Wind turbine protection and modelling

Abstract

Rüzgâr enerjisi geleneksel enerji kaynaklarına göre en çok tercih edilen alternatif ener-ji kaynağı haline gelmektedir. Rüzgârın sürekli elde edilebilir ve geniş aralıklarda kontrol edilebilir bir enerji türü olması sayesinde günümüzde rüzgar türbinleri dünya-nın büyük kesiminde yaygınlık kazanmaktadır. İlk zamanlarda, rüzgar türbinleri pitch ve stall kontrol vasıtasıyla sabit hızda dönmeleri doğrultusunda tasarlanmışlardır. Modern rüzgar türbinleri ise nominal rüzgar hızından düşük hızlarda da maksimum enerji elde edilmesi amacıyla pitch kontrolün uygulanması esasına dayanır. Bu konu-daki ilerlemeler şimdi ve gelecekte karşılaşılması muhtemel birçok zorluğu ortadan kaldırmaktadır. Şebeke sistemlerindeki rüzgar enerji "etki"si, şebeke ile rüzgar türbi-ninin enerji üretimi arasındaki uyumluluk hakkında soruları gündeme getirmektedir. Özellikle, şebeke kararlılığına katkı olarak, enerji kalitesi ve hata durumlarındaki dav-ranış güvenilirlik gibi önemli bir rol oynar. Bu tez çalışmasının giriş bölümü kısaca türbin teknolojisinin gelişimini açıklar. Çalışma kapsamında farklı türbin türleri ele alınmıştır. Bu tez çalışmasının asıl amacı ise rüzgâr türbinlerinin şebeke bağlantısı, koruma ve modellenmesine dair durumların incelenmesidir. İkinci bölüm rüzgâr türbini alanındaki son gelişmeleri birçok şebeke yönetmeliği üze-rinden ele alarak açıklığa kavuşturmayı amaçlar. Bu çalışma, rüzgâr türbini imalatı & tasarımının yanı sıra iletim hatlarında karşılaşılan sorunlara da bir bakış getirmeye ça-lışmıştır. Modelleme, yanıtlanması gereken birçok soruyu da beraberinde getiriyor olması dolayısıyla sistem araştırma ve geliştirme çalışmalarında önemli bir yer edin-mektedir. Böyle bir modelleme sırasında karşılaşılabilecek çeşitli zorluklar tek bir mo-delleme yazılımı ile giderilemeyebilir. Birçok farklı uluslararası şirketin yayınlamış olduğu kurum içi programa ek olarak, enerji sistemleri üzerine en yaygın olarak bilinenleri EMTDC/PSCAD ve PSS/E yazı-lımlarıdır. Araştırma ve özellikle koruma ve kontrol işlemleri için genellikle Matlab / Simulink yazılımı kullanılır. Bütün bu programlar, günümüzdeki kullanılmakta olan farklı araştırma amaçları doğrultusunda geliştirilmiş olan genel veya özel amaçlı mo-delleri basitleştirmektedir. Son dönemde, rüzgâr türbin teknolojisi sadece şebeke kay-naklı hataları ele aldığından; geliştirilen modeller bu teknolojiye özgü talepleri karşı-lamamaktadır. Özellikle, rüzgar türbini ve şebekenin; birbirlerine olan etkileri, etkile-şimleri ve şebeke hataları ile asimetrik işlem altındaki davranışları daha fazla araştır-maya ihtiyaç duymaktadır. Bu tez çalışması bu sebeple geliştirilmiş bir rüzgâr türbini tasarımına da değinmektedir. Modelleme için bilinen ve yaygın olarak kullanılan Mat-lab / Simulink programı seçilmiştir. Program matematiksel diferansiyel denklemlerin çözümü ve açıklanması için güçlü bir araçtır ve bu sayede oldukça geniş bir aralıkta modelleme olanağı sağlamaktadır. Rüzgar türbininin elektriksel ve mekaniksel karak-teristikleri arasında bir arayüz olarak asenkron generatörün tasarlanması bu araştırma çalışmasının merkez noktasını oluşturmaktadır. Üçüncü bölüm, bir asenkron generatör modelinin tasarım ve geliştirilmesini detaylı bir şekilde açıklar. Model sadece generatör imalatçıları tarafından uygulanan bir mini-mum parametre setini kullanır.Simülasyonun kesinliği; deney ölçümleri ile doğrulanan ana ve kaçak endüktans doyumlarını içermesiyle sağlanır. Generatör doyum sonuçla-rının etkisi generatörün kendisinin ve tüm rüzgar türbininin davranışına ilişkin olarak tartışılmıştır. Her ne kadar generatör modellemesi rüzgar türbin modeli tasarımı için öncelikli olsa da rüzgar türbinini tamamlayan diğer ekipmanların tasarlanması da ayrı-ca önem arz etmektedir. Üç fazlı bir transformatör ve özellikle üç fazlı bir ototransformatör tasarımı ayrıca incelenmiştir. Rüzgâr türbin modelleri, temel kontrol sistemini içeren mekanik ve ae-rodinamik kısımların modellenmesiyle tamamlanır. Dördüncü bölüm, tüm rüzgâr sant-rali için koruma ve kontrol fonksiyonlarını üstlenen röle ünitesini esas alan koruma yaklaşımını açıklar. Bu yaklaşım, şebekede oluşan bir arıza sebebiyle oluşan dinamik-lerin incelenmesi ve dolayısıyla küçük bir elektrik ağı oluşturulmasına olanak tanıyan sistem güvenilirliğini arttırırken koruma ve kontrol sistem giderlerini düşürür. Son olarak, geliştirilen rüzgâr türbin modelleri ile hata durumları incelenmiştir. Hata du-rumu sırasında rüzgâr türbinin davranışının yanı sıra generatör üzerindeki etkileri de simülasyon sonuçlarına bağlı olarak kısaca ele alınmıştır. Matlab / Simulink progra-mında hata durumları araştırmaları için gelişmiş rüzâr türbin modellerinin geliştirile-bilmesinin muhtemel olduğu sonucuna varılabilir. Bununla beraber bu tez çalışmasının başka bir sonucu da küçük bir enerji sistemindeki bir rüzgâr türbininin detaylı model-lemesi için Matlab / Simulink programının ideal modelleme aracı olamayabileceği yö-nünde. Diferansiyel denklemlerin karmaşıklığı yüksek sayıdaki iterasyon işlemi ile birleşince modelin kullanımını kısıtlayan sistem kararsızlıklarına yol açmaktadır. Diğer bir yan-dan geliştirilen modeller daha sonraları yapılacak olan modelleme çalışmaları için te-mel olarak görülebilir. Sunulan modeller, farklı amaçlarla -harmonik araştırmaları gibi- geliştirilmeye açık durumdadırlar. Makinenin kontrolüne dair azaltılmış doyum etkisi, temel olarak makinenin doğal davranışından kaynaklanan hatayı kompanze eder. Do-yum etkisi çok güçlü bir koruma ile çift besleme işlemi sırasında özellikle azalır. Tüm türbin sisteminin doğrulanması veya kontrol sistemi üzerindeki etkilerin araştırılması-na dair daha fazla çalışma gerçekleştirilebilir. Dahası, geliştirilen rüzgâr türbin model-leri şebeke hatalarının araştırılmasında kullanılabilir. Kabaca yapılmış tahminlere göre yatırım yapılmasına karar verilemez. Bu nedenle her ülkede veya bölgede, rüzgâr enerjisi kaynağını ortaya çıkaracak daha detaylı analizler yapılmalıdır. Durumun ayrıca çevresel şartlara göre de değerlendirilmesi, düşük veya yüksek sıcaklık, buz, kar, havada üflenen kum ve havanın tuz ihtiva ettiği yerlerin dikkatle incelenmesine gerek vardır. Türbinlerin değerlendirilmesi, test metodları için pratik tavsiyelerin geliştirilmesi, karma sistemler, deniz rüzgâr sistemleri, türbülans etkisi ve rüzgâr meteorolojisini de kapsayan projelerin yürütülmesi için bir iş bölümü yapılmalıdır. Rüzgâr türbinlerinin güç kalitesi, elektriksel karakteristikleri tarafından tanımlanır. Rüzgar türbinlerinin güç kalitesinin belirlenmesi konusunda uluslararası ve farklı ülkelerin ulusal standartları güç kalite ölçümlerine ilişkin şartları belirlemektedir. Anahtarlama işlemlerinin söz konusu olduğu durumdaki güç tepeleri, harmonik yayın, reaktif güç, kırpışma ve elektriksel davranış bu standartlara göre ölçülmektedir. De-ğişken-hızlı rüzgâr türbinleri ve sabit-hızlı rüzgâr türbinleriyle karşılaştırıldığında daha yumuşak bir güç çıkışına sahiptir ve aktif ve reaktif gücü kontrol edebilir. Ancak de-ğişken-hızlı türbinler, harmonik yayın üretme dezavantajına sahiptir. Lokal seviyede, kararlı- durum değişimi, genelde şebeke bağlantısı için sınırlayıcı faktördür. Şebeke arızaları, aktif ve reaktif gücün kontrolü söz konusu olduğunda, şebekenin desteği gibi rüzgâr türbinlerinin ve rüzgâr çiftliklerinin şebeke bağlantısına ilişkin olarak ilâve hususlar ülkelerin şebeke kodu dokümanlarında mevcuttur. Genel olarak, rüzgâr ener-jisi endüstrisi, yeni enterkoneksiyon standartlarında verilen artırılmış şartlara uygun-dur. Ancak, bazı durumlarda, bu, bir rüzgâr türbininin ya da rüzgâr çiftliğinin toplam maliyetini büyük ölçüde artırabilir. Dünyada sanayideki gelişmeler ve artan nüfus karşısında enerji harcamaları hızlı bir şekilde artmış ve yıllardır kullanılan fosil kay-naklar tükenmeye başlamış ve ayrıca beraberinde büyük çevresel sorunlar da getirmiş-tir. Bunun sonucu olarak yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma gün-deme gelmiştir. Bu çalışmada; yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan ve son yıl-larda ülkemizde de yaygın olarak kullanılan rüzgâr enerjisi konusu ele alınmıştır. Bu-rada önemli olan rüzgâr enerjisi potansiyelinden daha verimli yararlanabilmektir. Kü-çük çapta enerji üretimi için kullanılan Savonius rüzgâr çarkları ile ilgili çalışmalar ve özellikle düşük rüzgâr hızlarında kullanımı üzerinde durulmuştur. Fakat büyük ölçek-te enerji üretimi söz konusu olduğunda Darrieus tipi rüzgâr türbinlerinin kullanımı ön plana çıkmaktadır. Dünya'da araştırmaların sürdürüldüğü Darrieus rüzgâr türbinleri yavaş yavaş dünyaya yayılmaya ve özellikle Çin'de kullanılmaya başlanmıştır. Bu türbinler hem yapım ve hem de işletim kolaylıkları yanında MW mertebesinde tesislerin yapımı içinde uygun-dur. Düşey eksenli olduğu için bir kuleye ihtiyaç duyulmadığı gibi dişli kutusu ve jeneratör gibi büyük hacimdeki düzeneklerin kule tarafından taşınması da söz konusu değildir. Jeneratör ve kontrol mekanizması yeryüzüne yakın olduğu için montaj ve bakımları daha kolaydır. Bu türbinlerin kendi kendine ilk harekete başlama gibi sorun-ları ise birleşik Savonius-Darrieus türbini ile giderilmiştir. Darrieus rüzgâr türbinlerinin kanat tipleri ile ilgili hesap yöntemleri için metin içinde verilen literatürlerden yararla-nılabilir. Bunlar içinde en uygun tiplerden biri Sandia Laboratuarında geliştirilen tip-tir. Kanat profilleri için simetrik NACA 65-018 ve NACA 0012 örnek olarak verilme-li ve bunlara ait iki profil örneği gösterilmelidir. Mukavemet açısından NACA 65-018 profili daha uygundur. Uygun kanat profili seçilerek tip projeler geliştirmek suretiyle deniz kıyısında ve düz arazilerde uygulamalar yaygınlaştırılabilir. Yüksek rüzgâr hız-larında Darrieus rüzgâr çarklarının mukavemetleri yatay rüzgar çarklarınınkine göre daha iyidir. Kanat uçları olmadığından ve ayrıca tahrik mekanizmaları yer seviyesinde monte edildiğinden daha sessiz çalışırlar. Normal işletme koşulları altında modelin davranışı, kararlı hal ölçümlerinin karşılaştı-rılmasıyla ve dinamik hata durumları sırasında makine modelinin uygulanabilirliği, makinenin bir deney düzeneğinde doğrudan çalıştırılmasıyla doğrulanır. Görülmekte-dir ki, makinenin kaçak endüktans doyumu düşüncesi özellikle hata durumları sıra-sında önemlidir. Ana ve kaçak endüktans doyum etkilerini içeren bir makine modeli ile simule edilmiş bir stator akımı test düzeneğindeki ölçümleri ile karşılaştırıldığında; yüksek akımlarda pik değerlerde %20 oranında bir hata gözlenirken; %2 den daha az bir hata göstermektedir. Her ne kadar %20 oranındaki hata büyük olsa da, diğer bü-tün etkilerin ihmal edildiği basit bir makine modeli ile yapılan bir simülasyon karşılaş-tırmasında hatada %10 oranında bir düşüm görülür. Yakınlık etkisi (proximity effect) ve demir kayıpları gibi bu çalışmada yer almayan ek etkilerin göz önünde bulundu-rulmasıyla hata oranında daha fazla azalma elde edilebilir. Üç fazlı generatör modeline ek olarak, üç fazlı bir sistemdeki tüm elektrik ağı tasvir-lenmiştir. Üç fazlı modellerin geliştirilmesi ve Matlab/Simulink programı ile gerçek-lenmesi oldukça zorlayıcı bir işlem haline gelmiştir. Sistemlerin matematiksel temsilini basitleştirmek için kullanılan "Park Dönüşümü" gibi dönüşümler kontrol strateji tasa-rımı gibi amaçlar için uygun olmakla birlikte bu modellerin gereksinimleri için yeter-sizdir. Dq-bileşen temeline dayanan bir sistem modeli (örneğin Park Transformation) ile rüzgar türbininin simetrik hata durumlarının incelenmesi mümkün olsa da, tüm sistem konfigürasyonları hakkında detaylı bir bilgi ve asimetrik simülasyon gibi çeşitli kullanım ve gelişimlere adaptasyon için kısıtlı bir kapsam olduğunu varsayar. Üç fazlı bir sistem kullanımı dönüşüm teorisiyle anlatılan her türlü geçersiz varsayım-lardan uzaklaşır ve model için öncelikli olan fiziksel sisteme oldukça yaklaşır ve daha az hata olanağı sağlar. Üçüncü bölümde makine modellemesi sayesinde kazanılan deneyim kullanılarak; üç faz-iki sargılı, üç faz-üç sargılı ve üç fazlı ototransformatör tasarımı anlatılmaktadır. Rüzgâr türbinini tamamiyle simüle etmeye yarayacak olan jeneratör, transformatör, şebeke elemanları ve kaynak gibi elektriksel elemanları bağ-lamak için kullanılan modelleme metodu, bu çalışmada incelenmiştir ancak çalışma kapsamında yer almamaktadır. Rüzgar türbin modellemesinin gerçekleştirilmesi;, aerodinamikler için kullanılan mo-dellemeler (Rüzgar gücü modellemesi, kanatların eğimi ve 3p- etkisi), mekanik model-leme (iki kitle kullanarak: kanatların ve sürüş yatağının kütlesi ve jeneratör ekseni) ve kontrol sistemleri modellemeleri kullanılarak tamamlanmıştır. Aerodinamik ve meka-nik elemanlar modellemeleri ve kontrol sistemleri, yayınlanan farklı makale/yayınlar kullanılarak ve çeşitli doğrulama prosesleri kullanılarak geliştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında karşılaşılan en büyük zorluk, mevcut modellerle, çalışma kapsamında geliştirilen ileri seviye elektriksel modellerin, etkili bir bütünlük gösteren modelde harmanlanmasıdır. Zira, araştırılan rüzgar türbini korumaları çok fark göstermektedir, Sinovel rüzgar türbini modeli içindir. Röle koruması içeren rüzgar türbini koruma sis-temi, ilgili bölümde açıklanmış ve beyan edilmiştir. Geliştirilen modellerde, rüzgâr türbininin mevcut şebeke bağlantısı gereklerinden kaynaklanan hata simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Sunulan birçok gereklilikten ötü-rü, bir "2 faz kısa devre" ve bir "gerilim dalgalanma" hataları incelenmiştir. "2 faz kısa devre" hatası, ilgi çekici bir durumdur çünkü görece sıklıkla görülür ve asimetrik bir olaydır. İlaveten, operasyon limitleri içerisinde bir "gerilim dalgalanması" da incelen-miştir. Her iki hata da, doyma etkisini içerebilen ve çıkartabilen bir jeneratör model-lemesi ile incelenmiştir. Koruması olmayan bir makinenin simülasyonu sırasında, bu efektler önemli bir rol oynamaktadır, fakat korunan bir türbinde minimal bir etkisi olmaktadır. Normal çalışma şartları altında, makine doyma etkisi minimaldir ve çalışı-lan makine tipinde ihmal edilebilir. Ancak, hata durumlarında, doyma etkileri bazı makinelerde çok daha büyük bir etki-ye sahiptir. Araştırılan bu iki spesifik örnek, genel bir kanıya varmak için yeterli bir temel oluşturmamaktadır. Bu nedenle, şebeke hata durumu çalışmalarında, genel bir kanıya varılana dek bu durum doyma etkilerini göz önünde bulundurma adına bir avantajdır. Anahtar kelimeler: Rüzgar Türbinleri, Koruma ve Modelleme

Wind energy is fast becoming the most preferable alternative to conventional sources of electric power. Owing to the perennial availability of wind and the considerable range of power control, wind turbines are now coming up in almost all parts of the world. In the early days of development, wind turbines were designed to rotate at constant speed through pitch control or stall control. The modern wind turbines imp-lement pitch control in order to tap maximum energy at wind speeds lower than rated wind speed. These developments raise a number of challenges to be dealt with now and in the future. The penetration of wind energy in the grid system raises questions about the compatibility of the wind turbine power generation with the grid. In parti-cular, the contribution to grid stability, power quality and behavior during fault situa-tions plays therefore as important a role as the reliability. The main motivations of this thesis are the challenges related to grid connection of wind turbines, protection and modeling. The second chapter clarifies recent thinking in the area of wind turbine development by discussing several grid codes/grid requirements. In the discussion, this thesis tried to demonstrate the view of the transmission line operation as well as the challenges wind turbine manufacturing. However, since wind turbine technology only has re-cently had to address grid related faults, models do not satisfy the demands peculiar to this technology. The improvement of the large asynchronous generator model as an interface between the mechanical and electrical characteristics of a wind turbine takes a central part in this research process. Chapter 3 presents the development and imp-lementation of a detailed analytical asynchronous generator model. Although the generator model is of primary interest for improving the wind turbine model, the imp-lementation of the other elements completing a total wind turbine model have been challenging as well. The development of a three-phase transformer model and especi-ally a three-phase autotransformer is also shown. The wind turbine models are comp-leted by modeling the mechanical and aerodynamical parts of the wind turbine and include the basic control system. Chapter 4 deals with the protection approach based on Relaying Unit which executes protection and control functions for a whole wind farm. This approach reduces the total installed costs for protection and control sys-tems, while increasing system reliability which enable the possibility to create a small electrical network and thereby give the possibilities to research the dynamics introdu-ced by a fault in the grid. Finally fault situations have been studied with the develo-ped wind turbine models. The influences on the generator as well as the behavior of the wind turbine during these faults are briefly discussed based on the simulation results. It can be concluded, that it has been possible to build advanced wind turbine models in Matlab/ Simulink for researching fault situations. Keywords: Wind Turbine, Protection and Modelling