Wind Turbine Modelling And Controller Design

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2007Bu çalışmada ilk olarak rüzgar ve rüzgarın türbin tasarımına etkileri anlatılmaktadır. Sonrasında rüzgar türbini bileşenleri tanıtılmıştır. Rüzgar türbiniyle iligili bilgi verildikten sonra sistem mekanik alt sistem, aerodinamik alt sistem, elektrik alt sistem ve hatve açısı alt sistemi olmak üzere parçalara ayrılmıştır. Mekanik sistem iki kütle ve burulma yayı ile ifade edilmiştir. Ardından bu gösterim için durum uzay modeli oluşturulmuştur. Diğer alt sistemlere göre hızlı cevap veren elektrik sistemi kararlı durum davranışıyla karakterize edilmiştir. Elektrik sistemin modellenmesinde lineer bir denklem kullanılmıştır. Bunun yanında hatve açısı sistemi ise birinci derece bir sistemle ifade edilmiştir. Tezde sistemin aerodinamiği de anlatılmaktadır. Güç, aerodinamik tork, itki kuvveti, uç hız oranı, güç katsayısı ve tork katsayılarını veren denklemler çıkarılmıştır. Ayrıca bu katsayıların kontrolcü ve sistem performansı üzerindeki etkileri anlatılmıştır. Buna ek olarak, sabit hız sabit hatve açısı, sabit hız değişken hatve açısı, değişken hız sabit hatve açısı, değişken hız değişken hatve açısı sistemlerinin kontrol kriterleri ve stratejileri incelenmiştir. Son bölümde 1,5 MW gücünde değişken hız sabit hatve açılı türbin modellenmiştir. Bu sistem için düşük dereceli bir durum uzay modeli tasarlanmıştır. Sonra sistemi iki kütle ve burulma yayı ile ifade etmek yerine şaft rijit kabul edilmiştir ve buna göre bir PI kontrolcü tasarlanmıştır. Basit sistem için tasarlanan PI kontrolcüsü değişken hız sabit hatve açılı karmaşık sistemi kontrol etmede kullanılmıştır.In this study, the wind and its effects on wind turbine design are explained at first. Then the components of the wind turbine are represented. Giving knowledge about wind turbines the system is divided into subsystems such as mechanical subsystem, aerodynamic subsystem, electrical subsystem and pitch subsystem. Mechanical system is described by a two mass and a torsional spring model. State space model for this representation is derived. The electrical system, which gives faster response than the other subsystems, is characterized by its steady state behavior. A linear equation is used to define the electrical system. Moreover, the pitch subsystem is represented by a first order system. The aerodynamics of the system is also explained. The equations used to calculate the power, aerodynamic torque, thrust force, tip speed ratio, power coefficient and torque coefficient are derived. The effects of these coefficients on the controller effort and the system are explained. In addition to this, control objectives and strategies for fixed speed fixed pitch, fixed speed variable pitch, variable speed fixed pitch and variable speed variable pitch wind turbines are analyzed. In the final section, a 1,5 MW variable speed fixed pitch turbine is modeled. A reduced order state space model is formed. Then instead of using two mass and torsional spring system, the shaft is assumed to be rigid to reduce the order of the system and a PI controller is designed for this system. This PI controller designed for simple system is used in the simulation to control the variable speed fixed pitch turbine model.Yüksek LisansM.Sc