Yatay Eksenli Rüzgar Türbini Kanat Tahrik Sisteminin Matematiksel Modellemesi ve Bulanık Mantık İle Kontrolü

Abstract

Bu tez çalışmasında, rüzgâr türbini sistemleri için kullanılan klasik PI denetleyicilerine alternatif olarak, aerodinamik duyarlılığa (dP/dθ) dayalı kazanç zamanlamalı Bulanık-PI denetleyici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Mevcut literatürde rotor hızı veya sabit çalışma bölgelerine göre yapılan kazanç ayarlamalarına karşın, bu çalışmada türbinin aerodinamik davranışına duyarlı bir kontrol yapısı önerilmiştir. Geliştirilen yöntem kapsamında, hata (e), hata değişimi (de) ve aerodinamik duyarlılık (dP/dθ) değişkenlerini giriş olarak alan iki adet Sugeno tipi bulanık çıkarım sistemi (FIS) oluşturulmuş ve K_p ile K_i kazançları ayrı ayrı hesaplanmıştır. Önerilen bulanık denetleyici, NREL 5MW referans türbin modeli kullanılarak Simulink ortamında test edilmiş ve klasik PI ile karşılaştırılmıştır. Simülasyon sonuçları, önerilen yöntemin aşırı salınımları azalttığını, geçici rejim yanıtlarını iyileştirdiğini ve daha kararlı bir rotor hız kontrolü sağladığını göstermiştir. Ayrıca, bu kontrol yapısının rüzgâr hızı değişimlerine daha duyarlı ve adaptif olduğu gözlemlenmiştir. Bulanık-PI ve S-Bulanık PI kontrolcülerinin, PI kontrolcüsüne göre daha az salınım ve daha hızlı stabilizasyon sağladığı, özellikle rüzgâr hızındaki ani değişikliklere karşı daha dayanıklı olduğu belirlenmiştir. Bu çalışma, aerodinamik duyarlılık tabanlı kazanç programlamasının, rüzgâr türbini kontrol sistemlerinde uygulanabilir ve etkili bir yaklaşım olduğunu ortaya koymuş, türbinin aerodinamik davranışına duyarlı bir kontrol stratejisinin avantajlarını vurgulamıştır. Sonuçlar, Bulanık-PI denetleyicilerin, türbin sistemlerinin daha verimli ve güvenilir çalışmasını sağlamak için özellikle büyük türbinlerde tercih edilebileceğini göstermektedir.

In this thesis, an alternative Fuzzy-PI controller based on aerodynamic sensitivity (dP/dθ) for wind turbine systems is designed, replacing traditional PI controllers. While existing literature commonly adjusts gains based on rotor speed or fixed operating regions, this study proposes a control structure that is sensitive to the turbine's aerodynamic behavior. The developed method involves two Sugeno-type Fuzzy Inference Systems (FIS) that take error (e), change in error (de), and aerodynamic sensitivity (dP/dθ) as inputs, and calculate K_p and K_i gains separately. The proposed fuzzy controller was tested in the Simulink environment using the NREL 5MW reference wind turbine model and compared with the classical PI controller. The simulation results demonstrated that the proposed method reduced oscillations, improved transient state responses, and provided more stable rotor speed control. Furthermore, it was observed that this control structure is more sensitive and adaptive to wind speed changes. The Fuzzy-PI and S-Fuzzy-PI controllers achieved less oscillation and faster stabilization compared to the PI controller, particularly under rapidly changing wind speeds. This study demonstrates that aerodynamic sensitivity based gain scheduling is a feasible and effective approach in wind turbine control systems and emphasizes the advantages of a control strategy that is sensitive to the turbine's aerodynamic behavior. The results suggest that Fuzzy-PI controllers can be preferred, especially in large turbines, to ensure more efficient and reliable operation of turbine systems.