Rüzgar Enerjisi İçin Sayısal Denetimli Asenkron Generatörün RBF Ağı İle Modellenmesi

Transkript

1 Rüzgar Enerisi İçin Sayısal Denetili Asenkron Generatörün RBF Ağı İle Modellenesi Erkan DEMİRCİ İrfan ŞENLİK Ali Ekber ÖZDEMİR 3 Güven ÖNBİLGİN 4 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Sasun M.Y.O. Elektrik Prograı, 5539, Sasun,4 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüü, 5539, Sasun 3 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölüü, 5539, Sasun e-posta: edeirci@ou.edu.tr 3 e-posta: eozdeir@ou.edu.tr e-posta: isenlik@ou.edu.tr 4 e-posta: gonbilgi@ou.edu.tr Özetçe Bu çalışada, yenilenebilir eneri kaynaklarından olan rüzgar enerisinin önei vurgulanıp, şebekeden bağısız rüzgar enerisi sistelerinde kullanılası aaçlanan sığaç uyartılı asenkron generatörün; progralanabilir antık denetleyicili deneti sistei yardıı ile elektrik enerisi üretiine yönelik bir dizge veriliştir. Çalışada uygun rüzgar hızlarında aksiu güç elde edilebilesi için uygun sığaç değerleri deneysel çalışalarla belirleniş, elde edilen güç uygun değerlikli yüklere aktarılıştır. Yapılan deneyler sonucu elde edilen veriler ile deney düzeneğinin sanal bir odeli, Radyal Tabanlı Fonksiyon (RBF) YSA ile çıkarılış, odelin test sonuçları verilen grafiklerle açıklanıştır.. Giriş Dünya da artan nüfus ve sanayileşe ile birlikte eneriye olan gereksini de artaktadır. Bu artan eneri gereksiniini karşılaak için, gelecekte tükeneceği bilinen ve çevreye olusuz etkileri olan fosil yakıtlar yerine yenilenebilir yeni eneri kaynaklarına yöneliniştir. Dünya da rüzgar enerisi gibi yeni eneri kaynaklarını kullanadaki teel aaç doğayı koruak ve yaşanan ortaı daha iyi bir hale getirektir. Yeryüzünde fosil yakıtların insan sağlığına verdiği zararlar ile neden olduğu sera gazlarının küresel ısına ve ikli değişikliklerine yol açası, diğer yandan nükleer eneri kaynaklarının toplusal, çevresel ve ekonoik açıdan oldukça aliyetli olası, ülkelerin öz kaynaklarını daha etkin biçide kullanıının öneini artırıştır. Teknoloilerinin giderek ucuzlaası ile rüzgar, güneş gibi yenilenebilir eneri kaynaklarının kullanılası, doğal dengenin korunasıyla sürekli eneri kaynaklarının işlenesi açısından günüüzde giderek öne kazanakta ve ülkelerin eneri politikaları içerisinde öneli bir yer tutaktadır [,,3]. Rüzgar gücünden elektrik enerisinin üretiinde en öneli aşaa, hızlı işle yapabilen yarı iletken anahtar eleanlarının gelişii, ikroişleciler, ikro denetleyiciler ve sayısal işaret işleyici (DSP) alanındaki gelişelerle otoasyona geçiş sağlanarak, bulanık antık ve yapay sinir ağları gibi yeni deneti teknikleri geliştiriliştir. Bu gelişeler rüzgar eneri sisteini iki farklı kullanıı ile verili durua getiriştir. Bunlardan birisi ikroişleci teknoloisinin sistei denetleesi ve aksiu gücün çekilesi için progralaa antığının işlenesi ile sağlanıştır. İkincisi de güç elektroniği düzenekleri ile üretilen gerililerin genliği ve sıklığı denetlenebiliştir. Yarı iletken teknoloide üreti ve kullanıın yaygınlaşası siste aliyetini öneli ölçüde düşürüştür. Böylece türbin gücü artış ve düşük rüzgar hızında elektrik eneri üretii gerçekleştirilebiliştir. Sığaç uyartılı asenkron generatörler rüzgar enerisi dönüşü sistelerinde yaygın olarak kullanılaktadır. Burada rüzgar enerisi dönüşü sistelerinde kullanılan sığaç uyartılı asenkron generatörün, progralanabilir antık denetleyici (PLC) ile özuyartıının sağlanarak, şebekeden bağısız güç üretesi için yapılış olan bir yaklaşıın RBF tabanlı odellenesi gerçekleştiriliştir. Elde edilen sonuçlar incelenip, değerlendiriliştir. Rüzgardan Eneri Üretii Rüzgar enerisi dönüşü sisteleri şebekeye bağlı çalışabildiği gibi şebekenin bulunadığı bölgelerde de yalnız başına ( kırsal alanlar, adalar, oranlık ve dağlık bölgelerdeki tesisler) eneri üretiinde kullanılabilektedir. Bu iki farklı çalışa biçii doğal olarak farklı siste tasarılarını gerektirektedir. Elektrik enerisi sisteinin oladığı yerlerde pervane ilinden gelen döndüre oentinin bir devir yükselticisi üzerinden generatöre gönderilesinden ibarettir. Bu sisteler, 0 0 kw. arasında kurulu güce sahip olup, genellikle biriktire üniteleri ile

2 birlikte kullanılakta ve çoğunlukla DC gerili üretektedirler. Şebekeye bağlı çalıştırılan türbinlerde ise, devir yükselte oranının, belli bir frekans değerinin sabit tutulabilesi için generatörün kutup sayısına göre belirlenesi gerekektedir. Diğer yandan sabit frekansın sağlanası için pervane devir sayısının da regülasyonu gereklidir [4]. Son on yılda rüzgar türbini teknoloisindeki gelişeler, bir rüzgar türbininin kurulu gücünü 4 MW. a kadar yükseltiştir. Bu sistelerde 6 ay ile yıl arasında bir yapılan genel bakı dışında hiçbir özel işlee gerek kalaksızın elektrik üretii sağlanabilektedir. Taaen otoatik denetili çalıştırılan çeşitli düzenekler, aksiu başarıın elde edilesi için türbinlerin rüzgar ile etkileşilerini düzenleektedir. Rüzgar enerisi dönüşü sisteleri, türbin hızı ve üretilen geriliin sıklığı dikkate alındığında, çalışa ilkesine göre üç gruba ayrılabilir. Sabit hız, sabit sıklık dönüşü sisteleri, Değişken hız, sabit sıklık dönüşü sisteleri, Değişken hız, değişken sıklık dönüşü sisteleri. Rüzgar enerisi dönüşü sistelerinde kullanılan, sabit hızlı sistelerde, sadece rotor hızının küçük değişikliklerine izin verilir. Değişken hızlı sisteler ise rüzgarın serbest hızına bağlı olarak dönen ve gerili üreten sistelerdir. Generatör ve şebeke arasına bağlanan güç elektroniği dönüştürücüleri sistein ana deneti düzeneğini oluşturur [5]. 3. Asenkron Generatörler ve Özuyartı Bir asenkron akina, generatör çalışada akinanın güç kaynağı rotordan alınan ekanik güçtür. Bu nedenle asenkron generatör olarak çalışa için stator sargı uçlarında ya endüktif akı sağlayabilecek ya da kapasitif akı alabilecek bir siste bağlaak gerekir. Bunun için asenkron generatör, senkron generatörler tarafından beslenen bir şebekeye paralel bağlanırlar ve ıknatıslaa akıını şebekeden sağlar ya da stator uçlarına uygun sığaçlar bağlanarak generatörün özuyartıı sağlanır. Bu generatörler sığaç uyartılı asenkron generatörler olarak da adlandırılakta olup, sistein ilkesel gösterilii Şekil de verildiği gibidir. Hareket sağlayıcının konuuna göre, asenkron generatör eneri üreti sisteleri dört gruba ayrılabilir: i) Değişken hızlı şebekeye bağlı üreti sistei, ii) Değişken hızlı yalıtılış üreti sistei, iii) Sabit hız şebekeye bağlı üreti sistei, iv) Sabit hız yalıtılış üreti sistei. İlk ikisinde rotoru sargılı ve rotoru kafesli generatörler kullanılırken son ikisinde daha çok rotoru kafesli generatörler kullanılaktadır [6]. Türbin veya sürücü akina n Şekil : Sığaç Uyartılı Asenkron Generatör Bir asenkron akinanın, generatör için gerekli tepkin gücü sağlayacak sığaçlar ve uçlara bağlı yeterli büyüklükte yük oldukça herhangi bir güç sisteinden bağısız bir generatör olarak çalışabilesi olanaklıdır [7]. Stator uçları açıkken generatör eşdeğer devresinde kaçak reaktanslar ve sargı dirençleri yok sayılırsa elde edilen basitleştiriliş devre, paralel X ve X c dalları ile kalıntı rotor alanı nedeniyle oluşan küçük bir ek nın oluşturduğu bir rezonans devresidir. Özuyartıın teel ilkesi de budur. Kaya değerinin sıfır olası ile, generatör hızı n (devir/s) doğrudan sıklığı (frekansı) verir ve sığaç akıı I c akina akıı ile aynıdır. Stator uç gerilii endüklenen ek E ye eşit olup, E X I () = Asenkron Generatör 3 Üçgen Bağlı Sığaç Grubu P Q P, Q Yükler eşitliği ile tanılanır. Makinadaki doya olgusu nedeniyle X reaktansı I akıının doğrusal bir işlevidir ve doğrudan doğruya sıklıkla orantılı olan bu ilişkiyi en iyi sigeleyen gösteri değişik döne hızlarına karşılık gelen değişik sıklıklardaki ıknatıslaa eğrileridir. Sığaç üzerindeki gerili V=I c /πfc eşitliği ile verilirse, generatör uç gerilii ile sığaç geriliinin değişik sıklıklarda akılara göre değişiinin grafikleri çizilebilir. Devrenin bu biçii ile iki geriliin değeri birbirine eşit olup eşitlik () deki gibi yazılabilir. I c /( π fc) = fe( I ) ve I c =I. () Bu duruda elde edilen eşitliğin grafik çözüü Şekil deki gibi belirli bir sıklıkta ek eğrisi ile sığaç doğrusunun kesi noktasında elde edilen kararlı çalışa noktalarıyla gösterilir [8,9,0]. C Q Z Y = R Y +X Y

3 Uç gerilii E(n s =f /p) P Şekil : Sığaçla Özuyartı İçin Çalışa Noktaları Buradan çıkarılacak iki öneli sonuç vardır: i) Belli bir hızda uyartıı sağlayabilek için gerekli sığaç değerinin bir alt sınırı vardır. Bu değerin altında uyartı sağlanaaz. ii) Belli bir sığaç değeri için belli bir hız alt sınırı vardır. 4. RBF Tabanlı YSA V(f ) Bir RBF ağının çalışa ilkesi, gizli katanda bulunan RBF lerin, ağın istenilen giriş-çıkış ilişkisini sağlaası için uygun genişlik ve erkez paraetreleri ile çözü uzayına yerleştirileleri olarak açıklanabilir. Yani veri takıında bulunan her bir giriş verisi için, ağdaki her bir RBF, bu verinin kendi erkezine olan uzaklığı ile doğru orantılı bir değer üretir. RBF lerin her birinin ürettiği bu değerler çıkış katında ağırlıklandırılarak toplanır. Böylece ağın bu giriş verisi için ürettiği çıkış elde ediliş olur. P E(n s =f /p) I c =I V(f ) Pek çok radyal taban işlevi olasına karşılık uygulaalarda RBF ağları için yaygın olarak Gauss (Gaussian) biçili radyal taban işlevi kullanılır. Gizli katan nöronlarının aktivasyon işlevi olarak Gauss fonksiyonunun kullanıldığı duruda, giriş veri takıındaki her bir veri için her bir gizli katan nöronunun üreteceği çıkış değeri aşağıda verilen (3) eşitliği ile hesaplanır. Φ = e xc c σ (3) Eşitlik (3) de c,. RBF in erkezini, σ ise. RBF in genişliğini ifade eden paraetrelerdir. Ağın üreteceği çıkış y ise (4) eşitliğinde gösterildiği gibidir. y = w = Φ (4) Çıkış işareti için genel bir ifade olan eşitlik (5) kullanılır. y = = w e xc σ (5) Eşitlik (3) ve (5) de görülen x-c ifadesi x giriş veri takıındaki verilerin, gizli katandaki. RBF in erkezine olan öklid uzaklığını tesil etektedir. Ağ çıkışı ağırlıklandırılış RBF çıkışlarının toplaı şeklinde elde edilektedir [,]. Bu çalışada, ara katanında 6 RBF nöronunun bulunduğu ve OLS (Orthogonal Least Squares) ve GD (Gradient Descent) Algoritaları ile eğitiliş bir ağ yapısı kullanılıştır. Bu çalışada kullanılan RBF tabanlı ağ yapısının değişkenleri ve başlangıç değerleri Tablo de veriliştir. Tablo : Eğiti algoritasında kullanılan başlangıç değerleri ve değişkenler Şekil 3: Kullanılan RBF Ağının Yapısı R: Yük direnci, C: Sığaç değeri, n: Devir, P: Güç Şekil 3 de; x i : giriş verileri, Ф : girişlere karşılık düşen RBF lerin ürettikleri çıkışları, w : ağırlık katsayılarını, y: ağın ürettiği çıkışı gösterektedir. Paraetreler Değerler µ w µ c µ σ RBF Sayısı 6 Yinelee 000 W 0 0. e n µ w = Ağırlıklar µ c = Merkezler µ σ = Genişlikler için öğrene katsayıları W 0 = Ağırlıklar için başlangıç değeri e n = Son yineleedeki hata kareler toplaı

4 5. Deneyler RBF tabanlı odellee öncesinde, rüzgar türbini hızı denetlenebilen bir asenkron otor ile benzeştirilektedir. Böylece rüzgar hızı değerleri istenildiği gibi değiştirilebilektedir. Asenkron generatör için gerekli reaktif eneri, PLC ile denetlenen bir dizi kontaktörle uygun sığaçların devreye alınasıyla sağlanaktadır. Asenkron generatör tarafından üretilen güç, laba ve direnç yükleri üzerinde harcanaktadır. Üretilen güç, yük değerlerine göre PLC tarafından sağlanaktadır. Çalışanın daha işlevsel hale getirilebilesi aacıyla generatörün döne hız değerlerine karşılık gelen uygun sığaç değerleri PLC ye girilir. Bu duruda generatörün iline bağlanan bir hız algılayıcı (enkoder) ile hız bilgisi ölçülerek karşılık gelen uygun sığaçlar PLC üzerinden, çıkışındaki kontaktörler yardııyla devreye alınıp çıkartılarak gerçekleştirilir. Benzer düşünce ile generatörün ürettiği aktif güç bir güç ölçer ya da eneri analizör yardııyla belirlenerek, ilgili bilgi PLC ye girilir. Daha sonra PLC çıkışından farklı kadeelerdeki yüklere kadeeli olarak aktarılır. Gerçekleştirilen sistein deney bağlantı yapısı Şekil 4 de veriliştir. Evirici ASM ASG Sabit Yük kullanılıştır. Yapılan 6 deney sonucu elde edilen verilerin 58 tanesi ağın eğitilesinde geri kalan 58 tanesi ise ağın test edilesinde kullanılıştır. Şekil 5, eğitiin her yineleesindeki utlak hatanın değişiini gösterekte olup, son yineleede elde edilen utlak hata değeri, e = dir. Modele ait benzeti sonuçları noralize ediliş giriş-çıkış değerleriyle oluşturuluş ve Şekil 6 da veriliştir. MUTLAK HATADAKi DEGiSiM ADIM SAYISI Şekil 5. RBF Ağının Eğitilesi Sırasında, Her Yineleedeki Mutlak Hatanın Değişii. Hız bilgisi Hız bilgisi Eneri Analizörü P L C Sığaç Grubu cikislar Agin urettigi Gerçek Degerler Şekil 4: Deney Bağlantısı Blok Gösterii Alınan değerler sonucunda, uygun rüzgar hızına karşılık gelecek şekilde asenkron otora bağlı olan hız denetleyicinin çalıştırılası sonucu sabit rüzgar hızları elde ediliştir. Alınan değerlere göre belirli hızlarda uygun sığaç değeri ile sağlanabilen en yüksek güç değerleri belirleniştir [3]. Bu duru ile değişik sabit rüzgar hızlarındaki değerler RBF tabanlı ağ yapısı için kullanılıştır. 6. Sonuçlar Yapılan çalışada elde edilen verilerin ışığında, öncelikle sığaç uyartılı asenkron generatörün farklı hızlarda özuyartıın sağlanası gerçekleştiriliştir. Ağın eğitilesi için çeşitli R,C ve n değerlerine karşılık ölçülüş P değerlerinden oluşan bir veri seti ,,3,...,n. giris Şekil 6. Ağın Test Veri Seti İçin Ürettiği Çıkışlar İle Olası Gereken Çıkışlar Bu çalışada kullanılan RBF Ağına ait yapı yukarıda verilen Şekil 3 ile gösteriliştir. Şekil 6 ise yapılan odelleenin ne ölçüde başarılı olduğunun bir göstergesidir. Kullanılan başlangıç değerleri değiştirilerek odelin başarıı arttırılabilir. Bunlardan, başarıı en çok etkileyecek olan kullanılan RBF sayısıdır. Elde edilen odel sadece 6 nörondan oluşan bir RBF ağı kullanılarak üretiliştir.

5 7. Kaynakça [] Sürgevil, T., Akpınar, E., Rüzgar Gücünden Elektriksel Güç Elde Etede Kullanılan Dönüşü Sisteleri ve Kontrol Teknikleri, Yenilenebilir Eneri Kaynakları Sepozyuu, YEKSEM, 00, s , İzir [] Yerebakan, M., Rüzgar Enerisi, İstanbul Ticaret Odası, Yayın No:00 33, 00 [3] Karadeli, S., Rüzgar Enerisi, Teiz Eneri Vakfı, Kası 00 [4] Walker, F. J. and Jenkıns, N, Wind Energy Technology, UNESCO Energy Engıneerıng Serıes, John Wiley & Sons, 997 [5] Bansal, C. R. : Three-Phase Self-Excited Induction Generators: An Overview, IEEE Trans. On Energy Conv., Vol. 0, No. 3, June 005 [6] Heier, S., Grid Integration Of Wind Energy Energy Conversion Systes, John Wiley & Sons, 996 [7] Chan, T.F., Capacitance Requireents Of Self- Excited Induction Generators, IEEE Trans. On Energy Conversıon, Vol.8, No., June 993, pp [8] Chapan, S.P., Electrical achinery Fundaentals, MCGRAW-HILL, 99 [9] Rabınovıcı, R., Autonoous excitation of induction generators, IEEE Trans On Magnetıcs, 998, Vol 34, Iss 3, pp [0] Wang, L., And Lee, C.H., A Novel Analysis On The Perforance Of An Isolated Self-Excited Induction Generator, IEEE Trans. On Energy Conversıon, Vol., No., June 997, pp log-5 [] Nayong Kı, Hyung-Gı Byun, and Kı Hyeon Kwon, Learning behaviors of Stochastic Gradient Radial Basis Function Network Algoriths for Odor Sensing Systes, ETRI Journal, Volue 8, Nuber, February 006, pp [] Friedhel S., Hans A. K., Günther P., Three Learning Phases for radial - basisfunction networks, Neural Networks 4, pp , 00 Elsevier [3] Deirci, E., Önbilgin, G., Şenlik, İ., Yel Enerisi İçin Sayısal Denetili Asenkron Generatör Dizgesi 4. Otoasyon Sepozyuu, 007, s ,Sasun