Senkron generatörler için yüksek dinamik tepkili statik bir uyartım sisteminin gerçekleştirilmesi
Implementation of a high dynamic response static excitation system for synchronous generators
Yazar: MUSTAFA BAHA BAYRAM
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM SEFA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Senkron jeneratör = Synchronous generator ; Statik konverterler = Static converters

Özet:
Senkron generatörler, hidrolik ve termik santraller ile rüzgâr türbini gibi sistemlerle birlikte enerji üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Generatör güçlerinin birkaç MW gücünden daha büyük olması halinde tepkilerinin daha hızlı olması ve yüksek güçlerde kendinden uyartımlı topolojilerin tasarımındaki zorluklar gibi sebeplerle harici uyartımlı topolojiler yaygın olarak kullanılır. Harici uyartımlı generatörlerin güç değerleri yüzlerce MW, uyartım güçleri ise MW değerlerine kadar ulaşabilir. Yüksek güçlü generatörlerin uyartım devrelerinde gereken uyartım akımı 6 veya 12 darbeli faz kontrollü tristörlü doğrultucular ile sağlanmaktadır. Ancak kontrollü doğrultucuların tepki süresindeki gecikme ve güç elektroniğindeki gelişmeler yeni seçeneklerin oluşmasına yol açmıştır. Bu çalışmada, tristör kontrollü statik uyartım sistemlerine alternatif olarak kullanılabilecek yüksek frekanslı ve modüler olarak gücü artırılabilecek, faz kaymalı azaltan dönüştürücü topolojisi içeren bir otomatik gerilim regülatör sistemi önerilmiştir. Önerilen sistem, dinamik yük ve sistem koşulları için tristör kontrollü sistemlerin yavaş tepki dezavantajını ortadan kaldırmaktadır. Aynı zamanda, tristör kontrollü sistemlerin çıkış gerilimlerindeki düşük frekanslı, yüksek genlikli harmonik bileşenlerden dolayı meydana gelen ekstra şaft gerilimini yok etmekte ve generatörün ömrünü uzatmaktadır. Geliştirme sürecinde, senkron generatörün elektromanyetik modellemesi sonlu elemanlar analizi ile yazılım ortamında yapılmıştır. Modellenen generatör ile önerilen faz kaymalı azaltan dönüştürücüye ait güç elektroniği devresinin eş zamanlı benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Benzetim sonuçları, deneysel olarak kurulan uyartım sistemi ile doğrulanmıştır. Benzetim sonuçlarından ve deneysel sonuçlardan elde edilen veriler, sistemin adım cevabı ve kanal sayısı yardımıyla indüktör akımı dalgacık seviyesi açısından daha iyi performans sunduğunu göstermektedir. Önerilen sistemde tüm ölçüm, izleme, kayıt, yüksek frekanslı faz kaydırmalı darbe genişlik modülasyonu üretimi ve tüm kontrol işlemlerinin koşturulduğu gömülü işletim sistemli bir NI CompactDAQ platformu kullanılmıştır. Bu platform üzerinde çalışan ve süreci yöneten sanal enstrüman ise LabVIEW yazılım ortamında tasarlanmıştır.

Abstract:
Synchronous generators are commonly used in energy generation together with the systems such as hydraulic and thermal power plants and wind turbines. If the generator power levels are larger than a few MW, external excited topologies are commonly used, because of the faster response of them and the difficulties in designing self-exciting topologies at higher rated power. The power values of external excited generators can reach hundreds of MW, and the excitation power can reach up to a few MW values. The excitation current required for excitation circuits of high power generators is provided by 6 or 12 pulse phase controlled thyristor rectifiers. However, the delay in the response of the controlled rectifiers and the improvements in the power electronics have led to the creation of new options. In this study, an automatic voltage regulator system with an interleaved buck converter topology, which has high frequency and which can be increased in power with its modularly, has been proposed as an alternative to thyristor controlled static excitation systems. The proposed system removes the slow response disadvantage of thyristor-controlled systems for dynamic load and system conditions. At the same time, it eliminates the extra shaft tension due to low frequency, hig.h amplitude harmonic components at the output voltages of thyristor-controlled systems and extends the life of the generator. In the development process, the electromagnetic modeling of the synchronous generator is performed in the software environment by means of finite element analysis. Co-simulations of the power-electronic circuit of the modeled generator and the proposed interleaved buck converter have been performed. The simulation results are verified by an experimentally established excitation system. The results obtained from the simulation results and the experimental results show that the system provides better performance in terms of the system step response and in terms of the inductor current ripple level with the help of channel number. With in the proposed system, all the measurement, monitoring, recording, high frequency phase shift pulse width modulation generation and all control processes hase been deployed in NI CompactDAQ platform with an embedded control system. The virtual instrument that runs on this platform and manages the process is designed in the LabVIEW software environment.