Rüzgâr türbini içeren bir güç sisteminin geçici hal kararlılığının güç sistemi dengeleyicisi kullanılarak karga arama algoritması ile iyileştirilmesi
Transient stability enhancement of power system based on wind turbines by power system stabilizer using crow search algorithm
Yazar: HAMDULLAH YOKUŞ
Danışman: PROF. DR. ALİ ÖZTÜRK
Düzce Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Genetik algoritmalar = Genetic algorithms ; Geçici hal kararlılık analizi = Transient stability analysis ; Güç sistemleri = Power systems ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Sezgisel algoritmalar = Heuristic algorithms

Özet:
Yakıt gideri olmaması ve çevre dostu enerji kaynağı olması nedeni ile rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi üretimi son zamanlarda büyük önem kazanmıştır.  Rüzgârdan enerji üretimi için rüzgâr türbini ve generatör çeşitleri üzerinde pek çok çalışma gerçekleştirilmiş ve bu sistemlerin güç sistemlerine entegresi için çok farklı çalışmalar yürütülmektedir. Bu çalışmada rüzgâr türbini içeren bir güç sisteminin geçici hal kararlılığı incelenmiş ve güç sisteminde oluşan bir şiddetli arıza durumunda rüzgâr türbinin dinamik analizi gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda kararsızlık durumu için uygun türbin generatör çifti belirlenmesi amaçlanmıştır. Güç sistemi stabilizatörleri (PSS'ler), güç sisteminin geçici kararlılığını geliştirmek için generatör ünitelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. PSS'ler, büyük bir bozulmanın ardından güç açısı, rotor hızı ve alan akımı sapması vb. gibi düşük frekanslı salınımları en aza indirecek şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle, PSS'nin parametrelerinin optimal ayarlanması ve yerleştirilmesi, stabilizatörün verimliliği için çok önemlidir. Bu çalışmada, kargaların zekasına dayanan, meta-sezgisel yöntemlerden biri olan Karga Arama Algoritması (KAA), PSS'nin optimum parametrelerini bulmak için Tek Makineli Sonsuz Baralı (SMIB) sistemde ilk defa kullanılmıştır. Ayrıca, çok makineli bir güç sisteminde PSS'nin parametrelerinin bulunması için Yapay Arı Kolonisi Algoritması (YAKA) ve Karınca Kolonisi Optimizasyonu (KKO) algoritmaları da uygulanmış olup karşılaştırmalı analizler de gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışmada rüzgâr santrali tribün generatör sistemine sahip bir güç sisteminin geçici arıza durumları için salınım denklemlerinin kararlılık analizi KAA ile gerçekleştirilmiştir. Sistemin geçici hal kararlılığı SMIB'nin modellenmesi ve simülasyonu ve PSS'nin tasarımı Matlab/Simulink tarafından yapılmıştır. Simülasyonlar, KAA tabanlı PSS denetleyicisinin, sistem kesintiye uğradığında GA tabanlı ve PSO tabanlı PSS denetleyici tasarımlarından oldukça üstün bir dinamik tepki verdiğini ortaya koymaktadır. KAA'ya dayalı PSS, PSO'ya dayalı PSS'den %48,1 ve GA'ya dayalı PSS'den %55,7 daha hızlı yerleştiği gözlemlenmiştir. PSO ve GA'ya kıyasla KAA'nın amaç fonksiyonunun yakınsaması çok daha hızlıdır. KAA için değerlendirme süresi PSO'dan %43,5, GA'dan %48,6 daha kısadır. Diğer yaklaşımlara kıyasla SMIB sisteminde KAA tabanlı PSS kullanıldığında, aşma ve düşük frekanslı salınımlar büyük ölçüde azaltılmıştır ve aktif güç, rotor hızı, alan akımı ve mekanik gücün düşük frekanslı salınımlarını önemli ölçüde azalttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Due to the lack of fuel costs and being an environmentally friendly energy source, the generation of electrical energy from wind power has recently gained great importance. Many studies have been carried out on wind turbines and generators for wind power generation and many different efforts to integrate the power systems of these systems is achieved. In this study, the transient stability of a power system including a wind turbine will be examined. Since various wind turbine generators are used in applications, in this study, the comparative transient stability of wind turbine generators will be analyzed. As a result of the analysis, it is aimed to determine the appropriate turbine generator pair for instability. Power system stabilizers (PSSs) are extensively used in generator units to enhance the transient stability of the power system. PSSs are designed to minimize low-frequency oscillations such as power angle, rotor speed, and field current deviation, etc. following a large disturbance.  Hence, optimal tuning and placement of the parameters of PSS are crucial for the efficiency of the stabilizer. In this paper, Crow Search Algorithm (CSA), rely on the intelligence of crows, one of the metaheuristic methods was used for the first time in a Single Machine Infinite Bus (SMIB) system so as to find the optimum parameters of the PSS in order to improve the transient stability of the system. In addition, Artificial Bee Colony (ABC) and Ant Colony Optimization (ACO) algorithms were also applied to find the parameters of PSS in a multi-machine power system, and comparative analyzes were also carried out. In the study, stability analysis of the oscillation equations for the temporary failure conditions of a power system with a wind farm turbine generator system was carried out with CSA. Modeling and simulation of the SMIB and designing of PSS were made by Matlab/Simulink. The simulations reveal that the CSA-based PSS controller performs a dynamic response when the system is interrupted, far superior to the GA-based and PSO-based PSS controller designs. It was observed that CSA-based PSS settled 48.1% faster than PSO-based PSS and 55.7% faster than GA-based PSS. Evaluation time for CSA is 43.5% shorter than PSO and 48.6% shorter than GA. When using CSA-based PSS in the SMIB system compared to other approaches, overshoot and low-frequency oscillations are greatly reduced. When using CSA-based PSS in SMIB system compared to other approaches, overshoot and low-frequency oscillations are greatly reduced and low-frequency oscillations of active power, rotor speed, field current, and mechanical power are significantly reduced.