Değişken hızlı rüzgâr türbinlerinin tasarımı ve denetimi

Abstract

Rüzgârdan elektrik enerjisi elde etmek için rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemleri kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinleri denetim ve tasarım yöntemleri açısından kendi içlerinde çeşitli sınıflara ayrılmaktadır. Rüzgârdan elektrik enerjisi üretmek için ilk olarak Sabit Hızlı Rüzgâr Türbinleri (SHRT) kullanılmıştır. Bu türbinle, rüzgârdaki gücün maksimum oranda alınması mümkün değildir. Bu sorunu ortadan kaldırmak için Değişken Hızlı Rüzgâr Türbinleri (DHRT) önerilmiştir. DHRT sistemleri SHRT sistemlerine göre daha verimli çalışmaktadır. DHRT sistemlerinde, rüzgârda var olan gücü maksimum oranda yakalamak için Maksimum Güç İzleme (MGİ) yöntemleri kullanılır. Bu amaçla DHRT sistemlerinde generatör genellikle arka arkaya bağlı bir evirici üzerinden şebekeye bağlanır. Generatör tarafındaki evirici ile maksimum güç izleme (MGİ), şebeke tarafındaki evirici ile şebekeye güç aktarma ve Doğru Akım (DA) barasını sabit bir değerde tutma işlemleri yerine getirilir. MGİ yapabilmek için rüzgâr hızının her farklı değerinde, pervane farklı bir hızla döndürülmelidir. Bu durum MGİ tabanlı sistemlere DHRT sistemleri denilmesine yol açmıştır. DHRT sistemlerinin MGİ tabanlı denetimi söz konusu olduğunda iki önemli dinamik ortaya çıkmaktadır. Bunlar MGİ noktasının anlık olarak saptanması ve izlenmesidir. Bu tez çalışmasında Kanat Ucu Hız Oranı (KUHO) tabanlı MGİ yöntemi kullanılmış ve MGİ noktası Oransal-İntegral (PI) denetimciler ile izlenmiştir. Doğrudan sürülen rüzgâr türbinleri, redüktörlü olanlara göre daha üstündür, çünkü bu tür türbinlerde gürültü düşük, arıza ve bakım onarım az, mekanik tasarım daha kolay ve verim daha yüksek olmaktadır. Bu duruma paralel olarak, güvenilirlik önemli ölçüde artırmaktadır. Doğrudan sürülen rüzgâr türbinleri Sabit Mıknatıslı Senkron Makine (SMSM)'lerdan başka generatörler ile imal edilememektedir. Tez çalışması kapsamında, kullanılan generatör ve fiziksel rüzgâr türbini modellenmiş, tüm denetimciler ve tüm elektriksel donanım tasarlanmış ve ısıl analizler yapılmıştır. Tez çalışmasında, tam doğru model bilgisi ve ölçüm durumu ile hatalı model bilgisi ve ölçüm durumunda türbin veriminin durumu araştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, türbin ve generatör modeli bilindiğinde yüksek doğrulukta MGİ yapıldığı ve düzgün sürekli bir güç üretiminin gerçekleştiğini göstermektedir.

Wind energy conversion systems are used to produce electricity from the wind. Wind turbines are divided into several classes in terms of control and design methods. Constant Speed Wind Turbines (CSWT) were first used to generate electricity from the wind. With this turbine, it is not possible to obtain a maximum power extraction. To eliminate this problem, Variable Speed Wind Turbines (VSWT) have been proposed. VSWT systems work more efficiently than CSWT systems. In VSWT systems, Maximum Power Tracking (MPT) methods are used to capture the power of the wind at the maximum rate. For this purpose, in VSWT systems, the generator is connected to the grid via a back to back inverter. MPT is carried out by the inverter on the generator side, transferring the power to the grid and keeping DC bus voltage at a constant value are done by the inverter on the grid side. At each different value of the wind speed, the propeller must be rotated at a different speed in order to perform MPT. This leads to call the MPT-based systems VSWT systems. Two important dynamics arises when the MPT based control of VSWT systems are the subject. These are the instantaneous detection and tracking of the MPT point. In this thesis study, Tip Speed Ratio (TSR) based MPT method was used and MPT point was tracked by Proportional-Integral (PI) controllers. Directly driven wind turbines are superior to those with indirect driven ones, because such turbines have low noise, fewer faults and less maintenance, easier mechanical design, and more efficiency. In parallel with this situation, reliability increases considerably. Direct drive wind turbines could not be established with generators other than the Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM). Within the scope of the thesis study, the generator along with the physical wind turbines were modelled, all the controllers and all the electrical hardware were designed, and thermal analysis was implemented. In this thesis, the turbine efficiency is examined in the case of utilizing the exact model knowledge and accurate feedbacks along with the perturbed model knowledge and feedbacks with some error. Experimental results show that when the turbine and generator model is exactly known, MPT is performed with high accuracy and a smooth continuous power generation takes place.