Haberleşme Gecikmeli Hibrid Enerji Üretim Sisteminin
Transkript
Haberleşme Gecikmeli Hibrid Enerji Üretim Sisteminin
EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE Haberleşme Gecikmeli Hibrid Enerji Üretim Sisteminin Kararlılık Analizi Hakan GÜNDÜZ Şahin SÖNMEZ Saffet AYASUN Niğde Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü [email protected] [email protected] [email protected] Şebekeden bağımsız sistemde kullanıcının güç değişimine bağlı olarak sistem frekansında değişim meydana gelmektedir. Güç talebinde herhangi bir değişiklik olması durumunda bağımsız sistemin güç değişimi karşısında sistemin frekansını nominal değerde tutması gerekmektedir. Sistemdeki akım gerilim, güç, frekans gibi elektriksel verilerin ölçülerek çeşitli haberleşme ağları yardımıyla denetleyicilere aktarılması ve denetleyiciden gelen verilerin tekrar sisteme gönderilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, fazör ölçüm birimleri (PMU) ve haberleşme ağları sistemdeki veri iletiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. PMU’ların kullanımından dolayı sistemde gerilim transdüser gecikmesi ve veri işleme gecikmesi oluşacağından veri ölçüm zaman gecikmeleri gözlenmektedir. Elektriksel büyüklüklerin ölçülmesi, haberleşme ağları üzerinden bilgi alış verişinin yapılması gibi süreçlerde sistemin dinamiğini, kararlılığını olumsuz etkileyen ve frekansta aşırı salınımlara neden olan zaman gecikmeleri yaşanmaktadır [8-13]. Elektrik güç sistemlerinde, ölçülen verileri uzak mesafelerden merkezi denetleyicilere aktarmak için telefon hatları, fiber optik kablo hatları, enerji iletim hatları, uydu veya internet gibi çeşitli haberleşme ağları kullanılmaktadır. Bu nedenle, zaman gecikmeleri, denetleyici tasarımı ve sistemin dinamik analizinde dikkate alınmalıdır. Özellikle, sistemin sınırda kararlı olacağı maksimum zaman gecikmesi bilgisi, denetleyici tasarımı ve veri transferinde kullanılacak haberleşme ağ tipinin belirlenmesinde etkin bir rol oynamaktadır. Sistemin kararlılığı için, haberleşme ağında gözlemlenecek toplam zaman gecikmesinin maksimum zaman gecikmesinden daha düşük olacak şekilde bir haberleşme ağı seçilmelidir [14-16]. Özet Bu çalışmada, rüzgâr türbin sistemi (WTG), güneş panelleri (PV), yakıt pili (FC) ve çift tabakalı kondansatör (DLC) sistemlerinden oluşan zaman gecikmeli hibrid enerji üretim sisteminin kararlılık analizi yapılmıştır. Hibrid enerji üretim sistemlerinin yük frekans kontrolünde (YFK) haberleşme ağları yardımıyla elde edilen akım, gerilim, güç ve frekans ölçümlerinin kontrol merkezine aktarılması ve kontrol merkezinden santrallere kontrol sinyallerinin gönderilmesi gerekmektedir. Bu bilgi alış verişinden dolayı sistemin dinamik performansını bozacak ve hatta sistemi kararsız hale getirebilecek zaman gecikmeleri yaşanmaktadır. Bu çalışmada, zaman gecikmeli hibrid enerji üretim sistemlerinde zaman gecikmesinin YFK sisteminin kararlılığına olan etkisi benzetim çalışmaları yapılarak gerçekleştirilmiştir. 1. Giriş Yük frekans kontrol sistemi, her bir kontrol bölgesinde yük ile üretim arasındaki dengeyi sağlamak ve dolayısı ile sistem frekansındaki değişimleri yok etmek amacı ile uzun yıllardan beri elektrik güç sistemlerinin kontrolünde yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Enterkonnekte şebekeden uzak olan ve enerji ihtiyacını enterkonnekte sistemden karşılayamayan yerleşim birimleri için şebekeden bağımsız güç üretim birimleri kurulmaktadır [2],[3]. Bu üretim birimleri daha çok rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak oluşturulan santrallerdir. Yenilenebilir güç üretim santrallerinde üretim kaynağı güneş ve rüzgar olduğu için hava koşulları üretim biriminde güç dalgalanmalarına neden olmaktadır. Bu yüzden yenilenebilir enerji santrallerinde yakıt pilleri (FC) ve enerji depolamak amacı ile çift katmanlı kapasitörler (DLC) gibi yardımcı sistemler de güç sağlayan üniteler olarak kurulmaktadır [4-6]. FC sistemleri, en umut vadeden, çevreyi kirletmeyen, yüksek üretim verimliliğine sahip ve modüler yapısından dolayı enerji üretimi sağlayan önemli bir birimdir. FC güç üretim birimlerinin çalışma ömrünü uzatmak, performansını iyileştirmek ve aşırı yakıt tüketimini önlemek için FC’lerde yakıt akışı sınırlandırılır. Ayrıca, mekanik kısımlarının olmasından dolayı yavaş bir dinamiğe sahiptirler. Fakat DLC, modüler yapısı ve esnekliği sayesinde güç talebinde meydana gelen değişikler karşısında çok hızlı tepki vererek bu süreyi kompanze etmektedir [7]. Bu çalışmada, zaman gecikmeli hibrid bir enerji üretim sisteminin kararlılık analizi, Matlab/Simulink programı kullanılarak benzetim çalışmaları yardımıyla yapılmıştır [18]. Sistemin farklı denetleyici kazanç değerlerinde sınırda kararlı olacağı maksimum zaman gecikme değerleri belirlenmiştir. Sembol Listesi 20 PWTG Rüzgâr türbin jeneratörünün gücü PFC FC sisteminin gücü PPV PV sisteminin gücü EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE TWTG Rüzgâr türbin jeneratörünün zaman sabiti TPV PV sisteminin zaman sabiti TFC FC sisteminin zaman sabiti f Sistemin frekans sapması VWind Rüzgâr hızı D Sönümleme sabiti M Eylemsizlik sabiti CP Rotor verimi Hava dinamik hareketi Hava yoğunluğu A Rotor süpürme alanı 2. Hibrid Enerji Üretim Sistemi Şekil 1'de Rüzgâr türbin sistemi (WTG), güneş panelleri (PV), yakıt pili (FC) ve çift tabakalı kondansatörden (DLC) oluşan hibrid enerji üretim sistemi verilmiştir. Burada, PV ve WTG sistemi değişen yük talebini karşılamak için enerji ihtiyacının karşılandığı temel birimlerdir. Ancak, hava koşullarının elverişsiz olduğu durumlarda yük talebinin karşılanabilmesi için FC sistemleri ile birleştirilmiştir. DLC birimi, PV ve WTG sistemi tarafından üretilen ve artan enerjiyi depolamak için kullanılan bir sistemdir. Her bir üretim sisteminden elde edilen güç değerleri ve sistemin toplam üretim gücü Denklem (1) ile verilebilir. Şekil 2'de enerji üretiminde kullanılan sistemlere ait detaylı blok diyagramlar verilmiştir. Burada, sistemde çeşitli ölçümlerden ve haberleşme alt yapısından dolayı kaynaklanan zaman gecikmelerinin toplamı e s bloğu ile gösterilmiştir. FC ve DLC bankları kontrol etmek için oransal-integral (PI) denetleyici ve DLC bankları için yüksek geçiren filtre (HPF) kullanılmıştır. PNet PWTG PPV PFC PDLC (1) Ultra capacitor 2.1. Rüzgar Güç Üretim Modeli Rüzgar türbin sisteminin çıkış gücü rüzgar hızına bağlıdır. Denklem (2)’de rüzgar türbininin mekanik güç ifadesi ve Denklem (3)’de ise transfer fonksiyonu verilmiştir. DC-AC converter DLC bank PUC Wind speed PWTG PWTG + PPV PNET PWind Solar irradiation Load PPV Load PFC DC-AC converter 1 Av3CP ( , ) 2 PWind Load PWTG Photovoltaic system 2.2. 1 1 sTWTG (2) (3) PV Güç Üretim Modeli Load FC FC FC FC Fuel Cell system Bir PV sistemi, istenilen gerilimi sağlamak için seri ya da paralel bağlanan bir ya da daha fazla PV jeneratörden oluşur. Bir PV sisteminin çıkış gücü Denklem (4)’de ve transfer fonksiyonu Denklem (5)’de verilmiştir. DC-AC converter Fuel cell array Şekil 1:Hibrid güç üretim sisteminin bir hat diyagram HPF UC 1 1+sTUC Pwind s PI 1+s 1 1 sTWTG ɸ 1 1+sTPV (4) 1 PPV 1 sTWTG (5) 2.3. Yakıt Pilleri Güç Üretim Modeli WTG PV PPV S (1 0.005(Ta 25)) PWTG + PUC + PNET + + PFC PPV e s ∆P - Yakıt hücreleri statik enerji dönüşüm cihazlarıdır. Bu cihazlar hidrojen ve oksijeni kullanıp kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Yakıt pilleri sistemi valf, pompa gibi mekanik birimleri bulunduğundan, yavaş dinamiklere sahiptirler. FC sisteminin transfer fonksiyonu Denklem (6)’da verilmiştir. ∆f 1 D+Ms + PLoad FC system 1 1+sTFC * PFC PI PFC Şekil 2: Zaman gecikmeli hibrid enerji üretim sisteminin blok diyagramı 21 1 1 sTFC (6) EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE gecikmesi ’nun değişimine göre nasıl değişebileceğinin analiz edilmesi oldukça zor bir problemdir. Ancak, kararlılık analizi yapabilmek için, bütün köklerin belirlenmesi zorunlu değildir. Köklerden hangilerinin zaman gecikmesine göre nasıl değişeceğinin belirlenmesi kararlılık analizleri açısından yeterli olmaktadır [14]. 2.4. DLC Enerji Depolama Alt Sistem Modeli Bir DLC sistemi, çevreyi kirletmeyen, bakım gerektirmeyen, uzun ömürlü, modüler, yüksek verimliliği ve hızlı yük değişimlerinde dinamik performansının iyi olmasından dolayı farklı uygulamalarda batarya sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Denklem (7)’de DLC’nin transfer fonksiyonu verilmiştir. * PDLC PDLC 1 1 sTDLC Hibrid sistemin kararlı olabilmesi için, karakteristik denkleme ait tüm kökler kompleks düzlemin sol yarı bölgesinde bulunmalıdır. (s, ) 0, (7) (11) j Kararlı Çalışma Bölgesi Hibrid sistemin, jeneratör ve yüküne ait birim değer (per unit) cinsinden birleştirilmiş transfer fonksiyonu Denklem (8) ile verilmiştir. P 1 f D sM 1 1 * (8) (s, ) P(s) Q(s)es 0 2 j c 2 * j c Burada, toplam zaman gecikmesini, P(s) ve Q(s) ise reel katsayılı polinomları ifade etmektedir. Bu polinomlar ve ilgili katsayıları, sistemin kazanç ve zaman sabitleri cinsinden aşağıda verilmiştir. Q( s) q4 s 4 q3s3 q2 s 2 q1s Kararsız Çalışma Bölgesi 0 (9) P( s) p6 s 6 p5s5 p4 s 4 p3s3 p2s 2 * 0 Şekil 2’deki detaylı blok diyagramından faydalanılarak sistemin kararlılık analizinde kullanılan zaman gecikmeli karakteristik denklemi, Denklem (9) ile verilmiştir. 1 * 2 Şekil 3: Karakteristik denklemin gecikmesine göre değişimi köklerinin zaman (10) Burada, C kompleks düzlemin sağ yarı bölgesini göstermektedir. Toplam zaman gecikmesi ’nun değişimi ile köklerden bazılarının konumunun değişeceği muhakkaktır. Köklerin, zaman gecikmesine bağlı olarak nasıl değişebileceği ve kararlı sistemin zaman gecikmesi ’nun değişimine göre nasıl kararsız olabileceği Şekil 3’de grafiksel olarak gösterilmiştir. Şekil 3’de görüldüğü üzere sistemde herhangi bir zaman gecikmesi olmadığında ( 0 ), kökler kompleks düzlemin sol yarı bölgesinde bulunmakta ve dolayısı ile hibrid sistem kararlı olmaktadır. Zaman gecikmesi artırıldığında, bir çift kompleks kök, sol yarı bölge içerisinde, sağ yarı bölgeye doğru hareket etmeye başlayabilir. Kökler, sonlu bir zaman gecikme değerinde ( *) sanal ekseni s jc noktalarında keserek, kompleks düzlemin sağ yarı bölgesine geçebilir. Köklerin, sanal ekseni kestiği zaman gecikmesi değerinde sistem sınırda kararlıdır. Dolayısı ile kararlık analizi açısından sistemin köklerinin hangi zaman gecikme değerinde sanal eksen üzerinde olacağının belirlenmesi yeterli olmaktadır. Bu zaman gecikme değeri, sistemin kararlılığını kaybetmeden dayanabileceği maksimum zaman gecikmesi olarak tanımlanmakta ve sistemin zaman gecikmesi açısından kararlılık sınırını temsil etmektedir. Verilen sistem parametre değerleri için, maksimum zaman gecikmesi ile tanımlanan sistemin kararlılık sınırının belirlenmesi, sistem dinamiğinin analizi bakımından oldukça önemli olmaktadır [14]. P( s) ve Q( s) polinom katsayıları ise aşağıdaki gibidir. p6 MTFCTUC p5 MTFCTUC MTFC MTUC DTFCTUC p4 MTFC MTUC DTFCTUC DTFC DTUC M p3 DTFC DTUC D M p2 D q4 K PTFC K PTUC q3 K I TFC 2 K P K PTUC K I TUC q2 K P K I TUC 2 K I q1 K I 3. Zaman Gecikmeli Kararlılık Analizi s C Sistemlerin Hibrid sistemlerde yük frekans kontrolünün kararlılık analizini yapabilmek için, sisteme ait Denklem (9)’da verilen karakteristik denklemin köklerinin, zaman gecikmesine bağlı olarak nasıl değiştiğinin analiz edilmesi gerekmektedir. Ancak, Denklem (9) ile verilen karakteristik denklemde zaman gecikmesinden dolayı üstel terim ( e s ) bulunmakta ve bu durum, köklerin belirlenmesini oldukça karmaşık hale getirmektedir. Üstel terimin mevcudiyeti, karakteristik denklemin sonsuz adet köke sahip olmasına neden olmaktadır. Sonsuz adet kökün değeri ve bunların zaman 22 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE tepkisinde meydana gelen salınımların genliği arttığından dolayı kararsız hale gelmektedir. Aynı şekilde gecikme değeri, maksimum gecikme değerinden daha küçük bir değere ( 2 0.49 s * 0.503 s) azaltıldığında ise sistemde meydana gelen salınımlar kısa bir sürede sönümlenerek sistem kararlı hale gelmektedir. 4. Sonuçlar Bu bölümde, PI denetleyicinin farklı kazanç değerleri için maksimum zaman gecikme değeri Matlab/Simulink programı kullanılarak belirlenmiştir. Şekil 2’de verilen zaman gecikmeli hibrid sistemde, TPV=1.8 s, TWTG=1.5 s TUC=0.01 s D=0.5 TFC=0.26 s M=0.4 s sistem parametreleri [17] kullanılarak benzetim çalışmaları yapılmıştır. Benzer çalışmalar, Şekil 5’den görüldüğü üzere ( K P 0.4 , K I 0.6 ) parametreleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tablo 1’de seçilen kazanç değerlerinde sistemin sınırda kararlı olduğu maksimum zaman gecikme değeri * 0.888 s olarak belirlenmiştir. Bu zaman gecikme değerinden daha küçük değerlerde sistemin kararlı olduğu görülmektedir ( 2 0.85 s * 0.888 s) . * 0.888 s gecikme değerinden daha büyük gecikme değerlerinde sistemin kararsız olduğu görülmektedir (1 0.9 s * 0.888 s) . Tablo 1: KP ve KI’ya göre maksimum zaman gecikmelerinin değişimi. * (s) KP 0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 KI 0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 16.408 7.922 3.471 1.327 0.765 0.523 0.390 17.138 8.275 3.631 1.413 0.830 0.575 0.433 17.903 8.595 3.706 1.491 0.915 0.654 0.503 13.968 4.409 2.033 1.226 0.888 0.693 0.566 1.007 0.983 0.928 0.810 0.701 0.610 0.535 0.645 0.636 0.619 0.580 0.540 0.500 0.463 0.485 0.481 0.472 0.454 0.434 0.415 0.395 Şekil 4: K P 0,2 , K I 1 için farklı zaman gecikmelerinde frekans değişimi Tablo 1’de K I 0.05 1.0 ve K P 0.05 1.0 aralıklarında farklı PI denetleyici kazanç değerleri için maksimum zaman gecikme değerleri verilmiştir. Sonuçlardan görüldüğü üzere, K P değeri sabit tutulup K I değeri artırıldığında, değeri azalmaktadır. Maksimum zaman gecikmesi azaldığından, K I kazancının artması sistem kararlılığını olumsuz etkilemektedir. Benzer biçimde, K I kazanç değeri sabit iken ve K P 0.05 0.2 aralığı için, K P arttıkça maksimum zaman gecikmesi artmaktadır. Sonuç olarak, bu aralıkta K P ’nin artması sistemi daha kararlı hale getirmektedir. Ancak, K P 0.4 için, K P ’deki artış, maksimum zaman gecikme değerinde azalmaya sebep olmaktadır. K P ’nin benzer etkisi, zaman gecikmeli jeneratör uyartım kontrol sisteminde [19] ve zaman gecikmeli yük frekans kontrol sistemlerinde [15, 16] gözlenmiştir. Şekil 5: K P 0,4 , K I 0,6 için farklı zaman gecikmelerinde frekans değişimi Tablo 1’den ( K P 0.2 , K I 1 ) ve ( K P 0.4 , K I 0.6 ) denetleyici parametreleri için belirlenen maksimum zaman gecikmelerinden daha büyük ve daha küçük değerler seçilmiş ve sistemin frekansında meydana gelen değişimler incelenmiştir. Şekil 4’den görüldüğü üzere, ( K P 0.2 , 5. Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada haberleşme ve veri transferinden kaynaklanan zaman gecikmesinin hibrid bir sistemin frekans sapmasına etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, sistemin sınırda kararlı olacağı maksimum zaman gecikme değerleri PI denetleyici kazançlarının farklı değerleri için benzetim çalışmalarıyla belirlenmiştir. Benzetim sonuçları, zaman gecikmesinin sistem dinamiğini olumsuz etkilediği ve hatta kritik değerleri aştığında kararsızlığa sebep olduğunu ortaya koymuştur. Bu K I 1 ) için maksimum zaman gecikmesi * 0.503 s olarak belirlenmiştir. * 0.503 s değerinde sistem tepkisinde sönümlenmeyen salınımlar mevcut olup, sistem sınırda kararlı olmaktadır. Zaman gecikmesi daha büyük bir değere arttırıldığında sistemin (1 0.51 s * 0.503 s), 23 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE nedenle, denetleyici tasarım ve kazanç değerlerinin seçiminde zaman gecikmeleri mutlaka dikkate alınmalıdır. [16] Sönmez, Ş., Ayasun, S. and Nwankpa, C.O., "An Exact Method for Computing Delay Margin for Stability of Load Frequency Control Systems with Constant Communication Delays," IEEE Trans. Power Syst., Vol. 31, pp. 370-377, 2016. [17] Nayeripour, M., Hoseintabar, M. and Niknam, T., “Frequency deviation control by coordination control of FC and double-layer capacitor in an autonomous hybrid renewable energy power generation system,” Renewable Energy, Vol. 36, pp. 1741-1746, 2011. [18] SIMULINK, Model-Based and System-Based Design, Using Simulink, MathWorks Inc., Natick, MA, 2000. [19] Ayasun, S. and Gelen, A., “Stability analysis of a generator excitation control system with time delays,” Electrical Engineering, vol. 91, pp. 347-355, 2010. 6. Kaynaklar [1] Kundur, P., Power System Stability and Control, McGraw-Hill Inc., New York, 1994. [2] Wang, C., “Modeling and control of hybrid wind/photovoltaic/fuel cell distributed generation system,” a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirement for the degree of doctor of philosophy in engineering, Montreal University, 2006. [3] Sedghisigarchi, K., “Solid oxide fuel cell as a distributed generator: dynamic modeling, Stability analysis and control,” a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirement for the degree of doctor of philosophy in engineering, West Virginia University, 2004 [4] Khan, M.J., Iqbal, M.T., “Dynamic modeling and simulation of a small wind-fuel cell hybrid energy system,” J Renewable Energy, Vol. 30, pp. 421-439, 2005. [5] Onar, O.C., Uzunoglu, M., Alam, M.S., “Modeling, control and simulation of a PV/ FC/UC based hybrid power generation system for stand-alone applications,” J Renewable Energy, Vol. 34, pp. 509- 520, 2009 [6] Onar, O.C., Uzunoglu, M., Alam, M.S., “Dynamic modeling, design and simulation of a wind/ fuel cell/ ultra capacitor-based hybrid power generation system,” J Power Sources, Vol. 161, pp. 707-722, 2006. [7] Ke, J., Xinbo, R., Mengxiong, Yang., Min, Xu., “Power management for fuelcell power system cold start,” IEEE Trans Power Electronics, Vol. 24, pp. 2391-2395, 2009. [8] Naduvathuparambil, B., Valenti, M. C., and Feliachi, A., “Communication delays in wide area measurement systems”, in Proc. 2002 Southeastern Symposium on System Theory, 2002, pp. 118-122. [9] Yu, X. and Tomsovic, K., “Application of linear matrix inequalities for load frequency control with communication delays,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 19, pp. 1508-1515, 2004. [10] Bhowmik, S., Tomsovic, K. and Bose, A., “Communication model for third party load frequency control,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 19, pp. 543-548, 2004. [11] Bevrani, H. and Hiyama, T., “On load-frequency regulation with time delays: design and real-time implementation,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, pp. 292–300, 2009. [12] Liu, M., Yang, L., Gan, D., Wang, D., Gao, F. and Chen, Y., “The stability of AGC systems with commensurate delays,” European Transactions on Electrical Power 2007, vol. 17, pp.615-627, 2007. [13] Jiang, L., Yao, W., Wen, J. Y., Cheng, S. J. and Wu, Q. H., “Delay-dependent stability for load frequency control with constant and time varying delay,” IEEE Trans. on Power Systems, vol. 27, pp. 932-941, 2012. [14] Ayasun, S., “Computation of time delay margin for power system small-signal stability,” European Transactions on Electrical Power, Vol. 19, pp. 949-968, 2009. [15] Sönmez, Ş., Ayasun, S. and Eminoğlu, U., “Computation of Time Delay Margins for Stability of a Single-Area Load Frequency Control System with Communication Delays”, WSEAS Transactions on Power Systems, Vol.9, pp. 67-76, 2014. 24