ÇBAG Tabanlı Rüzgar Türbini Donanım Simülatörü Kurulumu ve Deneysel Kontrol Uygulamaları

Transkript

1 ÇBAG Tabanlı Rüzgar Türbini Donanım Simülatörü Kurulumu ve Deneysel Kontrol Uygulamaları Görkem Ziya Yanık 1,Ozan Aykut 1,Cevat Şimşek 1,Lütfü Akçil 1,İlker Üstoğlu 2 Özgür Turay Kaymakçı 2 1 İstanbul Ulaşım A.Ş., İstanbul {yanik,oaykut,csimsek,lakcil}@istanbul-ulasim.com.tr 2 Kontrolve Otomasyon Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi, Esenler, İstanbul {ustoglu,kaymakci}@yildiz.edu.tr Özetçe Bu çalışma, müşteri kurum olan Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı nın talebi üzerine hazırlanan Tübitak 1007 KAMAG programın kapsamında %100 desteklenen Milli Rüzgar Enerji Sistemleri Geliştirilmesi ve Prototip Türbin Üretimi (MİLRES) projesi kapsamında üretilen çift beslemeli asenkron generatör (ÇBAG) tabanlı 500kW lık rüzgar türbinin laboratuar ortamında yapılmış konvertor testleri üzerinedir. Rüzgar türbini, konvertör ve ÇBAG ile ilgili sistem ister testleri programlanabilir lojik kontrolör (PLC) ile kontrol edilen bir adet 500 kw lık test motoru ile gerçekleştirilmiştir, İlgili rüzgar simülasyonları hem normal hem de acil durum koşulları dikkate alınarak test edilmiştir. Yapılan testlerin sonuçları ayrıca paylaşılmıştır. Abstract This study is about developing 500 kw wind turbine converter and double fed induction generator(dfig) system to be tested in the laboratory area charged by TÜBİTAK. Programming logic controller was used to test wind turbine simulation on the 500 kw test motor for this study. Lab. test results are shared in this study. 1. Giriş Günümüzde, büyüyen enerji ihtiyacına bağlı olarak elektrik enerjisine olan ihtiyaç artmaktadır. Ancak elektrik enerjisi üretiminde kullanılan ham maddelerin sonsuz olmadığı bilinmektedir. Bu sebep ile hem doğal hem de tükenmeyen bir kaynak olması sebebiyle, rüzgardan elde edilen elektrik enerjisine olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Türkiye'nin teknik olarak rüzgar potansiyeli kurulu gücünün yaklaşık olarak 3 katı olan MW'a eşittir. Türkiye de kurulan rüzgar türbinlerinin birçok parçası yurtdışından ithal edilmekte ve bu nedenle ülke rüzgar türbini konusunda dışa bağımlı olmaktadır. Bu aşamada Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı bünyesinde olmak üzere Milli Rüzgar Enerji Santrali (MİLRES) projesi başlatılmıştır. Bu proje ile, rüzgar enerji santrallerin kurulmasındaki teknik alt yapının oluşturulması ile bu alanda dışa olan bağımlılığının ortadan kaldırılması amaçlanmaktadır. Bu amaçla, İstanbul Ulaşım A.Ş. tarafından MİLRES projesi kapsamında konvertör tasarımı ve kontrolü, türbin kontrolü çalışmaları yürütülmüş ve testleri başarı ile tamamlanmıştır. MİLRES projesi kapsamında, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirmede kullanılan generatör tipi 500kW lık çift beslemeli asenkron generatör (ÇBAG) dir. ÇBAG, rotor sargıları çift sargılı olup senkron üstü ve altında çalışma özelliğine sahiptir. Bu sebep ile ÇBAG ün rotor terminalleri, back-to-back konvertör aracılığı ile çift yönlü güç alış-verişi sağlanabilmektedir. Back-to-back konvertör de şebeke ve rotor tarafı olmak üzere iki adet konvertör mevcuttur. Konvertörler arasında doldurulan ve enerji akışını sağlayan DC link kapasiteleri mevcuttur. ÇBAG ün şebekeye bağlanması için gerekli olan faz kilitlemeli çevrim (PLL) algoritmaları geliştirilmiştir. Aynı zamanda şebeke ve rotor tarafı konvertörlerde, konvertörlerin kontrolünde vektör kontrol yapısı uygulanarak şebekeye güç aktarılması sağlanmıştır. MİLRES projesi kapsamında, test çalışmaları için kurulan test düzeneğinin prensip şeması Şekil 1 de gösterilmiştir. Test düzeneğinde, ÇBAG nin devreye girme ve çıkma senaryoları ve şebekeye güç aktarma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Test düzeneğinde sistemin kontrolü için Beckhoff CX1020 PLC kullanılmış, sürücüler arasındaki haberleşmeler Modbus RTU ile yapılmış ve HMI ekranından da sistem anlık bir şekilde izlenmiş ve rüzgar türbini çalışma prosedürleri uygulanmıştır. Şekil 1: MİLRES Lab. Test Düzeneği

2 2. Sistem Modellemesi ve Kontrolü Prensip şeması Şekil 1 de verilen test düzeneğinden anlaşılacağı üzere, bu çalışmada ÇBAG ün dönmesi için gerekli olan moment bir AC motordan sağlanmaktadır. AC motorun mil momenti, PLC üzerinden gönderilen tork veya hız referansı ile kontrol edilmektedir. AC motorda üretilen mil momentine göre, ÇBAG yi döndürerek, istenilen hız değerine ulaşması sağlanmış, istenilen hız değerinde ulaşmasından ve şebeke senkronizasyonunun sağlanmasından sonra, konvertörün şebekeye bağlanması gerçekleştirilmiştir. Böylece ÇBAG nin stator ve rotor terminalleri üzerinden şebekeye güç aktarılması işlemi sağlanmış olur. Rotor terminalleri üzerinden aktarılan güç, tasarımı gerçekleştirilen back-to-back 200kW lık konvertör üzerinden gerçeklenmiş ve sürücüler ile haberleşme Modbus RTU(RS485) ile PLC üzerinden kontrol edilmiş ve tasarımı gerçekleştirilen HMI ekranı üzerinden sistemdeki sıcaklık, gerilim, akım, şaft üzerindeki tork gibi değerler anlık olarak izlenmiştir. Bu sayede daha önceden belirlenen test senaryoları hayata geçirilmiş, sistemin çalışması ile ilgili veriler toplanmış ve analiz edilmiştir ÇBAG de Senkronizasyon ve Kontrol Yapısı Rüzgar türbini santrallerinde, çift beslemeli asenkron generatörün stator terminalleri doğrudan, rotor terminalleri ise back-to-back konvertör üzerinden şebekeye bağlanır. ÇBAG senkron altı çalışma durumunda şebeke tarafı konvertör aracılığıyla şebekeden güç çeker iken, senkron üstü çalışma esnasında ise şebekeye güç aktarabilmesini back-to-back konvertör aracılığıyla sağlar. Back-to-back konvertör yapısında, şebeke ve rotor tarafı konvertör olmak üzere iki tip konvertör ve konvertörler arasında, paralel bulunan kapasiteler ile çift yönlü güç alış-verişi sağlanabilmektedir. Şebeke ve rotor tarafı konvertörlerde vektör kontrol yapısı uygulanmıştır. Vektör kontrolünde, üçlü eksen takımına sahip olan yapı, dq eksen takımına indirilmiştir. Bu eksen takımında gerçekleştirilen stator gerilim ve akı oryantasyonları ile şebeke ve rotor tarafı konvertör kontrolü gerçekleştirilir. Stator gerilim oryantasyonunda, referansın d ekseni stator gerilim uzay vektörü boyunca hizalanır. Böylece stator q eksen gerilimi sıfır, d eksen gerilimi sabit bir değere gelmektedir. Stator akı oryantayonunda ise, referansın d ekseni, stator akı uzay vektörü boyunca hizalanır ve akının q bileşeni sıfır, d bileşeni ise sabit değer alması gerekmektedir. Bu sebep ile şebeke ve rotor tarafı konvertör kontrolünde, oryantasyonlar büyük öneme sahiptir. Böylece gerçekleştirilen kontroller, istenilen referansa göre, üretilen referans akım değerine bağlı olarak üretilen referans geriliminin değişiminin kontrolü ile gerçekleştirilmiştir. Şebeke tarafı konvertör kontrolünde, DClink gerilim seviyesi sürekli kontrol altında tutulmuş ve ihtiyaç durumunda konvertör şebeke ile karşılıklı reaktif güç alışverişi sağlanmıştır. Rotor tarafı konvertör kontrolünde ise, aktif güç kontrolü gerçekleştirilmiştir. Çift beslemeli asenkron generatörün şebeke ile senkronizasyonu PLL algoritması ile gerçekleştirilir. Şebeke gerilim vektörü, dq eksen takımına indirgenmesi ve q bileşenin bir PI kontrolörile sıfıra eşitlenmesi ile, şebeke gerilim oryantasyon durumu için, dönüşümler için uygun açı bilgisi elde edilmektedir. Aynı zamanda PLL algoritması ile elde edilen açı bilgisi hem şebeke hem de rotor tarafı konvertör kontrolünde dq eksen takımına geçişlerde de kullanılmıştır. Sistemde birinci veya ikinci dereceden PLL yapıları mevcuttur. Şebeke geriliminde harmonik, gerilim düşümü, frekans değişmesi durumlarına karşı, ikinci dereceden PLL yapısı daha dayanıklı bir davranış segilemektedir. Birinci dereceden PLL yapısı Şekil 2 de gösterilmiştir. İkinci dereceden PLL yapısında, üç faz gerilimi önce alpha-beta eksenine sonra da hem harmonik filtreleme hem de 90 derece faz kayma özelliği sağlayan fonksiyonlardan geçirilerek, PLL açısı elde edilmektedir. Şekil 2: Birinci Dereceden PLL Prensip Şeması Rüzgar türbini santrallerinde, şebeke geriliminin düşmesi, üç faz kısa devreleri oluşması durumunda konvertörler arasından bulunan DC-link gerilim seviyesi, rotor akımı ve rotor hızında yükselmeler olmaktadır. Bu yükselmeler ciddi boyutlara çıkmadan, belirlenen sınırlar içinde arıza crowbar ve chopper devreleri üzerinden toprağa atılmaktadır. Chopper devresi genellikle DC link geriliminde olabilecek düşük yükselmelerde arızayı ortadan kaldırmaya çalışırken, crowbar devresi ise chopper devresinin yetersiz kaldığı durumda devreye girip arızanın toprağa atılmasını sağlamaktadır. 2.2.Test Sistemi ve Çalışma Senaryosu MİLRES ÇBAG ve konvertör testlerinde çeşitli çalışma senaryolarıyla sistem test edilmiştir. Bu çalışma senaryoları normal çalışma durumu ve acil durdurma senaryosu olarak 2'ye ayrılır. Bu senaryolar neticesinde MİLRES ÇBAG ve konvertör farklı çalışma şartlarında test edilmiştir. Türbinin ilk olarak devreye alınması PLC tarafından Şekil 4'deki çalışma senaryosuna göre oluşturulmuştur. Yüksek hızlı şaftın hızı 600 rpm'e getirilerek türbin freewheeling durumunda bekletilir ve eğer acil stoplara basılı değilse ve PLC'nin çevresel birimlerle haberleşmesinde bir sıkıntı yoksa türbin devreye alma operasyonu başlar. Türbin SerbestDönüşG1 durumuna gelinceye kadar ise Şekil 3'deki 1,2 ve 3 numaralı şartları yerine getirir. Konvertör PLC tarafından "run" komutunu aldıktan sonra şebeke tarafı kontaktörünü 1 konumuna getirerek DC linkin şarj edilmesini sağlar bu süreçte herhangi bir hata durumunda konvertör şebeke tarafı konvertörünü 0 haline getirir ve DC link üzerinde enerjiyi şebeke tarafına aktarır. SerbestDönüşINIT durumundan SerbestDönüşG1 durumuna gelinceye kadar PLC tarafından yüksek hızlı şaftın hızı saniyede kontrollü bir şekilde 5 rpm arttırılarak 850 rpm ÇBAG nominal çalışma hızına getirilmiştir. Türbin hızı 850 rpm'e getirildikten sonra konvertör şebeke senkronizasyonunu tamamlar ve PLC'ye Makine Tarafı Hazır(Machine Side Run) komutu gönderir.

3 DURDUR INV. HAZIR=0 1 DURDUR ŞARJ INV. HAZIR=0 6 DC LİNK DEŞARŞ KONTAKTOR. = 0 DURDUR ŞARJ INV. HAZIR = 1 2 DC LİNK ŞARJ KONTAKTOR. = 0 DURDUR ÇALIŞ ÇALIŞIYOR=0 KONTAKTOR. = 1 5 ŞEBEKEDEN AYRILDI 3 INV. HAZIR ROTOR TARAFI HAZIR = 0 MAKİNE TARAFI DURDUR DURDUR STATOR KONTAKTOR = 0 4 ŞEBEKEYE BAĞLANDI ÇALIŞ ROTOR TARAFI DURDUR STATOR KONTAKTOR = 0 ÇALIŞMASI ROTOR TARAFI HAZIR = 1 KONTAKTOR. = 1 Şekil 3: Konvertor Çalışma Prosesi PLC, gönderilen komutu aldıktan sonra güç referansını arttırmaya başlar. HMI ekranından maksimum çalışma güç referansı belirlenen güç referansına kadar, türbin kontrolü saniyede 10 kw güç referansını arttıracak şekilde şebekeye güç aktarmaya başlamıştır. Generatörden şebekeye aktarılan güç miktarı 500 kw olduğunda sistem güç referansını eğer herhangi bir olumsuz durum yok ise sabit tutar. Türbin kapatma durumu ise acil durdurma ve normal durdurma senaryosu olmak üzere iki durdurma prosedüründen oluşturulmuştur. Türbin kontrolü, normal durdurma butonu aktifleştirildiğinde güç referansını saniyede -10 kw azaltarak 0 kw değerine getirir. Stator ve rotor kontaktor durumlarını 0'a getirerek şebekeden tamamen ayrılır ve konvertor DC-link üzerindeki enerjiyi şebekeye aktarır. Kontrol sistemi yüksek hızlı şaft hızını 850 rpm'de tutarak freewheeling durumuna geçer. Eğer türbinin tekrardan enerji üretmesi isteniyorsa, normal çalışma butonu aktifleştirilerek Şekil 3 ve Şekil 4'deki gibi çalışma senaryoları tekrardan işletilmeye başlanır. Acil durdurma butonu ise sistemin acil durdurma durumları testi için kullanılmıştır. Acil durdurma butonuna basıldığında sistem güç referansını o anki güç referans değerinden 0 kw a getirir ve konvertörü şebekeden ayırarak freewheeling durumuna geçer. MİLRES türbin kontrol stratejisinden acil durdurma prosedürüne etki edecek herhangi bir bozucu etkide kanatlarında dönmesini pitch freni vasıtasıyla engelleyecek ve yüksek hızlı şaftın hızını yaklaşık 0 rpm'e getirecektir fakat laboratuvar sisteminde buna gerek görülmemiş ve durdurma operasyonunda generatörün şaft hızı tekrardan enerji üreteceği biçimde 850 rpm'de tutulmuştur. Generatör Hız>850rpm* (Şebekeye Bağlanma Hızı) +-3rpm(3sn süreyle Şebekeye Bağlanma Zamanı) Generatör Hız>600rpm* (SerbestDönüşHızıG1G1_Max) Generatör Hız<600rpm* (SerbestDönüşG1G1) Serbestdönüş INIT Serbestdönüş G1 Şebekeye Bağlan Enerji Üretimi Serbestdönüş G1G1 Generatör Hız>=600rpm* ve Inv. Modbus OK ise Şebekeye Bağlandı GüçReferansıDeğiştirildi Şekil 4: Kontrol Sistemi Çalışma Prensibi Max. Güç Referansı

4 3. Deneysel Sonuçlar MİLRES projesi konvertör ve ÇBAG çeşitli güç referanslarında testleri yapılmıştır. Bu referanslar türbinin nominal çalışma güçlerinden başlayarak 500kW, 400 kw, 300kW, 200 kw ve 100 kw için tekrarlanmıştır. Her prosedür için normal çalışma ve acil durdurma durumları test edilmiştir. Bu testlerin sonucu ise PLC'den alınan verilerin bilgisayar hafızasına kaydedilmesiyle grafikler çizdirilmiştir. Deneylerin gerçekleştirildiği test laboratuvarının genel görünüşü Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5: Test Laboratuarı Şekil 6: 500 kw Normal Çalışma ProsedürüLab. Test Sonuçları Şekil 6'daki grafik labarotuvar ortamında denenmiştir. MİLRES ÇBAG ve konvertör test verilerinden oluşturulmuştur. Turuncu ile gösterilen PLC tarafından 4Q sürücüye gönderilen hız referansını, yeşil renk ile gösterilen ise motorun gerçek hızını göstermektedir. Mavi, kontrolörden MİLRES konvertora gönderilen güç referansını, kırmızı ise üretilen aktif güç miktarını göstermektedir. Sistem 600 rpm'de freewheeling durumundayken sisteme run komutu gönderilmiştir. Sisteme run komutu gönderildikten sonra rüzgarı simüle eden motorun hızı her saniye 10 rpm arttırılmış ve 850 rpm'e ulaştığında konvertörün şebekeye bağlanması için gerekli komut gönderilmiştir. Konvertör bu komutu aldıktan sonra şebekeye senkronize olmuş ve kontrolöre bunu bildirmiştir.(machine Side Run) Bundan dolayı kontrolör tarafından güç referansı göndermeye başlanmış ve her saniye 10 kw güç referansını arttırmıştır. MİLRES konvertör tarafından bu referansların takip etmesi ve takip etme hızı önemlidir. Şekil 6'ya bakıldığında MİLRES konvertörün verilen referansları anlık olarak takip ettiği ve verilen referanslara çok hızlı bir şekilde tepki verdiği görülmüştür. Sistem belirli bir süre çalıştıktan sonra kontrolör tarafından normal stop komutu almış ve her saniye -10 kw güç referansıyla, 0 kw'a kadar güç referansı gönderilmiştir. Generatör 0 kw'a eriştiğinde konvertör şebekeden ayrılmış ve freewheeling pozisyonunda kalmıştır. Normal çalışma durumuyla birlikte acil durdurma süreçleri incelenmiş ve testleri gerçekleştirilmiştir. Acil durdurma sürecinde konvertör şebekeye güç aktarırken güç referansı aniden 0 kw olarak gönderilmiş ve sistemin tepkisi ölçülmüşür. Şekil 7'de gösterildiği gibi sisteme anlık olarak stop komutu gönderilmiş ve kontrolör tarafından güç referansı 0 kw'a çekilmiş ve konvertörün bu güç referansını takip ederek şebekeye aktarılan gücü 0 kw'a çektiği ve kendisini şebekeden ayırdığı görülmüştür. Bu süreçte yüksek hızlı şafta bir güç boşalması olduğundan dolayı sistem biraz hızlanmış, sonrasında kontrolör tarafından gönderilen 850 rpm hız referansına çekilmiştir. Sarı ile gösterilen güç referansı ölçüm hatası olarak başta osilasyon yaptığı görülmektedir. Güç aktarılmaya başlandığında ölçülen gücünde 0 kw'dan başladığı görülmektedir. Konvertör her iki kapanma durumunda da Şekil 3'deki 5 ve 6 numaralı süreçleri sırayla uygular.

5 Şekil 7: 100 kw Acil Durdurma ProsedürüLab. Test Sonuçları 4. Sonuçlar MİLRES projesi kapsamında çalışmaları gerçekleştirilen ÇBAG tabanlı rüzgar türbini simülatörü konvertör testlerinde, gerçekleştirilen kontroller ÇBAG üzerinde vektör kontrol yapısı uygulanarak gerçekleştirilmiştir. ÇBAG ün rotor sargıları üzerinden şebekeye güç aktarılması için 200 kw lık back-to-back konvertör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Back-to-back konvertörde, ÇBAG ün kontrolü için geliştirilen yazılım sayesinde, DC link gerilimi sabit tutulmuş, şebeke ve generatör ile çift taraflı güç alış verişleri yapılmıştır. PLC üzerinden rüzgar torkunu simüle eden motora sürücüsüne referans olarak gönderilen tork veya hız referansına ve yüksek hızlı şaftın hızına bağlı olarak MİLRES konvertöre gönderilen güç referansına göre, şebekeye aktarılan aktif ve reaktif güç değerleri istenildiği gibi ayarlanmıştır. Sistemde, şebekeye aktarılabilecek nominal 500 kw lık güç değeri laboratuar ortamında yapılan test çalışmaları ile başarıyla şebekeye aktarılmış, rüzgar türbininde kullanılan acil durum kapatma şartlarına göre konvertör sistemi test edilmiştir. Bundan sonraki yapılacak çalışmalarda konvertör ve ÇBAG, türbinin nacelle kısmına yerleştirilecek ve MİLRES türbinden alınacak geri bildirimlere göre tekrardan 500 kw türbin için kontrol ve konvertör yazılım optimizasyonları yapılacaktır. Konvertor ileri hata/koruma durumlarını test edebilmek için daha küçük güçlü generator ve konvertör seti MİLRES konvertör test laboratuvarında kullanılacaktır. Teşekkür Proje No: 110G010 MİLRES projesine desteklerinden dolayı Türkiye Cumhuriyeti Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı'na, TÜBİTAK'a ve değerli MİLRES proje ortaklarına teşekkür ederiz. 5. Kaynakça [1] S.Mazari, Control Design and Analysis of Doubly-Fed Induction Generator in Wind Power Application, Alabama [2] B.Pokharel, Modeling, Control and Analysis of a Doubly Fed Induction Generator Based Wind Turbine System Voltage Regulation, Tennessee Technology University, December [3] T.Ghennam, E. M.Berkouk ve B.Francois, Modeling and Control of a Doubly Fed Induction Generator Based Wind Conversion System, IEEE, March 2009, Lisbon s: [4] L. R. Limongi, R. Bojoi ve C. Pica, Analysis and Comparison of Phase Locked Loop Techniques of Grid Utility Applications, IEEE, April 2007, Nagoya, s: [5] H. A. Pereira, S. R.Silva, Influence of PLL in Wind Parks Harmonic Emissions, IEEE, April 2013, Sao Paulo, s:1-8. [6] X.Guo, W.WU, H.GU, Phase Locked Loop and Synchronization Methods for Grid-Interfaced Converters, Yanshan University. [7] C. Wessels, Fault Ride Through of DFIG Wind Turbines during Symmetrical Voltage Dip with Crowbar or Stator Current Feedback Solution, IEEE, September 2010, Atlanta, s: [8] I. Erlich, H. Wrede ve C.Feltes, Dynamic Behavior of DFIG-Based Wind Turbines during Grid Faults, IEEE, University of Duisburg-Essen, April 2007, Nagoya, s: