝑇 = 5 𝑠 𝑃𝑇 = 0.01 𝑠
𝑊𝐶𝑊𝑚𝑃𝑃 𝑅𝑚𝑃𝐶𝑃 𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑡𝑃𝑃𝑠
𝛼 = 1.92474 ∙ 108 𝑁𝑚 𝛽 = −0.2228
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝐷𝑁𝑆 𝑚𝑠𝑡𝑃𝑃𝑡𝑃𝑃𝑃𝐶,𝑃𝐶𝑃𝑚𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑃𝑡𝐶
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
𝐵𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑃 𝑀𝐶𝑚𝑃𝑃𝑡 𝑠𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚
∆𝑇 = 5 𝑠 𝑃𝑇 = 0.01 𝑠
𝑊𝐶𝑊𝑚𝑃𝑃 𝑅𝑚𝑃𝐶𝑃 𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑡𝑃𝑃𝑠
𝛼 = 1.92474 ∙ 108 𝑁𝑚 𝛽 = −0.2228
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝐷𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑚𝑃𝑃𝑡𝐶 𝐴𝑚𝑚𝑚𝑚𝑃𝑡𝐶
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
#2 Test per verificare l’adottabilità del modello in sistemi di controllo
𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑷𝑪𝑫𝑺𝑫𝒓𝒓𝑫 Estimated 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑪𝑺𝑺𝒓𝒓𝒅𝑭𝑫 Real
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑪𝑺𝑺𝒓𝒓𝒅𝑭𝑫 Real
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑷𝑪𝑫𝑺𝑫𝒓𝒓𝑫 Estimated 𝑁𝐶 − 𝑆𝑡𝑃𝑡𝑚𝐶𝑃𝑃𝑃𝑆 𝑊𝑚𝑃𝑃
𝐵𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑃 𝑀𝐶𝑚𝑃𝑃𝑡 𝑠𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚
∆𝑇 = 5 𝑠 𝑃𝑇 = 0.01 𝑠
𝑊𝐶𝑊𝑚𝑃𝑃 𝑅𝑚𝑃𝐶𝑃 𝑚𝑃𝑃𝑃𝑚𝑃𝑡𝑃𝑃𝑠
𝛼 = 1.92474 ∙ 108 𝑁𝑚 𝛽 = −0.2228
Test cases
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Agenda presentazione
• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”
• Descrizione Progetto ed Obiettivi della Ricerca
• La fenomenologia della fatica nelle Turbine Eoliche
• Le turbine eoliche
• Rotture a fatica
• Le principali tecniche di controllo adottate
• La previsione del Danno a Fatica in linea
• Analisi della letteratura
• Approccio classico
• Modello di previsione proposto per la stima in linea del comportamento a fatica
• Implementazione del modello in un ambiente di simulazione dinamica
• Test cases
• Conclusioni
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Conclusioni
• Il lavoro presenta uno strumento per la valutazione e la previsione in linea del comportamento a fatica e l’eventuale calcolo e previsione del danneggiamento associato.
• Questa procedura teorica è stata sviluppata in un ambiente di simulazione dinamica dedicato allo sviluppo di logiche di controllo (Simulink) al fine di verificare la possibilità di introdurla o nei modelli di simulazione dinamica di tipo multi corpo o, meglio, di realizzarne una versione fisica, sotto forma di scheda elettronica, tale da essere alloggiata in generatori reali per monitorarne il comportamento.
• Al fine di verificare la capacità di tale strumento di fornire segnali utili per il controllo attivo della fatica in turbine eoliche, sono stati analizzati due casi test: uno sperimentale ed uno numerico.
• Il risultato delle analisi e dei test ha dimostrato come tale strumento sia in grado di ottenere una previsione del danno ed in generale della fatica perfettamente in linea con quello che è il comportamento “reale”. Inoltre lo strumento fornisce segnali direttamente utilizzabili da qualsiasi tipo di controllore progettato per minimizzare il danno a fatica e quindi massimizzare la vita del generatore.
Sviluppi Futuri
• Progettare e realizzare la scheda elettronica che replica il tool sviluppato
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Sviluppi Futuri
Damage Evaluation Tool
Realizzazione di una scheda elettronica da montare sul generatore
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Conclusioni
• Il lavoro presenta uno strumento per la valutazione e la previsione in linea del comportamento a fatica e l’eventuale calcolo e previsione del danneggiamento associato.
• Questa procedura teorica è stata sviluppata in un ambiente di simulazione dinamica dedicato allo sviluppo di logiche di controllo (Simulink) al fine di verificare la possibilità di introdurla o nei modelli di simulazione dinamica di tipo multi corpo o, meglio, di realizzarne una versione fisica, sotto forma di scheda elettronica, tale da essere alloggiata in generatori reali per monitorarne il comportamento.
• Al fine di verificare la capacità di tale strumento di fornire segnali utili per il controllo attivo della fatica in turbine eoliche, sono stati analizzati due casi test: uno sperimentale ed uno numerico.
• Il risultato delle analisi e dei test ha dimostrato come tale strumento sia in grado di ottenere una previsione del danno ed in generale della fatica perfettamente in linea con quello che è il comportamento “reale”. Inoltre lo strumento fornisce segnali direttamente utilizzabili da qualsiasi tipo di controllore progettato per minimizzare il danno a fatica e quindi massimizzare la vita del generatore.
Sviluppi Futuri
• Progettare e realizzare la scheda elettronica che replica il tool sviluppato
• Verificare per via numerica e per via sperimentale la bontà del controllo che grazie a tale strumento è stato sviluppato assieme ai partner del PRIN (oggetto di un altro lavoro, al momento solo sottomesso a rivista)
Grazie per l’attenzione
F. Cianetti - Dynamic behavior of wind turbines. An on-board evaluation technique to monitor fatigue
Test cases – Analisi di sensibilità
Parametri
Danneggiamento cumulato Danneggiamento istantaneo
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑷𝑪𝑫𝑺𝑫𝒓𝒓𝑫 Estimated
𝑃𝑝 =𝑃𝐷𝑝𝑃𝑡
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑪𝑺𝑺𝒓𝒓𝒅𝑭𝑫 Real
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑷𝑪𝑫𝑺𝑫𝒓𝒓𝑫 Estimated
𝑨𝑺𝑺𝑪𝑫𝑭𝑭𝒅𝑫 𝑪𝑺𝑺𝒓𝒓𝒅𝑭𝑫 Real
∆𝑇 = 1 𝑠 𝑃𝑡 = 0.005 𝑠