SENKRON MAKİNA. Senkron generatörün rotoru yukarıda ifade edildiği gibi DC-uyartımlı elektromıknatıs olabileceği gibi sabit mıknatıslı da olabilir.

Transkript

1 SENKRON MAKİNA Senkron makinenin rotor sargıları (alan sargıları) harici bir kaynak vasıtası ile fırça-bilezik sistemi üzerinden DC akım uyartımına tabi tutulur. Rotor sargıları türbin kanatları tarafından mekaniksel olarak döndürülür. Alan sargıları tarafından üretilen döner manyetik alan stator sargılarında gerilim indükler. Stator sargılarında indüklenen gerilimin frekansı rotor hızı ile eşzamanlıdır. Senkron generatörün rotoru yukarıda ifade edildiği gibi DC-uyartımlı elektromıknatıs olabileceği gibi sabit mıknatıslı da olabilir. + E r _ w m N F r + DC _ + S + E t E s Şekil. Senkron generatörün prensip iç yapısı ve çalışma prensibi

2 Kanatlar Fırçalar Dişli Kutusu 3 Faz AC Çıkış Bilezikler Uyartım Sistemi AC Şebekeden Şekil. Senkron generatörlü rüzgâr türbini ve uyartım sistemi Senkron makinenin basit eşdeğer devresi aşağıda verildiği gibidir. X R I w m + E g DC V Şekil. Senkron generatörün basit eşdeğer devresi Senkron generatörün stator sargılarında üretilen gerilimi ile uç gerilim arasındaki eşitlik ( ) Stator sargı direnci, reaktansa göre çok küçük olduğundan ihmal edilirse, olarak yazılır. Böylece akımı;

3 Not: Burada uç gerilimi referans gerilim olarak alınmıştır. Burada, türbin kanatları tarafından yakalanan mekanik güç senkron generatörün rotoruna uygulanır. Rotor milinde oluşan moment ( ) rotorun ivmelenmesine neden olur. Böylece rotor kutupları, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi statordaki döner manyetik alanın önüne geçer ve oluşan stator manyetik alanı rotor üzerinde teğetsel manyetik bir kuvvete neden olur. Böylelikle statorun kutbu daha ileride olan rotorun kutbunu çeker ve mekanik güç elektriksel güce çevrilmiş olur. N N S w d S w N N S S Şekil. Senkron generatörün boşta ve yükte çalışma durumunda rotor açısının oluşması Açısal hız, şebeke frekansının ve makine kutup sayısının bir fonksiyonu olarak aşağıdaki gibi ifade edilir. Senkron makineler hem sabit hızda hem de değişken hızda işletilebilirler. Sabit hızda işletimde, stator sargıları şebekeye bağlı olan senkron generatör açısal hızı şebeke frekansı tarafından ve makine uç gerilimi de şebeke gerilimi tarafından kontrol edilir. Sabit hız işletimini anlayabilmek için doğrudan şebekeye bağlı (güç dönüştürücüsüz) senkron generatörlü rüzgâr türbinini dikkate alalım. Senkron generatörün şebekeye bağlı olduğu bara sonsuz güçlü bara özelliği göstereceğinden makine uç gerilimi, şebeke gerilimi ile aynı olacağından sabit kalacaktır. Yukarıda resmedilen senkron makine eşdeğer devresi dikkate alınırsa, senkron makineye ilişkin aşağıdaki güç ifadeleri yazılabilir.

4 Bu durumda türbin kanatlarına çarpan rüzgâr hızı için iki ihtimali dikkate alalım. Birinci durumda rüzgâr hızının sabit kaldığını, yani üretilecek aktif gücün sabit kaldığını düşünelim. Bu durumda fazör diyagramında gösterildiği gibi uyarmanın den değerine getirildiğini kabul edelim. Sonsuz güçlü şebeke ile paralel çalışan senkron makinenin gücü ve gerilimi sabit kalacağından, yukarıdaki eşitliklerden ve değerleri de sabit kalacaktır. Fazör diyagramından da anlaşılacağı üzere akımı sınırları içinde kalırken gerilimi de sınırları içerisinde kalır. k 1 I ı E g ı E g q ı d d ı ji ı X jix k 2 q V I Şekil. Şebeke ile paralel çalışan sabit hızlı senkron generatörde uyartım akımının değiştirilmesi Aynı işletim şartlarında rüzgâr hızının den değerine yükseldiğini düşünürsek, bu durumda üretilen güç de den değerine yükselecektir. Burada değişen tek parametre rotor açısı olup değerinde sürekli sabit kalacak şekilde dairesel bir yörünge izler.

5 E g ı ji ı X E g d d ı jix q q ı I ı V I Şekil. Şebeke ile paralel çalışan sabit hızlı senkron generatörde rüzgâr hızı artışının etkisi Değişken hızlı senkron makine şebekeye doğrudan bağlı olmayıp güç dönüştürücüleri üzerinden şebekeye bağlıdır. Bu dönüştürücüler değişken frekans ve genlikteki gerilimi, sabit frekans ve genliğe dönüştürür. Değişken hızlı senkron generatörler türbin kanatlarına ya doğrudan bağlıdır, ya da basit bir dişli ünitesi üzerinden bağlıdır. Burada türbin ve generatör rotor hızı rüzgâr hızı ile birlikte değişir. Senkron makinenin 3 faz görünür gücü, Burada akımı, ( ( ) ) akımının eşleniği ise,

6 ( ( ) ) ihmal edildiğinden dolayı alınırsa, 3 Fazlı kompleks güç; { ( ) } [ ( ) ( ) ] [ ( ) ( ) ] [ ( )] Aktif güç, Reaktif güç ise ( ) olarak hesaplanır. Rotor milinde oluşan moment ise, Yukarıdaki eşitlik sabit hızda işletilen senkron generatör için dikkate alınırsa, güç-yük açısı karakteristiği aşağıda verildiği gibidir.

7 P Sin dalgasının genliği büyür (E g >V) Kapasitif Yükleme P max E g =V Güç Faktörü =1 Sin dalgasının genliği küçülür (E g <V) Endüktif Yükleme Kararsız Bölge Kararlı Bölge Rotor Açısı (Yük Açısı) Şekil. Senkron generatörün güç-yük açısı karakteristiği Senkron generatörler güç dönüştürücüleri üzerinden şebekeye bağlanırsa, rüzgârdaki rastlantısal değişkenliğe paralel olarak değişken hızda işletilirler. Sabit hızda işletilen senkron generatörler sadece tek bir rüzgâr hızında en verimli noktada çalışabilirken, değişken hızlı senkron generatörler nominal hızın altındaki bütün rüzgâr hızlarında en verimli noktayı yakalayabilir.

8 v=15 m/s P nom Sabit hızlı türbin v nom =13 m/s Değişken hızlı türbin Rotor Gücü, P v=9 m/s v=11 m/s v=7 m/s v=4 m/s v=5 m/s v=6 m/s Rotor Hızı, n Değişken hızlı senkron generatörü analiz edebilmek için kutup çifti sayısı olan sabit mıknatıslı senkron generatörü dikkate alalım. Rotor açısal hızının olması durumunda stator sargılarında indüklenen gerilim, Burada katsayısı, generatördeki mıknatısının manyetik alan şiddetine göre değişen sabit bir katsayıdır. Şebekeye doğrudan bağlı sabit hızlı bir senkron makinenin uç gerilimi şebeke gerilimi olup değeri bilinmektedir. Değişken hızlı senkron makinede ise uç gerilim değişken frekanslı bir gerilim olup, bu gerilim akımı ile birlikte doğrultucunun giriş işaretlerini oluşturur. Değişken hızlı türbin AC ŞEBEKE Senkron Generatör V g I g V dc I dc V ac I ac

9 Senkron makine basit eşdeğer devresi dikkate alınarak çevre denklemi, ( ) yazılabilir. Yukarıda elde edilen eşitliklere paralel olarak gerilim, güç ve moment ifadeleri ( ) ( ) Burada ihmal edildiğinden dir. Moment değeri eşitliği kullanılarak hesaplanabilir. Doğrultucu çıkışından elde edilen DC akım ve gerilim değeri, olarak yazılır. Konverter kayıpları ihmal edilirse, DC güç çıkışı ile değişken işaretli senkron makine AC güç çıkışı birbirine eşit olur. RÜZGÂR ENERJİ SANTRALLERİNİN ŞEBEKEYE ENTEGRASYONU Özellikle büyük ölçekli rüzgâr çiftliklerinin ulusal elektrik enerji sistemleri işletimi üzerinde önemli etkileri olabilir. Bu nedenle rüzgâr türbinlerinin şebekeye bağlantı ölçütlerinin iyi derecede etüt edilmesi gereklidir. Bu ölçütleri aşağıdaki konu başlıkları için sıralamak mümkündür: 1. Frekans ve Aktif Güç Kontrolü

10 2. Kısa devre gücü ve gerilim değişimleri/dalgalanmaları 3. Reaktif güç kontrolü 4. Gerilim kırpışması 5. Harmonikler 6. Kararlılık Rüzgâr türbinleri orta ve yüksek gerilim sistemlerine genellikle bir transformatör aracılığı ile bağlanır. Arıza durumunda rüzgâr türbinini şebekeden ayırmak amacıyla koruma sistemlerine ihtiyaç vardır. Koruma sistemi şebeke gerilimi ve frekansını korumak için aşağıdaki durumlar oluşmadan önce sistemi açmalıdır: 1. Gerilim yükselmesi tek faza ilişkin gerilim seviyensin %15 ine ulaşmadan önce, 2. Gerilim düşümü %30 seviyelerine ulaşmadan önce, 3. Frekans sapması 2 Hz seviyesine ulaşmadan önce. Rüzgar türbinlerinin şebeke bağlantısı aynı zamanda gerilim dalgalanmalarına neden olur. Bu gerilim dalgalanması %2 lik seviyeyi geçmemelidir. Bir güç sistemi analiz edilirken yükler, iletim hatları ve transformatörler empedansı ile temsil edilebilirler. Herhangi bir empedans üzerinden bir akım akışı söz konusu ise empedansın öncesi ve sonrasındaki noktalarda oluşan gerilimleri ve ile gösterelim. Z V 1 V 2 Şekil 1. I akımı altında Z empedansının her iki ucundaki gerilimler ( ve ) Şekil 1. e göre empedansı üzerindeki gerilim düşümü olup, Şekil 2. de bir rüzgar türbininin şebeke ile paralel çalışması durumu ile ilgili temel problem

11 resmedilmektedir. Şekil 3. te ise rüzgar türbin sistemi ile şebeke bağlantısı fazörel olarak gösterilmiştir. Burada şebeke empedansı ve gerilim kaynağı ile temsil edilmiştir. Rüzgar türbininin bağlandığı noktadan aynı zamanda yerel yüklerde beslenmektedir. Z 2 =R+jX I P w + jq w I w X Şebeke V 1 V w Rüzgar Türbini P L + jq L Şekil 2. Bir rüzgar türbinine ilişkin şebeke bağlantısı V 2 ΔV ΔV q d V 1 ΔV p Şekil 3. Rüzgar türbin sistemi ile şebeke bağlantısının fazörel olarak gösterilmesi Rüzgar türbininin şebekeye bağlandığı noktadaki kısa devre gücü, aşağıdaki denklem ile verilebilir. (1) Bir elektrik şebekesinde verilen bir noktanın kısa devre gücü şebekenin o noktadaki performansının bir ölçüsünü gösterir. Kısa devre gücünün aynı zamanda gerilim kalitesi üzerinde de etkisi söz konusudur. Rüzgar hızındaki değişiklik, rüzgar türbini güç üretiminde değişikliğe, güç üretimindeki değişiklik ise empedansı üzerinden akan akım miktarında değişikliğe neden olur. Bu akım değişimi ise geriliminde değişikliğe neden olur. Eğer zayıf bir şebekede (kısa devre gücü küçük) empedansı büyük ise gerilim dalgalanmaları büyük olur. Güçlü bir şebekede (kısa devre gücü büyük) empedansı küçük ise gerilim dalgalanmaları da küçük olur. [Not: Bir şebekenin bozucu etkilere karşı kararlılığını sürdürebilme kabiliyeti kısa devre gücü ile doğrudan ilgili olup, güçlü veya zayıf şebeke tabiri daha çok kurulu rüzgar gücü ile ilgili olarak kullanılır.]

12 Rüzgar türbininin ürettiği kompleks güç S w = P w + jq w ile temsil edilir ise, dönüştürücüler sonrası şebekeye inverter üzerinden aktarılan AC çıkış gücü türbinin şebekeye vereceği akım, (Sw>SL için) ( ) ( ) ( ) (2) Sistem ile bağlantı noktası arasındaki gerilim farkı, olduğundan, ( ) ( ( ) ( ) ) (3) [ ( ) ( ) ] [ ( ) ( ) ] (4) Yukarıdaki denklem sisteme transfer edilen güç ile gerilim arasındaki ilişkiyi gösterir. Burada güç akış yöntemleri ile veya farklı simülasyon teknikleri ile hesaplanabilir. Yukarıdaki (1-3) denklemleri kullanılarak gerilimi hesaplanabilir. Böylece rüzgâr güç üretiminin üzerindeki etkisi doğrudan analiz edilebilir RÜZGÂR GÜÇ SİSTEMİ TOPOLOJİLERİ DOĞRU AKIM GENERATÖRLERİNİ KULLANAN TOPOLOJİ DC YÜK + - DC GENERATÖR DİŞLİ KUTUSU Ptürbin RÜZGAR

13 1.7.2 ASENKRON GENERATÖRLERİNİ KULLANAN TOPOLOJİ Temel olarak enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılan asenkron generatörler 3 çeşittir. Bunlar sincap kafesli, bilezikli (rotoru sargılı) ve çift beslemeli asenkron generatörlerdir. Sincap kafesli asenkron makine bir ac sisteme doğrudan bağlanıp sabit hızda işletilebileceği gibi güç elektroniği üniteleri ile birlikte değişken hızlarda da işletilebilir. Bilezikli asenkron generatörler ise kayma kontrolünü sağlayan rotor dirençleri ile birlikte bir ac sisteme doğrudan bağlanabilirler. Burada kayma kontrolü ile işletim hızı ancak belirli hız aralıklarında ayarlanabilir. Çift beslemeli asenkron generatör ise güç elektroniği dönüştürücülerinin boyutuna bağlı olarak çok daha geniş aralıklarda hız ayarlama imkânı verir ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI ASENKRON GENERATÖR Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörler küçük ve orta ölçekli rüzgâr türbinlerinde kullanılmaktadırlar. Bir dişli kutusu rotor kanatlarının hızını ayarlar. Bu durumda asenkron generatör senkron makine da olduğu gibi şebekeyle senkronize olmak zorunda değildir. İşletim hızına ilave bir kontrole ihtiyaç duymaksızın ulaşır. Ancak generatör boyutu büyüdükçe, bu makineler şebekeye bağlantı esnasında oldukça yüksek bir başlangıç akımına neden olurlar. Moment kontrolü bu başlangıç akımını sınırlandırabilir. Kanatlar Asenkron Generatör Reaktif Güç Kompanzasyonu ŞEBEKE Dişli Kutusu Transformatör Şekil: Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatör (Not: Asenkron makineler reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla şekildeki gibi reaktif güç kompanzasyonu uygulanabilir.) Rotorda stall regülâsyonu yüksek rüzgâr hızlarındaki gücü kısıtlar. Rüzgâr hızları değiştikçe kayma değiştiğinden, bu generatörlerin hızı, rüzgâr hızı değiştikçe değişmektedir. Dolayısı ile bu makineler hızlı değişen dalgalanmaları azaltabilir. Asenkron rüzgâr generatörleri sırasal hız değişimleri arasında yaklaşık %10 luk bir değişime müsaade eder. Bununla beraber, kaymanın yükselmesi ile kayıplar artacak, yani verim düşecektir. Bu nedenle modern uygulamalarda değişken kayma (s) özelliğine sahip asenkron makineler kullanılır. Bu generatörlerde sargı uçları kısa devre edilmiş kafes rotorlar kullanılmaz. Buna mukabil kontrol edilebilir değişken dirençli rotor devreleri yer alır. Rotor sargıları ya harici değişken

14 bir dirence bilezikler vasıtasıyla bağlıdır, ya da rotor ile birlikte dönen kontrol edilebilir bir dirence bağlıdırlar. Aşağıdaki şekilde rotor sargılarına ayarlanabilen direnç bağlı bir asenkron makine ve hızmoment karakteristiklerindeki değişim verilmiştir. Şebeke 0 Stator Uçları 20 R R >0 40 Asenkron Generatör M/Mmax [%] R R =0 R Rotor Rotor Uçları ,8-0,6-0,4-0,2 0 Kayma, s Şekil x: Rotor direncinin değişmesi ile kayma-moment değişimi arasındaki ilişki Maksimum moment (M max ) direncin artması ile birlikte yüksek kayma değerlerinde oluşur. Güç ise moment ile orantılı olduğundan yüksek hızlarda güç artar ve güç dalgalanmaları azalır. Aşağıdaki şekilde rotor hızı ile rotor gücü arasındaki ilişkiyi vermektedir. 2 R TSR n, formülü dikkate alındığında gücün rotor hızı ile olan ilişkisi ortaya v 1 konabilir. Not: P 3 Av c p ve c p f ( ) ve f ( n dev / dk). 2 Stator frekansı ve dişli kutusu rotor hızını belirler, ve bu değer ancak kaymaya bağlı olarak değiştirilebilir (Şekil x). Aşağıdaki şekilde şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin güç-hız karakteristiği verilmiştir.

15 ASENKRON GENERATÖR DEĞİŞKEN KAYMA v 13m / s v 12m / s Rotor Gücü, P v 11m / s v 11m / s Rotor Hızı, n Şekil xx: şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin güç-hız karakteristikleri Görüldüğü üzere, eğer rotor hızı sabit kalırsa, türbin hiçbir zaman optimal güç üretimine ulaşamaz. Bu nedenle en uygun üretim için rotor hızı (elektriksel hız) farklı rüzgâr hızları için farklı hızlarda olmalıdır DEĞİŞKEN HIZ KONTROLLÜ ASENKRON GENERATÖRLER Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlerde görüldüğü üzere değişken kayma özelliği generatörün hızını değiştirebilir. Ancak yüksek kayma oranı, rotorda yüksek kayıplara neden olacağından, kayma miktarının %10 seviyelerini geçmemesine dikkat edilir. Bununla birlikte rotor gücü şebekeye aktarılarak generatör hız kontrolü için kullanılabilir. Eğer generatör hızı sadece şebeke frekansından daha yüksek hızlara ulaşacak ise, bu durum için kullanılacak devre senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör olarak adlandırılır. Bu devrenin enbüyük dezavantajı, yüksek reaktif güç talebidir. Kaskad Konverter Kanatlar Reaktif Güç Kompanzasyonu ŞEBEKE Asenkron Generatör Dişli Kutusu Transformatör Şekil xxx: Kaskad konverterli değişken hız kontrollü asenkron generatör.

16 Senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör sadece rotor gücünü şebekeye aktarabilirken çift beslemeli (double-fed) asenkron generatör her iki yönde de güç transferine imkan tanır (rotordan şebekeye ve şebekeden rotora). Bu amaçla direkt olarak bağlı bir AC/AC konverter kullanılabilir (şekil 4x). AC-AC konverter Kanatlar ŞEBEKE Asenkron Generatör Dişli Kutusu Transformatör Şekil 4x: çift beslemeli AC/AC konverterlü (double-fed) bir asenkron generatör Çift beslemeli bir asenkron generatör hem senkron üstü, hem de senkron altı hızda işletilebilir. Böylelikle generatörün reaktif güç ihtiyacı kontrol edilebilir. Bu sistemin dezavantajı yüksek maliyati ve nerji kalitesi ile ilgili problemlere neden olmasıdır SENKRON GENERATÖRLERİNİ KULLANAN TOPOLOJİ ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI SENKRON GENERATÖR Senkron makineler uyarma akımları kontrol edilmek sureti ile hem reaktif güç üreticisi hem de reaktif güç tüketicisi olabilir. Yani reaktif güç talepleri kontrol edilebilir. Senkron makineleri uyarmak için sabit mıknatıslarda kullanılabilir. Ancak bu durumda senkron makinelerin reaktif gücü kontrol edilemez.

17 Uyarma Kanatlar ŞEBEKE Senkron Generatör Dişli Kutusu Transformatör Şekil 5x: Şebekeye doğrudan bağlı senkron generatör Asenkron generatörün aksine, senkron generatör sabit hızda işletilir. Bu durum ise rüzgâr türbinlerinde oldukça zor bir durumdur. Bu nedenle doğrudan bağlantılı senkron generatörler ada şebeke uygulamalarında bağımsız (stand-alone) uygulamalar için kullanılırlar. Bu makinenın şebekeye direkt olarak bağlanısı neticesinde oluşacak bir diğer mahsur ise şebekedeki yük değişimlerinin generatör üzerinde yüksek mekanik zorlamalar oluşturmasıdır. Bu nedenlerden ötürü senkron makineler genellikle şebekeye direkt olarak bağlanmazlar DC BARA BAĞLANTILI SENKRON GENERATÖRLER DC bara bağlantılı senkron generatörler (frekans konvertörlü senkron makinalar da denmektedir) şebekeye doğrudan bağlı senkron generatörlerin dezavantajlarını ortadan kaldırabilir. Uyarma Kanatlar ŞEBEKE Senkron Generatör Dişli Kutusu Transformatör Şekil 6x: DC bara bağlantılı senkron generatörler Şekil 7x de görüldüğü üzere düşük ve orta hızlı tüm rüzgâr hızlarında rotor hızı değiştirilerek maksimum güç noktaları yakalanabilmektedir. Yüksek rüzgâr hızlarında ise gücü sınırlamak türbin güvenliği açısından zaten gereklidir.

18 Frekans konvertörleri vasıtası ile şebeke frekansı yakalanabildiğinden ilave bir dişli kutusuna ihtiyaç duymazlar. Bu nedenle günümüzde bir çok makina dişli kutusu barındırmazlar. Ancak bu türbinler için üretilen senkron makinalar yüksek sayıda kutuplu yapılırlar (kutup sayısı genelde 80 ve üzeridir.) Bu makinaların belli başlı avantajları: Daha az malzeme ihtiyacı Daha düşük maliyet Daha az gürültü PWM inverterlerin kullanılması ile reaktif güç kontrolü de yapılabilmektedir. RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE TEMEL GÜÇ KONTROL PARAMETRELERİ Bir rüzgar türbin modeline ilişkin sürekli hal mekanik güç karakteristiği; 2 vo vo 1 1 v v P m. A. v.. A. v 3. c p olarak elde elde edimiş idi. Burada cp parametresi KHO nun bir fonksiyonudur. KHO parametresi ise kanat açısı (αk) ayar edilerek kontrol edilir. Yani hem KHO nun, hem de αk nın bir fonksiyonudur. ( ) Aşağıda, örnek bir cp fonksiyonu görülmektedir. Verilen grafik ise farklı kanat açıları için cp nin KHO ile değişimini göstermektedir. [ ] [ ]

19 Cp 0,5 Alfa (0 derece) Alfa (5 derece) Alfa (10 derece) 0,4 Alfa (15 derece) Alfa (20 derece) 0,3 0,2 0, KHO Dolayısı ile burada generatör hızı (ωr), kanat açısı ve rüzgar hızı parametreleri kontrol sisteminin giriş büyüklükleri olarak kullanılırlar. Çıkış büyüklüğü ise generatör miline uygulanan moment olarak hesaplanır. SİNCAP KAFES ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGÂR TÜRBİNİ (SABİT HIZLI) Aşağıda değişken kanat açılı bir rüzgar türbini tarafından sürülen sincap kafesli asenkron generatörüne ilişkin kanat açısı kontrol sisteminin prensip şeması görülmektedir. Kanat açısı kontrol edilerek elektriksel çıkış gücü, nominal mekanik güce eşitlenir. Eğer elektriksel güç, mekanik güç nominal değerini aşarsa kanat açı değeri yükseltilerek çıkış güç tekrar nominal değere eşitlenir. KANAT AÇISI KONTROLÜ Es Pes Pr DİŞLİ KUTUSU Ptürbin RÜZGAR Pelektrik + - Pmekanik (nom) Kanat Açısı Kontrolü Kanat Açısı (0 o ile maksimum kanat açısı arasında)

20 Burada rotoru rüzgar türbini tarafından sürülen asenkron generatörün stator sargıları doğrudan 3 fazlı şebekeye bağlıdır. Rüzgar türbini tarafından yakalanan mekanik güç, asenkron generatör tarafından elektrik enerjisine dönüştürülür ve stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılır. Kanat açısı düşük rüzgar hızlarında maksimum gücü verecek şekilde, yüksek rüzgar hızlarında ise nominal gücü verecek şekilde kontrol edilir. Burada güç üretebilmek için asenkron generatör hızı, senkron hızın biraz üzerinde olmalıdır. Burada hızdaki dalgalanmalar oldukça düşük tutulduğundan, bu tür rüzgar türbinleri sabit hızlı rüzgar türbinleri olarak adlandırılır. Asenkron generatörün ihtiyacı olan reaktif güç ya şebeke tarafından veya kondansatör gurubu, SVC, STATCOM ve seknron kompanzatör (senkron kondenser=boşta çalışan senkron motor gibi, gerilim regülatörü ile uyarması kontrol edilerek bazen kapasitif, bazen de endüktif güç çekmesi sağlanır. Böylece istenilen güç faktörü ayarlanmış olur) gibi düzenekler vasıtası ile karşılanır. Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde, generatör şebeke ortak bağlantı noktasına doğrudan bağlanır. Burada şebeke frekansı generatörün dönüş hızını belirler. Generatör hızı kutup çifti sayısına ve şebeke frekansına bağlıdır. Sincap kafesli asenkron generatör kullanan rüzgar türbinlerinin hızları en fazla %1-2 civarında değişim gösterir. Burada güç aerodinamik yapı sayesinde kontrol edilebilmektedir. Burada üç çeşit kontrol vardır: i.) Kanat açı kontrolü (pitch control), ii.) pasif durdurma kontrolü (kanatlar rotor göbeğine sabit açı ile sabitlenmiştir. Burada tasarım rüzgarın çok hızlanması durumunda kanatlarda türbülans oluşturarak kanatların yavaşlaması sağlanır. Burada kanat büklümlü yapıdadır.), ii.) aktif durdurma kontrolü (kanat açı kontrollü yapıya oldukça benzer. Düşük rüzgar hızlarında kanat açıları maksimum momenti sağlayacak şekilde ayarlanır. Makine nominal güce ulaştıktan sonra yüksek rüzgar hızlarında aşırı yüke maruz kalıyor ise kanat açıları kanat açı kontrollü türbinlerin aksine tam ters yöne getirilir. Böylece makine neredeyse bütün yüksek hızlarda maksimum güç değerinde çalıştırılabilir. Pasif durdurmanın aksine burada daha hassas güç kontrolü yapılabilmekte ve daha geniş aralıklarda optimum güce ulaşılabilmektedir.) ÇİFT BESLEMELİ ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGÂR TÜRBİNİ (DEĞİŞKEN HIZLI) Çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgar türbin sisteminin prensip şeması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. AC/DC/AC konverter sistemi şebeke tarafı ve rotor tarafı olmak üzere ikiye ayrılır. Her iki konverter de gerilim beslemeli konvereter olup, AC ile DC gerilimleri birbirlerine bağlar. Her iki konverter arasındaki kondansatör bir DC gerilim kaynağı gibi davranır. Şebeke ile bağlantıyı sağlamak üzere ise bir endüktans elemanı kullanılmıştır. 3 fazlı rotor sargıları rotor tarafı konverterine bilezik ve fırçalar üzerinden bağlı iken, stator sargıları ise doğrudan şebekeye bağlıdır. Rüzgar türbini tarafından yakalanan güç, asenkron generatör tarafından elektriksel güce çevrilirken, bu güç hem rotor hem de stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılır. Burada kontrol sistemi kanat açısı ve gerilim kumanda sinyallerini (Vr ve Vş) üretir ve böylece türbinin çıkış gücü, DC bara gerilimini, şebeke tarafındaki AC gerilimi ve reaktif güç miktarı ayarlanır.

21 Es fs Pes AC KONTROL Vs Vr (-) Ed (+) DC fr AC s.pr Ptürbin Pr DİŞLİ KUTUSU RÜZGAR KANAT AÇISI Şek Şekil. Çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgar türbin sisteminin çalışma prensip şeması KURULUŞ MALİYETİ VE YILLIK MALİYET RÜZGÂR TÜRBİN EKONİMİSİ Yeni rüzgâr türbinleri daha büyük nominal güçlerde üretebilmesine rağmen, kw başına kuruluş maliyeti düşmektedir. Örneğin 1989 yılında 150 kw lık bir türbinin birim maliyeti 1500 $/kw iken, 2000 yılında 1650 kw lik bir makinenin birim maliyeti 800 $/kw a kadar gerilemiştir.

22 150 kw Kuruluş Maliyeti ($/kwh) 225 kw 300 kw 500 kw 600 kw 1650 kw Yıllar Büyük makine için gerekli işçilik maliyeti, küçük makineye göre çok fazla değildir. Güç elektroniği ünitesindeki maliyet farkı oldukça düşüktür. Rotor maliyeti yaklaşık çapı ile doğru orantılıdır. Daha uygun kuleler ile yakalanacak enerji ilave maliyet girdisinden daha fazladır. Kuruluş maliyeti parametreleri -Türbin maliyeti -Bölge çalışmaları ve şebeke bağlantısı -Yapım esnasındaki faiz -Proje geliştirme ve fizibilite çalışmaları -Mühendislik Yıllık maliyet parametreleri -Parça ve işçilik -Sigorta -Risk/arıza maliyeti -Arazi kiralama -Mülkiyet vergisi -İletim hattı bakımı -Genel muhtelif giderler + Toplam Kuruluş Maliyeti + Toplam Yıllık Maliyet RÜZGÂR TÜRBİNİ İÇİN YILLIK ELEKTRİK MALİYETİ Aynı seviyeye getirilmiş enerji maliyetini hesaplayabilmek için, yıllık maliyet, yıllık enerji miktarına bölünür. Yıllık maliyeti bulmak için aşağıdaki basit prosedür kullanılabilir. Bir rüzgâr enerji sisteminin borçlanma ile finans edildiğini düşünelim. Kuruluş maliyetini sistem ömrü boyunca dağıtırsak kuruluş maliyeti yıllık baza dönüştürülmüş olur. Kuruluş

23 maliyeti yıllara eşit bölüştürmek için Kapital Geri dönüşüm Formülü (CRF=Capital recovery factor) kullanılabilir. Daha sonra bu değere yıllık bakım onarım maliyeti eklenir. Alınan krediyi yıllık ödeme miktarı A ile gösterilirse, ( ) [ ] ( ) ( ) Burada; ( ) i Faiz Oranı ( ) n Kredi periyodu ( ) A Yıllık ödeme miktarı ($/yıl) P Ana borç ($) ÖRNEK: 0,9 kw/2.13 m lik bir rüzgâr türbini maliyeti 1600 $ dır. Sistemin devreye alınmasına kadar geçen sürede maliyet 2500$ a çıkmış olup geri ödeme süresi %7 faizle 15 yıldır. Bakım onarım maliyeti 100$ ise birim enerji maliyetini ($/kwh) 15 yıl boyunca hesaplayınız. (not: rotor göbeği hizasındaki ortalama rüzgâr hızı 6,7 m/s dir) ÇÖZÜM:

24 ÖRNEK: Bir rüzgâr çiftliği projesi kapsamında 40 adet rotor çapı 60 m olan 1500 kw lık türbin kurulması hedeflenmektedir. Kuruluş maliyeti 60 milyon $ dır. Ve aynı düzeye getirilmiş bakım onarım maliyeti 1.8 milyon $/yıldır. Proje için %7 faizden 20 yıllığına 45 milyon $ kredi kullanılmıştır. Öz sermaye 15 milyon $ ve % 15lik geri dönüşüme ihtiyaç duyulmaktadır. Türbin ortalaması 8m/s olan Rayleigh rüzgârına maruz kalıyor ise, projeyi uygulanabilir hale getirebilmek için aynı düzeye getirilmiş elektrik enerji maliyeti kaç olmalıdır. ÇÖZÜM: