Analyse et contrôle des parcs éoliens flottants pour la maximisation de la puissance produite via la relocalisation des plateformes en temps réel

Jard, Timothé (2023). Analyse et contrôle des parcs éoliens flottants pour la maximisation de la puissance produite via la relocalisation des plateformes en temps réel. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Alors que la capacité éolienne offshore pourrait considérablement augmenter dans les années à venir, les éoliennes flottantes devraient contribuer de manière significative à la future capacité mondiale installée. Cependant, les éoliennes flottantes font face à plusieurs problématiques induites par l'excitation du vent et des vagues pouvant entraîner une réponse structurelle excessive et éventuellement, une défaillance. De plus, les interactions aérodynamiques entre les éoliennes d’un même parc diminuent la production d'énergie globale tout en endommageant les turbines en aval.

Dans cette étude, un contrôleur basé sur la commande prédictive (MPC) est conçu, capable de repositionner les plateformes des éoliennes flottantes pour atteindre des positions cibles prédéfinies et de réguler leur production de puissance tout en assurant leur stabilité structurelle. La stratégie de contrôle adoptée repose sur la manipulation directe de la force de poussée et n’utilise que les entrées de contrôle conventionnelles présentes sur la majorité des modèles d’éoliennes, sans nécessiter d’actionneurs supplémentaires. Le contrôleur proposé tient également compte des perturbations environnementales et satisfait les contraintes du système pour assurer de bonnes performances et une opération en toute sécurité des éoliennes flottantes.

Le contrôle de la position se fait alors sur deux niveaux. Dans un premier temps, une unique éolienne flottante a été considérée afin d’évaluer la capacité du contrôleur à répondre aux objectifs établis. Ensuite, un parc éolien flottant a été pris en compte afin d’évaluer l’apport du repositionnement des turbines sur la production totale du parc et sur l’atténuation de l’effet de sillage. Les résultats des simulations ont alors montré la capacité du contrôleur à réguler avec précision la position et la puissance d’une éolienne flottante tout en assurant sa stabilité structurelle, et ce, en présence de perturbations extérieures. Les résultats ont également mis en évidence le potentiel apporté par le repositionnement des turbines pour l’atténuation de l’effet de sillage ainsi que pour la maximisation et le contrôle de la puissance produite au sein d’un parc composé de trois éoliennes flottantes.

Titre traduit

Analysis and control of floating wind farms for the maximization of power production via real-time platform relocation

Résumé traduit

As offshore wind capacity is expected to increase substantially in the coming years, floating wind turbines are anticipated to make a significant contribution to the global installed capacity. However, floating wind turbines face several issues induced by wind and wave excitations that can lead to excessive structural response and eventually failure. Moreover, aerodynamic interactions between the wind turbines within a wind farm reduce the overall energy production while damaging downstream turbines.

In this study, a Model Predictive Control (MPC)-based controller is designed, capable of repositioning the floating wind turbine platforms to achieve predefined target positions and regulate their power production while ensuring their structural stability. The adopted control strategy relies on the direct manipulation of the thrust force and only utilizes the conventional control inputs which are available on most wind turbine models, without requiring additional actuators. The proposed controller also accounts for the environmental disturbances and satisfies the system constraints to ensure a good performance and safe operation of the floating wind turbines.

The position control is then carried out on two levels. Firstly, a single floating wind turbine was considered to evaluate the controller's ability to meet established objectives. Secondly, a floating wind farm was examined to assess the contribution of turbine repositioning on the overall production of the wind farm and on the mitigation of wake effect. The simulation results demonstrated the controller's ability to accurately regulate the position and power output of a floating wind turbine while ensuring its structural stability in the presence of external disturbances. Furthermore, the results emphasized the potential advantages that can be achieved through turbine repositioning, such as mitigating the wake effects and optimizing the power output in a wind farm composed of three floating wind turbines.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 135-145).
Mots-clés libres:	énergie éolienne offshore, éolien flottant, contrôle de la position, commande prédictive, effet de sillage
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Snaiki, Reda
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	07 sept. 2023 17:58
Dernière modification:	07 sept. 2023 17:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3270

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