Controle Extremum Seeking aplicado a aerogeradores de 4,2 MW

Abstract

A demanda crescente por fontes de energia renovável tem impulsionado o avanço tecnológico na energia eólica, incluindo o desenvolvimento de sistemas de controle avançados, que melhoram a eficiência e performance dos aerogeradores em campo. Com a extensa vida útil de operação, que chega a 20 anos, é esperado que a performance da turbina ao longo do tempo decline, devido à degradação dos componentes da máquina. Especialmente, a pá do rotor sofre erosão em sua superfície, causada por água, pó e areia. Esta degradação da máquina causa uma redução na produção anual de energia (AEP), impactando negativamente no custo do aerogerador no mercado, além de aumentar a probabilidade de multas contratuais causadas por potência gerada abaixo da contratada pelo cliente. Neste contexto, visando também aumentar a competitividade tecnológica no mercado, o presente trabalho apresenta o Extremum Seeking Control (ESC), um método de controle adaptativo do tipo perturbe e observe, baseado na busca por extremos, que ajusta continuamente os parâmetros da turbina para maximizar a extração de energia. Simulações pelo software Simulink foram conduzidas para avaliar a eficácia do controle, considerando diferentes níveis de integridade do rotor e replicando condições reais de operação. Os resultados demonstram que a aplicação do ESC mitiga os efeitos da degradação do aerogerador, aumentando a captura de potência em velocidades de vento abaixo da nominal.

The growing demand for renewable energy sources has driven technological advancement in wind energy, including the development of advanced control systems that improve the efficiency and performance of wind turbines in the field. With the long operating life of up to 20 years, turbine performance is expected to decline over time due to degradation of machine components. In particular, the rotor blade suffers erosion on its surface, caused by water, dust and sand. This degradation of the machine causes a reduction in annual energy production (AEP), negatively impacting the cost of the wind turbine in the market, in addition increases the probability of contractual fines caused by generated power below customer requirements. In this context, also aiming to enhance technological competitiveness in the market, this study presents the Extremum Seeking Control (ESC), a perturb-and-observe adaptive control method based on extremum seeking, which continuously adjusts the turbine parameters to maximize energy extraction. Simulations using Simulink software were conducted to evaluate the effectiveness of the control, considering different levels of rotor integrity and replicating real operating conditions. The results demonstrate that the application of ESC mitigates the effects of wind turbine degradation, increasing power capture at below rated wind speeds.