ŞEBEKE BAĞLANTILI ÇİFT KAFES ASENKRON JENERATÖRLÜ RÜZGAR ENERJİSİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ ÜZERİNDE VERİM ANALİZİ

Transkript

1 ŞEBEKE BAĞLANTILI ÇİFT KAFES ASENKRON JENERATÖRLÜ RÜZGAR ENERJİSİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ ÜZERİNDE VERİM ANALİZİ Tolga Sürgvil Eyü Akınar Dokuz Eylül Ünivrii Elkrik v Elkronik Mühndiliği Bölüü Kaynaklar Yrlşki, 3560 Buca / İzir -oa: olga.urgvil@.du.du.r, yu.akinar@.du.du.r ÖZET Rüzgardan, lkrik nrjiin dönüşürülck gücün ikarı, ürbin ilinin yüklnin bağlı olarak dğişiklik görir. Rüzgar nrjiini lkrik nrjiin dönüşürk için ürbin ilin bağlanacak olan jnraör v dişli kuuunun oluşuracağı yük karakriiğinin ürbinl uyulu olaı bu bakıdan önlidir. Özllikl doğrudan şbk bağlanılı abi hızlı ilrd kullanılacak olan jnraörün ii, ana gücü v dişli kuuu çvri oranı iin gnl vriini kildiği için, yıllık nrji üriini kilyn ararlr olarak oraya çıkakadır [,]. Sürkli glişn yarı ilkn knolojii v buna bağlı olarak oor ürücü uygulaalarının yaygınlaşaıyla birlik dğişkn hızlı rüzgar nrjii dönüşü ilri d üzrind yoğunlukla çalışılan konular duruuna glişir. Bu ür ilrd, kullanılan jnraörün ork-hız karakriiği lkrikl rinallrdn konrol dilrk, ürbinin ork-hız karakriiği üzrindn ürbin hızı dnlnkdir. Dolayııyla ürbindn ld dilck gücü konrol k bu şkild olanaklıdır. Dğişkn hızlı ilrd roor hızının konrolünün yanında, lkrik ürn jnraörün vri konrolünü d grçklşirn ilr aarlanakadır [3]. Blirli bir ürbin yaıında, konrol ilri rüzgardan çkilbilck gücü n çoklarkn, diğr arafan jnraörün vriini akiiz kdirlr [4]. Bu çalışada şbk bağlanılı çif kafli ankron jnraör içrn rüzgar nrjii dönüşü iinin vri analizi yaılacakır. Türbin v jnraörün aaikl odllri vrilckir. Doğrudan şbk bağlanılı ankron jnraör v dğişkn hızlı iki ayrı i üzrind yaılan iülayon onuçları unulacakır. I. Rüzgar Türbininin Tork-Hız Karakriiği Bu kııda rüzgar nrjii dönüşü iinin dinaik iülayonları için grkli rüzgar ürbini karakriiklri vrilckir. Blirli bir alan içriindn akan havanın (rüzgarın kinik nrjiindn üç kanalı rüzgar ürbini aracılığıyla dönn il akarılacak gücün v orkun şiliklri ( v ( d vrilkdir: 3 = 0.5C ( β, λ ρπr v Wa, (

2 T C ( β, λ 0.5 R v λ 3 = ρπ N. ( Burada ρ hava yoğunluğu (=.3 kg/ 3, R ürbin yarıçaı (=.5, v rüzgar hızı (/, β ürbin kana açıı (abi, v λ i kana uç-hız oranı olu şu şkild ifad dilkdir: ω R λ = (3 v ω ürbinin açıal dönüş hızıdır (rd/. ( v ( nuaralı dnkllrd görildiği gibi, rüzgar ürbininin güç kaayıı (C uç-hız oranı v kana açıının bir fonkiyonudur v buna bağlı olarak ürbinin çalışa koşulları rüzgardan ld dilck güç ikarını blirlr. Rüzgar ürbinlrinin gnl karakriiklri göz önün alındığında, abi kana açılı bir ürbinin güç kaayıı il uç-hız oranı araındaki ilişki aşağıdaki forüll ifad dilbilir: C = A B( λ C (4 Bu dnkld A akiu güç kaayıını (C ürbinin akiu güç nokaına ( _ a, B ğrinin biçiini v C i karşılık gln oiu uç-hız oranını ifad kdir. Eğr rüzgar ürbinin C λ karakriiği biliniyora, bu karakriik ürbin odlind doğrudan kullanılabilir vya dnkl ararlri n küçük karlr yöni gibi ğri uydura yöni yaklaşııyla bulunabilir.,a Bu çalışada kullanılan rüzgar ürbininin, 8 / rüzgar hızında n çok =.5 kw gücü il akaracağı varayılışır. A dğri, ( nuaralı şilik güç yrin 500 W yrlşirilrk (A=C olarak bulunur. (4 nuaralı dnkldki kaayılar bu koşul,a alında A=0.4, B=0., C=0.65 çiliş v ıraıyla Şkil v Şkil d vriln ürbinin güç-hız v ork-hız karakriiklri ld dilişir. Rüzgar hızının dğişik dğrlri için güç-il hızı vya ork-il hızı ğrilri ( v ( nolu şiliklr kullanılarak ürilbilir. Bu ğrilrin ürilind λ karakriiğinin ü rüzgar hızlarında korunduğu varayıı yaılışır. C _ a

3 Şkil Türbin güç-hız ( ω karakriiği Şkil Türbin ork-hız ( T ω karakriiği II. Doğrudan Şbk Bağlanılı Ankron Jnraör Rüzgar ürbini arafındaki il hızı bir dişli kuuu yardııyla dönüşürülrk jnraör ilin akarılakadır. Jnraör rinallri üç faz şbky doğrudan bağlanakadır. Jnraör ilinin hızı, ürbin arafından akarılan ork, şbk frkanı v griliin bağlı olarak nkron hızla dvril orkuna karşılık gln roor hızı araında bir hız

4 dğrin ouracakır. Bu çalışa bölgind ankron jnraörün hızı çok fazla dğişin rağn jnraör vrii oldukça büyük bir aralıka dğişkdir. Şbk frkanı v griliinin dğişdiği varayılarak, ankron jnraörün ork-hız karakriiklrinin dğişdiği buna karşılık jnraör çalışa koşullarının ürbin arafından il akarılan orka bağlı olduğu kolayca görülkdir. Bu duruda, abi rüzgar hızı koşulları alında ürbin ilindn jnraör ilin akarılan ork dişli kuuunun hız dönüşür oranına bağlı olarak dğişk v bu oran jnraör vriini önli ölçüd kilkdir. Bu koşullar alında iin vri analizini yaak için grkli ankron akinanın şdğr dvri Şkil 3 d vrilkdir. Şkil 3 Çif kaf ankron akinanın şdğr dvri Kaya fakörün ( bağlı olarak şdğr dvr analizi yaıldığında akin rinallrindn akarılan lkrikl güç şu şkild ifad dilbilir: = 3 V I coφ (5 Makinanın karalı çalışa koşullarında ilind oluşan ork v lkrokanik güç (6 v (7 nolu dnkllrdn halanakadır. T 3 = ω ( R h R + q V h + ( X h + X q r q (6 = ω T (7 r Burada R q, X q aşağıdaki forüllrl ifad dilir: R q ( r + r3 + ( + roor dvrinin aora akarılış şdğr dirnç v rakanı olu r r ( r + r + ( r + r = (8 3 3

5 r + r + ( + = ( X q + ( r + r3 + ( V h, Rh, X h i ıraıyla Thvnin şdğr dvri grilii, dirnci v rakanıdır v şu şkild ifad dilkdir: V h V = (0 r + ( + R h r = r + ( + ( X h ( r + + = ( + ( + r ω, ω r ıraıyla akinanın kanik nkron v roor hızları olu bu ikiinin farklarının nkron hıza oranı kaya fakörü olarak ifad dilkdir. ω, ω b i ıraıyla akinanın lkrikl nkron hızı v rakanların lrl halandığı aban frkanıdır. Buna gör (5 v (7 nuaralı dnkllrdn jnraör çalışa duruu için vri şu şkild halanır: = η (3 III. Siin Vri Analizi: i Doğrudan Şbky Bağlı Ankron Jnraör: Rüzgar nrjii iind.5 kw gücünd v çif kafli olarak çiln bu akinanın dğişik rüzgar hızlarında v dişli kuuu çvri oranlarında ( ürkli durudaki roor hızı, lkrikl güç, kanik güç, jnraör vrii v üriln lkroanyik ork ararlri inclnişir. Eld diln onuçlar Tablo I d görilkdir. Türbindn akarılan v ankron akinanın ilin uygulanan ork kararlı çalışa koşullarında şu şkild ifad dilkdir: T = T n (4 gar n gar Sabi hızlı v doğrudan şbky bağlı rüzgar nrjii dönüşü ilrind dişli kuuu çvri oranı çiinin rüzgardan ld dilck lkrikl gücü önli ölçüd kildiği görülkdir. Tablo I d görüldüğü gibi 8/ rüzgar hızında ürbindn akiu güç ld k için grkli dişli çvri oranı yaklaşık /8 ikn bu oran 4/

6 rüzgar hızında bu çvri oranı /5 olarak bulunuşur. Ayrıca jnraörün ana gücünd daha yükk vril çalışığı da Tablo I dn görülbilir. TABLO I. Doğrudan şbky bağlı ankron jnraörün dğişik dişli oranlarında vri analizi v _ a n gar ω r η T T (/ (W (rd/ (W (W (N (N / / / / / / / / / / / / / / / / / / / ii Grili/Frkan Konrollü Ankron Jnraör: Şkil 4 d, ankron akinanın dğişkn grili-dğişkn frkan kaynağından blndiğind oluşan lkroanyik ork-roor hızı ğrilri il 8/ rüzgar hızı koşullarında v /0 dişli kuuu çvri oranında ürbindn akarılan ork ğrilri birlik vrilkdir. Jnraörün blirli bir frkanaki ork ğrii il ürbinin blirli bir dişli çvri oranındaki ork ğriinin kişii çalışa nokaını (roor hızını vrckir. Bu çalışa nokaları, Şkil 4 d gözüküğü gibi, farklı frkanlarda dğişik roor hızları oluşurakadır. Yaılan analizlrd,, 3 v 4 nokalarında ld lkrikl güç dğrlri ıraıyla -485W, -75W, -40W, = -00W olarak halanışır. Buna gör jnraördn n çok lkrikl gücün alındığı çalışa nokaı 3 nuaralı kişi nokaına karşılık gln roor hızıdır. Bu kişi nokaında akin rinallrinin bağlandığı griliin frkanı 65 Hz dir. Bu duruda, 50 Hz frkanındaki nrji ii il jnraör rinallri araında V/f konrolü grkkdir. IV. Sonuç Doğrudan şbky bağlı ankron jnraörlü ilrd, k bir dişli çvri oranıyla büün rüzgar hızlarında ürbindn akiu güç alak olanaklı dğildir. Bu ndnl rüzgar nrjii dönüşü iinin yrlşirilcği alandaki rüzgar rjii göz önün

7 alınarak yıllık nrji üriini akiiz dck şkild dişli oranı çillidir. Rüzgardan dönüşürülck gücün akiiz dili için dğişkn hız ilrini kullanak zorunlu gözükkdir. Bu ndnl abi bir dişli oranı için, ankron akinanın frkan dğişikliği il yaılan hız konrolü blirli bir aralıka ürbindn akiu güç alak için grkli konrolü ağlayacakır. EKLER Şkil 4 V/f ürücülü ankron jnraör ork-hız ğrilrinin ürbin ğrilriyl karşılaşırılaı 5 kw, 4-kuulu, 380V, 50-Hz, çif-kaf ankron akina şdğr dvr ararlri: r = 3.0 oh r = 5.05oh r = 3.77 oh = 7.5oh KAYNAKLAR = 0. oh 3 3 = 9.38oh = 69.4 oh =. 39 oh [] Zingr, D.S., Muljadi, E., Annualizd Wind Enrgy Irovn Uing Variabl- Sd, IEEE Tran. on Indury Alicaion, vol.33, no.6 Novbr/Dcbr 997. [] Buhring, I.K., Frri, L.L., Conrol olici for wind-nrgy convriony, IEE roc., vol.8,. C, no.5, Sbr, 98. [3] Sio, M.G., Bo, B.K., Sigl, R.J., Dign and rforanc Evaluaion of a Fuzzy-Logic Bad Variabl-Sd Wind Gnraion Sy, IEEE Tran. on Indury Alicaion, vol.33, no.4 July/Augu 997. [4] J.F. Walkr, N. Jnkin, Wind Enrgy Tchnology, John Wily & Son,