Mini hidroelektrik sistemler için gerilim ve frekans kontrollü asenkron generatör tasarımı - Terzi, Ümit Kemalettin (My University, 2000)
Dünyanın yıllık enerji ihtiyacı nüfus artışına paralel olarak hızla artmaktadır. Bu artışın başlıca sebepleri sanayileşmiş ileri ülkelerde çok fazla enerji tüketilmesi, az gelişmiş ülkelerde refah düzeyinin iyileşmesiyle daha fazla enerji tüketilmeye başlanması ve dünyada kişi başına tüketilen ortalama enerji miktarının artmasıdır. Enerji üretiminde kullanılan birincil enerji kaynaklarının içerisinde orijini fosil yakıtlara dayalı olan yakıtlar ve su gücü önemli yer tutmaktadır. Ancak artan nüfusla ve gelişen teknolojiyle birlikte fosil yakıtların sınırlı olması nedeniyle günümüzde alternatif enerji kaynaklarının değerlendirilmesi zorunlu hale gelmektedir. Ülkemiz yenilenebilir enerji kaynakları açısından oldukça şanslı ülkeler arasındadır. Sahip olduğumuz bu kaynakların en önemlilerinden biri de hidrolik kaynaklardır. Zira ortalama akış koşullarında ülkemizin su kuvvetinin brüt potansiyeli 433 milyar kWh/ yıl, teknik potansiyeli ise 215 milyar kWh/ yıl olarak belirlenmiştir. Fakat günümüzde bu potansiyelin ancak %26'sı değerlendirilmektedir. Ülkemizin topoğrafik ve hidrojeolojik yapısı ve bazı yörelerdeki yağış yoğunluğu büyük su potansiyelinin yanında mini hidroelektrik güç potansiyelinin de yaygın olarak bulunmasına olanak sağlamıştır. Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü'nün yaptığı çalışmalara göre mini hidroelektrik santrallerden 13.9 TWh/ yıl enerji üretilebileceği hesaplanmıştır. İşte bu nedenle enerji darboğazının eşiğinde olan ülkemizde bu potansiyelin daha yüksek oranlarda değerlendirilebilmesi için, inşa edilen dev hidroelektrik santrallerin yanında mini hidroelektrik sistemlerinin de geliştirilip yaygınlaştırılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Gelişmekte olan ülkelerde ulaşılması zor, uzak veya yerleşim alanı düzensiz olan bölgelerde kullanılan mini hidroelektrik sistem projeleri için asenkron generatörler diğer konvansiyonel alternatörlere göre üstünlüklere sahip olabilirler. Zira küçük ve orta güçteki asenkron generatörler, uyarma devresi ve kutup tekerleğinin gerektirdiği masraflar bulunmadığından, senkron makinalara göre bir hayli ucuz ve dayanıklıdır; fırça ve bilezikler bulunmadığından fazla bakıma gerek duymazlar, birden çok asenkron generatör frekans ve faz durumlarının kontrolü yapılmadan paralel bağlanabilirler. Asenkron generatörlerde salınım tehlikesi yoktur ve en önemlisi kısa devre akımlarının kendi kendine koruma sağlayarak uyartım akımı tarafından kontrol edilmesidir. Fakat asenkron generatörlerde frekans ve gerilim kontrolündeki zorluklar, elektrik üretiminde bu generatörlerin kullanımını sınırlamaktadır. Ancak mikroişlemci teknolojisi kullanılarak statik VAR kaynaklarının (kondansatör grupları) kontrolü ve devir regülasyonu söz konusu olunca bu sorun da ortadan kalkmaktadır. Giriş bölümünde, yapılan çalışmanın gerekliliğini vurgulamak amacıyla enerji kaynaklarının durumu ve yaşanan problemlerden

olarak bahsedilmiş, hidrolik enerjinin ülkemizdeki durumu hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra hidrolik kaynaklardan faydalanmada yaşanan problemler ve alternatif çözümlerden bahsedilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde öncelikle asenkron makinaların yapısı, çalışma ilkeleri, temel denklem, devre ve vektörel ifadeleri teorik olarak açıklanmıştır. Daha sonra çalışmanın temelini oluşturan asenkron generatörlerin çalışma prensipleri ve genel karakteristikleri hakkında bilgi verilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde öncelikle tasarımda gerilim ve frekans kontrolünü sağlayan ünitenin sistemi ve kontrol organları hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra üniteyi oluşturan birimler detaylı şekilde incelenmiş ve akış diyagramlarıyla birlikte frekans ve gerilim kontrol işlemi açıklanmıştır. Çalışmanın dördüncü bölümünde öncelikle hidroelektrik potansiyel ve mini hidroelektrik santrallerin yapısı hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca mini hidroelektrik santraller ülkemiz için değerlendirilmiş ve hidroelektrik santrallere ait teçhizatlar adaptasyona ışık tutması için tanımlanmıştır. Daha sonra geliştirilen gerilim ve frekans kontrol ünitesinin mini hidroelektrik santrale adaptasyonu detaylı şekilde açıklanmıştır. Çalışmanın beşinci bölümünde öncelikle oluşturulan tasarımın farklı yük ortamlarında test edilmesi için simulasyon ortamı ve elemanlar tanıtılmıştır. Sonra gerilim ve frekans limitlerinin belirlenmesi ve limit aşımının etkisi hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra denetimsiz ortamda yükün generatör çıkışına etkisi, gerilim ve frekans kontrolünün yapıldığı ortamın daha iyi kavranabilmesi amacıyla anlatılmış ve deneysel amaçlı hesaplamalar yapılmıştır. Çalışmanın altıncı bölümünde beşinci bölümünde belirlenen elemanların kullanımıyla oluşturulan simulasyon ortamında farklı değer ve tipteki yük koşullarında tasarımın performansı yapılan deneylerle test edilmiştir. Alınan deneysel sonuçlar oluşturulan tablo ve grafikler ışığında değerlendirmeler yapılmıştır. Çalışmanın sekizinci bölümünde ise elde edilen sonuçlar maddeler halinde verilmiş ve tasarımın değerlendirilmesi konusunda bazı öneriler getirilmiştir. ABSTRACT Worlds annual energy requirements increases in line with its population. Fundamental reasons for this increase are excessive energy consumption in industrilized countries, increasing energy consumption in developing countries as their welfare levels increases, and increase in avarage per capita energy consumption in the world. Fossil fuels and hydro power constitute important place among primary energy resources used for energy production. However, in today's world utilization of alternative energy resources has become a must due to limited fossil fuels resources, increasing population and developing technology. Our country is one of the rich countries in its renewable energy resources. One of the most significant of these resources is hydro power. Under avarage flow conditions, gross potantial of our country's hydro power is 433 Billion kWh/ year and technical potantial is calculated as 215 Billion kWh/ year. However, today only 26 percent of this potantial is being utilized. Our country's topographical and hydrogeological characteristics and precipitation (rain and snow) density in some regions bring along the small hydro power potantial as well as large hydro power potantial. A study carried out by The General Directorate of Electricity Works Studies Authority (Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü,EİEİ) shows that our country has a power production capacity of 13,9 TWh/ year from small hydro power projects. Therefore, in order to better utilize the hydro power potantial of our country, which is at the threshold of an energy bottle neck, together with large hydro power plants small hydro power projects must also be developed and put into use. Induction generators can have advantages over other conventional generators for small hydro power projects that are used in distant and scattered settlements in developing countries. Small and medium size induction generators are cheaper and more durable than synchronous machines since they do not require the cost of excitation machine and pole wheel. They do not need much maintenance as they do not have brush or slip rings. More than one induction generators can be operated in parallel without frequency and phase condition control. There is no oscillation problem for induction generators. Most importantly their short circuit currents can be controlled by excitation current which provides self protection. However, difficulty in frequency and voltage control in induction generators causes limitations for these generators to be used in power production. Nevertheless this problem can be avoided by using computerized control units controlling capacitor groups. In the introduction section, the study summarized the situation of the energy resources and current problems. It also has provided information on hydro power in our country. The introduction also mentioned current problems in utilization of hydro power resources and alternative solutions. The second section has provided information about the structure of induction machines and it studies fundamental equations, circuits and vektorel equations. Following that, characteristics of induction generators were examined and self excitation was theoretically explained which plays an important role in the design. The third section has provided information on the system and control organs of the unit which provides voltage and frequency control in the designed system. After that, the sections that form the unit were studied in detail and voltage and frequeny control process together with flow chart diagrams were explained. The fourth section has provided information on hyro power potential and the structure of mini hydro power plants. It then has evaluated mini hydro power plants for our country and explained equipment for hydro power plants. Following that, it has explained in detail the adaptation of the designed voltage and frequency control unit to mini hydro power plant. The fifth section initially has introduced the simulation system and its elements that were assembled in order to test the design under different load conditions. This section has then provided information on determining the voltage and frequency limits and the effects of exceeding the limits.After explaining the effect of the load on the generator output, experimental and theoritical calculations were made. In the sixth section, using the determined elements, the experiment environment has been formed and the performance of the design was tested under different load conditions. The results of the experiment were then evaluated. In the seventh section, a computer program which is prepared to monitor and to record the output data of the power plant has been introduced. Working principles and the remote control of the computer program have explained. The eighth section put forward the results of the complete study item by item and under the light of these results asserted some suggestions .
Keywords: Hidro-elektrik teknolojisi; Hidroelektrik santraller; Hidrolik Makineler; Hidrolik Mühendisliği; Uygulamalı fizik