Fırat Üniversitesi-Elazığ DÜŞÜK GÜÇLÜ BİR RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ İÇİN İNVERTER UYGULAMASI Ahmet TOPRAK1, Ramazan AKKAYA2 1 2 Bozkır MYO Elektrik ve Enerji Bölümü Selçuk Üniversitesi [email protected] Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Selçuk Üniversitesi [email protected] devre şemaları ve kontrol teknikleri kullanılmaktadır. Düşük güçlü sistemlerde genellikle tek fazlı sinüzoidal PWM inverterler tercih edilmiş ve bu konuda çeşitli çalışmalar yapılmıştır [3], [4], [5]. Bu çalışmada, düşük güçlü bir rüzgar enerji sistemi gerçekleştirmek için dahili şarj birimine sahip PM senkron generatörlü rüzgar türbininden elde edilen ve akü biriminde depolanan DC enerjinin AC’ye dönüştürülmesi için PWM kontrollü tek fazlı bir inverter gerçekleştirilmiştir. Şekil 1’de gerçekleştirilen sistemin genel yapısı görülmektedir. ÖZET Bu çalışmada, elektrik enerjisi üretimi için düşük güçlü bir rüzgar enerji sistemi gerçekleştirilmiştir. Sistem, dahili şarj birimine sahip 400 W gücünde PM senkron generatörlü rüzgar türbini, akü birimi ve PWM inverterden oluşmaktadır. Rüzgar türbininden elde edilen DC gücü AC’ye dönüştürmek için tek fazlı köprü tipi gerilim beslemeli bir inverter kullanılmıştır. İnverter PIC 16F877 mikrodenetleyici tarafından üretilen sinüzoidal PWM tekniği ile kontrol edilmiştir. Sistem MATLAB simulink ortamında simüle edilmiş, simülasyon ve deney sonuçlarının uyumlu olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Generatör, İnverter, Mikrodenetleyici, Rüzgar Türbini, PWM. 1. GİRİŞ Enerji ihtiyacının sürekli artması, buna karşılık mevcut kaynakların kısıtlı ve tükenebilir olması, insanoğlunu alternatif enerji kaynakları bulma ve geliştirme yoluna itmiştir. Ayrıca dünyanın yaşanabilirlik ortamının korunması ve sürdürülebilmesi amacıyla yapılan ulusal ve uluslararası hukuki düzenlemeler ve enerji üretim, iletim ve tüketiminden kaynaklanan çevresel etki ve sorunlar da enerji üretim sistemleri ve kaynak seçiminde çevresel etkilerin de dikkate alınmasını zorunlu kılmaktadır [1]. Yenilenebilir enerji kaynakları, sürekliliği olan ve hiç bitmeyecekleri varsayılan kaynaklardır. Rüzgar enerjisi yaygın olarak kullanılan bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Rüzgar kaynaklı enerji üretimi, diğer yenilenebilir enerji kaynakları ile karşılaştırıldığında en umut verici ve ticari olarak mevcut olanı, aynı zamanda en hızlı gelişenidir. Rüzgar enerjisinin bu kadar gelişmesinin nedeni olarak; atmosferde doğal olarak oluşması, kolay kurulumu, teknolojik geliştirilebilirlik ve kullanışlılığının yanında giderek ucuzlayan maliyeti gösterilebilir. Rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretim sürecinin atmosfer kirliliğine sebebiyet vermemesi nedeniyle bu kaynak “temiz enerji” olarak da nitelendirilmektedir [2]. Rüzgar türbininde üretilen enerjinin tüketiciler tarafından kullanılabilmesi için arabirim olarak güç elektroniği dönüştürücüleri kullanılır. Güç elektroniğindeki son gelişmelerle birlikte düşük fiyatlı ve yüksek güvenilirlikte ve verimli çeşitli dönüştürücüler rüzgar enerji sistemlerinde kullanılmaktadır. Günümüz rüzgar türbinleri bünyelerinde şarj kontrol üniteleri (şarj regülatörü) bulundururlar. Bu sayede rüzgar türbininden elde edilen enerjinin, kullanılmadığı zamanlarda depolandığı akülerin zarar görmesi de engellenmiş olur. Özellikle, rüzgar türbinlerinden elde edilen ve akülerde depolanan DC enerjinin tüketiciler tarafından kullanılabilmesi için uygun frekans ve genlikte AC gerilime dönüştürülmesi gerekir. Bu amaçla AC gücü DC’ye dönüştüren çeşitli inverter Şekil 1: Tipik Bir Rüzgar Enerji Sistemi İnverter ile çıkış geriliminin etkin değeri 220 V değerine ayarlanırken frekansı da 50 Hz’de sabit tutulmaktadır. Rüzgarın olmadığı ya da yeterli olmadığı durumda akü grubu devreye girerek yüklerin talep ettiği enerjiyi sağlamaktadır [6]. 2. RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ 2.1. Rüzgar Türbinleri Yatay eksenli ve dikey eksenli olmak üzere iki tip rüzgar türbini vardır. Yatay eksenli rüzgar türbinleri yüksek güçlerde daha düşük fiyat ve tasarım kolaylığı gibi avantajları açısından tercih edilmektedir. Rüzgar türbininden elde edilecek güç aşağıdaki ifadeyle verilebilir [2]. Pt = 1 . A.ρ .C p (λ ).v 3 (1) 2 Burada A kanat süpürme alanı (m2), ρ havanın özgül yoğunluğu (kg/m3), Cp güç dönüşüm katsayısı, v rüzgar hızı (m/s), λ ise kanat uç-hız oranıdır ve aşağıdaki gibi tanımlanır. w .R λ= t (2) v Burada wt türbinin dönüş hızı ve R’de türbin kanadının yarıçapıdır (m). Eğer kanat süpürme alanı ve hava yoğunluğu sabitse Cp’nin değeri λ ’nın fonksiyonudur ve λopt ’da 275 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Modülasyon indeksi, çıkış geriliminin genliğini ayarlar. Üçgen taşıyıcı dalga frekansının (fs) referans dalga frekansına (fm) oranı frekans modülasyon oranıdır ve mf ile gösterilir. mf’nin en az 9 olması istenir. mf ne kadar büyük olursa harmonik bileşenler ana harmonikten o derece uzaklaşır. f mf = s (5) fm maksimumdur. Bu nedenle rüzgar enerjisinden tam olarak faydalanabilmek için λ = λopt olmalıdır. Buna göre (1)’den Pmax = 1 . A.ρ .C p max .v 3 (3) 2 olarak rüzgar türbininden elde edilecek maksimum güç ifadesi elde edilir. Rüzgar türbininin elektrik enerjisine dönüştürdüğü enerjinin miktarı için rüzgar hızı çok önemlidir. (3)’de görüldüğü gibi bir rüzgar sistemi ile elde edilebilecek güç, rüzgar hızının küpü ile orantılıdır. Ayrıca ortalama bölgesel rüzgar hızı, rüzgar sistemlerinin dizaynında ve ekonomik analizlerinde önemli bir faktördür. Şekil 3’de PWM sinyallerinin elde edilmesi için referans dalga olarak sinüs ve taşıyıcı dalga olarak üçgen dalgalar kullanılmıştır. Burada sinüsün genliğini değiştirerek darbe sayısını değiştirmek mümkündür. Üçgen dalganın frekansı PWM anahtarlama frekansını belirlerken sinüzoidal referans dalganın frekansı çıkış frekansını belirler. PWM için değiştirilebilen üç kontrol girişi vardır. Bunlar; modülasyon indeksi M, frekans modülasyon oranı mf ve sinüs referans dalgasının frekansı fm’dir. 2.2. İnverterler İnverterler, DC gerilimi AC gerilime çeviren DC-AC dönüştürücülerdir. Bir inverterin görevi girişindeki doğru gerilimi, çıkışında istenen genlik ve frekansta simetrik bir alternatif gerilime dönüştürmektir. Çıkışta elde edilen gerilim ve frekans değerleri sabit veya değişken olabilir. Şekil 2’de bir fazlı köprü inverter devresi gösterilmiştir. Devredeki D1, D2, D3 ve D4 diyotları serbest geçiş diyotlarıdır. Vd invertere uygulanan DC gerilimdir. 1 0 -1 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 1 0 -1 1 0 -1 1 0 -1 Şekil 3: Sinüs PWM Sinyallerinin Üretilmesi 3. GERÇEKLEŞTİRİLEN SİSTEMİN ÖZELLİKLERİ 3.1. Rüzgar Türbini Bu çalışmada, 12V/24V çalışan entegre şarj kartlı yeni nesil rüzgar türbini olan nominal 600 W güce sahip “Tornado 600S” marka rüzgar türbini kullanılmıştır. Ayrıca tek anahtar sayesinde 12/24 V çalışma durumu sisteme göre ayarlanabilir. Rüzgar türbininde 3 fazlı sürekli mıknatıslı senkron generatör bulunmaktadır. Türbin, 119 cm rotor çapı ve yeni nesil karbon-fiberoptik yapı kanatları sayesinde 2,5 m/sn rüzgar hızında start ve 3 m/sn rüzgar hızında aküleri şarj etmeye başlar. Akülerin full şarj olmasıyla generatör otomatik frenlenir ve yıpranması önlenir. Tablo 1’de kullanılan rüzgar türbinin özellikleri verilmiştir. Şekil 2: Tek Fazlı Köprü İnverter Şekilde görülen tek fazlı köprü inverter devresinde, S1 ve S4 elemanları ile S2 ve S3 sırasıyla iletime girip çıkmaktadır. S1 ve S4 anahtarları birlikte iletime sokulursa, yükün uçlarında Vd giriş gerilimi oluşur. S2 ve S3 birlikte iletime geçirilirse, yük gerilimi yön değiştirerek –Vd değerine eşit olur. Bu durumda yük üzerinde kare dalga şeklinde değişen bir AC gerilim elde edilir. Anahtarlama elemanları uygun şekilde kontrol edilerek inverter çıkısında farklı gerilim dalga şekilleri oluşturulabilir. İnverterlerde istenilen en önemli şey, çıkış işaretinin genliğini ve frekansını kontrol etmektir. Ayrıca çıkışın harmoniksiz olması yani sinüzoidal olması istenir. Ancak inverter çıkışında ana dalganın yanında istenmeyen harmonikler de meydana gelir. İnverterlerde çıkış harmonik bileşenlerinin büyüklüğünü azaltmak ve çıkış geriliminin genliğini ve frekansını ayarlamak amacı ile PWM kullanılır. Genel olarak PWM sinyalleri yüksek frekanslı bir üçgen taşıyıcı dalga ile istenen çıkış frekansındaki bir referans sinüs dalganın karşılaştırılmasından elde edilir. Referans dalganın tepe değerinin (VR) üçgen taşıyıcı dalganın tepe değerine (VC) oranına Modülasyon İndeksi denir ve M ile gösterilir. V M= R (4) VC Tablo 1: Tornado 600S Rüzgar Türbininin Özellikleri Kanat Sayısı Rotor Çapı Net Ağırlık Hız Kontrolü Sistem Gerilimi Nominal Güç Maksimum Güç Start Rüzgar Hızı Şarj Rüzgar Hızı Nominal Rüzgar Hızı Devre Dışı Geçiş Rüzgara Dayanma Hızı 276 3 119 cm 6,3 kg Akü şarj hız kontrolü DC 12V / DC 24V 400W (12V) 550W(12V)/750W(24V) 2,5 m/sn 3,0 m/sn 12,5 m/sn 25 m/sn 60 m/sn Fırat Üniversitesi-Elazığ mikrodenetleyici çıkışlarında üretilen ve değişimi Şekil 6’da verilen sinüzoidal PWM anahtarlama sinyalleri Şekil 5.b’deki devre şemasında görüldüğü gibi IR2113’e uygulanır. IR2113 girişine lojik 1 uygulandığında, MOSFET kapı-emiter girişine +12 V gerilim uygulanır, böylece MOSFET iletime sokulur. IR2113’ün girişine lojik 0 uygulandığında, kapı-emiter girişine 0 V uygulanarak MOSFET kesime sokulur. Rüzgar türbini, Şekil 4’de görüldüğü gibi Bozkır Meslek Yüksekokul’u sınırları içerisindeki, küçük bir tepe üzerinde bulunan 5 m yüksekliğindeki kullanılmayan su deposu üzerine monte edilen 4,5 m yüksekliğindeki bir kule üzerine kurulmuştur. Rüzgar türbini çalışırken oluşan titreşimleri azaltmak için türbin kulesi üç adet çelik halatla depo üzerine sabitlenmiştir. (a) Şekil 4: Şarj Regülatörü ve Akü Birimini de İçeren Rüzgar Türbininin Görünüşü Türbin üzerindeki şarj biriminden aküler kontrollü olarak şarj edilmektedir. Dahili elektronik şarj sistemi, bataryaları Tornado 600S’den gelecek yüksek gerilimden korur, türbin pervane hızını kontrol eder ve esnek bir batarya şarj regülatörü gibi davranır. Dahili regülatör, bataryanın gerilimini algılar ve şarj edip etmemeye karar verir. Batarya gerilimi ayar noktasıyla eşleştiğinde regülatör, türbinin aküyü şarj etmesini durdurur. 3.2. Akü Aküler, rüzgar türbininden elde edilen enerjiyi kullanılmadığı zamanlarda depolar, rüzgar yokken yükü kesintisiz olarak belirli bir süre besler. Seçilecek akünün, yükü istenen süre kadar besleyebilecek kapasitede olması gerekmektedir. Bu süre, yüke ve kullanım alanına göre birkaç dakikadan birkaç saate kadar değişmektedir. Gerçekleştirilen sistemde bir adet 12 Volt 200 Amper/saat’lik bir jel akü kullanılmıştır. (b) Şekil 5: Gerçekleştirilen İnverter Devresinin a) Resmi ve b) Devre Şeması Çalışma frekansları ve ilgili anahtarlama zamanları, MOSFET kontrol devresindeki mikrodenetleyiciye kaydedilerek bir çevrim tablosu oluşturulmuştur. Çıkıştaki yüklenme durumuna göre, çıkışta elde edilen AC gerilimden alınan geri besleme sinyali, PIC mikrodenetleyiciye uygulanarak değişik yük durumları için PWM darbe genişlikleri artırılıp azaltılmak suretiyle çıkış geriliminin 50 Hz, 220 V seviyesinde tutulması sağlanmaktadır. Bu inverter, aküden beslenen uygun güçteki sistemlerde kullanılabilir. 3.3. Tek Fazlı PWM İnverterin Gerçekleştirilmesi Rüzgar türbini dahili şarj birimine sahip olduğundan bu çalışmada PWM kontrollü tek fazlı köprü tipi temel inverter devresinin güç ve kontrol birimi tasarlanmıştır. İnverterde, yarı iletken anahtar olarak 55V, 110A değerlerine sahip IRFP064N serisi MOSFET’ler kullanılarak daha yüksek güçlerde çalışabilecek bir devre gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen inverter devresinin üstten görünüşü Şekil 5.a’daki resimde ve devre şeması da Şekil 5.b’de verilmiştir. İnverter ile alternatif gerilime dönüştürülen akü gerilimini yükün ihtiyaç duyduğu seviyeye yükseltmek için türbin gücü de dikkate alınarak dönüştürme oranı 12/220 olan 500 VA’lık bir trafo kullanılmıştır İnverter çalışma frekansı 1 kHz’dir. Anahtarlama yöntemi olarak sinüzoidal PWM kullanılmıştır. Kontrol işlemi, PIC16F877 mikrodenetleyicisi ile yapılmaktadır. PIC Şekil 6: PIC Mikrodenetleyici Tarafından Üretilen PWM Anahtarlama Sinyalleri (5V/div). 277 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 4. SİMÜLASYON VE DENEYSEL SONUÇLAR 400 Yük Gerilimi 300 Rüzgar enerji sisteminin MATLAB ortamında oluşturulan simulink modeli Şekil 7’de görülmektedir. Yapılan simülasyon ve deneysel çalışmalar sonucunda yük akım ve geriliminin değişimi hem simülasyon modelinden hem de deneysel sistem üzerinden osilaskop görüntüsü olarak elde edilmiştir. Yük Akımı 200 100 0 -100 -200 -300 -400 (a) Şekil 7: Rüzgar enerji sisteminin MATLAB ortamında oluşturulan simulink modeli Şekil 8’de 100 W’lık omik bir yük için simülasyon ve deneysel sonuçlar görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi gerilim ve akım dalga şekilleri omik yük için aynı fazdadır ve çıkış filtrelenmemiştir. 400 Yük Gerilimi 300 Yük Akımı (b) 200 Şekil 9: 60 W’lık Fan Motoru Üzerindeki Gerilim ve Akımın Değişimi a) Simülasyon ve b) Deneysel Sonuç. 100 0 -100 5. -200 SONUÇLAR PM senkron generatörlü rüzgar türbini ve inverterden oluşan rüzgar enerji sistemi MATLAB/SIMULINK kullanılarak modellenmiştir. Aküde depolanan sabit DC gerilim sinüzoidal PWM inverter kullanılarak Çıkışta 220 V, 50 Hz frekanslı PWM AC dalga şekilleri elde edilmiş ve değişken yük durumunda çıkış geriliminin sabit kalması sağlanmıştır. Deneysel sistemden ve simulink modelden elde edilen inverter dalga şekillerinin birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. -300 -400 (a) 6. KAYNAKLAR [1] Özkaya, M. G., Variyenli, H. İ., Uçar, S., “Rüzgar Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretimi ve Kayseri ili İçin Çevresel Etkilerin Değerlendirilmesi”, Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Cilt 29 (1), 1-20, 2008 [2] Park, H. G., Jang, S. H., Lee, D. C., Kim, H. G., “ LowCost Converters for Micro wind Turbine Systems using PMSG”, The 7th Int. Conf. On power Electronics, Korea, 483-487, 2007. [3] Akkaya, R., Kulaksız, A. A., “Solar and Wind Energy Applications of Power Electronics”, III. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Cilt 1, İstanbul, 329-336, 2000. [4] Boutot, T., Chang, L., “Development of a Single-Phase Inverter for Small Wind Turbines”, IEEE Canadian Conf. on Elect. and Comp. Eng., 305-308, 1998. [5] Bharanikumar, R., Kumar, A. N., “Analysis of Wind Turbine Driven PM Generator with Power Converters”, Int. Journal of Comp. and Elect. Eng. Vol 2 No 4,766769, 2010. [6] Toprak, A., “Elektrik Üretimi için Düşük Güçlü Rüzgar Enerji Sistemi Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2011. (b) Şekil 8: 100 W’lık Omik Yük Üzerindeki Gerilim ve Akımın Değişimi a) Simülasyon ve b) Deneysel Sonuç Şekil 9’da ise 60 W’lık fan motoru için simülasyon ve deneysel sonuçlar verilmiştir. Çıkışa 10 µF’lık bir kondansatör bağlanmıştır. Şekilde görüldüğü gibi çıkışa bağlanan 10 µF’lık filtre kondansatörü ve motorun endüktansının da etkisiyle çıkış gerilimi sinüse daha çok yaklaşmış, çıkış akımı biraz daha düzelmiş ve faz farkı oluşmuştur. Her iki yük durumu için de simülasyon ve deneysel sonuçlar birbiriyle uyumludur. 278