Metasezgisel algoritmalarla optimize edilmiş kesir dereceli pıd kontrolörler ile gaz türbin elektrik santralinin kontrolü
Control of gas turbine power plant with fractional order pid controllers optimized by metaheuristic algorithms
Yazar: KUNTER SERCAN SEZER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NEVRA BAYHAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde elektrik üretim santrallerinde klasik kontrol yöntemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Klasik kontrol yöntemleri, santrallerin uzun çalışma süreleri ve hattaki yük kapasitesinin değişken olması sebebiyle oluşan dinamiklere yeterli cevabı sağlamayabilmektedir. Bu gibi durumlara çözüm olması için daha esnek ve etkin yapılarıyla modern kontrol yöntemlerinin kullanımı giderek önem kazanmaktadır.
Kullanımı oldukça yaygın olan klasik orantı-integral-türev (PID) kontrolörler günümüzde birçok kontrol sisteminde bulunduğu gibi elektrik santrallerinde de kullanılmaktadır; ancak bazı koşullarda gereksinimleri karşılamayabilmekte, santralin kurulumundan günümüze kadar değişen ortam şartları ve yaşlanmanın da etkisiyle mevcut kontrolörlerden daha üstün sonuçlar vermesi beklenebilmektedir. Bu gibi durumlarda kullanılabilirliğinin değerlendirilmesi için klasik PID kontrolörün genelleştirilmiş modern hali olan kesir dereceli PID (FOPID) kontrolörler bu tezde ele alınmıştır.
Bu amaçla bu tezde; bilgisayar ortamında simülasyonlar yapılabilmesi için sistem modeli olarak basitleştirilmiş bir gaz türbinli elektrik santral modeli ele alınmış ve FOPID kontrolör ile sistem denetimi sağlanmıştır. FOPID kontrolörlerin optimizasyonu, yapıları gereği yüksek matematik bilgisi gerektirmektedir ve bu işlemler klasik matematik yöntemleri ile yapıldığında oldukça fazla zaman almaktadır. Bu çalışmada; optimizasyon yöntemi olarak parçacık sürüsü optimizasyonu (PSO), yapay arı kolonisi optimizasyonu (ABC), gri kurt optimizasyonu (GWO), güve-ateş optimizasyonu (MFO), balina optimizasyonu (WOA), salp sürüsü optimizasyonu(SSA), sinüs-kosinüs optimizasyon (SCA), atom arama optimizasyonu (ASO) metasezgisel algoritmalarının kullanımıyla FOPID kontrolörlerin optimizasyonu ele alınmıştır. 
Bu tezde basitleştirilmiş gaz türbinli santral modelinin kontrolü için FOPID kontrolör içeren sistemin simülasyonu yapılıp, yukarıda bahsi geçen metasezgisel algoritmalar ile optimizasyonu sağlanarak tasarlanmış olan FOPID kontrolörler yardımıyla santral çıkışındaki istenmeyen güç dalgalanmalarına oldukça kısa sürede cevap verilmesi sağlanmıştır. Bahsedilen optimizasyon algoritmaları ile parametre değerleri belirlenmiş FOPID kontrolörün uygulandığı basitleştirilmiş gaz türbinli elektrik güç santral modeli çıkış işaretleri; yükselme süresi, yüzde en büyük aşım değeri ve yerleşme süresi kriterlerine göre karşılaştırılmıştır.
Elde edilen simülasyon sonuçları, GWO algoritması ile tasarlanmış FOPID kontrolörün, ele alınan santral modeli için uygun ve kullanışlı olduğunu göstermektedir. GWO algoritması ile optimize edilmiş FOPID kontrolör uygulanmış basitleştirilmiş gaz türbinli elektrik güç santral modeli çıkış işaretinin yükselme ve yerleşme sürelerinin, diğer algoritmalar ile bulunan FOPID kontrolör parametre değerleri kullanıldığında elde edilen sistem çıkış sinyallerindeki yükselme ve yerleşme sürelerine kıyasla daha küçük olduğu görülmüştür. FOPID kontrolör ile denetlenen sistemin çıkış işaretleri karşılaştırıldığında en az aşım yapan iki işaretin sırasıyla küçükten büyüğe ABC ve GWO algoritmaları ile optimize edilmiş olduğu anlaşılmıştır. Sonuç olarak, sistem çıkış işaretlerindeki yükselme süresi, yerleşme süresi ve yüzde en büyük aşım değeri kriterleri bir arada değerlendirilerek, enerji üretim sektöründe FOPID kontrolör kullanılan modern kontrol sistemlerinin optimizasyonu için PSO, ABC, GWO, MFO, WOA, SSA, SCA, ASO algoritmaları ile çözümler sunulmuştur.

Abstract:
Nowadays; classical control methods are used in general of power generation plants. Classical control methods; due to the long operating times of the power plants and the variable load capacity on the grid, it may not provide the necessary response to the dynamics that occur. It is becoming increasingly important to use modern control methods with more flexible and effective structures to solve such situations.
Classical proportional-integral-derivative (PID) controllers, which are widely used, are also used in power plants as well as in many control systems today; However, it may not meet the requirements in some conditions, and it can be expected to give superior results than existing controllers due to the changing environmental conditions and aging. Fractional-order PID (FOPID) controllers, one of the modern controllers, are discussed in this thesis in order to be evaluated in such cases.
For this purpose, in this thesis; In order to make simulations in computer environment, a simplified gas turbine power plant model has been considered as the system model and system control has been provided with the FOPID controller. Optimization of FOPID controllers requires high mathematical knowledge due to their nature, and these operations take quite a lot of time when done with classical mathematical methods. In this study; by using particle swarm optimization (PSO), artificial bee colony optimization (ABC), gray wolf optimization (GWO), moth-fire optimization (MFO), whale optimization (WOA), salp swarm optimization (SSA), sine-cosine optimization as optimization method (SCA), atomic search optimization (ASO) metaheuristic algorithms; optimization of FOPID controllers is discussed.
In this thesis, for the control of the simplified gas turbine power plant model, the system containing the FOPID controller is simulated and it is provided to respond to the unwanted power fluctuations at the power plant output in a very short time with the help of FOPID controllers designed by mentioned metaheuristic algorithms. The simplified gas turbine electric power plant model output signals where the FOPID controller whose parameter values are determined with the help of mentioned optimization algorithms is applied; was compared according to the rise time, maximum overshoot and settling time criteria.
The obtained simulation results show that the FOPID controller which is optimized by GWO algorithm are suitable and useful for the power plant model. It has been observed that the rise and settling times provided by output signal of the simplified gas turbine electric power plant model which contains FOPID controller designed by GWO algorithm are smaller compared to the rise and settling times in the output signals when using the FOPID controller parameter values obtained by other algorithms. And also it seems that the overshoots of the output signal which belongs to system contains FOPID controller designed by GWO and ABC algorithms are smaller then the others. As a result, by evaluating rise time, settling time and overshoot ratio criterias of system output signals together, PSO, ABC, GWO, WOA, MFO, SSA, SCA, ASO algorithms have been presented as solutions for the optimization of modern control systems which includes FOPID controller in the power generation sector.