Rüzgar Enerji Sistemlerinde Gerilim Genli i Denetiminin Bulan k Mant kla Gerçeklenmesi

Transkript

1

2 Otomatik Kontrol Ulusal Toplant s, Kas m 2008, TOK'08, Istanbul Rüzgar Enerji Sistemlerinde Gerilim Genli i Denetiminin Bulan k Mant kla Gerçeklenmesi Onur Ö. Mengi 1 ve smail H. Alta 2 1 Giresun Meslek Yüksekokulu Giresun Üniversitesi, Giresun onurmengi@yahoo.com 2 Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon ihaltas@ktu.edu.tr Özetçe Rüzgar enerji sistemlerinde üretilen gerilimin etkin değeri rüzgar h z ndaki değişimler nedeniyle değişken bir eğilim gösterir. Sabit etkin değer gerilimle çal şmak üzere tasarlanan elektrikli cihazlar n zarar görmemesi için bu gerilimin gerekli olan değerde sabit tutulmas gerkir. Bu bildiride rüzgar türbininden elde edilen AA gerilimin etkin değerini değişen rüzgar h zlar ndan etkilenmeden belirli bir rüzgar h z aral ğ nda sabit tutabilmek için tasarlanan bulan k mant k denetleyici (BMD) ayr nt l bir şekilde tan t lmakta ve elde edilen sonuçlar ayn amaçla kullan lan PI denetleyici sonuçlar yla karş laşt r larak tasarlanan BMD nin etkinliği gösterilmektedir. 1. Giri Dünyadaki h zla artan enerji s k nt s ve fiyatlardaki yükselme, mevcut enerji kaynaklar na alternatif kaynaklar araşt rmay ve geliştirmeyi bir zorunluluk haline getirmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklar sürekliliği olan ve hiç bitmeyecekleri varsay lan kaynaklard r. Özellikle çevre kirliliği ile ilgili problemler artt kça yenilenebilir enerji kaynaklar n n önemi artm ş ve bunlarla ilgili projeler de destek görmeye başlam şt r. Dünyadaki petrol rezervleri 40 y l, doğalgaz rezervlerinin 67 y l ve kömür rezervlerinin 227 y l sonra tükeneceği tahmin edilmektedir. Dünya elektrik enerjisi üretiminin yaklaş k olarak % 64.5 i fosil yak tlar (% 38.7 kömür, % 18.3 doğal gaz, % 7.5 petrol), % 7 si nükleer enerji, % 16.5 i hidrolik enerji ve % 13 ü diğer yenilenebilir enerji kaynaklar ndan gerçekleşmektedir. Bu rakamlar yenilenebilir enerji kaynaklar n n bundan sonra çok daha önemli olacağ n ve bu alana yap lacak yat r mlar n h zla artacağ n göstermektedir [1]. Bu kaynaklar n en önemlilerinden bir tanesi rüzgar enerjisidir. Rüzgar enerjisi yayg n olarak kullan lan bir yenilenebilir enerji kaynağ d r. Rüzgar vas tas yla elde edilen hareket ile dönen pervanenin bağl bulunduğu mili çevirmesi ile elektrik enerjisi elde edilir. Elde edilen bu enerjinin gerilim ve frekans değerlerinin ayarlanmas gerekmektedir. Bu aşamada güç elektroniği düzenekleri ve denetleyiciler devreye girer. Güç elektroniği çeviricileri vas tas yla elde edilen enerji önce doğru gerilime sonra da tekrar alternatif gerilime çevrilebilir yada k y labilir. Uygun denetleyiciler kullanmak vas tas yla da gerilimi ve frekans istenen düzeye ayarlanabilir. Şekil 1 de önerilen sistemin yap s görülmektedir. Burada rüzgar türbininden elde edilen enerji bir AA-DA çeviricisiyle doğru gerilime çevrildikten sonra LC filtresinden geçirilmekte daha sonra kontrollü bir evirici vas tas yla da tekrar alternatif gerilime dönüştürülmektedir. Bu işlem s ras nda gerilimin genliği ve frekans ayarlanmaktad r. Evirici ç k ş nda yeni bir LC filtreden geçirilen gerilim ile yükler beslenmektedir. Burada denetleyici olarak PI yada BMD kullan lmakta ve gerilimin etkin değeri 380V değerine ayarlan rken frekans da 50 Hz de sabit tutulmaktad r. RÜZGAR TÜRBİNİ AA-DA LC FİLTRE KONTROLÖR DA-AA ekil 1: Sistemin ana yap s. ÖLÇÜM YÜKLER LC FİLTRE Rüzgar h z ndaki değişimler nedeniyle evrici girişinde farkl genliklere sahip bir DA gerilimi oluşsa da, yap lan denetim ve uygun filitrelerin kullan lmas sonucu evirici ç k ş geriliminin etkin değeri 380 V da, frekans da 50 Hz de sabit tutulabilmektedir. Ayr ca oluşan harmonik etkiler de kullan lan filitrelerle önemli ölçüde azalt labilmektedir. Dolay s yla önerilen BMD ile rüzgar enerji sistemi gerilimi minimum harmonik içeren güvenilir bir sisteme dönüştürülmektedir. 835

3 2. Rüzgar Türbinin Yap s Rüzgar türbin modeli türbinin sürekli durum güç karakteristikleri temel al narak geliştirilmektedir. Rüzgar türbininin ürettiği mekanik güç, denklem (1) deki gibidir. P m C p(, ) Av (1) Burada; P m türbinin mekanik ç k ş gücünü (W), C p performans katsay s n, λ pitch aç s n (derece), β tepe h z oran n, ρ hava yoğunluğunu (kg/m 3 ), A rotor süpürme alan n (m 2 ) ve v rüzgar h z n (m/s) göstermektedir. C( p, ) ifadesi ise denklem (2) ve (3) kullan larak hesaplanmaktad r. C 2 C( p, ) C1 C3 C4 e C6 (2) , ,08 1 i Kullan lan değerler; C 1 =0.5176, C 2 =116, C 3 =0.4, C 4 =5, C 5 =21 ve C 6 = dir. β değeri ise 0 al nmaktad r. Fakat bu değer istenirse değiştirilebilir [2-4]. Şekil 2 de rüzgar türbini karakteristikleri görülmektedir. C3 i (3) beyninin belirsiz ve kesinlik içermeyen durumlarda nas l davrand ğ na ve olaylar nas l değerlendirip, tan mlay p, komut verdiğine dair birer örnektir [6]. Bulan k Mant k (BM) matematiksel eşitlikler yerine sözel terimlere dayanan bir sistemin işlevsel kanunlar n ifade etmek üzere tasarlanm ş bir yöntemdir. Pek çok sistem kesin matematik modellemesi yap lamayacak kadar karmaş kt r. Bunun nedeni bu sistemlerin lineer olmamas d r. Fakat bulan k mant ğ n sözel ifadelere dayal olmas böyle bir sistemin belirleyici özelliklerini tan mlay c elverişli bir yöntem sunar. Böylece kontrol edilecek sistem hakk nda bilgi olmamas na rağmen sistem kontrol edilebilir. İyi bir kontrol sistemi denetlenecek sistemin matematiksel modelinin uygunluğuna bağl d r. İyi bir model kaliteli bir kontrol sistemi için çok önemlidir. Oysaki gerçek dünyada karş laş lan sistemlerin çoğu lineer olmayan bir yap ya sahiptir. Bu nedenle doğru matematiksel modellerinin ç kart lmas zordur. Bu klasik kontrol sistemlerinde yap lan kontrolör ile bu sistemleri kontrol etmek zordur. İstenilen verim al namad ğ gibi zaman zaman çok pahal ya da mal olmaktad r. Bu tür sistemleri klasik kontrol teknikleri yerine bulan k mant k kontrolör kullanarak kontrol etmek gerekir. Bulan k mant k kontrolde sistemin matematiksel modeline ihtiyaç yoktur [7]. Bulan k mant ğ n birçok uygulama alan vard r. Kontrol sistemlerindeki uygulamas bunlar n baş nda gelen önemli uygulama alanlar ndan birisidir. Bulan k mant k denetleyicinin genel ak ş diyagram Şekil 3 de görülmektedir. Hata Bulan klaşt r c Hatadaki Değişim Bulan k Mant k Denetleyici Kural Taban Durulaşt r c Ç k ş İşareti ekil 3: BMD nin temel yap s BMD ekil 2: Çal şma alt nda rüzgar türbininin güç karakteristikleri [5]. 3. Bulan k Mant k Denetleyici Günlük hayatta rasgele kullan birçok terim genellikle bulan k bir yap ya sahiptir. Bir şeyi tan mlarken, bir olay aç klarken, komut verirken ve daha birçok durumda kullan sözel veya say sal ifadeler bulan kl k içerir. Bu terimlere örnek olarak; yaşl, genç, uzun, k sa, s cak, soğuk, l k, bulutlu, parçal bulutlu, güneşli, h zl, yavaş, çok, az, biraz, fazla, çok az, çok fazla gibi daha pek çok sözel terim gösterilebilir. İnsanlar bir olay anlat p, bir durum karş s nda karar verirken bu tür kesinlik ifade etmeyen terimler kullan r. Kişinin yaş durumuna göre ona yaşl, orta yaşl, genç, çok yaşl ve çok genç denir. Yolun kayganl k ve rampa durumuna göre araban n gaz veya fren pedal na biraz daha yavaş veya biraz daha h zl bas l r. Çal ş lan odan n ş ğ yetersiz ise onu biraz art r r, yeterinden fazla ise biraz azalt l r. Bütün bunlar insan Şekil 3 de görüldüğü gibi sistem 3 parçadan oluşmaktad r. Bunlar s ras yla, Bulan klaşt r c, Kural Taban ve Durulaşt r c d r. BMD nin ilk eleman olan Bulan klaşt r c kendisine uygulanan kesin girişleri bulan k değerlere çevirir. Bu bulan k değerler Kural Taban ünitesine gönderilerek burada bulan k kurallarla işlenir ve elde edilen bulan k sonuç Durulaşt rma ünitesine gönderilir. Bu k s mda ise bulan k sonuçlar kesin say ya dönüştürülür. Genellikle BMD nin giriş değişkenleri kontrol hatas (e) ve bu hatan n bir örnekleme süresindeki değişimi (de) şeklindedir. Bu değişkenlere göre BMD nin kural taban ünitesinde bir kural tablosu oluşturulur. Bu tablo için bir örnek, Tablo 1 de gösterilmiştir [8]. Tablo 1: Kural tablosu. de e NB NK S PK PB NB NB NB N K NK S NK NB NK NK S PK S NK NK S PK PK PK NK S PK PK PB PB S PK PK PB PB 836

4 3.2. BMD nin Matlab/Simulink Modeli Bulan k Mant k Denetleyicide temel elemanlar üyelik fonksiyonlar d r. Bu üyelik fonksiyonlar üçgen, yamuk, sinüsoid, gaussian, çan ve sigmoid tiplerinde olabilir. Kaynak [9] da verilen BMD denetleyici Simulink modeli dikkate al narak buradaki probleme uyarlanm şt r. BMD nin giriş ve ç k ş uzaylar ndaki bulan k üyelik fonksiyonlar n n tan mlanmas nda Şekil 4 de görülen üçgen üyelik fonksiyonu kullan lm şt r. Üçgen üyelik fonksiyonundan elde edilen bulan k değerler ise denklem (4) kullan larak hesaplanmaktad r. Üçgen üyelik fonksiyonunun Simulink modeli ise Şekil 5 de görülmektedir. Gerekli ağ rl k katsay lar bulan klaşt rma ünitesinde belirlendikten sonra bu değerler çarp lmak üzere kurallar n işlendiği k sma gönderilir. Bu yap Şekil 7 de görülmektedir. x 1 ekil 7: Kurallar n işlendiği k s m. 0 x1 x xt x2 ekil 4. Üçgen biçimli üyelik fonksiyonu. x Durulaşt rma ünitesi ise Şekil 8 de görüldüğü gibidir. Durulaşt rma ünitesinde alanlar n merkezi yöntemi kullan larak kesin değerler elde edilir. Bu kesin değerler denetleyicinin ç k ş d r. x x1 x2 x 1 AÜ(x) max min,,0 xt x1 x2 x T (4) ekil 5. Üçgen üylik fonksiyonunun simulink modeli. BMD nin bulan klaşt rma işleminin simulink modeli Şekil 6 da gösterilmiştir. Giriş uzay ndan gelen üyelik değerlerinin minimumlar al narak her kural için gerekli ağ rl k katsay lar belirlenir. ekil 8: Durulaşt rma işleminin simulink modeli. Şekil 9 da bulan k denetleyicinin giriş büyüklükleri ve kapal blok diyagram verilmektedir. Burada hata ve bu hatadaki değişimden yola ç k larak denetleme işlemi yap lmaktad r. Referans giriş bulan k üyelik fonksiyonlar n n tan mland ğ kesin uzay n alt ve üst s n rlar n belirlemek üzere BMD bloğu içerisinde kullan lmaktad r. Bunun d ş nda hata ve hatadaki değişim BMD nin temelde iki kesin girişleridir. BMD nin ç k ş ise kontrol işaretindeki değişimi vermektedir. Bu değişim bir önceki örneklemede kullan lan denetim işaretine eklenerek yeni denetim işareti elde edilmektedir [9]. ekil 6: Bulan klaşt rma işleminin simulink modeli. 837

5 Şekil 14 ve 15 de BMD türü denetleyici kullan larak yap lan kontrolden elde edilen sonuçlar görülmektedir. Bu grafikte doğrultucu ç k ş gerilimi, a-b fazlar aras evirici ç k ş gerilimi, a-b fazlar aras yük gerilimi ve son olarak modülasyon indeksinin değişimi görülmektedir. Yük üzerindeki gerilimin dalga şekli PI denetleyicide olduğu gibi sinüse çok yak nd r. Şekil 15 de a-b fazlar aras gerilimin etkin değeri ve THB değişimi görülmektedir. Yük üzerindeki gerilim 380V değerine BMD türü denetleyici ile 0.045sn noktas nda ulaşmaktad r. Maksimum aşma miktar 381V dur. THB değeri ise % ile % değeri aras nda değişmektedir. ekil 9: Giriş ve ç k ş değişkenleri ile BMD. 4. Simülasyonu Yap lan Sistem Simülasyonu yap lan sistem Şekil 10 da görülmektedir. Burada sistem: 60kW l k rüzgar türbini, doğrultucu, ön filtre, evirici, ç k ş filtresi, 50 kw l k omik yük ve kontrolörden oluşmaktad r. Rüzgar h z ndaki değişimleri de içeren bu simülasyonda sistem bu değişimlerden etkilenmeden yük üzerindeki gerilimi 380V değerinde sabit tutulmaktad r. Şekil 11 de sistemin kontrol diyagram ve simulink modeli görülmektedir. Burada elde edilen 3 fazl gerilim d-q eksen tak m na dönüştürüldükten sonra elde edilen V d ve V q değerleri ayr ayr kontrol edilmektedir. Kontrolör olarak PI yada BMD kullan lmaktad r. Daha sonra kontrolör ç k ş nda tekrar dönüşüm yap larak elde edilen gerilim ile darbe genişlik modülasyonu için referans işaret üretilmektedir. Darbe genişlik modülasyonunda üretilen darbeler ile evirici istenen gerilim düzeyinde ç k ş verecek şekilde ayarlanmaktad r. Bu bölümde ayr ca faz kilitlemeli çevrim yard m yla frekans değeri 50 Hz de sabit tutulmaktad r. Sistemde yük üzerindeki gerilimin dalga şeklini düzeltmek için yüklere paralel bağl bir filtre bulunmaktad r. Bu sayede yük geriliminin dalga şeklide düzeltilmeye çal ş lm şt r. Bu esnada toplam harmonik bozulmas da ölçülmüştür. Ortam koşullar ndaki değişiklikler sistemin çal şmas n etkilemektedir. Bu nedenle rüzgar h z seviyesi değiştirilerek farkl ortam koşullar oluşturulmaya çal ş lm şt r. Rüzgar h z t= sn aral ğ nda 15 m/s değerinden t= sn aral ğ nda art r larak 17 m/sn değerine getirilmiştir. Daha sonra t=1-1.2 sn aral ğ nda bu değer azalt larak 13 m/s değerine düşürülmüş ve bu esnada sistemin çal şmas incelenmiştir. Şekil de elde edilen sonuçlar görülmektedir. 5. Sonuçlar Şekil 12 ve 13 de PI türü denetleyici kullan larak yap lan kontrolden elde edilen sonuçlar görülmektedir. Şekil 12 de doğrultucu ç k ş gerilimi, a-b fazlar aras evirici ç k ş gerilimi, a-b fazlar aras yük gerilimi ve son olarak modülasyon indeksinin değişimi görülmektedir. Yük üzerindeki gerilimin dalga şekli sinüse çok yak nd r. Şekil 13 de ise a-b fazlar aras gerilimin etkin değeri ve % toplam harmonik bozulmas (THB) görülmektedir. Yük üzerindeki gerilim 380V değerine PI türü denetleyici ile 0.1sn noktas nda ulaşmaktad r. Maksimum aşma miktar 394.5V dur. THB değeri ise % ile % 0.02 değeri aras nda değişmektedir. 6. De erlendirme Yük üzerindeki gerilimin dalga şeklinin hem PI hemde BMD de sinüse çok yak n olduğu görülmektedir. Sistem rüzgar h z ndaki değişimlerden etkilenmeden yük üzerindeki gerilimi 380V değerinde sabit tutmaktad r. Şekil 16 da PI ve BMD denetleyiciler ile a-b fazlar aras gerilim değişimleri büyütülerek çizilmiştir. PI denetleyici 0.1sn noktas nda 380V değerine otururken, BMD 0.045sn noktas nda oturmaktad r. Ayr ca PI denetleyicide maksimum aşma değeri 394.5V değerine kadar giderken BMD denetleyicide bu değer 381V değerinde kalmaktad r. Sürekli rejime ulaşma zaman ve maksimum aşma dikkate al nd ğ nda BMD nin PI denetleyiciye göre daha iyi çal şt ğ gözlenmektedir. Şekil 17 den de görüldüğü gibi THB değişim grafikleri büyütülerek çizilmiştir. THB değerleri her iki denetleyici içinde standartlara uygundur. PI denetleyicili sistemin THB değeri BMD ye nazaran daha iyidir. 7. Kaynakça [1] A. Eniş, Enerji Politikalar ; Yerli, Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklar, TMMOB V. Enerji Sempozyumu, Ankara, s: , [2] İsmail İ. Güneş, Bir Rüzgar Türbininin Modellenmesi, Simülasyonu ve Kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, [3] O. C. Onar, M. Uzunoğlu ve M. S. Alam, Dynamic Modeling, Design and Simulation of a Wind /Fuelcell/Ultra-Capasitor-Based Hybrid Power Generation Sysytem, ScienceDirect Journal of Power Source, No: 161, s: , [4] A. M. Sharaf, W. Wang ve İ. H. Altaş, A Novel Modulated Power Fitler Compensatior for Distribution Networks with Distributed Wind Energy, Inernational Journal of Emerging Electric Power Systems, Cilt: 8, No: 3, [5] Matlab-Simulink SimPower Systems User Guide, [6] İ. H. Altaş, Bulan k Mant k: Bulan kl l k Kavram, Ayl k 3e (Enerj, Elektrik, Elektromekanik) Dergisi, Say : 62, Temmuz 1999 say s, s: [7] Bellman, R.E. and Zadeh, L.A., Decision Making in a Fuzzy Environment Management Sci, Cilt:17, s: , [8] K. Yanmaz, İ. H. Altaş ve O. Ö. Mengi, Çok Bölgeli Güç Sistemlerinde Yük Frekans Kontrolünün Bulan k Mant k Denetleyici ile Gerçekleştirilmesi, Ak ll Sistemlerde Yenilikler ve Uygulamalar Sempozyumu - ASYU 08, Isparta, s: ,

6 [9] I. H. Altas and A. M. Sharaf, A Generalized Direct Approach for Designing Fuzzy Logic Controllers in Matlab/Simulink GUI Environment, International Journal of Information Technology and Intelligent Computing, Int. J. IT&IC no.4 vol.1, ekil 10: Simülasyonu yap lan sistem. (a) ekil 11: (a) Denetleme işlemi (b) Simulink modeli. (b) ekil 12: PI denetleyicili simülasyon sonuçlar : DA gerilim seviyesi, Vab-inverter, Vab-yük ve modülasyon indeksinin değişimi. ekil 13: PI denetleyici ile sistemin Vab-etkin ve THB değişimleri. 839

7 ekil 14: BMD li simülasyon sonuçlar : DA gerilim seviyesi, Vab-inverter,Vab-yük ve modülasyon indeksinin değişimi. ekil 15: BMD ile sistemin Vab-etkin ve THB değişimleri. PI PI BMD BMD ekil 16: Vab-etkin değerinin büyütülerek çizimi. ekil 17: Her iki sistemdeki THB değerlerinin ayr nt l çizimi. 840