Bölüm 5 Rüzgar Enerjisi ile Elektrik Üretimi. Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Güç konvertörleri, rüzgar enerji tesislerinde ve rüzgar türbinlerinde.

... konulu sunumlar: "Bölüm 5 Rüzgar Enerjisi ile Elektrik Üretimi. Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Güç konvertörleri, rüzgar enerji tesislerinde ve rüzgar türbinlerinde."— Sunum transkripti:

1 Bölüm 5 Rüzgar Enerjisi ile Elektrik Üretimi

2 Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Güç konvertörleri, rüzgar enerji tesislerinde ve rüzgar türbinlerinde yaygın olarak kullanılır. Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde kullanılan güç konvertörlerinin temel amacı kalkı ş anındaki ani akımları azaltmak ve tork osilasyonlarını önlemektir. De ğ i ş ken hızlı türbinlerde ise konvertörler, generatörün hız-tork e ğ risini ve aktif-reaktif gücü kontrol ederler. Sistemin güç oranlarına ve türbin tipilerine ba ğ lı olarak rüzgar enerjisinin optimum kontrolünü sa ğ layan çok geni ş bir konvertör grubundan söz etmek mümkündür.

3 Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Ş ekil 1’de çe ş itli konvertör tiplerinden birisi olan ve sabit hızlı asenkron generatörle olu ş turulmu ş olan bir rüzgar türbini için kullanılan konvertör görülmektedir. Bu konvertör, yumu ş ak yol verme devresi (soft starter) olarak da adlandırılır. Ş ekil 1- Sabit hızlı rüzgar türbini ve yumu ş ak yol verme devresi

4 Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Yumu ş ak yol verme devresi, generatör ş ebekeye ba ğ landı ğ ında meydana gelen moment esnasında olu ş an geçici elektromanyetik durumları ve ani akımları önlemek için kullanılır. Bu devre SCR elemanları kullanılan ve böylece kalkınma torku esnasında çıkı ş gerilimi kademeli olarak ayarlanabilen bir AA gerilim kontrolcüsüdür. Bir di ğ er devre modeli, sincap kafesli asenkron generatörle veya senkron generatörle olu ş turulan de ğ i ş ken hızlı türbinlerinde kullanılan ve iki özde ş konvertörle olu ş turulan ardı ş ık konvertör sistemidir.

5 Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Ş ekil 2- De ğ i ş ken hızlı rüzgar türbini ve ardı ş ık konvertör

6 Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Ş ekil 3’te görülen alternatif topolojide dü ş ük maliyetli bir diyotlu do ğ rultucu ve DA-DA yükselten konvertör kullanılarak PWM do ğ rultucu maliyeti dü ş ürülebilir. Ş ekil 3- De ğ i ş ken hızlı rüzgar türbini ve boost konvertör

7 Rüzgar Türbinlerinde Güç Konvertörleri Bu bölümde, rüzgar enerjisi sistemlerinde kullanılan farklı konvertör topolojileri, çalı ş ma prensipleri ve anahtarlama ş emaları incelenecektir. Bu konvertörler; AA gerilim kontrolcüleri, iki seviyeli gerilim kaynaklı konvertörler, üç seviyeli nötr nokta kenetlemeli konvertörler (NPC) ve PWM akım kaynaklı konvertörlerdir. Bunların dı ş ında ş ebeke etkile ş imli konvertörler de bu bölümde incelenecektir.

8 2. AA Gerilim Kontrolcüsü (Yumu ş ak Yol Verme) Asenkron motorlar, ş ebeke gerilimine direkt olarak ba ğ landıklarında, yol alma ba ş langıcında ş ebekeden kilitli rotor akımı olarak adlandırılan bir akım çekerken, motor milinde kilitli rotor momenti endüklenir. Motor hızlanırken bu akım dü ş er, moment ise, bir tepe noktasına kadar yükselip daha sonra çalı ş ma noktasına kadar dü ş ü ş gösterir. Akım ve Moment e ğ rilerinin ş ekli tamamen motor tasarımı ile ilgilidir. Nominal çalı ş mada aynı özellikleri gösteren motorlar, tasarımlarına göre kalkı ş sırasında büyük farklılıklar gösterebilir. Kilitli Rotor Akımı %500 ila %900 arasında de ğ i ş irken, Kilitli Rotor Momenti %70 ila %230 arasında de ğ i ş ebilir.

9 2. AA Gerilim Kontrolcüsü (Yumu ş ak Yol Verme) Ş ebekeye direkt ba ğ lı olma durumu ile ilgili olan bu e ğ riler, motorun gerilim dü ş ümlü bir yol verici ile kaldırılmaya çalı ş ıldı ğ ında elde edilecek davranı ş ş eklini de belirler. Dü ş ük kalkı ş akımının ya da yüksek kalkı ş momentinin kritik oldu ğ u uygulamalarda, dü ş ük LRC(Kilitli Rotor Akımı) ya da yüksek LRT (Kilitli Rotor Momenti)karakteristiklerine sahip motorların kullanılmasına dikkat etmek gerekir.

10 2. AA Gerilim Kontrolcüsü (Yumu ş ak Yol Verme)

11 Sistem çalı ş maya ba ş ladıktan sonra yumu ş ak yol verici bir bypass anahtar tarafından kısa devre edilerek kontrolcünün güç kayıpları önlenir. AA gerilim kontrolcüler genellikle anahtarlama elemanı olarak tristör kullanır ve anahtarlama açısı çıkı ş gerilimini sıfırdan maksimum de ğ ere kadar ayarlayarak ba ş latma akımını dü ş ürür. Bu kısımda tek fazlı ve üç fazlı yumu ş ak yol verme devreleri incelenecektir.

12 2.1. Tek fazlı yumu ş ak yol verme devresi Tek fazlı AA gerilim kontrolcünün basitle ş tirilmi ş devre yapısı Ş ekil 4’te görülmektedir. Bu devrede bir çift tristör kaynakla yük arasında ters paralel ba ğ lanmı ş tır. Gerilim kontrolcünün çalı ş ma prensibi tristörlerin anahtarlama açılarına ba ğ lıdır ve çıkı ş gerilim ve akım dalga ş ekilleri Ş ekil 5’te görüldü ğ ü gibi üretilir. Ş ekil 4- Tek fazlı AA gerilim kontrolcü

13 2.1. Tek fazlı yumu ş ak yol verme devresi Yükün rezistif oldu ğ u kabul edilirse i g1 ve i g2 gate sinyalleri için α = π /3 gecikmeli i o çıkı ş akımının ve v 0 çıkı ş geriliminin dalga ş ekilleri Ş ekil 5’te görülmektedir. Besleme geriliminin pozitif alternansında T 1 tristörü i g1 tarafından ω t= α = π /3 açısında anahtarlanır ve π açısında anahtarlama kesilir. Negatif alternansta ise T 2 tristörü i g1 tarafından ω t=( α + π )=4 π /3 açısında anahtarlanır ve 2 π ’de anahtarlama kesilir. Ş ekil 5

14 2.1. Tek fazlı yumu ş ak yol verme devresi Rezistif yükte çıkı ş gerilimi, Ş ekil 5.b’de ise RL yüklü bir gerilim kontrolcünün çıkı ş gerilim ve akım dalga ş ekilleri görülmektedir. Besleme geriliminin pozitif alternansında T 1 tristörü i g1 tarafından ω t= α = π /3 açısında anahtarlanır fakat kaynak gerilimininsıfıra dü ş tü ğ ü π açısında anahtarlama kesilmez.

15 2.1. Tek fazlı yumu ş ak yol verme devresi Bu durumun nedeni, T1 tristörü üzerinden akan geri fazlı endüktif yük akımıdır. T1 tristörü, bu akım sıfıra dü ş enekadar iletimde kalır ve yük bobinindeki enerji tamamen ortadan kalkınca anahtar kesime gider. Saf endüktif yükte çıkı ş geriliminin rms de ğ eri a ş a ğ ıdaki ş ekilde hesaplanır.

16 2.2 Üç fazlı yumu ş ak yol devresi Üç fazlı AA gerilim kontrolcüsünün Y-ba ğ lı yükle ba ğ lantısı Ş ekil 6’da görülmektedir. Üç fazlı güç kayna ğ ı ile yük arasında üç çift SCR seri olarak ba ğ lanmı ş tır. Ş ekil 6- Üç fazlı AA gerilim kontrolcüsü

17 Ş ekil 7- Y-ba ğ lı yükle üç fazlı AA gerilim kontrolcüsünün dalga ş ekilleri

18 3. Interleaved Boost Konvertör DA/DA yükselten (boost) konvertör, senkron generatörlü rüzgar türbinlerinde oldukça yaygın olarak kullanılan konvertör topolojilerinden birisidir. Boost konvertörün iki temel görevi vardır; maksimum rüzgar gücünü takip etmek ve DA gerilimi evirici için gerekli uygun bir seviyeye yükseltmek. De ğ i ş ken hızlı rüzgar türbini ve boost konvertör

19 3. Interleaved Boost Konvertör İ kinci özelli ğ i, bütün rüzgar hızlarında maksimum güç elde edilmesini sa ğ lar. Birkaç kW’tan yüzlerce kW’a kadar olan dü ş ük ve orta güçlü rüzgar türbinlerinde tek kanallı boost konvertör genellikle kullanılır. Yüksek güçlü MW rüzgar sistemlerinde ise akım ve gerilim bir anahtarlama elemanının kapasitesini kolayca a ş abilir. Bu nedenle, seri ve paralel ba ğ lı çoklu anahtarlama devreleri kullanılır. Buna ra ğ men, bu tip sistemlerde de akım ve gerilimin e ş it da ğ ıtılabilmesi için sürekli ölçümler yapılmalıdır. Bu nedenle, sadece anahtarları seri ya da paralel ba ğ lamak yerine güç konvertörlerini paralel ya da kaskad ba ğ lamak geçerli bir çözümdür.

20 3. Interleaved Boost Konvertör Dü ş ük gerilimli (örn. 690V) MW rüzgar türbinlerinde, sistemdeki yüksek akımı anahtarlamak için çok kanallı interleaved boost konvertörler yaygın olarak kullanılır. Bir interleaved konvertör, her bir paralel konvertörün anahtarlama faz açıları kaydırılarak (interleaving) gerçekle ş tirilir. Interleaved konvertörün tek bir konvertöre göre en önemli avantajlarından birisi, konvertörün e ş de ğ er anahtarlama frekansının yükseltilmi ş olmasıdır. İ ki kanallı bir konvertörde e ş de ğ er anahtarlama frekansı iki kat,üç kanallı bir konvertörde üç kat ş eklindedir.

21 3. Interleaved Boost Konvertör E ş de ğ er anahtarlama frekansındaki bu artı ş, interleaved konvertörün dü ş ük giri ş akım ve çıkı ş gerilim ripple oranı, daha yüksek dinamik tepki ve daha iyi güç anahtarlama kapasitesi gibi özelliklere sahip olmasını sa ğ lar. Rüzgar türbinlerindeki interleaved konvertörler, dü ş ük güçte mosfet kullananların aksine IGBT kullanır. Anahtarlama kayıplarını azaltmak için IGBT’ler birkaç yüz Hz’den birkaç kHz’e kadar dü ş ük frekanslarda anahtarlanır.

22 3. 1.Tek Kanallı Interleaved Boost Konvertör Boost konvertör, giri ş geriliminden daha yüksek bir seviyede çıkı ş gerilimi üreten güç konvertörüdür. Basit bir devre yapısı; Ş ekil 8’de görüldü ğ ü gibi anahtar, diyot, DC bobin ve filtre kondansatöründen olu ş ur. Analizler yapılırken devre elemanlarının ideal oldu ğ u ve çıkı ş kondansatörünün dalgalanmasız bir gerilim sa ğ layacak kadar büyük oldu ğ u kabul edilir. Ş ekil 8- Tek kanal boost konvertörün basit devre ş ekli

23 3. 1.Tek Kanallı Interleaved Boost Konvertör Anahtar kapatıldı ğ ında diyot ters kutuplandı ğ ı için iletime geçmez. Böylece çıkı ş katı giri ş inden izole edilmi ş olur. Anahtar açıldı ğ ında, çıkı ş katı bobin üzerinden beslenir. Kararlı durum analizinden, sabit bir çıkı ş gerilimi elde etmek için çıkı ş filtre kondansatörünün kapasitesi oldukça büyük olmalıdır. (Vo(t) ≈ Vo)

24 3. 1.Tek Kanallı Interleaved Boost Konvertör Anahtarın kapalı oldu ğ u zaman süresinde, indüktör akımı e ş itlikte verilen türevle artar: Aynı zamanda bu aralıkta, diyot ters kutuplanmı ş tır. Kondansatör yüke akım sa ğ lar ve iC negatiftir. Anahtarın açılması üzerine, dalganın ba ş ındaki akımın sonundaki akımla aynı olması için bobin akımının azalması gerekir.

25 3. 1.Tek Kanallı Interleaved Boost Konvertör Bobin akımının azalması için, Vc’nin V1’den büyük olması gerekir. Anahtarın açık oldu ğ u zaman süresince, bobin akımının türevi, ş u e ş itlikle verilir: i L ’nin anahtarın kapalı oldu ğ u süredeki artı ş ının, açık oldu ğ u süredeki azalma ile e ş it olması gerekti ğ inden; konvertör gerilim ili ş kisi ş u ş ekilde belirlenebilir:

26 3. 1.Tek Kanallı Interleaved Boost Konvertör Bu iki de ğ i ş imin e ş itlenmesi ile gerilim ili ş kisi elde edilir. E ş itli ğ e göre, devrenin artıran bir konvertör oldu ğ u görülür. D arttıkça, VC artar. E ş itli ğ e göre, çıkı ş gerilimi, giri ş geriliminin karesi (V1²) ölçüsünde istenildi ğ i kadar büyük olabilir. Bobin direnci büyük D de ğ erleri için önemlidir. D birim de ğ ere yakla ş tıkça, çıkı ş gerilimi azalma yerine artı ş gösterir. D’nin de ğ eri ve gerilim artı ş ının miktarı, herhangi bir probleme yol açmamak için belirli bir de ğ erde sınırlanmalıdır.

27 3. 1.Tek Kanallı Interleaved Boost Konvertör 5:1 oranındaki bir artı ş, pratik bir üst sınır olarak önemlidir. Anahtarın, (anahtarlama kayıp problemleri ile) açık oldu ğ u süre çok kısa olabilir ve diyot ve kondansatör akımları ortalama de ğ erlerine kıyasla büyük tepe de ğ erlere sahip olabilir. Kondansatör akımının sonuç RMS de ğ eri, gerekli kapasitans de ğ erinin çok üzerinde olabilir. Bunların yanında, orta derecedeki gerilim artı ş ları kabul edilebilir tasarım ş artlarını olu ş turur.

28 3. 1.Tek Kanallı Interleaved Boost Konvertör Sürekli akım modunda (CCM), bobin akımı asla sıfıra dü ş mez. Giri ş akımı ile çıkı ş akımı arasında, giri ş ve çıkı ş güçlerine ba ğ lı olarak bir oran söz konusudur ve bu oran görev periyodu ile ilgilidir. Ş ekil 9- Tek kanal boost konvertörün sürekli akım modunda dalga ş ekileri

29 3.2. İ ki Kanallı Interleaved Boost Konvertör İ ki kanallı interleaved boost konvertörün devre yapısı Ş ekil 10’da görülmektedir. Burada iki konvertör devresi paralel ba ğ lanmı ş tır. Birinci kanal L1 bobini, S1 anahtarı ve D1 diyotundan olu ş urken ikinci kanal L2 bobini, S2 anahtarı ve D2 diyotundan olu ş ur. Her iki konvertör de paralel ba ğ lı olmasına ra ğ men faz farklı olarak interleaved modunda çalı ş ır. Çıkı ş ta aynı C filtre kondansatörünü kullanırlar ve her iki kanalın da özde ş parametrelere sahip oldu ğ u kabul edilir.

30 3.2. İ ki Kanallı Interleaved Boost Konvertör Ş ekil 10’daki devrenin anahtarlama sırası ve bobin akımının dalga ş ekilleri Ş ekil 11’de görülmektedir. Faz kaydırmalı tasarımda S1 ve S2 anahtarları için üretilen vg1 ve vg2 anahtarlama sinyalleri 180° faz kaydırılarak uygulanır. (360°/N; N=kanal sayısı) Ş ekil 10- İ ki kanallı boost konvertör

31 3.2. İ ki Kanallı Interleaved Boost Konvertör Ş ekil 11- İ ki kanallı boost konvertörde giri ş akım ripple analizi

32 3.2. İ ki Kanallı Interleaved Boost Konvertör Giri ş akımı i1’in karakteristik özellikleri ş u ş ekildedir; Ortalama DA giri ş akımı, her bir bobin akımının iki katıdır (i1=iL1+iL2). Giri ş ve çıkı ş gerilimleri her bir konvertörde e ş it oldu ğ undan konvertörler toplam gücün yarısını anahtarlar. Tepeden tepeye giri ş akım ripılı Δ I1 kullanılan interleaved tekni ğ inden dolayı her bir kanalın de ğ erinden daha küçüktür. Bu durum ise giri ş filtresinin daha küçük olmasını sa ğ lar. Giri ş ripıl akım frekansı, kanal ba ş ına olan de ğ erin iki katıdır. Bir ba ş ka deyi ş le, interleaved konvertörün anahtarlama frekansı her kanalın iki katıdır. Bu nedenle, istenilen bir ripıl gerilimi için C filtre kondansatörünün de ğ eri dü ş ürülebilir.

33 3.2. İ ki Kanallı Interleaved Boost Konvertör Ş ekil 12- N kanallı interleaved konvertörde normalize giri ş akım ripple oranı ve görev periyodu ili ş kisi

34 3.2. İ ki Kanallı Interleaved Boost Konvertör Ş ekil 13- PSMG rüzgar türbininde İ ki kanallı boost konvertör (1.2 MW/690 V)

35 3.2. İ ki Kanallı Interleaved Boost Konvertör Ş ekil 14- PSMG rüzgar türbininde kullanılan üç kanallı interleaved boost konvertör

36 4. İ ki Seviyeli Gerilim Kayna ğ ı Evirici (Invertör) Temel bir üç-fazlı iki seviyeli gerilim kaynaklı eviricinin devre ş eması Ş ekil 15’te görülmektedir. Konvertör, S1’den S6’ya kadar isimlendirilen 6 adet anahtardan ve her anahtara ters parallel ba ğ lı diyotlardan olu ş ur. Ş ekil 15- İ ki seviyeli gerilim kaynaklı evirici

37 4. İ ki Seviyeli Gerilim Kayna ğ ı Evirici (Invertör) Anahtarlama elemanları, güç ve gerilim seviyesine ba ğ lı olarak IGBT veya IGCT olabilir. Konvertör, endüstride birçok farklı uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Konvertör, DA gerilimi bir yük için de ğ i ş ken genlik ve frekanslı üç-fazlı AA gerilime dönü ş türdü ğ ünde invertör olarak adlandırılırken bu i ş in tersini yaptı ğ ında da do ğ rultucu veya PWM do ğ rultucu adını alır.

38 4.1. Sinuzoidal PWM

39 Ş ekil 16- Sinüzoidal darbe geni ş lik modülasyonu (SPWM)

40 4.2. Uzay Vektör PWM Uzayvektör modülasyonu (SVM), gerilim kaynak eviricilerde yaygın olarak kullanılan modülasyon tekniklerinden birisidir. Üç fazlı iki seviyeli eviricide gerilim denklemleri a ş a ğ ıdaki gibi yazılabilir; Dengeli bir yük için e ş itli ğ ini kullanarak vector dönü ş ümü için a ş a ğ ıdaki denklem elde edilir.

41 Üç Seviyeli Nötr Nokta Tutmalı Konvertör Klasik iki-seviyeli eviricilerde, çıkı ş gerilimi dalga ş eklinin seviyesi iki seviyeden olu ş urken her faz kolundaki anahtar sayısı iki olup eviricideki toplam anahtar sayısı altıdır. Bunun yanında, üç-seviyeli nötr-nokta tutmalı eviricinin çıkı ş gerilimi dalga ş eklinin seviyesi üç seviyeden olu ş urken, her faz kolundaki anahtar sayısı dört olup, eviricideki toplam anahtar sayısı 12’dir. Bununla birlikte seviye sayısı arttıkça kullanılan anahtar sayısı da artaca ğ ından dolayı, evirici daha yüksek gerilim uygulamalarında da kullanılabilmektedir.

42 Üç Seviyeli Nötr Nokta Tutmalı Konvertör Bir çok seviyeli eviricinin (ÇSE) performansı çıkı ş geriliminin harmonik bile ş enleri ile ili ş kilidir. ÇSE’lerde seviye sayısı arttıkça çıkı ş gerilimi sinüzoidal forma daha çok yakla ş aca ğ ı, dolayısıyla Toplam Harmonik Bozulmanın (THD) azalaca ğ ı ve performansın artaca ğ ı açıktır. İ lk ba ş ta nötr-nokta tutmalı olarak tanımlanan Diyot-tutmalı çok seviyeli eviricilerde birbirine seri ba ğ lanmı ş kondansatörler arasındaki dü ğ üm noktası ile giri ş gerilimi çe ş itli seviyelere bölünür.

43 Üç Seviyeli Nötr Nokta Tutmalı Konvertör Üç-seviyeli eviricilerin temel avantajları a ş a ğ ıda verilmi ş tir: Yüksek güçlü uygulamalarda kullanılırlar. Anahtarlar seri ba ğ lanarak daha yüksek gerilim istenen uygulamalarda kullanabilirler. Aynı anahtarlama frekansında üç-seviyeli eviricinin çıkı ş dalga ş eklinin harmonik bile ş enlerinin genli ğ i iki seviyeli eviricilere göre daha iyidir. Böylece daha dü ş ük anahtarlama frekanslarında çalı ş ılabilir. Çıkı ş yükü üzerindeki gerilimin de ğ i ş im oranı (dv/dt) dü ş üktür.

44 Üç Seviyeli Nötr Nokta Tutmalı Konvertör Çok seviyeli güç dönü ş ümü genel kavram olarak, küçük gerilim basamaklarında güç dönü ş ümü yapmak için çok sayıda anahtar kullanımını içerir. Geleneksel güç dönü ş ümü ile kar ş ıla ş tırılırsa bu yakla ş ımın birkaç avantajı vardır. Daha küçük gerilim basamakları, daha yüksek kaliteli dalga ş eklinin üretilmesine ayrıca yükteki dv/dt oranının ve elektromanyetik uyumsuzlu ğ un azalmasına yol açar. Çok seviyeli eviricilerin di ğ er bir önemli özelli ğ i, yarıiletken anahtarların daha yüksek gerilimde çalı ş masına izin veren seri ş ekilde ba ğ lanmalarıdır.

45 Üç Seviyeli Nötr Nokta Tutmalı Konvertör Genellikle seri ba ğ lantı, a ş ırı gerilim riskini yok eden kenetleme diyotları ile yapılır. Ayrıca anahtarlar tam olarak seri ba ğ lanmadı ğ ı için, anahtarlamaları payla ş tırılabilir. Bu durum ise anahtarlama frekansını ve dolayısıyla anahtarlama kayıplarını azaltır. Ş ekil 17- Üç seviyeli diyot-tutmalı (NPC) evirici

46 Üç Seviyeli Nötr Nokta Tutmalı Konvertör İ nverterde -V, 0, +V seviyelerinden olu ş an 3-seviyeli bir faz gerilimi elde etmek için bir tam köprü hücre kullanılır. Tam köprü hücrenin devresi Ş ekil 18'de görüldü ğ ü gibi dört anahtar ve dört adet paralel diyottan meydana gelmektedir. Ş ekil 18- Bir tam köprü hücreye ait anahtarlama durumları ve gerilim seviyeleri

47 Üç Seviyeli Nötr Nokta Tutmalı Konvertör E ğ er S a1 ve S b2 anahtarları iletimde ise çıkı ş gerilimi V ab = E, S a2 ve S b1 iletimde ise V ab =-E ve S a1 -S b1 veya S a2 -S b2 iletimde ise V ab =0 olmaktadır.