Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinin MPPT kontrolü ile enerji verimliliğinin iyileştirilmesi

Abstract

Enerji talebinin her geçen gün artmasına ve geleneksel enerji kaynaklarına ilişkin açığa çıkan sorunlara yenilenebilir enerji kaynakları temelli güç üretim sistemleri bir çözüm olabilmektedir. Bu kaynaklar arasında ciddi bir potansiyele sahip olan rüzgar enerjisinin kullanımı ise, son yıllardaki gelişen teknoloji sayesinde, dünya çapında hızlı bir büyüme göstermekte ve popülerlik kazanmaktadır. Belirli dönüşüm aşamaları üzerinden enerjinin elde edildiği Rüzgar Enerjisi Dönüşüm Sistemleri (REDS)'nden maksimum gücün daha etkin yakalanabilmesi ve bu sayede de enerji verimliliğinin iyileştirilmesi, en çok önem verilen araştırma konularından biri olmaktadır. Bu noktada literatürde ve endüstriyel uygulamalarda geleneksel yöntemler kullanılabilmiş olsa da, daha etkin ve yenilikçi kontrol stratejileri ve algoritmalara gereksinimler de bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, kontrolsüz doğrultucu ve yükseltici tip DC-DC dönüştürücü içeren güç dönüştürme topolojili kalıcı mıknatıslı senkron generatör temelli REDS'lerden hem maksimum mekanik gücün hem de maksimum elektriksel gücün yakalanması konusu detaylıca ele alınmıştır. Sistemin maksimum güçte çalışması için optimum çalışma noktasının belirlenmesinde çeşitli Maksimum Güç Noktası İzleme (MPPT) algoritmaları kullanılmış ve ayrıca bu noktaya sistemi getirmek amacıyla önceden bu bakış açısıyla uyarlanmamış olan çeşitli kayan kipli kontrolörler de tasarlanmıştır. Bunlara ek olarak, güncel optimizasyon tekniklerinin MPPT metotlarına entegre edilmesi üzerine de çalışılmıştır. Kaotik temelli parçacık sürü optimizasyonunun iki türevinin ayrı ayrı optimum ilişki temelli yöntemle birleştirildiği ve kayan kip tabanlı kontrolörün benimsendiği iki adet hibrit tümleşik maksimum güç yakalama çerçevesi de türetilebilmiştir. Oluşturulan farklı rüzgar hızı değişim profilleri altında tüm testler simülasyon ortamında doğrulanmış olup, kontrolörler için kararlılık analizleri de detaylı olarak sunulmuştur. Tüm bu çalışmalar neticesinde, maksimum güç noktasının daha doğru ve kesin olarak tespitinin yanı sıra daha az sürekli hal hatası ve gerilim dalgalılığına ulaşılması sayesinde daha üstün bir izleme performansıyla MPPT sistem verimliliğine katkı sağlandığı görülmüştür.

Renewable energy-based power generation systems can be a solution to the increasing energy demand and the problems that arise regarding conventional energy sources. The use of the wind energy, which has a serious potential among these sources, has been growing rapidly and gaining popularity worldwide thanks to the developing technology in recent years. Wind Energy Conversion System (WECS) generates energy through certain transformation stages. Extracting the maximum power from WECS more effectively and thus improving the energy efficiency is one of the most important research topics. Although traditional methods have been used in literature and industrial applications at this point, there are also requirements for more effective and innovative control strategies and algorithms. In this thesis study, the issue of capturing both maximum mechanical power and maximum electrical power from permanent magnet synchronous generator based WECS with power conversion topology including uncontrolled rectifier and DC-DC boost converter is discussed in detail. Various Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms have been used to determine the optimum operating point for the system to operate at maximum power and also different type sliding mode controllers that have not been adapted before from this point of view have been designed to bring the system to this point. In addition to these, it has been worked on integrating current optimization techniques into MPPT methods. Two hybrid unified maximum power extraction frameworks, which combine separately two derivatives of chaotic-based particle swarm optimization with the optimum relation-based method and adopt a controller based on sliding mode control theory, have been derived as well. All tests on designed various wind speed change profiles have been verified in the simulation environment and stability analyzes for controllers are also presented in detail. In consequence of all these studies, it has been observed that the MPPT system efficiency is contributed by more accurate and precise determination of the maximum power point as well as achieving a superior tracking performance with less steady-state error and voltage fluctuation.