Dağıtım şebekesine bağlı rüzgar türbinlerinde geçici gerilim yükselmelerini baskılama yöntemi
Temporary overvoltage mitigation method in wind turbines connected to distribution grid
Yazar: OSMAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimindeki payı her geçen yıl daha da artmaktadır. Rüzgar enerjisi de yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde güneş enerjisiyle birlikte en çok paya sahip olanıdır. 
Rüzgar türbini teknolojileri geçmişten bugüne gelişerek literatürde farklı topolojilerde türbin yapısını oluşturdular. Rüzgar türbin teknolojilerinde var olan 4 farklı türbin tipi vardır. Bu çalışmada kullanılacak olan tip 3 türbinlerde yapısında bilezikli asenkron jeneratör, jeneratörün rotor sargılarında sırt sırta bağlı ac-dc-ac konvertör ve türbin yükseltici transformatörü bulunur. Asenkron jeneratörün rotor sargılarına sırt sırta bağlı ac-dc-ac konvertörler değişken rüzgar hızlarında optimum güç üretimini sağlamak için kullanılır. Kullanılan konvertör yapısının gücü rotor sargılarından geçen güç kadar olacağı için konvertör maliyeti tip 4 türbinlere göre daha azdır. Ayrıca, konvertör yapısında kullanılan vektör kontrol metoduyla aktif ve reaktif güç ayrı ayrı kontrol edilebilir. Arıza anlarında yaşanan gerilim düşümlerinde ve yükselmelerinde türbin belirli sürelerle sisteme bağlı kalıp şebekeyi destekleyebilir. Aktif ve reaktif güç kontrolleri ayrı ayrı yapılabildiği için reaktif güç kompanzasyon ihtiyacı azalmış olur. Karada kurulan rüzgar türbinlerinin çoğunluğunu tip 3 türbinler oluşturur.
Rüzgar enerjisi santralleri (RES) kurulu güçleri dikkate alınarak elektrik iletim ya da dağıtım şebekesinden sisteme entegre edilirler. Şebeke entegrasyonlarında her ülkenin kendi şebeke yönetmeliklerine uyumlu bir şekilde entegrasyonunun sağlanması büyük önem taşımaktadır. Şebeke yönetmelikleri, RES santrallerinin kararlı hal çalışma koşullarında ve arıza anı/sonrası zamanlarda aktif güç, reaktif güç, frekans, şebekeye bağlı kalma süresi gibi hususlarda uyması gereken kuralları içeren yönetmeliklerdir.
RES santralleri iletim şebekesinden entegre edildiği durumlarda yük altında kademe değiştirebilen yükseltici şalt transformatörler vasıtasıyla iletim şebekesine bağlanırlar. Bu durumda, şebekeden gelebilecek gerilim değişimlerine transformatörün primer sargılarında bulunan kademelerin devreye girerek ya da çıkarak santral tarafındaki gerilimin belirli bir aralık içinde olması amaçlanır.
Dağıtım şebekesine entegre edilecek rüzgar türbinleri ise şebekeye doğrudan bağlanırlar. İletim şebekesine entegre edilen RES santralleri gibi yük altında kademe değiştirebilen yükseltici şalt transformatörleriyle bağlanmazlar. Türkiye elektrik piyasası şebeke yönetmeliğinde de dağıtım şebekesine bağlanan rüzgar türbinleri için böyle bir şart yoktur.
Dağıtım şebekesine doğrudan bağlı RES santralleri arızalar, yük atmaları, harmonik rezonans ya da ferrorezonans gibi geçici gerilim yükselmelerine (GGY) sebebiyet verebilecek şebeke olaylarına ve bu olayların sebep olacağı gerilim dalgalanmalarına karşı açıkça maruz kalmaktadır. Bu şebeke olaylarında gerilimin genliği şebeke yönetmeliklerinde belirtilen gerilim yükselmesi anında şebekeye bağlı kalabilme kriterlerinin (HVRT) belirtildiği grafiğin üstündeyse rüzgar türbinleri şebekeyle olan bağlantısını koparır.
Bu çalışmada, dağıtım şebekesine bağlı tip 3 rüzgar türbinlerinde geçici gerilim yükselmelerine karşı türbinin alçak gerilim (AG) tarafındaki gerilimini belirli bir aralıkta tutabilmek için türbin transformatörüne kademeler eklenmiştir. Bu kademeler türbin yükseltici transformatörünün orta gerilim (OG) sargılarına eklenmiştir. Ayrıca, kademeler yük altında değişime olanak sağlayan bir kontrol metoduyla birlikte modellenmiştir. Kademe kontrolü güç elektroniği anahtarlama elemanlarından tristörler kullanılarak modellenmiştir. Bu önerilen metodun geçerliliği elektromanyetik transient yazılımı olan PSCAD programı aracılığıyla çeşitli senaryolar oluşturularak denenmiştir. Çıkan sonuçlar Türkiye elektrik piyasası elektrik şebeke yönetmeliği kıstatları referans alınarak yorumlanmıştır.

Abstract:
The share of renewable energy source in electrical energy production is increasing exponentially all around the world every year. Wind energy has the largest share among renewable energy, along with solar energy.
Wind turbine technologies have developed from the past to the present and formed the turbine structure in different topologies in the literature. There are totally 4 different types of turbines in wind turbine technologies.
Type 1 turbines use a squirrel cage asynchronous generator and are directly connected to the grid. The rotor speeds vary less than 1%, so it is called a constant speed turbine. It has been preferred due to its advantageous and simple structures in terms of cost. The disadvantage of type 1 turbines is that the turbine cannot adapt to different wind speeds and cannot always maximize the electrical energy it produces. Also, reactive power compensation is required due to usage of an asynchronous generator. Thats why type 2 turbine technology has been developed to overcome some of these disadvantages.
Type 2 turbines are turbines with variable slip angle by putting resistance on the rotor windings of asynchronous generators and aim for optimum power generation in different wind speed. The generator used is not a squirrel cage, but wound rotor asynchronous generator. The disadvantage of type 2 turbine is the losses in resistances connected to the generator rotor windings. Although power harvesting performance is better in difference wind speed compared to type 1, there is no way to control active and reactive power separately in this type of wind turbine.
In type 3 turbines, it is aimed to provide optimum power generation at variable wind speeds by placing back-to-back ac-dc-ac converters on the rotor windings of the wound rotor asynchronous generator. Since the power of the converter structure used will be as much as the power passing through the rotor windings, the converter cost is less than type 4 turbines. In addition, active and reactive power can be controlled separately with the methods used in the converter structure. The turbine can stay connected to the system for certain periods and support the network during voltage drops and voltage swells experienced during abnormal grid conditions caused by faults or various grid disturbances. Since active and reactive power controls can be made separately, the need for reactive power compensation is reduced. Type 3 turbines constitute the majority of wind turbines installed in onshore. Type 3 wind turbines will be used in this study.
Type-4 turbines, on the other hand, have a completely different topology than the other three types. A permanent magnet synchronous generator is employed instead of an asynchronous generator. Since the synchronous generator has no rotor windings, the excitation losses are less. All the power generated in the synchronous generator passes over the converter structure and is transmitted to the transformer. Although this increases the cost of the converter, since it is an element that separates the synchronous generator from the direct connection to the grid, it allows the turbine to respond better in times of grid disturbances. The majority of offshore wind turbines are type 4, due to its more cost compared to type 3. However, cost of energy (LCOE) decreases continuously, so type 4 wind turbines will be common in onshore wind farms as well within upcoming years.
Wind power plants (WPP) are integrated into the power system from the transmission or distribution network, taking into account their total rated power. In grid integration, it is of great importance to ensure the integration in each country in accordance with its own grid codes. Grid codes are the regulations that contain the rules that WPP must comply with in steady state operating conditions and dynamic operation conditions. It includes rules regarding active power, reactive power, frequency, and duration of stay connected during grid disturbances.
In cases where WPP plants are integrated from the transmission network, they are connected to the transmission network by means of step up transformer with on load tap changers. In this case, it is aimed that the voltage on the power plant side is within a certain range by switching on or off the taps in the primary windings of the transformer, due to voltage changes that may come from the network.
WPP power plants directly connected to the distribution network are clearly exposed to network events that may cause temporary voltage spikes caused by faults, load shedding, harmonic resonance or ferroresonance. In these grid events, if the amplitude of the voltage is above the graph indicating the criteria for staying connected to the grid (HVRT) at the time of voltage rise specified in the grid regulations, the wind turbines will disconnect itself from the grid.
In on-load tap changer transformers, tap are controlled by electromechanical tap changer. This tap changer are relatively slow. Changing a tap when there is a over or undervoltage could take several seconds. However, overvoltage amplitude could be more than the maximum allowed in grid codes. In case of this, wind turbines could be disconnected from the grid immediately to protect itself from overvoltage that increases stresses on equipment insulation. If tap changer mechanism is electronic, changing a tap becomes very fast, allowing wind turbine stay connected to the grid, since LV voltage is reduced by tap change. One other benefit is extending turbine reactive power capability in higher voltages. Wind turbines have Q-V characteristic that shows reactive power injection / absorption capability depending on voltage in its LV terminal. By having very fast tap changes extends Q-V characteristic capability, since LV voltage will be reduced fast and turbine continuous reactive power support to the grid.
In this study, taps are added to the turbine transformer in order to keep the low voltage (LV) of the turbine within a certain range against temperory voltage spikes in type 3 wind turbines connected to the distribution network. These taps are added to the medium voltage (MV) windings of the turbine step-up transformer. In addition, the tap are modeled with a control method that allows tap chane under load. The tap change control mechanism is modeled using thyristors. Thyristors are power electronic switching equipment that allow current follow through itself when a signal is sent to its gate terminal or expose to voltage difference more than its forward breakover voltage in its terminal. Due to thyristors allow current conduction in one direction, two thyristors are used for each tap connection point and they shall have antiparallel configuration to have a conduction path for both positive and negative cycles in ac voltage.
A methodology is proposed for to apply this method. The aim is to reduce voltage variation on LV side by changing transformer tap on MV side when the voltage increases. The validity of this proposed method is verified by creating various scenarios through the electromagnetic transient software PSCAD. Different cases where temporary overvoltage seen at MV terminal of wind turbine transformer has been created. Afterwards, voltage signal in LV side of the turbine is observed to see whether LV voltage is reduced or not.