Şekil 8. Bir rüzgâr türbininin maruz kaldığı rüzgâr kanalı boyunca oluşan rüzgâr hızları. Rotor kanatlarının yakaladığı mekanik güç (Türbin gücü)

Transkript

1 1.5. RÜZGÂRDAN YAKALANAN GÜÇ (MEKANİK GÜÇ) Kanatları kesen rüzgârın tamamı rotorda mekaniksel güce dönüşmez. Rüzgârın kinetik enerjisinden elde edilen mekaniksel güç ifadesi için rotor verimi hesaplanmalıdır. Rotor kanatları tarafından yakalanan gerçek güç miktarı, rüzgâr kanalı girişi ile rüzgâr kanalı çıkışı hava akışları arasındaki kinetik enerjilerin farkıdır. P k P k = 1 1 = m& v ( birim zamanda akan kütle miktarı)[. v v ] ( v ) i o i o Şekil 8. Bir rüzgâr türbininin maruz kaldığı rüzgâr kanalı boyunca oluşan rüzgâr hızları Pk v i Rotor kanatlarının yakaladığı mekanik güç (Türbin gücü) Rotor kanatlarının girişindeki rüzgâr hızı v o Rotor kanatlarının çıkışındaki rüzgâr hızı v k Rotor kanatları düzlemindeki rüzgâr hızı ( v kanat ) Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 1

2 v k = v i + v o Görüldüğü gibi rüzgâr kanalı boyunca (rüzgâr hızı v den v ya) hareket ederken sürekli sabit formda değildir. Dolayısıyla dönen kanatlar boyunca hareket eden havanın kütle akış oranı (birim zamanda akan kütle miktarı) ortalama hız ile hava yoğunluğunun çarpımından elde edilebilir (veya rotor düzlemindeki rotor süpürme alanı içerisindeki hızı dikkate alınır). v b vi + vo m& = ρ. A. vk = ρ. A ifadesi güç denkleminde yerine konulursa, i o P k ( vi vo 1 vi + vo = ρ. A. ) olur. İfade düzenlenerek, v o v o 1 1 vi vi P k ρ. A. vi. = Pk = ρ. A. v 3 i. c p elde edilir. Genel olarak c p Burada = 1 c p bulmak için dc p dλ v i = v ve ( 1+ λ)( 1 λ ) v o λ = tanımlanırsa, v rotor verimi olarak bilinir. Maksimum rotor verimini c p nin λ ya göre türevi alınıp sıfıra eşitlenirse; [( 1 λ) + ( 1+ λ)( 1 )] = 0 1 = λ = 1 ( 1+ λ )( 1 3λ ) = 0 λ = v o v = 1 3, (Not: λ = -1 çözüm değil) 1 1 λ = iken rotor verimi, c max 1 p = + 1 = = = % Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa

3 cp nin λ ile değişimi çizilir ise, Şekil 9. cp nin λ ile değişimi Bu durumda maksimum teorik verim %59.6 tür bu verime Betz verimi veya Betz kanunu denir. Bu değer pratikte 0.5 in altında kalır. Verilen bir rüzgâr hızı için, rotor verimi rotor dönüş oranının bir fonksiyonudur. Eğer rotor çok yavaş dönüyor ise verim düşer, çünkü kanatları etkilemeden geçen rüzgâr miktarı daha fazladır. Eğer rotor çok hızlı dönüyorsa rotor verimi yine düşer, çünkü bir kanatın neden olduğu türbülans gittikçe artan bir oranla takip eden diğer kanadı etkiler. Genel bir yöntem olarak rotor verimi kanat uçlarındaki hız oranının (tip-speed-ratio=kanat-ucu hız oranı =KHO) bir fonksiyonu olarak tanımlanır. (Not: KHO, literatürde λ olarak ta verilir.) Rüzgar türbinleri için kanat-ucu hız oranı, kanat ucu dönüş hızının gerçek rüzgar hızına oranıdır Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 3

4 RRotor Rotor yarıçapı [m] Mekanik (kanat) açısal hızı [rad/s] Rüzgar hızı [m/s] Rüzgar hızı [m/s] Dönüş frekansı [1/s, Hz] ÖRNEK: 15 m/s rüzgar hızında, kanat çapı 10m ve kanat 1 saniyede, 1 tam dönüş yapıyor ise, KHO değerini bulunuz. ÇÖÜZM: , mekaniksel açısal hızı dönüş hızının bir fonksiyonu olarak yazılabilir: Not: Burada, dev/dk Verilen bir rüzgâr hızı için Cp rotor veriminin KHO ile değişimi aşağıda verilmiştir. KHO Şekil 9. Bir rüzgâr türbini için cp nin KHO ile değişimi Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 4

5 Farklı rotor ve kanat tipleri için oldukça farklı eğriler olabilir. Genellikle ampirik bir ifade olarak maksimum güç için optimum KHO nun, Değerinde oluştuğu görülmüştür. Burada, kanat sayısı olarak verilmektedir. Değişken hızda rüzgâr türbinin optimum işletimi için KHO değeri kullanılır. KHO maksimum gücü elde edecek işletim noktasını belirler. Cp nin hangi KHO değerinde maksimum olacağını türbinin aerodinamik yapısı belirler. Genel olarak örneğin, yüksek rüzgâr hızında yüksek hızı yakalayabilmek için, rotorda yüksek hızda dönmelidir, böylece optimum bir seviyede KHO sabit tutulmuş olur. ÖRNEK: Rotor çapı 30m olan, 3 kanatlı bir rüzgâr türbini 1m/s rüzgâr hızında 50kw güç üretmektedir. Hava yoğunluğu 1,5kg/m 3 olduğuna göre; (a) KHO=4.0 iken rotor hızı kaç dev/dk dır (n =?) (b) Rotor kanat uçlarının hızı kaç m/s dır. (c) Eğer generatörün 1500 dev/dk dönme hızına ihtiyacı var ise, rotor hızını generatör hızına eşitlemek için hangi dişli oranına ihtiyaç vardır. (d) Tüm rüzgar türbinine ilişkin verimi hesaplayınız. ÇÖZÜM: Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 5

6 1.6 RÜZGÂR TÜRBİNLERİ İÇİN GENERATÖR SİSTEMLERİ Kanatların fonksiyonu, rüzgâr kinetik enerjisini dönen mil gücüne çevirerek generatörün dönmesini ve böylece elektrik gücünü üretmektedir. Akü şarjı yapan küçük rüzgâr türbinleri dc generatörleri kullanırken, şebekeye paralel çalışan rüzgar türbinlerinde ise ac generatörler (asenkron ve senkron) kullanırlar. Asenkron makinalar sabit hızlı veya değişken hızlı sistemlerde kullanılabilirken, senkron makinalar normal olarak değişken hızlı sistemlerde güç elektroniği ara yüzü ile birlikte kullanılırlar. Temel olarak enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılan asenkron generatörler 3 çeşittir. Bunlar sincap kafesli, yuvarlak rotorlu ve çift beslemeli asenkron generatörlerdir. Sincap kafesli asenkron makine bir ac sisteme doğrudan bağlanıp sabit hızda işletilebileceği gibi güç elektroniği üniteleri ile birlikte değişken hızlarda da işletilebilir. Yuvarlak rotorlu asenkron generatörler ise kayma kontrolünü sağlayan rotor dirençleri ile birlikte bir ac sisteme doğrudan bağlanabilirler. Burada kayma kontrolü ile işletim hızı ancak belirli hız aralıklarında ayarlanabilir. Çift beslemeli asenkron generatör ise güç elektroniği dönüştürücülerinin boyutuna bağlı olarak çok daha geniş aralıklarda hız ayarlama imkanı verir DC MAKİNA İç yapıları itibari ile bütün elektrik makineleri alternatif akım makinesidir, çünkü iletkenler N-S kutupları arasındaki manyetik alan içerisinde alternatif forma döner. DC makineler AC den DC ye dönüşümü mekanik anahtarlama yoluyla yapar. Buradaki Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 6

7 komütatör, AC-DC işlemini karbon fırçaları bakır segmentler üzerinde kaydırarak gerçekleştirir. Buradaki kontaklar yüksek bakım maliyeti ve düşük güvenilirliğe sebep olurlar. Bu dezavantaja rağmen hız kontrolü kolay olduğu için geçmişte sıkça kullanılmakta idi. Klasik DC makineler doğru akım taşıyan şönt veya seri bobin aracılığı ile kendinden uyartımlı olarak (manyetik alanı üretmek için) dizayn edilirler. Günümüzde ise DC makinelerde manyetik alan, sabit mıknatıs kutupları aracılığı ile elde edilmektedir. Böylece alan akımı ihtiyacı ve komütatör ihtiyacı ortadan kalmaktadır. Sabit mıknatıs kutupları rotora yerleştirilmiş olup, statora AC akım üreten armatür sargıları yerleştirilmiştir. Daha sonra AC, güç elektroniği elemanları vasıtasıyla DC ye çevrilir. Bu şekildeki bir makine fırçalara ve komütatöre ihtiyaç duymaz, böylece güvenilirlik arttırılmış olur. Bu şekildeki sabit mıknatıs kutuplu DC makineler ancak küçük boyutlu rüzgâr türbinlerinde kullanılabilirler SENKRON MAKİNA Senkron makine belirli bir sabit frekansı üreten ve sabit hızda çalışan bir elektrik makinesidir. Bu sebepten dolayı rüzgâr santrallerinde değişken hızda işletime çok uygun değildir. Ayrıca makinenin DC uyarıma ihtiyacı olduğundan bilezikler üzerinde kayan karbon fırçalara ihtiyacı vardır. Bu durum senkron makinenin rüzgâr türbinlerinde kullanımda bir sınırlama oluşturur. Bu mukabil senkron makine şebeke ile paralel çalıştığında, asenkron makinenin şebeke ile paralel çalışmasına göre avantajı vardır. Çünkü senkron makine şebekeden gelecek reaktif güce Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 7

8 ihtiyaç duymaz. Günümüzde rüzgâr santrallerinde kullanılan elektrik generatörü genel olarak asenkron makinelerdir ASENKRON MAKİNA Asenkron generatörün statoru üç faz grubundan müteşekkil birçok sarıma yataklık yapar. Bu üç grup sargı fiziksel olarak stator etrafına yayılmıştır. Bu sargılar üzerindeki akım akışından dolayı rotor etrafında, çevresinde dönen bir manyetik alan oluşur ki bu manyetik alan asenkron makinenin en önemli çalışma özelliğini oluşturur. Dönen manyetik alanın açısal hızı aynı zamanda senkron hızdır. Buradaki senkron hızı ile gösterirsek, N s 60 f N s = p f frekans p manyetik alan kutup çifti Şekilde döner manyetik alan içerisindeki sincap kafes rotorlu asenkron makine görülmektedir. Stator sargıları yüksek manyetik geçirgenliğe sahip bir nüve içerisindeki oluklara yerleştirilmiştir. Böylece yeterli miktardaki manyetik alan yoğunluğu düşük uyarma akımları ile elde edilebilir. Rotorda ise katı iletken çubuklar rotor nüvesindeki oluklara gömülmüşlerdir. Bu çubuklar her iki taraf uçları karşılıklı olarak iletken yüzükler tarafından birleştirilmişlerdir.(kısa devre edilmişlerdir) Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 8

9 Asenkron Generatörün Çalışma Prensibi Stator manyetik alanı Ns=60f/p senkron hızı ile döner. Döner manyetik alanı ile rotor arasındaki bağıl hız her bir rotor dönüşünde gerilim indükler. Çünkü stator φ akıları, rotor tarafından kesilir. İndüklenen gerilimin genliği Faraday kanununa göre e = dφ - dt Φ rotor dönüşlerini kesen manyetik alan miktarı. Bu indüklenen gerilim rotorda bir sirkülâsyon akımı oluşturur. Rotor akımı ile stator akısı arasındaki etkileşim bir momente neden olur. Bu momentin (Torque=T) genliği T = K Φ I Cos φ K oransallık katsayısı Φ Stator akı (dalgasının) genliği φ rotor akımı ile rotor gerilimi arasındaki faz açısı I rotor çubuklarındaki akımın genliği Rotor bu moment altında ivmelenecektir. Boşta çalışma durumunda (manyetik yük yok, sürtünmeler ihmal, sıfır direnç) rotor, stator döner alanı ile aynı hızda (senkron hızda) dönecektir. Bu hızda rotorda herhangi bir akım indüklenmez, dolayısı ile moment oluşturmaz. Yani bu noktada rotor dengede olup, sürekli olarak senkron hızda döner. Eğer rotor (fan gibi) mekanik bir yükü çalıştırıyor ise, yavaşlayacaktır. Fakat stator akısı her zaman senkron hızda döner ve rotora göre bağıl hız vardır. Sonuçta elektromanyetik olarak indüklenen gerilim akım ve moment rotorda üretilir. Buradaki moment (bu hızda) yükü sürmek için gerekli olan momente eşit olmak zorundadır. Makine bu durumda motor olarak çalışır. Eğer rotora bir rüzgâr türbinine bağlarsak ve senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürürsek, rotorda indüklenen akım ve momentin yönü motor çalışma durumuna göre ters yönde olur. Bu Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 9

10 durumda makine generatör olarak çalışır. Türbinin mekanik gücünü elektrik gücüne çevirir ve stator uçlarına bağlı yükü besler. Eğer makine şebekeye paralel olarak çalışıyor ile, şebekeye güç temin edecektir. Yani makinenin generatör olarak çalışabilmesi için senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürülmesi gerekir. Asenkron makinelerde stator ile rotor arasında elektriksel bir bağlantı olmayıp, tamamen elektromanyetik endüksiyon prensibine göre çalışır. Asenkron makinenin çalışma prensibini transformatöre benzetebiliriz. Statordaki yüksek gerilim sargıları kendisi üzerinde kısa devre edilmiştir. Güç her iki sargı yönünde de akabilir. Rotor ile stator döner alanı arasındaki bağıl hızda transformatör prensibine göre açıklanabilir. Bu hız kayma indisi ile ifade edilir.(rotorun senkron hızdaki döner alana göre bağıl kayması), ve s ile gösterilir. s = (Ns-Nr)/Ns = 1-Nr/Ns s Ns Nr s negatiftir. : rotorun kayması :senkron hız = 60f/p :rotor hızı : motor çalışmada pozitif, generatör çalışmada ise s büyüdükçe elektromekanik enerji dönüşümü büyür. s (kayma) büyüdükçe elektriksel kayıpta artar. Elektriksel kayıp ısı şeklinde açığa çıktığından (işletme sıcaklığı kabul edilebilir limitler içerisinde tutabilmek için) bu ısının rotordan uzaklaştırılması gerekir. Bu ısı küçük boyutlu makinelerde fan ile uzaklaştırılabilir. Büyük boyutlu makinelerde su sirkülâsyonu ile yapılır. Sürekli hal işletme şartlarında ve s kaymasında asenkron generatörde aşağıdaki hızlar tanımlanır. Stator akısı hızı : Ns Rotor mekanik hızı : Nr=(1-s).Ns Rotora göre stator akısı hızı : s.ns Statora göre rotor akısı hızı : Ns=Nr+s.Ns Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 10

11 Asenkron Makinanın Hız-Moment Karakteristiği Stator indirgenmiş asenkron makine eşdeğer devresi: I0 mıknatıslanma akımı I1 stator akımı I rotor akımı R1 stator sargı iletken direnci R rotor iletken direnci X1 stator kaçak reaktansı X rotor kaçak reaktansı Kaymaya bağlı R[(1-s)/s] direnci elektromekanik güç dönüşümünü temsil eder. Makinenin bir fazına ilişkin güç dönüşümü : I. R[(1-s)/s] 3 güç dönüşümü : Pem=3. I.R[(1-s)/s] [watt] Mekaniksel moment : Tem=Pem/ω Tem : Rotorda oluşan elektromekanik moment [Nt-m] ω : Rotorun açısal hızı=π.ns. (1-s)/60 ; Pem ve ω, Tem ifadesinde yerine yazılır ise Tem=180/(π.Ns).I.(R./s) [Nt-m] Moment-hız veya moment-kayma karakteristiği s in belirli bir aralığı için çizilir ise aşağıdaki karakteristik elde edilir Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 11

12 "S" Kayma Eğer makine s>1 bölgesinde çalışıyor ise ve o anda makine ters yönde döndürülür ise (herhangi iki fazın yerleri değiştirilir ise), makine bütün gücü absorbe eder ve bu durumda fren gibi çalışır. Bu durumda I.R kaybı rotor iletkenlerinde ısı şeklinde açığa çıkar ve bu ısı sistemden uzaklaştırılmalıdır. Eddy (girdap) akımı frenlemesi bu prensibe göre çalışır. Acil durumlarda şebekeye paralel çalışan generatör, stator uçlarındaki 3 gerilimlerinin sırası değiştirilerek fren olarak kullanılabilir. Bu işlem manyetik akı dalgasının rotora göre dönüş yönünü değiştirir. ÖRNEK: 6 kutuplu 50 Hz li asenkron motor nominal gücüne kaymanın %3 olması durumunda ulaşmaktadır. Nominal güçteki rotor hızını hesaplayınız. ÇÖZÜM : Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 1

13 Kendinden uyartımlı asenkron generatör: Eğer stator, 3 lı uyarma akım sistemi ile birlikte dizayn edilirse milli rüzgâr türbinine ve dişli kutusuna bağlı olan makine başlangıçta motor olarak çalışmaya başlayacak ve senkron hızı yakalama yönünde hızını arttıracaktır. Rüzgâr hızı generatör miline senkron hızı aşacak seviyede etki edince, asenkron makine otomatik olarak generatör çalışmaya geçecektir ve elde edilen elektriksel gücü stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılacaktır. Fakat tüm bu süreçte 3 lı mıknatıslanma akımı nereden temin edilmektedir. Eğer makine şebeke ile paralel çalışıyor ise, bu akım şebekeden temin edilir. Bununla birlikte, makine harici bir kondansatör bağlayarak makinenin ihtiyacı olan uyarma akımı şebekeye ihtiyaç olmaksızın sağlanmış olur. Kendinden uyartımlı generatörün temel mantığı, stator uyarma sargısının sahip olduğu endüktans ile ilave edilen harici kondansatör arasında rezonans durumu oluşturmaya dayanır. Buradaki osilasyon frekans yani rotor uyarma frekansı harici kondansatör boyutuna bağlıdır. Buradaki kondansatör tek yönlü olarak rüzgâr türbin hızını kontrol imkanı verir. Şekil: Kendinden uyarımlı 1 lı asenkron generatörün L ile C belirli bir frekansta rezonansa girerek osilasyona neden olur Not: Yukarıda verilen kayma ifadesi bu makine içinde aynen geçerlidir. Örneğin senkron hızı 3000 dev/dk olan kutuplu, 50 Hz asenkron generatör NR=(1 s)ns NR=[1 ( 0,01)].3000 = 3030 dev/dk Kayma yaklaşık %1 civarındadır. Generatör modunda olduğu için ( 0,01) alınmıştır Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 13

14 Not: Asenkron generatörün bir önemli avantajı da, ani ve sert rüzgâr değişimlerinde oluşacak şok darbeleri absorbe etme özelliği olmasıdır. Çünkü ani olarak rüzgâr hızının değişmesi, kaymanın da artması veya azalması ile neticelenir; bu özellik mekanik ekipmanlar üzerinde rüzgârın oluşturduğu şokların absorbe edilmesinde yardımcı olur. 1.7 RÜZGÂR GÜÇ SİSTEMİ TOPOLOJİLERİ ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI ASENKRON GENERATÖR Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörler küçük ve orta ölçekli rüzgâr türbinlerinde kullanılmaktadırlar. Bir dişli kutusu rotor kanatlarının hızını ayarlar. Bu durumda asenkron generatör senkron makine da olduğu gibi şebekeyle senkronize olmak zorunda değildir. İşletim hızına ilave bir kontrole ihtiyaç duymaksızın ulaşır. Ancak generatör boyutu büyüdükçe, bu makineler şebekeye bağlantı esnasında oldukça yüksek bir başlangıç akımına neden olurlar. Moment kontrolü bu başlangıç akımını sınırlandırabilir. Şekil: Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatör (Not: Asenkron makineler reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla şekildeki gibi reaktif güç kompanzasyonu uygulanabilir.) Rotorda stall regülâsyonu yüksek rüzgâr hızlarındaki gücü kısıtlar. Rüzgâr hızları değiştikçe kayma değiştiğinden, bu generatörlerin hızı, rüzgâr hızı değiştikçe değişmektedir. Dolayısı ile bu makineler hızlı değişen dalgalanmaları azaltabilir. Asenkron rüzgâr generatörleri sırasal hız değişimleri arasında yaklaşık %10 luk bir değişime müsaade eder. Bununla beraber, kaymanın yükselmesi Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 14

15 ile kayıplar artacak, yani verim düşecektir. Bu nedenle modern uygulamalarda değişken kayma (s) özelliğine sahip asenkron makineler kullanılır. Bu generatörlerde sargı uçları kısa devre edilmiş kafes rotorlar kullanılmaz. Buna mukabil kontrol edilebilir değişken dirençli rotor devreleri yer alır. Rotor sargıları ya harici değişken bir dirence bilezikler vasıtasıyla bağlıdır, ya da rotor ile birlikte dönen kontrol edilebilir bir dirence bağlıdırlar. Aşağıdaki şekilde rotor sargılarına ayarlanabilen direnç bağlı bir asenkron makine ve hız-moment karakteristiklerindeki değişim verilmiştir. Şekil x: Rotor direncinin değişmesi ile kayma-moment değişimi arasındaki ilişki Maksimum moment (Mmax) direncin artması ile birlikte yüksek kayma değerlerinde oluşur. Güç ise moment ile orantılı olduğundan yüksek hızlarda güç artar ve güç dalgalanmaları azalır. Aşağıdaki şekilde rotor hızı ile rotor gücü arasındaki ilişkiyi vermektedir. πr KHO = n, formülü dikkate alındığında gücün rotor hızı ile olan ilişkisi ortaya v 1 konabilir. Not: P = ρ 3 Av c p ve c p = f (KHO) ve KHO = f ( n = dev / dk) Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 15

16 Stator frekansı ve dişli kutusu rotor hızını belirler, ve bu değer ancak kaymaya bağlı olarak değiştirilebilir (Şekil x). Aşağıdaki şekilde şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin güç-hız karakteristiği verilmiştir. v = 13m / s v = 1m / s v = 11m / s v = 11m / s Şekil xx: şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin güç-hız karakteristikleri Görüldüğü üzere, eğer rotor hızı sabit kalırsa, türbin hiçbir zaman optimal güç üretimine ulaşamaz. Bu nedenle en uygun üretim için rotor hızı (elektriksel hız) farklı rüzgâr hızları için farklı hızlarda olmalıdır HIZ KONTROLLÜ ASENKRON GENERATÖRLER Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlerde görüldüğü üzere değişken kayma özelliği generatörün hızını değiştirebilir. Ancak yüksek kayma oranı, rotorda yüksek kayıplara neden olacağından, kayma miktarının %10 seviyelerini geçmemesine dikkat edilir. Bununla birlikte rotor gücü şebekeye aktarılarak generatör hız kontrolü için kullanılabilir. Eğer generatör hızı sadece şebeke frekansından daha yüksek hızlara ulaşacak ise, bu durum için kullanılacak devre senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör olarak adlandırılır. Bu devrenin enbüyük dezavantajı, yüksek reaktif güç talebidir Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 16

17 Şekil xxx: Kaskad konverterli değişken hız kontrollü asenkron generatör. Senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör sadece rotor gücünü şebekeye aktarabilirken çift beslemeli (double-fed) asenkron generatör her iki yönde de güç transferine imkan tanır (rotordan şebekeye ve şebekeden rotora). Bu amaçla direkt olarak bağlı bir AC/AC konverter kullanılabilir (şekil 4x). Şekil 4x: çift beslemeli AC/AC konverterlü (double-fed) bir asenkron generatör Çift beslemeli bir asenkron generatör hem senkron üstü, hem de senkron altı hızda işletilebilir. Böylelikle generatörün reaktif güç ihtiyacı kontrol edilebilir. Bu sistemin dezavantajı yüksek maliyati ve nerji kalitesi ile ilgili problemlere neden olmasıdır Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 17

18 1.7.3 ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI SENKRON GENERATÖR Senkron makineler uyarma akımları kontrol edilmek sureti ile hem reaktif güç üreticisi hem de reaktif güç tüketicisi olabilir. Yani reaktif güç talepleri kontrol edilebilir. Senkron makineleri uyarmak için sabit mıknatıslarda kullanılabilir. Ancak bu durumda senkron makinelerin reaktif gücü kontrol edilemez. Uyarma Kanatlar ŞEBEKE Senkron Generatör Dişli Kutusu Transformatör Şekil 5x: Şebekeye doğrudan bağlı senkron generatör Asenkron generatörün aksine, senkron generatör sabit hızda işletilir. Bu durum ise rüzgâr türbinlerinde oldukça zor bir durumdur. Bu nedenle doğrudan bağlantılı senkron generatörler ada şebeke uygulamalarında bağımsız (stand-alone) uygulamalar için kullanılırlar. Bu makinenın şebekeye direkt olarak bağlanısı neticesinde oluşacak bir diğer mahsur ise şebekedeki yük değişimlerinin generatör üzerinde yüksek mekanik zorlamalar oluşturmasıdır. Bu nedenlerden ötürü senkron makineler genellikle şebekeye direkt olarak bağlanmazlar DC BARA BAĞLANTILI SENKRON GENERATÖRLER DC bara bağlantılı senkron generatörler (frekans konvertörlü senkron makinalar da denmektedir) şebekeye doğrudan bağlı senkron generatörlerin dezavantajlarını ortadan kaldırabilir Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 18

19 Şekil 6x: DC bara bağlantılı senkron generatörler Şekil 7x de görüldüğü üzere düşük ve orta hızlı tüm rüzgâr hızlarında rotor hızı değiştirilerek maksimum güç noktaları yakalanabilmektedir. Yüksek rüzgâr hızlarında ise gücü sınırlamak türbin güvenliği açısından zaten gereklidir. Frekans konvertörleri vasıtası ile şebeke frekansı yakalanabildiğinden ilave bir dişli kutusuna ihtiyaç duymazlar. Bu nedenle günümüzde bir çok makina dişli kutusu barındırmazlar. Ancak bu türbinler için üretilen senkron makinalar yüksek sayıda kutuplu yapılırlar (kutup sayısı genelde 80 ve üzeridir.) Bu makinaların belli başlı avantajları: Daha az malzeme ihtiyacı Daha düşük maliyet Daha az gürültü PWM inverterlerin kullanılması ile reaktif güç kontrolü de yapılabilmektedir Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 19

20 v = 13m / s v = 1m / s v = 11m / s v = 11m / s Şekil 7x: Sabit hızlı (1) ve DC bara bağlantılı () senkron generatörlerin çalışma noktaları Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu Sayfa 0