Parametric estimation and control of a wind turbine

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lopez, Leonardo Gobbi
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/170493
Resumo: TCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.
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spelling Parametric estimation and control of a wind turbineAerogerador; energia elétrica; turbina eólicaWind turbines; Clean energy; Wind turbineTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.Um aerogerador é um tipo de gerador de energia elétrica que utiliza como fonte o vento. Sendo assim, uma fonte renovável de energia é, por isso, capaz de responder às necessidades do presente sem comprometer os recursos das gerações futuras. Isso faz da turbina eólica uma opção pertinente para gerar a energia elétrica do hoje e do amanhã. A participação da energia eólica na produção mundial tem aumentado constantemente, assim como a quantidade de estudos feitos no setor. Turbinas eólicas são atualmente um competidor de porte como solução para geração de energia graças ao seu preço cada vez menor e à sua alta eficiência. Gipsa-Lab, situado na "École nationale supérieure de l’énergie, de l’eau et de l’environnement"( Escola nacional superior de energia, água e meio ambiente) do "Institut National Polytechnique de Grenoble"(Instituto Nacional Politécnico de Grenoble), decidiu, portanto, ampliar o ensino feito na universidade abrangendo aerogeradores, buscando, então, aumentar os conhecimentos dos estudantes e facilitar a pesquisa no assunto. Para isso, com a ajuda de estudantes, o laboratório construiu um modelo reduzido de uma turbina para ser estudado antes da construção de outras três maquetes. O objetivo do trabalho desenvolvido foi de compreender e estudar a fundo o modelo em escala menor, obtendo informações quanto ao funcionamento da eólica para estimar o sistema e desenvolver uma lei de controle. Além disso, a turbina deve servir como trabalho prático para os alunos de engenharia e facilitar os estudos das próximas maquetes a serem construídas. Este relatório deve ser visto de duas maneiras: como relatório acadêmico e manual para os próximos utilizadores da maquete. O trabalho do estagiário Leonardo Gobbi Lopez começou a partir desse ponto. Já havia uma maquete construída da turbina, então sua primeira tarefa foi validar a construção. Ele realizou mudanças desta com a ajuda do corpo de trabalhadores do laboratório para melhorar a dinâmica do vento. A maquete é constituída de um túnel de vento, onde de um lado há um ventilador e do outro há duas hélices de um helicóptero miniatura acopladas a um gerador de corrente contínua. Quando o ventilador começa a girar, o vento é criado, fazendo a turbina se movimentar.É possível agir sobre o sistema mudando a corrente que entra no gerador e permite a geração de energia. Tal corrente funciona como freio na turbina reduzindo a velocidade angular. O estagiário começou adquirindo conhecimento dos coeficientes importantes para uma turbina eólica como a constante de força eletromotriz. Depois, ele calibrou as medidas e preparou a simulação com parâmetros mais relevantes fisicamente como o ângulo de pitch (ângulo da hélice da turbina em relação à direção do vento) e a velocidade do vento criada no túnel. Tudo isso foi feito baseando-se nas prováveis equações do sistema. Com os bons valores obtidos, Leonardo mediu diversas curvas de análise importantes a uma turbina eólica, como o coeficiente de potência em função da relação da velocidade de ponta para diferentes velocidades do vento e do ângulo de pitch. Após o fim das análises, o estagiário concentrou-se em obter uma lei de controle. Para isso, ele estimou o sistema utilizando como entrada de corrente uma sequência binária pseudoaleatória, que é mais robusta para medições. Depois ele utilizou minimos quadrados para estimar os parâmetros do sistema. Para o controle em si, foi obtida uma lei que não utiliza a medida de velocidade do vento. Para tal, foi calculado um observador de estados para estimar essa velocidade, baseando-a na velocidade angular da turbina e na corrente aplicada ao sistema. Depois se foi obtido um controle por realimentação de estados que busca manter o sistema em um ponto ótimo de geração de energia. Após a validação completa da lei de controle proposta por via de simulações, foise implementada tal lógica diretamente na turbina utilizando o software Simulink®em tempo real. Esse teste direto na planta permitiu concluir que a lei de controle obteve resultados satisfatórios, mantendo o sistema dentro de uma região ótima de geração de energia com uma boa estimação da velocidade do vento. O trabalho feito pelo estagiário chegou ao fim após esse ponto, mas com muitas outras opções a serem desenvolvidas na turbina, agora em aberto, graças aos esforços empreendidos durante este estágio. Outras técnicas podem ser utilizadas no futuro como controle preditivo ou robusto, por exemplo. O sistema é não linear, o que permite outro tipo de análise. O legado deste período de trabalho desenvolvido por Leonardo Gobbi Lopez pôde ser validado com um relatório completo que vai ajudar os próximos trabalhadores da maquete e os futuros aplicadores do pequeno aerogerador como ferramenta de ensino.Wind turbines are a fast growing niche of clean energy production throughout the world mainly because of their reduction of price and increase of efficiency. Based on this, much research and development is being made to further consolidate their market and their importance around the world. Given it can be used virtually anywhere there is enough wind, this kind of technology deserves to be more discussed and taught on undergraduate level. Gipsa-Lab’s close relation to the teachings done at ENSE3 of Grenoble Institute of Technology allowed the laboratory to be seen as a means to introduce students into the field of wind turbines. With that in mind, the Gipsa-Lab with the auxiliary help from students made the effort to build a small wind turbine pilot model to be studied prior to building more robust ones for practical work for future students. The work described in this paper starts from here onwards, where intern Leonardo Gobbi Lopez thoroughly studied the small wind turbine model while preparing it for measurements. After preparing the wind turbine the intern moved on to measuring important information from it such as commonly analyzed curves for wind turbines and coefficients to later advance over model estimation in order to pursue the development of a control law. A series of trials were made before reaching good system estimation, all steps described in detail in the course of the text. With the wind turbine model completely uncovered a control law was extracted, which achieved the objective of maintaining the wind turbine at a good efficiency peak and thus finalizing the interns task. This paper not only serves academic purposes but it can also be read as a manual for future workers with the small wind turbine model.Florianópolis, SC.Normey-Rico, Julio EliasUniversidade Federal de Santa CatarinaLopez, Leonardo Gobbi2016-11-21T19:00:32Z2016-11-21T19:00:32Z2016-11-21info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis42 f.application/pdfhttps://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/170493engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2016-11-21T19:00:32Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/170493Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732016-11-21T19:00:32Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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