Rüzgar türbin-generatör sistemlerinin modellemesi, kontrolü ve şebeke gerilim düşmelerine karşı sistem davranışının analizi
System behaviour analysis against network voltage drops and modeling, control of wind turbine-generator systems
Yazar: OZAN AYKUT
Danışman: PROF. DR. GÜVEN  KIRIŞ KÖMÜRGÖZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Son yıllarda fosil yakıtların çevreye verdiği zararlar ve iklim değişikliği politikalarından dolayı yenilebilir enerji kaynaklarına bağlı enerji üretim talepleri artmıştır. Yenilebilir enerji  kaynakları arasında en gelişen alanlardan biri rüzgardır. Rüzgar enerjisi, rüzgar türbinleri vasıtasıyla  ilk olarak mekanik enerjiye sonra da elektrik enerjisine dönüştürerek tüketicinin kullanımına sunulur. Rüzgar türbinleri maliyet açısından verimliliği ve temiz enerji üretimi açısından etkileri düşünüldüğün de günümüz için oldukça önemli bir alandır.
Rüzgar türbinleri tasarım kriterlerinden dolayı belli rüzgar hızlarında çalışmaktadır.  Bu sebepten ötürü rüzgar türbinin konumlandırılacağı bölge büyük öneme sahiptir. Eğer anlık rüzgar hızı, türbinin devreye girme rüzgar hızından düşük veya devreden çıkma rüzgar hızından yüksek olması durumunda, rüzgar türbini devreye girmez. Rüzgar türbinlerinin konumlandırılacağı alanın tespit edilebilmesi için, alanda belli periyotlar ile rüzgar hız ölçümleri gerçekleştirilir. Rüzgar türbinleri üç temel kısımdan oluşmaktadır. Bunlar, pervane, kule ve nacelle'dan oluşmaktadır. Pervane kısmı hub, şaft ve kanatlardan oluşmaktadır. Nacelle kısmında ise dişli kutusu, generatör, hidrolik sistemler, elektronik cihazlar ve diğer donanımlar bulunmaktadır. Rüzgar, türbinin kanatlarına çarpar ve dönmeye başlar. Dişli kutusu, düşük hızlı dönen şaftı yüksek hızlı şafta dönüştürür ve generatörün nominal hızına yakın dönmesini sağlar. Dönen generatör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirerek şebeke aktarır. 
Rüzgar türbinlerinde şebeke standartlarına uygun ve optimum seviyede güç üretimi için rüzgar türbin-generatör sisteminin modelleme ve kontrol işlemlerinin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. İlk olarak rüzgar türbinlerinde en optimum rüzgar hızını elde etmek için yaw kontrol sistemi incelenecektir. Yaw kontrol sistemi, rüzgar türbinin nacelle kısmını 360 derece döndürerek en uygun rüzgar hızının elde edilmesini sağlar. İkinci olarak kanat açı kontrolüdür. Rüzgar hızı, nominal rüzgar hızının üzerinde olması durumunda kanat açısı düzenlenir. Böylece nominal gücün üzerinde bir güç üretilmesi engellenir. Şebeke standartlarına uygun ve kontrollü bir güç akışı için, rüzgar türbinlerinde kullanılan çift beslemeli asenkron generatörlerinde modellemesi ve kontrol işlemlerinin yapılması gerekmektedir. 
Çift beslemeli asenkron generatörlerin stator terminalleri doğrudan şebekeye, rotor terminalleri ise frekans dönüştürücüsü üzerinden şebekeye bağlanır. Frekans dönüştürücü, şebeke ve generatör tarafı olmak üzere iki adet dönüştürücüden oluşmaktadır. Çift beslemeli asenkron generatörler senkron altı ve üstü çalışabilmektedir. Senkron altı çalışması durumunda, şebekeden frekans dönüştürücüsüne doğru bir güç akışı olur. 
Senkron üstü çalışması durumunda ise, frekans dönüştürücüsünden şebekeye doğru bir güç akışı olur. Bundan dolayı çift beslemeli asenkron generatör genellikle senkron üstü çalıştırılmak istenir. 
Çift beslemeli asenkron generatör modelleme aşamasında stator gerilim ve akı oryantasyonları kullanılır. Böylece üç fazlı sistem iki fazlı DQ eksen takımına indirgenir. Şebeke tarafı dönüştürücü kontrolünde stator gerilim oryantasyonu kullanılarak üç fazlı sistem DQ eksen takımına indirgenir. Senkron referans frame d-eksen referans frame hizalanır. Böylece gerilimin d bileşeni şebeke gerilimine, q bileşeni ise sıfıra eşit olur. Sonuç olarak, her bir bileşen ile bir parametre kontrol edilir. D bileşeni ile DC-link gerilimi, q bileşeni ile de ihtiyaç haline reaktif güç desteği kontrol edilir. Generatör tarafı dönüştürücü kontrolünde stator akı oryantasyonu kullanılarak üç fazlı sistem DQ eksen takımına indirgenir. Stator akı vektörü, q eksene hizalanması ile senkron bir şekilde dönen referans frame elde edilir. Böylece stator taraftaki aktif ve reaktif güç ayrı ayrı kontrol edilebilir. Rotor akımının D bileşeni ile statorun aktif gücü, q bileşeni ile statorun reaktif gücü kontrol edilmektedir. Hem şebeke tarafı hem de generatör tarafı dönüştürücü de kaskad yapılı kontrol yöntemi kullanılmıştır. 
Rüzgar türbinlerinde 4 farklı çalışma bölgesi mevcuttur. 1. bölge düşük rüzgar hızı (rüzgar hızı<3m/s) ve 4. Bölge ise yüksek rüzgar hızından (rüzgar hızı>22 m/s) dolayı rüzgar türbini devreye girmez. Rüzgar hızı, nominal rüzgar hızından düşükse mümkün olan maksimum güç üretilmesi için maksimüm güç noktası izleme kontrolü yapılır. Bu bölgede yeterli rüzgar hızı olmadığından dolayı kanat açısı sıfıra eşittir. Ancak generatör hızı ayarlayarak optimum uç hız oranı elde edilir. Sonuç olarak en uygun güç katsayısı elde edilir. Böylece mümkün olan güç üretilmesi sağlanır. Rüzgar hızı, nominal rüzgar hızının üstüne çıkması durumunda rüzgar türbini 3. bölgede çalışmaya başlar. Bu çalışma bölgesinde, rüzgar türbini kontrol sistemi kanat açısını düzenleyerek nominal gücün üzerinde güç üretilmesine izin vermez. Bu bölgede şebekeye doğru nominal güç akışı olur. 
Tez kapsamında, rüzgar türbin-generatör sistem modellemesi ve kontrolü MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilecektir. İlk olarak şebeke tarafı dönüştürücü sonrasında da generatör tarafı dönüştürücüsünün modellemesi ve kontrolü yapılacaktır. 2. ve 3. çalışma bölgeleri dikkate alınarak MATLAB ortamında geliştirilen model üzerinde maksimum güç noktası izleme ve kanat açısı kontrolleri eklenecektir. Maksimum güç noktası izleme kontrolünde gerekli olan güç katsayısının elde edilmesi için uç hız oranı ve kanat açısının düzenlenmesi gerekir. Uç hız oranı ve güç katsayısı grafiklerine bağlı olarak en optimum güç katsayısı elde edilir. Böylece rüzgar türbinleri nominal rüzgar hızının altında iken mümkün olan en yüksek güç üretimini sağlar. Kanat açısı kontrolünde de, rüzgar hızına bağlı olarak kanat açısı düzenlemesi yapılır. Sonuç olarak rüzgar türbinin nominal gücün üzerinde güç üretmesi engellenir. MATLAB ortamında geliştirilen model üzerinde maksimum güç noktası izleme ve kanat açı kontrol yöntemleri eklendikten sonra rüzgar türbin-generatör sistem davranışını incelemek için simülasyon çalışmaları yapılacaktır. 
İlk olarak sistemin performans analiz testleri için, çift beslemeli asenkron generatör senkron altı, senkron üstü ve hem senkron altı hem de senkron üstü çalıştırılacaktır. 
Her bir çalışma durumu için simülasyon çalışmaları yapılarak sistemin davranışı ve performansı değerlendirilecektir. Bu analizlerden sonra, maksimum güç noktasını izleme ve kanat açısı kontrollerini test etmek için MATLAB/Simulink ortamında geliştirilen model üzerinde gerekli rüzgar hızları ayarlanacaktır. Her bir kontrolü test etmek için ayrı ayrı simülasyon çalışması yapılacaktır. 
Çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgar türbinleri dengesiz şebeke koşullarında ciddi zorlanmalarının yanısıra kontrol sisteminin işlevliğini de olumsuz yönde etkilemektedir. Şebeke gerilim genliği, frekans ve faz sırasının standartlarda belirtildiği sınırlar içinde olması durumunda güç akışı  sağlanır. Ancak bu sınırların dışına çıkması durumunda rüzgar türbinlerinin zarar görmesi engellemek için kontrol yöntemleri ve koruma sistemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. 
Bu kapsamda tez çalışmasında, şebeke geriliminin düşmesi durumunda rüzgar türbin-generatör sisteminin davranışını incelemek için simülasyon çalışmaları yapılacaktır. Bu kapsamda üç adet kontrol yöntemi geliştirilecektir. Birinci kontrol yönteminde arıza süresi boyunca şebeke ve generatör tarafı dönüştürücülerin akım kontrolör katsayıları güncellenmesi, ikinci kontrol yönteminde arıza süresi boyunca crowbar koruma sisteminin devreye girmesi ve son olarak ta hem crowbar hem de chopper koruma sisteminin devreye girmesidir. Her bir kontrol yöntemi için ayrı ayrı çalışma senaryoları geliştirilmiştir. Bu çalışma senaryolarına bağlı olarak simülasyon çalışmaları yapılacaktır.
İlk olarak şebekeye doğru nominal güç akışında, şebekede %25 gerilim düşümü olması durumunda, rüzgar türbin-generatör sisteminin davranışı incelenecektir. Şebeke gerilimi 0.9pu'nun altına düşmesinden dolayı şebeke gerilim arızası ortaya çıkar. Arızanın ortadan kalkmasından sonra tekrardan rüzgar türbini şebekeye doğru nominal güç akışına devam eder. Bu koşullara bağlı olarak %25 gerilim düşümünde simülasyon çalışmaları yapılacaktır.
İkinci olarak şebekeye doğru nominal güç akışında, şebekede %50 gerilim düşümü olması durumunda rüzgar türbin-generatör sisteminin davranışı incelenecektir. Bu süreçte, ilk simülasyon çalışmasındaki gibi şebeke ve generatör tarafı dönüştürücü kontrol sistemlerinde mevcut akım kontrolör katsayıları kullanılarak analiz çalışmaları yapılacaktır. İkinci simülasyon çalışmasında ise  arıza süresi boyunca akım kontrolör katsayıları güncellenecektir (Yöntem 1). Arıza ortadan kalktıktan sonra rüzgar türbini tekrardan nominal güç akışına devam eder. Her iki simülasyon çalışması için performans değerlendirilmesi yapılacaktır. 
En son olarak ta şebekeye doğru nominal güç akışında, şebekede %75 gerilim düşümü olması durumunda, rüzgar türbin-generatör sisteminin incelenecektir. Simülasyon çalışmaları yapılmadan önce, MATLAB/Simulink ortamında geliştirilen model üzerine crowbar ve chopper koruma sistemleri eklenecektir. Bu hususta, crowbar ve  chopper koruma sistemleri için çalışma senaryoları (Yöntem 2 ve 3) ve donanım alt yapısı geliştirilecektir. İlk simülasyon çalışmasında, %75 gerilim düşümü olması durumunda sistem modeli üzerinde sadece crowbar koruma sistemi olacaktır. İkinci simülasyon çalışmasında da sistem modeli üzerinde hem crowbar hem chopper koruma sistemleri eklenerek tekrardan simülasyon çalışmaları yapılacaktır.

Abstract:
In recent years, energy producton demands connected to renewable energy sources has increased because of the environmental impacts of fossil fuels and climate change policies. Wind is one of the most developing source of renewable energy sources. Wind energy converts to mechanical energy through wind turbine systems. Then, mechanical energy is converted to electrical energy by generator. Finally, it is presented to use consumer. Wind turbine is quite important due to cost efficiency and clean energy production for nowadays.
Wind turbines run at certain wind speed because of design criteria. Thus, location of wind turbines has a great importance. If wind speed is inadequate or excessive, wind turbine don't run. First, wind speed measurements are carried out at certain intervals for place where wind turbine will be position.
Wind turbines consist of three basic parts. These are propeller, tower and nacelle. The propeller' part consist of hub, shaft and blades. There are gearbox, generator, hydraulic systems, electronic vehicles and other equipments in nacelle' part. The wind hits the blades of turbine and starts spinning. Gearbox converts from low speed rotating shaft to high speed rotating shaft so it provides that high speed saft closely rotates to nominal generator speed. Mechanical energy is converted to electrical energy by rotating generator. Then, it flow to network in a controlled way. 
Modeling and control processes of some systems are carried out for complying with network standards and power generation at optimum level. First, yaw control system is used to obtaining necessary wind speed at wind turbine. It provides to necessary wind speed by rotating to wind turbine' nacelle part. Secondly, control process of blade angle should be done to adjust to blade angle. As a result of this, it do not allow that wind turbine generate of power above rated power.  Designer must done modeling and control of double fed induction generator considering network standards and power generation at optimum level
Stator terminals of double fed induction generators directly connect to network. Rotor terminals of double fed induction generators connect to network through frequency converter. Double fed induction generators can been run sub-synchronous or upper-synchronous. When double fed induction generator is run sub-synchronous, frequency converter draw at certain level power from network. 
However, when double fed induction generator is run upper-synchronous, the power flows to network through frequency converter. Thus, double fed induction generators are often requested to be operated in the upper-synchronous.
Frequency converters consist of two converters. These are grid-side and generator-side converters. We use modeling of double fed induction generator to stator voltage and flux orientation. Thanks to this orientation, three phase model of double fed induction generator is reduced two phase (DQ). Control of grid side converter is used stator voltage orientation. Synchronous reference frame is align to d-axis reference frame. As a result of this, the d component of voltage equal to network voltage, the q component of voltage equal to zero. The DC-link voltage can be controlled by the d component of voltage. Moreover, exchange reactive power between frequency converter and network can be controlled by the q component of voltage. Control of generator side converter is used stator flux orientation. Stator flux vector is align to q-axis reference frame. As a result of this, synchronous rotating reference frame can be obtained. Stator active power can be controlled by d component of rotor current. Moreover, stator reactive power can be controlled by q componant of rotor current. So, stator active and reactive power can be controlled separately. Cascad control method is used for either grid-side or generator side converter. 
There are four operation zone at wind turbines. Wind speed is low in first operation zone (wind speed<3m/s). Thus, wind turbines don't run. Similarly, when wind speed is high in fourth operation zone (wind speed>22m/s), it don't run. If wind speed is lower than rated wind speed (3m/s