Değişken hızlı rüzgâr türbinleri için rezonans güç dönüştürücülü maksimum güç noktası izleyici geliştirilmesi
Development of a resonant power converter-based maximum power point tracker for variable-speed wind turbines
- Tez No: 959774
- Danışmanlar: PROF. DR. SELİM ÖNCÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Bu çalışma, küçük güçlü rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemleri (REDS) için yüksek verimli, güvenilir ve yüksek güç yoğunluğuna sahip bir güç dönüştürücüsünün tasarımını ve uygulanmasını amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında, sistemin farklı rüzgâr hızlarında maksimum güç noktası takibini (MGNT) etkin bir şekilde gerçekleştirmesi hedeflenmiştir. Rüzgâr türbininin aerodinamik modelini yansıtmak amacıyla, 2,3 kW anma güç değerine sahip üç fazlı sabit mıknatıslı senkron motor (SMSM), senkron motor sürücüsü ve mikrodenetleyici kullanılarak bir rüzgâr türbini emülatörü geliştirilmiştir. Aynı özelliklere sahip ikinci bir motor, emülatör sistemine dişli kutusu olmaksızın doğrudan bağlanarak generatör olarak kullanılmıştır. Enerji aktarımı için üç fazlı kontrolsüz doğrultucu ve seri rezonans DA-DA (SRDA) dönüştürücü kullanılmış olup, SRDA'nın güç denetimi 16'lık düzensiz darbe yoğunluk modülasyonu (DYM) yöntemi ile sağlanmıştır. DYM yönteminin uygulanması sayesinde, sistemin tüm rüzgâr hız aralığında rezonans frekansı yakınlarında çalışması sağlanarak düşük yük bölgelerinde bile yumuşak anahtarlama koşulları korunmuştur. Sistem, yüksek performanslı STM32F767 serisi ARM Cortex-M7 tabanlı mikrodenetleyici ile kontrol edilmiştir. Tasarlanan SRDA'nın rezonans frekansı 150 kHz olarak belirlenmiş ve anahtarlama frekansının rezonans frekansına yakın seçilmesi ile pasif devre elemanlarının boyutu küçültülmüştür. Böylece güç yoğunluğu artırılmış ve anahtarlama kayıpları minimize edilerek verim arttırılmıştır. Sistemde MGNT, değiştir ve gözle (D&G) algoritması ile gerçekleştirilmiştir. Algoritmanın giriş verileri, mekanik sensör kullanılmadan çift ikinci dereceden genelleştirilmiş integratör-frekans kilitlemeli döngü (ÇİDGİ-FKD) algoritması ve aktif reaktif güç teorisi (PQ Teori) kullanılarak generatör üç faz çıkış büyüklüklerinden elde edilmiştir. Gerçekleştirilen ölçümler neticesinde, sistemin 5–10 m/s rüzgâr hız aralığında etkin bir şekilde MGNT sağladığı (MGNT veriminin %94 ve üzeri olduğu), tüm yük aralığında yumuşak anahtarlama koşullarının sürdürüldüğü ve anahtarlama kayıplarının etkin biçimde azaltıldığı tespit edilmiştir. Bu çalışma ile elde edilen bulgular, küçük güçlü rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemlerinin verimliliğini ve güvenilirliğini artırmaya yönelik önemli katkılar sunmaktadır. Ayrıca, geliştirilen güç dönüştürücü ve kontrol algoritmalarının farklı ölçeklerdeki rüzgâr türbinlerine uygulanabilirliği değerlendirildiğinde, ticari ve akademik alanda yeni çalışmalara olanak sağlayacağı öngörülmektedir.
Özet (Çeviri)
This study aims to design and implement a high-efficiency, reliable, and high-power-density power converter for small-scale wind energy conversion systems (WECS). The primary objective is to ensure that the system effectively performs maximum power point tracking (MPPT) at different wind speeds. To represent the aerodynamic model of a wind turbine, a wind turbine emulator was developed using a three-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM) with a power rating of 2.3 kW, a synchronous motor driver, and a microcontroller. A second motor with the same characteristics was directly connected to the emulator system without a gearbox and used as a generator. Energy transfer was achieved using a three-phase uncontrolled rectifier and a series resonant DC-DC (SRDC) converter, with power control implemented through a 16-level irregular pulse density modulation (PDM) method. The application of the PDM method allowed the system to operate near the resonant frequency across the entire wind speed range, ensuring soft switching conditions even at low load levels. The system is controlled using a high-performance STM32F767 series ARM Cortex-M7-based microcontroller. The designed SRDC's resonant frequency is set at 150 kHz, and by selecting the switching frequency close to the resonant frequency, the size of passive circuit components has been reduced. Consequently, power density has been increased, and switching losses have been minimized, leading to improved efficiency. MPPT was implemented using the perturb and observe (P&O) algorithm. Input data for the P&O algorithm, including power and speed variations, were obtained from the three-phase generator output without the need for mechanical sensors. Instead, a dual second-order generalized integrator-frequency lock loop (DSOGI-FLL) algorithm and active-reactive power theory (PQ Theory) were used to extract these values. As a result of the measurements conducted, it has been determined that the system successfully performed Maximum Power Point Tracking (MPPT) within the wind speed range of 5–10 m/s (with MPPT efficiency reaching 94% and above), maintained soft-switching conditions across the entire load range, and effectively minimized switching losses. The findings of this study contribute to enhancing the efficiency and reliability of small-scale wind energy conversion systems. Furthermore, the developed power converter and control algorithms can be applied to different scales of wind turbines, potentially facilitating further advancements in both commercial and academic research.
Benzer Tezler
- Vibration analysis of rotating beam structures made of functionally graded materials in a thermal environment by generalized differential quadrature method
Fonksiyonel derecelendirilmiş dönen kiriş yapıların ısıl ortamda genelleştirilmiş diferansiyel kareleme yöntemi ile titreşim analizi
MUSTAFA TOLGA YAVUZ
Doktora
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
- Design and meta-heuristic based optimization of axial-flux induction generator for variable speed wind turbines
Değişken hızlı rüzgâr türbinleri için eksenel akılı asenkron generatör tasarımı ve meta-sezgisel yöntemlerle optimizasyonu
BATI EREN ERGUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Değişken hızlı rüzgar türbinleri için tasarlanan güç elektroniği sisteminin akıllı kontrolü
An intelligent control of power electronics systems designed for variable speed wind turbines
ÖMÜR AKYAZI
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADEM SEFA AKPINAR
- Değişken hızlı rüzgar enerji çevrim sisteminin yenilikçi FPGA kontrol uygulması
A novel FPGA implementation of a variable speed wind energy conversion system
KADİR ATİLLA TOKER
- Rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemlerinde kullanılan generatörlerin denetimi
Controlling of generators in wind energy conversion systems
ZAFER ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. AHMET SERDAR YILMAZ