T.C. YILDIZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ RÜZGÂR ENERJĠ SĠSTEMLERĠNDE GÜÇ KONTROL YÖNTEMLERĠ MERTCAN ATALAN YÜKSEK LĠSANS TEZĠ ELEKTRĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI ELEKTRĠK MAKĠNELERĠ VE GÜÇ ELEKTRONĠĞĠ PROGRAMI DANIġMAN DOÇ. DR. ERKAN MEġE ĠSTANBUL, 211
ÖNSÖZ Son yıllarda, CO2 salımı ve küresel ısınmaya karşı duyarlılık her geçen gün armakadır. Bunun sonucu olarak üm dünya ülkeleri, enerji poliikalarını sürdürülebilir ve emiz kaynakların kullanılmasına yönelik revize emekedirler. Son on yıldaki gelişmesinden de anlaşılacağı üzere en büyük alebi rüzgâr enerjisi görmüşür. Gelişen güç elekroniği eknolojisinin avanajlarını da bünyesine kaarak rüzgâr enerjisi, önümüzdeki yıllarda da cazibesini sürdürecekir. Bu çalışma kapsamında, rüzgâr enerjisi sisemlerinde kullanılan güç elekroniği dönüşürücüleri, konrol yönemleri ve üç ayrı sisemin arıza dayanımları incelenmişir. İncelenen sisem, 1,5 MVA nominal gücünde ve şebekeye bağlı bir asarımdır. Başlıca bileşenleri; rüzgâr ürbini, KMSG, AC/DC dönüşürücü, DC bara, DC/AC dönüşürücü, filre endükansı, opsiyonel ransformaör, çeşili sensörler ve koruma ekipmanlarından oluşmakadır. Çalışmalarım boyunca beni yönlendiren ve hiçbir zaman deseğini esirgemeyen ez danışmanım Doç. Dr. Erkan MEŞE ye, yardım ve anlayışları için Arş Gör. Evren İŞEN e eşekkür ederim. Ayrıca çalışmalarım boyunca bana verdikleri desek için Dr. S. Dicle GÖRKEM e, sadık dosumuz Köpük GÖRKEM e, Endüsriyel Enerji San. ve Tic. Ld. Şi. ailesine ve üzerimde büyük emek sahibi olan aileme minne ve şükranlarımı sunarım. Ağusos, 211 Mercan ATALAN
ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa SİMGE LİSTESİ... vii KISALTMA LİSTESİ... viii ŞEKİL LİSTESİ... ix ÇİZELGE LİSTESİ... xii ÖZET... xiii ABSTRACT... xiv BÖLÜM 1 GİRİŞ... 1 BÖLÜM 2 1.1 Rüzgâr Enerjisinin Gelişimi... 1 RÜZGÂR GÜCÜ ANALİTİK MODELİ... 4 BÖLÜM 3 1.2 İdeal Bir Türbinde Rüzgâr Gücü... 4 RÜZGÂR TÜRBİNİ GENERATÖR KONTROLÜNDE TEMEL KAVRAMLAR VE TANIMLAMALAR... 7 3.1 Uzay Vekör Kavramı... 7 3.1.1 Clarke Dönüşümü... 8 3.1.2 Park Dönüşümü... 9 3.2 Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM)... 1 3.3 Hiserezis Akım Konrolü (HAK)... 11 3.4 Uzay Vekör Modülasyonu (UVM)... 12 3.4.1 V α, V β, V ref ve θ değerlerinin belirlenmesi... 16 3.4.2 T 1, T 2, T 3 değerlerinin belirlenmesi... 17 iv
BÖLÜM 4 3.5 Uzay Vekör Modülasyonu ve Darbe Genişlik Modülasyonu Karşılaşırması... 19 3.6 Kalıcı Mıknaıslı Senkron Generaör (KMSG)... 19 3.6.1 Dahili Manyeikli KMSG... 2 3.6.2 Yüzey Monajlı KMSG... 2 3.6.3 Maemaiksel Tanımlamalar... 2 3.6.3.1 dq-ekseni Gerilim Eşilikleri... 2 3.6.3.2 dq-ekseni Akı Eşilikleri... 21 3.6.3.3 Momen Eşiliği... 21 3.6.3.4 Güç Eşilikleri... 22 3.6.3.5 Makinenin Genel Hareke Eşiliği... 22 RÜZGÂR TÜRBİNİ GENERATÖRLERİNİN MODERN KONTROLÜ... 23 BÖLÜM 5 4.1 KMSG Konrolü... 23 4.1.1 Alan Yönlendirmeli Konrol... 23 4.2 İnverer(DC-AC Dönüşürücü) Konrol Sraejileri... 26 1,5 MVA GÜCÜNDE BİR RÜZGÂR TÜRBİNİNİN ELEKTRİKSEL GÜÇ KATI TASARIMI... 3 BÖLÜM 6 5.1 Giriş... 3 5.2 Sisem Tanımı ve Ana Bileşenler... 3 5.3 Tasarım Yaklaşımı... 31 5.4 Dönüşürücü Topolojisinde Göz Önüne Alınması Gerekenler... 31 5.5 Şebeke ve Generaör Gerilim Seviyeleri... 32 5.6 Güç Konrolünde Göz Önünde Bulundurulması Gerekenler... 33 5.7 Tasarım Opimizasyon Süreci... 34 5.7.1 Adım 1... 34 5.7.2 Adım 2... 34 5.7.3 Adım 3... 34 5.7.4 Adım 4... 35 5.7.5 Adım 5... 35 5.7.6 Adım 6... 35 5.7.7 Adım 7... 35 5.8 Simülasyon Sonuçları... 35 5.8.1 Sisem 1... 36 5.8.2 Sisem 2... 46 5.8.3 Sisem 3... 55 5.8.4 Sisemlerin THD Karşılaşırmaları... 65 5.8.5 Sisemlerin Kısa Devre Duyarlılıkları... 71 5.8.6 Güç Elekroniği Elemanlarının Seçimi... 77 5.8.7 Maliye Hesabı... 8 SONUÇ VE ÖNERİLER... 81 KAYNAKLAR... 83 v
EK-A MATLAB/SIMULINK MODELLERİ... 85 A-1 Genel Sisem Modeli... 85 A-2 Doğrulucu HAK Bloğu... 86 A-3 İnverer HAK Bloğu... 87 A-4 İnverer UVM Bloğu... 88 A-5 İnverer UVM Konrol Bloğu... 89 A-6 İnverer UVM Modülasyon Bloğu... 9 ÖZGEÇMİŞ... 91 vi
SĠMGE LĠSTESĠ A B i a i b i c J L d L q m P Q x x d v ρ T e T L T d ξ Rüzgâr pakei kesi alanı Viskoz sürünmesi A fazı anlık saor akımı B fazı anlık saor akımı C fazı anlık saor akımı Aale momeni d-ekseni endükansı q-ekseni endükansı Rüzgâr külesi Akif güç Reakif güç Rüzgar doğrulusu Endükans Rüzgar hızı Hava yoğunluğu Elekro manyeik momen Yük momeni Sürünme momeni Çıkıklık oranı vii
KISALTMA LĠSTESĠ AC Alernaing Curren DC Direc Curren GSO Güç Sisemi Operaörleri HAK Hiserisiz Akım Konrolü KMSG Kalıcı Mıknaıslı Senkron Generaör PWM Pulse Widh Modulaion UVM Uzay Vekör Modülasyonu THD Toal Harmonic Disorion viii
ix ġekġl LĠSTESĠ Sayfa Şekil 1.1 Dünyada oplam kurulu rüzgâr gücü World Wind Energy Associaion 29 Raporu... 1 Şekil 1.2 Değişik rüzgâr hızlarında değişken hızlı ve sabi hızlı rüzgâr ürbinlerinin çalışma nokaları.... 2 Şekil 1.3 2 MW değişken hızlı rüzgar ürbininin maliye dağılımı Bernsein Research, 27... 3 Şekil 2.1 v hızı ile hareke eden rüzgar pakei.... 4 Şekil 2.2 Rüzgar ürbininden geçen havanın oluşurduğu kanal... 5 Şekil 3.1 abc ekseninde saor uzay vekörü ve bileşenleri... 7 Şekil 3.2 αβ ekseninde saor uzay vekörü ve bileşenleri... 8 Şekil 3.3 αβ ve dq ekseninde saor akım vekörü ve bileşenleri... 9 Şekil 3.4 Tek fazlı inverer... 1 Şekil 3.5 Temel PWM uygulaması... 1 Şekil 3.6 HAK yöneminde PWM sinyali... 11 Şekil 3.7 Üç fazlı inverer opolojisi... 12 Şekil 3.8 Gerilim uzay vekörleri... 14 Şekil 3.9 abc ve αβ eksenlerinde gerilim uzay vekörleri... 15 Şekil 3.1 Uzay vekörleri... 16 Şekil 3.11 1. sekörde referans vekörün komşu vekörler cinsinden göserimi... 18 Şekil 3.1 PWM ve UVM eknikleri karşılaşırması... 19 Şekil 4.1 Genel sisem diyagramı... 26 Şekil 4.2 UVM ekniğinde konrol döngüleri... 27 Şekil 4.3 HAK ekniğinde konrol döngüleri... 28 Şekil 5.1 Genel sisem diyagramı... 31 Şekil 5.2 Sisem 1 UVM konrollü invererde V α referans vekörü... 36 Şekil 5.3 Sisem 1 UVM konrollü invererde V β referans vekörü... 37 Şekil 5.4 Sisem 1 UVM konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni... 37 Şekil 5.5 Sisem 1 UVM konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni... 38 Şekil 5.6 Sisem 1 UVM konrollü invererde şebeke akımı ve gerilimi... 38 Şekil 5.7 Sisem 1 UVM konrollü invererde akif güç... 39 Şekil 5.8 Sisem 1 UVM konrollü invererde reakif güç... 39 Şekil 5.9 Sisem 1 HAK konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni... 4 Şekil 5.1 Sisem 1 HAK konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni... 4 Şekil 5.11 Sisem 1 HAK konrollü invererde şebeke akımı ve gerilimi... 41 Şekil 5.12 Sisem 1 HAK konrollü invererde akif güç... 41
Şekil 5.13 Sisem 1 HAK konrollü invererde reakif güç... 42 Şekil 5.14 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı momen bileşeni... 42 Şekil 5.15 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı akı bileşeni... 43 Şekil 5.16 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG 3 faz saor akımları... 43 Şekil 5.17 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG elekro manyeik momen.. 44 Şekil 5.18 Sisem 1 DC bara gerilimi... 44 Şekil 5.19 Sisem 1 DC bara ripple akımı... 45 Şekil 5.2 Sisem 2 UVM konrollü invererde V α referans vekörü... 46 Şekil 5.21 Sisem 2 UVM konrollü invererde V β referans vekörü... 47 Şekil 5.22 Sisem 2 UVM konrollü invererde şebeke akım ve gerilimi... 47 Şekil 5.23 Sisem 2 UVM konrollü invererde akif güç... 48 Şekil 5.24 Sisem 2 UVM konrollü invererde reakif güç... 48 Şekil 5.25 Sisem 2 UVM konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni... 49 Şekil 5.26 Sisem 2 UVM konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni... 49 Şekil 5.27 Sisem 2 HAK konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni... 5 Şekil 5.28 Sisem 2 HAK konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni... 5 Şekil 5.29 Sisem 2 HAK konrollü invererde şebeke akım ve gerilimi... 51 Şekil 5.3 Sisem 2 HAK konrollü invererde akif güç... 51 Şekil 5.31 Sisem 2 HAK konrollü invererde reakif güç... 52 Şekil 5.32 Sisem 2 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı momen bileşeni... 52 Şekil 5.33 Sisem 2 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı akı bileşeni... 53 Şekil 5.34 Sisem 2 HAK konrollü doğrulucuda KMSG 3 faz saor akımları... 53 Şekil 5.35 Sisem 2 HAK konrollü doğrulucuda KMSG elekro manyeik momen.. 54 Şekil 5.36 Sisem 2 DC bara gerilimi... 54 Şekil 5.37 Sisem 2 DC bara ripple akımı... 55 Şekil 5.38 Sisem 3 UVM konrollü invererde V α referans vekörü... 55 Şekil 5.39 Sisem 3 UVM konrollü invererde V β referans vekörü... 56 Şekil 5.4 Sisem 3 UVM konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni... 56 Şekil 5.41 Sisem 3 UVM konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni... 57 Şekil 5.42 Sisem 3 UVM konrollü invererde şebeke akımı ve gerilimi... 57 Şekil 5.43 Sisem 3 UVM konrollü invererde akif güç... 58 Şekil 5.44 Sisem 3 UVM konrollü invererde reakif güç... 58 Şekil 5.45 Sisem 3 HAK konrollü invererde şebek akımı akif bileşeni... 59 Şekil 5.46 Sisem 3 HAK konrollü invererde şebek akımı reakif bileşeni... 59 Şekil 5.47 Sisem 3 HAK konrollü invererde şebek akımı ve gerilimi... 6 Şekil 5.48 Sisem 3 HAK konrollü invererde akif güç... 6 Şekil 5.49 Sisem 3 HAK konrollü invererde reakif güç... 61 Şekil 5.5 Sisem 3 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı momen bileşeni... 61 Şekil 5.51 Sisem 3 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı akı bileşeni... 62 Şekil 5.52 Sisem 3 HAK konrollü doğrulucuda KMSG 3 faz saor akımları... 62 Şekil 5.53 Sisem 3 HAK konrollü doğrulucuda KMSG elekro manyeik momeni 63 Şekil 5.54 Sisem 3 DC bara gerilimi... 63 Şekil 5.55 Sisem 3 DC bara ripple akımı... 64 Şekil 5.56 Sisem 1 UVM konrollü inverer çıkış akımı ve THD sonucu... 65 Şekil 5.57 Sisem 1 HAK konrollü inverer çıkış akımı ve THD sonucu... 66 Şekil 5.58 Sisem 2 UVM konrollü inverer çıkış akımı ve THD sonucu... 67 x
Şekil 5.59 Sisem 2 HAK konrollü inverer çıkış akımı ve THD sonucu... 68 Şekil 5.6 Sisem 3 UVM konrollü inverer çıkış akımı ve THD sonucu... 69 Şekil 5.61 Sisem 3 HAK konrollü inverer çıkış akımı ve THD sonucu... 7 Şekil 5.62 Sisem 1 in 3 faz kısa devre arızası akif güç cevabı... 71 Şekil 5.63 Sisem 1 in 3 faz kısa devre arızası reakif güç cevabı... 72 Şekil 5.64 Sisem 1 in 3 faz kısa devre arızası KMSG elekro manyeik momen cevabı... 72 Şekil 5.65 Sisem 1 in 3 faz kısa devre arızası DC bara cevabı... 73 Şekil 5.66 Sisem 2 nin 3 faz kısa devre arızası akif güç cevabı... 73 Şekil 5.67 Sisem 2 nin 3 faz kısa devre arızası reakif güç cevabı... 74 Şekil 5.68 Sisem 2 nin 3 faz kısa devre arızası KMSG elekro manyeik momen cevabı... 74 Şekil 5.69 Sisem 2 nin 3 faz kısa devre arızası DC bara cevabı... 75 Şekil 5.7 Sisem 3 ün 3 faz kısa devre arızası akif güç cevabı... 75 Şekil 5.71 Sisem 3 ün 3 faz kısa devre arızası reakif güç cevabı... 76 Şekil 5.72 Sisem 3 ün 3 faz kısa devre arızası KMSG elekro manyeik momen cevabı... 76 Şekil 5.73 Sisem 3 ün 3 faz kısa devre arızası DC bara cevabı... 77 xi
ÇĠZELGE LĠSTESĠ Sayfa Çizelge 5. 1 Şebeke arafındaki güç elekroniği dönüşürücüsü... 78 Çizelge 5. 2 Generaör arafındaki güç elekroniği dönüşürücüsü... 78 Çizelge 5. 3 DC bara... 79 Çizelge 5. 4 Endükans değerleri... 79 Çizelge 5. 5 Maliye Tablosu... 8 xii
ÖZET RÜZGÂR ENERJĠ SĠSTEMLERĠNDE GÜÇ KONTROL YÖNTEMLERĠ Mercan ATALAN Elekrik Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi Tez Danışmanı: Doç. Dr. Erkan MEŞE Son yıllarda, CO2 salımı ve küresel ısınmaya karşı duyarlılık her geçen gün armakadır. Bunun sonucu olarak üm dünya ülkeleri, enerji poliikalarını sürdürülebilir ve emiz kaynakların kullanılmasına yönelik revize emekedirler. Son on yıldaki gelişmesinden de anlaşılacağı üzere en büyük alebi rüzgâr enerjisi görmüşür. Gelişen güç elekroniği eknolojisinin avanajlarını da bünyesine kaarak rüzgâr enerjisi, önümüzdeki yıllarda da cazibesini sürdürecekir. Bu çalışma kapsamında, rüzgâr enerjisi sisemlerinde kullanılan güç elekroniği dönüşürücüleri ve konrol yönemleri incelenmişir. Sisem, 1,5 MVA nominal gücünde ve şebekeye bağlı bir asarımdır. Başlıca bileşenleri; rüzgâr ürbini, KMSG, AC/DC dönüşürücü, DC bara, DC/AC dönüşürücü, filre endükansı, opsiyonel ransformaör, çeşili sensörler ve koruma ekipmanlarından oluşmakadır. Tüm sisem Malab/SIMULINK oramında modellenmişir. Simülasyonlar, 48V, 6V ve 24V fazlar arası gerilim değerleri için üç farklı opolojide asarlanmışır. Sisem boyularına simülasyonlar sonucunda karar verilmiş ve değişik opolojilerin davranışları karşılaşırılmışır. Anahar Kelimeler: rüzgâr enerjisi, KMSG, güç elekroniği, uzay vekör modülasyonu, hiserisiz akım konrolü YILDIZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ xiii
ABSTRACT POWER CONTROL TECHNIQUES OF THE WIND ENERGY CONVERSION SYSTEMS Mercan ATALAN Deparmen of Elecrical Engineering MSc. Thesis Advisor: Assoc. Prof. Dr. Erkan MEŞE In he las decade, by geing more sensiive o CO 2 emission and global warming, all he developed and developing counries around he world are revising heir energy policies by making room for susainable and clean energy sources in i. Wih he increasing rend of wind energy, i can be easily seen ha he mos preferred clean energy source is wind. Furhermore, i is quie obvious ha wind energy will mainain is vanage by incorporaing power elecronics echnologies. In an effor o give an insigh abou he process wih some criical seps and relaed ieraions, his sudy aims o presen he consideraions ha should be aken ino accoun in he design of a 1.5 MVA wind power generaion plan and is uiliy inerface. The sysem consiss of wind urbine, surface mouned permanen magne synchronous generaor(pmsg), AC/DC converer, DC link, DC/AC converer, ransformer, inducor, various sensors and proecion equipmens. Enire sysem is implemened in Malab/SIMULINK. Three opions for uiliy volage level are specified a he beginning of he invesigaion and hese are 48V, 6V and 24V line o line volages. These levels dicae he volage levels for he res of he sysem. Comparisons are made o observe he impac of grid volage level on he sysem cos and performance. xiv
Key words: Wind energy, PMSG, power elecronics, space vecor modulaion, hyseresis curren conrol YILDIZ TECHNICAL UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE xv
BÖLÜM 1 GĠRĠġ 1.1 Rüzgâr Enerjisinin GeliĢimi Günümüzde, CO 2 emisyonu ve küresel ısınmaya olan kakıları konusunda aran bilinçlenme emiz ve sürdürülebilir enerji alanında ciddi bir alep oluşurmakadır. Bu enerji alanlarına rüzgâr, deniz, güneş ve bioküle örnekleri verilebilir. Rüzgâr enerjisi ise en büyük genişlemeyi son on yıl içerisinde gösermişir. Bunun en önemli nedenleri ise çevreyi kirlememesi, sıfır CO 2 emisyonu ile çalışması ve sekördeki rekabein oluşurduğu düşük maliyeler olarak sayılabilir. (Şekil 1.1) de, 21 ve 29 yılları arasındaki 134.891 MW lık kurulu güç arışı ve 21 beklenisi görülmekedir. Şekil 1.1 Dünyada oplam kurulu rüzgâr gücü World Wind Energy Associaion 29 Raporu 1
Bu gelişme ile birlike rüzgâr ürbinlerinin boyuları da armışır. 199 yıllarında 3 KW olan ürbin kapasiesi günümüzde 5 MW kapasiesine kadar çıkmışır. Bu nokada en büyük güçlük rüzgâr hızının raslanısal olması ve bundan maksimum enerjinin nasıl elde edileceğidir. Rüzgâr ürbinlerinde generaör nokasında, sabi ve değişken hızlı olmak üzere iki çalışma şekli vardır. Rüzgâr enerji sisemlerinin önceki dönemlerinde yaygın bir şekilde asenkron generaörler kullanılarak sabi hızlı sisemler uygulanıyordu. Sabi hızlı sisemlerin bazı dezavanajları, düşük verimlilik, düşük güç kaliesi, yüksek mekanik sres ve en önemlisi maksimum güç üreiminin sadece sabi bir rüzgâr hızında gerçekleşirebiliyor olması sayılabilir. Son yıllarda güç elekroniği eknolojisinin gelişmesi ve buna bağlı olarak maliyelerin azalması ile değişken hızlı rüzgâr ürbinleri cazip bir hal almışır. Rüzgâr ürbinleri değişken frekans konrolü sayesinde düşük ve ora seviyedeki rüzgâr hızlarında maksimum güç elde eme yeeneği kazanmışır. (Şekil 1.2) de görüldüğü gibi yüksek rüzgâr hızlarında roor gücü sınırlanmalıdır. Şekil 1.2 Değişik rüzgâr hızlarında değişken hızlı ve sabi hızlı rüzgâr ürbinlerinin çalışma nokaları. Geçmişe kullanılan değişken hızlı ürbin sisemlerinde genellikle kısmi ölçekli dönüşürücü opolojisi ile konrol edilen çif beslemeli asenkron generaörler kullanılmakadır. Ancak günümüzde am ölçekli dönüşürücü konrollü kalıcı mıknaıslı senkron generaör (KMSG) kullanımı pazar payını oldukça arırmışır. Asenkron generaör ile karşılaşırıldığında KMSG daha verimli, boyu olarak daha küçük ve 2
konrol edilmesi daha kolaydır. Bunların ışığında KMSG opolojili rüzgâr ürbinleri diğer değişken hızlı muadillerine göre daha verimlidirler. Ancak KMSG, kalıcı mıknaısların yüksek maliyei ve her çalışma koşulunda sabi uyarmaya sahip olması gibi dezavanajları bünyesinde bulundurmakadır [1]. KMSG değişken hızlarda çalışabilmekedir, bu nedenle maksimum güç, KMSG kullanan bir rüzgâr ürbini siseminde rahalıkla elde edilebilir. Genellikle, rüzgâr ürbinlerinde kullanılan generaörler yüksek hızlarda çalışmakadır ve bu nedenle rüzgâr ürbininin şafındaki hız bir dişli kuusu ile yükselilerek generaörün nominal hızına yaklaşırılır. Ancak, çok kuuplu KMSG ve am ölçekli dönüşürücü opolojisi ile asarım edilen rüzgâr ürbinleri düşük hızlarda çalışabilmeke ve dişli kuusunu gereksiz kılmakadır. Doğrudan ahrik uygulamalar çoğunlukla ercih edilmekedir. Bunun en önemli sebepleri, oplam boyuaki azalma, düşük kurulum ve bakım maliyei olarak sayılabilir (Şekil 1.3). Türbin pozisyonlama 11% Güç Elekroniği Dönüşürücüsü 5% Trafo 3% Generaor 7% Elekronik konrol devresi 2% Dişli Kuusu 21% Diğer 13% Kule 16% Kanalar 22% Şekil 1.3 2 MW değişken hızlı rüzgâr ürbininin maliye dağılımı Bernsein Research, 27 3
BÖLÜM 2 RÜZGÂR GÜCÜ ANALĠTĠK MODELĠ 1.2 Ġdeal Bir Türbinde Rüzgâr Gücü m küleli, x doğrulusunda v hızı ile esen rüzgâr pakeinin kineik enerjisi (2.1) eşiliği ile hesaplanır ve birimi J dur. Bu eşilike A rüzgâr pakeinin kesi alanı, ρ hava yoğunluğu ve x rüzgâr pakeinin kalınlığıdır. Bu rüzgâr pakei (şekil 2.1) deki gibi anımlanmakadır. y A v z x Şekil 2.1 v hızı ile hareke eden rüzgâr pakei. 4
Rüzgâr pakei x doğrulusunda hareke ederken, pakein arka kısmının orijinde sabi olduğu düşünülerek, x in arışı ile külenin de homojen olarak arığı ve sonuç olarak kineik enerjinin arığı görülmekedir. Rüzgâr gücü, kineik enerjinin zamana bağlı ürevi ile ifade edilir ve birimi W ır. Hareke eden rüzgâr pakeini kesecek şekilde ürbin yerleşirilmesi durumunda rüzgâr hızında, basıncında ve kesi alanındaki değişiklikler şekilde görüldüğü gibidir. (Şekil 2.2) de görüldüğü gibi, am ürbin kanalarında rüzgâr hızı azalmaka, yarıçap armaka ve basınç amosfer basıncının üzerine çıkmakadır. Kanaların arkasında ise basınç amosfer basıncının alına düşmeke ve rüzgâr hızı azalmaya devam emekedir. Rüzgâr hızının azalması ile hava pakeinin sahip olduğu kineik enerji poansiyel enerjiye dönüşmekedir [2]. Opimum şarlar alında rüzgâr gücü ürbine akarılırken (2.3), (2.4), (2.5) ve (2.6) eşilikleri geçerlidir. (1) (2) (3) (4) 1 2 3 1 1 3 1 P P 2 P 1 P 3 Şekil 2.2 Rüzgâr ürbininden geçen havanın oluşurduğu kanal 5
Ulaşılan mekanik güç, rüzgâr giriş ve çıkış güçleri arasındaki farka eşiir. Bu eşilik bize rüzgâr gücünün unun mekanik güce çevrilebileceğini gösermekedir. Ancak burada kafa karışırıcı noka ürbinin kanalarının süpürdüğü alan olan A 2 yerinde A 1 değerinin kullanılmış olmasıdır. Gerçek değeri yerine koyduğumuzda ulaşacağımız eşilik bize gerçek oranı vermekedir. Son eşilike elde edilen oranı Bez kasayısı olarak da anılmakadır. Bu oran, ürbinin aynı nokadaki rüzgâr gücünün maksimum %59,3 ünü mekanik güce çevirebileceğini gösermekedir. Praike bu değer mekanik kayıplar nedeni ile daha da düşmekedir. %35-4 değerleri günümüz şarlarında iyi birer oran olarak kabul edilmekedir. 6
BÖLÜM 3 RÜZGÂR TÜRBĠNĠ GENERATÖR KONTROLÜNDE TEMEL KAVRAMLAR VE TANIMLAMALAR 3.1 Uzay Vekör Kavramı AC moorlar üç faz gerilim, akım ve akı değerlerine kompleks uzay vekör yaklaşımı yapılarak analiz edilebilir. Akımları ele alırsak, uzay vekörler şu şekilde anımlanabilir; i a, i b ve i c anlık saor akımları, ve olmak üzere, kompleks saor akım vekörü (3.1) eşiliğindeki gibi anımlanır. Bu kompleks saor akım vekörü (Şekil 3.1) de üç fazlı bir sisem içerisinde göserilmişir. Bu vekör zamana bağlı üç koordinalı sisemden zamanla değişmeyen iki koordinalı sisemine ransfer edilebilir. Bu dönüşüm iki kademede incelenebilir [3]. b 2 _ α i c αi b i b i a i s θ a i c c Şekil 3.1 abc ekseninde saor uzay vekörü ve bileşenleri 7
3.1.1 Clarke DönüĢümü Üç koordinalı uzay vekör, iki koordinalı orogonal αβ ekseninde anımlanabilir. Bu yaklaşımda a ekseni ile α ekseninin çakışık olduğu kabul edilmişir (Şekil 3.2). b β i β _ i s θ a i α α c Şekil 3.2 αβ ekseninde saor uzay vekörü ve bileşenleri Bu yaklaşım ile üç koordinalı sisem orogonal iki koordinalı siseme dönüşürülebilir. Ancak sisem hala zamana bağlı olarak değişmekedir. 8
3.1.2 Park DönüĢümü Bu yaklaşım ile iki koordinalı orogonal αβ sabi eksen akımından yine iki koordinalı dq dönen eksen akımına dönüşürülebilir. AC moor için; d-ekseni, roor akı vekörü ile aynı hizada olduğunda αβ ve dq eksen akımları arasındaki ilişki (Şekil 3.3) e belirilmişir. Ayrıca dönüşüm eşilikleri θ, roor akı pozisyonu olmak üzere (3.4) ve (3.5) eşiliklerindeki gibidir. Bu iki bileşen αβ bileşenlerine ve roor akı pozisyonuna bağlıdırlar. Eğer akı pozisyonu doğru olarak bilinirse, dq bileşenlerinin zamana olan bağımlılıkları oradan kalkar. Bu sayede; İki koordinalı zamanla değişmeyen bir sisem elde edilir. d-ekseni akı bileşeni, q-ekseni momen bileşeni olarak adlandırılır. Bu ayrışım sayesinde direk olarak momen konrolü büyük bir kolaylık kazanır. q β i β _ i s _ Ψ R d i q i d θ α i α Şekil 3.3 αβ ve dq ekseninde saor akım vekörü ve bileşenleri 9
3.2 Sinüzoidal Darbe GeniĢlik Modülasyonu (PWM) Temel darbe genişlik modülasyonu için ek fazlı bir sisem örneği (Şekil 3.4) e görüldüğü gibidir. V DC /2 V A V DC /2 Şekil 3.4 Tek fazlı inverer (Şekil 3.5) en görüleceği gibi inverer çıkış gerilimi şu şekilde belirlenir: V konrol > V esere, V A = V DC /2 V konrol < V esere, V A = - V DC /2 V esere V konrol V A V DC 2 V DC 2 Şekil 3.5 Temel PWM uygulaması 1
Ek olarak, inverer çıkış gerilimi şu özelliklere sahipir: PWM frekansı V esere sinyalinin frekansı ile aynıdır. Genlik V konrol sinyalinin genliği ile konrol edilir. Temel frekans V konrol sinyalinin frekansı ile konrol edilir. Modülasyon indeksi (m), (3.6) eşiliğindeki gibi anımlanır. 3.3 Hiserezis Akım Konrolü (HAK) Hiserezis akım konrolü uygulamasının kolaylığı nedeni ile gerilim beslemeli inverer konrolünde sıkça kullanılmakadır. Hiserezis konrol emel olarak, inverer çıkış akımının belirli bir ban içerisinde konrol edilmesi yönemidir. Bu yönemde sabi bir anaharlama frekansı yokur ve çıkış endükansının değeri ile anaharlama frekansı değişir. Bu bir dezavanajdır, çünkü değişken frekans filre asarımını güçleşirmekedir. Ban genişliğinin düşük seçilmesi akım kaliesinin ve frekansın yükselmesine ancak bununla birlike kayıpların da armasına neden olmakadır [4]. i haa I I PWM sinyali Şekil 3.6 HAK yöneminde PWM sinyali Hiserezis akım konrol yöneminde çıkış akımı belirlenen ban içerisinde hareke emekedir. Ölçülen akım ile referans akımı karşılaşırılarak akım haası elde edilir. Şekilde görüldüğü gibi anaharlama yapılarak çıkış akımı konrol edilir. Akım haası (i aref - i a ) yükselip bandın üs sınırına geldiğinde ölçülen faz akımının azaldığı anlaşılır ve ilgili fazın üs kol anaharı devreye sokularak faz akımının ekrar arması sağlanır. 11
Bu işlemin am ersi de akım haasının azalarak negaif olup bandın al sınırına gelmesi ile uygulanır. Böylece üç faz akımı da belirlenen referansı akip ederek ban içinde hareke ederler. 3.4 Uzay Vekör Modülasyonu (UVM) Tipik 3 fazlı bir inverer devre şeması (Şekil 3.6) da görülmekedir. Çıkış gerilimini şekillendiren A 1 ve A 6 anaharları a, b, c ve a', b', c' sinyalleri ile konrol edilmekedirler. Aynı kol anaharlarının hiçbir zaman aynı anda ileimde olmamalıdır. Buradan yola çıkarak, üs kol anaharları A 1, A 2 ve A 3 ün ileim ve kesim durumları dikkae alınarak çıkış gerilimi belirlenebilir [5]. A 1 a A 3 b A 5 c L S R S e a V DC V A V B V C L S L S R S R S e b e c A 2 a' A 4 b' A 6 c' Şekil 3.7 Üç fazlı inverer opolojisi Anaharlama vekörü [a b c] ve faz-faz gerilim vekörü [V AB V BC V CA ] arasındaki ilişki (3.7) eşiliğinde verilmekedir. Aynı şekilde, Anaharlama vekörü [a b c] ve faz-nör gerilim vekörü [V AN V BN V CN ] arasındaki ilişki (3.8) eşiliğinde verilmekedir. 12
(Şekil 3.6) daki inverer opolojisinden de görüleceği üzere, al ve üs kol anaharlarının ileim ve kesim durumlarına göre sekiz olası anaharlama örneği oluşmakadır. (3.7) ve (3.8) eşiliklerine göre, sekiz anaharlama vekörü, DC bara V DC değerine göre faz-nör ve faz-faz gerilimleri olarak Çizelge 3.1 de ve inverer gerilim vekörleri olarak (Şekil 3.7) de göserilmekedir. Çizelge 3.1 Anaharlama vekörleri, faz-nör gerilimleri ve faz-faz gerilimleri Gerilim Vekörleri Anaharlama Vekörleri Faz-Nör Gerilimleri Faz-Faz Gerilimleri a b c V AN V BN V CN V AB V BC V CA V V 1 1 2/3-1/3-1/3 1-1 V 2 1 1 1/3 1/3-2/3 1-1 V 3 1-1/3 2/3-1/3-1 1 V 4 1 1-2/3 1/3 1/3-1 1 V 5 1-1/3-1/3 2/3-1 1 V 6 1 1 1/3-2/3 1/3 1-1 V 7 1 1 1 13
V = [ ] V 1 = [1 ] V 2 = [1 1 ] V 3 = [ 1 ] V 4 = [ 1 1] V 5 = [ 1] V 6 = [1 1] V 7 = [1 1 1] Şekil 3.8 Gerilim uzay vekörleri Uzay vekör modülasyonu invererin farklı bir sıra ile anaharlanarak sinüzoidal darbe genişlik modülasyon ekniğine göre çıkış akım ve geriliminde daha az harmonik bileşen oluşmasını ve DC baranın daha ekin bir şekilde kullanılmasını sağlayan bir modülasyon ekniğidir. Uzay vekör modülasyonu uygulamasında, abc eksen akımındaki gerilim değerleri yaay α ve dikey β, birbirine 9 açı ile anımlanmış αβ sabi eksen akımına ransformasyon marisi yardımı ile aşınabilir. 14
β b V β V ref θ a α V α c Şekil 3.9 abc ve αβ eksenlerinde gerilim uzay vekörleri (Şekil 3.9) dan yola çıkarak, bu iki referans eksen akımı arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir. αβ Burada akım ve gerilim değerlerini ifade emek üzere, αβ (3.12) (Şekil 3.9) da görüldüğü üzere, bu ransformasyon, abc nin üç boyulu bir koordina sisemindeki iki boyulu ve [1 1 1] vekörüne dik eksen akımına(eşdeğer αβ eksen akımı) orogonal yaklaşımıdır. Sonuç olarak, sıfırdan farklı alı vekör ve iki sıfır vekörü oluşmakadır. Sıfırdan farklı bu vekörler (V 1 - V 6 ) (Şekil 3.1) daki alıgeni 15
oluşurmaka ve DC baradan gelen gücü yüke akarmakadırlar. Bu alı vekörden herhangi iki komşu vekör arasındaki açı 6 derecedir. Diğer arafan, iki sıfır vekörü (V - V 7 ) orijinde yer almaka ve yüke sıfır gerilimi uygulamakadır. Bu sekiz veköre emel uzay vekörleri denmeke ve V, V 1, V 2, V 3, V 4, V 5, V 6 ve V 7 olarak isimlendirilmekedirler. Uzay vekör modülasyonunun amacı isenen referans gerilimi V ref i elde edecek şekilde bu sekiz vekörü kullanmakır. Bu işlem belirli bir periyo içerisinde oralama olarak V ref değerine eşi gerilimi üreecek şekilde anaharlama seçimi ile yapılır. V 3 (1) β V 2 (11) V 4 (11) V () V 7 (111) T 2 V ref V 1 (1) T 1 α V 5 (1) V 6 (11) Şekil 3.1 Uzay vekörleri Uzay vekör modülasyonu bu adımlar ile gerçekleşirilmekedir. V α, V β, V ref ve θ değerleri belirlenir. T 1, T 2, T 3 değerleri belirlenir. Anaharlama süreleri (A 1 - A 6 ) hesaplanır. 3.4.1 V α, V β, V ref ve θ değerlerinin belirlenmesi (Şekil 3.8) den harekele f emel frekans olmak üzere, V α, V β, V ref ve θ değerleri şu şekilde hesaplanabilir. α β 16
α β α β α β 3.4.2 T 1, T 2, T 3 değerlerinin belirlenmesi (Şekil 3.9) dan harekele T 1, T 2, T 3 değerleri şu şekilde hesaplanabilir. 1. Sekördeki anaharlama süreleri ( θ 6): = 17
ve olmak üzere genel eşilikler aşağıdaki gibidir. 2 r θ 2 z 2 1 z 1 1 Şekil 3.11 1. sekörde referans vekörün komşu vekörler cinsinden göserimi 18
3.5 Uzay Vekör Modülasyonu ve Darbe GeniĢlik Modülasyonu KarĢılaĢırması Uzay vekör modülasyonu ekniği akımda daha iyi bir THD performansına sahipir. Ek olarak, bu eknik DC barayı daha verimli bir şekilde kullanarak sisem performansını iyileşirmekedir. Geleneksel PWM ekniğinde üçgen aşıyıcı sinyal ile referans sinüs karşılaşırılır. Bildiğimiz üzere, bu eknike çıkış gerilimi geomerik olarak yarıçapı olan bir yörünge ile sınırlıdır. Uzay vekör modülasyonunda ise belirildiği üzere, her bir vekörün boyu boyuundadır. Kararlı halde referans vekörün genliği sabi olacağından, bu eknike yörünge alı anaharlama vekörünün oluşurduğu alıgene eğe geçen ve yarıçapı olan bir yörünge ile sınırlıdır (Şekil 3.12). b β 1 V DC 2 1 V DC 3 Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyonu c α, a 2 3 V DC Uzay Vekör Modülasyonu Şekil 3.12 PWM ve UVM eknikleri karşılaşırması Böylelikle, bu iki maksimum değer oranlandığında, UVM ekniği PWM ekniğinden ka daha verimli DC bara kullanımına sahipir. 3.6 Kalıcı Mıknaıslı Senkron Generaör (KMSG) KMSG yapısı iibarı ile sıradan senkron makineden farklı değildir. Sadece roordaki DC uyarımın yerini kalıcı mıknaıs almışır. Kalıcı mıknaıslar sayesinde fırça ve bilezik yapıları elimine edilerek fiziksel yapıda küçülme, güç yoğunluğunda arış, daha sağlam bir yapı ve düşük aale momeni avanajları kazanılmışır. Ayrıca roorun sargılardan oluşmaması roor I 2 R kayıplarını oradan kaldırmakadır. KMSG, üm bu avanajlar nedeni ile rüzgâr ürbini uygulamaları için en uygun çözüm haline gelmekedir. 19
Ancak üm bunlara rağmen KMSG, roorda kullanılan mıknaısların yüksek maliyeleri ve çalışma nokasına göre değişirilemeyen sabi uyarma gibi dezavanajları da bünyesinde bulundurmakadır. KMSG roor konfigürasyonuna göre sınıflandırılabilir. 3.6.1 Dahili Manyeikli KMSG Bu konfigürasyonda mıknaıslar roor gövdesinin içine gömülmüşür. Dahili manyeikler KMSG de manyeik çıkıklığa sebep olmakadırlar. Bu nedenle d-ekseni endükansı q-ekseni endükansından küçükür. Bunun nedeni d-ekseni hava aralığının q- ekseni hava aralığından büyük olmasıdır. Bu fark nedeni ile kalıcı mıknaıslardan kaynaklanan momene ek olarak bir relükans momeni oluşur ve böylelikle roor pozisyonu kolaylıkla sapanabilir. Ancak üreimi zor ve maliyelidir. 3.6.2 Yüzey Monajlı KMSG Bu konfigürasyonda mıknaıslar roor gövdesinin dış yüzeyine mone edilmişir. Kalıcı mıknaısın manyeik geçirgenliği yaklaşık havanın manyeik geçirgenliği ile eşiir. Bu sabi ve geniş bir hava aralığı anlamına gelmekedir. Böylelikle d-ekseni ve q-ekseni endükansları birbirine eşiir ve çıkıklık oranı ( ξ = L d /L q ) 1 dir. Böylelikle relükans momeni oluşmaz. Dahili manyeikli konfigürasyona göre üreimi daha basi ve az maliyelidir. 3.6.3 Maemaiksel Tanımlamalar 3.6.3.1 dq-ekseni Gerilim EĢilikleri,, dq-ekseni saor gerilimleri,, dq-ekseni saor akımları, R s saor direnci, ψ d, ψ q dq-ekseni saor akıları, e elekriksel hız olmak üzere gerilim eşilikleri dqekseninde (3.27) ve (3.28) eşiliğindeki gibi anımlanmışır. 2
3.6.3.2 dq-ekseni Akı EĢilikleri,, dq-ekseni endükansları, ψ m, kalıcı mıknaıs akısı olmak üzere akı eşilikleri dqekseninde (3.29) ve (3.3) eşiliğindeki gibi anımlanmışır. 3.6.3.3 Momen EĢiliği Elekromanyeik momen eşiliği elekro manyeik güç eşiliğinden üreilebilir. (3.31) ve (3.32) eşiliklerinde m roorun mekanik hızı olmak üzere elekromanyeik güç ve elekriksel hız aşağıdaki gibi anımlanmışır. Buradan, elekromanyeik momen eşiliği üreilip akı eşilikleri yerlerine koyulduğunda (3.33) ve (3.34) eşilikleri elde edilir. (3.34) eşiliğinde görüldüğü gibi ilk erim akı ve akımının oluşurduğu momen, ikinci erim ise manyeik çıkıklıkan kaynaklanan relükans momenidir. Yüzey monajlı üreilen KMSG relükans momenine sahip değildir. Bunun nedeni ve endükanslarının eşi olmasıdır. Sonuç olarak momen eşiliği (3.35) eki gibidir. 21
3.6.3.4 Güç EĢilikleri (3.36) ve (3.37) akif ve reakif güç eşilikleri aşağıdaki gibidir. 3.6.3.5 Makinenin Genel Hareke EĢiliği, yük momeni,, viskoz sürünmesi,, sürünme momeni ve, aale momeni olmak üzere KMSG hareke eşiliği aşağıdaki gibi yazılır. 22
BÖLÜM 4 RÜZGÂR TÜRBĠNĠ GENERATÖRLERĠNĠN MODERN KONTROLÜ 4.1 KMSG Konrolü Bu bölümde alan yönlendirmeli konrolün KMSG konrolünde kullanılması incelenmişir. Sisem konrol döngüleri verilmiş, HAK ekniği ile PWM sinyalleri üreilmişir. Generaör AC-DC dönüşürücü DC Bara DC-AC dönüşürücü Filre endükansı Şebeke KMSG Şekil 4.1 Sisemin genel diyagramı 4.1.1 Alan Yönlendirmeli Konrol Değişken hızlı rüzgâr ürbinleri giderek daha fazla ilgi görmekedir, bunun en büyük nedeni değişken hızlarda rüzgârdan maksimum güç elde edilebilmesidir. Elde edilebilecek maksimum güç değişken rüzgâr hızından ziyade ürbinde kullanılan konrol sraejisi ile ilgilidir. KMSG kullanılan değişken hızlı rüzgâr ürbinlerinde roor pozisyonunu ve hızını kullanan AYK sraejisi büyük popülarie kazanmışır. 23
AYK, saor akımının konrolü ile makine momeninin dolaylı yoldan konrol edilmesi ile gerçekleşirilir. Konrol sraejisi dq referans ekseninde anımlanmakadır. Yüzey monajlı KMSG için dq ekseninde momen (3.34) eşiliğinde anımlanmakadır. Bu ezde kullanılan KMSG yüzey monajlı kalıcı mıknaıs yapısına sahipir. Bu nedenle makinenin L d ve L q endükansları birbirine eşiir. Bu durum momen eşiliğini (3.35) eki gibi sadeleşirerek konrol sraejisinin uygulanmasını da kolaylaşırmakadır. Görüldüğü gibi sabi olmak koşulu ile konrol edilerek momen de konrol edilebilmekedir. Momen kalıcı mıknaıs akısı ve arasındaki açı ile konrol edilir. Bu açı a da isenen değere konrol edilerek 9 de uulur. Böylelikle isenilen değeri ile isenen momen elde edilmiş olur. 24
Şebeke i * d = +_ PI i * a i d dq abc i * b T * e f(u) i * q +_ PI θ i * c i q Hiseresis Akım Konrol P Q f(u) v d v q i d i q v d v q dq abc Akif ve Reakif Güç Hesap Bloğu θ*p i d dq i q abc KMSG θ Şekil 4.2 KMSG alan yönlendirmeli konrol döngüleri 25
4.2 Ġnverer(DC-AC DönüĢürücü) Konrol Sraejileri İnverer konrolü için çok sayıda değişik konrol sraejisi bulunmakadır. Bunların hepsinde DC bara konrol edilerek, şebekeye akarılan akif ve reakif gücün konrolüne, şebeke senkronizasyonuna ve kaliesine odaklanılmakadır. Generaör AC-DC dönüşürücü DC Bara DC-AC dönüşürücü Filre endükansı Şebeke KMSG Şekil 4.3 Genel sisem diyagramı Bu sraejiler kullanılan anaharlama modülasyonu ekniklerine göre ikiye ayrılmakadır. İlki UVM ekniği kullanılması durumundaki sraeji, ikincisi ise HAK ekniği kullanılması durumundaki sraejidir. İki durumda da konrol sraejileri iç içe geçmiş iki konrol döngüsü içermekedir. İç döngüler şebeke akımlarını konrol emeke, dış döngüler ise DC barayı ve reakif gücü konrol emekedir. İç konrol döngüleri şebeke akımlarını konrol ederek şebekeye akarılan gücün kaliesini de belirlemekedirler. Dış konrol döngüleri de DC baradan şebekeye doğru olan güç akışını konrol ederek akif ve reakif güç regülâsyonunu sağlamakadır [6]. İki sraejide de güç akış konrolü aynı şekilde yapılır. Akif ve reakif güç eşilikleri dqreferans eksen akımında (4.1) ve (4.2) eşiliklerindeki gibi anımlanmışır. (4.1) ve (4.2) eşiliklerinden görüldüğü gibi, i d ve i q akımları konrol edilerek akif ve reakif güç direk olarak konrol edilebilmekedir. Temelde, konrolün amacı rüzgâr ürbini arafından üreilen üm akif gücü şebekeye akarmak ve böylelikle hiç reakif 26
güç akarmamakır. Böylelikle birim güç fakörü elde edilmekedir. Şebeke arafından aksi bir alep gelmedikçe reakif güç üreilmez. Şebeke V a θ PLL V b V c P Q f(u) v d v q i d i q v d v q dq abc Akif ve Reakif Güç Hesap Bloğu v d θ i d i q dq abc Filre i a i b i c V * DC _ + PI i * d +_ PI v * d + +_ V DC i d i d ωl dq v q ωl αβ Q * f(u) i * q v * q +_ PI + + + θ Uzay Vekör Modülasyonu i q v q V DC KMSG Şekil 4.4 UVM ekniğinde konrol döngüleri İki konrol sraejisinde de akımlar senkron dönen eksen akımı üzerinde konrol edilir. Bu klasik bir konrol yönemidir ve dq konrol olarak adlandırılır. Bu konrolde şebeke gerilimleri ve akımları abc-eksen akımından dq-eksen akımına ransfer edilir. 27
Böylelikle zamana bağlı değişen akım ve gerilim değerleri PI konrolörler ile kolaylıkla konrol edilebilecek DC değerlere dönüşmüş olurlar. Şebeke V a θ PLL V b V c P Q f(u) v d v q i d i q v d v q dq abc Akif ve Reakif Güç Hesap Bloğu θ i d dq Filre i a i b i q abc i c V * DC _ + PI i * d i * a V DC dq abc i * b Q * f(u) i * q +_ i q PI θ i * c Hiseresis Akım Konrol V DC KMSG Şekil 4.5 HAK ekniğinde konrol döngüleri Uzay vekör modülasyonu ekniği kullanılan konrol sraejisinde PI konrolörlerin çıkışlarına çapraz kuplaj erimleri ve gerilim ileri beslemeleri eklenerek konrol performansı iyileşirilir. Tüm bu eklemeler sonucunda ulaşılan değer uzay vekör modülasyonu ekniğinde kullanılacak gerilim referansıdır. 28
Bu referanslar dq-eksen akımından αβ-eksen akımına ransfer edilerek uzay vekör modülasyonu ekniğince kullanılır (Şekil 4.2). Hiserisiz akım konrolü ekniğinin kullanıldığı konrol sraejisinde PI konrolörlerin çıkışları akım referansları olarak dq-eksen akımından abc-eksen akımına ransfer edilir ve her faz için ayrı olarak hiserisiz konrolörden geçirilir (Şekil 4.3). 29
BÖLÜM 5 1,5 MVA GÜCÜNDE BĠR RÜZGÂR TÜRBĠNĠNĠN ELEKTRĠKSEL GÜÇ KATI TASARIMI 5.1 GiriĢ Rüzgâr enerjisi çevrim sisemlerinin asarımı birden fazla akademik disiplinin orak çalışığı bir süreçir. Elekrik generaörü ve güç elekroniği dönüşürücülerinden oluşan elekrik sisemi bile değişik alanlarda uzmanlaşmış elekrik mühendislerinin oplu çalışması sonucu asarlanır. Bu alanlar başlıca; elekrik makine asarımı, güç elekroniği, güç sisemleri ve konrol sisemleri olarak sayılabilir. Tasarım sürecine nereden başlanacağı ve değişik sisemler arasındaki asarım ilişkileri kriik ve hayai bir öneme sahipir. Örnek olarak; makine asarımcısı asarım sürecinde, güç elekroniği mühendisleri ve konrol mühendisleri ile ileişim kurarak asarım özelliklerini oraya çıkarmalıdır. Bu ileişim ile oluşan bilgi akışı sisem asarımı sonlanana kadar, çif yönlü olarak ve gerekiği akdirde üm asarımcıların ellerindeki asarım verilerini ekrar düzenledikleri bir süreçen oluşur. 5.2 Sisem Tanımı ve Ana BileĢenler Söz konusu rüzgâr enerjisi çevrim sisemi 1,5 MVA nominal gücünde ve şebekeye bağlı bir asarımdır. Sisem; rüzgâr ürbini, KMSG, AC/DC dönüşürücü, DC bara, DC/AC dönüşürücü, filre endükansı, opsiyonel ransformaör, çeşili sensörler ve koruma ekipmanlarından oluşmakadır (Şekil 5.1). Generaör doğrudan ahrik alında çalışacak şekilde asarlanmışır, dişli kuusu yokur. Sisem, generaör arafında AC/DC dönüşürücünün ve şebeke arafında DC/AC 3
dönüşürücünün konrolüne dayanmakadır. Şebeke gerilim seviyeleri araşırmaların başlangıcında fazlar arası, 48 V, 6 V ve 24 V olarak belirlenmişir. Bu seviyeler sisemin geriye kalan kısmının asarımında belirleyici olmuşur. Bu üç şebeke gerilim seviyesinin siseme olan ekileri, performansları ve maliyeleri incelenmişir. KMSG AC/DC Dönüşürücü DC Bara DC/AC Dönüşürücü Filre Transformaör (Opsiyonel) Şebeke G AC DC DC AC C i g v i u v w θ Konrolör v u Şekil 5.1 Genel sisem diyagramı 5.3 Tasarım YaklaĢımı Rüzgâr enerji dönüşüm sisemi asarımına büyük ölçeke ve asarım deayları ile ilgili olarak küçük ölçeke iki şekilde yaklaşılabilir. Büyük ölçeke yaklaşım dendiğinde akla gelen başlıca problemler; şebeke ve generaör arafında en uygun dönüşürücü opolojilerinin seçilmesi, opimum şebeke gerilim seviyelerinin belirlenmesi, generaör açık devre gerilim seviyesinin belirlenmesi ve uygun konrol sraejisinin asarlanması olarak sayılabilir. Küçük ölçeke deaylı yaklaşımda karşılaşılan problemler ise; konrol döngülerinin asarımı, konrolör kasayılarının belirlenmesi, güç yarı ileken elemanlarının boyulandırılması, pasif elemanların seçimi, soğuma siseminin seçimi, fiziksel boyuun ve ağırlığın ahmini ve maliye analizi olarak sayılabilir. 5.4 DönüĢürücü Topolojisinde Göz Önüne Alınması Gerekenler Tipik bir güç dönüşürücü yapısı üç parçadan oluşur. Bunlar; generaör arafında yer alan ve değişken frekanslı AC çıkışı DC baraya akaran AC/DC dönüşürücü, iki dönüşürücü arasında DC barayı oluşuran kapasiör ve şebeke arafında DC baradan 31
şebekeye senkronize bir şekilde AC güç akışını sağlayan DC/AC dönüşürücüdür [7],[8]. 5.5 ġebeke ve Generaör Gerilim Seviyeleri Generaör ve DC bara gerilimleri arasındaki ilişki doğrudan güç akış gereksinimleri arafından belirlenir. Yüzey monajlı KMSG yapısı için akif ve reakif güç eşilikleri (5.1) ve (5.2) eşiliklerindeki gibi yazılabilir., generaör q-ekseni ers emk gerilimi; doğrulucu gerilim vekörü;, d-ekseni generaör reakansını ve, ve arasındaki faz farkını emsil emekedir. Burada generaör ers emk geriliminin q-eksenine yapışık olduğu varsayılmışır. Lineer modülasyon bölgesinde kalabilmek için, doğrulucunun üreiği AC gerilim ve DC bara gerilimi arasında (5.3) eşiliği geçerlidir. ve sırasıyla, d-ekseni ve q-ekseni doğrulucu gerilimleri;, DC bara gerilimini emsil emekedir. Buradan da görüldüğü gibi DC bara gerilimi seçilirken generaör asarımı ile koordinasyon sağlanmalıdır. Generaörden alınacak maksimum güç, generaör geriliminin genliği ve açısı ile doğru oranılıdır. Generaör geriliminin yüksek DC bara gerilimi sağlaması için iki yol vardır. İlk yaklaşım, generaör ers emk gerilimi ile doğrulucu giriş gerilimi arasında küçük bir faz farkı bırakarak ers emk geriliminin genliğini arırmakır. Ters emk geriliminin genliğini arırmak için generaörün faz sargılarındaki sarım sayısının arırılması gerekmekedir. Ters emk, sarım sayısı ile doğru oranılıdır ve generaör reakansı ise sarım sayısının karesi ile doğru oranılıdır. Bu nedenle, sargı reakansındaki ciddi bir arış (5.1) ve (5.2) eşiliklerinden de anlaşılacağı üzere generaörün verimini düşürerek maksimum gücünü sınırlamakadır. 32
Simülasyon sonuçlarına göre yüksek şebeke gerilimi, sisemin çeşili elemanları üzerinde daha düşük bir akım sresi oluşurmakadır. Yüksek şebeke gerilimi daha yüksek bir DC bara gerilimi gerekireceğinden DC bara kapasiörlerinde yüksek gerilim sresleri oluşurmakadır. Bu bir dezavanaj olarak görülebilir aksine kapasiörlerin dalgalanma akımlarının belirli seviyelerde uulması gerilim seviyesinin isenilen değerlerde uulmasından daha büyük önem aşımakadır. 5.6 Güç Konrolünde Göz Önünde Bulundurulması Gerekenler Güç konrolünde iki yönem kullanılmakadır. Birincisi gerilim konrolü, ikincisi akım konrolü yaparak güç akışını sağlamakır. Bugüne kadar yapılmış araşırmalar emel alınarak bu iki yönemin karşılaşırılması aşağıdaki gibi maddeler halinde yazılabilir [9]. Yüksek güçlü uygulamalarda kullanılan yarıilekenler gerilim ve akım değerleri nedeni ile anaharlama yeenekleri düşük güçeki muadillerine göre daha sınırlıdır. Akım konrollü uygulamalarda ise isenilen harmonik seviyelerine ulaşabilmek için dönüşürücü yüksek frekans ile anaharlama yapmak zorundadır. Bu da anaharlama kayıplarına neden olmakadır. Gerilim konrollü uygulamalar özellikle çok kamanlı dönüşürücüler için uygundur. Bunun nedeni akım konrolü alında DC bara gerilim dalgalanmalarından oluşacak problemlerin oradan kalkmasıdır. Gerilim konrollü uygulamalar akım konrollü uygulamalara göre daha basi yapıdadırlar. Özellikle daha az sayıda akım sensörüne ihiyaç duyarlar. Yüksek güçlerde bu maliyee oldukça eki emekedir. Gerilim konrollü uygulamalar inverer gerilimi ve şebeke gerilimi arasındaki faz açısının belirli değerleri arasında kararlı çalışabilir. Bu doğrulucu için de geçerlidir. Ancak, akım konrollü uygulamalar faz açısının konrolünden daha çok şebeke ve inverer gerilimlerinin genlikleri ile konrol edildikleri için daha geniş bir kararlı çalışma bölgesine sahipirler. Gerilim konrollü uygulamalarda, IEEE sandarlarına göre belirlenmiş özel harmonik değerlerini sağlamak amacı kullanılan pasif elemanlar, özellikle endükanslar, büyük önem aşımakadırlar. Diğer arafan, pasif elemanlar sisemin dinamik cevabını yavaşlamakadırlar. 33
Akım konrollü uygulamalarda, akı zayıflama yönemi ile generaörün çalışma bölgesi genişleilebilmekedir. Bu asarımcının belirli bir sabi güç aralığı için daha küçük boyulu bir generaör kullanmasına olanak sağlar. Akım konrolü, gerilim konrolünden daha iyi dinamik performansa sahipir. Bu ezde akım konrollü dönüşürücüler kullanılmışır. 5.7 Tasarım Opimizasyon Süreci Akım konrollü doğrulucuların kullanıldığı şebekeye bağlı rüzgâr güç siseminin asarım opimizasyon aşamaları aşağıdaki gibidir. 5.7.1 Adım 1 IEEE 519 harmonik sandarlarına göre şebeke arafındaki endükansın değerine karar verilmişir. Bu amaçla şebeke arafındaki DC/AC dönüşürücü basi bir gerilim kaynağı olarak modellenmiş ve endükans üzerinden şebekeye bağlanmışır. 5.7.2 Adım 2 Adım 1 den yola çıkarak bulunan reakans değeri ve şebeke gerilimi kullanılarak, P=1,5 MW ve Q= KVAR için ve gerilim değerleri (5.4) ve (5.5) eşiliklerinden bulunmuşur. Bu denklemlerde, şebeke geriliminin d-ekseni bileşeni ve inverer gerilimi d-ekseni ve q-ekseni bileşenleri ve x, şebeke ve inverer arasındaki faz reakansıdır. Bu reakans sadece bir endükansı ya da yükselici bir ransformaörü emsil edebilir. 5.7.3 Adım 3 (5.6) eşiliği kullanılarak DC bara gerilimine karar verilmişir. 34
5.7.4 Adım 4 Şebeke geriliminde %1 arış olduğu varsayılmışır ve adım 3 e hesaplanan minimum DC bara gerilimi %1 arırılmışır. Sonuç olarak V LL = 48 V, V LL = 6 V, V LL = 24 V şebeke gerilimlerine karşılık sırasıyla V DC = 85 V, V DC = 1 V, V DC = 4 V DC bara gerilimleri belirlenmişir. 5.7.5 Adım 5 Şebeke arafındaki simülasyon çalışırılarak DC bara gerilimi, yarıileken anaharların akım ve gerilim değerleri, DC bara kapasiörünün değeri ve ripple akımları ve şebeke endükansının hassas değeri belirlenmişir. Büün bu işlemler üç gerilim seviyesi için de adım 1 den adım 5 e kadar ekrar edilmişir. 5.7.6 Adım 6 Generaör gerilimi kabaca, simülasyonda generaör modeli kullanılarak daha önceki adımlarda elde edilen DC bara gerilimini ve gereksinim duyulan akif ve reakif güç değerlerini karşılayacak şekilde ahmin edilmişir. Bu amaçla basi bir model kurularak adım 1 dekine benzer bir yaklaşım ile generaör uç gerilimi belirlenmişir. Bu modelde generaör ve doğrulucu arasında endükans bulunmamakadır. 5.7.7 Adım 7 Generaör geriliminin hassas bir şekilde ayarlanması ve yarıileken akım değerlerinin belirlenmesi için simülasyon çalışırılır. Bu işlem her bir 85 V, 1 V ve 4 V DC bara gerilimi için ekrarlanır. 5.8 Simülasyon Sonuçları Tüm gerilim seviyelerinin belirlenmesinden sonra, üm sisemin simülasyonu gerçekleşirilmişir. İki güç elekroniği dönüşürücüsü birbirinden bağımsız olarak çalışmakadır. Bunlardan AC/DC dönüşürücü; generaör arafında akif ve reakif güç konrolünden sorumlu, DC/AC dönüşürücü ise şebeke arafında DC baranın konrolünden sorumludur. Tüm sisem üç ayrı seviyede incelenmişir. Ek olarak, her bir seviyede DC/AC dönüşürücü konrolünde kullanılan UVM ve HAK ekniği 35
karşılaşırılmışır. Son olarak; her bir seviye için, şebekede üç faz kısa devre arızası meydana geldiği varsayılarak sisemlerin bu arızaya epkileri simülasyonlarla incelenmişir. 5.8.1 Sisem 1 Bu sisemde 85 V DC bara ve 48 V faz-faz şebeke gerilimleri baz alınarak güç konrolü yapılmışır. Şebekeye 1,5 MW akif güç ve KVAR reakif güç ileilmesi amaçlanmışır. Bu şarlar alında sisemdeki değişkenler gözlenmişir. Ayrıca aynı şarlar alında UVM ve HAK ekniklerinin THD ve anaharlama frekansı açısından karşılaşırılması yapılmışır. Valpha 2 15 1 5-5 -1-15 -2.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.2 Sisem 1 UVM konrollü invererde V α referans vekörü 36
3 25 2 15 Vbea 1 5-5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.3 Sisem 1 UVM konrollü invererde V β referans vekörü 4 3 2 Id 1-1.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.4 Sisem 1 UVM konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni 37
5-5 Iq -1-15 -2-25.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.5 Sisem 1 UVM konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni 4 3 2 Ia Va Va, Ia 1-1 -2-3 -4.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.6 Sisem 1 UVM konrollü invererde şebeke akımı ve gerilimi 38
2.5 x 16 2 1.5 P 1.5 -.5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.7 Sisem 1 UVM konrollü invererde akif güç 5 x 15 Q -5-1 -15.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.8 Sisem 1 UVM konrollü invererde reakif güç 39
1.5 x 14 1.5 Id -.5-1 -1.5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.9 Sisem 1 HAK konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni 1 8 6 Iq 4 2-2.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.1 Sisem 1 HAK konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni 4
5 4 3 2 1 Va,Ia -1-2 -3-4 -5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.11 Sisem 1 HAK konrollü invererde şebeke akımı ve gerilimi Ia Va 8 x 16 6 4 P 2-2 -4-6 -8.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.12 Sisem 1 HAK konrollü invererde akif güç 41
6 x 16 5 4 Q 3 2 1-1.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.13 Sisem 1 HAK konrollü invererde reakif güç 25 2 15 Iqr 1 5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.14 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı momen bileşeni 42
25 2 15 Idr 1 5-5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.15 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı akı bileşeni 3 2 1 Iar,Ibr,Icr -1-2 -3.5.1.15.2.25.3.35 Şekil 5.16 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG 3 faz saor akımları 43
Te 4 8 x 15 7 6 5 3 2 1.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.17 Sisem 1 HAK konrollü doğrulucuda KMSG elekro manyeik momen 3 25 2 15 Vdc 1 5-5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.18 Sisem 1 DC bara gerilimi 44
14 12 1 Idc 8 6 4.4.5.6.7.8.9.1.11.12.13.14 Şekil 5.19 Sisem 1 DC bara ripple akımı 45
5.8.2 Sisem 2 Bu sisemde 1 V DC bara ve 6 V faz-faz şebeke gerilimleri baz alınarak güç konrolü yapılmışır. Şebekeye 1,5 MW akif güç ve KVAR reakif güç ileilmesi amaçlanmışır. Bu şarlar alında sisemdeki değişkenler gözlenmişir. Ayrıca aynı şarlar alında UVM ve HAK ekniklerinin THD ve anaharlama frekansı açısından karşılaşırılması yapılmışır. 3 2 1 Valpha -1-2.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.2 Sisem 2 UVM konrollü invererde V α referans vekörü 46
4 3 2 Vbea 1-1.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.21 Sisem 2 UVM konrollü invererde V β referans vekörü 3 2 Ia Va 1 Va, Ia -1-2 -3.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.22 Sisem 2 UVM konrollü invererde şebeke akım ve gerilimi 47
2.5 3 x 16 2 P 1.5 1.5 -.5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.23 Sisem 2 UVM konrollü invererde akif güç 1 x 16.5 Q -.5-1 -1.5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.24 Sisem 2 UVM konrollü invererde reakif güç 48
4 3 Id 2 1-1.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.25 Sisem 2 UVM konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni 15 1 5 Iq -5-1 -15.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.26 Sisem 2 UVM konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni 49
8 6 4 Id 2-2 -4-6.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.27 Sisem 2 HAK konrollü invererde şebeke akımı akif bileşeni 3 25 2 15 Iq 1 5-5 -1.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.28 Sisem 2 HAK konrollü invererde şebeke akımı reakif bileşeni 5
5 4 3 Ia Va 2 Va,Ia 1-1 -2-3.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.29 Sisem 2 HAK konrollü invererde şebeke akım ve gerilimi 6 x 16 4 P 2-2 -4.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.3 Sisem 2 HAK konrollü invererde akif güç 51
1.5 2 x 16 1 Q.5 -.5-1.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.31 Sisem 2 HAK konrollü invererde reakif güç 25 2 15 Iqr 1 5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.32 Sisem 2 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı momen bileşeni 52
15 1 Idr 5-5.2.4.6.8.1.12.14 Şekil 5.33 Sisem 2 HAK konrollü doğrulucuda KMSG saor akımı akı bileşeni 3 2 1 Iar,Ibr,Icr -1-2 -3.5.1.15.2.25.3.35 Şekil 5.34 Sisem 2 HAK konrollü doğrulucuda KMSG 3 faz saor akımları 53