Kalıcı mıknatıslı senkron generatör kullanan rüzgâr türbinlerinin kontrol yöntemlerinin karşılaştırması
Comparative study of wind turbine control methods with permanent magnet synchron generator
Yazar: MAHMUD MIARRİ
Danışman: PROF. DR. NURETTİN ABUT
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik enerjisine olan talebin artması ve doğal kaynakların azalması nedeniyle rüzgâr, güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları araştırılmaya başlanmıştır. Rüzgâr enerjisi, diğer kaynaklara göre birçok avantaja sahiptir. Temiz ve sürdürülebilir olması nedeniyle en önemli alternatif enerji kaynaklarından biri olarak kabul edilir. 
Rüzgâr enerjisi üretim sistemi genel olarak bir rüzgâr türbini, bir elektrik generatörü, bir elektronik dönüştürücü ve kontrol sistemlerinden oluşur. Kalıcı Mıknatıslı Senkron Generatörler (KMSG), düşük ağırlık, yüksek enerji yoğunluğu, geniş çalışma alanı ve yüksek performans gibi özellikleri nedeniyle Değişken Hızlı Rüzgâr Enerjisi Dönüşüm Sistemlerinde (DH-REDS) kullanılmaktadır.
Bu çalışmada, rüzgâr enerjisi sistemlerinin elektrik şebekesine entegre edilebilmesi için hem generatör tarafında kullanılan doğrultucu hem de şebeke tarafında kullanılan inverter için çeşitli kontrol algoritmaları değerlendirilmektedir. Oransal-Integral (PI) kontrolörü, Geri Adımlamalı (GA) kontrolü ve Bulanık Mantık kontrolörü (BMD) kullanarak generatör hızını ve bağlantı gerilimini ayarlamak ve sistem performansını optimize etmek amaçlanmaktadır. Bu üç kontrol yönteminin performansı ve etkinliği karşılaştırılmış ve en uygun kontrol algoritmasının belirlenmesi amaçlanmıştır. MATLAB/SIMULINK ortamında yapılan simülasyonlarla gerekli modeller oluşturulmuştur.
Ayrıca, rüzgâr hızının sürekli değişmesi nedeniyle maksimum güç çıkışını sağlamak ve kanatların maksimum verimle dönmesini sağlamak için Maksimum Güç Noktası Takibi (MGNT) algoritması kullanılmıştır.
Sonuç olarak, generatör tarafında (GA) yöntemi önerilmektedir. Bu yöntem, optimizasyon problemlerinde hedeflenen değere adım adım yaklaşmak için geriye doğru hesaplamalar yapar. Cevap hızını artırırken aşma sınırını azaltır ve geçici durumlarda kararlılık avantajı sağlayarak sistem performansını iyileştirir. Elektrik şebekesi tarafında ise hibrit (GA) ve (PI) kontrolörleri, değer denetleyicilere kıyasla sistemin daha fazla stabilitesini sağladığını ve reaktif gücün sabit ve geçici durumda sıfıra eşit olmasına katkıda bulunduğunu göstermiştir.

Abstract:
Due to the increasing demand for electricity and the depletion of natural resources, renewable energy sources such as wind and solar energy have been researched. Wind energy has many advantages over other sources. It is clean and sustainable, making it one of the most important alternative energy sources.
A wind power generation system generally consists of a wind turbine, an electric generator, an electronic converter, and control systems. Permanent Magnet Synchronous Generators (PMSGs) are used in Variable Speed Wind Energy Conversion Systems (VS-WECS) due to their low weight, high energy density, wide operating range, and high performance.
In this study, various control algorithms are evaluated for integrating wind energy systems into the electrical grid, both for the rectifier used on the generator side and the inverter used on the grid side. The goal is to optimize system performance by adjusting the generator speed and connection voltage using Proportional-Integral (PI) control, Backstepping (BS) control, and Fuzzy Logic control (FLC). The performance and effectiveness of these three control methods are compared to determine the most suitable control algorithm. Simulations were performed in MATLAB/SIMULINK to create the necessary models.
Additionally, due to the constant change in wind speed, a Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm was used to ensure maximum power output and optimal rotation of the blades.
As a result, the Backstepping method is recommended for use on the generator side. This method performs backward calculations to approach the target value step by step in optimization problems. It increases response speed while reducing overshoot and improves system performance by providing stability advantages during transient conditions. On the electrical grid side, hybrid (BS) and (PI) controllers were shown to provide greater stability to the system compared to value controllers and contributed to maintaining reactive power at zero during both steady-state and transient conditions.