Hibrid güç üretimi sisteminin modellenmesi, analizi ve neuro-fuzzy kontrolör kullanılarak sistem performansının iyileştirilmesi

Abstract

HİBRİD GÜÇ ÜRETİM SİSTEMİNİN MODELLEMESİ, ANALİZİ VE NEURO-FUZZY KONTROLÖR KULLANILARAK SİSTEM PERFORMANSININ İYİLEŞTİRİLMESİ Bu çalışmada, şehir merkezinden veya enerji dağıtım şebekelerinden uzak küçük yerleşim birimlerinin elektrik enerji ihtiyacının karşılanması amacı ile hibrit rüzgar-gaz güç üretim sisteminin Matlab/ Simulink kullanılarak modellemesi gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda hibrit güç üretim sisteminin elektriksel çıkış büyüklüklerinin işletme değerlerini istenilir noktaya getirmek için Adaptif Neuro-Fuzzy Çıkarım Kontrolör’ü (ANFÇK) kullanılmıştır. Hibrit güç üretim sistemlerinin dünya genelinde uygulamaları ve bu güç üretim üzerine yayımlanmış makaleler, yapılan tez çalışmaları ayrı ayrı incelenmiştir. Yapılan çalışma için gerekli olan teknik bilgiler geniş ölçüde sağlanmıştır. Hibrit güç üretim sistemini oluşturan sistem bileşenleri ana hatları ile ve sistem içersindeki fonksiyonları kısa kısa anlatılmıştır. Diğer taraftan, Adaptif Neuro-Fuzzy kontrolör ayrı bir bölüm olarak geniş ve kapsamlı olarak blok diyagramlar halinde sunulmuştur. 300 kW’lık rüzgar güç üretim sisteminin enerji dağıtım şebekelerinden bağımsız olarak çalıştırılmasına ait sistemin dinamik modellemesi için gerekli olan matematiksel bağıntılar çıkartılmıştır. Rüzgar güç üretim sistemi değişken hızlı rüzgar türbini ve asenkron generatörden oluşmuştur. Değişken hızlı rüzgar türbini ve asenkron generatörün dinamik davranışını tanımlayan blok diyagramları ve matematiksel denklemler yapılan tez çalışmasında ayrı ayrı sunulmuştur. Rüzgar türbini ve asenkron generatörün blok diyagramlarını tanımlayan matematiksel denklemleri, Matlab/ Simulink programını ve Power System Toolbox’u kullanarak rüzgar güç üretim sisteminin gerçek işletmelerdeki davranışını gösterecek biçimde simülasyon blok diyagramları oluşturulmuştur. Daha sonra, rüzgar güç üretim sisteminden farklı yük kademelerinde elde edilen çıkış büyüklüklerinin istenilen performansta olması için klasik PID kontrolör ve ANFÇK ile rüzgar türbini kanat eğim açısı denetimi yapılmıştır. Bu çalışmada, hibrit güç üretim sisteminin ikinci güç üretim bileşeni ise 400kW’lık gaz güç üretim sistemidir. Gaz güç üretim sistemi, gaz türbin sistemi ve silindirik kutuplu senkron generatörden oluşmuştur. Gaz türbini ile senkron generatörün dinamik davranışını tanımlayan blok diyagramları ve matematik denklemler bu çalışma içersinde ayrı ayrı sunulmuştur. Gaz güç üretim sisteminin dinamik davranışını tanımlayan blok diyagramları ve matematiksel denklemleri kullanarak Matlab/ Simulink programında dinamik modellemesi yapılmıştır. Gaz güç üretim sistemini enerji dağıtım şebekelerinden yalıtılmış olarak çalıştırılıp, elektrik çıkış büyüklükleri farklı yük kademeleri için ayrı ayrı elde edilmiştir. Bu elektriksel çıkış büyüklüklerinin istenilen değerde olması için klasik PID kontrolör ile ANFÇK’ü kullanılarak gaz türbini hız kontrolü yapılmıştır. Yapılan tez çalışmasının son aşamasında, rüzgar güç üretim sistemi ile gaz güç üretim sistemi birbirine paralel bağlanarak birlikte tüketici yüklerinin beslenmesi durumundaki sistemin dinamik modellemesi Matlab/ Simulink programında gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma durumunda, hibrit güç üretim sisteminin elektriksel çıkış büyüklüklerinin istenilen işletme performansında olması amacıyla ANFÇK’ü ile kontrolü sağlanmıştır. Hibrit rüzgar-gaz güç üretim sisteminin farklı tüketici yükleri ile yüklenmesi durumunda, ANFÇK’lü sistemin dinamik davranışı elde edilen simülasyon sonuçları ile analizi yapılmıştır. Hibrit güç üretim sistemi için gerçekleştirilen simülasyon çalışması sonuçlarından da görülmüştür ki, ANFÇK ile sistemin çıkış elektriksel büyüklükleri kısa sürede arzu edilen işletme değerine yerleşmiştir.

MODELING, ANALYZING AND IMPROVING THE PERFORMANCE OF A HYBRID POWER PRODUCTION SYSTEM USING NEURO-FUZZY CONTROLLER In this study, with using the Matlab/ Simulink program, the modeling of hybrid wind-gas power production system has been realized for purpose of meeting the electric energy needs of small residential units locate far from the city centers or energy distribution networks. Meanwhile, the Adaptive Neuro Fuzzy Controller (ANFC) has been used to bring the operation values of electrical output magnitudes of hybrid power production system to a desirable point. The world wide applications of hybrid power production systems and articles and thesis written on such power production systems have been examined carefully. The technical data required for the study has been obtained in great extent. The system components forming the hybrid power production system and their functions within the system have been briefly described. On the other hand, the Adaptive Neuro-Fuzzy Controller has been presented with block diagrams in a comprehensive manner in a separate section. The mathematical relations necessary for dynamic modeling of the system related to independent operation of a 300 kW wind power production system from energy distribution networks have been determined. The wind power production system consists of a variable speed wind tribune and asynchronous generator. The block diagrams and mathematical equations defining the dynamic behavior of the variable speed wind tribune and asynchronous generator are presented separately in the thesis study. The simulation block diagrams which demonstrate the actual behavior of the wind power production system in real facilities have been formed by using mathematical equations which describe the block diagrams of wind tribune and asynchronous generator, Matlab/ Simulink program and Power System Toolbox. Then, to ensure the output magnitudes obtained in different load rates of the wind power production system to be in desired performance, control of pitch angle of the wind tribune with the conventional PID Controller and ANFC has been realized. In this study, the second power production component of the hybrid power production system is a 400KW gas power production system. The gas power production system consists of a gas tribune system and a cylindrical pole synchronous generator. The block diagrams and mathematical equations defining the dynamic behavior of the gas tribune and synchronous generator have been presented separately in the study. By using the block diagrams and mathematical equations defining the dynamic behavior of the gas tribune, a dynamic modeling has been realized in the Matlab/ Simulink program. By operating the gas power production system in an isolated manner from the energy distribution networks, the electrical output magnitudes have been obtained individually for different load rates. The gas tribune speed control has been realized using the PID Controller and ANFC to ensure that such electrical output magnitudes to be in desired value. In the final section of the thesis study, by connecting the wind power production system and gas power production system in parallel to each other, the dynamic modeling of the system in situation where the consumer’s loads are fed jointly has been realized in the Matlab/ Simulink program. Under such operation circumstance, in order to ensure that the electrical output magnitudes of the hybrid power production system to be in desired operation performance, its control with ANFC has been made. The dynamic behavior of the system in case the hybrid wind-gas power production system is loaded with different consumer’s loads has been analyzed using the simulation results obtained by using ANFC. As it can be seen from the results of simulation study realized for the hybrid power production system, the output electrical magnitudes of the system have been placed in the desired operation value with ANFC.