Hibrid güç üretim sisteminin modellenmesi, analizi ve neuro-fuzzy kontrolör kullanılarak sistem performansının iyileştirilmesi
Modeling, analyzing and improving the performance of a hybrid power production system using neuro-fuzzy controller
Yazar: YÜKSEL OĞUZ
Danışman: PROF.DR. İRFAN GÜNEY ; Y.DOÇ.DR. HASAN ERDAL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Enerji = Energy

Özet:
ÖZETHİBRİD GÜÇ ÜRETİM SİSTEMİNİN MODELLEMESİ,ANALİZİ VE NEURO-FUZZY KONTROLÖR KULLANILARAKSİSTEM PERFORMANSININ İYİLEŞTİRİLMESİBu çalışmada, şehir merkezinden veya enerji dağıtım şebekelerinden uzakküçük yerleşim birimlerinin elektrik enerji ihtiyacının karşılanması amacı ile hibritrüzgar-gaz güç üretim sisteminin Matlab/Simulink programı kullanılarakmodellemesi gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda hibrit güç üretim sistemininelektriksel çıkış büyüklüklerinin işletme değerlerini istenilir noktaya getirmek içinAdaptif Neuro-Fuzzy Çıkarım Kontrolör'ü (ANFÇK) kullanılmıştır.Hibrit güç üretim sistemlerinin dünya genelinde uygulamaları ve bu güçüretim üzerine yayımlanmış makaleler, yapılan tez çalışmaları ayrı ayrı incelenmiştir.Yapılan çalışma için gerekli olan teknik bilgiler geniş ölçüde sağlanmıştır. Hibrit güçüretim sistemini oluşturan sistem bileşenleri ana hatları ile ve sistem içersindekifonksiyonları kısa kısa anlatılmıştır. Diğer taraftan, Adaptif Neuro-Fuzzy kontrolörayrı bir bölüm olarak geniş ve kapsamlı olarak blok diyagramlar halindesunulmuştur.300 kW'lık rüzgar güç üretim sisteminin enerji dağıtım şebekelerindenbağımsız olarak çalıştırılmasına ait sistemin dinamik modellemesi için gerekli olanmatematiksel bağıntılar çıkartılmıştır. Rüzgar güç üretim sistemi değişken hızlırüzgar türbini ve asenkron generatörden oluşmuştur. Değişken hızlı rüzgar türbini veasenkron generatörün dinamik davranışını tanımlayan blok diyagramları vematematiksel denklemler yapılan tez çalışmasında ayrı ayrı sunulmuştur. Rüzgartürbini ve asenkron generatörün blok diyagramlarını tanımlayan matematikseldenklemleri, Matlab/Simulink programını ve Power System Toolbox'u kullanarakrüzgar güç üretim sisteminin gerçek işletmelerdeki davranışını gösterecek biçimdesimülasyon blok diyagramları oluşturulmuştur. Daha sonra, rüzgar güç üretimsisteminden farklı yük kademelerinde elde edilen çıkış büyüklüklerinin istenilenperformansta olması için klasik PID kontrolör ve ANFÇK ile rüzgar türbini kanateğim açısı denetimi yapılmıştır.Bu çalışmada, hibrit güç üretim sisteminin ikinci güç üretim bileşeni ise400kW'lık gaz güç üretim sistemidir. Gaz güç üretim sistemi, gaz türbin sistemi vesilindirik kutuplu senkron generatörden oluşmuştur. Gaz türbini ile senkrongeneratörün dinamik davranışını tanımlayan blok diyagramları ve matematikdenklemler bu çalışma içersinde ayrı ayrı sunulmuştur. Gaz güç üretim sisteminindinamik davranışını tanımlayan blok diyagramları ve matematiksel denklemlerikullanarak Matlab/Simulink programında dinamik modellemesi yapılmıştır. Gaz güçüretim sistemini enerji dağıtım şebekelerinden yalıtılmış olarak çalıştırılıp, elektrikçıkış büyüklükleri farklı yük kademeleri için ayrı ayrı elde edilmiştir. Bu elektrikselçıkış büyüklüklerinin istenilen değerde olması için klasik PID kontrolör ileANFÇK'ü kullanılarak gaz türbini hız kontrolü yapılmıştır.Yapılan tez çalışmasının son aşamasında, rüzgar güç üretim sistemi ile gazgüç üretim sistemi birbirine paralel bağlanarak birlikte tüketici yüklerinin beslenmesidurumundaki sistemin dinamik modellemesi Matlab/Simulink programındagerçekleştirilmiştir. Bu çalışma durumunda, hibrit güç üretim sisteminin elektrikselçıkış büyüklüklerinin istenilen işletme performansında olması amacıyla ANFÇK'üile kontrolü sağlanmıştır.Hibrit rüzgar-gaz güç üretim sisteminin farklı tüketici yükleri ile yüklenmesidurumunda, ANFÇK'lü sistemin dinamik davranışı elde edilen simülasyon sonuçlarıile analizi yapılmıştır. Hibrit güç üretim sistemi için gerçekleştirilen simülasyonçalışması sonuçlarından da görülmüştür ki, ANFÇK ile sistemin çıkış elektrikselbüyüklükleri kısa sürede arzu edilen işletme değerine yerleşmiştir.Anahtar Kelimler: Rüzgar Güç Üretim Sistemi, Gaz Güç Üretim Sistemi, HibridGüç Üretim Sistemi, PID Kontrolör, Adaptif Neuro-Fuzzy Kontrolör, Modelleme,Matlab/SimulinkOcak 2007 Yüksel OĞUZ

Abstract:
ABSTRACTMODELING, ANALYZING AND IMPROVING THEPERFORMANCE OF A HYBRID POWER PRODUCTIONSYSTEM USING NEURO-FUZZY CONTROLLERIn this study, with using the Matlab/Simulink program, the modeling of hybridwind-gas power production system has been realized for purpose of meeting theelectric energy needs of small residential units locate far from the city centers orenergy distribution networks. Meanwhile, the Adaptive Neuro Fuzzy Controller(ANFC) has been used to bring the operation values of electrical output magnitudesof hybrid power production system to a desirable point.The world wide applications of hybrid power production systems and articlesand thesis written on such power production systems have been examined carefully.The technical data required for the study has been obtained in great extent. Thesystem components forming the hybrid power production system and their functionswithin the system have been briefly described. On the other hand, the AdaptiveNeuro-Fuzzy Controller has been presented with block diagrams in a comprehensivemanner in a separate section.The mathematical relations necessary for dynamic modeling of the systemrelated to independent operation of a 300 kW wind power production system fromenergy distribution networks have been determined. The wind power productionsystem consists of a variable speed wind tribune and asynchronous generator. Theblock diagrams and mathematical equations defining the dynamic behavior of thevariable speed wind tribune and asynchronous generator are presented separately inthe thesis study.The simulation block diagrams which demonstrate the actual behavior of thewind power production system in real facilities have been formed by usingmathematical equations which describe the block diagrams of wind tribune andasynchronous generator, Matlab/Simulink program and Power System Toolbox.Then, to ensure the output magnitudes obtained in different load rates of the windpower production system to be in desired performance, control of pitch angle of thewind tribune with the conventional PID Controller and ANFC has been realized.In this study, the second power production component of the hybrid powerproduction system is a 400KW gas power production system. The gas powerproduction system consists of a gas tribune system and a cylindrical polesynchronous generator. The block diagrams and mathematical equations defining thedynamic behavior of the gas tribune and synchronous generator have been presentedseparately in the study. By using the block diagrams and mathematical equationsdefining the dynamic behavior of the gas tribune, a dynamic modeling has beenrealized in the Matlab/Simulink program. By operating the gas power productionsystem in an isolated manner from the energy distribution networks, the electricaloutput magnitudes have been obtained individually for different load rates. The gastribune speed control has been realized using the PID Controller and ANFC to ensurethat such electrical output magnitudes to be in desired value.In the final section of the thesis study, by connecting the wind powerproduction system and gas power production system in parallel to each other, thedynamic modeling of the system in situation where the consumer?s loads are fedjointly has been realized in the Matlab/Simulink program. Under such operationcircumstance, in order to ensure that the electrical output magnitudes of the hybridpower production system to be in desired operation performance, its control withANFC has been made. The dynamic behavior of the system in case the hybrid wind-gas power production system is loaded with different consumer?s loads has beenanalyzed using the simulation results obtained by using ANFC. As it can be seenfrom the results of simulation study realized for the hybrid power production system,the output electrical magnitudes of the system have been placed in the desiredoperation value with ANFC.Key words: Wind Power Production System, Gas Power Production System, HybridPower Production System, PID Controller, adaptive Neuro-Fuzzy Controller,Modeling, Matlab/SimulinkJanuary 2007 Yüksel OĞUZ