Controle de tração em aerogeradores com asas cabeadas

Abstract

Este trabalho tem por objeto de estudo o controle de tração em aerogeradores com asas cabeadas, que fazem parte de uma tecnologia de geração eólica chamada Air- borne Wind Energy. Essa tecnologia busca extrair energia dos ventos em altitude elevada por meio de equipamentos suspensos no ar, como asas ou balões, e conecta- dos ao solo por cabos. Na configuração estudada, chamada pumping-kite, o cabo que conecta a unidade de voo com a unidade de solo transmite parte da força do vento para um gerador conectado em um carretel. O controle de tração é realizado pela unidade de solo para manter a tração no cabo dentro da faixa de operação definida. Neste trabalho, apresentam-se os fundamentos da tecnologia e as particularidades da configuração pumping-kite, trazendo modelos presentes na literatura e detalhando os principais componentes. São feitas considerações sobre as fases de operação do sistema e as trajetórias de voo que são utilizadas com frequência. Define-se uma es- trutura em cascata para o controlador de tração, propondo duas diferentes estratégias para a geração de referência na malha externa. Essa referência varia constantemente devido às características cíclicas da trajetória de voo. Desenvolve-se um modelo sim- ples para o cabo, tratando-o como um elemento de mola, que é utilizado para o projeto de um controlador por realimentação de estados na malha interna. Implementa-se um controlador de voo a partir da literatura, que é necessário para a operação do sistema completo. São feitas simplificações no algoritmo de voo, para facilitar sua implementa- ção, sem prejudicar sua exatidão. Prepara-se um ambiente de simulação, composto pelo controlador de tração, desenvolvido em GNU Octave, pelo controlador de voo, desenvolvido em C, e pelo simulador Freekitesim, um software livre que simula um sistema na configuração pumping-kite. Realizam-se simulações com velocidade de desenrolamento imposta (sem dinâmica), para verificar a aplicabilidade da velocidade ótima teórica, definida pelo modelo apresentado, no sistema simulado. Os resultados indicam que a velocidade de desenrolamento que maximiza a potência gerada é menor que a ótima teórica, e corroboram observações realizadas por outros autores que já sugerem isso. Considerando esses resultados, é aplicado um fator de correção nas estratégias de geração de referência de tração para que a velocidade de desenro- lamento resultante seja proporcionalmente reduzida. Realizam-se então simulações para o sistema com o controle de tração desenvolvido em condições normais de ope- ração e com perturbações na velocidade do vento. Os resultados indicam que ambas às estratégias propostas para geração de referência são capazes de manter a tração dentro dos limites definidos enquanto rejeitam as perturbações na velocidade do vento. Além disso, o desenrolamento resultante mantém-se em torno do valor ótimo corrigido, indicando que o potencial de geração de energia é semelhante ao de um sistema com velocidade de desenrolamento controlada.

Abstract: This work concerns the traction force control on tethered wings generators, which are part of Airborne Wind Energy technology. This technology aims to extract energy from high altitude winds by means of airborne equipment, such as wings and balloons, tethered to the ground. In the studied configuration, called pumping-kite, the cable that connects the flight unit to the ground unit transfers some of the wind force to a generator linked to a drum. The traction force control is made by the ground unit in order to keep the tether traction inside operation defined bounds. In this work the fundamentals of this technology are presented along with the characteristics of the pumping-kite configuration, showing models found in literature and detailing the most relevant components. Considerations are made on the system operation phases as well as on the flight trajectories which are frequently employed. A cascade based structure is defined for the traction force controller, and two different strategies are proposed for the outer-loop reference generation. This reference is constantly changing due to the cyclic characteristics of the flight trajectory. A simple model for the tether is developed, in which the cable is a spring element, and is used on the inner-loop controller project by state feedback. A flight controller is implemented from literature works, which is required for the full system operation. The flight algorithm is simplified, to ease its implementation, without loss of accuracy. A simulation environment is prepared, composed by the traction force controller, developed in GNU Octave, the flight controller, developed in C, and by Freekitesim simulator, an opensource software that simulates a pumping-kite system. Simulations are made with imposed reel-out speed, to verify the applicability of the optimum reel-out speed, as defined on the presented model, in the simulated system. The results indicate that the reel-out speed at which maximum power is generated is lower than the optimum, and these results are aligned with similar findings of other authors. With these results in mind, a correction factor is applied in the proposed strategies for traction reference generation such that the resulting reel- out speed is reduced proportionally. Simulations are then made for the system with the developed traction controller in normal operating conditions and with disturbances in the wind speed. The results indicate that both proposed strategies for reference generation are able to keep the traction force inside the defined bounds while rejecting disturbances in the wind speed. Also, the resulting reel-out speed is kept near the corrected optimum value, which indicates a generation potential similar to that of a reel-out speed controlled system.