Application of MPPT algorithms in small scale PMSG based WECS
Küçük ölçekli PMSG tabanlı WECS'de MPPT algoritmalarının uygulaması
- Tez No: 561764
- Danışmanlar: DOÇ. DR. LALE ERGENE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Yıllar önce ke¸sfedilen ilk enerji kayna˘gı ah¸saptı. ˙Insanlar ilk günlerden beri kendilerini sıcak tutmak ve yemek pi¸sirmek vb. için enerjiye ihtiyaç duyuyorlardı. Bu enerjiyi elde etmek için dünyanın her yerinde de˘gi¸sik malzemeleri yakmaya çalı¸stılar. Odun yaktıkları ilk ¸seydi ve ondan sonra organik bir maddenin enerji üretebilece˘gini ke¸sfettiler. Bundan sonra, insanlar kömür gibi yakılacak birçok malzeme incelediler, ancak petrol o güne kadar buldukları en iyi malzemeydi. Dünyadaki birçok yerde çok fazla petrol bulundu˘gundan dolayı, birçok ülkede daha fazla petrol kayna˘gı bulmaya çalı¸stılar. Fosil yakıtlar, çok karma¸sık kimyasal reaksiyonlardan sonra üretilmekte ve yeryüzündeki organik malzemenin sonsuz olmaması nedeniyle, fosil yakıtlar da sonsuz de˘gildir. Öte yandan, geçmi¸ste insanlar fosil yakıtları tüketmenin kötü etkilerinin farkında de˘gillerdi. Ozon tabakası bizi dünyadaki güne¸sin zararlı ı¸sınlarından koruyor. Fosil yakıtlar, ozon tabakası üzerinde zararlı etkileri olan enerji ve çok miktarda sera gazı üretir. Bunun anlamı, e˘ger enerji üretmek için fosil yakıtları kullanmaya devam edersek, birkaç yıl sonra ya¸sayacak yeni bir gezegen bulmamız gerekir, çünkü dünya üzerinde güvenli bir yer kalmayacaktır. Birkaç yıl önce, bilim insanları yeni enerji kaynakları bulmaya çalı¸stılar. Bazıları güne¸s, rüzgar ve jeotermaldı. Güne¸s panelleri, elektrik generatörleri kullanarak, dünyayı tehdit etmeden enerji üretebileceklerini anladılar. Dahası, güne¸s, rüzgar ve jeotermal sonlu de˘gildi ve insanlar uzun yıllar enerji üretmek için bunları kullanabilirlerdi. Bu adımda, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilecek enerjiyi depolamanın bir yolunu bulmak önemliydi. Yenilenebilir enerji kaynakları genellikle süreklidir ve onlardan enerji depolamak en önemli kısımdır. Örne˘gin, rüzgar enerjisi sürekli olarak çiftliklerde üretilir ve rüzgar enerjisini elektrik enerjisine çevirebilen elektrik sistemi hayati öneme sahiptir. ˙Ilk adımda, mekanik gücü üretmek ve elektrik enerjisine dönü¸stürmek için bir elektromekanik sistem gerekir. Bu a¸samada elektrik makineleri kullanılabilir. Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönü¸stürebilen asenkron ve senkron makineler(PMSG) gibi çe¸sitli elektrikli makineler bulunmaktadır. Asenkron ve kalıcı mıknatıslı senkron makineler, mühendislerin rüzgardan elektrik enerjisi üretmelerine yardımcı olabilecek en popüler makinelerdir. Ayrıca, türbin tasarımında mekanik faktörler de önemlidir. Kanat sayısı ve kanat açıları üretim sürecini etkileyebilir. Türbin yapısı hakkında çalı¸sarak, mühendisler çe¸sitli alanlarda üretim oranını artırmak için yatay ve dikey eksenli türbinler in¸sa ettiler. Bu tür türbinlerde farklı makineler kullanılır ve bu da hangi tür makinelerin hangi türbinlere uygun oldu˘gunu belirler. Do˘grudan sürü¸slü veya di¸slili çalı¸stırılabilirler. Di¸sliler, makinelerin çalı¸smasında hayati olan çıkı¸s momentini etkileyebilir. PMSG, çe¸sitli türbinlerde kullanılan en önemli ve popüler generatörlerden biridir. Bu tür makinelerde kullanılan kalıcı mıknatıs nedeniyle, elektrik kayıpları azalır ve bu makinenin en önemli avantajlarından biridir. Bu makinenin mekanik yapısını ve çalı¸sma prensiplerini incelemek önemlidir. Bu, bilim adamlarının bu makineyi daha verimli kullanmalarına yardımcı olabilir. Tüm elektri makinelerinin avantaj ve dezavantajları vardır. Rüzgar hızı de˘gi¸skendir ve rüzgar hızı de˘gi¸stikçe türbinin güç katsayısı da de˘gi¸smektedir. Bu, üretilen enerjinin farklı bir i¸saret üretece˘gi anlamına gelir. Sonuç olarak, çıkı¸s i¸saretinin gerilimi ve akımı bu süre boyunca de˘gi¸secektir. Çıkı¸s gerilimini korumak için bir kontrol stratejisi gereklidir. Di˘ger yandan, rüzgar hızı de˘gi¸sti˘ginde, generatörün çıkı¸s frekansı de˘gi¸sir ve bu kararlı bir ¸sebeke için kabul edilemez. Her ¸seyden önce, ¸sebeke sabit bir sistem de˘gildir ve insanlar istedikleri zaman enerji tüketmeye çalı¸sırlar. ¸Sebeke tarafındaki yük saf direnç de˘gildir, endüktif yük olabilir. Bu nedenle, üretim sisteminin, sistemdeki güç faktörünü düzenlemek için bir güç faktörü düzeltmesi(PFC) devresi kullanarak güç faktörünü sürdürmesi gerekir. Ayrıca, sistem rüzgardaki maksimum enerjiyi emmek zorundadır ve ba¸ska bir kontrol tekni˘gine ihtiyacı vardır. Bu tekni˘gin rüzgardan maksimum gücü almak ve do˘gru akım(DA) ba˘glantısında depolamak için en uygun noktayı bulması gerekir. Bir Maksimum Güç Noktası Takibi(MPPT) bu ¸sekilde yardımcı olabilir ve bu, optimum gücü çekmek için maksimum gücü veya moment noktasını bulabilir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının uygulanması do˘grudan elektrik-elektronik sistemlerine ba˘glıdır, çünkü yenilenebilir enerji kaynaklarının çıktısı ¸sebekeye uygun bir çıktı de˘gildir. Özellikle rüzgar türbinlerinde çıkı¸s gerilimi, güç ve frekansın düzenlenmesi gerekir. Rüzgar türbinlerinin kapasitesi sürekli artmaktadır ve do˘gru yönetilmesi gerekir. Ek olarak, çıkı¸s frekansı ve generatörün gerilimi rotor frekansına ba˘glıdır. Bu özellikleri düzenlemek için, operatörler tarafından çe¸sitli çevirici tipleri kullanılabilir. Ayrıca, generatörün alternatif akım(AA) çıkı¸sını bir DA gerilimine dönü¸stürmek için bir redresör devresine ihtiyaç vardır; ve bundan sonra kontrol algoritmaları giri¸s i¸saretine uygulanabilir. Rüzgar enerjisi dönü¸süm sistemi(WECS) de çe¸sitli doürultucu kullanılabilir, ancak AA-DA çeviricisi olarak bir do˘grultucu ve PFC devresi olarak bir ek çevirici çok önemlidir. Ek olarak, bir yükseltici çevirici, kontrol biriminin WECS'i optimum bir noktada çalı¸stırmasına yardımcı olabilir. Böyle bir sistemde, çıktı elektrik gücü tamamen rüzgar hızına ba˘glı oldu˘gu için , güç elektroni˘gi sistemleri çıkı¸s gücünü düzenlemesine yardımcı olur. ˙Ilk adımda AA'yi dönü¸stürmek için bir AA-DA do˘grultucuyu kullanma hayati önem ta¸sır. Ek olarak, bir güç dönü¸stürücü kontrol ünitesini çalı¸stırarak üretim sisteminden maksimum gücü almak için MPPT algoritması kullanabilir. Bir DA çevirici, enerjiyi alır ve DA gerilimi düzenleyip bir sonraki adım için hazırlar. Sonra, bir ba¸ska güçlendirici, güç faktörü düzeltme rolünü oynar ve sistemin güç faktorunu korur. Sonunda bir Z-source çevirici, DA sinyalini AA gerilimine çevirir. ˙Invertör çıkı¸s frekansını ve gerilimi düzenler. MPPT algoritmaları operatöre maksimum güç çekmesine yardımcı olur üretim sisteminden. ˙Iki tür P&O ve PSF algoritması vardır. Generatörün çıkı¸s gücünün her noktasını tedirgin eder ve gözlemler, ve Sensörsüz davranı¸s nedeniyle popüler bir algoritmadır. Ancak, bu algoritmadaki adımlar de˘gi¸sken olmasına ra˘gmen, sistem yanıtının hızının hala dü¸sük oldu˘gu açıktır. Di˘ger algoritmada, sistemler bilinen her rüzgar hızında çalı¸smaya hazırdır. Bu sistem için bir sınırlama olabilir.
Özet (Çeviri)
It was the wood, the first energy resource human kinds found out in many years ago. People have needed energy since the first days, to keep themselves warm and cook etc. In order to achieve this energy they try to burn various things all over the world. Wood was the first thing they burned and found out that an organic material could produce energy. After that, people examine many material to burn such as coal, but oil was the best material they found until that day. Since there was so much amount of oil in many places in the world. They tried to excavate the earth and find more and more source of oil in many countries. Fossil fuels have been produced from many years ago after very complex chemical reactions and because of finiteness of organic material on the earth, fossil fuels are not infinite. On the other hand, in past, people are not aware of bad effects of consuming fossil fuels. Ozone layer has been protecting us from the harmful radiations of sun on the earth. Fossil fuels produce energy and a huge amount of green house gases which has destructive effects on ozone layer. This means that, if we continue to use fossil fuels to produce energy, after a few years we need to find a new planet to live, because there will not be any safe place on the earth. A few years ago, science men tried to find new energy resources. Some of them were sun, wind and the earth. They understood that by using solar panels, electrical generators and water pomps, to inject water into the earth to benefit the geothermal, they could generate energy without threatening the earth. Moreover, solar, wind and geothermal were not finite and people can use them to generate energy for many years. In this step, it is important to find a way to store the energy that can be absorbed from the renewable energy resources. Renewable energies usually flow continuously and absorbing the much energy from them is the most important part. For example, wind energy flows in farms continuously and the electrical system that can change the wind energy into electrical energy is vital. At the first step an electromechanical system is needed in order to rotate and change the mechanical power into electrical power. Electrical machines could be used in this step. There are various kinds of electrical machines such as asynchronous and synchronous machines that can change mechanical energy to electrical. Induction and permanent magnet synchronous machines are the most popular machines that can help engineers to generate electrical energy from wind. Moreover, mechanical factors are important in turbine design. Number of blades and the blade angels can affect the generation process. By studying about the turbine structure, engineers built horizontal and vector axes turbines to increase the production rate in various areas. Diverse machines are used in these types of turbines and this determines that which machine is appropriate for various kinds of turbines. They could be driven gearless direct or geared. Gears can affect the outputtorque which is vital in machines operation. PMSG is one of the most important and popular generators which are used in various turbines. Because permanent magnet which is used in this type of machine, the electrical losses reduce and this is one the most important advantages of this machine. It is important to study mechanical structure and the operation principles of this machine. This can help the scientists to implement this machine more efficient. All electrical machines have advantages and disadvantages. The operational area and the situation, define the machine type which should be used. The wind speed is variable and the turbine power coefficient changes as the wind speed varies. This means that the generated energy, will be a diverse signal. Consequently, the voltage and current of the output signal will change during a time period. A control strategy can maintain the output voltage. On the other hand, when the wind speed changes, the output frequency of the generator changes and this is not acceptable for a stable network. Above all, the grid is not a constant system and people try to consume energy whenever they want and the generation unit is charged to produce energy continuously. The load in the grid side is not pure resistance and it may be inductive load. So the generation system needs to maintain the power factor by using a PFC circuit to regulate the PF in system. Moreover, the system has to absorb the maximum energy from the wind, and it needs another control technique. This technique needs to find the optimal point to absorb the maximum power from the wind and store it in the DC link. An MPPT can be helpful in this way, which can find the maximum power or torque point to draw the optimal power. Application of renewable energy sources is directly dependent on power electronic systems, since the output of the renewable energy sources is not proper output for the grid. Specially, in wind turbines, the output voltage, power and frequency need to be regulated. The capacity of wind turbines have been increasing continuously and it needs to be managed. Additionally, the output frequency and the voltage of the generator is dependent of the rotor frequency. In order to regulate these properties, various types of converters can be used by the operators. Moreover, a rectifier circuit is needed in order to convert the AC output of the generator, into a DC voltage; and after that the control algorithms can be implemented on the input signal. Various converters can be used in WECS, but a rectifier as AC-DC converter and a Boost converter as a PFC circuit is vital. Additionally, a Boost converter can help the controller to operate WECS in an optimal point.
Benzer Tezler
- Meteorolojik verileri kullanan mppt kontrollü rüzgar-güneş hibrit enerji sistemi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of mppt controlled wind-solar hybrid energy system using meteorological data
GÖKSEL GÖKKUŞ
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET AFŞİN KULAKSIZ
- Fotovoltaik güneş enerji sistemlerinde kullanılan maksimum güç noktası takip ediciler için farklı algoritmaların karşılaştırılması
Comparison of different algorithm for maximum power point trackers used in solar energy systems
ALİ DURUSU
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUĞDEŞEM TANRIÖVEN
- Termoelektrik generatörler için değişken koşullar altında etkin maksimum güç noktası izleyicisinin geliştirilmesi
Development an efficient maximum power point tracker for thermoelectric generators under various conditions
KHALID O.MOH. YAHYA
Doktora
Türkçe
2018
Bilim ve TeknolojiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET ZEKİ BİLGİN
- Bayesian reinforcement learning with MCMC to maximize energy output of vertical axis wind turbine
Dikey eksenli rüzgar türbininin enerji çıktısını büyütmek için MZMC ile Bayesçi pekiştirmeli öğrenme
ARDA AĞABABAOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ONAT
- Fotovoltaik sistemlerde FPGA kullanım
Using of FPGA in the photovoltaic systems
AZİZ GÜNEROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZCAN ATLAM