www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (1) 15-24 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Rüzgar Enerjisi ile Tahrik Edilen Bilezikli Asenkron Jeneratörün Yapay Sinir Ağı ile Denetlenmesi Şaban YILMAZ, Mahit GÜNEŞ, Mustafa AKSU KSÜ Kahramanmaraş Meslek Yüksekokulu, Kahramanmaraş Özet Rüzgar enerjisi, çevre dostu olan yenilenebilir bir enerji kaynağıdır, sürekli artan enerji ihtiyacını karşılamak için son yıllarda önemi gittikçe artmaktadır. Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri iklim ve hava şartlarından etkilenmektedir. Rüzgar hızı sürekli değişmektedir. Rüzgar hızındaki ani değişiklikler mekanik ve elektriksel hasarlara neden olabilmektedir. Bu nedenle türbin momentinin uygun kontrol yöntemleri ile sürekli olarak kontrol edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla kullanılan denetim yöntemlerinden birisi de türbin kanat açısının değiştirilmesi ile yapılan denetimdir. Değişken hızlı rüzgar türbinleri için en uygun jeneratörler, yapılarının basit, maliyetlerinin düşük (olmasından dolayı) ve değişken hız sistemlerinde kullanımının uygun olmasından dolayı asenkron jeneratörlerdir. Bu çalışmada, rüzgar enerjisi üretiminde kullanılan değişken hızlı türbinlerin kontrolü için yapay sinir ağları tabanlı bir denetleyici tasarlanmıştır.türbin kanat açısı kontrolü için kullanılan yapay sinir ağı (YSA), hata geri yayma algoritmasına göre oluşturulan çok katmanlı ağ olup, iki girişi, bir çıkışı, ve gizli katmanda 5 nöronu vardır. YSA için tanjant hiperbolik fonksiyonu kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Rüzgar Enerjisi, Yapay Sinir Ağı 1. Giriş 1.1 Yenilenebilir Enerji Kaynakları ile Enerji Üretimi Günümüzde elektrik üretimi, özellikle de yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, çevre kirliliğini önleme açısından çok önemli hale gelmiştir. Su gücünün yanı sıra güneş enerjisi ve rüzgar enerjisi bu bakımdan çok önemlidir. Enerji üretim piyasasında çevre dostu olan bu teknolojilerin yüksek standartlı olarak geliştirilmesi özellikle gereklidir. Dünya üzerindeki rüzgar enerjisi potansiyelinin elektrik enerjisi üretimine katkısı çok büyüktür. Hava şartlarına bağlı olan rüzgar gücü, mevcut dağıtım şebekesi ile birleşmesiyle ekonomik olarak çekici olabilmektedir. Rüzgar türbininin elektrik enerjisine dönüştürdüğü enerjinin miktarı için rüzgar hızı çok önemlidir. Rüzgar enerjisi rüzgar hızının küpü ile orantılıdır. Eğer rüzgar hızı iki katına çıkarsa sekiz kat daha fazla enerji elde edilir (Newton un ikinci hareket kanunu). Eğer bir otomobilin hızı iki katına çıkarsa aracı durdurmak için dört kat enerji gerekir. Rüzgar türbininde ise elde ettiğimiz enerji, rüzgarı frenlemeden kaynaklanan enerjidir ve eğer rüzgar enerjisi ikiye katlanırsa rotordan geçen rüzgar dilimi miktarı iki katına çıkar ve bu rüzgar dilimi dört kat daha fazla enerji içerir. Şekil 1. deki grafiğe göre rüzgar hızı 8 m/sn iken rüzgardan elde edilen enerji 314 W/m 2 tır. Rüzgar hızı 16 m/sn ye çıktığında sekiz kat daha fazla 2509 W/m 2 enerji elde edilmektedir [1].
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 Rüzgar Enerjisi ile Tahrik Edilen Bilezikli Asenkron Jeneratörün Yapay Sinir Ağı Đle Denetlenmesi Enerji 1.2 Rüzgar Gücünün Formülü Rüzgar hızı (m/s) Şekil 1 Rüzgardan elde edilen enerji rüzgar hızının küpü ile orantılıdır [1]. Bu kısımda rüzgar enerjisi dönüşüm sisteminin dinamik simülasyonları için gerekli rüzgar türbini karakteristikleri verilecektir. Belirli bir alan içerisinden akan havanın (rüzgarın) kinetik enerjisinden üç kanatlı rüzgar türbini aracılığıyla dönen mile aktarılacak gücün ve momentin eşitlikleri (1) ve (2) de verilmektedir: P T t t 2 3 = 0.5Cp ( β, λ) ρπr v Watt, (1) C ( β, λ) 0.5 R v λ p 3 2 = ρπ Nm. (2) Burada ρ hava yoğunluğu (= 1.225 kg/m 3 ), R türbin yarıçapı, v rüzgar hızı (m/s), β türbin kanat açısı, ve λ ise kanat uç-hız oranı olup şu şekilde ifade edilmektedir: ωr λ = t (3) v Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinde çoğunlukla kullanılan asenkron makinenin iki şekilde kurulması yaygın olarak tercih edilmektedir. Bunlar Şekil 2 ve Şekil 3 te görüldüğü gibi sincap kafesli ve bilezikli olmak üzere iki farklı düzenekte gösterilmiştir. Şebeke Kompanzasyon Şekil 2. Değişken hızlı asenkron jeneratörlü türbin sistemi [2]. 16
Yılmaz, Ş., Güneş, M., Aksu, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 Şebek e Filtre Şekil 3.Değişken hızlı çift beslemeli asenkron jeneratör sistemi [2]. Bu iki bağlantı dışında da bağlantı şekilleri mümkündür. Ancak, temelde bilinen bağlantı biçimleri yukarıdaki şekillerdeki gibidir. Rüzgar hızının değişken ve süreksiz oluşu özellikle değişik denetim şekillerinin uygulanmasına neden olmuştur. Aksi takdirde üretilen gerilim ve akımda bir takım bozulmaların olacağı yani enerji kalitesinin yeterli seviyede olmayacağı açıktır. Özellikle, değişken hızlı makinelerin kutup gerilimleri ve frekansı, rüzgar şiddetinden etkilenir. Eğer sistemde uygun kontrol yöntemleri kullanılırsa, enerji kalitesi arttırılabilir. Bu amaçla, rüzgar türbinin çıkışı kontrol edilmelidir. Rüzgar jeneratörleri zayıf şebekelerde, gerilim, frekans ve güç salınımları oluşturur. Bu salınımları en aza indirmek için kanat açısı kontrolü pitch kontrolü ile doğrultucu-evirici veya her ikisi de kullanılarak enerji kalitesi arttırılabilir [1]. Bu çalışmada kanat açısı ayarlanarak frekans ve gerilim denetimini deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen düzenekte bilgisayar ortamında, Matlab/Simulink yazılımı ile tasarlanan YSA denetleyici ile sistemin kontrolü gerçekleştirilmiştir. 2. Materyal ve Yöntem 2.1 Asenkron Jeneratörlerin Rüzgar Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanılması Hem sincap kafesli hem de bilezikli asenkron jeneratör, rüzgar enerjisinden elektrik üretmek için kullanılırlar. Asenkron jeneratörün seçilme nedeni, güvenilir ve ucuz olmasının yanında KW/kg oranının yüksek olmasıdır. Dünyada üretilen çoğu rüzgar türbinlerinde, sincap kafesli asenkron jeneratör kullanılmaktadır. Rotor sargısı bakır yada alüminyum çubuklardan imal edilir. Asenkron jeneratörler rüzgar türbini rotoruna bir dişli takımı üzerinden bağlanmışlardır. Şekil 4 de rüzgar türbinine bir dişli sistem üzerinden bağlanan asenkron jeneratöre ilişkin basit bir prensip şeması verilmiştir [3]. Değişken hızla çalışan türbinlerin tahrik ettiği asenkron jeneratörlerin kendi kendini uyarması için, stator sargı uçlarına kondansatörler bağlanır. Kondansatörler asenkron jeneratörün mıknatıslanma akımını vererek jeneratörün alternatif gerilim üretmesi sağlarlar. Rüzgarın hızı değiştiğinden türbinin ve buna bağlı olarak jeneratörün rotor hızı değişir, sonuç olarak asenkron jeneratörün ürettiği gerilimin frekansı değişir. Bu gerilim diyotlardan oluşmuş üç fazlı kontrolsüz bir doğrultucu köprü ile doğrultulur, büyük kondansatörlerle süzülerek bir doğru gerilim elde edilir. Bu gerilim, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) kullanan eviricilerle 50 veya 60 Hz frekanslı çıkış gerilimine dönüştürülür. Evirici, temel bileşenin frekansı şebeke frekansına eşit olan sinüsoidal darbe genişlik modülasyonu. (Darbe Genişlik Modülasyonu; PWM ) çıkış gerilimleri üretmektedir. IGBT li güç anahtar elemanlarını evirici katında kullanılması ile uygun anahtarlama yöntemleri ve yüksek anahtarlama frekanslı PWM işaretlerle rüzgar türbin sistemi, şebekeyi toplam distorsiyon küçük akımlarla besler. 17
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 Rüzgar Enerjisi ile Tahrik Edilen Bilezikli Asenkron Jeneratörün Yapay Sinir Ağı Đle Denetlenmesi Şekil 4 Rüzgar türbini ile tahrik edilmiş değişken hızlı asenkron jeneratör 2.2 Rüzgar Türbini ile Tahrik Edilmiş Değişken Hızlı, Bilezikli Ve Etkin Rotor Direnç Kontrollü Asenkron Jeneratör Bilezikli asenkron makinaların hem rotor hem de stator uçlarından giriş ve çıkış yapılabilir. Bu sistemde asenkron jeneratörün bileziklerine bağlanan direncin etkin değeri, bu direnç uçlarına paralel bağlanan IGBT güç anahtarının PWM modda açılıp kapanması ile değiştirilebilir. Bu durumda asenkron jeneratörün rüzgar türbini tarafından değişken hızlarla tahrik edilmesi durumunda rotora bağlanan direnç uygun şekilde değiştirilerek, şebekeye bağlanan stator uçlarındaki gerilimlerin frekansı sabit tutulabilmektedir. Düşük rüzgar hızlarında yüksek direnç, yüksek rüzgar hızlarında ise düşük direnç değeri rotor uçlarında anahtarlama ile sağlanarak, istenen sabit frekanslı stator gerilimi sağlanmış olur. Bu yöntemde üçfazlı olan rotor uçlarına sadece bir direncin eklenmesi ve bu direnç değerinin IGBT ile anahtarlanarak her bir rotor sargısını dengeli olarak etkilemesi sağlanmış olur. Bu amaçla ilk önce rotor akımları üç faz tam dalga diyotlardan oluşmuş kontrolsüz bir doğrultucu ile doğrultulmakta daha sonra ise bir endüktans ile süzülen akımlar, bir direnç bağlanarak devresi kapatılmaktadır. Eklenen direnç değerinin bu dirence paralel olarak bağlanan IGBT ile anahtarlanması ile kademesiz olarak sürekli değişen direnç değeri rotor uçlarında oluşturulmuş olur. Burada değişken rüzgar hızına karşı ayarlanan direnç değerleri ve akan akımlar nedeni ile rotorda oluşan kayma enerjisi, direnç uçlarında ısıya dönüşecektir. Bu nedenle kayıplı bir yöntemdir. Asenkron jeneratör kendisi için gerekli olan mıknatıslanma akımlarını stator uçlarına doğrudan bağlı olduğu şebekeden sağlamaktadır. Đlave bir tedbir alınmasına gerek yoktur [3]. Şekil 5 Rüzgar türbini ile tahrik edilmiş değişken hızlı bilezikli ve etkin rotor dirençli asenkron jeneratör 2.3 Rüzgar Türbini Đle Tahrik Edilmiş Kayma Enerjisi Geri Kazanımlı Bilezikli Asenkron Jeneratör Bu sistem bir önceki ile benzerlik göstermektedir. Burada da rotora direnç ekleme yönteminde olduğu gibi rotor akımı değiştirilebilmektedir. Bu değişim sırasında, rotorda oluşan enerji ısı enerjisine dönüşüm yerine şebekeye aktarılmaktadır. Bu amaçla doğrultulmuş rotor akımları seri endüktanstan geçirilerek evirme modunda çalışan üç faz tam dalga kontrollü bir doğrultucunun girişine uygulanır. Tristörlerden oluşan doğrultucu, diyotlardan oluşan doğrultucu ile birbirine ters yönde bağlanmışlardır. Tristörlü doğrultucunun tetikleme açıları öyle seçilir ki (90 dereceden büyük), ortak anot pozitif, ortak katot ise negatif yönlü olur. Bu durumda kontrolsüz doğrultucu ile 18
Yılmaz, Ş., Güneş, M., Aksu, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 kontrollü doğrultucuların gerilimleri aynı yönde olacaktır. Akan akımın yönü ise kontrolsüz doğrultucudan kontrollü doğrultucuya dolayısıyla da şebekeye doğrudur. Böylece hız ayarı yapılırken rotorda oluşan enerji kayıpsız bir şekilde şebekeye aktarılmıştır (Şekil 6). Şekil 6. Rüzgar türbini ile tahrik edilmiş kayma enerjisi geri kazanımlı bilezikli jeneratör 3. Bulgular 3.1 Bilezikli Asenkron Makine Deney Seti Bu sisteme ait tek hat şeması aşağıdaki şekilde verilmiştir. Bu sistemde hedeflenen kanat açısı denetimi ve dolaylı olarak gerilim denetimi yapılması hedeflenmiştir. Jeneratör olarak çalışan asenkron jeneratöre (ASG) gerekli mekanik gücü bir doğru akım makinesi ile sağlamak mümkündür. Bu çalışmada yine Şekil 7 de görüldüğü gibi üçüncü bir asenkron motor aynı mil üzerine akuple edilmiştir. Şekil 7 Kurulan Test Düzeneği Ana mil üzerindeki devir bilgisi bir analog takometre ile gerilim işaretine dönüştürülmüş ve daha sonra bu işaret PC ye bağlı bir veri izleme (DAQ) kartı ile sayısala dönüştürülerek Matlab/Simulink te yazılı YSA koduna giriş olarak uygulanmıştır. YSA çıkışı yine veri izleme kartının çıkışları ile invertöre aktarılmaktadır. Böylece kanat açısı denetimi görevine sahip olan ASM motorunun hızı denetlenmiştir Bu düzenekte gerçek bir rüzgar türbinindeki kanat açısı denetimi modellenmiştir. Söz konusu düzenek şu şekilde çalışmaktadır. Doğru akım makinesi tipik bir rüzgar türbinini gibi gerektiğinde değişik hızlarda çalıştırılabilmektedir. Bunu DA güç kaynağı üzerinde gerilim değerini manuel olarak değiştirerek yapmak yeterli 19
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 Rüzgar Enerjisi ile Tahrik Edilen Bilezikli Asenkron Jeneratörün Yapay Sinir Ağı Đle Denetlenmesi olmaktadır. Bu makineye bağlı ASM kısaltması ile gösterilmekte olan diğer asenkron motor ile türbin kanatlarındaki konum değişiminin türbin üzerinde yol açtığı fren etkisi benzetilmektedir. Đlk anda türbini temsil eden DA motoru ile kanat konumunu belirleyen asenkron motor aynı yönde ve aynı devirde kararlı bir çalışma noktasında çalıştırılarak gerilim elde edilmiştir. Bu arada Matlab/Simulink platformunda yazılı olan dosya üzerinde set edilmiş olan sabit devir sayısına ulaşılmıştır. Manuel olarak DA motoru üzerinde meydana getirilen hızlandırma sonucunda ilk olarak türbin hızı artmış ancak yazılan program neticesinde tekrar referans hıza geri getirebilmek amacıyla invertere gerekli kontrol işaretleri gönderilecek kanat açısı denetimi işlevine sahip asenkron motorun yavaş dönmesi sağlanmıştır. Böylece türbin işlevine sahip DA motoruna yönelik bir fren etkisi oluşmuş ve neticede referans hıza tekrar dönülmüştür. 3.2 PC ile YSA Tabanlı Açı Denetleyicisi Yapay sinir ağı denetleyicisi iki girişli, bir çıkışlıdır. Girişler denetlenen sistem çıkışı ve aynı sistemin bir önceki çıkışıdır. Denetleyici on-line olarak sürekli eğitilmekte ve sistemin denetimi için uygun açı değerini çıkış olarak vermektedir. Denetleyici mimarisi Şekil 8 deki yapı olup gizli katmanda beş adet nöron vardır. Gizli katmanda doğrusal olmayan aktivasyon fonksiyonu çıkış katmanında ise doğrusal aktivasyon fonksiyonu kullanılmıştır. Fonksiyon her giriş değerine karşılık bir çıkış üretmekte, elde edilen çıkış ile referans değer karşılaştırılarak hata değeri bulunmaktadır. YSA ya ait parametre güncelleme işlemi ise bu hata değerine göre gerçekleştirilmektedir. Şekil 8, 9, 10, 11 ve 12 de Matlab/Simulink detayları blok diyagramı olarak gösterilmiştir. Şekil.8 Yapay sinir ağı denetleyicisi mimarisi Şekil 9. Yapay sinir ağı denetleyicisi blok şeması 20
Yılmaz, Ş., Güneş, M., Aksu, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 Şekil 10. Yapay sinir ağı denetleyicisinin iç yapısı Şekil 11. Nöron Fonksiyonuna Matlab Dosyanın Okutulması Şekil 12. Tüm Sistemin Simulink Blok Şeması 4. Tartışma Ve Sonuçlar Dördüncü bölümde verilen test düzeneği ile kurulan YSA tabanlı test düzeneği ile yapılan çalışmaların sonuçları aşağıda verilmiştir. Yapılan ölçümlerde devir sayısı bilgisinin analog bir takometre ile gerilime dönüştürülmesi ve hassas olmaması sonucu ölçüm işleminde bozulmalar gözlenmiştir. Đlk olarak Şekil 13 de verilen rüzgar hızı 21
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 Rüzgar Enerjisi ile Tahrik Edilen Bilezikli Asenkron Jeneratörün Yapay Sinir Ağı Đle Denetlenmesi değişimi yani DC motorun hızındaki değişimin takometre ile gerilim büyüklüğüne dönüştürülmüş şekli görülmektedir. Buna göre YSA denetimi ile ikinci makinenin neden olduğu açı değişimi yani sisteme giren kontrol işareti bir başka deyişle YSA nın çıkışı aşağıdaki Şekil 14 te verilmektedir. Bu bilgi, veri izleme kartı üzerinden sisteme verilen çıkış işareti olup, 0-10 V arası değişen DC gerilimden ibarettir. Bu işaret inverter kontrol sinyalidir. Bu kontrol işareti referans sinyale göre çıkış verecek şekilde programlanmış YSA denetleyiciye aittir. Referans işaret jeneratörün olması gereken hızıdır. Birimi pu olan bu işaret Şekil.15 te verilmektedir. 1 0.8 0.6 Ruzgar Hizi (pu) 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 zaman (s) Şekil 13. Rüzgar Hızı (pu) Değişimi 10 YSA Kontrollu Açi Degisimi 9 8 7 Kanat Açisi 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 zaman (s) Şekil.14 YSA Çıkışı 22
Yılmaz, Ş., Güneş, M., Aksu, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 1.25 Referans Hiz Bilgisi 1.2 1.15 1.1 Referans (pu) 1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 zaman (s) Şekil.15 Referans Đşaret Mevcut denetim işlemi sonucunda sabit olması istenen devir sayısı ve hata değişimleri aşağıdaki şekillerde verilmektedir. Şekil.16 Devir Sayısı (1000 d/d sabit) Şekil.17 Hata Değişimi 23
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) 15-24 Rüzgar Enerjisi ile Tahrik Edilen Bilezikli Asenkron Jeneratörün Yapay Sinir Ağı Đle Denetlenmesi Devir ve hata değerlerinden görüldüğü gibi istenen devirde sabit kalması kurulan denetleyici le sağlanabilmektedir. Hata sıfıra yakın kalmıştır. Ölçümlerin yapıldığı takometrelerin ve diğer bazı ölçüm elemanlarının analog olması sonucu istenmeyen bazı parazitler olsa da sonuçlar makul ve kabul edilebilir değerler arasında kalmıştır. Bilindiği gibi rüzgar türbinlerinde frekans ve gerilim denetimi için yapılacak en önemli kontrol işlemi sabit devri yakalamaktır. Bunun yapılabilmesi için kanat açısı denetimi gerekmektedir. Bu çalışmada PC üzerinden bu şekilde bir denetim farklı bir bağlantı denenerek gerçekleştirilmiştir. Böylece laboratuar ortamında bunun yapılabileceği gösterilmiştir. Bundan sonraki aşamada aynı YSA denetim sistemi ile gerçek bir türbinde gerekli denetimi yapabilmektedir. Yazılan Matlab kodları ve simulink ile eş zamanlı çalışabilme özelliğinin sağlanması önemli bir başarıdır ve her türlü rüzgar türbini çalışmasına başlangıç teşkil edebilecek sonuçlara ulaşılmıştır. Kaynaklar 1. Anonim, 2004, www.windpower.org 2. Müller, S. ve ark., 2002, Doubly Fed Induction Generator System For Wind Turbines, IEEE Industry Applications Magazine, Vol 8, 26-33. 3. Sarıoğlu, K. ve ark., 2003, Asenkron Makinalar ve Kontrolü, Birsen Yayınevi, Đstanbul, 392s. 4. Anonim, 2004, www.yapay-zeka.org 5. Heier, S., 1998, Translated Waddington, Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems Kassel John Wiley & Sons, UK. 385s. 6. Katancevic, A., 2003, R.Transient and Dynamic Stability on Wind Farms, Helsinki University Of Technology, Department of Electrical and Computer Engineering Power System Laboratory. Master Thesis, Helsinki, 98s. 7. Sharma, H. ve ark., 2001, Effect of Pitch Control and Power Conditioning on Power System Quality of Variable Speed Wind Turbine Generators, Murdoch University Energy Research Institute (MUERI), Murdoch University, WA. 8. Hui Li; Shi, K.L.; McLaren, P.G., 2005, Neural-network-based sensorless maximum wind energy capture with compensated power coefficient, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.41, Issue 6, pp:1548 1556. 9. Shi, K.L.; Li, H., 2005, A novel control of a small wind turbine driven generator based on neural Networks, Power Engineering Society General Meeting, IEEE,Vol.2, pp:1999 2005. 10.D'Angelo, M.F.S.V.; Costa, P.P., Jr, 2001, Detection of shorted turns in the field winding of turbogenerators using the neural network MLP, IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, Volume 3, pp:1930 1935. 24