Rüzgar türbin sistemlerinde optimal pıd kontrolün ve ağırlıklı geometrik merkez yöntemleri ile tasarlanan pı-pd kontrolün etkileri
Effects of optimal pid control and PI-PD control designed with weighted geometric center methods in wind turbine systems
- Tez No: 933642
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH TURAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Şırnak Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Enerji krizinin etkisiyle, yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Artan enerji talebi ve yükselen maliyetler, üreticileri ve tüketicileri sürdürülebilir enerji çözümlerine yönlendirmiştir. Bu bağlamda, rüzgâr enerjisi, en önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olarak öne çıkmaktadır. Ancak, yüksek rüzgâr hızlarında türbinlerin ve diğer kritik bileşenlerin zarar görmemesi için etkin bir kontrol sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Rüzgar türbinlerinin kontrolü, verimliliği artırmak, güvenli çalışmayı sağlamak ve türbinin ömrünü uzatmak amacıyla kritik bir süreçtir. Kontrol sistemleri genellikle çeşitli sensörlerden veri alır ve bu veriler doğrultusunda türbinin çeşitli bileşenlerini düzenler. PID kontrol, rüzgar türbinlerinin temel işlevlerinin (kanat açısı, hız kontrolü, jeneratör gücü) verimli ve güvenli bir şekilde düzenlenmesinde sıkça kullanılır. PID kontrol, sistem hatalarını minimize etmek ve türbinin kararlı bir çalışma durumu sağlaması için uygundur. Bu çalışmada, ilk aşamada rüzgâr türbinlerinin kontrolünde optimal tasarım yaklaşımıyla PID kontrol tekniklerinin enerji üretimi üzerindeki potansiyel etkileri detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Verimli bir tasarım yöntemi ile elde edilen optimal PID kontrolör, sistemin tasarım gereksinimlerine en iyi şekilde yanıt vermeli ve olası tutarsızlıklara karşı duyarlı olmalıdır. Simülasyonlar MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiş ve sistemin dinamik tepkisini gösteren diyagramlar ile kök yer eğrisi analizleri yapılmıştır. Ayrıca, sağlamlık (robustness) testleri uygulanarak elde edilen veriler değerlendirilmiştir. Bu süreçte, sistemin kararlı bir bölge içerisinde çalışmasını sağlayacak döngü parametreleri belirlenmiştir. Karmaşık denklemlere ihtiyaç duyulmadığından, çözüm süreci geniş kapsamlı olarak ele alınmış ve farklı koşullarda maksimum verim elde etme potansiyeli artırılmıştır. Kapalı döngü adım yanıtları incelendiğinde, önerilen optimal PID kontrolörün, sistemin dinamik tepkisini iyileştirerek daha yüksek performans sergilediği ve bu tür sistemlere başarıyla uygulanabildiği görülmüştür. İkinci aşamada, bir rüzgâr türbininin kontrolünü sağlamak amacıyla, Ağırlıklı Geometrik Merkez yöntemi kullanılarak zaman gecikmeli bir PI-PD kontrol cihazı tasarlanmıştır. AGM yöntemi ile PI-PD kontrol tekniklerinin enerji üretimine olan potansiyel etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Tasarım süreci, kontrolör parametrelerinin yer aldığı düzlemde kararlılık eşik eğrisinin belirlenmesi, kararlı bölgenin tanımlanması ve bu bölgede ağırlıklı geometrik merkezin hesaplanması esasına dayanmaktadır. Ancak, bu kararlı bölge içinde sistemin en iyi performansını sağlayacak parametrelerin seçimi önemli bir sorun oluşturmaktadır. AGM yöntemi, bu soruna pratik ve etkili bir çözüm sunarak kontrol parametrelerinin belirlenmesinde kolaylık sağlamaktadır. Önerilen PI-PD kontrol tasarımının temel avantajı, elde edilen parametrelerin grafiksel yöntemlere veya yinelemeli optimizasyon süreçlerine gerek kalmadan sayısal olarak hesaplanabilmesidir. Böylece, kapalı döngü kararlılığı daha hızlı ve etkin bir şekilde sağlanmaktadır. Çalışmada, MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilen simülasyonlarla tasarlanan kontrol cihazının performansı analiz edilmiştir. Birim adım yanıtları incelenerek yöntemin etkinliği değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları, önerilen ayarlama tekniği ile tasarlanan PI-PD denetleyicinin, rüzgâr türbinine daha başarılı bir şekilde uygulandığını ve geleneksel PID kontrol cihazına kıyasla daha üstün bir performans sergilediğini ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, PI-PD kontrol yönteminin rüzgâr enerjisi sistemlerinde daha verimli enerji üretimi ve sistem güvenliği sağlayabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Due to the impact of the energy crisis, interest in renewable energy sources is increasing day by day. The growing energy demand and rising costs have directed both producers and consumers towards sustainable energy solutions. In this context, wind energy stands out as one of the most important renewable energy sources. However, an effective control system is needed to prevent turbines and other critical components from being damaged at high wind speeds. The control of wind turbines is a critical process aimed at increasing efficiency, ensuring safe operation, and extending the turbine's lifespan. Control systems typically receive data from various sensors and adjust different components of the turbine accordingly. PID control is frequently used for the efficient and safe regulation of wind turbines' basic functions (blade pitch, speed control, generator power). PID control is suitable for minimizing system errors and ensuring that the turbine operates in a stable condition. In this study, the potential effects of PID control techniques on energy production were analyzed in detail through an optimal design approach in the control of wind turbines. The optimal PID controller, obtained using an efficient design method, is expected to best meet the system's design requirements and be responsive to potential inconsistencies. Simulations were carried out in MATLAB/Simulink, where diagrams illustrating the system's dynamic response and root locus analyses were performed. Additionally, robustness tests were applied to evaluate the gathered data. In this process, loop parameters that ensure the system operates within a stable region were determined. Since there was no need for complex equations, the solution process was addressed comprehensively, thereby increasing the potential for achieving maximum efficiency under various conditions. Examination of the closed-loop step responses revealed that the proposed optimal PID controller enhances the system's dynamic response, delivering higher performance and successfully applying to such systems. In the second stage, to control a wind turbine, a time-delayed PI-PD controller was designed using the Weighted Geometric Center (WGC) method. The potential effects of PI-PD control techniques on energy production were examined in detail through the AGM method. The design process is based on determining the stability threshold curve in the plane of the controller parameters, defining the stable region, and calculating the weighted geometric center within that region. However, selecting the parameters that ensure the best performance within this stable region poses a significant challenge. The AGM method offers a practical and effective solution to this problem by facilitating the determination of the control parameters. The primary advantage of the proposed PI-PD control design is that the obtained parameters can be numerically calculated without the need for graphical methods or iterative optimization processes. Consequently, closed-loop stability is achieved more quickly and effectively. In the study, the performance of the designed control device was analyzed through simulations conducted in MATLAB/Simulink. The effectiveness of the method was evaluated by examining the unit step responses. Simulation results revealed that the PI-PD controller, designed with the proposed tuning technique, was applied more successfully to the wind turbine and exhibited superior performance compared to the conventional PID control device. These results indicate that the PI-PD control method can provide more efficient energy production and enhanced system safety in wind energy systems.
Benzer Tezler
- Rüzgar türbinleri kanat açısının yapay sinir ağları ile kontrolü
Control of wind angle of wind turbines with artificial neural networks
ATAKAN ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOsmaniye Korkut Ata ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİL EROL
- Rüzgar türbinleri için kanat açısı ve rotor hız kontrolü yaparak verimliliğin sağlanması
Ensuring efficiency for wind turbines using pitch angle and rotor speed control strategies
AYYÜCE VURAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GALİP CANSEVER
- Yeni bir rüzgar enerji üretim sisteminin optimal tasarımı, gerçeklenmesi ve performans iyileştirmesi
Optimal design, implementation and performance improvement of a new wind energy conversion system
BEDRİ KEKEZOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUĞDEŞEM TANRIÖVEN
- Adaptive backstepping control based emegency scheme for improving transient stability of power systems with renewable energy sources
Yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegre güç sistemlerinde geçici kararlılığı kontrolu için uyarlanabilir geri adım kontrolü tabanlı acil durum düzeni
MOHAMMAD MOTALLEBZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ
- Sentetik atalet destekli rüzgar türbinlerinin frekans tepkisi üzerindeki etkilerinin modellenmesi, kontrolü ve dinamik analizi
Modelling, control and dynamic analysis of synthetic inertia-supported wind turbines' impact on frequency response
MERTCAN ACAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ