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dc.creatorHübner, Guilherme Ricardo
dc.date.accessioned2024-09-10T15:04:32Z
dc.date.available2024-09-10T15:04:32Z
dc.date.issued2024-03-22
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/33005
dc.description.abstractPolicies aimed at reducing carbon dioxide emissions receive widespread promotion in environmentally focused campaigns, leading to a significant surge in renewable energy generation. To enhance the wind energy sector’s appeal and profitability, research interest in developing methods for monitoring wind turbine conditions has been steadily growing. This study proposes a solution for detecting rotor imbalances in wind turbines resulting from blade mass or aerodynamic imbalances. Developing this solution required an investigation into which operational signals of the wind turbine are affected when a rotor imbalance occurs. This investigation relied on results obtained through simulation software and analyses of mathematical models of wind turbines. The OpenFAST software was employed for simulations, comprising structural, aerodynamic, electrical, and control models of the wind turbine. To generate wind time series, the TurbSim software, also developed by NREL, was used. It is important to mention that OpenFAST allows integration with Simulink, a Matlab tool, where control loops for maximum power point tracking (MPPT) and power limitation regions were developed. To manage and automate simulations and create a database, a Python application was developed to manipulate OpenFAST and TurbSim files. This application conducts simulations under various wind scenarios and rotor imbalance conditions. Analysis of simulations and mathematical models of the wind turbine revealed that mass and aerodynamic imbalances affect translational accelerations of the nacelle’s inertial units. The nacelle’s translational acceleration in the ys axis direction is more significantly disturbed by aerodynamic imbalance, while acceleration along the xs axis is similarly affected by both mass and aerodynamic imbalances. For automated rotor imbalance detection, two artificial intelligence techniques were employed for comparison. The first technique involved statistical descriptors of accelerations and wind speed, which were used to generate images. These images are fed into a convolutional neural network (CNN) for training and prediction. The second method utilized accelerations in the frequency domain, focusing on frequencies near 1p. In this case, a support vector machine (SVM) was used for training and prediction of rotor conditions. Additionally, this study introduces an innovative approach by incorporating the use of Generative Adversarial Networks (GANs) for domain adaptation. This strategy aims to make the rotor imbalance detection method highly adaptable to different wind turbine models. The significant advantage of GANs lies in their capacity to adapt the detection model without requiring a complete algorithm overhaul, making it efficient and practical for different models. Finally, a practical solution for implementing the technique in wind farms is proposed by integrating it into a management system that enables continuous monitoring, real-time detection, and predictive maintenance, contributing to optimized performance and integrity of industrial-scale wind farms.eng
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpor
dc.languageporpor
dc.publisherUniversidade Federal de Santa Mariapor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/*
dc.subjectSistema de monitoramento de condiçõespor
dc.subjectDesequilíbrio em rotores de aerogeradorespor
dc.subjectAdaptação de domíniopor
dc.subjectTécnicas de inteligência artificialpor
dc.subjectCondition monitoring systemseng
dc.subjectWind turbines rotor imbalanceeng
dc.subjectAdaptation domaineng
dc.subjectArtificial intelligence techniqueseng
dc.titleDiagnóstico automático de desbalanceamento em rotores de aerogeradores utilizando técnicas de inteligência artificialpor
dc.title.alternativeAutomatic diagnosis of imbalance in wind turbine rotors using artificial intelligence techniqueseng
dc.typeTesepor
dc.description.resumoPolíticas de redução das emissões de dióxido de carbono são amplamente promovidas em campanhas com foco ambiental. Esse impulso tem gerado um aumento significativo na geração de energia por meio de fontes renováveis. Para tornar o setor eólico mais atrativo e rentável, tem havido um crescente interesse em pesquisas voltadas para o desenvolvimento de métodos de monitoramento das condições dos aerogeradores. Este trabalho apresenta uma proposta para o desenvolvimento de uma solução destinada a detectar desequilíbrios nos rotores de aerogeradores, causados por desequilíbrios de massa das pás ou aerodinâmicos. A elaboração dessa solução demandou investigar quais sinais operacionais do aerogerador são impactados quando há um desequilíbrio no rotor. Essa investigação foi realizada com base nos resultados obtidos por meio de softwares de simulação e análises de modelos matemáticos de turbinas eólicas. O OpenFAST foi usado para simulações abrangendo modelos estruturais, aerodinâmicos, elétricos e de controle do aerogerador. O software TurbSim foi usado para gerar séries temporais de vento. O OpenFAST integra-se com o Simulink do Matlab, onde foram desenvolvidas as malhas de controle para rastreamento do ponto máximo de potência e limitação de potência. A fim de gerenciar e automatizar as simulações, bem como criar um banco de dados, foi desenvolvida uma aplicação em linguagem Python que manipula os arquivos do OpenFAST e TurbSim. Esta aplicação executa simulações em diferentes cenários de vento e condições de desequilíbrio do rotor. Analisando as simulações e os modelos matemáticos da turbina eólica, observou-se que as acelerações translacionais das unidades inerciais da nacele são afetadas pelos desequilíbrios de massa e aerodinâmicos. A aceleração translacional da nacele na direção do eixo ys é mais intensamente perturbada pelo desequilíbrio aerodinâmico, enquanto a aceleração ao longo do eixo xs é afetada de forma semelhante por ambos os desequilíbrios (massa e aerodinâmico). Para a detecção automática dos desequilíbrios do rotor, foram empregadas duas técnicas de inteligência artificial para comparação. A primeira técnica envolveu descritores estatísticos das acelerações e da velocidade do vento, que foram utilizados para gerar imagens. Essas imagens alimentaram uma rede neural convolucional (CNN) no processo de treinamento e predição. O segundo método utilizou as acelerações no domínio da frequência, com foco nas frequências próximas de 1p. Nesse caso, a máquina de vetor de suporte (SVM) foi empregada para treinamento e predição das condições do rotor. Além disso, este trabalho propõe uma abordagem inovadora ao incorporar o uso de redes neurais Adversárias Generativas (GAN) para a adaptação de domínio. Essa estratégia tem o objetivo de tornar o método de detecção de desequilíbrio do rotor altamente adaptável a diferentes modelos de aerogeradores. A vantagem significativa das GANs reside na capacidade de adaptar o modelo de detecção sem a necessidade de uma revisão completa do algoritmo, tornando-o eficiente e prático para uma variedade de modelos. Por fim, o autor propõe uma solução prática para a implementação da técnica em parques eólicos, integrando-a a um sistema de gerenciamento que permite o monitoramento contínuo, detecção em tempo real e manutenção preditiva, contribuindo para o desempenho otimizado e a integridade de parques eólicos em escala industrial.por
dc.contributor.advisor1Pinheiro, Humberto
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5900576762082210por
dc.contributor.referee1Souza, Carlos Eduardo de
dc.contributor.referee2Franchi, Claiton Moro
dc.contributor.referee3Dias, João Paulo
dc.contributor.referee4Bernardes, Thiago Araújo
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5375025720580171por
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentEngenharia Elétricapor
dc.publisher.initialsUFSMpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétricapor
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICApor
dc.publisher.unidadeCentro de Tecnologiapor


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