Değişken hızlı değişken kanat açılı bir rüzgar türbininin modellenmesi, simülasyonu ve kontrolü

Abstract

Bu tez, değişken hızlı değişken kanat açılı bir rüzgâr türbininin modellenmesi, kontrolü ve simülasyonu ile ilgilidir. Tezin amacı, rüzgâr türbini modellenmesi, kontrolü ve simülasyonu konusunda var olan çalışmalara katkıda bulunmaktır. Rüzgâr türbinleri, rüzgâr hızına bağlı olarak üç çalışma bölgesine sahiptir: başlama-bitiş, kısmi yük ve tam yük bölgesi. Rüzgâr türbini modellenmesi, kontrolü ve simülasyonu üzerine literatürde çok sayıda çalışma mevcuttur. Fakat bu çalışmaların çoğu rüzgâr türbininin belirli çalışma bölgeleri ve rüzgâr türbininin belirli kısımları ile ilgilidir. Ayrıca doğrulama için kullanılan rüzgâr türbin modeli genelde düşük serbestlik derecesindedir. Kullanılan rüzgâr verisi de gerçekçi olmaktan uzak, ya bir sinüs fonksiyonu ya da basamak fonksiyonudur. Bu tezde diğer çalışmalardan farklı olarak, rüzgâr türbininin çeşitli çalışma evreleri bir bütün olarak ele alınmıştır. Bütünleşik bir rüzgâr türbin modeli oluşturmak ve kontrol etmek amaçlanmıştır. Bu amaçla yola çıkılarak rüzgâr türbininin aerodinamik modeli, mekanik modeli, Çift Beslemeli Asenkron Generatör (ÇBAG) modeli ve kanat açısı eyleyicisi modeli geliştirilmiştir. Rüzgâr türbininin çalışma evrelerinden kısmi yük bölgesi için generatör moment kontrolcüsü, tam yük bölgesi için ise generatör moment kontrolcüsü ile birlikte çalışan kanat açısı kontrolcüsü kullanılmıştır. Ayrıca generatör moment kontrolcüsünün ürettiği referans moment ve güç değerlerini izleyen ÇBAG güç kontrolcüsü kullanılmıştır. Bu tez kapsamında tasarlanan modeller ve kontrolcüler MATLAB-SIMULINK ortamında gerçeklenmiştir. Tasarlanan kontrolcülerin doğrulanması amacıyla NREL'nin (National Renewable Energy Laboratory) geliştirdiği yüksek serbestlik dereceli rüzgâr türbini simülatörü FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence) kullanılmıştır. Ayrıca kullanılan rüzgâr verisinin gerçekçi olması için yine NREL'in geliştirdiği gerçekçi rüzgâr simülatörü TURBSIM (Turbulence Simulation) kullanılmıştır. Bu çalışmanın sonuçları FAST'nin kullandığı kontrolcü sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

This thesis is related to modelling, simulation and control of a variable-speed variable-pitch wind turbine. The aim of the thesis is to contribute to the literature on modelling, control and simulation of wind turbines. Wind turbines, depending on wind speed have three operating regions: start-finish region, the partial load region, and the full load region. There are lots of studies on modelling, control and simulation of wind turbines in literature. But most of these studies focuse on specific operating regions and specific parts of wind turbines. In addition, wind turbine model used for verification usually has low degrees of freedom. Besides, wind models used in these studies are far from being realistic. Sine function and step function are frequently used as wind models. Unlike other studies, in this thesis, different operation regions of the wind turbine are considered as a whole. Developing an integrated wind turbine model and controlling it are aimed in this study. For this purpose, based on wind turbine, the aerodynamic model, mechanical model, Double-Fed Induction Generator (DFIG) model and blade angle actuator model are developed. Generator torque controller is used for partial load operation region of wind turbine. For full load operation region, blade pitch angle controller that works with generator torque controller is used. In addition, DFIG power controller is used to track reference torque and power values produced by generator torque controller. The models and controllers designed within the scope of this thesis are implemented in MATLAB-SIMULINK. In order to verify designed controllers, FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence) developed by NREL (National Renewable Energy Laboratory) is used. In addition, wind data used to be realistic is generated by means of TURBSIM (Turbulence Simulation) which is also developed by NREL. Results of this study are compared with the results of FAST?s default controllers.