Gerilim sensör arızası durumunda kendinden uyartımlı asenkron generatör için hata toleranslı gürbüz kontrolör tasarımı
Fault tolerant robust controller design for self-excited induction generator subject to voltage sensor fault
Yazar: HARİS ÇALGAN
Danışman: PROF. DR. METİN DEMİRTAŞ
Balıkesir Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kendinden Uyartımlı Asenkron Generatör (KUAG) içeren rüzgar türbin sisteminin en önemli dezavantajı çıkış geriliminin ve frekansının uyartım kondansatörüne, generatör hızına ve yük miktarına bağlı olmasıdır. Bu tez çalışmasında sabit kapasitör ve tristör kontrollü reaktör (FC-TCR) yapısı kullanılarak çıkış geriliminin hata toleranslı kontrolü (HTK) amaçlanmıştır. FC-TCR'nin tetikleme açılarının ayarlanmasıyla çıkış gerilimi, generatör hızının ayarlanmasıyla frekans kontrolü gerçekleştirilmiştir.    
Sistemde bulunan kontrol yapısı için kayan kip kontrolör (KKK) ve gürbüz doğrusal kuadratik regülatör-kesirli oransal-integral-türevsel (LQR-FOPIλDµ) kontrolör tasarlanmıştır. KKK'nın tasarımında dq dönüşümleri kullanılmıştır. Gürbüz LQR-FOPIλDµ tasarımı için nominal performans (NP)/gürbüz kararlılık (RS) kayma duyarlılık probleminin çözümüne dayanan bir yaklaşım kullanılmıştır. Optimal çalışma koşulları ele alınarak küçük sinyal modeli oluşturulmuş ve bu model kullanılarak gürbüz LQR-FOPIλDµ kontrolör tasarlanmıştır.
KUAG'ın çıkışlarının kestirebilmesi için radyal tabanlı fonksiyon yapay sinir ağları (RBFNN)  modeli ve küçük sinyal modeli olmak üzere iki farklı model kullanılmıştır. RBFNN ile KKK beraber kullanılarak ilk HTK yapısı oluşturulmuştur. Küçük sinyal modeli ile gürbüz LQR-FOPIλDµ kontrolör beraber kullanılarak ikinci HTK yapısı oluşturulmuştur. Tasarlanan HTK içeriklerinde gerilim hata indeksine bağlı çalışan bir seçici birim bulunmaktadır. Kestirim biriminden gelen hata sinyaliyle beraber seçici birim kontrolör geri beslemesini sensör çıkışının yerine kestirilen değere anahtarlamaktadır. Böylelikle sensör hatası esnasında çıkış geriliminin doğru bir şekilde kontrol edilmesi sağlanmıştır.         
Tasarlanan her iki HTK yapısının başarısı simülasyon çalışmalarıyla kanıtlanmıştır. Bozucu yükler, referans değişimleri ve sensör gürültüleri içeren KUAG sisteminin çıkış gerilimi ve frekansı, gerilim sensörünün arızalanması durumunda başarılı bir şekilde kontrol edilmiştir. Gürbüz LQR-FOPIλDµ kontrolör içeren HTK yapısının performansı deneysel olarak test edilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlara bakıldığında, tasarlanan HTK'nın referans değişimlerinde, sensör gürültülerinde ve gerilim sensörü arızalarında çıkış gerilimini güvenli bir şekilde istenen seviyede tuttuğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
The most important disadvantage of wind turbine system with Self-Excited Induction Generator (SEIG) is that the output voltage and frequency depend on excitation capacitor, generator speed and the amount of load. In this thesis, fault tolerant control of the output voltage (FTC) is aimed by using the fixed capacitor thyristor controlled reactor (FC-TCR) structure. By adjusting trigger angles of FC-TCR, output voltage was controlled, and frequency control was achieved by adjusting generator speed.
Sliding mode controller (SMC) and robust linear quadratic regulator-fractional proportional-integral-derivative (LQR-FOPIλDµ) controller were designed for the control structure in the system. dq transformations were used in designing of SMC. An approach based on solving nominal performance (NP)/robust stability (RS) mixed sensitivity problem was used for robust LQR-FOPIλDµ design. The small signal model was created by considering optimal operating conditions, and robust LQR-FOPIλDµ controller was designed by using this model.
Two different models, namely the radial-based functional artificial neural network (RBFNN) model and the small signal model, were used to predict the outputs of SEIG. The first FTC structure was created by using RBFNN and SMC with together. The second FTC structure was created by using the small signal model and robust LQR-FOPIλDµ controller together. There is a selector unit operating depending on the voltage error index in the designed FTC. Along with the error signal from taking the estimation unit, the selector unit switches the controller feedback to the predicted value instead of the sensor output. In this way, it is ensured that the output voltage is controlled correctly during sensor fault.
The performances of both FTC structures were proven by simulation studies. The output voltage and frequency of the SEIG system, which includes disturbances, reference variations and sensor noise, successfully tracked the reference voltage in case the voltage sensor faults. The performance of the FTC structure containing the designed robust LQR-FOPIλDµ controller was tested experimentally. Considering the obtained experimental results, the designed FTC keeps the output voltage safely at the desired level in reference changes, sensor noise and voltage sensor faults.