Rüzgâr enerjisi santral kurulmasında akıllı optimal metot geliştirilmesi
Development of intelligent optimization method for wind power plant installation
Yazar: İBRAHİM ÇELİK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ŞEKKELİ
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Rüzgâr enerjisi santrali (RES) kurulumunda en önemli konulardan birisi RES'in yıllık enerji üretim (YEÜ) değerini en yüksek hale getirmektir. Bunu gerçekleştirebilmek için rüzgâr türbinleri (RT) birbirlerine en az iz etkisi oluşturacak şekilde yerleştirilmelidir. Bunu yapmak için RES'in bir matematiksel modelinden faydalanılmaktadır. Bu modelde rüzgâr ölçüm verileri, RES sahası topografik özellikleri, pürüzlülük katsayısı, RT güç eğrisi, itki katsayısı eğrisi ve sahanın sınır değerleri vb. gibi birçok değişken ve kısıt kullanılabilmektedir. Bu model oldukça zor ve karmaşık bir yapıda olabilmektedir.  Bu nedenle modelin çözümünde birçok farklı optimizasyon algoritması kullanılmaktadır.  
Bu çalışmada iki farklı RES kurulum modeli geliştirilmiştir. İlk model, 10 adet RT'den oluşan farazi bir RES kurulumu içindir. Bu çalışmanın ilk aşamasında RES'in kurulacağı bölge belirlenmiştir. Daha sonra bu RES için bir matematiksel model geliştirilmiştir. Bu modelde; RES kurulum sahasından alınmış rüzgâr ölçümleri, RES kurulum bölgesinin topoğrafik haritası ve WAsP (Rüzgâr Atlası Analiz ve Uygulama Programı) yazılımı kullanılmıştır. İkinci aşamasında, bölgeye rastgele yerleştirilecek RT'lerin üreteceği toplam YEÜ değeri için genel bir yöntem oluşturulmuştur. YEÜ hesaplaması için RT'lere ait teorik bir güç eğrisi kullanılmıştır. Çalışmanın üçüncü aşamasında, geliştirilen model sırasıyla Genetik Algoritma (GA), Parçacık Sürü Optimizasyon (PSO) algoritması ve Yapay Arı Kolonisi (YAK) algoritması yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Çözüm sonuçlarından optimal RT koordinatları elde edilmiştir. Sonuçların değerlendirilmesi amacıyla WAsP yazılımından alınan ortalama rüzgâr hızı haritası kullanılarak bu koordinatlara RT'ler yerleştirilmiştir. Çözüm sonuçlarına göre, ilk çalışmada RES'in YEÜ değeri 58,905 GWh olarak bulunmuştur. İkinci ve üçüncü çalışmada RES'in YEÜ değeri sırasıyla 58,798 GWh ve 59,433 GWh olarak bulunmuştur. Ayrıca bu çalışmalarda ortalama rüzgâr hızı haritasında RT yerleşimlerinin yüksek enerji üretim potansiyeline sahip bölgelere yapıldığı görülmüştür. Bu çalışmadaki ikinci model, Türkiye'nin güneyinde yer alan 10 adet RT'den oluşan gerçek bir RES için gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın ilk aşamasında matematiksel model için çeşitli varsayımlar ve kısıtlar belirlenmiştir. Bu modelde, bir RT için YEÜ hesaplaması, güç eğrisi ve rüzgâr hızının olasılık yoğunluk fonksiyonu kullanılarak incelenmiştir. Jensen'in çoklu iz etkisi modeli, rüzgâr esme yönü ve topoğrafik etki göz önünde bulundurularak incelenmiştir. Ayrıca gerçek rüzgâr ölçüm verileri, RT'nin deneysel güç eğrisi, değişken itki katsayısı eğrisi ve gerçek RT karakteristik özellikleri dikkate alınmıştır. İkinci aşamada GA, PSO algoritması ve YAK algoritması kullanılarak geliştirilen modelin çözümü sunulmuştur. Optimal RT koordinatları belirlenmiştir. Ayrıca WAsP, RES'in YEÜ değerinin hesaplanmasında ve geliştirilen modelin sonuçlarının doğrulanmasında kullanılmıştır. Mevcut RES'in gerçek YEÜ değeri 51,570 GWh'tır. Mevcut RES'in geliştirilen modelde ve WAsP yazılımında YEÜ değerleri sırasıyla 50,487 GWh ve 50,665 GWh olarak bulunmuştur. Geliştirilen modelin sırasıyla GA, PSO algoritması ve YAK algoritması kullanılarak çözümü ile RES'in YEÜ değeri sırasıyla 54,369 GWh'a, 54,229 GWh'a ve 54,366 GWh'a çıkarılmıştır. Belirlenen bu aday RES'ler sırasıyla WAsP yazılımında modellenmiştir. RES'lerin YEÜ değerleri sırasıyla 54,457 GWh, 54,245 GWh ve 54,432 GWh olarak bulunmuştur. İlk çalışma sonucunda RES'in YEÜ değerinde %7,48'lik bir artış olmuştur. İkinci çalışmada RES'in YEÜ değerinde %7,07'lik bir artış olmuştur.  Üçüncü çalışmada RES'in YEÜ değerinde %7,44'lük bir artış olmuştur. Bu çalışmalarda, geliştirilen modelin çözüm sonuçlarıyla WAsP yazılımı sonuçları yaklaşık olarak aynı bulunmuştur. Buradan geliştirilen modelin etkili bir şekilde gerçekleştirildiği görülmüştür. Ayrıca modelin çözümüyle RES'in YEÜ değeri artırılmış ve bu sayede yıllık üretim maliyeti minimize edilmiştir.

Abstract:
One of the most important issues in the installation of Wind Power Plant (WPP) is to maximize the annual energy production (AEP) value of WPP. To achieve this, wind turbines (WT) should be positioned in a way to create the least wake effect on each other. To do that, a mathematical model of WPP is utilized. In this model, many variables and constraints can be used, including wind measurement data, topographic features of WPP site, roughness coefficient, WT power curve, thrust coefficient curve and limit values of the area etc. This model can have a quite difficult and complex structure.  For this reason, many different optimization algorithms are used in the solution of model.  
In this study, two different WPP installation model is developed. The first model is for a hypothetical WPP installation consisting of 10 WTs. In the first stage of this study, the WPP installation region is determined. Then, a mathematical model is developed for this WPP. In this model; wind measurements taken from the WPP installation region, topographic map of the WPP installation region and Wind Atlas Analysis and Application Program (WAsP) software are used. In the second stage, a general method has been formed for calculating the total AEP value by the WTs to be placed randomly in the region. A theoretical power curve belongs to the WTs is used for the AEP value calculation. In the third stage of the study, the developed model is solved respectively by using the Genetic Algorithm (GA), Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm and Artificial Bee Colony (ABC) algorithm method.   Optimal WT coordinates are obtained from the solution results. In order to evaluate of the results, WTs are placed in these coordinates using the average wind speed map from the WAsP software. According to the solution results, the AEP value of WPP in the first study is found to be 58.905 GWh. The AEP value of WPP in the second and third study is found to be respectively 58.798 GWh and 59.433 GWh.  Furthermore, it has been observed that WT placements are made to the regions in these studies, which have high energy production potential in the mean wind speed map. 
The second model in this study is realized for a real WPP consisting of 10 WTs located in the south of Turkey. In the first stage of the study, various assumptions and constraints is defined for the mathematical model. In this model, the AEP calculation for a WT is analyzed using the power curve and the probability density function of wind speed. Jensen's multiple wake effect model is analyzed considering the wind direction and topographic effect. Also, the real wind measurement data, the experimental power curve of WT, variable thrust coefficient curve, and the real WT characteristic features are taken into account. In the second stage, the solution of developed model using GA, PSO algorithm and ABC algorithm is presented. Optimal WT coordinates are determined. Also, WAsP is used in calculating WPP AEP value and verifies the results of the developed model. The real AEP value of the existing WPP is 51.570 GWh. The AEP values of the existing WPP in the developed model and WAsP software are found to be respectively 50.665 GWh and 50.487 GWh. With the solution of the developed model using respectively GA, PSO algorithm and ABC algorithm, the AEP value of WPP is respectively increased to 54.369 GWh, 54.229 GWh and 54.366 GWh. These determined candidate WPPs are respectively modeled in the WAsP software. The AEP values of the WPPs are respectively found to be 54.458 GWh, 54.245 GWh and 54.432 GWh. As a result of the first study, the AEP value of WPP is increased by 7.48%. The second study, the AEP value of WPP is increased by 7.07%. The third study, the AEP value of WPP is increased by 7.44%. In these studies, the results of developed model and the results of WAsP software is found to be approximately the same. It is observed that the developed model is implemented effectively. Also, with the solution of the model, the AEP of WPP is increased and thus the annual production cost is minimized.