Çift beslemeli asenkron generatör tabanlı değişken hızlı rüzgâr türbinlerinin kontrolü, tasarımı ve analizi

Abstract

Son yıllarda dünya üzerinde yaşanan enerji krizi, enerji fiyatlarında meydana gelen artış, giderek artan enerji talebi ve bu talebi karşılayacak yenilenemeyen enerji kaynaklarındaki azalıştan dolayı alternatif enerji kaynaklarının araştırılması ve geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. Dünyanın artan enerji ihtiyacının temiz, ekonomik ve güvenli bir şekilde karşılanmasında yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi artmıştır. Bu kaynaklardan biride, elektrik üretiminde en yüksek büyüme oranına sahip olan rüzgâr enerjisidir. Rüzgâr tarafından üretilen kinetik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi için rüzgâr türbinleri kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinleri sabit hızlı ve değişken hızlı olmak üzere iki farklı şeklinde kullanılmaktadır. Rüzgâr tarafından üretilen kinetik enerji genellikle değişkendir. Bu değişimi daha verimli bir şekilde kullanmak ve türbin verimini arttırmak için günümüzde çoğunlukla değişken hızlı rüzgâr türbinlerinin üretimi tercih edilmektedir. Değişken hızlı rüzgâr türbin sistemlerinde genellikle doğrudan sürülen senkron generatörler ve çift beslemeli asenkron generatörler tercih edilmektedir. Çift beslemeli asenkron generatörler (ÇBAG)'lerde aktif ve reaktif güç ayrı ayrı kontrol edilebilmektedir. Güç elektroniği dönüştürücü gücünün sistem gücünden küçük olması nedeniyle maliyetleri azdır. Bozucu etkilere karşı dayanıklı ve kararlıdırlar. Bu gibi avantajlarından dolayı son yıllarda kullanımı artmıştır. Ancak karmaşık modele ve çok sayıda parametreye sahip olmalarından dolayı kontrol edilmeleri oldukça zordur. Bu tez çalışmasında çift beslemeli asenkron generatör tabanlı değişken hızlı rüzgâr türbinlerinin yapısı ve kontrolü incelenmiştir. Çift beslemeli asenkron generatör tabanlı değişken hızlı rüzgâr türbin sisteminin kontrolü için vektör kontrol algoritması uygulanmıştır. ÇBAG'ler çift taraflı enerji akışı sağlayabilmesinden dolayı, arka arkaya bağlı iki adet çift yönlü güç elektroniği dönüştürücüsünden oluşur. Rotor tarafına bağlanan dönüştürücü devresi ile değişken hız kontrolü amaçlanmıştır. Tüm sistemin parametreleri belirlenip matematiksel modeli oluşturulmuştur. Değişken hızlı rüzgâr türbinlerinde kullanıma yönelik, dayanıklı ve uygulanabilir yüksek performanslı, çift beslemeli bir asenkron generatör kontrol sistemi oluşturulmuştur. Ayrıca ÇBAG'nin kontrolü için sürücü devre kartı tasarlanmıştır. ÇBAG'nin kontrol algoritmasını tasarlamak için MATLAB/Simulink paket programı kullanılmıştır. Sürücü devre kartının tasarlanmasında AUTODESK/Eagle bilgisayar paket programı kullanılmıştır. Tasarlanan sistem kontrolü ve sürücü devre kartının değişken hızlı rüzgâr türbin sistemlerine uygulanabilirliği başarılı bir şekilde kanıtlanmıştır.

In recent years, research and develop of alternative energy sources has become mandatory due to the energy crisis in the world, the increase in energy prices, the increasing energy demand and the decrease in non-renewable energy resources to meet this demand. For meet in a manner clean, economic and safe the world's growing energy needs has increased importance of renewable energy sources. Too one of these sources is wind energy which has the highest growth rate in electricity generation. To convert of kinetic energy produced by wind into electrical energy are used the wind turbines. Wind turbines are used in two different ways as constant speed and variable speed. Kinetic energy produced by the wind is often variable. In order to use this change more efficiently and to increase the turbine efficiency, mostly is preferred the production of variable speed wind turbines. In the variable speed wind turbine systems are generally preferred sencron generators and double feed induction generators. In the DFIGs can be controlled separately active and reactive power. Because the DFIG's power electronics converting power is less than the power of the system, its cost is low. DFIGs are durable and stable against disturbing effects. Due to such advantages, its use has increased in recent years. However, because DFIGs have a complex model and many parameters, it is very difficult to control. In this thesis, the structure and control of double feed induction generator based variable speed turbines are examined. For control of the double fed induction generator based variable speed wind turbine system is applied vector control algorithm. DFIGs consist of two bi-directional power electronics converters connected to each other due to the fact that they can be a double-sided energy flow. Variable speed control with the converter circuit connected to the rotor side is intended. The parameters of the whole system were determined and the mathematical model was created. A durable and applicable high-performance, double fed induction generator control system for use in variable speed wind turbines has been created. In addition, for the control of DFIG is designed the drive circuit board. For to design the algorithm of the doubly feed induction generator is used the MATLAB/Simulink program. For to design the driver board is used AUTODESK / Eagle computer package program. The designed system algorithms have been successfully run as simulation and experimental. Simulation results and experimental results are given. Of the created system algorithms and the drive circuit board applicability to variable speed wind turbine systems have been successfully proven.