A small wind generation system to the on-board control unit of an awe system

Abstract

Essa dissertação de mestrado aborda o projeto de um sistema de geração eólica, desenvolvido para fornecer energia ao control pod de um sistema pumping kite, uma das configurações mais populares dentre os sistemas AWE (Airborne Wind Energy). O control pod é a unidade responsável pelo controle da trajetória do aerofólio por meio da manipulação dos seus cabos de comando. A ausência de um sistema para carregar as baterias do control pod é um dos desafios que impedem esta tecnologia de se tornar um produto comercialmente viável. Com este sistema a construção de um protótipo que permita uma operação contínua seria possível e testes a longo prazo que atestem a robustez do sistema poderiam ser realizados. O trabalho apresenta o projeto de todos os componentes que fazem parte da turbina eólica de pequeno porte desenvolvida, sendo estes o rotor, que é o elemento que realiza a transformação da energia cinética do vento em energia mecânica, o gerador, responsável por realizar a conversão da energia mecânica em potência elétrica, o retificador e conversor CC-CC, responsáveis respectivamente por retificar a tensão senoidal trifásica da saída do gerador e controlar a tensão retificada, um sistema de armazenamento por baterias e os sensores necessários para a operação do sistema. Além disso, três técnicas de rastreamento de potência (MPPT) são apresentadas: optimal tip-speed ratio control (OTSR), power signal feedback (PSF) e perturba e observa (P\&O). O trabalho aborda também o projeto de outros elementos necessários para realização dos testes, como uma placa de aquisição de dados que é utilizada para medir as principais variáveis de interesse e implementar o controle do conversor. Para a realização de simulações, um método para modelagem do rotor utilizando dados experimentais e o algoritmo mínimos quadrados é proposto. A modelagem dos outros elementos do sistema também é discutida. Dois métodos de MPPT foram testados utilizando modelos de simulação, o OTSR e o PSF. Testes experimentais com o protótipo construído foram realizados em um túnel de vento e resultados experimentais obtidos com a implementação do método P\&O são apresentados.

Abstract : This master thesis deals with the design of a wind power system developed to provide energy to the control pod of a pumping kite system, one of the most popular AWE (Airborne Wind Energy) configurations so far. The control pod is the unit responsible for manipulating the airfoil steering tethers in order to control its flight. Having a system to charge the batteries embedded in the control pod is still one of the challenges that withstands against this technology to become a commercially viable product. Such charging system would allow to build a pumping kite prototype that can operate continuously and perform long term experiments to attest its robustness. This work presents the design of all elements used to build the developed wind turbine, beginning with the rotor, the element that converts the wind kinetic energy into mechanical energy, the generator, responsible for converting the mechanical energy into electric power, the rectifier and the DC-DC converter, respectively responsible to rectify the generator three-phase sinusoidal output voltage into DC voltage and control the rectified voltage, a battery storage system and the sensors needed to operate the system. Besides that, three maximum power point tracking (MPPT) methods are shown: optimal tip-speed ratio control (OTSR), power signal feedback (PSF) and perturb and observe (P\&O). This work also deals with the design of further elements necessary to the experimental tests realization, such as an acquisition board used to measure the most important quantities and implement the converter control. To allow the realization of simulation tests a method that uses experimental data and the least squares algorithm to model the rotor is proposed. Methods to model the other system components are also discussed. OTSR and PSF MPPT methods were evaluated by using simulation models. Experiments with the built prototype were conducted in a wind tunnel and experimental results obtained with the P\&O MPPT method are presented.