Rüzgar türbin uygulamasında sürekli mıknatıslı senkron jeneratörün hız sensörsüz alan yönlendirme kontrolü ve şebeke bağlantısı
Sensorless field orientation control of permanent magnet synchronous generator for grid connected wind turbine applications
Yazar: RAŞİT GÖKALAN
Danışman: PROF. DR. İRFAN ALAN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Alan yönlendirme = Field orientation ; Kayan kipli denetim = Sliding mode control ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors ; Uzay vektörü kuramı = Space vector theory

Özet:
Tez çalışmasında üç faz sürekli mıknatıslı senkron jeneratör (PMSG) tabanlı direkt sürülen değişken hızlı rüzgar türbin sisteminin kontrolü ve şebeke bağlantısı anlatılmıştır. Çalışılan sistem DC motor, PMSG, tam ölçekli ac-dc ve dc-ac gerilim kaynaklı dönüştürücüden oluşmaktadır. Çalışmada DC motor rüzgar türbinini taklid amacıyla jeneratörü sürmek için kullanılmıştır. Jeneratör şebekeye sırasıyla ac-dc ve dc-ac tam ölçekli gerilim kaynaklı dönüştürücüler ile bağlanmaktadır. Jeneratörün hızı sensörsüz alan yönlendirme metodu ile kontrol edilmektedir. Jeneratörün sensörsüz alan yönlendirme kontrolü için gerekli rotor hız ve konum bilgisi kayan tipte gözetleyici (sliding mode observer) kullanımı ile elde edilmektedir. Alan yönlendirme kontrolü için dq-referans yapıda elde edilen referans stator gerilimlerinden hareketle uzay vektör modülasyon tekniği kullanılarak ac-dc kontrollü doğrultucu devresinde fazlara uygulanacak refererans gerilimlerin darbe genişlikleri bulunmaktadır. Şebeke tarafındaki üç faz dc-ac evirici güç devresi aracılığı ile DC link gerilimi, jeneratör ve şebeke arasındaki aktif ve reaktif güç akışı kontrol edilmektedir. Jeneratör tarafındaki ac-dc kontrollü doğrultucunun kontrolünde olduğu gibi dc-ac eviricinin kontrolünde de senkron referans yapı tercih edilmiş ve evirici güç devresi modülasyonu uzay vektör modülasyon tekniğine göre yapılmıştır. Şebeke akımları ile şebeke gerilimlerinin senkronizasyonu dq-PLL kontrol ile sağlanmıştır. dq-PLL kontrolün şebeke harmonik ve gürültülerden etkilenmesini önlemek için şebeke gerilimleri ilk önce ayarlamalı band söndüren (adaptive notch filter) filtreden geçirilip temel bileşen ve harmonik bileşenlerine ayrılmış daha sonra temel bileşenler dq-PLL kontrol yapısında kullanılmıştır. Son bölümde ACSLX programı ile 1kW çıkış gücü olan sistemin benzetimi yapılmıştır. Benzetim programıyla sistem farklı jeneratör hızlarında, farklı çıkış güçlerinde, harmonikli ve hatalı şebeke yapısında test edilmiş ve uygun sonuçlar elde edilmiştir. Deneysel çalışmalarda ise nominal çıkış gücü 55W olan PMSG kullanılarak jeneratörün hız sensörsüz kontrolü test edilmiştir. Deneysel çalışmalarda da hedeflenen sonuçlar elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Rüzgar Türbini, Sürekli Mıknatıslı Senkron Jeneratör (PMSG), Hız Sensörsüz Alan Yönlendirme Kontrolü, Uzay Vektör Modülasyonu (SVM), Şebeke Senkronizasyonu, Ayarlamalı Band Söndüren Filtre (ANF), Kayan Tipte Gözetleyici (SMO), ACSLX.

Abstract:
In this thesis, permanent magnet synchronous generator (PMSG) based direct driven variable speed wind turbine system and its grid connection is investigated. The system consist of DC motor, permanent magnet synchronous generator and back to back full scale ac-dc and dc-ac converter. DC motor is used to drive generator to mimic the behaviour of the wind turbine. Sensorless field orientation control method is used to control the speed of the generator. Because the speed control is done by sensorless method, the sliding mode observer is used to estimate the speed and the position of the rotor. Stator reference voltages found by dq-reference frame controller in field orientation control are used in space vector modulation method to find the duty-cycle ratios of phase voltages applied to the generator phases. DC link voltage control, active-reactive power control is done by grid side inverter. Like generator side converter, synchronous reference frame structure is used for inverter control and space vector modulation method is used to switch inverter according to reference inverter phase voltages found in dq-synchronous reference frame control. dq-PLL technique is used to synchronize grid voltages and inverter currents at the grid side. To improve the performance of the dq-PLL controller in case of grid harmonics, grid voltages are first passed through adaptive notch filter to get fundemantal and harmonic components. Then fundemantal components of the grid voltages applied to dq-PLL structure. In the final section 1kW wind turbine system is modeled and simulated by ACSLX simulation program. The system is tested at different generator speed, different ouput power ratings and under grid harmonics. Simulation results show that the system studied in this thesis operates correctly. In the experimantal studies, sensorless speed control of 55W PMSG is tested and satisfactory results are obtained as well.Keywords: Wind Turbine, Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG), Speed Sensorless Field Orientation Control, Space Vector Modulation (SVM), Grid Synchronization, Adaptive Notch Filter (ANF), Sliding Mode Observer (SMO), ACSLX.