Mini hidroelektrik sistemler için gerilim ve frekans kontrollü asenkron generatör tasarımı

Dünyanın yıllık enerji ihtiyacı nüfus artışına paralel olarak hızla artmaktadır. Bu artışın başlıca sebepleri sanayileşmiş ileri ülkelerde çok fazla enerji tüketilmesi, az gelişmiş ülkelerde refah düzeyinin iyileşmesiyle daha fazla enerji tüketilmeye başlanması ve dünyada kişi başına tüketilen ortalama enerji miktarının artmasıdır. Enerji üretiminde kullanılan birincil enerji kaynaklarının içerisinde orijini fosil yakıtlara dayalı olan yakıtlar ve su gücü önemli yer tutmaktadır. Ancak artan nüfusla ve gelişen teknolojiyle birlikte fosil yakıtların sınırlı olması nedeniyle günümüzde alternatif enerji kaynaklarının değerlendirilmesi zorunlu hale gelmektedir. Ülkemiz yenilenebilir enerji kaynakları açısından oldukça şanslı ülkeler arasındadır. Sahip olduğumuz bu kaynakların en önemlilerinden biri de hidrolik kaynaklardır. Zira ortalama akış koşullarında ülkemizin su kuvvetinin brüt potansiyeli 433 milyar kWh/yıl, teknik potansiyeli ise 215 milyar kWh/yıl olarak belirlenmiştir. Fakat günümüzde bu potansiyelin ancak %26'sı değerlendirilmektedir. Ülkemizin topoğrafık ve hidrojeolojik yapısı ve bazı yörelerdeki yağış yoğunluğu büyük su potansiyelinin yanında mini hidroelektrik güç potansiyelinin de yaygın olarak bulunmasına olanak sağlamıştır. Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü'nün yaptığı çalışmalara göre mini hidroelektrik santrallerden 13.9 TWh/yıl enerji üretilebileceği hesaplanmıştır. İşte bu nedenle enerji darboğazının eşiğinde olan ülkemizde bu potansiyelin daha yüksek oranlarda değerlendirilebilmesi için, inşa edilen dev hidroelektrik santrallerin yanında mini hidroelektrik sistemlerinin de geliştirilip yaygınlaştırılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Gelişmekte olan ülkelerde ulaşılması zor, uzak veya yerleşim alanı düzensiz olan bölgelerde kullanılan mini hidroelektrik sistem projeleri için asenkron generatörler diğer konvansiyonel alternatörlere göre üstünlüklere sahip olabilirler. Zira küçük ve orta güçteki asenkron generatörler, uyarma devresi ve kutup tekerleğinin gerektirdiği masraflar bulunmadığından, senkron makinalara göre bir hayli ucuz ve dayanıklıdır; fırça ve bilezikler bulunmadığından fazla bakıma gerek duymazlar, birden çok asenkron generator frekans ve faz durumlarının kontrolü yapılmadan paralel bağlanabilirler. Asenkron generatörlerde salınım tehlikesi yoktur ve en önemlisi kısa devre akımlarının kendi kendine koruma sağlayarak uyartım akımı tarafından kontrol edilmesidir. Fakat asenkron generatörlerde frekans ve gerilim kontrolündeki zorluklar, elektrik üretiminde bu generatörlerin kullanımını sınırlamaktadır. Ancak mikroişlemci teknolojisi kullanılarak statikVAR kaynaklarının kontrolü ve devir regülasyonu söz konusu olunca bu sorun da ortadan kalkmaktadır. Giriş bölümünde, yapılan çalışmanın gerekliliğini vurgulamak amacıyla enerji kaynaklarının durumu ve yaşanan problemlerden özet olarak bahsedilmiş, hidrolik enerjinin ülkemizdeki durumu hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra hidrolik kaynaklardan faydalanmada yaşanan problemler ve alternatif çözümlerden bahsedilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde öncelikle asenkron makinaların yapısı, çalışma ilkeleri, temel denklem, devre ve vektörel ifadeleri teorik olarak açıklanmıştır. Daha sonra çalışmanın temelini oluşturan asenkron generatörlerin çalışma prensipleri ve genel karakteristikleri hakkında bilgi verilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde öncelikle tasarımda gerilim ve frekans kontrolünü sağlayan ünitenin sistemi ve kontrol organları hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra üniteyi oluşturan birimler detaylı şekilde incelenmiş ve akış diyagramlarıyla birlikte frekans ve gerilim kontrol işlemi açıklanmıştır. Çalışmanın dördüncü bölümünde öncelikle hidroelektrik potansiyel ve mini hidroelektrik santrallerin yapısı hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca mini hidroelektrik santraller ülkemiz için değerlendirilmiş ve hidroelektrik santrallere ait teçhizatlar adaptasyona ışık tutması için tanımlanmıştır. Daha sonra geliştirilen gerilim ve frekans kontrol ünitesinin mini hidroelektrik santrale adaptasyonu detaylı şekilde açıklanmıştır. Çalışmanın beşinci bölümünde öncelikle oluşturulan tasarımın farklı yük ortamlarında test edilmesi için simulasyon ortamı ve elemanlar tanıtılmıştır. Sonra gerilim ve frekans limitlerinin belirlenmesi ve limit aşımının etkisi hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra denetimsiz ortamda yükün generator çıkışına etkisi, gerilim ve frekans kontrolünün yapıldığı ortamın daha iyi kavranabilmesi amacıyla anlatılmış ve deneysel amaçlı hesaplamalar yapılmıştır. Çalışmanın altıncı bölümünde beşinci bölümünde belirlenen elemanların kullanımıyla oluşturulan simulasyon ortamında farklı değer ve tipteki yük koşullarında tasarımın performansı yapılan deneylerle test edilmiştir. Alınan deneysel sonuçlar oluşturulan tablo ve grafikler ışığında değerlendirmeler yapılmıştır. Çalışmanın yedinci bölümünde santralin çıkış verilerinin bilgisayar ortamında gözlenmesi ve kaydını gerçekleştirmek üzere yazılan bilgisayar programının genel yapısı, çalışması ve uzaktan kontrolü işlemleri açıklanmıştır. Çalışmanın sekizinci bölümünde ise elde edilen sonuçlar maddeler halinde verilmiş ve tasarımın değerlendirilmesi konusunda bazı öneriler getirilmiştir. VI