Fault detection and fault tolerant control in wind turbines

Abstract

Renewable energy is an important sustainable energy in the world. Up to now, as an essential part of low emissions energy in a lot of countries, renewable energy has been important to the national energy security, and played a significant role in reducing carbon emissions. It comes from natural resources, such as wind, solar, rain, tides, biomass, and geothermal heat. Among them, wind energy is rapidly emerging as a low carbon, resource efficient, cost effective sustainable technology in the world. Due to the demand of higher power production installations with less environmental impacts, the continuous increase in size of wind turbines and the recently developed offshore (floating) technologies have led to new challenges in the wind turbine systems.Wind turbines (WTs) are complex systems with large flexible structures that work under very turbulent and unpredictable environmental conditions for a variable electrical grid. The maximization of wind energy conversion systems, load reduction strategies, mechanical fatigue minimization problems, costs per kilowatt hour reduction strategies, reliability matters, stability problems, and availability (sustainability) aspects demand the use of advanced (multivariable and multiobjective) cooperative control systems to regulate variables such as pitch, torque, power, rotor speed, power factors of every wind turbine, etc. Meanwhile, with increasing demands for efficiency and product quality and progressing integration of automatic control systems in high-cost and safety-critical processes, the fields of fault detection and isolation (FDI) and fault tolerant control (FTC) play an important role. This thesis covers the theoretical development and also the implementation of different FDI and FTC techniques in WTs. The purpose of wind turbine FDI systems is to detect and locate degradations and failures in the operation of WT components as early as possible, so that maintenance operations can be performed in due time (e.g., during time periods with low wind speed). Therefore, the number of costly corrective maintenance actions can be reduced and consequently the loss of wind power production due to maintenance operations is minimized. The objective of FTC is to design appropriate controllers such that the resulting closed-loop system can tolerate abnormal operations of specific control components and retain overall system stability with acceptable system performance. Different FDI and FTC contributions are presented in this thesis and published in different JCR-indexed journals and international conference proceedings. These contributions embrace a wide range of realistic WTs faults as well as different WTs types (onshore, fixed offshore, and floating). In the first main contribution, the normalized gradient method is used to estimate the pitch actuator parameters to be able to detect faults in it. In this case, an onshore WT is used for the simulations. Second contribution involves not only to detect faults but also to isolate them in the pitch actuator system. To achieve this, a discrete-time domain disturbance compensator with a controller to detect and isolate pitch actuator faults is designed. Third main contribution designs a super-twisting controller by using feedback of the fore-aft and side-to-side acceleration signals of the WT tower to provide fault tolerance capabilities to the WT and improve the overall performance of the system. In this instance, a fixed-jacket offshore WT is used. Throughout the aforementioned research, it was observed that some faults induce to saturation of the control signal leading to system instability. To preclude that problem, the fourth contribution of this thesis designs a dynamic reference trajectory based on hysteresis. Finally, the fifth and last contribution is related to floating-barge WTs and the challenges that this WTs face. The performance of the proposed contributions are tested in simulations with the aero-elastic code FAST.

La energía renovable es una energía sustentable importante en el mundo. Hasta ahora, como parte esencial de la energía de bajas emisiones en muchos países, la energía renovable ha sido importante para la seguridad energética nacional, y jugó un papel importante en la reducción de las emisiones de carbono. Proviene de recursos naturales, como el viento, la energía solar, la lluvia, las mareas, la biomasa y el calor geotérmico. Entre ellos, la energía eólica está emergiendo rápidamente como una tecnología sostenible de bajo carbono, eficiente en el uso de los recursos y rentable en el mundo. Debido a la demanda de instalaciones de producción de mayor potencia con menos impactos ambientales, el aumento continuo en el tamaño de las turbinas eólicas y las tecnologías offshore (flotantes) recientemente desarrolladas han llevado a nuevos desafíos en los sistemas de turbinas eólicas. Las turbinas eólicas son sistemas complejos con grandes estructuras flexibles que funcionan en condiciones ambientales muy turbulentas e impredecibles para una red eléctrica variable. La maximización de los sistemas de conversión de energía eólica, los problemas de minimización de la fatiga mecánica, los costos por kilovatios-hora de estrategias de reducción, cuestiones de confiabilidad, problemas de estabilidad y disponibilidad (sostenibilidad) exigen el uso de sistemas avanzados de control cooperativo (multivariable y multiobjetivo) para regular variables tales como paso, par, potencia, velocidad del rotor, factores de potencia de cada aerogenerador, etc. Mientras tanto, con las crecientes demandas de eficiencia y calidad del producto y la progresiva integración de los sistemas de control automático en los procesos de alto costo y de seguridad crítica, los campos de detección y aislamiento de fallos (FDI) y control tolerante a fallos (FTC) juegan un papel importante. Esta tesis cubre el desarrollo teórico y también la implementación de diferentes técnicas de FDI y FTC en turbinas eólicas. El propósito de los sistemas FDI es detectar y ubicar las degradaciones y fallos en la operación de los componentes tan pronto como sea posible, de modo que las operaciones de mantenimiento puedan realizarse a su debido tiempo (por ejemplo, durante periodos con baja velocidad del viento). Por lo tanto, se puede reducir el número de costosas acciones de mantenimiento correctivo y, en consecuencia, se reduce al mínimo la pérdida de producción de energía eólica debido a las operaciones de mantenimiento. El objetivo de la FTC es diseñar controladores apropiados de modo que el sistema de bucle cerrado resultante pueda tolerar operaciones anormales de componentes de control específicos y retener la estabilidad general del sistema con un rendimiento aceptable del sistema. Diferentes contribuciones de FDI y FTC se presentan en esta tesis y se publican en diferentes revistas indexadas a JCR y en congresos internacionales. Estas contribuciones abarcan una amplia gama de fallos WTs realistas, así como diferentes tipos de turbinas (en tierra, en alta mar ancladas al fondo del mar y flotantes). El rendimiento de las contribuciones propuestas se prueba en simulaciones con el código aeroelástico FAST.