Rüzgar Türbin Laboratuvarı: Daimi Mıknatıslı Senkron Generatörlü Rüzgar Türbini Modellenmesi ve Simülasyonu

Transkript

1 6 th Internatonal Avance Technologes Symposum (IATS ), 6-8 May 0, Elazığ, Turkey Rüzgar Türbn Laboratuvarı: Dam Mıknatıslı Senkron Generatörlü Rüzgar Türbn Moellenmes ve Smülasyonu S. ĠĢcan ve ġ. DemrbaĢ Snop Ünverstes, Snop/Türkye, Gaz Ünverstes, Ankara/Türkye, Wn Turbne Labaratory: Moelng an Smulaton of Wn Turbne wth Permanent Magnet Synchronous Generator Abstract In ths paper, a wn turbne laboratory has been evelope by usng Matlab/Smulnk. Realze laboratory has a lbrary conssts of horzontal axs wn turbne, permanent magnet synchronous generator (PMSG), AC/DC converter an DC/AC nverter. When wn turbne moel s smulate, necessary blocks from ths lbrary are rugge to the new Smulnk page then system wll be constructe. Develope laboratory s useful tool for wn turbne eucaton as well as smulaton of wn turbne before constructng the system. Keywors Wn turbne, ptch control, permanent magnet, synchronous generator (PMSG), SC, PWM. G I. GĠRĠġ eçmģte elektrk enerjs üretmne hrolk, oğal gaz, petrol, maenler, jeotermal, byokütle, lonfll (çöp atıkları) gb kaynaklar kullanılırken, günümüze güneģ ve güneģ kaynaklı (ısı, ıģık enerjs, enz alga, rüzgâr enerjs vb.) yenleblr enerj kaynakları aktf olarak kullanılmaktaır. 009 yılı sonu tbaryle Türkye e elektrk üretm oranı yüzelerne bakılığına % 80 termk kaynaklı üretm ve % 0 hrolk, rüzgâr ve jeotermal kaynaklı üretm oluğu görülmekter[]. Dünya elektrk enerjs üretmne rüzgâr enerjs kullanım oranı her geçen yıl artmaktaır. Bu neenle rüzgâr enerjsnen elektrk enerjs ele etmee kullanılan rüzgar türbnlernn eğtm e büyük önem arz etmekter. Rüzgâr türbnlernn eğtmne teork anlatımın yanına uygulamalı eğtmn verlmes eğtmn aha kalıcı olmasını sağlamaktaır. Ancak günümüze rüzgâr türbnlernn malyetnn yüksek olması ve her bölgenn rüzgâr türbn çn uygun olmaması neenyle uygulama kısmının gerçekleģtrlmes tam olarak mümkün olmamaktaır. Bu neenle rüzgâr türbnlernn eğtmne smülasyon programlarının kullanılması önem arz etmekter. Rüzgâr türbnlernn gerçek zamanlı smülasyonları ve analzler çn Matlab/Smulnk, DgSILENT, PSS/E, EMTDC, Saber vb. programlar kullanılmaktaır [-8]. Bu çalıģmaa, rüzgâr türbn sstemlernn tasarımının yüksek malyetl olması neenyle, blgsayar ortamına eğtsel faalyetler çn Matlab/Smulnk programı yarımıyla rüzgar enerjs le elektrk üretm sstemlerne kullanılan yatay eksenl rüzgâr türbn, am mıknatıslı senkron generatör (DMSG) ve güç elektronğ evrelernn matematksel moeller kullanılarak oluģturulan Matlab/Smulnk moellern eğtm amaçlı smülasyonları gerçekleģtrlmģtr. II. RÜZGAR TÜRBĠNĠ MODELLENMESĠ Rüzgâr türbnler; rüzgâra mevcut olan knetk enerjy mekank enerjye önüģtüren mekank sstemler olarak tanımlanablr. Rüzgâr türbnler yeryüzüne konumlanırılıģ eksenler, hızları ve hız kontrol sstemlernn kombnasyonu le üretlmekter. Yeryüzüne tam paralel olarak tasarlanan rüzgâr türbnlerne yatay eksenl rüzgâr türbnler (YERT), yeryüzüne key konumlanırılanlarına se key eksenl rüzgâr türbnler (DERT) enlmekter. Yapılan lteratür taramasına YERT lern aha çok terch elğ belrlenmģtr. YERT lern genelne aet kanat 0 matematk açı farkı le kanat merkezne sabtlenrler. EĢt güçlü sstemlere kanat uzunluğu arttıkça atalet momentnn artması neenyle türbn evr sayısı üģmekter. Büyük güçlü türbnlern öner evr sayıları 8-0 / cvarınaır. DüĢük hızlara yüksek tork ele eleblmekte, Ģl kutusuna aktarılan öner evr hızı yükseltlerek br ml yarımı le generatör mlne aktarılmaktaır. Rüzgarın knetk enerjsnen ele eleblecek mekank enerj önüģümüne; kanatlar, kanatların bleģm sonucu oluģan rotor, rotorun bağlı bulunuğu br ml ve Ģl kutusu görev almaktaır. Rüzgâran ele elen knetk enerj; kanat çapı (uzunluğu) (R), br kanatın tam tur önmesyle oluģan 4

2 S. İşcan, Ş. Demrbaş rotor süpürme alanı (A), havanın yoğunluğu (ρ), tepe uç hız oranı (λ) ve kanat açısı (ß), (λ,ß) ya bağlı performans katsayısı (Cp), ve rüzgarın hızı () nn çarpımı le hesaplanır. Temel knetk enerj enklemnen yola çıkılarak rüzgâran ele knetk enerj hesabı Denklem (-7) e fae elmekter. Gerekl olan uç hız oranı enklem: (7) c c 6 sabt katsayılar: 0,576, 6, 0,4, 5, ve 0,0068. Denklem (-7) MATLAB/Smulnk ortamına üzenlenerek YERT moel oluģturulmuģtur. Kullanılan bloklar ġekl () e, maske elmģ YERT Moel se ġekl () te gösterlmekter. (a) (b) ġekl. (a) Dkey eksenl (b) Yatay eksenl rüzgar türbn. Kütle ve hıza bağlı knetk enerj enklem: E. m. () Denklem () e m kütley, se hızı temsl etmekter. AkıĢkan yoğunluğuna bağlı oluģan knetk enerj enklem: ġekl. YERT Moel Blokları. E k.. () () Denklem () e ρ faes akıģkanın yoğunluğuna karģılık gelmekter. AkıĢkanların belrl hız le belrl br alan çersnen geçerken oluģturuğu enerj akıģ oranına (A.) le oğru orantılıır. Bu yüzen br alan çersnen geçen belrl br hızınak rüzgârın güç enklem: P r.. A. () Türbnn performansı ( C ) ye bağlı YERT en ele elen mekank güç enklem: p P. A m C p (, ).. r (4) Kanatların süpürme alanı: (5) A.R (5) (6) ġekl. Maske ElmĢ olan YERT Moel. Türbn performans katsayısı olan C, çn kullanılan genel enklem [9]: 5 c Cp(, ) c.( c. c4). e c6. p c y moellemek (6) Moel kullanıcısı oluģturulan moel üzerne tıklayarak parametre grģ ekranı sayesne blgsayar ortamına rüzgâr turbn parametrelern steğ oğrultusuna eğģtrerek farklı parametreler le çıkıģ snyallern gözlemleyeblmekter. Parametre grģ ekranı ġekl (4) te gösterlmekter. 4

3 Rüzgar Türbn Laboratuvarı: Dam Mıknatıslı Senkron Generatörlü Rüzgar Denklem (8-9-0) MATLAB/Smulnk ortamına üzenlenerek DMSG moel oluģturulmuģtur. Kullanılan bloklar ġekl (5) te; maske elmģ DMSG Moel se ġekl (6) a gösterlmekter. ġekl 5. DMSG Moel Blokları. ġekl 4. YERT Moel çn Parametre GrĢ Ekranı. III. DAĠMĠ MIKNATISLI SENKRON GENERATÖRÜN MODELLENMESĠ Rüzgar türbn sstemler le elektrk üretmne genellkle asenkron ve senkron generatörler terch elmekter. Asenkron generatörler; kısa evre rotorlu (sncap kafesl), rotoru sargılı asenkron generatörler olarak blnmekter. Senkron generatörler se rotoru sargılı ve am mıknatıslı senkron generatörler (DMSG) olarak lteratüre yern almıģtır. Bu bölüme senkron generatör olan am mıknatıslı senkron generatörün matematk enklemler çıkarılarak MATLAB/ Smulnk ortamına moel oluģturulmuģtur. DMSG moellenrken k eksenl () enklem terch elmģtr. DMSG ye at -eksen matematk moel enklem (8-9) a verlmekter. ġekl 6. Maske ElmĢ olan DMSG Moel. Moellenen PMSG parametreler kullanıcı steğne göre ġekl (7). e gösterlen PMSG Moel Parametre GrĢ Ekranı üzernen eğģtrleblmekter. t L R s L e u (8) t Rs el 0 L u (9) Buraa L, L ve eksen enüktansı; R stator renc; s, ve eksen akımı; generatör açısal hızı; e se 0 sabt mıknatıs manyetk akısını fae etmekter. DMSG ye at -eksen tork eģtlğ enklem (0) a verlmekter. Te p L L 0 (0) Buraa Te elektromekank torku; p se kutup sayısını fae etmekter. ġekl 7. DMSG Moel çn Parametre GrĢ Ekranı. 4

4 S. İşcan, Ş. Demrbaş I. GÜÇ ELEKTRONĠĞĠ DERELERĠNĠN MODELLENMESĠ A. Gerlm Kontrollü Evvrler Rüzgâr türbn sstemlerne üretlen elektrk enerjs güç, gerlm ve frekans önüģümlerne gerlm kontrollü evrcleren (GKE) fayalanılmaktaır. ÇalıĢmaa fazlı oğrultucu olarak kullanılan GKE, fazlı evrc olarak kullanılan GKE alı güç elektronğ evresne at Ģema ġekl (8) e gösterlmekter. ġekl 9. Maske ElmĢ GKE Moel ġekl 8. Gerlm Kontrollü Evrler. Br GKE y Smulnk te moellemeen önce br DA baranın moellenmes gerçekleģtrlmek stenğne; konansatör bağlı br DA bara çn matematksel fae: DC C C t Yılız bağlı ve GKE le brlkte kullanılan generatörün bağlantı termnalnen alınan gerlmlern DA bara gerlmne bağlı gerlm eģtlkler ve anahtarlama fonksyonları[0]: UX Y WZ DC S S S 4 56 () DA bara akımları grģ akımları ve anahtarlama fonksyonlarına bağlı olarak Ģu Ģekle hesaplanır: DC S S4 S56 A C B () ġekl (9) a MATLAB/Smulnk programı le moellenen GKE nn Maske elmģ moel görülmekter. Bu GKE kontrol moülü le brlkte aynı zamana oğrultucu olarak a kullanılablmekter. B. Snüsoal Darbe Genşlk Moülasyonu Gerlm kontrollü evrclere bulunan anahtarlama elemanlarının kontrolü brkaç farklı Ģekle gerçekleģtrleblmekter. Bunlar; altı-aımlı, arbe genlk moülasyonu (DAM) ve arbe genģlk moülasyonu (DGM) olarak alanırılmaktaır. Ayrıca arbe genģlk moülasyonlu GKE lern tasarımı harmonk bastırma (HB), snüsoal DGM (SDGM) ve uzay vektör DGM (UDGM) moülasyon metoları le gerçekleģtrlmekter [0]. Br Seçmel Harmonk BastırılmıĢ (SHB)-DGM çn normal görev öngü fonksyonlarına at algortma: sn Dongu _ a 0,5. m.. sn 0,5 6 () sn Dongu _ b 0,5. m.. sn 0,5 6 (4) 4 sn Dongu _ c 0,5. m.. sn 0,5 6 (5) Buraa stenlen çıkıģ frekansına bağlı olarak hesaplanan referans açısı, m se moülasyon neksr. m ref DC veya, (6) ref m (7) tasyc Moülasyon neks (m ) PWM uygulamalarına genele 0- arasına eğer almaktaır. Ancak bazı uygulamalara n üzerne e eğerler alablmekter. m nn n üzerne ayarlanması aģırı moülasyon olarak alanırılmaktaır. Dezavantajları se se özellkle aģırı moülasyon sonucu oluģan. harmonktr. Bu harmonğn bastırılması çn SHB yöntemler kullanılmaktaır. ġekl (0) a maske elmģ (SHB)-DGM ye at moel gösterlmekter. 44

5 Rüzgar Türbn Laboratuvarı: Dam Mıknatıslı Senkron Generatörlü Rüzgar DĠġLĠ KUTUSU: DönüĢtürme Oranı : 00 Baslangıç Açısal Hızı :.87 ra/s ġekl 0. SHB-DGM Maske elmģ Moel. Bu yönteme görev öngüler, referans br snüsoal snyal le taģıyıcı br üçgen snyaln karģılaģtırılması sonucu ele elmekter.. SĠMULASYONU GERÇEKLEġTĠRĠLEN SĠSTEM E SONUÇLAR Yapılan bu çalıģmaa, br YERT moellenen br Ģl kutusu üzernen DMSG le rtbatlanmıģtır. Grlen parametreler le YERT gücü 5 kw, DMSG gücü se 0 kw olarak seçlmģtr. ġekl () e smülasyonu gerçekleģtrlen ssteme at Ģema gösterlmekter. DMSG: Nomnal Gücü : 0 kw Stator Drenc : 0.7 Ω -Eksen Enüktansı : H -Eksen Enüktansı : H Sabt Mıknatıs Akısı : 0.8 Weber Ortam Sıcaklığı : 4 o C Kutup Sayısı : GKE ve DGM: Referans Kaynak Gerlm : 400 (Faz-Faz Arası) Referans Kaynak Frekansı : 50 Hz DC Bara Gerlm : 600 TaĢıyıcı Snyal Frekansı : 0 khz MATLAB/Smulnk ortamına oluģturulan sstem sanye süre le çalıģtırılmıģ ve ġekl (-7) smülasyon sonuçları ele elmģtr. ġekl. Rüzgar Hız Grafğ ġekl. Smulasyonu gerçekleģtrlen sstem. DMSG çıkıģı br GKE üzernen kontrolör yarımıyla oğrultularak DC baraya aktarılmıģtır. DC bara çıkıģı tekrar SHB-DGM etkleģml br GKE le evrlerek AA br kaynak olarak kullanıma sunulmuģtur. ġekl. Rüzgar Türbnne at Güç Grafğ Sstem Parametreler: YERT: Nomnal Gücü : 5 kw Kanat Uzunluğu : 4 m. Seçlen Rüzgar Hızı : 6-0 m/sn Hava Yoğunluğu :.5 kg/m ġekl 4. Generatöre at Güç Grafğ- 45

6 S. İşcan, Ş. Demrbaş ġekl 5. Generatöre at Güç Grafğ- türbnnn benzetm çn br araç gelģtrlmģtr. GelĢtrlen benzetm aracı yatay eksenl rüzgâr türbn, am mıknatıslı senkron generatör (DMSG) ve güç elektronğ evrelern çermekter. ÇalıĢmaa yatay eksenl rüzgâr türbn, am mıknatıslı senkron generatör (DMSG) ve güç elektronğ evrelernn matematksel moeller kullanılarak MATLAB/SIMULINK programı le moellenmes ve benzetm gerçekleģtrlmģtr. Rüzgâr türbn sstemlernn kurulum malyet ve oluģturulan bu sstemn parametrelernn stenlen eğere ayarlanableceğn e göz önüne katarsak eğtsel çalıģmalara fayalı olacağı üģünülmekter. ġekl 6. DGM Referans Gerlm Grafğ ġekl 7. DC Bara Gerlm Grafğ KAYNAKLAR [] Türkye Elektrk Üretm A.ġ. Sektör Raporu, 009. [] Kah Leong, Koo, Moelng an co-smulaton of Wn generator control systems usng Smulnk nterface to PSS/E EWEC, 004. [] Gabrele Mchalke, Anca D. Hansen, Thomas Hartkopf+ arable spee wn turbnes - Moelng, Control an Impact on Power Systems European Wn Energy Conference EWEC, March Aprl 008, Brussels Belgum, G. Mchalke, A. Hansen, T. Hartkopf [4] Benbouz, M. E. H., Dallo D., Development of a Matlab/Smulnk- Base Wn Turbne Prototypng Software Through Unergrauate Stuent Projects. [5] Dynamc Moellng of Doubly-Fe Inucton Machne Wn- Generators DIgSILENT GmbH,00. [6] Ph. Delarue a, A. Bouscayrol a, A. Tounz a, X. Gullau a,g. Lancgub Moellng, control an smulaton of an overall wn energy converson system,scence rect Renewable Energy 8, 00. [7] Tomas Petru an Torbjörn Thrnger Moelng of Wn Turbnes for Power System Stues, Ieee Transactons On Power Systems, ol. 7, No. 4, November 00. [8] Poul Sørensen, Smulaton an erfcaton of Transent Events n Large Wn Power Installatons, Rsø-R-(EN), 00. [9] Heer, S., "Gr Integraton of Wn Energy Converson Systems," John pwley & Sons Lt, 998. [0] Iov F., Hansen, A.D., Sorensen, P., Blaabjerg, F., Wn turbne blockset n Matlab/Smulnk v.0, Aalborg Unversty,004. ġekl 8. Evrc ÇıkıĢ Gerlm Grafğ Yapılan çalıģmaa rüzgar türbnne ġekl () e görülen 6-0 m/s arasına eğģen br rüzgar enerjs uygulanmıģtır. Rüzgâr türbn çıkıģınan ele elen güç grafğ ġekl () te gösterlmekter. Rüzgâr türbn br Ģl kutusu üzernen DMSG le akuple bağlanmıģtır. DMSG çıkıģ gücünü gösteren grafk ġekl (4-5) te fae elmekter. DMSG gerlm çıkıģı oğrultucu görevn üstlenen br konvertöre bağlanmıģtır. Konvertör çıkıģı DC bara gerlm ġekl (7) e görülmekter. DC Bara se br GKE le rtbatlanırılmıģ olup GKE çıkıģı ġekl (8) e görülmekter. I. DEĞERLENDĠRME Bu çalıģmaa am mıknatıslı senkron generatörlü rüzgar 46