Değişken hızlı rüzgâr türbinlerinde kanat ucu hız oranı tabanlı maksimum güç izleme denetimi; kapsamlı bir tasarım

Transkript

1 SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ SAKARYA UNIVERSITY JOURNAL OF SCIENCE eissn: 47835X Derg sayfası: Gelş/Receved Kabul/Accepted Do /saufenblder.374 Değşken hızlı rüzgâr türbnlernde kanat ucu hız oranı tabanlı maksmum güç zleme denetm; kapsamlı br tasarım Murat Karabacak *, Fuat Kılıç, Yasn Cantaş, Özhan Atmaca, Tufan Volkan Küçük ÖZ Rüzgârdan elektrk enerjs üretmek çn kullanılan rüzgâr türbnlernn en lkel denetm yöntem, sabt hızlı denetm yöntemdr. Bu yöntemle, türbn grş gücünün maksmum oranda şebekeye aktarılması mümkün değldr. Bu nedenle Maksmum Güç İzleme (MGİ) şemaları önerlmştr. MGİ yapablmek çn rüzgâr hızının her farklı değernde, pervane farklı br hızla dönmeldr. Bu durum MGİ tabanlı sstemlere Değşken Hızlı Rüzgâr Türbn (DHRT) sstemler denlmesne yol açmıştır. DHRT sstemlernde türbn grş gücü maksmum güce yakın oranlarda şebekeye aktarılablmektedr. DHRT sstemlernn MGİ tabanlı denetm söz konusu olduğunda k öneml şlem öne çıkar. Bunlar MGİ noktasının anlık olarak saptanması ve zlenmesdr. Bu çalışmada kanat ucu hız oranı tabanlı maksmum güç zleme şeması kullanılarak, Sabt Mıknatıslı Senkron Generatörlü (SMSG) br DHRT sstem le rüzgârda bulunan güç değer maksmum oranda arka arkaya bağlı çevrc sstem üzernden şebekeye aktarılmaktadır. Ayrıca fzksel br rüzgâr türbn modellenmş ve benzetm yapılmıştır. Sonuçlar zamanla değşen br MGİ noktasının yüksek performansla zlendğn göstermektedr. Anahtar Kelmeler: MGİ, Rüzgâr Türbn, SMSG Tp speed rato based maxmum power trackng control of varable speed wnd turbnes; a comprehensve desgn ABSTRACT The most prmtve control method of wnd turbnes used to generate electrc energy from wnd s the fxed speed control method. Wth ths method, t s not possble that turbne nput power s transferred to grd at maxmum rate. For ths reason, Maxmum Power Trackng (MPT) schemes are proposed. In order to mplement MPT, the propeller has to rotate at a dfferent speed for every dfferent wnd speed. Ths stuaton has led MPT based systems to be called Varable Speed Wnd Turbne (VSWT) systems. In VSWT systems, turbne nput power can be transferred to grd at rates close to maxmum power. When MPT based control of VSWT systems s the case, two mportant processes come nto promnence. These are nstantaneously determnaton and trackng of MPT pont. In ths study, usng a Maxmum Power Pont Trackng (MPPT) method based on tp speed rato, power avalable n wnd s transferred nto grd over a back to back converter at maxmum rate va a VSWT system wth permanent magnet synchronous generator (PMSG). Besdes a physcal wnd turbne smulator s modelled and smulated. Results show that a tme varyng MPPT pont s tracked wth a hgh performance. Keywords: MPPT, Wnd Turbne, PMSG * Correspondng Author Faculty of Technology, Mechatroncs Engneerng Department, Sakarya Unversty, Turkey 07 Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü

2 . GİRİŞ (INTRODUCTION) Rüzgârdan elektrk enerjs elde etmek çn rüzgâr enerjs dönüşüm sstemler, kısaca rüzgâr türbnler kullanılmaktadır. Br yenleneblr enerj kaynağı olarak rüzgâr enerjsnden elektrk üretm, doğa dostu olma, yüksek sevyelerde elektrk enerjs sağlama ve uzun ömürlü olma gb öneml üstünlüklere sahptr. Bu durum dünyada brçok ülkenn bu alanda büyük yatırımlar yapmasını sağlamıştır []. Rüzgâr rejmnn y olmadığı bölgelere Sabt Hızlı Rüzgâr Türbn (SHRT) sstemler kurmak çok verml enerj üretm sağlayamamaktadır [4]. DHRT sstemlernn kurulumu ve tasarımı daha zor ve malyetl, denetm se daha karmaşıktır. Fakat DHRT sstemler le rüzgârdan alınablecek güç değern, dealde maksmum, gerçekte se maksmuma yakın sevyelerde tutmak mümkündür. Rüzgâr rejmnn y olmadığı bölgelerde veya rüzgâr hızının düşük olduğu belrl zaman aralıklarında, DHRT sstemler SHRT sstemlerne göre çok daha verml çalışmaktadır. Br karşılaştırma yapmak gerekrse, DHRT sstemler le aynı koşullarda SHRT sstemlerne göre %38 daha fazla elektrk enerjs elde etmek mümkündür. Buradak öneml olan nokta şudur, rüzgâr hızı düştükçe DHRT sstemler le elde edlen elektrk enerjs SHRT sstemlerne göre artmaktadır [5]. Rüzgâr türbnlernn değşken hızlı denetmnde amaç rüzgârdan alınablecek enerjy her zaman maksmum sevyede tutmaktır. Bu amaçla DHRT sstemlernde generatör arka arkaya bağlı k adet güç elektronğ çevrcs üzernden şebekeye bağlanır. Generatör tarafındak çevrc le maksmum güç zleme, şebeke tarafındak çevrc le şebekeye güç aktarma ve DC barayı sabt br değerde tutma amaçları yerne getrlmektedr. Bu tür br şemada şebeke tarafı ve generatör tarafı brbrnden bağımsızdır. SHRT ve DHRT sstemler denetm ve tasarım gb parametreler açısından kend çlernde çeştl sınıflara ayrılmaktadır. SHRT sstemlernn çalışmasında pervane, dolayısıyla generatör hızı sabttr. Bu bağlamda denetm karmaşık değldr fakat rüzgârdan alınan enerj hçbr zaman maksmum sevyede olmaz. SHRT sstemlernn DHRT sstemlerne göre üstünlükler daha bast, ucuz ve az karmaşık olmalıdır. Bununla brlkte br SHRT sstemnn kurulumu çn çok y br bölgesel rüzgâr rejm analz yapmak gerekldr. Rüzgâr rejmnn her farklı ortalama değer çn özel br SHRT tasarımı y br verm elde etmek çn elzemdr k bu durum da neredeyse mümkün değldr. Sonuç olarak SHRT sstemler genellkle 8m/s rüzgâr hızları aralığında verml çalışmak üzere üretlrler. Rüzgârdak an değşmlerle şebekeye aktarılan aktf güçler de anlık olarak yüksek veya düşük değerlere ulaşmaktadır. Bu durum şebekede anlık frekans dalgalanmasına neden olmaktadır. Ayrıca SHRT sstemlernde yaygın olarak kullanılan asenkron generatörler, dğer generatörler le karşılaştırtıldığında yüksek mktarda reaktf güç tüketmektedr. Bu durum se şebekede gerlm düşümüne ve dolayısıyla şebekede gerlm kararlılığı le lgl problemler yaşanmasına neden olablr. Sonuç olarak, büyük güçlü çok sayıda SHRT sstemnn oluşturduğu genş güç ölçekl br alt şebekenn ana şebekeye doğrudan bağlanması, yukarıdak sebepten ötürü ana şebekede, frekans ve gerlm kararlılığı le lgl problemler yaşanmasına neden olablmektedr [6]. DHRT sstemler reaktf güç tüketmedğ çn şebekede gerlm kararlığı problemlerne neden olmaz, fakat frekans kararlığı le lgl problemler DHRT sstemlernde de yaşanablmektedr. Bu problem de gdermek çn günümüzde rüzgâr türbn sstemler enerj depolama sstemler le beraber kurulmaktadır. Böylece rüzgârdak anlık güç değşmler enerj depolama sstem le kompanze edlerek şebekeye düzgün sürekl br güç aktarımı yapılmaktadır [34]. Bu çalışmada, br DHRT sstem çn kanat ucu hız oranı tabanlı br MGİ şeması le br denetm sstem tasarlanmıştır. Rüzgârda bulunan mevcut güç değer se maksmum oranda şebekeye aktarılablmektedr. Çalışmanın ger kalanında lk olarak rüzgâr türbnn dnamkler açıklanmış, ardından denetm sstem ve MGİ şeması verlmş ve son olarak Benzetm çalışması sonuçları sunulmuştur. Benzetm sonuçlarına göre, kanat güç katsayısı ve kanat ucu hız oranı çok yaklaşık olarak optmal değerlernde kalmakta ve MGİ amacı yüksek performansla yerne getrlmektedr. Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667, 07 66

3 . RÜZGÂR TÜRBİNİ DİNAMİKLERİ (DYNAMICS OF WIND TURBINES) Rüzgâr türbn karakterstklern anlamak çn sıvı ve hava araçları aerodnamkler temelnde bazı blglere sahp olmak gerekldr. Bu konuda çok sayıda yayınlanmış kaltel ayrıntılı yayınlar bulunmaktadır. Rüzgâr türbnlernde kullanılan pervanenn şekl, türbnn karakterstğn baştan sona etkler. Bunlar arasında 3 bıçaklı pervaneler en yüksek pervane güç katsayısına sahptr. Bu durum, özellkle büyük güçlerde 3 bıçaklı pervaneler en çok kullanılan pervaneler halne getrmştr. Rüzgâr türbnler yatay ve dkey eksenl olarak kye ayrılmaktadır. Yatay eksenl türbnlerde pervane rüzgârı önden almaktadır. Bu tarz türbnler yüksek vermldr, güç yoğunlukları yüksektr, kapatma rüzgâr hızları düşüktür ve brm güç çıkışı başına daha düşük malyetldr. Fakat bu türbnlerde rota (yaw) denetm yapılmak zorundadır, yan yönler rüzgâra döndürülmeldr. Düşük güçlerde bu denetm pasf, yan br kuyruk mekanzması le kendlğnden yapılır. Büyük türbnlerde se aktf, yan elektrk motorlarının konum kontrolü le yapılır. Rüzgâr türbnler dkey eksenl olarak da üretlmektedr, bu türbnlern en büyük üstünlüğü her yönden esen rüzgârın pervaneye etk etmesdr. Bu durum pervanenn rota denetmn ortadan kaldırır. Bununla brlkte, yatay eksenl türbnlern üstünlükler burada bulunmaz. Rüzgâr türbnlerndek ana fkr, pervane alanından geçen hava kütlesnn (yan rüzgârın) hızını azaltarak, hava kütlesnn sahp olduğu knetk enerjnn belrl br kısmını önce mekank sonra elektrk enerjsne dönüştürmektr. Burada dkkat çeken en öneml nokta, pervanenn önünden gelen hava akımının pervaneden geçerken hız kaybettğ, fakat pervanenn arkasında hâlâ belrl br hız değerne sahp olduğudur. Bu durum, rüzgârda bulunan knetk enerjnn tamamının alınamadığını göstermektedr. Hava kütlesnn hareketnn (yan rüzgârın) oluşturduğu knetk enerjnn sahp olduğu güç mktarı ve dğer aerodnamk formüllern gelşm aşağıda verlmektedr. Öncelkle, pervanenn çzdğ A alanından geçen havanın knetk enerjs, Ew mv w () olarak fade edlmektedr. Burada m, pervane alanından geçen havanın kütles (kg), Vw pervane alanından geçen rüzgârın hızı (m/s), Ew se bu havanın sahp olduğu knetk enerjdr (Joule). Bu enerjnn zamana göre türev alındığında, brm zamanda aktarılan enerj mktarı, yan güç bulunur. dew Pw Ew mv w () dt Bu durumda, hava kütles akış oranı aşağıdak gb elde edlmektedr. m AV w (3) Burada ρ, havanın yoğunluğudur (kg/m 3 ) ve A pervanenn çzdğ etkn dare alanıdır (m ). Hava yoğunluğu havanın sıcaklığı ve basıncı aracılığı le hesaplanır. Denklem (3), () de yerne konulduğunda o an rüzgârda bulunan güç mktarı aşağıdak gb elde edlr. 3 Pw AVw (4) Yukarıdak denklemde gördüğümüz gb pervanenn çzdğ dare alanı ne kadar fazla se, dğer br deyşle pervane bıçaklarının boyu ne kadar uzun se, rüzgârdan alınan güçte o kadar fazla olmaktadır. Dğer taraftan, rüzgâr hızı ve yoğunluğu da rüzgârda bulunan güç le doğru orantılıdır. Genellkle rakım yükseldkçe rüzgâr hızı artar. Güç formülünde rüzgâr hızının küpü alındığı çn, rüzgâr hızındak küçük br artış ble güç mktarını çok artırır. Bu yüzden rüzgâr türbnler uygun şeklde tasarlanarak türbn gücü le orantılı olarak yükseğe mal edlr. Redüktör bulunmayan rüzgâr türbnlerne doğrudan sürülen veya redüktörsüz rüzgâr türbnler, redüktör bulunanlara se redüktörlü rüzgâr türbnler denlmektedr [56]. Doğrudan sürülen rüzgâr türbnler, redüktörlü olanlara göre daha üstündür, çünkü bu tür türbnlerde gürültü düşük, arıza ve bakım onarım az, tasarım daha kolay ve verm daha yüksek olmaktadır. Bu duruma paralel olarak, arıza ve bakım süreçlernn oldukça azalması güvenlrlğ öneml ölçüde artırmaktadır. Doğrudan sürülen rüzgâr türbnler Sürekl Mıknatıslı Senkron Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

4 Generatör (SMSG) lerden başka generatörler le mal edlememektedr [67]. Kanat ucu hız oranı rüzgâr hızına ve pervanenn yarıçapına bağlıdır. Aşağıdak formülle değer hesaplanmaktadır ve brmsz br büyüklüktür. R V r (5) w Yukarıda ωr pervanenn açısal hızı (rad/s) dır. R se pervanenn yarıçapı (m) dr. Sabt br rüzgâr hızı çn br çok büyük br çok küçük k farklı hız oranında br rüzgâr türbnn çalıştığı kabul edlsn. Küçük hız oranında pervaneler yavaş dönecek ve rüzgârın büyük br kısmı pervane alanından bıçaklar arasından serbest geçş yapacaktır. Bu durumda rüzgârda bulunan gücün lgl kısmı bu serbest geçşle kaybolacaktır. Yüksek hız oranında se pervane hızlı dönecek ve pervane alanından geçen rüzgâra engel teşkl edecektr. Bu durumda pervane alanından geçen hava akımının kütles azalacak ve yne rüzgârdan alınan güç azalacaktır. Buradak yorumdan her rüzgâr türbn çn hız oranına at optmum br değer bulunduğu ortaya çıkmaktadır. Yan hız oranını optmum yapmak demek, her rüzgâr hızında pervaney farklı br hızda döndürerek, rüzgârdan alınan mekank gücü maksmum yapmak demektr. Cp brmsz br büyüklüktür, pervanenn ml gücü rüzgârda bulunan güce bölündüğünde pervane güç katsayısı bulunmuş olur. Pervane güç katsayısının değern hız oranı ve brtakım sabtler belrlemektedr, değer se aşağıdak formüller aracılığı le hesaplanmaktadır C5 C C p (, ) C C C e C (6) (7) Buradak sabtler, C=0.576, C=6, C3=0.4, C4=5, C5=, C6= olarak verlmektedr [4 5]. β se pervanelern rüzgâr eğmdr. Küçük güçlü türbnlerde bu mekanzma bulunmadığı çn β=0 alınır. Yukarıda görüldüğü gb önce hız oranı hesaplanır, hız oranı ve β aracılığı le λ ara değer hesaplanır. Daha sonra katsayılar yerne konarak pervane güç katsayısı hesaplanır. Bu katsayı le türbn grş gücü Pn bulunur. 3 Pn CpPw Pn Cp AVw (8) Türbn grş gücü türbnn elektromekank denklem aracılığı le de hesaplanablmektedr. P T (9) n r w Yukarıdak denklemde Tw, rüzgârdan kaynaklanan mlde ndüklenen momenttr. Eğer sstemde redüktör var se, redüktörün her k tarafı çn hızmoment eştlkler kullanılarak mller arasında hızmoment dönüşümler yapılablr. Denklem (4) de görüldüğü gb rüzgârda bulunan mevcut gücün hesaplaması verlmektedr. Denklem (4), (8) ve (9) u kullanılması le P C P T (0) n p w w ACpVw r r elde edlr [8]. Formüllerden anlaşıldığı gb, rüzgâr hızı arttıkça rüzgâr gücü ve dolayısıyla türbn grş gücü artmaktadır. Türbn grş gücünü belrleyen dğer parametre pervane güç katsayısıdır. Güç katsayısını se hız oranı belrlemektedr. Hız oranı optmum değernde tutulursa, Betz teoremne göre pervane güç katsayısının değer de maksmum, yan en fazla olablmektedr. Fakat gerçek uygulamalarda brçok deal olmayan durumdan ötürü, genellkle 0.45 le 0.55 arasında kalmaktadır [57]. Şekl de rüzgâr hızı ve generatör hızının değşmne karşı pervane güç katsayısının ve türbn grş gücünün değşmnn grafkler verlmektedr. Ayrıca hız oranının değşmne karşı kanat güç katsayısının değşm ve türbn grş gücünün değşm de verlmektedr. Şekldek rüzgâr türbn karakterstkler; 3 bıçaklı, yatay eksenl, R =.05m, β = 0, ρ =.35, redüktörsüz br sstem, upwnd tasarım ve 3.7 kw lık br türbn grş gücü çn elde edlmştr. Şekl (b) de hız oranına karşı pervane güç katsayısı çzdrlmştr. Görüldüğü gb hız oranının optmum değer (λopt) 8.34 olarak bulunmaktadır. Şekl (d) de, hız oranının değşmne karşı farklı rüzgâr hızları çn türbn grş gücü çzdrlmştr. Şekl (b) de açıklandığı gb, hız oranının optmum değernde pervane güç katsayısı maksmum değerne ulaşmakta, bu durumda rüzgâr hızı ne olursa olsun türbn grş gücünü o rüzgâr hızı çn maksmum yapmaktadır [8]. Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

5 verlmektedr, bu bölgelern oluşumunda generatörün öneml br payı vardır. Şekl dek eğrler 3, 5, 7 ve 0 m/s rüzgâr hızları çn elde edlmştr (turuncu:0, yeşl: 7, sarı: 5, mav: 3). Şekl. Rüzgâr türbn dnamklernn değşm (a) Moment ve Hız (b) Güç Katsayısı ve Kanat Ucu Hız Oranı (c) Grş Gücü ve Hız (d) Grş gücü ve Kanat Ucu Hız Oranı (Varaton of wnd turbne dynamcs (a) Torque and Speed (b) Power Coeffcent and Tp Speed Rato (c) Input Power and Speed (d) Input Power and Tp Speed Rato) Şekl (a) da görüldüğü gb, farklı rüzgâr hızları çn pervanenn hızı (redüktör olmadığı çn generatörün hızı da denleblr) değştrlerek pervane güç katsayısının değşm elde edlmştr. Şeklde görüldüğü gb, belrl br rüzgâr hızı çn pervane uygun br değerde döndürülürse pervane güç katsayısı maksmum değerne ulaşmaktadır. Bu durum da türbn grş gücünü maksmum yapmaktadır. Örnek olarak Şekl (c) dek pembe eğr ncelensn. Bu eğr çn rüzgâr hızı 0m/s dr. Bu rüzgâr hız değernde, eğer generatör hızı 9.76 rad/s değerne sürülürse hız oranı, pervane güç katsayısı ve türbn grş gücü maksmum değerlerne ulaşmaktadır. Yan türbn grş gücünü maksmum yapmak amacıyla her rüzgâr hızında pervane farklı br hızla dönmeldr. Bu değşken hızı sağlamak çn generatör tarafındak güç elektronğ çevrcs anahtarlanır. Anahtarlamanın temel se generatör denklemlerne ve seçlen denetm yöntemne dayanır. Şekl de görüldüğü gb kanat ucu hız oranının optmum değer (λopt) 8.34 tür. Kanat ucu hız oranı her zaman bu optmal değerde tutulablrse, MGİ gerçekleşmş olacaktır. Rüzgâr türbnlernde kullanılan generatörlern hepsnn brbrlerne göre üstünlükler ve sakıncaları vardır. Rüzgâr türbnn gücü, boyutu, güvenlrlğ, verm ve malyet parametreler göz önüne alınır. Bulunulan durumda hang parametre öneml se, o parametre açısından üstün br generatör seçm yapılır. Çoğu zaman en öneml parametre vermdr. Şekl de, br DHRT sstemnn çalışma bölgeler DHRT sstemlernde en yaygın kullanılan generatörler, (uyartımlı) senkron generatör, SMSG, asenkron generatör ve rotoru sargılı asenkron generatördür. Bu generatörler arasında verm en yüksek olan SMSG dür. Bu generatörlern 8000 arasında kutup sayısına sahp olacak şeklde tasarlanmasıyla, brçok uygulamada redüktör htyacı ortadan kaldırılmaktadır. Güç mktarı arttıkça kutup sayısı artmaktadır ve dolayısıyla boyut, ağırlık ve malyet dğer generatörlern kullanıldığı DHRT sstemlerne nazaran yükselmektedr.,5 MW ve üstü DHRT sstemlernde SMSG ün kullanımı bu nedenlerden dolayı kısıtlı, küçük ve orta ölçekl rüzgâr türbnlernde kullanımı se yaygındır [9 9]. Bu çalışmada DHRT sstem sadece. Bölge de çalıştırılmıştır, bu bölge MGİ yapılması gereken bölgedr. Pnmax Pnmn P(W) Pn (Cp=0.4). Bölge. Bölge 3. Bölge Pw Betz Lmt Kaçağı Aerodnamk Kaçak Vmn Vn Vmax Vw(m/s) Şekl. DHRT sstemnn çalışma bölgeler (Operaton areas of a VSWT system) Şekl de. bölge türbnn çalışmadığı bölgedr. Bu bölgede rüzgâr enerjs türbn kayıplarını ble karşılamayacak değerde olduğu çn türbn çalıştırılmaz.. bölge MGİ yapılması gereken bölgedr, bu bölgede rüzgâr enerjs türbn çıkışında sıfırdan generatör anma gücüne kadar değşen değerlerde yansır. 3. bölge se rüzgâr enerjs türbn gücünden, yan generatör gücünden daha yüksek değerdedr. Bu bölgede MGİ yapılmaz, kanat eğm oranı veya türbn yönü değştrlerek türbn gücü anma değernde tutulur, yan türbn aşırı güçten korunmuş olur. Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

6 .. Rüzgâr türbnnn br tahrk elemanı kullanılarak modellenmes (Modellng of wnd turbne) Benzetm çalışmasında rüzgâr türbn br sürekl mıknatıslı senkron motor aracılığıyla modellenmştr, kısım de verlen denklemler temelnde rüzgâr türbnnn model, Şekl 3 te verlmektedr. Şekl 3 te, üç fazlı kaynaktan beslenenen üç fazlı dyotlu doğrultucunun grşnde br L fltre kullanılmaktadır. Bu fltrenn amacı, kondansatörün çektğ yüksek genlkl an şarj akımlarını bastırmaktır... LCL Fltre Tasarımı (LCL flter desgn) Generatörden elde edlen gücün şebeke bağlantılı evrc le şebekeye aktarılması gerekldr. Aktarım yapılırken şebekeye gönderlen akımların harmonk bozunumu %5.0 Toplam Talep Bozunumu (TTD) değern, lgl güç kaltes standartları (IEEE STD 59 CURRENT HARMONIC LIMITS) gereğ geçmemeldr. Bu amaçla şebeke bağlantılı evrcler çn grş fltreler, yaygın olarak L, LCL ve LLCL çeştler kullanılır. L fltrede sadece br endüktans, LCL fltrede endüktansı(paralel) kondansatörendüktans kullanılır. LLCL fltrede paralel kolda kondansatöre ser br endüktansta bulunur. Ger kalan kısmı LCL le aynıdır. LLCL fltre le anahtarlama frekansındak harmonk sıfırlanır, çoklu ayarlı (multtuned) fltre olarakta smlendrlr. LCL fltre heps arasında en çok kullanım alanı bulan fltre çeştlernden brdr. LCL fltre tasarımında, Toplam Harmonk Bozunum (THD), reaktf güç ve güç faktörü değerlernn üç faz çn yaklaşık formüller kullanılarak grafk tabanlı nümerk br yaklaşım kullanılır. Bu yaklaşım lteratürde önerlmş en son ve en gelşmş tasarım yöntemlernden brdr [30]. Bu bağlamda reaktf güç; rq rl rf fn q () f r r sw q l olarak verlr. Burada, rq br ara değşkendr ve.0 seçldğnde, sstemde reaktf güç sıfır çıkar. rl se L ve L arasındak orandır, yenleneblr enerj sstemler ve kesntsz güç kaynakları gb uygulamalarda değer optmum olarak.0 seçlr []. Güç faktörü se reaktf güce bağlı olarak aşağıdak gb verlr. PF q () PF e ayarlandığında, q = 0.pu olarak sonuçlanır. Bu durumda evrc yaklaşık olarak % aşırı yüklenr [30]. L ve L nn toplamı olarak, toplam endüktans değer se; L T 3 V r f r n f n l P f r r n n sw l q (3) Burada Vn faz gerlmdr. Fltre kondansatörü akımı ger besleme sönümleme yöntemne göre rf = 3. optmum olarak seçlr []. Buradan faz akımlarının THD s; V 3 r q r dc l 4 THD m m 3 6 / / 8 8 m InVn rf rl m f rf (4) olarak bulunur []. Burada m, modülasyon oranıdır ve.0 a yakın br değerdedr. Buradak m le denklem () dek m farklı değşkenler fade etmektedr. Denklem (4) te bulunan LT değerne göre Cf se aşağıdak hesaplanır. mf se frekans modülasyonudur. C f r f rl (5) 4 L f r T sw l =.5 = P Tw n r P n r = ( 0.08 ) ( 3 ) 3 Pn Cp AVw = / (, ) 5 (, ) = r Wnd Speed Profle Burada fsw anahtarlama frekansıdır. Yukarıda verlen analz temelnde, Şekl 4 tek grafk elde edlmekte ve grafk üzernden değerler seçlerek aşağıdak gb tasarım tamamlanmaktadır. Three Phase Source Vcn Vbn Van Current (PI) Current (PI) Vds = 0 C Vqs PWM θs as bs cs θs Exctement Motor (Wnd Turbne Emulator) Encoder s ω Wnd Turbne Generator Şekl 3. Rüzgâr Türbn model (Wnd turbne model) Shaft : = 0 ag bg cg Wnd Energy Converson Systems Şekl 4 dek grafkten, şebeke akımlarının THD s %3.0 seçldğnde, PF = %99.5 ve LT = H olarak sonuçlanır. Bu durumda, rl = seçldğ çn, L = L = LT / = 0.3 mh olarak bulunur. Denklem (5) kullanılarak Cf, uf olarak hesaplanır. Rezonans problemlernn yaşanmaması çn, anahtarlama frekansı, kondansatör akımı ger besleme aktf söndürme Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

7 ωopt qopt ga gb gc dg Vqg g dc s Vq L Van Vbn Vcn M. Karabacak ve dğ. Değşken hızlı rüzgâr türbnlernde kanat ucu hız oranı tabanlı maksmum güç zleme denetm; kapsamlı br tasarım sstemnde, rezonans frekansının en az k katı olmalıdır. (Sayısal şaret şleyc) DSP tabanlı sayısal gerçekleme durumunda, aynı oran örnekleme frekansı ve rezonans frekansı arasında da bulunmaktadır. Yan, örnekleme frekansı da rezonans frekansının en az k katı olmalıdır. Aynı zamanda, rezonans frekansı şebeke frekansının en az on katı olmalıdır. Bu durum aşağıda verlmektedr. f L L reslcl (6) L LC f Rezonans frekansı denklem (6) dan Hz olarak bulunmaktadır. Burada yapılan tasarımda, rf = fsw / freslcl a ve rf = fsamplng / freslcl e eşttr. Burada fsamplng, gerbeslenen değşkenlern örnekleme frekansıdır. Dolayısıyla, anahtarlama frekansı ve örnekleme frekansı, rezonans frekansının 3. katı olmakta ve koşul sağlanmaktadır. Burada yapılan tasarım referans [30] temel alınarak yapılmıştır. L T Şekl 4. LCL fltre tasarım grafğ (LCL flter desgn graphc) 3. DENETİM SİSTEMİ TASARIMI (CONTROL SYSTEM DESIGN) Bu başlık altında, denetm sstemnn genel şeması verlmş ayrıca şebeke tarafındak çevrc çn LCL fltre tasarımı yapılmıştır. Öncelkle rüzgâr türbn sstemnde kullanılan generatörün ve tahrk motorunun parametreler; çft kutup sayısı p = 4, faz endüktansı Ls = 0.5 mh, faz drenc Rs = 0.5 Ω, eylemszlk moment J = kgm, vskoz sürtünme katsayısı B = 0.0 Nms, moment sabt kt = olarak verlmektedr. Tasarlanan türbn sstemnn tüm şeması aşağıda, Şekl 5 te verlmektedr. Buradak parametreler, yapılan TUBİTAK projes kapsamında yapılan proje le lgl uyumlu seçlmş parametrelerdr. g THD(%) PF Wnd Gear Box (or Gearless) ω Encoder v Generator (PMSG, SG, IG) ω λ ω opt MPPT (PI) R θ g θ g s Generator Sde Converter qg Current (PI) dgr = 0 Current (PI) PWM V dg C dc V dc Grd Sde Converter V d PWM θ s L Grd Sde Flter ac bc cc K d dc K d qc C f θ s Current (PI) Current (PI) sa ds sb sc qs dsr = 0 θ s qsr θ s DC Lnk (PI) Three Phase Grd Synchronous PLL V qsr = 0 V qs PI Şekl 5. DHRT sstem tüm şeması (Overall scheme of VSWT system) Doğru Akım (DA) bara gerlm 350 V tur, bu durumda generatör ve şebeke tarafı evrclern (yükselteç) kazancı,.0 modülasyon ndeks çn, Knv=30.9/3750 = olarak bulunmaktadır. Bu kazanç, herhang br modülasyon ndeks değer çn, evrc çıkış gerlmnn o modülasyon ndeks değer çn var olan doluluk oranına bölünmesyle bulunur. Hız döngüsü (MPPT denetleycs) açık çevrm yerleşme zamanı 0.5 s olarak alınmıştır. Akım döngüsü açık çevrm yerleşme zamanı se s olarak alınmıştır. Belrlenen yerleşme zamanları çn, hız döngüsü Oransalİntegral (PI)ω denetm kazançları; Kpω=0J=0.0, ve Kω=0B=0. olarak bulunur. Sonuç olarak hız döngüsünde ler yol transfer fonksyonu ve hız döngüsü kapalı çevrm transfer fonksyonu aşağıdak gb sırasıyla bulunur. Kapalı çevrm transfer fonksyonundan anlaşıldığı gb, 5τ dan yerleşme zamanı 0.5 s olarak bulunmaktadır. Yan denetm amacına ulaşılmaktadır. K p s K 0 ol kt s Js B s 0 cl s 0 V dc V dcr s (7) Burada unutulmaması gereken dğer br dnamk, hız PI denetleycsnn çıkışının, /kt le çarpılmasıdır. dq eksenlernde akım denetm çn ayrıştırma (decouplng) tabanlı denetm uygulanmış ve PI denetm kazançları her k eksen çn de, Kp=000Ls=0.5, ve K=000Rs=500 olarak hesaplanmıştır. dq eksenlernde ler yol ve kapalı çevrm transfer fonksyonları sırasıyla aşağıdak gb bulunur. ol cl K ps K 000 s L s R s 000 s 000 s s (8) Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

8 Yukarıda görüldüğü gb, kapalı çevrm transfer fonksyonunda yerleşme zamanı s dr. Sonuç tbaryle akım döngülernde de denetm amacına ulaşılmıştır. Akım döngülernde, PI denetleyc çıkışında önce ayrıştırma yapılmalı, ardından ayrıştırma çıkışı Knv le çarpılmalıdır. Şekl 5 te SMSG ün denetm bloğunun açık şeması, şebeke tarafındak evrcnn denetm bloğunun açık şeması ve (Faz Kltlemel Döngü) PLL şemaları verlmektedr. PLL şebeke açısını elde etmek çn kullanılmaktadır, böylece tüm dq (park) dönüşümler yapılablmektedr. PLL sstemnn kapalı çevrm transfer fonksyonu aşağıdak gbdr. G k ps k s k s k cl ( s) p (9) Burada, kp = 5 ve k = 00 alındığında, PLL kapalı çevrm sstemnn aşması %0, yükselme zamanı se s olmaktadır. Generatör ve motor olarak aynı değerlere sahp sürekl mıknatıslı senkron makneler kullanıldığı çn, akım döngülernde kullanılan PI denetm kazançları, generatör çn verlen kazançlar le aynıdır. Motorun denetmnde yne aynı şeklde ayrıştırma tabanlı denetm uygulanmıştır. Kd nn değer ye ayarlanmıştır. Kd arttıkça, harmonklern artacağı unutulmamalıdır. Kd nn seçm ve analz çn lgl kaynak nceleneblr []. Şebeke bağlantılı evercnn denetm, ayrıştırma tabanlı PI denetleycler le yapılmıştır. PI denetleyclern tasarımında, Cf kapastörü hmal edlerek, L = L L endüktanslarının toplamı dkkate alınmaktadır. Yan, LCL fltre L fltre olarak kabul edlmekte ve akım döngülernde PI denetleyclern tasarımı, ayrıştırma tabanlı kutupsıfır yok etme yöntem le yapılmaktadır. DC bara gerlmnn denetmnde kullanılan PI denetleycler se, teknk optmum (techncal optmum) yaklaşımı le tasarlanmıştır. 4. SİMÜLASYON SONUÇLARI (SIMULATION RESULTS) Benzetm çalışmalarında Şekl 6 (a) dak rüzgâr hızı profl kullanılmıştır. Bu rüzgâr hızı, DHRT sstem çalışmasında, Şekl de görüldüğü gb. Bölge ye denk gelmektedr. Bu bölge MGİ bölgesdr. Şekl 3 te verlen DHRT sstemnn tüm dnamkler çzdrlmştr. Şekl 6 da görüldüğü gb, DHRT dnamklern tüm değşmler sunulmuştur. (a) da kullanılan rüzgâr hızı profl, (b) de DC bara gerlmnn değşm (c) da kanat güç katsayısının, (d) de kanat ucu hız oranının, (e) de optmum ve gerçek generatör hızları (f) de türbn gücü, generatör çıkış gücü ve şebekeye aktarılan güç değerler (g) de generatör çıkışı ve şebekeye aktarılan reaktf güç değerler ve son olarak (h) da se türbn ve generatör moment grafkler verlmştr. Şekllerde görüldüğü gb generatör hızı optmum kanat hızını takp etmektedr. Bunun sonucu olarak Cp ve λ sırasıyla 0.48 ve 8.34 olan optmum değerlerne yerleşmştr. DC baradak gerlm değşm en fazla V olmuştur. Bütün aktf güç değerler tüm rüzgâr profl boyunca yaklaşık olarak üst üste çakışıktır. Reaktf güç değer se şebeke tarafında kararlı br şeklde sıfırda tutulmuş, generatör tarafında se hmal edleblecek sevyede küçük br değşm yaşanmıştır. Generatör moment se gücün maksmze olduğu optmal türbn moment değern tüm çalışma boyunca zlemştr. Benzetm sonuçları önerlen sstemn performansını doğrulamaktadır. Şekl 6 da görüldüğü gb, DHRT dnamklern tüm değşmler sunulmuştur. (a) da kullanılan rüzgâr hızı profl, (b) de DC bara gerlmnn değşm (c) da kanat güç katsayısının, (d) de kanat ucu hız oranının, (e) de optmum ve gerçek generatör hızları (f) de türbn gücü, generatör çıkış gücü ve şebekeye aktarılan güç değerler (g) de generatör çıkışı ve şebekeye aktarılan reaktf güç değerler ve son olarak (h) da se türbn ve generatör moment grafkler verlmştr. Şekllerde görüldüğü gb generatör hızı optmum kanat hızını takp etmektedr. Bunun sonucu olarak Cp ve λ sırasıyla 0.48 ve 8.34 olan optmum değerlerne yerleşmştr. DC baradak gerlm değşm en fazla V olmuştur. Bütün aktf güç değerler tüm rüzgâr profl boyunca yaklaşık olarak üst üste çakışıktır. Reaktf güç değer se şebeke tarafında kararlı br şeklde sıfırda tutulmuş, generatör tarafında se hmal edleblecek sevyede küçük br değşm yaşanmıştır. Generatör moment se gücün maksmze olduğu optmal türbn moment değern tüm çalışma boyunca zlemştr. Benzetm sonuçları önerlen sstemn performansını doğrulamaktadır. Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

9 C p (VAr) v (m/s) (rad/s) (a) (c) (e) tme (s) (g) Q s opt r Q gout Şekl 6. DHRT sstemnn dnamklernn değşm (a) rüzgâr hızı (b) DC bara gerlm (c) C p (d) λ (e) ω opt, ω r (f) P n, P s, P gout (g) Q s, Q gout (h) T g, T t (L flter smulaton scheme (a) rüzgâr hızı (b) DC bara gerlm (c) C p (d) λ (e) ω opt, ω r (f) P n, P s, P gout (g) Q s, Q gout (h) T g, T t) 5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Bu çalışmada, DHRT sstemlernn tasarımı ve benzetm yapılmıştır. DHRT sstemnde generatör olarak SMSG kullanılmıştır. Yapılan tasarımlarda, lteratürdek son zamanlarda önerlmş güncel yaklaşımlar kullanılmıştır. Özetle, şebeke tarafı evrcde grş fltres olarak LCL fltre kullanılmıştır, ayrıca grafk tabanlı tasarım yapılmıştır. Br fzksel rüzgâr türbn tahrk model SMSG kullanılarak elde edlmştr. Tüm kapalı çevrm döngülerde denetleyc olarak PI kullanılmış, tasarımlar sıfırkutup yok etme yöntemyle gerçekleştrlmştr. Sonuç tbaryle, tasarlanan sstem zamanla değşen br MGİ notasını yüksek performansla zlemştr. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT) Bu çalışma Türkye Blmsel ve Teknolojk Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından desteklenmştr (Proje Numarası: 4E59). REFERENCES [] G. J. Herbert, S. Inyan, E. Sreevalsan and S. Rajapandan. (007, Aug.). A revew of wnd energy technologes. Renewable and sustanable energy V dc (V) (W) (Nm) (b) (d) (f) P n P gout P opt tme (s) (h) T g T opt Revews. Renewable and Sustanable Energy Revews. (6). pp tcle/p/s x [] G. Rana, and O. P. Malk. (983, Dec.). Wnd energy converson usng a selfexcted nducton generator. Power Apparatus and Systems, IEEE Transactons on Power Apparatus and Systems. (). pp p?tp=&arnumber=49 [3] K. Natarajan, A.M. Sharaf, S. Svakumar and S. Naganathan. (987, Sept.). Modelng and control desgn for wnd energy power converson scheme usng selfexcted nducton generator. IEEE Transactons on Energy Converson. (3). pp p?tp=&arnumber=55749 [4] P. Novak, T. Ekelund, I. Jovk and B. Schmdtbauer. (995, Aug.). Modelng and control of varablespeed wndturbne drvesystem dynamcs. Control Systems, IEEE. 5(4), pp p?tp=&arnumber= [5] M. A. Mayosky and G. I. Cancelo. (999, Jul.). Drect adaptve control of wnd energy converson systems usng Gaussan networks. Neural Networks, IEEE Transactons on, 0(4). pp p?tp=&arnumber=77445 [6] M. Maur, L. Froso and G. Marchegan. "Integraton of Hybrd Dstrbuted Generaton Unts n Power Grd" n Electrcal Generaton and Dstrbuton Systems and Power Qualty Dsturbances, Prof. Gregoro Romero (Ed.), (0). ISBN: [7] A. Ln. (0, January). Research on Voltage Stablty n GrdConnected Large Wnd Farms. In Advanced Materals Research pp [8] J. D. Duan and R. L, L. An. (0, January). Study of Voltage Stablty n GrdConnected Large Wnd Farms. In Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

10 Advanced Materals Research. 433, pp [9] Sarka D. Patl. (0). Improvement of Power Qualty Consderng Voltage Stablty n Grd Connected System by FACTS Devces. Internatonal Journal of Electrcal and Electroncs Engneerng. (3). pp. 49. [0] S. M. Muyeen, S. Shshdo, M. Al, R. Takahash, T. Murata and J. Tamura. (008). Applcaton of energy capactor system to wnd power generaton. Wnd energy. (4), pp /we.65/epdf [] M. H. Al, J. Tamura and B. Wu. "SMES strategy to mnmze frequency fluctuatons of wnd generator system" In Industral Electroncs, 008. IECON th Annual Conference of IEEE. Orlando USA. (008, November). (pp ). IEEE. [] M. H. Al, B. Wu and R. A. Dougal. (00, Aprl). An overvew of SMES applcatons n power and energy systems. Sustanable Energy, IEEE Transactons on. (). pp p?tp=&arnumber=54337 [3] L. Wang, J. Y. Yu and Y.T. Chen. (0,Oct.). Dynamc stablty mprovement of an ntegrated offshore wnd and marnecurrent farm usng a flywheel energystorage system. Renewable Power Generaton, IET, 5(5), pp p?tp=&arnumber= [4] X. L, D. Hu and X. La. (03, Aprl). Battery energy storage staton (BESS) based smoothng control of photovoltac (PV) and wnd power generaton fluctuatons. Sustanable Energy, IEEE Transactons on, 4(), pp p?tp=&arnumber= [5] F. W. Lanchester. (95, May). A contrbuton to the theory of propulson and the screw propeller. Journal of the Amercan Socety for Naval Engneers, 7(). pp /j tb00408.x/epdf [6] D. Bang, H. Polnder, G. Shrestha, J. A. Ferrera, "Revew of generator systems for drectdrve wnd turbnes", Presented at the EWEC (Europan Wnd Energy Conference Exhbton), Brussels, Belgum, (008, March), pp. 0. [7] A. Betz. (90). Das maxmum der theoretsch möglchen ausnützung des wndes durch wndmotoren. Zetschrft für das Gesamte Turbnewesen. 6. pp [8] S. Heer, "Grd ntegratonof wnd energy converson systems", Wley, Chchester, UK, (998). [9] Z. Alnasr and M. Kazeran. (03, Dec.). An analytcal lterature revew of standalone wnd energy converson systems from generator vewpont. Renewable and Sustanable Energy Revews. 8. pp tcle/p/s [0] M. A. Khan, P. Pllay and K. D. Vsser. (005, Sept.). On adaptng a small pm wnd generator for a multblade, hgh soldty wnd turbne. Energy Converson, IEEE Transactons on. 0(3). pp p?tp=&arnumber=49554 [] J. R. Bumby and R. Martn. (005, Sept.). Axalflux permanentmagnet arcored generator for smallscale wnd turbnes. In Electrc Power Applcatons, IEE Proceedngs. 5(5). pp p?tp=&arnumber=56795 [] G. K. Sngh. (004, May). Selfexcted nducton generator research a survey. Electrc Power Systems Research, 69(). pp tcle/p/s [3] R. C. Bansal, T. S. Bhatt, and D. P. Kothar. (003, Sept.). Bblography on the applcaton of nducton generators n nonconventonal energy systems. Energy Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667,

11 Converson, IEEE Transactons on. 8(3). pp p?tp=&arnumber=36 [4] P.K. Shadhu Khan and J.K. Chatterjee. (999). Threephase nducton generators: a dscusson on performance. Electrc Machnes & Power Systems, 7(8). pp / [5] M. Ermş, H. B. Ertan, M. Demrekler, B. M. Sarıbatır, Y. Üçtuǧ, M. E. Sezer and I. Çadırcı, (99, January). Varous nducton generator schemes for wndelectrcty generaton. Electrc Power Systems Research. 3(). pp tcle/p/ z [6] S. Müller, M. Decke and R. W. De Doncker. (00, May/June). Doubly fed nducton generator systems for wnd turbnes. Industry Applcatons Magazne. IEEE. 8(3). pp p?tp=&arnumber=99960 [7] R. Datta and V. T. Ranganathan. (00, Sept.). Varablespeed wnd power generaton usng doubly fed wound rotor nducton machnea comparson wth alternatve schemes. Energy Converson. IEEE Transactons on. 7(3). pp p?tp=&arnumber= [8] L. Holdsworth, X. G.Wu, J. B. Ekanayake and N. Jenkns. (003, May). Comparson of fxed speed and doublyfed nducton wnd turbnes durng power system dsturbances. In Generaton, Transmsson and Dstrbuton, IEE Proceedngs. 50(3). pp p?tp=&arnumber=0854 [9] S. Grabc and V. Katc,"A comparson and tradeoffs between nducton generator control optons for varable speed wnd turbne applcatons" In Industral Technology, 004. IEEE ICIT'04, (Vol., pp ), Hammamet Tunsa, (004, December). [30] R. PenaAlzola, M. Lserre, F. Blaabjerg, M. Ordonez and Y. Yang. (04, Nov.). LCLflter desgn for robust actve dampng n grdconnected converters. Industral Informatcs, IEEE Transactons on, 0(4), pp p?tp=&arnumber=6970 Sakarya Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Dergs, vol., no. 4: pp. 6667, 07 67