ABSTRACT
A new power generation concept that is alternative to generate of electric power in conventional large central power plants and transmit to far away by long and high voltage transmission line is to generate of electric power in embedded generation plants by using renewable energy sources. In third chapter, potential of wind energy in Turkey is investigated and some measurements results obtained from some research projects are given. dynamic stability problems in wind turbines are investigated and results of simulations in Matlab/Simulink are presented.In first case, a small-scale low voltage distribution network supplied from stand-alone wind generator is considered. Behavior of induction generator during the large load increasing is investigated too. In last case, another grid connected sample network is considered and its behavior is investigated during the short circuits. Behaviors of induction generators are easily compared if it is considered that short circuit phenomena are not simple than load changes. Especially, it is observed the speed losses, behave as motor in severe faults.
1.GİRİŞ
Rüzgar gücünden yararlanmanın tarihi beş bin yıl öncesine kadar dayanmaktadır. 20. yüzyılın başlarına kadar rüzgardan, su pompalamak (su değirmenleri) veya tanecik öğütmek (yel değirmenleri) için gerekli mekanik gücü sağlamak amacıyla yararlanılıyordu. Sanayi devrimine bağlı olarak endüstriyel ilerlemenin başlangıcı ile fosil yakıt (petrol, kömür vb) tüketiminin ve elektrik üretiminin büyük oranlara ulaşması ve yüksek verimin elde edilmesi rüzgar enerjisini bir kenara atmıştır.
Günümüzde gerçekleşmekte olan teknolojik, ekonomik ve toplumsal gelişmelere paralel olarak, ihtiyaç duyulan elektrik enerjinin kesintisiz, kaliteli, güvenilir ve ekonomik koşullarda, çevresel etkileri dikkate alınarak üretilmesi zorunluluğu vardır. Fosil kaynaklı yakıtların sınırlı ömürleri ve çevre kirliliğine yol açmaları alternatif enerji kaynakları üzerinde yeni arayışları kaçınılmaz hale getirmektedir. Çevre kirliği açısından fosil yakıtlara en büyük alternatif, yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Son yıllarda rüzgar, güneş, biomass, geotermal gibi doğal kaynaklar ile elektrik enerjisi üretiminde önemli adımlar atılmaktadır.
Rüzgardan faydalanma insanlık tarihinin önemli bir bölümünde sadece mekanik güç elde etmek amaçlı olmuştur. Mezopotamya’da sulama amaçlı ilk uygulamaları MÖ 2800’lerde Babil’de yapılmıştır. Yel değirmenlerine ise ilk olarak İskenderiye’de rastlanılmıştır. Türklerin ve Perslerin 7.yy’da yel değirmeni kullandıkları tarih kitaplarında yer almıştır. Avrupalılar ise pek çok şeyi olduğu gibi yel değirmenini Haçlı seferleri sırasında görmüşlerdir. 12.yy’da Avrupa ülkelerinde yel değirmenleri kullanılmaya başlanmıştır.
Rüzgardan elektrik üretimine yönelik ilk uygulamalara, 1918’de Danimarka’da kurulan 20-35kW’lık türbinlerde rastlanmaktadır. 1931’de Rusya’da 100kW’lık türbin yapılmıştır. 1941’de ABD’de yapılan bir rüzgar türbininden 1250kW’lık enerji üretmek mümkün olabilmekteydi. O dönemin en büyük rüzgar makinesi olan bu türbinin kanat çapı 53m’dir. Putman türbini olarak adlandırılan bu makine modern rüzgar türbinlerinin ilk örneğidir. İkinci dünya savaşı sonrasında Fransa ve İngiltere’de yapılan çeşitli rüzgar türbini projeleri bulunmaktadır [1,2,3].
Bu çalışmada rüzgar enerjisinin elektrik enerjisinde kullanımının avantajları tartışılmakta ve Türkiye’nin rüzgar enerjisi potansiyeli hakkında geniş bir derleme çalışması yapılmıştır. Ayrıca Matlab Simulink ile bir rüzgar türbini ve ona bağlı bir asenkron generatörün modellenmesi yapılarak, tek başına çalışma durumlarına ait simülasyonlar gerçekleştirilmiştir.
1.1. Elektriksel güç üretimi
Elektrik üretmek için kurulan ilk rüzgar türbinini Dane Paul LaCour 1891’de gerçekleştirmiştir. Birinci ve ikinci dünya savaşları sırasında Danimarkalı mühendisler teknolojiyi geliştirip, enerji sıkıntılarını gidermişlerdir. Danimarkalı F.L. Smidth tarafından 1941-42 yıllarında kurulan rüzgar türbinleri modern türbinlerin öncülüğünü yapmıştır. Smidth türbinleri, aerodinamik bilgisini kullanan ilk hava levhalı modern türbinlerdir. Aynı zamanlarda Amerikalı Palmer Putnam, 53m çaplı büyük rüzgar türbinini kurmuştur. Bu makinanın sadece boyutu değil tasarım felsefesi de oldukça farklıdır. [2].
Putnam’ın türbini buna rağmen fazla bir başarı yakalayamadı. 1945 yılında ortadan kalktı. Tablo 1.2’de rüzgar türbinlerine genel bir bakış verilmektedir [6].
Tablo1.2 Rüzgar Türbinlerinin Tarihsel Gelişimi
|
Türbin Tipi
ve Ülkesi
|
Çap
(m)
|
Süpürdüğü
Alan (m²)
|
Güç (kW)
|
Spesifik Güç (kW/m²)
|
Kanat Sayısı
|
Kule Yüksekliği
|
Hizmete Giriş Yılı
|
|
Poul LaCour
Danimarka
|
23
|
408
|
18
|
0.04
|
4
|
-
|
1891
|
|
Smith-Putnam
ABD
|
53
|
2231
|
1250
|
0.56
|
2
|
34
|
1941
|
|
FL Smidth
Danimarka
|
17
|
237
|
50
|
0.21
|
3
|
24
|
1941
|
|
FL Smidth
Danimarka
|
24
|
456
|
70
|
0.15
|
3
|
24
|
1942
|
|
Gedser
Danimarka
|
24
|
452
|
200
|
0.44
|
3
|
25
|
1957
|
|
Hutter
Almanya
|
34
|
908
|
100
|
0.11
|
2
|
22
|
1958
|
1.2 Türkiye’deki Rüzgar Enerjisi Olanakları
Karadeniz kıyıları boyunca, Türkiye Sibirya’dan gelen kuzey ve kuzeybatı rüzgarlarına maruz kalır ve orta Karadeniz uzantısı, rüzgar enerjisinin çoğuna ve sonuç olarak enerjiye sahiptir. Türkiye’nin iç bölgelerinde, rüzgar hızının çoğu vadi boyunca önemli enerji üretim seviyelerine ulaştığı doğu bölgeleri gibi engebeli dağları olan bazı yerlerinde kara iklimi vardır.
1.3 Veriler
Rüzgar enerjisi genellikle, hava yoğunluğu (r) sabit olarak kabul edilirse, rüzgar hızının (v) küpüne oranı olarak tanımlanır. Bu yüzden basit belirleyici rüzgar gücü formülü (P) şu şekilde yazılır.
Bu formül, zaman birimi ve rüzgar yönüne alan dikeyliği için geçerlidir. Şüphesiz, bu formülde kayıplar ve değişme faktörleri dikkate alınmadığından gerçek rüzgar potansiyeli ölçülememekte ancak teorik olarak ideal miktarları ortaya çıkarılmaktadır.
Rüzgar hızı ve enerjisinin dikey verileri için çok fazla yeni çalışma vardır fakat bunlar genellikle kabul edilen sonuçlar değil.ölçüm yerinin bölgesel özellikleri ve alçak atmosfersel denge böyle dikey genişlemelerde önemli rol oynamaktadır. Bütün denge şartları için geçerli olan yükseklikle rüzgar hızı değişimi için tekdüze analitik bir ifade bulmak mümkün değildir. Bununla birlikte rüzgar hızının verileri için en yaygın kullanılan ifade aşağıdaki biçimle en çok bilinen güç kuralıdır.
Burada V1 veV2 rüzgar hızlarını, H1 ve H2 yükseklikleri ifade etmektedir. Güç parametresi a, istasyon çevresi yüzey özellikleri ve atmosfersel denge özelliklerinin temelinde rüzgar hızını etkileyen her şeyi tanımlar.
Şekil 1.1’de çalışma bölgelerinin yerleşim haritasını göstermektedir.
Şekil 1.1 Çalışma Bölgeleri
BÖLÜM 2. RÜZGAR TURBİNLERİNİN MATEMATİKSEL MODELLERİNİN İNCELENMESİ
Şekil 2.1’den görüldüğü gibi sincap kafesli (kısa devre rotorlu) bir asenkron generatör ile bu generatörü döndüren bir rüzgar türbininden oluşmaktadır. Bu sistemde asenkron generatör, ağ şebekeye doğrudan bağlıdır.
Şekil 2.1 Sabit Hızlı Rüzgar Türbini (Danimarka Tasarımı)
Sabit hızlı danimarka konsepti küçük güçler için başarıyla uygulanmaktadır. Türbin ile generatör arasında bir dişli kutusu bulunmakta ve devir sayısı dönüştürülmektedir. Sincap kafesli asenkron makinaların rotorunda sargı olmaması yani bir uyarma devresinin olmaması gerekli reaktif enerjinin dışarıdan sağlanması anlamına gerekir. Generatör çalışma durumunda şebekeye reaktif veremediği gibi ihtiyacı olan bu enerjiyi dışarıdan almak zorundadır. Bu ise terminallerine bağlanan bir paralel kondansatör grubu ile sağlanabilir. Eğer bu yapılmazsa generatör çalışma anında şebekeye aktif güç verirken, şebekeden ters yönde reaktif akış söz konusu olabilmektedir. Rüzgarın değişken hızlı bir kuvvete sahip olduğu düşünülürse değişken rüzgar olan yerlerde sabit hızlı Danimarka konsepti ile üretilen elektrik enerjisinin frekansı da değişebilir. Bunu önlemek için mekanik devrenin performansı ön plana çıkmaktadır. Mekanik devrenin cevap verme süresi 10 milisaniye ve katları mertebesindedir. Sonuç olarak sabit hızlı sincap kafesli türbin-generatör sistemlerinde rüzgardaki her değişme çıkış gücüne de hızlı ve kuvvetli değişimler yapabilmektedir. Bu amaçla yüksek güç seviyelerinde bu konseptin sakıncaları olabilir. Ayrıca rüzgarın ani değişebildiği alanlar içinde pek uygun değildir. Ancak değişkenliği az rüzgarlarda ve küçük güç aralıklarında tasarım kolaylığı, kontrolü ve ucuzluğu yönüyle tercih edilmektedir.
2.1 Değişken Hızlı Direkt Dağlı Senkron Generatörler
Senkron generatörlü değişken hızlı generatör sistemlerine ait prensip bağlama şeması Şekil 2.2’de gösterilmektedir.
Şekil 2.2 Değişken Hızlı Senkron Generatörlü Türbin Sistemi
2.2. Çift Beslemeli Asenkron Generatör Sistemi
Rotoru sargılı olan bilezikli asenkron makinanın generatör olarak kullanıldığı bu uygulama da ise gerek uygun bir denetim sağlanması ve gerekse enerji kalitesinin yüksek olması nedeniyle diğerlerinden avantajlıdır. Şebekeye direkt bağlıdır. Rotor sargılarına aktarılan enerji bir dönüştürücü ile kontrol edilmekte ve uyarma gereksinimi de buradan sağlanmaktadır(Şekil 2.3).
Şekil 2.3 Çift Beslemeli Asenkron Generatör Sistemi
2.3 Sabit Hızlı Asenkron Generatör Sisteminin Modellenmesi
Sabit hızlı rüzgar türbinlerini bugün 300-500MW seviyelerindeki asenkron generatörler ile birlikte ticari anlamda kullanmak mümkündür [4]. Bir rüzgar çiftliğinde ortalama yüze yakın türbin bulunabilmektedir. Klasik uygulamalarda asenkron generatörün ihtiyaç duyduğu reaktif güç terminallere bağlanan harici bir lokal kapasitör ile sağlanmaktadır. Rüzgar çiftliklerini oluşturan bu türbinler birbirilerine bağlı olmakta ve ortak bir bara üzerinden de dağıtım şebekesine bağlana-bilmektedir. Buna göre bir rüzgar santrali ya da çiftliğinin basit
gösterilimi aşağıdaki gibi olabilir.
Şekil 2.4 Rüzgar santrali basit gösterilimi
Rüzgar türbinleri, karakteristikleriyle elde edilen aerodinamik model esas alınarak modellenmektedir. Buna göre PAERO aerodinamik gücü aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
Bu eşitlikteki V rüzgar hızını, Cp performans katsayısını, A türbin rotorlarının sürüklediği alanı, r ise hava yoğunluğunu belirtmektedir. Performans katsayısı olan Cp, uç hız oranının (TSR) bir fonksiyonu olarak tanımlanır. TSR oranı aşağıdaki denklem ile bulunur.
Bu eşitlikteki wr açısal rotor hızını, R rotor yarıçapını göstermektedir. Rüzgar hızı gerçekte değişken olabilmekle beraber modellemenin daha basit olabilmesi için sabit hızlı olarak kabul edilmiştir. Asenkron makinaların senkron hızın üzerine çıkması sonucu generatör gibi davrandıkları herkesçe bilinen bir gerçektir. Bir dişli kutusu ile türbin arasında güç aktarımı yapılan asenkron generatör yol alırken bir süre motor gibi çalışır. Bu sırada büyük oranda bir yol alma akımını şebekeden çeker. Bu durum şebekeden büyük oranda aktif güç çekilmesi demektir. Motor hızı senkron hıza yaklaştıkça stator akımı gerçek değerine ulaşmaya başlar ve azalarak anma değerine gelir. Daha sonra motor senkron hızın üzerine çıkartılır ve generatör olarak çalışmaya başlar. Yol alma anındaki in-rush akımı şebekeden karşılanmalıdır. Yol alma sırasında gerekli olan bu yüksek akımın kararlılık açısından sıkıntılara yol açmaması için bir başka dizel generatör kullanılabilmektedir. Asenkron generatörün modellenmesinde kullanılan durum değişkeni sayısına göre çeşitli modeller kullanılmakla beraber, yapılan benzetimlerde üçüncü dereceden bir asenkron makine modeli yeterli olabilmektedir. İndüklenmiş rotor gerilimi, rotor akısının referans noktasına göre değeri ve rotor hızı durum değişkeni olarak alınmak suretiyle aşağıdaki model elde edilebilir [5].
 (2.3) |
(4.3)
|
|
|
|
 (2.4) |
(4.4)
|
|
|
|
 (2.5) |
(4.5)
|
Burada TO açık devre zaman sabiti, ve 
reaktansı şu şekilde tanımlanabilir. s indisi statora, r ise rotora aittir.
BÖLÜM 3. RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE DİNAMİK KARARLILIĞIN İNCELENMESİ
3.1 Tek Başına Çalışan Rüzgar Santralleri
Merkezi tüketim merkezlerinden uzaktaki yerleşim merkezlerinin elektrik enerjisi ihtiyacının merkezi şebekeden karşılanması pahalı bir tesis masrafı gerektirmektedir. Özellikle adalarda su altından yüksek gerilim kabloları ile enerji nakli söz konusu olduğunda bu durum daha da belirginleşmektedir. Rüzgar hızı ve sürekliliği yeterli olan bu tür yerleşim birimlerinin enerji ihtiyacının karşılanmasında kullanılabilen rüzgar santralleri genellikle şebeke ile herhangi bir bağlantı içerisinde değillerdir. Ancak asenkron generatörlerin kullanıldığı uygulamalarda sağlanması gereken önemli bir ihtiyaç ise generatörün reaktif enerji talebidir. Çünkü asenkron generatörler de senkron generatör gibi uyarma sargıları olmadığından gerekli reaktif enerjinin dışarından alınması gerekmektedir. Bunun yanı sıra yük artımları sonucu frekansta düşmeler görülebilmektedir. Bu bölümde incelenen ve Şekil 3.1’de tek hat şeması verilen AG dağıtım sisteminde ikinci yükün devreye girmesi durumunda asenkron generatörün uç gerilimi, hızı, mekanik ve elektriksel momenti aşağıdaki eğrilerdeki gibidir.
Şekil 3.1 Tek Başına Çalışan Sistem
Yapılan simülasyonda t=5sanında Y2 yükü devreye alınmaktadır. Bu durumda rüzgar türbininin mekanik momenti, asenkron generatörün uç gerilimi, hızı ve elektriksel moment değişimleri aşağıdaki gibi olmuştur.
Şekil 3.1 Yük Barası Efektif Gerilimi (Faz Nötr,Volt)
Şekil 3.2 Yük Barası Gerilimi (Faz Nötr,Volt)
Şekil 3.3 Rotor Hızı (pu)
Şekil 3.4 Elektromekanik Moment Değişimi (pu)
Şekil 3.5 Mekanik Türbin Momenti (pu)
Şekil 3.6 Yük Barası Aktif Güç Değişimi (Watt)
Şekil 3.7 Yük Barası Reaktif Güç Değişimi (Var)
BÖLÜM 4. SONUÇLAR
Bölüm 3’deki tek başına çalışma durumuna ait benzetimler göstermiştir ki, (Şekil 3.1-3.7) generatör meydana gelen yüksek orandaki gerilim değişimlerini, yük barası aktif ve reaktif güç değişimlerini, rotor hızı değişimini karşılayamamaktadır. Bu nedenle aşırı bir gerilim düşümü hatta çökmesi meydana gelmekte, herhangi bir şebeke desteği olmaması, tek başına çalışan rüzgar santrallerinde önemli kararsızlık sonuçlarına yol açmaktadır.
Herhangi bir şekilde yük talebi artarsa gerilimde önemli oranda azalma ve hatta çökme meydana gelebilir. Dinamik kararlılık açısından rüzgar türbinlerinin ayrı çalışması sorunlara yol açabilir. Çok sayıda generatörün yer aldığı büyük kapasiteli rüzgar çiftliklerinde ise sistemin kapasitesi ve kısa devre gücü arttığından daha kararlı bir durum ortaya çıkabilmektedir. Şebekeye paralel bağlanma dinamik kararlılık açısından gereklidir.
KAYNAKLAR
[1] Ackermann, T., Söder, L., “Wind Energy Technology and Surrent Status: a Review” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 4, pp. 315-374, 2000.
[2] Ackerman, T., and Söder, L., An overview of wind energy status 2002, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 6, pp 67-128, Pergamon Press, 2002.
[3] Heier, S., translated Waddington, R., Grid integration of wind energy conversion systems, John Wiley&Sons, ABD, 1998.
[4] Kahraman, K., Rüzgar Enerjisi, Bitirme Ödevi, SAÜ Elektrik Elektronik Müh. Bölümü, Haziran 2002.
[5] Karadereli, S., Rüzgar Enerjisi, Temiz Enerji Vakfı Yayınları No 5, Ankara, 2001.
