Düşük Güçlü Bir Rüzgar Enerji Sistemi İçin

Fırat Üniversitesi-Elazığ
DÜŞÜK GÜÇLÜ BİR RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ İÇİN İNVERTER UYGULAMASI
Ahmet TOPRAK1, Ramazan AKKAYA2
1
2
Bozkır MYO Elektrik ve Enerji Bölümü
Selçuk Üniversitesi
atoprak@selcuk.edu.tr
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Selçuk Üniversitesi
akkaya@selcuk.edu.tr
devre şemaları ve kontrol teknikleri kullanılmaktadır. Düşük
güçlü sistemlerde genellikle tek fazlı sinüzoidal PWM
inverterler tercih edilmiş ve bu konuda çeşitli çalışmalar
yapılmıştır [3], [4], [5].
Bu çalışmada, düşük güçlü bir rüzgar enerji sistemi
gerçekleştirmek için dahili şarj birimine sahip PM senkron
generatörlü rüzgar türbininden elde edilen ve akü biriminde
depolanan DC enerjinin AC’ye dönüştürülmesi için PWM
kontrollü tek fazlı bir inverter gerçekleştirilmiştir. Şekil 1’de
gerçekleştirilen sistemin genel yapısı görülmektedir.
ÖZET
Bu çalışmada, elektrik enerjisi üretimi için düşük
güçlü bir rüzgar enerji sistemi gerçekleştirilmiştir. Sistem,
dahili şarj birimine sahip 400 W gücünde PM senkron
generatörlü rüzgar türbini, akü birimi ve PWM inverterden
oluşmaktadır. Rüzgar türbininden elde edilen DC gücü AC’ye
dönüştürmek için tek fazlı köprü tipi gerilim beslemeli bir
inverter kullanılmıştır. İnverter PIC 16F877 mikrodenetleyici
tarafından üretilen sinüzoidal PWM tekniği ile kontrol
edilmiştir. Sistem MATLAB simulink ortamında simüle
edilmiş, simülasyon ve deney sonuçlarının uyumlu olduğu
görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Generatör, İnverter, Mikrodenetleyici,
Rüzgar Türbini, PWM.
1.
GİRİŞ
Enerji ihtiyacının sürekli artması, buna karşılık mevcut
kaynakların kısıtlı ve tükenebilir olması, insanoğlunu alternatif
enerji kaynakları bulma ve geliştirme yoluna itmiştir. Ayrıca
dünyanın
yaşanabilirlik
ortamının
korunması
ve
sürdürülebilmesi amacıyla yapılan ulusal ve uluslararası
hukuki düzenlemeler ve enerji üretim, iletim ve tüketiminden
kaynaklanan çevresel etki ve sorunlar da enerji üretim
sistemleri ve kaynak seçiminde çevresel etkilerin de dikkate
alınmasını zorunlu kılmaktadır [1].
Yenilenebilir enerji kaynakları, sürekliliği olan ve hiç
bitmeyecekleri varsayılan kaynaklardır. Rüzgar enerjisi yaygın
olarak kullanılan bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Rüzgar
kaynaklı enerji üretimi, diğer yenilenebilir enerji kaynakları ile
karşılaştırıldığında en umut verici ve ticari olarak mevcut
olanı, aynı zamanda en hızlı gelişenidir. Rüzgar enerjisinin bu
kadar gelişmesinin nedeni olarak; atmosferde doğal olarak
oluşması, kolay kurulumu, teknolojik geliştirilebilirlik ve
kullanışlılığının yanında giderek ucuzlayan maliyeti
gösterilebilir. Rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretim
sürecinin atmosfer kirliliğine sebebiyet vermemesi nedeniyle
bu kaynak “temiz enerji” olarak da nitelendirilmektedir [2].
Rüzgar türbininde üretilen enerjinin tüketiciler tarafından
kullanılabilmesi için arabirim olarak güç elektroniği
dönüştürücüleri kullanılır. Güç elektroniğindeki son
gelişmelerle birlikte düşük fiyatlı ve yüksek güvenilirlikte ve
verimli çeşitli dönüştürücüler rüzgar enerji sistemlerinde
kullanılmaktadır. Günümüz rüzgar türbinleri bünyelerinde şarj
kontrol üniteleri (şarj regülatörü) bulundururlar. Bu sayede
rüzgar türbininden elde edilen enerjinin, kullanılmadığı
zamanlarda depolandığı akülerin zarar görmesi de engellenmiş
olur. Özellikle, rüzgar türbinlerinden elde edilen ve akülerde
depolanan DC enerjinin tüketiciler tarafından kullanılabilmesi
için uygun frekans ve genlikte AC gerilime dönüştürülmesi
gerekir. Bu amaçla AC gücü DC’ye dönüştüren çeşitli inverter
Şekil 1: Tipik Bir Rüzgar Enerji Sistemi
İnverter ile çıkış geriliminin etkin değeri 220 V değerine
ayarlanırken frekansı da 50 Hz’de sabit tutulmaktadır.
Rüzgarın olmadığı ya da yeterli olmadığı durumda akü grubu
devreye girerek yüklerin talep ettiği enerjiyi sağlamaktadır [6].
2.
RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ
2.1. Rüzgar Türbinleri
Yatay eksenli ve dikey eksenli olmak üzere iki tip rüzgar
türbini vardır. Yatay eksenli rüzgar türbinleri yüksek güçlerde
daha düşük fiyat ve tasarım kolaylığı gibi avantajları açısından
tercih edilmektedir. Rüzgar türbininden elde edilecek güç
aşağıdaki ifadeyle verilebilir [2].
Pt =
1
. A.ρ .C p (λ ).v
3
(1)
2
Burada A kanat süpürme alanı (m2), ρ havanın özgül
yoğunluğu (kg/m3), Cp güç dönüşüm katsayısı, v rüzgar hızı
(m/s), λ ise kanat uç-hız oranıdır ve aşağıdaki gibi tanımlanır.
w .R
λ= t
(2)
v
Burada wt türbinin dönüş hızı ve R’de türbin kanadının
yarıçapıdır (m). Eğer kanat süpürme alanı ve hava yoğunluğu
sabitse Cp’nin değeri λ ’nın fonksiyonudur ve λopt ’da
275
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011
Modülasyon indeksi, çıkış geriliminin genliğini ayarlar.
Üçgen taşıyıcı dalga frekansının (fs) referans dalga frekansına
(fm) oranı frekans modülasyon oranıdır ve mf ile gösterilir.
mf’nin en az 9 olması istenir. mf ne kadar büyük olursa
harmonik bileşenler ana harmonikten o derece uzaklaşır.
f
mf = s
(5)
fm
maksimumdur. Bu nedenle rüzgar enerjisinden tam olarak
faydalanabilmek için λ = λopt olmalıdır. Buna göre (1)’den
Pmax =
1
. A.ρ .C p max .v
3
(3)
2
olarak rüzgar türbininden elde edilecek maksimum güç ifadesi
elde edilir.
Rüzgar türbininin elektrik enerjisine dönüştürdüğü
enerjinin miktarı için rüzgar hızı çok önemlidir. (3)’de
görüldüğü gibi bir rüzgar sistemi ile elde edilebilecek güç,
rüzgar hızının küpü ile orantılıdır. Ayrıca ortalama bölgesel
rüzgar hızı, rüzgar sistemlerinin dizaynında ve ekonomik
analizlerinde önemli bir faktördür.
Şekil 3’de PWM sinyallerinin elde edilmesi için referans
dalga olarak sinüs ve taşıyıcı dalga olarak üçgen dalgalar
kullanılmıştır. Burada sinüsün genliğini değiştirerek darbe
sayısını değiştirmek mümkündür. Üçgen dalganın frekansı
PWM anahtarlama frekansını belirlerken sinüzoidal referans
dalganın frekansı çıkış frekansını belirler.
PWM için değiştirilebilen üç kontrol girişi vardır. Bunlar;
modülasyon indeksi M, frekans modülasyon oranı mf ve sinüs
referans dalgasının frekansı fm’dir.
2.2. İnverterler
İnverterler, DC gerilimi AC gerilime çeviren DC-AC
dönüştürücülerdir. Bir inverterin görevi girişindeki doğru
gerilimi, çıkışında istenen genlik ve frekansta simetrik bir
alternatif gerilime dönüştürmektir. Çıkışta elde edilen gerilim
ve frekans değerleri sabit veya değişken olabilir. Şekil 2’de bir
fazlı köprü inverter devresi gösterilmiştir. Devredeki D1, D2,
D3 ve D4 diyotları serbest geçiş diyotlarıdır. Vd invertere
uygulanan DC gerilimdir.
1
0
-1
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
1
0
-1
1
0
-1
1
0
-1
Şekil 3: Sinüs PWM Sinyallerinin Üretilmesi
3.
GERÇEKLEŞTİRİLEN SİSTEMİN ÖZELLİKLERİ
3.1. Rüzgar Türbini
Bu çalışmada, 12V/24V çalışan entegre şarj kartlı yeni
nesil rüzgar türbini olan nominal 600 W güce sahip “Tornado
600S” marka rüzgar türbini kullanılmıştır. Ayrıca tek anahtar
sayesinde 12/24 V çalışma durumu sisteme göre ayarlanabilir.
Rüzgar türbininde 3 fazlı sürekli mıknatıslı senkron generatör
bulunmaktadır.
Türbin, 119 cm rotor çapı ve yeni nesil karbon-fiberoptik
yapı kanatları sayesinde 2,5 m/sn rüzgar hızında start ve 3
m/sn rüzgar hızında aküleri şarj etmeye başlar. Akülerin full
şarj olmasıyla generatör otomatik frenlenir ve yıpranması
önlenir. Tablo 1’de kullanılan rüzgar türbinin özellikleri
verilmiştir.
Şekil 2: Tek Fazlı Köprü İnverter
Şekilde görülen tek fazlı köprü inverter devresinde, S1 ve S4
elemanları ile S2 ve S3 sırasıyla iletime girip çıkmaktadır. S1 ve
S4 anahtarları birlikte iletime sokulursa, yükün uçlarında Vd
giriş gerilimi oluşur. S2 ve S3 birlikte iletime geçirilirse, yük
gerilimi yön değiştirerek –Vd değerine eşit olur. Bu durumda
yük üzerinde kare dalga şeklinde değişen bir AC gerilim elde
edilir.
Anahtarlama elemanları uygun şekilde kontrol edilerek
inverter çıkısında farklı gerilim dalga şekilleri oluşturulabilir.
İnverterlerde istenilen en önemli şey, çıkış işaretinin genliğini
ve frekansını kontrol etmektir. Ayrıca çıkışın harmoniksiz
olması yani sinüzoidal olması istenir. Ancak inverter çıkışında
ana dalganın yanında istenmeyen harmonikler de meydana
gelir. İnverterlerde çıkış harmonik bileşenlerinin büyüklüğünü
azaltmak ve çıkış geriliminin genliğini ve frekansını ayarlamak
amacı ile PWM kullanılır.
Genel olarak PWM sinyalleri yüksek frekanslı bir üçgen
taşıyıcı dalga ile istenen çıkış frekansındaki bir referans sinüs
dalganın karşılaştırılmasından elde edilir. Referans dalganın
tepe değerinin (VR) üçgen taşıyıcı dalganın tepe değerine (VC)
oranına Modülasyon İndeksi denir ve M ile gösterilir.
V
M= R
(4)
VC
Tablo 1: Tornado 600S Rüzgar Türbininin Özellikleri
Kanat Sayısı
Rotor Çapı
Net Ağırlık
Hız Kontrolü
Sistem Gerilimi
Nominal Güç
Maksimum Güç
Start Rüzgar Hızı
Şarj Rüzgar Hızı
Nominal Rüzgar Hızı
Devre Dışı Geçiş
Rüzgara Dayanma Hızı
276
3
119 cm
6,3 kg
Akü şarj hız kontrolü
DC 12V / DC 24V
400W (12V)
550W(12V)/750W(24V)
2,5 m/sn
3,0 m/sn
12,5 m/sn
25 m/sn
60 m/sn
Fırat Üniversitesi-Elazığ
mikrodenetleyici çıkışlarında üretilen ve değişimi Şekil 6’da
verilen sinüzoidal PWM anahtarlama sinyalleri Şekil 5.b’deki
devre şemasında görüldüğü gibi IR2113’e uygulanır. IR2113
girişine lojik 1 uygulandığında, MOSFET kapı-emiter girişine
+12 V gerilim uygulanır, böylece MOSFET iletime sokulur.
IR2113’ün girişine lojik 0 uygulandığında, kapı-emiter
girişine 0 V uygulanarak MOSFET kesime sokulur.
Rüzgar türbini, Şekil 4’de görüldüğü gibi Bozkır Meslek
Yüksekokul’u sınırları içerisindeki, küçük bir tepe üzerinde
bulunan 5 m yüksekliğindeki kullanılmayan su deposu üzerine
monte edilen 4,5 m yüksekliğindeki bir kule üzerine
kurulmuştur. Rüzgar türbini çalışırken oluşan titreşimleri
azaltmak için türbin kulesi üç adet çelik halatla depo üzerine
sabitlenmiştir.
(a)
Şekil 4: Şarj Regülatörü ve Akü Birimini de İçeren Rüzgar
Türbininin Görünüşü
Türbin üzerindeki şarj biriminden aküler kontrollü olarak
şarj edilmektedir. Dahili elektronik şarj sistemi, bataryaları
Tornado 600S’den gelecek yüksek gerilimden korur, türbin
pervane hızını kontrol eder ve esnek bir batarya şarj regülatörü
gibi davranır. Dahili regülatör, bataryanın gerilimini algılar ve
şarj edip etmemeye karar verir. Batarya gerilimi ayar
noktasıyla eşleştiğinde regülatör, türbinin aküyü şarj etmesini
durdurur.
3.2. Akü
Aküler, rüzgar türbininden elde edilen enerjiyi
kullanılmadığı zamanlarda depolar, rüzgar yokken yükü
kesintisiz olarak belirli bir süre besler. Seçilecek akünün, yükü
istenen süre kadar besleyebilecek kapasitede olması
gerekmektedir. Bu süre, yüke ve kullanım alanına göre birkaç
dakikadan birkaç saate kadar değişmektedir. Gerçekleştirilen
sistemde bir adet 12 Volt 200 Amper/saat’lik bir jel akü
kullanılmıştır.
(b)
Şekil 5: Gerçekleştirilen İnverter Devresinin a) Resmi
ve b) Devre Şeması
Çalışma frekansları ve ilgili anahtarlama zamanları, MOSFET
kontrol devresindeki mikrodenetleyiciye kaydedilerek bir
çevrim tablosu oluşturulmuştur. Çıkıştaki yüklenme durumuna
göre, çıkışta elde edilen AC gerilimden alınan geri besleme
sinyali, PIC mikrodenetleyiciye uygulanarak değişik yük
durumları için PWM darbe genişlikleri artırılıp azaltılmak
suretiyle çıkış geriliminin 50 Hz, 220 V seviyesinde tutulması
sağlanmaktadır. Bu inverter, aküden beslenen uygun güçteki
sistemlerde kullanılabilir.
3.3. Tek Fazlı PWM İnverterin Gerçekleştirilmesi
Rüzgar türbini dahili şarj birimine sahip olduğundan bu
çalışmada PWM kontrollü tek fazlı köprü tipi temel inverter
devresinin güç ve kontrol birimi tasarlanmıştır. İnverterde, yarı
iletken anahtar olarak 55V, 110A değerlerine sahip
IRFP064N serisi MOSFET’ler kullanılarak daha yüksek
güçlerde çalışabilecek bir devre gerçekleştirilmiştir.
Gerçekleştirilen inverter devresinin üstten görünüşü Şekil
5.a’daki resimde ve devre şeması da Şekil 5.b’de verilmiştir.
İnverter ile alternatif gerilime dönüştürülen akü gerilimini
yükün ihtiyaç duyduğu seviyeye yükseltmek için türbin gücü
de dikkate alınarak dönüştürme oranı 12/220 olan 500 VA’lık
bir trafo kullanılmıştır
İnverter çalışma frekansı 1 kHz’dir. Anahtarlama yöntemi
olarak sinüzoidal PWM kullanılmıştır. Kontrol işlemi,
PIC16F877 mikrodenetleyicisi ile yapılmaktadır. PIC
Şekil 6: PIC Mikrodenetleyici Tarafından Üretilen PWM
Anahtarlama Sinyalleri (5V/div).
277
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011
4.
SİMÜLASYON VE DENEYSEL SONUÇLAR
400
Yük Gerilimi
300
Rüzgar enerji sisteminin MATLAB ortamında oluşturulan
simulink modeli Şekil 7’de görülmektedir. Yapılan simülasyon
ve deneysel çalışmalar sonucunda yük akım ve geriliminin
değişimi hem simülasyon modelinden hem de deneysel sistem
üzerinden osilaskop görüntüsü olarak elde edilmiştir.
Yük Akımı
200
100
0
-100
-200
-300
-400
(a)
Şekil 7: Rüzgar enerji sisteminin MATLAB ortamında
oluşturulan simulink modeli
Şekil 8’de 100 W’lık omik bir yük için simülasyon ve
deneysel sonuçlar görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi
gerilim ve akım dalga şekilleri omik yük için aynı fazdadır ve
çıkış filtrelenmemiştir.
400
Yük Gerilimi
300
Yük Akımı
(b)
200
Şekil 9: 60 W’lık Fan Motoru Üzerindeki Gerilim ve Akımın
Değişimi a) Simülasyon ve b) Deneysel Sonuç.
100
0
-100
5.
-200
SONUÇLAR
PM senkron generatörlü rüzgar türbini ve inverterden
oluşan rüzgar enerji sistemi MATLAB/SIMULINK
kullanılarak modellenmiştir. Aküde depolanan sabit DC
gerilim sinüzoidal PWM inverter kullanılarak Çıkışta 220 V,
50 Hz frekanslı PWM AC dalga şekilleri elde edilmiş ve
değişken yük durumunda çıkış geriliminin sabit kalması
sağlanmıştır. Deneysel sistemden ve simulink modelden elde
edilen inverter dalga şekillerinin birbiriyle uyumlu olduğu
görülmüştür.
-300
-400
(a)
6.
KAYNAKLAR
[1] Özkaya, M. G., Variyenli, H. İ., Uçar, S., “Rüzgar
Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretimi ve Kayseri ili İçin
Çevresel Etkilerin Değerlendirilmesi”, Cumhuriyet
Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Cilt 29 (1), 1-20, 2008
[2] Park, H. G., Jang, S. H., Lee, D. C., Kim, H. G., “ LowCost Converters for Micro wind Turbine Systems using
PMSG”, The 7th Int. Conf. On power Electronics, Korea,
483-487, 2007.
[3] Akkaya, R., Kulaksız, A. A., “Solar and Wind Energy
Applications of Power Electronics”, III. Ulusal Temiz
Enerji Sempozyumu, Cilt 1, İstanbul, 329-336, 2000.
[4] Boutot, T., Chang, L., “Development of a Single-Phase
Inverter for Small Wind Turbines”, IEEE Canadian Conf.
on Elect. and Comp. Eng., 305-308, 1998.
[5] Bharanikumar, R., Kumar, A. N., “Analysis of Wind
Turbine Driven PM Generator with Power Converters”,
Int. Journal of Comp. and Elect. Eng. Vol 2 No 4,766769, 2010.
[6] Toprak, A., “Elektrik Üretimi için Düşük Güçlü Rüzgar
Enerji Sistemi Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2011.
(b)
Şekil 8: 100 W’lık Omik Yük Üzerindeki Gerilim ve Akımın
Değişimi a) Simülasyon ve b) Deneysel Sonuç
Şekil 9’da ise 60 W’lık fan motoru için simülasyon ve
deneysel sonuçlar verilmiştir. Çıkışa 10 µF’lık bir kondansatör
bağlanmıştır. Şekilde görüldüğü gibi çıkışa bağlanan 10 µF’lık
filtre kondansatörü ve motorun endüktansının da etkisiyle
çıkış gerilimi sinüse daha çok yaklaşmış, çıkış akımı biraz
daha düzelmiş ve faz farkı oluşmuştur. Her iki yük durumu
için de simülasyon ve deneysel sonuçlar birbiriyle uyumludur.
278