DÜŞÜK GÜÇLÜ RÜZGAR TÜRBİNLERİ İÇİN MAKSİMUM GÜÇ NOKTASINI İZLEYEN BİR AKÜ ŞARJ SİSTEMİ ABSTRACT Şürü Ertie 1, Deniz Yıldırım 2, Efe Turhan 3, Taha Taner İnal 4 İstanbul Teni Üniversitesi, Eletri Mühendisliği Bölümü, 34469, Masla, İstanbul. 1 ertie@itu.edu.tr, 2 deniz@ieee.org 3 efeturhan@gmail.com, 4 tahataner@gmail.com In this study, a small wind turbine-generator system with an energy maximizer converter for battery charging will be presented. The modeling of the wind turbine depends on the test data of the system which include the following relations: the power coefficient C p, versus tip speed ratio TSR, the wind speed versus the generator output power and the shaft speed versus the generator output power. The maximum power point tracing (MPPT) strategy depends on that model and does not use a mechanical speed sensor. This paper describes how to constitute a model and design an MPPT controller without a speed sensor for a small wind turbine system. Simulation results show that a reasonable turbine model can be obtained from the test data and the proposed MPPT strategy can yield a satisfactory performance without a mechanical speed sensor. Anahtar sözcüler: Düşü Güçlü Rüzgar Türbinleri, Masimum Güç Notası Taibi, Rüzgar Enerjisi. 1. GİRİŞ Düşü güçlü rüzgar enerjisi sistemleri, düşü maliyetleri nedeniyle şehir merezinden uzatai yerleşim yerlerinde evlerin, üçü işletmelerin ve eletri şebeesinden uzatai haberleşme sistemlerinin eletri enerjisi ihtiyacının arşılanmasında önemli bir alternatif olmatadırlar. Bu sistemlerin temel bileşenleri, üçü güçlü rüzgar türbinleri, generatörler ve generatör-yü arasında ullanılan güç eletroniği devreleridir. Her bir bileşenin düşü maliyetli, yüse güvenilirlili ve yüse verimli olaca şeilde tasarlanmasına yöneli araştırmalar süreli devam etmetedir. Sistem maliyetini artırmadan toplam verimi yüseltmenin en estirme yollarından biri, güç eletroniği devrelerinin hız algılayıcısı ullanmadan türbini masimum güç notalarında çalıştıraca şeilde denetlenmeleridir. Türbin arateristiğinin bilindiği ve bilinmediği durumlar için çeşitli masimum güç notasını izleme yöntemleri geliştirilmiştir. Hız algılayıcısı geretiren anemometre metodu, algılayıcısız olan hesaplama metodu ve bulanı mantı gibi yoğun hesaplamalı masimum güç notasını taip eden algoritmalara örneler [1], [2] ve [3] numaralı çalışmalarda verilmiştir. Bu çalışmada üniversite öğrencilerini düşü güçlü rüzgar enerjisi sistemleriyle ilgili araştırmaya teşvi etme ve bu onuya yeni atılar oluşturma amacıyla The 29 International Future Energy Challange (IFEC) [4] isimli bir uluslararası yarışma organizasyonu apsamında Low Cost Wind Turbine Energy Maximizer (Düşü maliyetli, rüzgar türbininden masimum enerji alıcısı) onulu bir yarışma IEEE Power Electronics Society ve Power Sources Manufacturers Association desteğiyle düzenlenmetedir. İstanbul Teni Üniversitesi, bu yarışmaya ITU PowerBee [5] isimli bir öğrenci eibiyle atılmatadır. Yarışma apsamında, geniş bir devir sayısı aralığında rüzgar türbinini masimum güç notasında çalıştırara 12V lu bir aüyü gereli oruma düzenelerini de içerece şeilde şarj edece bir güç eletroniği devresi tasarlanması geremetedir. Bu çalışmada, söz onusu yarışma için yapılan çalışmaların bir ısmını teşil eden, rüzgar türbini modellemesi ve düşü güçlü rüzgar türbinlerinin geniş bir hız aralığında hız algılayıcısı olmasızın masimum güç notasında çalışmasını sağlama için önerilen yöntem verilere, benzetim sonuçları sunulacatır.
Şeil 1 farlı rüzgar hızlarında rüzgar türbini güç eğrilerini devir sayısının bir fonsiyonu olara göstermetedir. Buradan görülebileceği gibi rüzgar türbini çıış gücü verilen bir rüzgar hızı için te bir devir sayısında masimuma ulaşmatadır. Rüzgar türbinleri, türbin rotor hızının rüzgar hızıyla değişmesine olana verere farlı rüzgar hızlarındai masimum gücü elde edece şeilde ontrol edilmetedir. güç masimum güç eğrisi v 1 v 2 ω 1 ω 2 ω n v 1 <v 2 <...<v n v n hız Şeil 1. Farlı rüzgar hızlarında türbin güç eğrileri. 2. SİSTEMİN TANITIMI Şeil 2 de düşü güçlü bir rüzgar enerjisi sistemi ana bileşenleriyle görülmetedir. Bu sistemde, üç fazlı bir alıcı mınatıslı senron generatör (KMSG) rüzgar türbinine doğrudan bağlanmıştır. Generatör çıışındai alternatif gerilim, üç fazlı ontrolsüz bir doğrultucu ve C d ondansatörü ile doğru gerilime çevrilmetedir. Rüzgar hızının aşırı yüse olduğu değişen hızlı rüzgar türbini üç fazlı alıcı mınatıslı senron generatör n m V gen V f dönüştürücü ve devir hesabı hız güç tablosu P ref - P o C D ompanzatör G cp (s) durumlarda, gere türbini aşırı hızlardan oruma gere doğrultucu çıışındai gerilimin aşırı yüselmesini önleme için C d ondansatörüne paralel olara bir frenleme direnci, R B, M B MOSFET i üzerinden bağlanmıştır. Aü ise bir alçaltıcı tip doğru aım çeviricisi (ADAÇ) üzerinden doldurulmatadır. ADAÇ, türbinin geniş bir hız aralığında masimum güç notasında çalışmasını sağlayaca ve aüyü güvenli bir şeilde dolduraca şeilde denetlenmetedir. 3. TÜRBİN MODELİ Bu bölümde, masimum güç notası taip (MGNT) sisteminin tasarlanacağı rüzgar türbinin, test verilerine dayalı olara modellenmesi açılanacatır. v (m/sn) hızı ile hareet eden, ρ (g/m 3 ) yoğunluğundai hava ütlesinin A (m 2 ) esit alanına sahip bir türbine atardığı güç, (1) bağıntısı ile verilmetedir, [6]. 1 3 PT = Cp ρ Av (1) 2 Burada C p güç atsayısı olara tanımlanıp, (2) ile verilen rotor uç hızının rüzgar hızına oranına (TSR), λ, ve türbin anat açısına bağlıdır, u ωr λ = = (2) v v bu eşitlite R (m) rotor yarıçapı, ω (rad/s) anat ucu açısal hızı ve u (m/s) anat ucu hızını göstermetedir. Türbin rotorunda oluşan moment ise (3) bağıntısı ile tanımlanır. güç hesabı V o I o frenleme R B M B sürücü devresi D(t) Şeil 2. Düşü güçlü bir rüzgar enerjisi sistemi. DT s T s - V ref M g V o D g L f C f darbe genişli modülasyonu G cv (s) ompanzatör aü
P 1 3 2 T T T = = CΓ ρπ R v (3) ω 2 Burada moment atsayısı, C Cp / λ tanımlanır. Γ = olara Güç atsayısına ilişin esin bir bağıntı olmaması nedeniyle, benzetim uygulamalarında C p ve dolayısıyla C Г atsayılarına birer polinom fonsiyonuyla yalaşılır [6], [7]. p n = 1 C = a a λ (4) C Γ n 1 = a λ (5) = 1 Bu çalışmada ullanılan rüzgar türbinine ilişin güç atsayısı ve TSR arasındai ilişi, IFEC ofisi tarafından sağlanan ölçüm sonuçlarına dayanmatadır, [8]. Şeil 3 de, söz onusu türbine ait C p TSR ölçüm değerleri ve bu değerlere uydurulan eğri görülmetedir, C Г TSR arasındai ilişi ise Şeil 4 te verilmetedir. Rüzgar türbini için PSIM programında [9] oluşturulan benzetim modeli Şeil 5 te gösterilmiştir. Modelde, C p değerleri, Şeil 3 dei eğri aracılıyla oluşturulan bir tablo ile elde edilmetedir. Tablonun girişi ilgili hızdai TSR değeri, çıışı ise güç atsayısı C p dir. Modelden benzetim sonucunda farlı rüzgar hızları için elde edilen, türbin rotorunda oluşan meani güç P m ile rotor hızı ve moment T m ile rotor hızı arasındai ilişi sırasıyla Şeil 6 ve 7 de verilmiştir. Cp Ct (tor atsayisi).25.2.15.1.5.6.5.4.3.2.1 Şeil 5. Rüzgar türbininin benzetim modeli 1 2 3 4 5 6 7 TSR Şeil 3. Modellenece rüzgar türbinine ait C p TSR eğrisi. 1 2 3 4 5 6 7 TSR Şeil 4. Modellenece rüzgar türbinine ait C Г TSR eğrisi.
turbin gucu (Watt) 8 6 4 2 u=5m/s u=12m/s u=1m/s u=8m/s 1 2 3 4 5 6 7 rotor hizi (devir/da) Şeil 6. Türbin rotorundai meani gücün farlı rüzgar hızları için rotor hızı ile değişimi turbin momenti (Nm) 2 15 1 5 u=8m/s u=5m/s u=12m/s u=1m/s 1 2 3 4 5 6 7 rotor hizi (devir/da) Şeil 7. Türbin rotorundai momentin farlı rüzgar hızları için rotor hızı ile değişimi Şeil 3, 4, 6 ve 7 den görüldüğü üzere, C p TSR ölçüm değerlerinden hareetle oluşturulan C p TSR eğrilerine dayanan modellerde, ilgili eğriler birden fazla loal masimum notalarına sahiptir. 4. MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI TAKİBİ YÖNTEMİ (MGNT) Bu çalışmada önerilen MGNT yöntemi, türbin için verilen C p TSR ölçüm verilerine dayanmatadır. IFEC ofisi tarafından sağlanan test verilerine göre, [8], Şeil 6 dan hareetle türbinin çalıştığı masimum güç notaları ve bu notalara arşılı düşen rotor hızları belirlenebilir. Bu yalaşımla oluşturulaca rotor hızımasimum türbin gücü tablosu yardımıyla, ölçülen rotor hızına göre bir masimum güç referans değeri, P ref, elde edilebilir. Kutup sayısı bilinen generatörün eletrisel freansının ölçülmesiyle, rotor hızı olaylıla hesaplanabilir. Böylece, sadece eletrisel büyülülerin ölçülmesiyle oluşturulan bir MGNT yöntemi elde edilebilir. Şeil 2 de alçaltıcı tip doğru aım çeviricisinin denetim sistemine ilişin blo diyagram görülmetedir. ADAÇ ın çalışma oranının değiştirilmesiyle türbinin masimum güç notasında çalıştırılması hedeflenmetedir. ADAÇ ın denetim sisteminde, güç ve gerilim olma üzere ii çevrim bulunmatadır. ADAÇ çıış gerilimi ve aımı ölçülere aüye atarılan güç, P o, hesaplanmata ve generatörün eletrisel freansı ölçülere, tablo aracılığıyla türbinin çalışması gereen güç referans değeri, P ref, elde edilmetedir. Çıış gücü ve referans güç arasındai far G cp ompanzatöründen geçirilip V ref gerilimiyle toplanara, aü referans gerilim değeri oluşturulmatadır. Bu değer, ölçülen çıış gerilimiyle arşılaştırılmata ve oluşan hata işareti G cv ompanzatöründen geçirilere ontrol gerilimi elde edilmetedir. Darbe genişli modülatörü ile de ADAÇ ın türbini masimum güç notasında yüleyere aüyü şarj etmesi sağlanmatadır. Özetle, ADAÇ ını çıış gerilimini değiştirere (dolaylı olara çıış aımını) aüye atarılan güç ayarlanabilmete ve buna bağlı olara türbin farlı bir güç notasında çalıştırılabilmetedir. PSIM programında ile yapılan benzetimlerde önerilen MGNT yönteminin başarımı incelenmiştir. Şeil 8 de, Şeil 2 de verilen sistemin benzetim ortamında rüzgar hızının basama şelinde değiştirilmesi sonucunda elde edilen arateristi dalga şeilleri verilmiştir. Şeil 8(a) da rüzgar hızı ile birlite değişen referans güç değeri, P ref, ve aüye atarılan güç, P o, birlite görülmetedir ve bu geçici süreçte generatörün bir fazına ilişin aım, i g, ve faz arası gerilim, V ff, dalga şeilleri Şeil 8(b) de gösterilmetedir. Şeil 8(c) ise yine bu süreçte aü gerilimi, V aü, ve aımının, i aü, değişimini göstermetedir. 5. SONUÇLAR Bu çalışmada, düşü güçlü bir rüzgar türbininin modellenmesi ve gerçelenmesinde meani bir algılayıcının ullanılmadığı bir masimum güç notası izleme yöntemi sunulmuştur. Türbin modeli ve MGNT yöntemi, ilgili rüzgar türbinin testlerinden elde edilen C p TSR ölçümlerine dayanmatadır. C p TSR arasındai deneysel ilişi, eğri uydurulara süreli hale getirilmiş ve benzetim sonuçlarından hareetle C p TSR tablosu oluşturulmuştur. Önerilen MGNT yöntemi, olay uygulanabilir ve yüse başarımda çalışabilir olmala birlite, türbin test verilerine dayandığından güvenilirliği de test verilerinin ne adar doğru alındığına bağlıdır. Önerilen MGNT yönteminin sadece belirli bir türbin için en iyi başarımı vereceği aşiardır. Bununla birlite, ilgili C p TSR tablosunun elde edilmesi ve ompanzatör atsayılarının ayarlanmasıyla başa herhangi bir türbin içinde ullanılabilir. Çalışma notalarının, türbinin güç-hız eğrilerinin (bz. Şeil 6) sol tarafında (gücün hızla değişiminin pozitif olduğu bölge) oluşmaması için mevcut yöntem, literatürde verilen tepe tırmanma algoritmalarıyla destelenere güvenilirliği artırılabilir.
(a) (b) (c) Şeil 8. Benzetim sonuçları (a) referans güç ve çıış gücü, (b) generatör faz arası gerilimi ve faz aımı, (c) aü gerilimi ve aımı. KAYNAKLAR [1] Moor, G. D. and Beues, H. J., Maximum Power Point Tracers for Wind Turbines, IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, vol.3, pp. 244 249, June 2-25, 24. [2] Mireci, A., Roboam, X., Richardeau, F., Architecture Complexity and Energy Efficiency of Small Wind Turbines, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, Issue 1, pp. 66 67, Feb. 27. [3] De Broe, A. M., Drouilhet, S., Gevorgian, V., A pea power tracer for small wind turbines in battery charging applications IEEE Transaction on Energy Conversion, vol. 14, Issue 4, pp. 163 1635, Dec. 1999. [4] http://www.energychallenge.org: The 29 International Future Energy Challange internet sitesi. [5] http://www.powerbee.itu.edu.tr: İstanbul Teni Üniversitesi 29 FEC taımı internet sitesi. [6] Z. Lubosny, Wind Turbine Operation in Electric Power Systems, Springer Press, 23. [7] I. Schiemenz, M. Stiebler, Control of a permanent magnet Synchronous Generator Used in a Variable Speed Wind Energy System, Electric Machines and Drives Conference IEMDC 21, 872 877, 21. [8] Freere, P. FEC 89 Measured Wind Turbine Characteristics, Monash University, Australia, August 22, 28. [9] PSIM User s Guide, Powersim Inc., 23