Rüzgar türbinlerinde yön kontrolü algoritmasının enerji dönüşümüne etkileri ve gelişmiş bir algoritma önerisi

Abstract

Rüzgar türbinlerinde rotor yönü kontrolünün temel amacı rüzgar türbininin yatay ekseni ile rüzgar yönü arasındaki sapma açısını azaltmak böylece enerji dönüşümünü artırmaktır. Aynı zamanda sapma açısı nedeniyle kanatlar üzerinde oluşan değişken torkun önlenmesi sağlanır. Rüzgar yönünün sık ve ani değişimler gösteren yapısı nedeniyle sürekli bir takip uygun bir yöntem değildir. Etkili bir yön kontrolü için uygun kontrol algoritmalarının geliştirilmesi gerekmektedir.Bu tez çalışmasında rüzgar türbinlerinde yön kontrolünün enerji dönüşümüne etkileri incelenmiştir. Erteleme süresi tabanlı üç farklı algoritmaya ait modeller oluşturulmuştur. Birinci algoritmada rüzgar yönünün sürekli takibi sağlanmıştır. İkinci algoritmada sapma açısı kademelere ayrılarak her kademe için farklı birer erteleme süresi atanmış, bu sürenin sonunda sapma açısı devam ediyorsa takip başlatılmıştır. Kademe sayısının etkilerinin görülebilmesi için 180°'lik sapma açısı aralığının 2, 4 ve 6 kademeye ayrıldığı üç model oluşturulmuştur. Üçüncü algoritma ile oluşturulan iki modelde erteleme süreleri sapma açılarına bağlı sürekli lineer ve eksponansiyel fonksiyonlar ile tanımlanmıştır. Modeller MATLAB®/Simulink programı kullanılarak oluşturulmuş ve simülasyonları yapılmıştır.Simülasyon sonuçları karşılaştırıldığında 6.6 m/s ortalama rüzgar hızı için erteleme süresi kullanılmayan modelin en düşük enerji üretimini sağladığı görülmüştür. Kademeli erteleme süresi kullanılan modellerde kademe süresi arttıkça daha iyi sonuç alınmıştır. En yüksek enerji üretimini ise sürekli fonksiyon tabanlı erteleme süresi kullanılan modeller vermiştir. Farklı rüzgar hızlarıyla yapılan simülasyonlar erteleme süresi algoritmalarının, ortalama rüzgar hızı arttıkça düşük performans verdiğini göstermiştir. Farklı durumlar için en uygun algoritma, bölgenin rüzgar karakteristikleri ve kullanılan türbinin özelliklerine göre değişkenlik gösterebilir.

The main aim of wind turbine yaw control system is to increase energy conversion by reducing yaw error. Yaw control is also necessary for alleviating fatigue loads caused by the variations of torque on rotor. Due to the frequent variations in wind direction, tracking wind continuously is not an appropriate method. Convenient control algorithms are necessary for wind turbine yaw control.This thesis focus on the effects of yaw control algorithms on energy conversion. Three different algorithms based on time delay variations were constructed. The first algorithm continuously tracks wind direction. In the second algorithm yaw angles were divided into groups and a time delay value was assigned for each of them. Three models were generated by dividing 180° yaw angle interval into 2, 4 and 6 groups. In the third algorithm time delays were determined by defining continuous functions related to yaw errors. Two models with linear and exponential time delay functions were constructed. The models were simulated using MATLAB®/Simulink.For 6.6 m/s average wind speed, the first algorithm gave the lowest energy production. The best energy conversion results were obtained by the models of the third algorithm. The simulations with different wind speed data show that the effectivity of time delay algorithms decrease with increasing wind speed. For different cases, more convenient algorithms can be generated depending on local wind conditions and properties of wind turbine used.