EEB 06 Elektrik-Elektronik ve Bilgiayar Sempozyumu, -3 Mayı 06, Tokat TÜRKİYE Haberleşme Gecikmeli Hibrid Enerji Üretim Siteminin Kararlılık Analizi Hakan GÜNDÜZ Şahin SÖNMEZ Saffet AYASUN Niğde Üniveritei, Mühendilik Fakültei, Elektrik Elektronik Mühendiliği Bölümü hakangunduz@nigde.edu.tr ahinonmez@nigde.edu.tr ayaun@nigde.edu.tr Özet Bu çalışmada, rüzgâr türbin itemi (), güneş panelleri (V), yakıt pili () ve çift tabakalı kondanatör () itemlerinden oluşan zaman gecikmeli hibrid enerji üretim iteminin kararlılık analizi yapılmıştır. Hibrid enerji üretim itemlerinin yük frekan kontrolünde (YFK) haberleşme ağları yardımıyla elde edilen akım, gerilim, güç ve frekan ölçümlerinin kontrol merkezine aktarılmaı ve kontrol merkezinden antrallere kontrol inyallerinin gönderilmei gerekmektedir. Bu bilgi alış verişinden dolayı itemin dinamik performanını bozacak ve hatta itemi kararız hale getirebilecek zaman gecikmeleri yaşanmaktadır. Bu çalışmada, zaman gecikmeli hibrid enerji üretim itemlerinde zaman gecikmeinin YFK iteminin kararlılığına olan etkii benzetim çalışmaları yapılarak gerçekleştirilmiştir.. Giriş Yük frekan kontrol itemi, her bir kontrol bölgeinde yük ile üretim araındaki dengeyi ağlamak ve dolayıı ile item frekanındaki değişimleri yok etmek amacı ile uzun yıllardan beri elektrik güç itemlerinin kontrolünde yaygın olarak kullanılmaktadır []. Enterkonnekte şebekeden uzak olan ve enerji ihtiyacını enterkonnekte itemden karşılayamayan yerleşim birimleri için şebekeden bağımız güç üretim birimleri kurulmaktadır [],[3]. Bu üretim birimleri daha çok rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak oluşturulan antrallerdir. Yenilenebilir güç üretim antrallerinde üretim kaynağı güneş ve rüzgar olduğu için hava koşulları üretim biriminde güç dalgalanmalarına neden olmaktadır. Bu yüzden yenilenebilir enerji antrallerinde yakıt pilleri () ve enerji depolamak amacı ile çift katmanlı kapaitörler () gibi yardımcı itemler de güç ağlayan üniteler olarak kurulmaktadır [4-6]. itemleri, en umut vadeden, çevreyi kirletmeyen, yükek üretim verimliliğine ahip ve modüler yapıından dolayı enerji üretimi ağlayan önemli bir birimdir. güç üretim birimlerinin çalışma ömrünü uzatmak, performanını iyileştirmek ve aşırı yakıt tüketimini önlemek için lerde yakıt akışı ınırlandırılır. Ayrıca, mekanik kıımlarının olmaından dolayı yavaş bir dinamiğe ahiptirler. Fakat, modüler yapıı ve enekliği ayeinde güç talebinde meydana gelen değişikler karşıında çok hızlı tepki vererek bu üreyi kompanze etmektedir [7]. Şebekeden bağımız itemde kullanıcının güç değişimine bağlı olarak item frekanında değişim meydana gelmektedir. Güç talebinde herhangi bir değişiklik olmaı durumunda bağımız itemin güç değişimi karşıında itemin frekanını nominal değerde tutmaı gerekmektedir. Sitemdeki akım gerilim, güç, frekan gibi elektrikel verilerin ölçülerek çeşitli haberleşme ağları yardımıyla denetleyicilere aktarılmaı ve denetleyiciden gelen verilerin tekrar iteme gönderilmei gerekmektedir. Bu nedenle, fazör ölçüm birimleri (MU) ve haberleşme ağları itemdeki veri iletiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. MU ların kullanımından dolayı itemde gerilim trandüer gecikmei ve veri işleme gecikmei oluşacağından veri ölçüm zaman gecikmeleri gözlenmektedir. Elektrikel büyüklüklerin ölçülmei, haberleşme ağları üzerinden bilgi alış verişinin yapılmaı gibi üreçlerde itemin dinamiğini, kararlılığını olumuz etkileyen ve frekanta aşırı alınımlara neden olan zaman gecikmeleri yaşanmaktadır [8-3]. Elektrik güç itemlerinde, ölçülen verileri uzak meafelerden merkezi denetleyicilere aktarmak için telefon hatları, fiber optik kablo hatları, enerji iletim hatları, uydu veya internet gibi çeşitli haberleşme ağları kullanılmaktadır. Bu nedenle, zaman gecikmeleri, denetleyici taarımı ve itemin dinamik analizinde dikkate alınmalıdır. Özellikle, itemin ınırda kararlı olacağı makimum zaman gecikmei bilgii, denetleyici taarımı ve veri tranferinde kullanılacak haberleşme ağ tipinin belirlenmeinde etkin bir rol oynamaktadır. Sitemin kararlılığı için, haberleşme ağında gözlemlenecek toplam zaman gecikmeinin makimum zaman gecikmeinden daha düşük olacak şekilde bir haberleşme ağı eçilmelidir [4-6]. Bu çalışmada, zaman gecikmeli hibrid bir enerji üretim iteminin kararlılık analizi, Matlab/Simulink programı kullanılarak benzetim çalışmaları yardımıyla yapılmıştır [8]. Sitemin farklı denetleyici kazanç değerlerinde ınırda kararlı olacağı makimum zaman gecikme değerleri belirlenmiştir. Sembol Litei Rüzgâr türbin jeneratörünün gücü iteminin gücü V V iteminin gücü 0
EEB 06 Elektrik-Elektronik ve Bilgiayar Sempozyumu, -3 Mayı 06, Tokat TÜRKİYE T Rüzgâr türbin jeneratörünün zaman abiti T V V iteminin zaman abiti. Hibrid Enerji Üretim Sitemi T iteminin zaman abiti f Sitemin frekan apmaı V Wind Rüzgâr hızı D M C Sönümleme abiti Eylemizlik abiti Rotor verimi Hava dinamik hareketi Hava yoğunluğu Şekil 'de Rüzgâr türbin itemi (), güneş panelleri (V), yakıt pili () ve çift tabakalı kondanatörden () oluşan hibrid enerji üretim itemi verilmiştir. Burada, V ve itemi değişen yük talebini karşılamak için enerji ihtiyacının karşılandığı temel birimlerdir. Ancak, hava koşullarının elverişiz olduğu durumlarda yük talebinin karşılanabilmei için itemleri ile birleştirilmiştir. birimi, V ve itemi tarafından üretilen ve artan enerjiyi depolamak için kullanılan bir itemdir. Her bir üretim iteminden elde edilen güç değerleri ve itemin toplam üretim gücü Denklem () ile verilebilir. Şekil 'de enerji üretiminde kullanılan itemlere ait detaylı blok diyagramlar verilmiştir. Burada, itemde çeşitli ölçümlerden ve haberleşme alt yapıından dolayı kaynaklanan zaman gecikmelerinin toplamı e bloğu ile göterilmiştir. ve bankları kontrol etmek için oranal-integral () denetleyici ve bankları için yükek geçiren filtre (HF) kullanılmıştır. A Rotor üpürme alanı Net V ().. Rüzgar Güç Üretim Modeli Ultra capacitor bank UC Rüzgar türbin iteminin çıkış gücü rüzgar hızına bağlıdır. Denklem () de rüzgar türbininin mekanik güç ifadei ve Denklem (3) de ie tranfer fonkiyonu verilmiştir. Wind peed Solar irradiation hotovoltaic ytem V V NET 3 Wind Av C(, ) () Wind T (3) Fuel cell array Fuel Cell ytem.. V Güç Üretim Modeli Bir V itemi, itenilen gerilimi ağlamak için eri ya da paralel bağlanan bir ya da daha fazla V jeneratörden oluşur. Bir V iteminin çıkış gücü Denklem (4) de ve tranfer fonkiyonu Denklem (5) de verilmiştir. Şekil :Hibrid güç üretim iteminin bir hat diyagram V S( 0.005( Ta 5)) (4) TUC UC HF T V (5) wind ɸ T V TV UC NET V e - T DM ytem f.3. Yakıt illeri Güç Üretim Modeli Yakıt hücreleri tatik enerji dönüşüm cihazlarıdır. Bu cihazlar hidrojen ve okijeni kullanıp kimyaal enerjiyi elektrik enerjiine dönüştürürler. Yakıt pilleri itemi valf, pompa gibi mekanik birimleri bulunduğundan, yavaş dinamiklere ahiptirler. iteminin tranfer fonkiyonu Denklem (6) da verilmiştir. * (6) T Şekil : Zaman gecikmeli hibrid enerji üretim iteminin blok diyagramı
EEB 06 Elektrik-Elektronik ve Bilgiayar Sempozyumu, -3 Mayı 06, Tokat TÜRKİYE.4. Enerji Depolama Alt Sitem Modeli Bir itemi, çevreyi kirletmeyen, bakım gerektirmeyen, uzun ömürlü, modüler, yükek verimliliği ve hızlı yük değişimlerinde dinamik performanının iyi olmaından dolayı farklı uygulamalarda batarya itemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Denklem (7) de nin tranfer fonkiyonu verilmiştir. gecikmei nun değişimine göre naıl değişebileceğinin analiz edilmei oldukça zor bir problemdir. Ancak, kararlılık analizi yapabilmek için, bütün köklerin belirlenmei zorunlu değildir. Köklerden hangilerinin zaman gecikmeine göre naıl değişeceğinin belirlenmei kararlılık analizleri açıından yeterli olmaktadır [4]. Hibrid itemin kararlı olabilmei için, karakteritik denkleme ait tüm kökler komplek düzlemin ol yarı bölgeinde bulunmalıdır. * (7) T (, ) 0, C () j Hibrid itemin, jeneratör ve yüküne ait birim değer (per unit) cininden birleştirilmiş tranfer fonkiyonu Denklem (8) ile verilmiştir. f D M Şekil deki detaylı blok diyagramından faydalanılarak itemin kararlılık analizinde kullanılan zaman gecikmeli karakteritik denklemi, Denklem (9) ile verilmiştir. (8) (, ) ( ) Q( ) e 0 (9) Kararlı Çalışma Bölgei 0 0 * * j c Kararız Çalışma Bölgei * j c Burada, toplam zaman gecikmeini, () ve Q () ie reel katayılı polinomları ifade etmektedir. Bu polinomlar ve ilgili katayıları, itemin kazanç ve zaman abitleri cininden aşağıda verilmiştir. 6 5 4 3 6 5 4 3 4 3 4 3 () p p p p p Q() q q q q () ve Q () polinom katayıları ie aşağıdaki gibidir. p MT T 6 5 4 3 4 q K T K K T K T 3 q K K T K UC p MT T MT MT DT T UC UC UC p MT MT DT T DT DT M UC UC UC p DT DT D M p D UC q K T K T q K UC UC UC UC (0) 3. Zaman Gecikmeli Sitemlerin Kararlılık Analizi Hibrid itemlerde yük frekan kontrolünün kararlılık analizini yapabilmek için, iteme ait Denklem (9) da verilen karakteritik denklemin köklerinin, zaman gecikmeine bağlı olarak naıl değiştiğinin analiz edilmei gerekmektedir. Ancak, Denklem (9) ile verilen karakteritik denklemde zaman gecikmeinden dolayı ütel terim ( e ) bulunmakta ve bu durum, köklerin belirlenmeini oldukça karmaşık hale getirmektedir. Ütel terimin mevcudiyeti, karakteritik denklemin onuz adet köke ahip olmaına neden olmaktadır. Sonuz adet kökün değeri ve bunların zaman * Şekil 3: Karakteritik denklemin köklerinin zaman gecikmeine göre değişimi Burada, C komplek düzlemin ağ yarı bölgeini götermektedir. Toplam zaman gecikmei nun değişimi ile köklerden bazılarının konumunun değişeceği muhakkaktır. Köklerin, zaman gecikmeine bağlı olarak naıl değişebileceği ve kararlı itemin zaman gecikmei nun değişimine göre naıl kararız olabileceği Şekil 3 de grafikel olarak göterilmiştir. Şekil 3 de görüldüğü üzere itemde herhangi bir zaman gecikmei olmadığında ( 0 ), kökler komplek düzlemin ol yarı bölgeinde bulunmakta ve dolayıı ile hibrid item kararlı olmaktadır. Zaman gecikmei artırıldığında, bir çift komplek kök, ol yarı bölge içeriinde, ağ yarı bölgeye doğru hareket etmeye başlayabilir. Kökler, onlu bir zaman gecikme değerinde ( *) anal ekeni jc noktalarında keerek, komplek düzlemin ağ yarı bölgeine geçebilir. Köklerin, anal ekeni ketiği zaman gecikmei değerinde item ınırda kararlıdır. Dolayıı ile kararlık analizi açıından itemin köklerinin hangi zaman gecikme değerinde anal eken üzerinde olacağının belirlenmei yeterli olmaktadır. Bu zaman gecikme değeri, itemin kararlılığını kaybetmeden dayanabileceği makimum zaman gecikmei olarak tanımlanmakta ve itemin zaman gecikmei açıından kararlılık ınırını temil etmektedir. Verilen item parametre değerleri için, makimum zaman gecikmei ile tanımlanan itemin kararlılık ınırının belirlenmei, item dinamiğinin analizi bakımından oldukça önemli olmaktadır [4].
EEB 06 Elektrik-Elektronik ve Bilgiayar Sempozyumu, -3 Mayı 06, Tokat TÜRKİYE 4. Sonuçlar Bu bölümde, denetleyicinin farklı kazanç değerleri için makimum zaman gecikme değeri Matlab/Simulink programı kullanılarak belirlenmiştir. Şekil de verilen zaman gecikmeli hibrid itemde, T V =.8, T =.5 T UC =0.0 D=0.5 T =0.6 M=0.4 item parametreleri [7] kullanılarak benzetim çalışmaları yapılmıştır. Tablo : K ve K ya göre makimum zaman gecikmelerinin değişimi. * () K 0.05 K 0.05 0. 0. 0.4 0.6 0.8.0 6.408 7.9 3.47.37 0.765 0.53 0.390 tepkiinde meydana gelen alınımların genliği arttığından dolayı kararız hale gelmektedir. Aynı şekilde gecikme değeri, makimum gecikme değerinden daha küçük bir değere ( 0.49 * 0.503 ) azaltıldığında ie itemde meydana gelen alınımlar kıa bir ürede önümlenerek item kararlı hale gelmektedir. Benzer çalışmalar, Şekil 5 den görüldüğü üzere ( K 0.4, K 0.6 ) parametreleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tablo de eçilen kazanç değerlerinde itemin ınırda kararlı olduğu makimum zaman gecikme değeri * 0. 888 olarak belirlenmiştir. Bu zaman gecikme değerinden daha küçük değerlerde itemin kararlı olduğu görülmektedir ( 0.85 * 0.888 ). * 0. 888 gecikme değerinden daha büyük gecikme değerlerinde itemin kararız olduğu görülmektedir ( 0.9 * 0.888 ). 0. 0. 0.4 0.6 0.8 7.38 8.75 3.63.43 0.830 0.575 0.433 7.903 8.595 3.706.49 0.95 0.654 0.503 3.968 4.409.033.6 0.888 0.693 0.566.007 0.983 0.98 0.80 0.70 0.60 0.535 0.645 0.636 0.69 0.580 0.540 0.500 0.463.0 Tablo de K 0. 05. 0 ve K 0. 05. 0 aralıklarında farklı denetleyici kazanç değerleri için makimum zaman gecikme değerleri verilmiştir. Sonuçlardan görüldüğü üzere, K değeri abit tutulup K değeri artırıldığında, değeri azalmaktadır. Makimum zaman gecikmei azaldığından, kazancının artmaı item kararlılığını olumuz etkilemektedir. Benzer biçimde, K kazanç değeri abit iken ve K 0. 05 0. aralığı için, K arttıkça makimum zaman gecikmei artmaktadır. Sonuç olarak, bu aralıkta K nin artmaı itemi daha kararlı hale getirmektedir. Ancak, K 04. için, K deki artış, makimum zaman gecikme değerinde azalmaya ebep olmaktadır. K nin benzer etkii, zaman gecikmeli jeneratör uyartım kontrol iteminde [9] ve zaman gecikmeli yük frekan kontrol itemlerinde [5, 6] gözlenmiştir. Tablo den ( K 0., K ) ve ( K 0.4, K 0.6 ) denetleyici parametreleri için belirlenen makimum zaman gecikmelerinden daha büyük ve daha küçük değerler eçilmiş ve itemin frekanında meydana gelen değişimler incelenmiştir. Şekil 4 den görüldüğü üzere, ( K 0., K ) için makimum zaman gecikmei * 0. 503 olarak 0.485 0.48 0.47 0.454 0.434 0.45 0.395 belirlenmiştir. * 0. 503 değerinde item tepkiinde önümlenmeyen alınımlar mevcut olup, item ınırda kararlı olmaktadır. Zaman gecikmei daha büyük bir değere arttırıldığında ( 0.5 * 0.503 ), itemin K Şekil 4: K 0,, K için farklı zaman gecikmelerinde frekan değişimi Şekil 5: K 0,4, K 0,6 için farklı zaman gecikmelerinde frekan değişimi 5. Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada haberleşme ve veri tranferinden kaynaklanan zaman gecikmeinin hibrid bir itemin frekan apmaına etkii araştırılmıştır. Bu amaçla, itemin ınırda kararlı olacağı makimum zaman gecikme değerleri denetleyici kazançlarının farklı değerleri için benzetim çalışmalarıyla belirlenmiştir. Benzetim onuçları, zaman gecikmeinin item dinamiğini olumuz etkilediği ve hatta kritik değerleri aştığında kararızlığa ebep olduğunu ortaya koymuştur. Bu 3
EEB 06 Elektrik-Elektronik ve Bilgiayar Sempozyumu, -3 Mayı 06, Tokat TÜRKİYE nedenle, denetleyici taarım ve kazanç değerlerinin eçiminde zaman gecikmeleri mutlaka dikkate alınmalıdır. 6. Kaynaklar [] Kundur,., ower Sytem Stability and Control, McGraw-Hill nc., New York, 994. [] Wang, C., Modeling and control of hybrid wind/photovoltaic/fuel cell ditributed generation ytem, a diertation ubmitted in partial fulfillment of the requirement for the degree of doctor of philoophy in engineering, Montreal Univerity, 006. [3] Sedghiigarchi, K., Solid oxide fuel cell a a ditributed generator: dynamic modeling, Stability analyi and control, a diertation ubmitted in partial fulfillment of the requirement for the degree of doctor of philoophy in engineering, Wet Virginia Univerity, 004 [4] Khan, M.J., qbal, M.T., Dynamic modeling and imulation of a mall wind-fuel cell hybrid energy ytem, J Renewable Energy, Vol. 30, pp. 4-439, 005. [5] Onar, O.C., Uzunoglu, M., Alam, M.S., Modeling, control and imulation of a V/ /UC baed hybrid power generation ytem for tand-alone application, J Renewable Energy, Vol. 34, pp. 509-50, 009 [6] Onar, O.C., Uzunoglu, M., Alam, M.S., Dynamic modeling, deign and imulation of a wind/ fuel cell/ ultra capacitor-baed hybrid power generation ytem, J ower Source, Vol. 6, pp. 707-7, 006. [7] Ke, J., Xinbo, R., Mengxiong, Yang., Min, Xu., ower management for fuelcell power ytem cold tart, EEE Tran ower Electronic, Vol. 4, pp. 39-395, 009. [8] Naduvathuparambil, B., Valenti, M. C., and Feliachi, A., Communication delay in wide area meaurement ytem, in roc. 00 Southeatern Sympoium on Sytem Theory, 00, pp. 8-. [9] Yu, X. and Tomovic, K., Application of linear matrix inequalitie for load frequency control with communication delay, EEE Tranaction on ower Sytem, vol. 9, pp. 508-55, 004. [0] Bhowmik, S., Tomovic, K. and Boe, A., Communication model for third party load frequency control, EEE Tranaction on ower Sytem, vol. 9, pp. 543-548, 004. [] Bevrani, H. and Hiyama, T., On load-frequency regulation with time delay: deign and real-time implementation, EEE Tran. Energy Conver., vol. 4, pp. 9 300, 009. [] Liu, M., Yang, L., Gan, D., Wang, D., Gao, F. and Chen, Y., The tability of AGC ytem with commenurate delay, European Tranaction on Electrical ower 007, vol. 7, pp.65-67, 007. [3] Jiang, L., Yao, W., Wen, J. Y., Cheng, S. J. and Wu, Q. H., Delay-dependent tability for load frequency control with contant and time varying delay, EEE Tran. on ower Sytem, vol. 7, pp. 93-94, 0. [4] Ayaun, S., Computation of time delay margin for power ytem mall-ignal tability, European Tranaction on Electrical ower, Vol. 9, pp. 949-968, 009. [5] Sönmez, Ş., Ayaun, S. and Eminoğlu, U., Computation of Time Delay Margin for Stability of a Single-Area Frequency Control Sytem with Communication Delay, WSEAS Tranaction on ower Sytem, Vol.9, pp. 67-76, 04. [6] Sönmez, Ş., Ayaun, S. and Nwankpa, C.O., "An Exact Method for Computing Delay Margin for Stability of Frequency Control Sytem with Contant Communication Delay," EEE Tran. ower Syt., Vol. 3, pp. 370-377, 06. [7] Nayeripour, M., Hoeintabar, M. and Niknam, T., Frequency deviation control by coordination control of and double-layer capacitor in an autonomou hybrid renewable energy power generation ytem, Renewable Energy, Vol. 36, pp. 74-746, 0. [8] SMULNK, Model-Baed and Sytem-Baed Deign, Uing Simulink, MathWork nc., Natick, MA, 000. [9] Ayaun, S. and Gelen, A., Stability analyi of a generator excitation control ytem with time delay, Electrical Engineering, vol. 9, pp. 347-355, 00. 4