1. 1
İnvertör Tabanlı Değişken Hızlı, Rüzgar Türbinli Sistemler için Akıllı Maksimum
Güç Ekstraksiyon Algoritması
Peiman ALIPOUR SARVARI
Anahtar Kelimeler: Hill - Climb arama, Maksimum güç çıkarma, Değişken hızlı
rüzgar türbini, Rüzgar enerjisi üretimi, Rüzgar türbini modeli.
Geniş Özet: Bu çalışmada invertör tabanlı değişken hızlı rüzgar enerji üretim sistemleri
için maksimum rüzgar enerjisi çıkarma algoritmalarının geliştirilmesi üzerinde duruluyor.
Bu yazıda mevcut maksimum rüzgar enerjisi çıkarma algoritmaları gözden geçirilmiş ve
akıllı bir maksimum güç çıkarma algoritması, sistem performansını artırmak ve kontrol
uygulanmasını kolaylaştırmak için yazarlar tarafından geliştirilerek sunulmuştur.
Maksimum güç çıkarma algoritmasının ayrılmaz bir parçası olarak, gelişmiş Hill-Climb
arama yöntemi rüzgar türbininin eylemsizliğini dikkate alarak geliştirilmiştir. Geliştirilen
maksimum rüzgar enerjisi çıkarma algoritması, rüzgar türbini özellikleri, rüzgar hızı ve
türbin rotor hızı gibi mekanik miktarlı ölçümleri gözetmeksizin maksimum türbin gücünü
farklı rüzgar hızlarında, invertörü kontrol etmek için başlangıç güç talebini sağlama
yeteneğine sahiptir. Sistem simülasyon sonuçları ve test sonuçları bu yöntemin işlevsellik
ve performansını doğrulamaktadır.
Araştırmanın Önemi: Değişken hız operasyonları ve doğrudan tahrik jeneratörler rüzgar
türbinli aktarma organları için son gelişmeler olmuştur. Rüzgar türbinlerinde, değişken
hızlı operasyonlar, sabit hızlı operasyonlara karşın 10-15% daha fazla güç ve daha düşük
mekanik stres ve daha az güç dalgalanmasına sahipler. Tam değişken hızlı rüzgar enerjisi
üretim sistemlerinin (WPGS) faydaları gerçekleştirmek için değişken rüzgar hızlarında
rüzgar türbinlerinin maksimum güç çıkışı almak için daha ileri kontrol yöntemleri
geliştirmek çok önemlidir. Bir değişken hızlı rüzgar enerjisi üretim sistemi, bir elektronik
güç çeviriciye ihtiyaç duymakta, genellikle bir invertör adı verilen bu cihaz değişken
voltajlı ve değişken frekanslı jeneratör gücünü, sabit voltaj ve sabit frekanslı bir güce
dönüştürüp ve rüzgar enerjisi üretim sisteminin çıkış gücünü düzenlemektedir. Tipik bir
rüzgar enerjisi üretim sistemi ve değişken hızlı bir direkt güç jeneratörü şekil 1 de
gösterilmiştir.
Belirli bir rüzgar hızında mekanik çıkış gücü önemli ölçüde türbinin uç hız oranından

2. 2
(TSR) etkilenir ki bu oran türbinin rotor hızının bölü rüzgar hızı olarak hesaplanır.
Böylece rüzgar hızı değişimleriyle, optimal uç hız oranını (TSR) korumak için, ve
böylece mevcut rüzgar kaynaklarından maksimum güç elde etmek için rotor hızının
değişmesi gerekiyor. Önceki araştırmalar üç farklı maksimum rüzgar enerjisi üretim metoduna
odaklanarak yapılmıştır, bu metotlar; TSR konrtrol, güç geribesleme (PSF) kontrolu ve hill-
climb arama (HCS) kontroludurlar.
TSR kontrolü rüzgar türbini rotor hızını düzenleyerek Optimum TSR’ı korumakta. Şekil 2 de
gösterildiği gibi her iki türbin hızı ve rüzgar hızı TSR hesaplamaları için ölçülmeli ve optimal
TSR kontrolöre verilir.
PSF kontrolü rüzgar türbini maksimum güç eğrisinin bilgisine gerek duymaktadır ve
kontrol mekanizmaları ile bu eğriyi izlemektedir (Şekil 3). Bu maksimum güç eğrisi

3. 3
rüzgar türbinleri, için simülasyonlar veya testler ile elde edilmesi gerekmektedir ve bu
nedenden dolayı PSF kontrolü zor ve pratikte uygulamak için pahalı hale gelmektedir.
Söz konusu sakıncaları aşmak için, HCS kontrol sürekli bir şekilde rüzgar türbini
maksimum çıkış gücü aramak için önerilmiştir (Şekil 4). HCS kontrolü sadece rüzgar
türbininin eylemsizliği çok küçük olduğu zaman iyi çalışır ve türbin hızı rüzgar hızına
anında reaksiyon gösterir. Büyük eylemsizliğe sahip rüzgar türbinlerinde depolanan
mekanik enerjiden ötürü, türbinin mekanik güç oranında titreşimler meydana gelir ve
HCS kontrolü etkisiz kalır.
Rüzgar Türbin Modeli
Türbin rotor sürtünmeleri göz ardı edilir ise, bir rüzgar türbini mekanik karakteristikleri
(2)-(5) le tanımlanabilir. Rüzgar hızı ve türbin yük güç miktarları verilirse, türbinin hızı
bu denklemler kullanılarak çözülebilir ve Cp(𝜆) eğrisi saha testleri veya tasarım
hesaplamalarıyla elde edilebilir.

4. 4
Pm: Türbinin mekanik gücü
Tm: Rüzgar türbininin mekanik dönme momenti
TLoad: Ağırlık dönme momenti
u: Rüzgarın hızı
A: türbinin rotorunun süpürme alanı
CP: türbin performans katsayısı
𝜆 : uç-hız oranı
rm: türbin rotorunun maksimum yarıçapı

5. 5
MATLAB / SIMULINK simülasyon çalışmalarıyla Rüzgar türbini modeli Şekil (5a)
olarak temsil edilebilir. Bu model bir rüzgar türbini içinde enerji transferi özelliklerine
odaklanır ve aerodinamik özellikleri içermez. Şekil 5 (b) ile elde edilen test sonuçları,
tipik bir rüzgar türbini Cp eğrisini göstermektedir.
İLERİ HILL-CLIMB ARAMA YÖNTEMİ
Yazarlar tarafından, invertör çıkış gücü; Pout ve DC-link voltajı; VDC tespitiyle Pm
maksimize ve türbin eylemsizliğinin farklı seviyelerinde kullanmak için ileri hill-climb
arama yöntemi önerilmiştir. Yazarlar bir diyot doğrultucusu kullanarak üç fazlı ac voltaj
jeneratör çıktısını (Vgen), Vdc ye çevirirler. Vdc türbin açısal hızı (𝜔), jeneratörün mevcut
alan bir fonksiyonu ile ilgilidir. Kontrol sisteminin örnekleme süresi k(If.Ig); varyasyon
yeterince küçük ise 𝑛𝑇 ≤ 𝑡 ≤ 𝑛 + 1 𝑇 bir zaman dilimi için göz ardı edilebilir. Böylece
𝑘(𝐼!, 𝐼!), örneklem sürede K gibi sabit bir değer alabilir. Aynı şekilde 𝑇!×𝜔 ve 𝔶 bu
örneklem sürede sabit değerler olarak Kabul edilebilir.
Yukardaki varsayımları göz önüne alarak, aşağıdaki denklemler yazılabilir denklem (1)
türevi alınarak, (6). denklem ve dolayısıyla dijital kontrolü amaçlayan (7). denklem elde
edilir. Denklem (8), ∆𝑃!"# 𝑣𝑒 ∆(𝑉!"×
𝑑𝑉!"
𝑑𝑡) miktarlarını değerlendirmek için işlem
ortaya koymaktadır. ∆𝑃! yönü, tablo 1 ve denklem (7) den elde edilebilir. Eğer ∆𝑃! yönü,
(n) ve (n+1) aralığında “unknown” ise (n-1), (n-2) den (n-k) ya kadar mevcut ∆𝑃!
yönünü belirlemek için kullanılır. Denklem (9) bir alternatif olarak ∆𝑃!"# 𝑣𝑒 ∆(𝑉!"×
𝑑𝑉!"
𝑑𝑡) miktarlarını hesaplatabilir. ∆𝑃! yönü belirlendikten sonra invertörün cari talep
kontrol sinyalı ∆𝐼!" yönü tablo 1 ve HCS ilkesine göre belirlenir. ∆𝐼!" arama adımı
deneyler ve bilgisayar simülasyonlarından seçilir. AHCS akıllı maksimum güç
ekstraksiyon algoritmasının bir parçasını oluşturur.

6. 6
AKILLI MAKSİMUM RÜZGAR ENERJİSİ EKSTRAKSİYON ALGORİTMA
Değişken rüzgar koşulları altında WPGS üzerinde etkili kontrol sağlamak için doğru akım
talep kontrolü (DCDC), inverter control için, AHCS den elde edilen kaydedilmiş
arama sonuçlarını kullanmaktadır. AHCS ve DCDC birlikte akıllı maksimum
rüzgar enerjisi ekstraksiyon algoritması için tam bir arama-hatırlama-yeniden
süreç, oluşturur.
Algoritma Açıklaması
Şekil 6 da gösterildiği gibi tüm döngüler, örnekleme ve yürütmeyle başlar, daha
sonra mod anahtarı kuralları üç yürütülme modu, yani başlangıç modu, eğitim
modu ve uygulama modu algoritmanın yapısını oluşturur.

7. 7
Ne olursa olsun algoritma seçtiği modu, invertör mevcut talep (𝐼!") bu modda hesaplanır
ve sistem çıkış gücü düzenleyen invertör için beslenecektir. Kontrolör sürekli mevcut
talebi güncelleştirmek için yukarıdaki işlemi tekrarlar. 𝐼!", akım sinüs frekans çıkışının
istenen pik değeri olarak tanımlanır. Başlangıç 𝐼!" değerleri max-güç tahrik hatası
kontroluyla belirlenir. Sistem sabit halde olduğu zaman mode anahtarı sistemi öğrenme
modu kurallarına tabi tutar ve böylece AHCS bir arama prosesinde 𝐼!" hesaplamaları için
kullanılıyor. Eğitim modu on-line eğitim yeteneğine sahip bir doğrusal olmayan sistem
optimizer gibi davranır. Sistem geçici durumlar olduğunda algoritma nispeten kötü
başlangıç performansı ile başlayacak. Yürütülmesi sırasında, eğitim modu yavaş yavaş
eğitim deneyimi kaydetmek için akıllı bellek eğitmek için AHCS tarafından aranan
verileri kullanır.
Başlangıç Modu Max-Power Hata Sürüm Kontrolü (MPED)
Akıllı bellek boş olduğunda MPED bir ön optimize edilmiş çalışma noktası ile sistemi
sağlar. MPED denetleyicinin kontrol referans sinyali rüzgar hızı yeterince yüksek
olduğunda sadece ulaşılabilir maksimum sistem çıkış gücü vardır. Rasgele bir rüzgar
hızında, MPED maksimum güç ve mümkün olduğu kadar küçük mevcut çıkış gücü
arasındaki hatayı tespit için tasarlanmıştır. MPED yöntemin akış şeması Şekil 7 de
gösterilmektedir. Pmax sistemin maksimum çıkış gücü. err güç hata sinyalı, Psign ve Idm_step ,
err ve Idm varyasyonlarının yönlerini belirleyen değişkenlerdirler. Temel olarak, MPED
yöntemi rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerine normal HCS yöntemini genişletir.

8. 8
Benzetim Sonuçları
Maksimum güç çıkarma algoritması simülasyonları iki farklı WPGS modellere dayalı
yapılmaktadır. Biri sabit mıknatıslı senkron jeneratör ve bir tek fazlı IGBT invertör ile, 10
kW Bergey EXCEL rüzgar türbini sistemi modelidir. Diğer bir 50-kW direkt tahrik
senkron ve üç fazlı IGBT invertör ile, bir 50-kW dikey eksenli rüzgar türbini sistemi
modelidir. WPGS modelleri ilk SIMULINK blok setleri kullanılarak kurulan ve
maksimum güç algoritması MATLAB programında yazılmıştır.

9. 9
Pratik bir rüzgar türbini için, en iyi Cp maksimum rüzgar enerjisi yaklaşık 0.4 olması
gerekiyor. Geliştirilen maksimum güç çıkarma algoritması (Şekil ise 9 (a)), rüzgar hızı 2
m / s ve 14 m / s her 150 s arasında rasgele değiştirir 10-kW sisteminin ortalama Cp
ilerlemesini gösterir. 9 (b), 50 kW sistemi göstermektedir. Bu iki rakamlar, ortalama Cp
başlangıç aşamasında nispeten düşüktür. Belirli bir süre sonra, algoritma yavaş yavaş
daha iyi çalışma noktaları için arama yapabiliyor.
Labratuar Test sonuçları
Maksimum güç algoritması için performans testi
Çeşitli laboratuar testleri gelişmiş maksimum güç çıkarma algoritması dayalı yapılmıştır.
Algoritmasının performansı ilk test edilmiş ve çevrimiçi eğitim süreci olmadan değerlendirildi.

10. 10
Şekil 11 de 6 m / s olarak belirlenmiştir, sabit rüzgar hızı altında çevrimiçi eğitim olmadan deney
sonuçlarını gösterir. Başlangıç döneminden sonra, invertör maksimum güç çıkarılması için en
uygun noktaları aramaya başlar. Arama süreci olarak Cp ve motor gücü (örneğin, rüzgar türbini
mekanik güç) hem de kademeli bir artış ile gösterilir. Ancak, on-line eğitim olmadan, arama
ilerleme yavaş. 0.4 yüksek Cp bölge arama 340 s sonra ulaşıldı. Gerçek bir rüzgar türbini ortamda,
çekildiğinde sürekli sabit bir rüzgar hızı 340 s nadiren sürebilir. Bu test gelişmiş maksimum güç
çıkarma algoritmasının bir parçası olarak online eğitim gerekliliğini kanıtlıyor. Şek. 12
algoritması 5 m / s arasında sabit bir rüzgar hızında, çevrimiçi eğitim iki saat aldıktan sonra test
sonuçlarını gösterir.

11. 11
Değişken rüzgar hızlarına dinamik test
Sistemin iki saat online eğitim aldıktan sonra değişken rüzgar hızlarında gelişmiş algoritma test
edilmiştir. Şekil 13 te 3 ila 5 m / sn 'ye değişen rüzgar hızı ile test sonuçlarını gösterir. Sistem
başlangıçta 3 m / s rüzgar hızında çalışan ve daha sonraki adımda 5 m / s ye değiştirildi. Yüksek
Cp yeni kararlı duruma ulaşmak için geçiş süresi bir kez daha 125 s olmuştur.
Sonuç
Bu çalışmada invertör tabanlı değişken hız WPGS için maksimum rüzgar enerjisi ekstraksiyon
algoritmalarının geliştirilmesi üzerinde duruluyor. Mevcut maksimum güç ekstraksiyon
algoritmaları kısaca gözden geçirilmiştir. WPGS modelleri simülasyon çalışmaları için yazarlar
tarafından kurulmuştur. Gelişmiş Hill-Climb arama yöntemini çeşitli türbin eylemsizlik ile rüzgar
sistemlerinde maksimum güç aramak için bu çalışmada önerilmiştir. AHCS bir önceki Hill-Climb
arama yönteminin zorluklarının üstesinden gelmiştir. Rüzgar hızı ve türbin rotor hızı ölçümleri
için bir gerek kalmadan, AHCS yi uygulamak basittir.
Akıllı bir bellekte kayıt ile bir on-line eğitim sürecinde algoritma optimum sistem çalışma
koşulları kaydetmek ve daha sonra hızlı ve etkin bir şekilde maksimum güç noktaları bulmak için
DCDC kullanılmlştır. Bilgisayar simülasyonu iki rüzgar enerjisi üretim sistemleri, tek fazlı
invertör ile 10 kW Bergey rüzgar türbini sistemi ve üç fazlı invertör ile 50kW dikey eksenli rüzgar
türbini sistemi için yapılmıştır. Önerilen akıllı maksimum güç ekstraksiyon algoritma
işlevselliğini ve performansını doğrulanmıştır. Akıllı maksimum güç algoritması başarılı bir
rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri için frekans çevirici tek fazlı IGBT uygulanmıştır. Bir rüzgar
simülatörü sistemine dayalı laboratuvar deney sonuçlarının daha da geliştirilmiş maksimum rüzgar
enerjisi emme tertibatı algoritmasının etkinliğini doğruladı.