Rüzgâr türbinlerinde kullanılan sabit mıknatıslı senkron generatörün back-to-back dönüştürücü ile hız kontrolü

Abstract

Enerji verimliliği ve etkinliği açısından yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı son yıllarda gittikçe önem kazanmaktadır. Bu enerji kaynaklarından biri de rüzgâr enerjisidir. Rüzgâr enerjisi başta çevre temizliği açısından olmak üzere güvenilirliği ve ucuzluğunun da gittikçe artmasıyla yaygın halde kullanılmaktadır. Fosil yakıtların elektrik üretimindeki katkısı tartışılmaz bir gerçektir. Fakat bu yakıtların giderek tükenmesi rüzgâr enerjisinin önemini daha da artırmaktadır. Özellikle Danimarka, Portekiz, İspanya ve Almanya gibi Avrupa ülkelerinde elektrik enerjisinin önemli bir bölümü rüzgârdan karşılanmaktadır. Türkiye'de ise şebekeye bağlı rüzgâr enerjisi ile elektrik üretimi 1998 yılında başlamış ve özellikle 2005 yılından itibaren 5346 sayılı "Yenilenebilir Elektrik Kanunu"nun çıkmasından sonra kurulu güç ve enerji üretiminde her yıl %100'ün üzerinde artış göstererek 2011 yılı sonunda 1691,8 MW'a, 2012 sonu itibarıyla ise ülkemizdeki toplam kurulu gücün %4'üne tekabül eden 2261 MW'a ulaşmıştır [1], [2]. Rüzgâr enerjisini elektrik enerjisine çevirebilmek için çeşitli rüzgâr türbinleri tasarlanıp tüm dünyada kullanıma sunulmuştur. Bu rüzgâr türbinleri içerisinde kullanıma en elverişli olanı ve en verimli olanı değişken hızlı rüzgâr türbinleridir. Rüzgâr türbinleri yapısı içerisinde rüzgârdan alınan enerjiyi elektrik enerjisine çeviren, yani generatör olarak çalıştırılan bir elektrik makinesi bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, rüzgâr türbinlerinde kullanılan elektrik makinelerinden olan ve son yıllarda kullanımı yaygınlaşan sabit mıknatıslı senkron makinenin güç elektroniği devreleri ile hız kontrolü ve belirlenen hızda generatör olarak çalışması Matlab/SİMULİNK programında gerçekleştirilmiştir. Tezin birinci bölümünde, yapılan literatür taraması sonucunda tez konusu ile ilgili yapılan çalışmalar hakkında kısa bilgiler, tezin amacı ve hipotez verilmiştir. İkinci bölümde ise rüzgâr enerjisi, rüzgâr türbinleri ve bu türbinlerde kullanılan senkron ve asenkron generatörler hakkında teorik bilgiler verilmiş ve bu generatörler avantajları ve dezavantajlarıyla birlikte kıyaslanmıştır. Üçüncü bölümde, bu tez çalışmasında kullanılan Sabit Mıknatıslı Senkron Generatörün (SMSG) yapısı, işlevi, çalışma mantığı, matematiksel modeli ile avantaj ve dezavantajları detaylı olarak anlatılmıştır. Dördüncü bölümde, SMSG'nin hız kontrolünde kullanılan alan yönlendirmeli kontrol metodu anlatılmıştır. Ayrıca back to back dönüştürücü ile ilgili bilgiler verilip bu dönüştürücünün kontrolünde kullanılan PWM kontrol teknikleri detaylı bir şekilde anlatılmış ve Matlab/SİMULİNK'te simule edilmiştir. Beşinci bölüm konu ile ilgili simülasyon sonuçlarını kapsamaktadır. Alan yönlendirmeli kontrol metoduyla SMSG'nin hızı kontrol edilmiştir. Bu kontrol de inverter anahtarlamaları için Sinüsoidal PWM, Uzay Vektörü PWM ve Histerezis Akım Kontrolü PWM teknikleri ayrı ayrı kullanılarak simülasyon çalışması yapılmış ve elde edilen sonuçlar toplam harmonik distorsiyonu (THD), dinamik cevap, anahtarlama kayıpları v.s gibi özellikler açısından mukayese edilmiştir. Altıncı ve son bölümde ise yapılan bu tez çalışmasında uygulanan kontrol tekniklerindeki olumlu ve olumsuz sonuçlar belirtilmiştir.