Rüzgar Elektrik Santrallerinin Şebeke Entegrasyonu ............................................................................. 5 1.
2
Güç Sistemleri Tarihi ve Rüzgar Enerjisi ...................................................................................... 5
1.1
Dünyada Rüzgar Enerjisinin Durumu....................................................................................... 6
1.2
Avrupa’da Rüzgar Enerjisinin Durumu................................................................................... 7
1.3
Türkiye’de Rüzgar Enerjisi ..................................................................................................... 8
Rüzgar Türbinleri ............................................................................................................................ 9 2.1
2.1.1
Rüzgar Türbini Teknolojilerine Genel Bakış ................................................................. 11
2.1.2
Sabit Hızlı Rüzgar Türbinleri........................................................................................... 11
2.1.3
Değişken Hızlı Rüzgar Türbinleri .................................................................................... 11
2.1.1
Rüzgar Türbini Teknolojisinde Kullanılan Generatörler................................................. 12
2.2
Generatör Sistemleri ............................................................................................................. 13
2.2.1
Asenkron Generatör ...................................................................................................... 14
2.2.2
Senkron Generatörler .................................................................................................... 16
2.3
3
Rüzgar Türbinlerinde Generatörler ve Güç Elektroniği Bileşenleri ....................................... 10
Rüzgar Santrallerinde Kullanılan Güç Elektroniği Bileşenleri ............................................... 17
2.3.1
Yol Vericiler.................................................................................................................... 18
2.3.2
Kondansatör Gurupları .................................................................................................. 18
2.3.3
Doğrultucu ve Eviriciler ................................................................................................. 18
2.3.4
Rüzgar Türbinlerinde Koruma........................................................................................ 19
2.3.5
Rüzgar Türbinlerinde Topraklama Sistemleri ................................................................ 20
Rüzgar Türbinlerinin Şebekeye Bağlantısı ..................................................................................... 22 3.1
Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Karakteristikleri ................................................................ 23
3.1.1
Nominal Veriler.............................................................................................................. 24
3.1.2
Maksimum Güç Sınırı ..................................................................................................... 24
3.1.3
Ölçülen Maksimum Güç................................................................................................ 24
3.1.4
Reaktif Güç .................................................................................................................... 24
3.1.5
Fliker Katsayısı ............................................................................................................... 24
3.1.6
Rüzgar Türbini Maksimum Anahtarlama İşlem Sayısı ................................................. 25
3.1.7
Fliker Adım Faktörü ...................................................................................................... 25
3.1.8
Gerilimdeki Değişim Faktörü ........................................................................................ 25
3.1.9
Harmonik Akımları ....................................................................................................... 26
3.1.10
Değişik Türbin Tiplerinin Güç Kalitesi Karakteristikleri .............................................. 26
3.2
Gerilim Kalitesi Üzerindeki Etki ............................................................................................. 27
3.2.1
Gerilim Dalgalanmaları ................................................................................................. 28
4
3.2.2
Fliker .............................................................................................................................. 29
3.2.3
Gerilim Düşümü ............................................................................................................. 31
3.2.4
Harmonik Gerilimi ......................................................................................................... 31
3.2.5
Sistem Dinamiği ve Kararlılığı Etkisi ............................................................................... 33
Rüzgar Çiftliklerinin Şebeke Bağlantısı için Teknik Düzenlemeler ................................................. 34 4.1.1
110 kV’tan Düşük Şebekeler için Düzenlemeler ............................................................ 34
4.1.2
110 kV’tan Yüksek Şebekeler için Düzenlemeler ........................................................... 35
4.1.3
Teknik Entegrasyon Düzenlemelerinin Karşılaştırılması ................................................ 35
4.2 5
Türkiye’de Rüzgar Türbinlerinin Uyması Gereken Kriterler .................................................. 40
Kaynakça ........................................................................................................................................ 42
I.
Önsöz
Rüzgar enerjisi ülkemizde ve dünyada özellikle son 10 yıldaki yatırımlarla gelecek için en önemli enerji kaynağı alternatiflerinden biri haline gelmiştir. Fosil kaynakların fiyat dengesizliği ve daha önemlisi artık eldeki kaynaklara 100 yıldan az ömür biçiliyor olması bütün dünyayı kaynak çeşitliliğine ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Rüzgar diğer yenilenebilir kaynaklara göre verimlilik ve kurulum maliyetinin azlığı nedeniyle öne çıkıyor. Bu yeni enerji kaynağının günümüzde Avrupa’da sistem girişinin %5 düzeylerine geldiğini ve ülkemizde de günden güne yatırımların hızla arttığını gözlemliyoruz. Doğal, çevreci, her ülkenin, bölgenin kendi öz kaynaklarından enerji ihtiyacını karşılama olanağı sunan bu yeni enerji kaynağının var olan şebekelere eklemlenmesi de birtakım sorunları beraberinde getirmektedir. Rüzgar kaynağının kontrolsüz oluşu temelinden çıkan problemler bizleri enerji arz güvenilirliği ve birtakım enerji kalitesi problemi konularında çözümü ve iyileştirmeleri bekleyen sorunlarla karşı karşıya getirmektedir. Proje çalışmam kapsamında öncelikle elektrik enerjisinin gelişimine içkin olarak rüzgar enerjisinin gelişimini aktararak tarihselliğiyle bugün yakaladığı trendler gösterilmek istendi. Devamında var olan şartname, kılavuz, standart çalışmalarını inceleyebilmek için ortak dili, teknik tanımlamaları ve fomülizasyonları aktarıldı. Bunu takiben karşılaşılan güç kalitesi problemlerine ve güç kalite kriterlerine değinildi. Pek çok farklı standart kuruluşunun ve kurumun çalışmalarının bir küresel paydada birleştirilmesi ihtiyacının da doğurduğu karşılaştırmalar, kriterler sonraki bölümlerde aktarıldı. Ülkemizdeki var olan prosedür ve şartlar da son olarak aktarıldı. Elimizdeki her veriden görülmektedir ki rüzgar enerjisinin girişim yüzdesi gelecekte daha da büyüyecektir. Bu proje güç kalitesi problemleri ve standartları üzerine yapılan çalışma ve derlemeleri özetlemek amacındadır.
II.
Şekil Listesi
Şekil 1 - Dünyada Yıllara Göre Toplam Kurulu Rüzgar Gücü.................................................................... 6 Şekil 2 Yıl İçinde Kurulan Rüzgar Kurulu Gücü ........................................................................................ 6 Şekil 3 - Toplam Kurulu Rüzgar Gücü (solda), 2010 Yılında Kurulan Rüzgar Gücü (sağda) Oranları ........ 7 Şekil 4 - Son 10 Yılda Net Kapasite Değişimleri ....................................................................................... 7 Şekil 5 - Avrupa'da Son 10 yılda Yakıt Türüne Göre Kurulu Güç Oranları................................................ 8 Şekil 6- Yakıt Türlerine Göre Elektrik Enerjisi Üretim Oranları (2010 Yılı) ............................................... 9 Şekil 7 - Rüzgar Türbini Konfigürasyonları ............................................................................................. 12 Şekil 8 - Rüzgar Santrali Topraklama Sistemi Şeması ............................................................................ 21 Şekil 9 - Toplam Elektrik Tüketiminde Rüzgar Payı................................................................................ 22 Şekil 10 - Örnek 1................................................................................................................................... 27 Şekil 11 Yük Akışı Analizi Sonuçları ........................................................................................................ 29 Şekil 12 - Harmonik Sınırları .................................................................................................................. 32 Şekil 13 .................................................................................................................................................. 41 Şekil 14 .................................................................................................................................................. 41 Şekil 15 .................................................................................................................................................. 41 Şekil 16 .................................................................................................................................................. 41
III.
Tablo Listesi
Tablo 1 - Yakıt Çeşidine Göre Kurulu Güç Oranları .................................................................................. 8 Tablo 2 - Türbin Tipine Göre Güç Karakteristikleri ................................................................................ 26 Tablo 3 - Örnekteki rüzgar türbininin karakteristikleri .......................................................................... 28 Tablo 4 ................................................................................................................................................... 33 Tablo 5- Aktif Güç Kontrolü Standartları ............................................................................................... 36 Tablo 6 - Frekans Kontrolü Şartları ........................................................................................................ 38 Tablo 7 - Gerilim Kalitesi Standartları .................................................................................................... 39
Rüzgar Elektrik Santrallerinin Şebeke Entegrasyonu
1. Güç Sistemleri Tarihi ve Rüzgar Enerjisi Thomas Alva Edison’un 1880 yılında ilk güç sistemni kurmasından sonra yatırımcılar elektriğin avantajlarını fark etti ve fikir bütün dünyaya yayıldı. İlk kurulumlardaki ortak nokta şuydu; üreteçler yüklere yakın olarak konumlandırılır ve alçak gerilim doğru akım ile dağıtım gerçekleştirilirdi. Bu yöntemin fazlaca ek kayıplara yol açtığı anlaşıldı. Transformatörlerin gelişimiyle alternatif akım temel teknolojik altyapıyı şekillendirdi ve generatör ünitelerini yüklerden daha da uzağa konumlandırabilme olanağını doğurdu. 1920 yılında, her bir yük merkezi kendi güç sistemini kurmuştu. Daha yüksek iletim gerilimlerinde, üretilen gücün daha büyük mesafelere ulaştırılması mümkün hale geldi ve bu gelişmeyi farklı güç sistemlerinin birbirine bağlanması yani enterkonnekte sistemler takip etti. Sonraki gelişmeler ieltim gerilimlerinin adım adım daha yükseğe ulaşması için teknolojik altyapıyı hazırladı. Küçük güç sistemlerinin birleşmesinin yanı sıra, elektrik sanayisi için kurumsal ve organizasyon yapısı belirmeye başladı. Yüzyılın sonlarına doğru, belediyece yürütülen şirketler faaliyete başladı; sıklıkla özel girişimcilerle ortaklıklarıyla bu faaliyetleri sürdürdü. Belediyelerce yönetilen şirketler esas olarak elektrik kullanıcıları kooperatifleri şeklinde faaliyet gösterdi. Pek çok ülkede belediye şirketleri elektrifikasyon yatırımlarında özel şirketlerine öncülük etmiştir. Bunun nedeni olarak yatırım olanaklarının daha çok olması olarak gösterilebilir. Devlet ve endüstri sonraki elektrik devrimini taşıyan bir sonraki aktörler oldu. Elektrik sektörünün doğal tekeller olması maliyetleri düşürdü ve yatırımları hızlandırdı. Teknolojik gelişmelerin ana sürükleyicisi daha büyük kurulu güçte üniteler inşa etmekti. 1930’larda en verimli termik santraller 60MW gücündeydi. 1950’lerde 180MW ve 1980’e gelindiğinde 1000MW’ı bulmuştu. Hammadde kaynağına yakın yerler ya da en uygun ulaştırma seçeneklerini sağlayan yerler seçildiğinden ve bu konumların azlığından büyük güçte termik santraller yan yana inşa edildiler. Hidroelektrik santraller için de benzer bir gelişim sürecine tanıklık edildi. Nükleer santrallerin 1960’larda sahne almasıyla takip ettiği gelişme de bunlara benzerdi. 1980’li yılların sonlarında tipik bir nükleer santral 800 ila 1000MW’lık kurulu güçlere sahip oluyordu. Dane Poul la Cour ilk elektrik üreten rüzgar türbinini 1891 yılında geliştirmiş olsa da, elektrik üretimi konusunda rüzgar nerdeyse hiçbir rol almadı. Şaşırtıcı bir şekilde, Danimarka’daysa rüzgar türbinlerinin elektrik talebinin %3’ünü henüz 1918 yılında karşılıyor olmasıydı. 18. yüzyılda başlayan ve endüstri devrimi ile birlikte enerji tüketiminde büyük artış olmuş ve bu tüketimi karşılayabilmek için fosil kökenli enerji kaynaklarının kullanımı artmıştır. 20. yüzyılın ortalarından itibaren fosil kökenli enerji kaynakları ile ilgili yaşanan çeşitli krizler ve çevreye vermiş
oldukları olumsuz etkiler nedeniyle birçok ülke yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanabilmek için çalışmalara başlamıştır. Bu çerçevede tükenmeyen ve çevre dostu olması nedeniyle temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarından, özellikle de rüzgar enerjisinden teknolojik anlamda yararlanılması ön plana çıkmıştır.
1.1 Dünyada Rüzgar Enerjisinin Durumu Rüzgar enerjisi, üretim kapasitesi açısından dünyada en fazla büyüyen enerji kaynağıdır. 1998 yılı sonunda 9.667 MW olan dünya rüzgar enerjisi santrallerinin kurulu gücü, 2008 yılı içerisinde eklenen 27.261 MW gücündeki rüzgar santralleri ile 2008 yılı sonunda 1998 yılına göre 12.5 kat artarak 121.188 MW olmuştur. 2010 yılı sonunda tüm dünyada kurulu rüzgar gücü 194.390 MW iken bu kurulu güçte son yılda kurulan santrallerin 35.802 MW’lık büyük bir payı var. (GWEC, 2010)
Şekil 1 - Dünyada Yıllara Göre Toplam Kurulu Rüzgar Gücü
Şekil 2 Yıl İçinde Kurulan Rüzgar Kurulu Gücü
GWEC’in raporlarından ve tablo 1 ve 2’den görüleceği üzere rüzgar enerjisi yatırım miktarı ve kurulu güç kapasitesi gittikçe büyüyen bir kaynak olarak karşımıza çıkıyor. Rüzgar enerji yatırımlarına büyük oranlarda öncülük eden ülkeler aşağıda soldaki grafikte verildiği gibi Çin, A.B.D, Almanya, İspanya başta olmak üzere sağdaki grafikte de Asya’da Çin’in başını çektiği yatırımların diğer bölgeleri geride bıraktığı ve büyük bir ivme kazandığı görülmektedir. 2010 yılında gözlenen kapasite artış hızındaki göreli azalma dünyadaki ekonomik krizle ilişkilendirilebilirken, Asya’daki yatırımların artış hızlarının Kriz ortamında dahi büyümeye devam ettiği görülmektedir. 1
1
GWEC – 2010 Wind Statistics (02.02.2011)
Şekil 3 - Toplam Kurulu Rüzgar Gücü (solda), 2010 Yılında Kurulan Rüzgar Gücü (sağda) Oranları
1.2 Avrupa’da Rüzgar Enerjisinin Durumu Rüzgar enerjisinin durumunu Avrupa özelinde değerlendirelim. 2010 yılında eklenen kurulu güç kapasitesi bir önceki yıla göre %10 azalarak 9.295MW büyüklüğünde gerçekleşti. Bunun yanında 2010 yılı içinde şebekeye toplam eklenen kurulu güçte rüzgarın payı %16’ya yükseldi. Yenilenebilir enerji kaynaklarının ise payı 2010 yılında eklenen toplam kapasitenin %41’i gibi yüksek bir oranını teşkil ediyor. EWEA (Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliği)’nın 2011 Şubat’ında yayımladığı yıllık raporda Almanya en büyük kurulu güce sahipken sırasıyla İspanya, İtalya, Fransa ve İngiltere’nin de rüzgar enerji atılımında Almanya’yı takip ettiği görünüyor. 2010 yılı sonunda 84.278 MW’lık kurulu güçte rüzgar santrali bulunduğu rapor ediliyor. 2010 yılı itibariyle kurulan ve devreye alınan RES’lerin normal üretim koşullarında elektrik üretmesi halinde Avrupa Birliği’nin enerji ihtiyacının %5.3’ünü karşılaması bekleniyor. 2
Şekil 4 - Son 10 Yılda Net Kapasite Değişimleri 2
EWEA - Wind In Power 2010 European Statistics (02.02.2011)
Şekil 5 - Avrupa'da Son 10 yılda Yakıt Türüne Göre Kurulu Güç Oranları
Yukarıdaki şekilde Avrupa’nın 2000-2010 yıllarında elektrik santrallerinin kurulu güç payları görülmektedir. Buradan rüzgarın son on yılda payını %2’den %9.6’ya çıkarmış olduğu ve nükleer, fuel oil, kömür santrallerinin paylarının düştüğü görülmektedir.
1.3 Türkiye’de Rüzgar Enerjisi Türkiye’ye geldiğimizde TWEA (Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği)’nin raporlarına göre 2011 yılı itibariyle kurulu santral gücü 1.414 MW. Bu kurulu güce yıl sonu itibariyle 749 MW’lık bir rüzgar santrali de eklenmesi öngörülüyor. 3
KURULU
KURULUŞLAR
GÜÇ MW
FUEL-OİL + ASFALTİT + NAFTA + MOTORİN İTHAL KÖMÜR + TAŞ KÖMÜRÜ + LİNYİT DOĞALGAZ + LNG YENİLENEBİLİR + ATIK ÇOK YAKITLILAR KATI+SIVI ÇOK YAKITLILAR SIVI+D.GAZ JEOTERMAL HİDROLİK BARAJLI HİDROLİK AKARSU RÜZGAR TOPLAM
1.392,5 12.355,7 16.220,5 115,4 531,5 3.548,5 114,2 13.484,6 3.596,1 1.691,8 53.050,7
KATKI % 2,6 23,3 30,6 0,2 1,0 6,7 0,2 25,4 6,8 3,2 100,0
SANTRAL SAYILARI ADET 26 24 151 18 8 52 7 57 250 47 640
Tablo 1 - Yakıt Çeşidine Göre Kurulu Güç Oranları
Yukarıdaki tablodan görüleceği üzere Türkiye’de rüzgar elektrik santrallerinin kurulu güçteki payı %3.2’yi bulmuş4 ve bu anlamda Avrupa’nın (%9.6) 10 yıl önceki rakamlarını tutturmuş durumdadır5. 3
TÜREB (TWEA) – www.ruzgarenerjisibirligi.org.tr
Şekil 6- Yakıt Türlerine Göre Elektrik Enerjisi Üretim Oranları (2010 Yılı)
Yukarıdaki şekilde rüzgar elektrik santrallerinin üretilen brüt elektrik enerjisine katkısının %1 olarak gerçekleştiği görülmektedir.
2
Rüzgar Türbinleri
Rüzgar türbinleri sayesinde rüzgar enerjisi elektrik enerjisine çevrilir. Rüzgar türbinleri basit bir prensiple çalışırlar. Rüzgardaki enerji, kanatların bağlı olduğu rotoru döndürerek, havadaki kinetik enerji mekanik enerjiye çevrilir. Rotor milinin devir hareketi dişli çark yardımıyla arttırılarak, mekanik enerji generatöre aktarılır ve burada elektrik enerjisine çevrilir. Elektrik üretimi sırasında türbindeki yönlendirici, rüzgardaki enerjiyi verimli kullanabilmek amacıyla türbini rüzgara göre yönlendirir, fren sistemi de, rüzgar hızının limiti aşması durumunda, türbini yavaşlatır ve durdurur. Eğer şebeke beslemesi yapılacaksa, transformatör yardımıyla, gerilim şebeke gerilim düzeyine yükseltilir. Rüzgar türbinleri, rüzgar enerjisinden daha çok yararlanabilmek amacıyla bir kulenin üstüne monte edilirler. Daha fazla rüzgar ve daha az türbülans için yerden en az 30 m yükseğe monte edilirler. Rüzgar türbinleri lokal olarak sadece bir ev veya bina için elektrik üretebileceği gibi, elektrik şebekesine bağlanarak sistemi de besleyebilir. Bir rüzgar türbini ana hatlarıyla aşağıda kısaca tanımlanmış kısımlardan meydana gelir. Kanatlar: Rüzgarı yakalar ve onun gücünü rotora aktarır. Çoğu türbinler 2 veya 3 kanatlıdır. Rüzgarın kanatların üzerinde esişi, kanatları yukarıya doğru hareket ettirir ve döndürür. Rotor: Kanatlar ve göbeğin ikisine beraber rotor denir. Pitch: Kanat eğim mekanizmasıdır. Kanatlar döndürülür veya rüzgarın yönüne göre kanatların eğim açısı ayarlanır. 5
TEİAŞ 2010 Faaliyet Raporu
Fren: Acil durumlarda hidrolik, mekanik veya elektriksel olarak rotoru durdurmayı sağlar. Düşük Hız Mili: Rüzgar türbinini, kanatların bağlantı noktası yüksekliğinden dişli kutusuna bağlar. Rotor dakikada 30-60 defa düşük hız milini döndürür. Dişli Kutusu: Dişliler, düşük hızlı mili, yüksek hızlı mile bağlarlar. Dönme hızını dakikada 30-60’tan 1200-1500’e çıkarırlar ve generatörlerin elektrik üretmeleri için gereken hız sağlanmış olur. Generatör: Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Kontrolör: Makineyi saatte 8 -16 mil rüzgar hızında çalıştırır ve saatte 65 mil hızda da durdururlar. Türbinler saatte 65 milin üzerinde rüzgar hızında çalıştırılmazlar, çünkü generatörler aşırı ısınabilirler. Anemometre: Rüzgarın hızını ölçer ve rüzgar hızı bilgilerini kontrolöre iletir. Yön Belirteci: Rüzgarın yönünü göstermek için kullanılır ve kontrolöre rüzgarın hangi yönden geldiğini bildirir. Türbin Kabini (Nacelle): Rüzgar türbininin dişli kutusunu, generatörünü, hatta 1 MW’ın üzerinde transformatörde dahil ana parçaları içine alan kısımdır. Yüksek Hız Mili: Yaklaşık 1500 devir/dakika ile döner ve elektrik generatörünü çalıştırır. Acil durumlar için mekanik disk freni ile birliktedir. Aerodinamik frenler kusurlu olduğu zaman veya türbin hizmette olduğu zaman mekanik fren devreye girer. Yön Saptırma (Yaw) Sürücüsü: Yön Saptırma motoru ile beraber rüzgarın yönüne göre türbin kabininin dönmesini sağlar. Yön Saptırma Motoru: Rotorun rüzgarı en iyi şekilde kullanabilmesi için kontrolörden gelen bilgiye göre türbin kabinini döndürme hareketini başlatır Kule: Rüzgar türbininin dişli kutusunu, rotoru, generatör ve belli gücün üzerinde transformatör dahil ana parçalarını üzerinde taşır. Kuleler çelik borudan veya çelik kafesten yapılırlar. Çünkü, rüzgar hızı yükseklikle artar ve daha uzun kulelerle, daha fazla rüzgar enerjisi, dolayısıyla daha fazla elektrik üretilir. Genel olarak bakıldığında, yatay eksenli türbinler ve düşey eksenli türbinler olmak üzere iki tip rüzgar türbini vardır.6
2.1
Rüzgar Türbinlerinde Generatörler ve Güç Elektroniği Bileşenleri
Günümüzde rüzgar türbinlerinde, teknolojideki gelişmeye paralel olarak geliştirilmekte olan genteratörler ve güç elektroniği ekipmanları kullanılır. Rüzgar santrallerinin elektriksel sistemleri hakkında genel bilgi vermek amacıyla bu bölümde, rüzgar türbinleri tasarımlarında kullanılan
6
Mahir Aydın, 2003, Rüzgar Enerjisi, Mühendis Türk, Nisan, 15-17
generatörlerden, güç elektroniği ekipmanlarından, rüzgar türbinlerinde koruma ve topraklamadan bahsedilmiştir. 2.1.1
Rüzgar Türbini Teknolojilerine Genel Bakış
Rüzgar türbinleri sabit ya da değişken hızlarda çalışabilirler. Bu nedenle çalışma hızları açısından rüzgar türbinleri sınıflandırılabilirler. 2.1.2 Sabit Hızlı Rüzgar Türbinleri Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde karakteristik olarak asenkron generatörü (sincap kafesli veya bilezikli) bulunmaktadır. Bu asenkron generatörü direkt olarak elektrik şebekesine bağlı olup, reaktif güç tüketimini azaltmak için yol vericiler ve kondansatör grupları içerir. Sabit hızlı rüzgar türbinleri tek bir rüzgar hızında azami verimlilikte çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Güç üretimini arttırabilmek için bazı sabit hızlı teneratörlerde iki set sargı bulunur. Bunlardan biri düşük rüzgar hızında (tipik olarak 8 kutuplu), diğeri ise orta ve yüksek rüzgar hızlarında (tipik olarak 4-6 kutuplu) kullanılır. Sabit hızlı rüzgar türbinlerinin avantajı basit, sağlam, güvenilir ve kendini ispatlamış olmasıdır. Ayrıca elektrik aksamları ucuzdur. Dezavantajları ise kontrol edilemeyen reaktif güç tüketimi, mekanik baskı ve sınırlı güç kalitesi kontrolüdür. Sabit hızla çalışma şeklinden dolayı rüzgar hızındaki değişimler, sisteme mekanik dönme momentinde oynamalar ve dolayısıyla elektrik şebekesinde iniş çıkışlar olarak yansır. Zayıf elektrik şebekelerinde bu iniş çıkışlar gerilimde büyük oynamalara dolayısıyla bu durum elektrik hatlarında önemli kayıplara sebep olur.7 2.1.3 Değişken Hızlı Rüzgar Türbinleri Değişken hızlı rüzgar türbinleri geniş bir rüzgar hız aralığında azami aerodinamik verimliliğe ulaşacak şekilde tasarlanmıştır. Bu türbinlerin değişken hızlarda çalışması sayesinde, devamlı olarak değişen rüzgar hızına (hızın artması veya azalması durumları) göre pervane hızı ayarlanabilmektedir. Sabit hız sisteminin aksine, değişken hızlı türbinler, generatör dönme momentini, değişen rüzgar hızına göre değişen generatör hızı sayesinde oldukça sabit tutar. Sabit hızlı sisteme kıyasla değişken hızlı sistemin elektrik aksamları daha karmaşıktır. Bu sistem genelde asenkron veya senkron generatör içerir ve şebekeye bir güç çeviricisiyle bağlanır. Güç çeviricisi generatör hızını kontrol eder. Diğer bir deyişle, güçteki iniş çıkışlara sebep olan rüzgar hızındaki değişiklikler, generatör motoru hızındaki değişimlerle absorbe edilir ve sonuçta rüzgar türbini pervane hızı da buna göre değişmiş olur. Değişken hızlı rüzgar türbinlerinin avantajları, daha az enerji kaybı, gelişmiş güç kalitesi ve rüzgar türbini üzerinde daha az mekanik baskı olarak sıralanabilir. Bu sistemin dezavantajları ise; güç elektroniği aksamlarındaki arızalar, daha fazla parça gerektirmesi ve güç elektroniği aksamlarından dolayı donanımların pahalı olmasıdır. Değişken hızlı rüzgar türbinlerinin kullanımı sayesinde, generatör türleri ve generatör türüyle birleştirilebilecek güç çeviricileri için seçim alternatifleri artırılmış olur. Son birkaç yılda tesis edilen rüzgar türbinlerinde çoğunlukla değişken hızlı rüzgar türbinleri tercih edilmektedir.
7
Ackermann, T,, 2005. Wind Power in Power Systems, John Wiley & Sons, Ltd. Chichester.
2.1.1 Rüzgar Türbini Teknolojisinde Kullanılan Generatörler Aşağıda, en çok kullanılan rüzgar türbini konfigürasyonları, hız kontrol yetenekleri ve kullandıkları güç kontrol tiplerine göre sınıflandırılmıştır. Hız kontrolü kriterine göre, şekilde gösterildiği gibi dört temel rüzgar türbini vardır.
Şekil 7 - Rüzgar Türbini Konfigürasyonları
SCIG; Sincap Kafesli Asenkron Generatör, WRIG; Bilezikli Asenkron Generatör, PMSG; Sabit Mıknatıslı Senkron Generatör ve WRSG; Bilezikli Senkron Generatördür. Tip D’de kesik çizgilerle gösterilen dişli kutusu kullanılabilir yada kullanılmayabilir. 2.1.1.1 Tip A: Sabit Hız Bu konfigürasyon, transformatör aracılığıyla şebekeye bağlanmış Sincap Kafesli Asenkron Generatörlü (SCIG) bir sabit hızlı rüzgar türbinini belirtmektedir. SCIG, şebekeden her zaman reaktif güç aldığından, bu konfigürasyonda reaktif güç kompanzasyonu için, kondansatörler kullanılır. Bir yol verici yardımıyla daha düzgün bir şebeke bağlantısı sağlanabilir. Sabit hızlı rüzgar türbinindeki güç kontrol prensibinden bağımsız olarak, rüzgar dalgalanmaları önce mekanik dalgalanmalara, sonra da elektrik gücü dalgalanmalarına dönüştürülür. Zayıf bir şebeke durumunda ise bağlantı noktasında gerilim dalgalanmalarına neden olabilirler. Bu gerilim
dalgalanmalarından dolayı da sabit hızlı rüzgar türbini (kondansatörler yoksa) şebekeden değişen oranlarda reaktif güç çeker. Bu gerilim dalgalanmalarını ve hat kayıplarını arttırabilir. Bu yüzden, sistemin en büyük dezavantajları hız kontrolünü desteklememesi, kuvvetli bir şebeke gerektirmesi ve mekanik yapısının yüksek mekanik baskıları kaldırmak durumunda olmasıdır. 2.1.1.2 Tip B: Sınırlı Değişken Hız OptiSlip olarak bilinen konfigürasyon, değişken generatör rotor dirençli, sınırlı değişken hızlı rüzgar türbinine karşılık gelmektedir. Generatör, şebekeye doğrudan bağlıdır. Reaktif güç kompanzasyonu kondansatör grupları ile sağlanabilir. İlaveten değişken bir rotor direncine sahip olması bu konseptin önemli ve kendine has özelliğidir. Bu direnç de rotor milindeki çevirici tarafından manipüle edilir. Dolayısıyla toplam rotor direnci kontrol edilebilmektedir. Rotor direnci değiştirebildiği için kayma da kontrol altında olacaktır. Bu yolla sistemde güç çıkışı da kontrol edilir. Dinamik hız kontrolünün aralığı, değişken rotor direncinin büyüklüğüne bağlıdır. Tipik olarak hız aralığı senkron hızın %0-10 üzerindedir. 2.1.1.3 Tip C: Kısmi Ölçekli Frekans Çeviricili Değişken Hız Çift beslemeli asenkron generatörü (DFIG) konsepti olarak bilinen bu konfigürasyon, bilezikli asenkron generatörü (WRIG) ve rotor devresinde kısmi ölçekli frekans çeviricili (nominal generatör gücünün yaklaşık %30’una ayarlanmış) sınırlı değişken rüzgar hızlı türbinine karşılık gelmektedir. Kısmi ölçekli frekans çevirici, reaktif güç kompanzasyonu ve daha düzgün bir şebeke bağlantısı sağlar. Frekans çevricinin büyüklüğüne bağlı olarak Tip B’ye oranla daha geniş bir dinamik hız kontrol aralığında çalışır. Tipik olarak, hız menzili -%40’tan +%30’a kadar senkron hızları kapsar. Daha küçük olan frekans çevirici, bu konsepti ekonomik olarak daha çekici yapmaktadır. En büyük dezavantajları kayar halka kullanımı ve şebeke hatlarındaki korumadır. 2.1.1.4 Tip D: Tam Ölçekli Frekans Çeviricili Değişken Hız Bu tip, generatörü şebekeye tam ölçekli frekans çevirici aracılığıyla bağlı tam değişken hızlı rüzgar türbinine karşılık gelmektedir. Reaktif güç kompanzasyonunu ve düzgün şebeke bağlantısını frekans çevirici sağlamaktadır. Generatör elektriksel olarak, bilezikli senkron generatörü ya da bilezikli asenkron generatörü veya sürekli mıknatıslı senkron generatörle uyarılabilir. Bazı tam değişken hızlı rüzgar türbinlerinin dişli kutusu yoktur. Bu durumda doğrudan çalıştırılan, geniş çaplı, çok kutuplu bir generatör kullanılır.8
2.2 Generatör Sistemleri 1) Asenkron Generatör a) Sincap kafesli asenkron generatörü b) Bilezikli asenkron generatörü i) OptiSlip asenkron generatörü (OSIG) ii) Çift beslemeli asenkron generatör (DFIG) 2) Senkron Generatör a) Bilezikli senkron generatörü (WRSG) b) Sabit mıknatıslı senkron generatörü (PMSG) 8
Ackermann, T,, 2005. Wind Power in Power Systems, John Wiley & Sons, Ltd. Chichester.
2.2.1 Asenkron Generatör Rüzgar türbinlerinde en yaygın kullanılan generatör, asenkron generatörüdür. Birkaç avantaja sahiptirler.Bunlar; sağlamlık, mekanik basitlik ve seri halde üretildiği için düşük fiyattır. Başlıca dezavantajı ise; statorun reaktif mıknatıslanma akımına ihtiyaç duymasıdır. Asenkron generatör sürekli mıknatıslar içermez ve ayrıca uyarılmaz. Bu nedenle, uyarma akımını başka bir kaynaktan almalıdır ve reaktif güç tüketir. Reaktif güç, bir elektrik şebekesinden veya bir güç elektroniği sisteminden sağlanır. Generatörde manyetik alan sadece elektrik şebekesine bağlandığında oluşur. AC uyarması sırasında yaratılan manyetik alan, akımın frekansı ve sargıdaki kutup sayısı tarafından belirlenen bir hızda senkron olarak döner. Böylece, eğer rotor hızı senkron hızı aşan bir hızda dönerse, rotor ve dönen stator arasında, bağıl hareket (kayma) vasıtası ile bir elektrik alanı indüklenir ve bu rotor sargılarında bir akıma sebep olur. Stator alanı ile rotor manyetik alanının etkileşimi, rotorun üstüne dönme momenti uygular. Bir asenkron generatörün rotoru, sincap kafesli rotor (kısa devre rotor) veya bilezikli olarak dizayn edilebilir Sincap Kafesli Asenkron Generatör: Son zamanlara kadar, sincap kafesli asenkron generatörü (SCIG), mekanik basitliği, yüksek verimi ve az bakım gerektirmesi nedeniyle en yaygın seçim olmuştur. Tip A için, SICG, direkt olarak şebekeyle kuplajlıdır. SCIG’nin hızı, rüzgarın hızı değiştiğinde generatör kaymasından dolayı çok az yüzdelerde değişir. Bu yüzden bu tür generatörler sabit hızlı türbinlerde kullanılır (Tip A). Bir SCIG üzerindeki rüzgar türbinleri reaktif güç harcadıkları için, tipik olarak yol verici mekanizması ve reaktif güç kompanzasyonu sistemiyle kurulurlar. SCIG’ler aşırı dönme momenti hızı karakteristiğine sahiptir ve bu yüzden rüzgar gücündeki dalgalanmalar şebekeye direkt olarak iletilir. Bu geçişler rüzgar türbininin şebeke bağlantısında özellikle önemlidir. Çünkü içeriye akan akım nominal akımın 7-8 katı büyüklüğündedir. Zayıf bir şebekede yüksek hızda içeriye akan akım, ciddi gerilim sorununa yol açabilir. Bu yüzden, içeriye akan akımın kesilmesi için, SCIG’nin şebekeye bağlanması, derece derece yapılmalıdır. Kuvvetli bir AC şebekesine direk bağlantı ve normal bir çalışma sırasında, SCIG çok sağlam ve kararlıdır. Kayma, artan yüke göre artar ve değişir. Stator sargısına şebekeden sağlanan manyetik akımdan dolayı, tam yük güç faktörü, bağıl olarak düşüktür. Çok düşük güç faktörü, generatöre paralel bağlı kondansatörler yardımıyla kompanze edilir. SCIG’ler de aktif güç, reaktif güç, terminal gerilimi ve rotor hızı arasında benzersiz bir ilişki vardır. Bunun anlamı yüksek hızlı rüzgarlarda rüzgar türbini, ancak generatör daha fazla reaktif güç çektiğinde daha fazla aktif güç üretir. SCIG için, tüketilen reaktif güç miktarı kontrol edilemez, çünkü rüzgar şartlarına göre değişir. Reaktif gücü destekleyecek elektrik bileşenleri olmadıkça, generatör için gerekli güç şebekeden elde edilir. Şebekeden alınan reaktif güç, bazı durumlarda ilave hat kayıplarına sebep olarak şebekeyi kararsız yapabilir. Kondansatör gurupları veya modern güç elektroniği çeviricileri reaktif güç tüketimini azaltabilir. Bu noktada başlıca dezavantaj, anahtarlamada geçici rejimlerin oluşmasıdır. Bir hata durumunda, reaktif güç kompanzasyonu olmayan SCIG, şebekede gerilim kararsızlığı oluşturur. Rüzgar türbin rotoru hızlanabilir ve kayma artar. Örneğin, bir hata meydana geldiğinde, elektrik ve mekanik dönme momenti arasında dengesizlik oluşması gibi. Böylece, hata düzeltildiğinde, SCIG’ler şebekeden daha büyük miktarlarda reaktif güç çekerek gerilimin daha fazla düşmesine neden
olurlar. SCIG’ler sabit hızlı rüzgar türbinlerinde (Tip A) ve tam değişken hızlı rüzgar türbinlerinde (Tip D) kullanılabilir Bilezikli Asenkron Generatörü: Bilezikli asenkron generatörü (WRIG) kullanıldığında, rotorun elektriksel karakteristikleri dışarıdan kontrol edilebilir. Sargılı rotorun sargıları, dışarıdan kayar bilezikler ve fırçalarla veya güç elektroniği düzeneği ile bağlanır. Güç elektroniği düzeneği kullanılarak, güç rotor devresine aktarılabilir veya etki edebilir ve generatör, rotor ya da stator devresiyle mıknatıslanabilir. Böylece rotor devresinde harcanan enerjiyi geri kazanmak ve statorun çıkışına vermek mümkün olur. WRIG’in dezavantajı, SCIG’den daha pahalı ve daha az sağlam olmasıdır. Rüzgar türbini endüstrisinin en yaygın kullandığı WRIG konfigürasyonları;
OptiSlip Asenkron Generatörü (OSIG), Tip B’de kullanılır. Çift Beslemeli Asenkron Generatörü (DFIG), Tip C’de kullanılır.
OptiSlip Asenkron Generatörü: Optislip asenkron generatörü, çok güçlü rüzgar esnasında, rüzgar türbinindeki yükü azaltmak için üretildi. OptiSlip özelliği generatörün dar aralıkta değişken kaymaya sahip olmasına ve optimum kaymayı seçmesine, güç çıkışında ve sürücü dönme momentinde daha küçük dalgalanmalara müsaade eder. OSIG’ler çeşitli rotor dirençlerinin, rotor sargılarına dışarıdan bağlanmasıyla oluşan WRIG’lerdir (şekil 3.1). Rotor şaftının üzerine monte edilmiş bir çeviricinin yardımıyla, toplam rotor direncinin modifiye edilmesiyle generatörün kayması değiştirilir. Çevirici optik olarak kontrol edilir, yani kayar bilezikler gerekli değildir. Generatörün statoru şebekeye direkt bağlıdır. Bu generatör konseptinin avantajları; basit devre topolojisi, kayar bilezikler gerektirmemesi ve SCIG ile karşılaştırıldığında daha iyi çalışma hızı aralığıdır. İlave olarak söylenebilecek, bu konseptin, mekanik yüklerin ve kuvvetli rüzgarın sebep olduğu güç dalgalanmalarını azaltabilmesidir. Bununla birlikte, yinede reaktif güç kompanzasyon sistemine ihtiyaç vardır. Değişken rotor direncine bağlı olarak, hız aralığının % 0-10 ile sınırlandırılmış olması, aktif ve reaktif güç kontrolünün zayıf şekilde sağlanması dezavantajlarıdır. Çift Beslemeli Asenkron Generatörü : Çift beslemeli asenkron generatör (DFIG) konsepti, büyüyen pazarla birlikte çekici bir seçenektir. DFIG, stator sargıları sabit frekanslı üç fazlı şebekeye direkt olarak bağlanmış WRIG’den oluşur ve rotor sargıları çift yönlü arka arkaya bağlı bir IGBT gerilim kaynağı çeviricisine monte edilmiştir. Çift yönlü besleme terimi, statordaki gerilimin şebekeden uygulanması ve güç çeviricisi tarafından indüklenen rotordaki gerilimden dolayı kullanılmaktadır. Bu sistem, geniş fakat sınırlı bir aralıkta, değişken hızda çalışmaya izin verir. Çevirici, mekanik ve elektriksel frekans arasındaki farkı, değişken frekanslı rotor akımı ile kompanze eder. Böylece, hem normal çalışmada, hem de hata durumunda, generatörün davranışı, güç kontrolörü ve çevirici tarafından denetlenir. Güç çeviricisi, iki çeviriciden oluşur. Bunlar birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilen, rotor yanı çevirici ve şebeke yanı çeviricidir. Asıl amaç, şebeke yanı çeviricisi DC-link gerilimini kontrol ederken ve bir güç faktöründe (reaktif güç sıfır iken) bir çevirici çalışması sağlarken, rotor yanı çeviricisinin,
rotor akım bileşenlerinin kontrolü yardımıyla, aktif ve reaktif gücü kontrol etmesidir. Sürücünün çalışma koşuluna bağlı olarak, güç rotora içten veya dıştan verilir ve senkronun üzerinde, çevirici aracılığıyla rotordan şebekeye akar, oysa senkronun altında ters yönde akmaktadır. Her iki durumda da, yani senkron altında ve senkron üstünde, stator şebekeye enerji verir. DFIG’nin bazı avantajları vardır. Reaktif gücü kontrol etme ve rotor uyarma akımını bağımsız şekilde kontrol ederek aktif ve reaktif güç kontrolünü ayırma kabiliyetine sahiptir. DFIG’nin güç şebekesinden mıknatıslanmasına gerek yoktur, çünkü, rotor devresinden de güç alabilir. Ayrıca şebeke tarafındaki çevirici yardımıyla, statora iletilebilecek reaktif güç üretebilmektedir. Ancak, şebeke tarafındaki çevirici, bir güç faktöründe çalışmaktadır ve türbinle şebeke arasındaki reaktif güç değişiminde etkin değildir. Zayıf bir şebeke durumunda gerilim dalgalanabilir, böyle hallerde, gerilim kontrolü amacıyla, DFIG’den, şebekeye reaktif güç üretmesi ya da şebekeden reaktif güç çekmesi istenebilir. Çeviricinin büyüklüğü, toplam generatör gücüyle alakalı değildir, fakat seçilmiş hız aralığı ile alakalıdır. Bu yüzden çeviricinin masrafı, senkron hız çevresindeki hız aralığı arttıkça artmaktadır. Çift beslemeli asenkron generatörünün bir dezavantajı kaçınılmaz kayar bilezik ihtiyacıdır. 2.2.2 Senkron Generatörler Senkron generatör, aynı büyüklükte bir asenkron generatöründen çok daha pahalı ve mekanik olarak da daha karmaşıktır. Ancak, asenkron generatörü ile kıyaslandığında açık bir avantajı vardır ki, reaktif mıknatıslama akımına ihtiyaç duymazlar. Senkron generatördeki manyetik alan, sürekli mıknatıslar ya da konvansiyonel alan sargıları kullanılarak oluşturulabilir. Eğer senkron generatörün yeterli sayıda kutbu varsa (çok kutuplu bir WRSG ya da çok kutuplu bir PMSG), direkt sürücülü uygulamalar için,herhangi bir dişli kutusuna ihtiyaç duymadan kullanılabilir.Senkron generatörler, en çok tam güç kontrolüne uygundur ve şebekeye de bir güç elektroniği çeviricisiyle bağlıdırlar. Çeviricinin iki temel amacı vardır;
Çok kuvvetli bir rüzgar enerjisinin sebep olduğu güç dalgalanmalarına karşı koymak ve şebeke tarafından gelen geçici olaylar için, bir enerji tamponu görevi görmek Mıknatıslanmayı kontrol etmek ve şebeke frekansıyla senkron kalarak, problemlerin önüne geçmek. Böyle bir generatör kullanımı, rüzgar türbinlerinin değişken bir hızda çalışmasına olanak verir.
Rüzgar türbini endüstrisinde iki klasik senkron generatör tipi sık kullanılmıştır: 1- Bilezikli senkron generatör (WRSG) 2- 2- Sürekli mıknatıslı senkron generatör (PMSG) *22+.
Bilezikli Senkron Generatörü: (WRSG), elektrik güç endüstrisinde çok kullanılır. Hem sürekli durum performansı, hem de hatalı durum performansı açısından, yıllar içinde birçok araştırma raporlarında iyi yorumlar almıştır. WRSG’nin stator sargıları, doğrudan şebekeye bağlıdır ve böylece dönüş hızı kesinlikle şebeke frekansına bağlıdır. Rotor sargısı, kayar bilezikler ve fırçalar kullanılarak, doğru akımla ya da döner doğrultuculu bir fırçasız uyarma ile uyarılır. Asenkron generatörünün aksine, senkron generatörlerde
fazladan reaktif güç kompanzasyon sistemine ihtiyaç yoktur. İçinden doğru akım geçen rotor sargısı, uyarma alanı oluşturur ve senkron hızda dönmeye başlar. Senkron generatörün hızı, döner alanın frekansıyla ve rotorun kutup çiftleri sayısıyla belirlenir. Dişli kutusuna ihtiyaç duymama avantajına sahiptir. Ama dişlisiz böyle bir tasarıma ödenecek bedel, büyük ve ağır bir generatör ile, sistemin tüm gücünü idare etmek zorunda olan tam ölçekli güç çeviricisidir. Sürekli Mıknatıslı Senkron Generatörü: Birçok araştırma, kendinden uyarmalı olması, yüksek güç faktöründe ve yüksek verimde çalışabilmeye olanak vermesinden dolayı, rüzgar türbinlerinde sürekli mıknatıslı senkron generatör (PMSG) kullanımını tavsiye etmiştir. Sürekli mıknatıslı (PM) makinede, verim asenkron makinesinden yüksektir. Çünkü, uyarma, herhangi bir enerji kaynağı kullanmadan sağlanır. Ancak, sürekli mıknatısların yapımında kullanılan malzemeler pahalıdır ve üretim sırasında zorluk çıkarırlar. Buna ilave olarak, PM uyarma kullanımı, üretimin frekansını ve gerilimini, iletimin frekansı ve gerilimine ayarlamak için tam ölçekli bir güç çeviricisi gerektirir. Bu da ilave bir masraftır. Bununla birlikte, faydasıda, sürekli koşullara uyacak şekilde, herhangi bir hızda güç üretebilmesidir. PMSG’nin statoru sargılıdır ve rotorunda sürekli mıknatıslı kutup sistemi vardır ve kutupları çıkıntılı yada silindirik olabilir. Çıkıntılı kutuplar, düşük hızlı makinelerde daha yaygın kullanılmaktadır ve bir rüzgar türbini uygulaması için en kullanışlı versiyon olabilir. Tipik düşük hızlı senkron makineler, çıkıntılı kutuplu ve çok kutuplu tiplerdir. PMSG’nin senkron niteliği, çalıştırma sırasında, senkronizasyon ve gerilim regülasyonu sırasında problemlere sebep olabilir. Kolayca sabit bir gerilim sağlamaz. Bir dış kısa devre durumunda ve rüzgar hızının düzensiz olması durumunda, senkron çalışma performans oldukça etkilenir. PMSG’lerin bir başka dezavantajıda, manyetik malzemelerin sıcaklığa karşı hassas olmalarıdır. Örneğin; bir hata anında ortaya çıkabilecek yüksek sıcaklıklarda, mıknatıs manyetik özelliğini yitirebilir. Bu yüzden, PMSG’nin sıcaklığı daima kontrol edilmeli ve bir soğutma sistemi gereklidir.9
2.3 Rüzgar Santrallerinde Kullanılan Güç Elektroniği Bileşenleri Güç elektroniği hızla gelişen bir teknolojidir. Bileşenleri, yüksek oranlı akımları ve gerilimleri kontrol edebilirler. Böylece, güç kayıpları azalmakta ve cihazlar daha güvenilir hale gelmektedir. Cihazlar, büyük ölçekli güç amplifikasyonuyla çok kolay kontrol edilir. Güç elektroniği sistemlerinin fiyat/güç oranı hala düşmektedir ve rüzgar türbinlerinin performansını arttırma konusunda, güç çeviricileri gittikçe daha çekici hale gelmeye başlamışlardır. Bu bölümde, avantaj ve dezavantajlarıyla, rüzgar türbinlerinde kullanılan güç elektroniği bileşenlerinden kısaca bahsedilmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında rüzgar enerjisi, hidrolik enerjiden sonra elektrik üretimi konusunda diğer kaynaklara göre daha yüksek bir kurulum kapasitesiyle sisteme enerji sağlamaktadır. Ancak rüzgar enerjisinin şebekeye bağlantısı noktasında, enerji kalitesi ve şebeke etkileşimi yönünden bazı sıkıntılar mevcuttur. Rüzgarın kesikli ve değişken olan yapısı, rüzgar enerji santrallerinin şebeke sistemine bağlantısı noktasında, bozucu etkilere sebep olabilmektedir. Bu bozucu etkiler özellikle sistemin zayıf olduğu yerlerde, türbinlerin bağlanmasında kısıtlayıcı faktörler oluşturmaktadır. Rüzgar 9
Ackermann, T,, 2005. Wind Power in Power Systems, John Wiley & Sons, Ltd. Chichester.
santrallerinin büyük çoğunluğunda asenkron elektrik makinası kullanılmasından dolayı, ihtiyaç duyulan reaktif enerjinin karşılanması için farklı yöntemler kullanılmakta ve bir kısım sistemlerde kullanılan güç elektroniği dönüştürücüleri de harmonikler üretmektedir. Ayrıca iletim sisteminde meydana gelen kısa devre durumlarında rüzgar santrallerinin sisteme katkısı üzerine farklı yaklaşımlar mevcuttur. 2.3.1 Yol Vericiler Yol vericiler, sabit hızlı rüzgar türbinlerinin şebekeye bağlanması sırasında kullanılan basit ve ucuz elektriksel bileşenlerdir (Şekil 3.1’de Tip A, Tip B). Yol vericinin fonksiyonu, yığılma akımını düşürerek şebeke üzerinde oluşacak problemleri azaltmaktır. Yol verici olmadan, yığılma akımı nominal akımın 7-8 katına kadar çıkabilir ve bu durum şebekede büyük gerilim sıkıntılarına sebep olabilir. Yol vericide, komütasyon aracı olarak, her fazda iki tristör bulunmaktadır. Her faz için antiparalel bağlanırlar. Şebeke periyodu boyunca, generatörün şebekeye düzgün bağlanması, tristörlerin ateşleme açısının (.) belirlenmesiyle olur. Ateşleme açısıyla, yol vericinin ortaya çıkan amplifikasyonu arasındaki ilişki lineer değildir ve ilaveten, bağlanan elemanın güç faktörünün bir fonksiyonudur. Yığılma akımından sonra, tristörler, tüm sistemin kaybını azaltmak için by-pass edilir. 2.3.2 Kondansatör Gurupları Kondansatör gurupları, sabit hızlı veya limitli değişken hızlı rüzgar türbinlerinde kullanılır (Tip A, Tip B). Asenkron generatörüne reaktif güç sağlayan bir elektriksel bileşendir. Böylece, generatörün şebekeden çektiği reaktif güç minimize edilir. Rüzgar türbinlerinin generatörleri, belirli sayıda kondansatörün sürekli bağlandığı ve ayrıldığı yerde, tam yüklü dinamik kompanzasyona sahip olabilirler. Bu, daha önceden belirlenmiş bir zaman periyodu içinde, generatörün ihtiyaç duyduğu reaktif gücün ortalama miktarına bağlıdır. Kondansatör guruplarının yeri, genellikle kulenin dibi ya da rüzgar türbini kabinidir. Kondansatör grupları, aşırı yüklenme ve şebekedeki aşırı gerilimlerden dolayı zarar görebilirler. Bundan dolayı da sistemin bakım masrafları artabilir. 2.3.3 Doğrultucu ve Eviriciler Geleneksel bir frekans çevirici, ayarlanabilir hız sürücüsü ismini de alabilir ve doğrultucu, kondansatör ve eviriciden oluşur. Bir doğrultucunun görevi, alternatif akımı doğru akıma dönüştürmektir. Kondansatör, enerji depolayıcı görevini yerine getirirken, evirici, kontrol edilebilir frekans ve gerilimle doğru akımı alternatif akıma dönüştürmek için kullanılır. Diyotlar sadece doğrultma modunda kullanılabilirken, elektronik anahtarlar hem doğrultma hem de evirme modunda kullanılabilir. Basitliğinden, düşük fiyatından ve kayıp azlığından dolayı en yaygın doğrultucu çözümü, diyot doğrultucusudur. Doğası gereği lineer değildir ve bu nedenle harmonik akımlar üretir. Bir başka dezavantajı da, sadece tek yönlü bir güç akışına izin vermesidir ve generatör gerilimini ya da akımını kontrol edemez. Bundan dolayı, sadece gerilimi kontrol edebilen bir generatörle ve akımı kontrol edebilen bir eviriciyle (örneğin; IGBT, yani, yalıtılmış kapılı iki kutuplu transistörler) birlikte kullanılabilir. Tristör bazlı (şebeke komütasyonlu) evirici çözümü, ucuz bir eviricidir. Bunun yanında kayıpları azdır ve adından da anlaşılacağı gibi, eviricinin çalışabilmesi için şebekeye bağlanması gerekmektedir. Ancak, maalesef reaktif güç harcamakta ve büyük harmonikler üretmektedirler. Güç kalitesi açısından artan ihtiyaç, tristör eviricilerini, GTO (kapıdan tıkanabilen tristör) ve IGBT’ler gibi
kendinden komütasyonlu eviricilerden daha az ilgi çeker hale getirmiştir. Bir GTO eviricinin avantajı, IGBT’den daha fazla güçle başa çıkabilmesidir, ama bu özellik, IGBT’lerin hızlı gelişiminden dolayı gelecekte önemini yitirecektir. Evirici, generatör ve doğrultucudan hemen hemen bağımsız seçilebilirken, generatör ve doğrultucu bir kombinasyon olarak seçilmek zorundadır. Bir diod doğrultucu veya tristör doğrultucu sadece senkron bir generatörle birlikte kullanılabilir. Çünkü, reaktif bir mıknatıslanma akımına ihtiyacı yoktur. Buna karşılık, GTO ve IGBT doğrultucuların, değişken hızlı asenkron generatörleriyle kullanılmaları gerekir, çünkü, reaktif gücü kontrol edebilirler. Ancak, IGBT’ler çok çekici bir seçim olsa da yüksek fiyat ve büyük kayıp dezavantajları vardır. Örneğin; diod doğrultuculu senkron generatörün toplam fiyatı, ona denk IGBT eviricili ya da doğrultuculu bir asenkron generatöründen çok daha düşüktür. Frekans Çeviriciler Son yıllarda, değişik çevirici topolojilerinin rüzgar türbinlerinde kullanılması incelenmiştir. Bir frekans çeviricisine, bir evirici ve bir doğrultucunun bağlanmasının farklı yöntemleri vardır. Bunlar; arka arkaya çeviriciler, çok düzeyli çeviriciler, tandem çeviriciler, matris çeviriciler ve rezonant çeviricilerdir Bugün rüzgar türbinlerinde en çok kullanılan üç fazlı frekans çevirici arka arkaya bağlı frekans çeviricidir. İki konvansiyonel darbe genişlik modülasyonlu (PWM) gerilim kaynaklı çeviricilerden oluşan çift yönlü bir güç çeviricidir. 2.3.4 Rüzgar Türbinlerinde Koruma Yüksek gerilim güç sistemlerinin her bölümü, anormal durumları saptayan rölelerle ve arızalı devreleri izole ederek açan devre kesiciler tarafından korunur. Daha düşük gerilimli bazı devreler sigortalar tarafından korunur, ancak, bunlar daha ucuz olmasına rağmen, rölelerin ve devre kesicilerin sağladığı oranda emniyet sağlayamazlar. Bir dağıtım şebekesinde, korunma sisteminin amacı temel olarak, devrelerde izolasyon hatalarından dolayı oluşan aşırı akımları saptamaktır. İzolasyon hatalarına, havanın delinmesi veya katı maddeden yapılmış izolasyonun delinmesi örnek verilebilir ki, fazlar arası veya fazlarla toprak arasında aşırı akımlar geçmesine sebep olurlar. Bu durumlarda meydana gelen tehlikeleri sınırlamak için, aşırı akımların en fazla bir saniye sürmesine izin verilir. Bu tehlikeler;
Yüksek akımların toprak empedansına akışından dolayı, aşırı gerilimlerin sebep olduğu hayati tehlike, Yüksek akımların elektromanyetik etkilerinin ve zarar verecek derecede ısınmanın tesise (santrale) zarar verme riski, Güç sisteminin kararlılığının riske sokulması olarak sıralanabilir.
Rüzgar türbinleri ve rüzgar santrallerinin elektriksel koruma prensipleri, diğer elektrik santrallerine uygulanan korunma prensipleri ile aynıdır, ancak, iki büyük fark vardır. Birincisi; rüzgar santralleri genellikle güç sisteminin çevresine kurulduğundan, izolasyon hatalarından oluşan hata akımları oldukça küçüktür. Bu özellik tehlikeyi azalttığından dolayı, her ne kadar arzu edilen bir durum olsa da, düşük kaçak akımların hızlı ve güvenilir şekilde saptanmasında ciddi
zorluklar çıkarırlar. Özellikle, yüksek gerilim kesicilerinin bazı tasarımları, doğru çalışabilmeleri için, ark içindeki enerjiye bağımlıdırlar. Bu yüzden ark enerjisi düşükse, küçük hata akımları kesilmeyebilir. İkincisi; sabit hızlı rüzgar türbinleri asenkron makineleri kullanırlar ve değişken hızlı rüzgar türbinlerinin şebekeye bağlanması gerilim kaynaklı çeviricilerle yapılmaktadır. Ne asenkron generatörler, ne de gerilim kaynaklı çeviriciler, hata akımları için güvenilir kaynaklar değildirler. Bu yüzden, rüzgar türbini generatörlerinden beslenen anormal durumları ortaya çıkarmak için, gerilim veya frekans algılamalı rölelere ihtiyaç vardır. Rüzgar santralinin korunması, şebekeye geri besleme yapabilecek makine sürücüleriyle donatılmış büyük endüstriyel yüklerin (tesislerin) korunmasına benzer çok özelliklere sahiptir. Dağıtım şebekesi, güvenilir bir hata akımı sağlayarak izolasyon hatalarının saptanmasını sağlamakla beraber, dönen makinelerden oluşan hata akımının katkı olasılığı, göz ardı edilmemelidir. Buna ilaveten, rüzgar santralinin güç sisteminden ayrıldığı zamanlarda, rüzgar santralinde, normalden daha uzun bir süre için, anormal frekans veya gerilim üretilmesi tehlikesi de vardır.10 2.3.5 Rüzgar Türbinlerinde Topraklama Sistemleri Bütün elektrik santrallerinde, aşağıdaki sebeplerden dolayı topraklama yapılması gerekmektedir. Bunlar;
Çalışanların ve çevredeki hayvanların elektriğe çarpılma tehlikesinin en aza indirgenmesi, Kaçak akımların toprağa geçmesi için düşük empedanslı bir hat tesis ederek, çalışma için etkin bir koruma elde edilmesi; Gerilimin makul sınırlar içinde kalmasının sağlanması ve yıldırıma karşı korumanın artırılması; Yüksek elektrik potansiyeli farklarının oluşmasını önleyerek çalışanların ve ekipmanların korunması olarak sıralanabilir.
Rüzgar türbini tesislerinde topraklama için özel gereklilikler vardır. Bu tesisler çoğunlukla kilometrelerce uzanan bir alana dağılmış olup, modern türbin kulelerinin yüksekliğinden dolayı, yıldırım çarpmalarına daha sık maruz kalırlar. Ayrıca, genellikle direnci yüksek zeminde tepelerin üzerinde kurulmuşlardır. Bu yüzden normal topraklama işlemlerini bu tesislerde uygulamak pek kolay değildir ve özel uygulamalar gerekmektedir. Rüzgar santralinin bütün ekipmanlarının kesintisiz bir topraklama sistemine bağlanması gerekir. Bu topraklama sistemine, ara istasyonlar, transformatörler, kuleler, rüzgar türbin generatörleri ve elektronik ekipmanlar da dahil edilmelidir. Bu uygulama, genelde çıplak bir iletkenin, güç toplama kablosu boyunca eklenmesi sonucunda, rüzgar santralı tesisindeki tüm ekipmanların hem birbirine bağlanmış olmasını sağlar, hem de uzun yatay bir elektrot görevi yaparak topraklama sisteminin direncini azaltır. Bir rüzgar santralinde topraklama sistemi, hem 50/60 Hz elektrik şebekesi akım frekansları için, hem de tipik olarak 10 µs’den daha az yükselme süresi olan yıldırım düşmelerine karşı etkin şekilde çalışabilmelidir. Normal olarak hem elektrik şebekesi akım frekansları için, hem de yıldırım düşmelerine karşı aynı fiziksel topraklama sistemi kullanılmakla beraber, topraklama sisteminin yıldırım akımın yüksek frekanslı bileşenlerine karşı tepkisi, 50 Hz şebeke akımına olan tepkisinden çok daha farklıdır. 10
Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N. and Bossanyi, E., 2001. Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester.
Her bir rüzgar türbini kulesinin temelinin 1 metre derinliğine halka şeklinde bir iletken konulup, buna dikey metal çubuklar yere çakılır. Genelde, rüzgar türbin kulesinin çelik kafesinin temeli de, bu yerel topraklama şebekesine bağlanır. Bu yerel topraklamanın amacı, yıldırım düşmeleri ve şebekede oluşan kaçak akımların etkilerine karşı, rüzgar santralinde topraklama sistemine, her bir birimin eş potansiyelde bağlanmasını sağlamaktır.
Şekil 8 - Rüzgar Santrali Topraklama Sistemi Şeması
Türbinlerin topraklaması, yukarıdaki şekilde Rtürbin olarak gösterilmiştir. Türbinlerin topraklama şebekesi, sadece 15 metre çaplı bir halka ve dikey çubuklardan oluştuğundan bu sistemin sadece empedans amaçlı olduğu söylenebilir. Fakat türbinleri birbirine bağlayan uzun elektrotlar, daha karmaşık bir davranış biçimi sergilerler. Bunlar şekil 3.2’de . eşdeğer devreleri olarak gösterilmişlerdir. Böylece, seri empedanslar Rseri ve Lseri’nin kombinasyonları iken, topraklama direnci Rparalel olarak verilmiştir. Rseri ,basit olarak topraklama telinin direnci ve Lseri ise, topraklama devresinin selfendüktansıdır. Büyük rüzgar santrali tesislerinde, uzun topraklama şebekesinin bu seri empedansı, göz ardı edilemez. Buradan hemen anlaşılacağı gibi, bir rüzgar türbinine düşen yıldırımın yüksek frekanslı bileşenleri için, seri endüktans topraklama şebekesini, etkin bir şekilde bir birim türbinin topraklanmasına indirger. 50 Hz hata akımlı seri empedans bile, seri empedansın ihmal edilebileceği coğrafi alan olarak, küçük topraklama sistemlerinden beklenebilecek değerden çok daha yüksek bir topraklama direncine yol açabilir. Bu açıklamalarda, her ne kadar çok yüksek frekanslarda önemli olsada, şönt kapasitans ihmal edilmiştir.11
11
Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N. and Bossanyi, E., 2001. Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester.
3 Rüzgar Türbinlerinin Şebekeye Bağlantısı Dünyanın pek çok yerinde eğer bir rüzgar gücü üretimi söz konusuysa da, bu toplam talebin yalnızca küçük bir bölümünü karşılayacak düzeyde katkı sunacak şekildedir. Bunun yanı sıra, Kuzey Almanya, Danimarka ya da İsveç Gotland Adası gibi bölgelerde rüzgar enerjisi önemli elektrik üretimini oranlarda üstlenmektedir. Şekildeki grafikte görüldüğü gibi Danimarka’da rüzgarın elektrik tüketimine sağladığı katkı %24 iken, sırasıyla Portekiz (%14.8), İspanya (%14.5), İrlanda (%10.1), Almanya (%9.3) paylarıyla gerçekleşmiştir. 12 Avrupa an itibariyle açık ara farkla rüzgar gücünün en yüksek oranlarda kullanıldığı bölge durumundadır.13
Şekil 9 - Toplam Elektrik Tüketiminde Rüzgar Payı
Rüzgar türbinlerinden elde edilen elektrik enerjisi mevcut elektrik şebekesine verilmektedir. Bunun için rüzgar türbinlerinde, sabit hızlı generatörler ve değişken hızlı generatörler olmak üzere iki farklı dönüşüm sistemi kullanılmaktadır. Sabit hızlı makineler, doğrudan doğruya şebekeye bağlanmaktadır. Elektrik sistemini kontrol edemezler. Başlama akımları yüksektir ve reaktif gücü de kontrol edememektedirler. Bunlara karşın, oldukça basit ve sağlam yapıdadırlar. Değişken hızlı rüzgar türbinleri ise; elektrik sistemi ile etkileşim halindedir ve denetim yapılması kolaydır. AA/DA dönüşümleri rüzgar türbini ile şebeke arasında olmakta, herhangi bir sapmada frekans ve gerilim değişiklikleri kontrol edilebilmektedir. Güç elektroniği elemanları reaktif gücü de kontrol edebilmektedir. İlgili raporlardan yola çıkılarak büyük güçte rüzgar enerjisinin şebekeye entegrasyonu yalnızca mümkün olmadığı, üstelik bu entegrasyon için varolan güç sistemine ek olarak önemli şebeke tasarımı gerekmediği görünmektedir.
12 13
EWEA – Annual Statistics 2010 http://www.iset.uni-kassel.de/abt/w3-w/projekte/awea_2001_czisch_ernst.pdf
Teknik olarak bakılacak olunursa, güç sisteminin şebekedeki kullanıcılara elektriği her daim sunabilmesi, tüketim için hazır bulundurabilmesi gerekmektedir. Eğer, güç sistemine rüzgar enerjisini eklersek temel amaç olan arz güvenliğini hala sağlamamız gerekir. Burada karşılaşılan güçlük rüzgarın doğasındaki değişkenlikten öte gelmektedir. Buradan karşımıza çıkacak iki temel problem:
Gerilimi şebeke kullanıcıları için makul seviyelerde tutmak. Güç dengesini sağlamak. (Kullanıcıların tüketim talepleriyle rüzgar ve diğer enerji kaynaklarının üretim miktarlarını dengede tutmak.)
Bu tarz sıkıntılarla güç sistemi mühendisleri son yüzyılda sürekli yüzleşmek zorunda kaldılar. Nükleer güç keşfedildiğinde, örneğin, nükleer oldukça katı bir enerji kaynağıyken yüklerin çok değişken yapıda olması bir problemdi. Bu problemin çözümünde pek çok ülke nükleer gücün katılığını diğer enerji kaynaklarını esnekleştirerek aşabildiler (hidroelektrikle beraber güç üretimi). Rüzgar türbinlerinin şebekeye entegrasyonu gerilim kalitesini etkiler. Gerilim kalitesinin belli kesin değerler arasında hizmet şartlarını sağlıyor olması istenirken, bu etki kurulumdan önce değerlendirilmelidir. Etkiyi değerlendirmek için, rüzgar türbinlerinin elektriksel karakteristikleri hakkında bilgi gereklidir yoksa kolaylıkla uygunsuz şebeke entegrasyon dizaynları sözkonusu olabilir. Rüzgar türbini elektriksek karakteristikleri üreticiye özgüdür. Bu demektir ki, eğer bir rüzgar türbinine ait geçerli parametre değerlerini bilmekle, belli bir alanda kurulacak olan türbinin –çiftliğin- voltaj kalitesi üzerindeki olası etkilerini kestirebiliriz. Tutarlı ve tekrarlanabilir rüzgar türbini güç kalitesi karakteristiklerine ait dökümantasyona duyulan ihtiyaç gözlemlendiği için Uluslar arası Elektroteknik Komisyonu (IEC) 1996 yılında standartlaşma çalışmalarına başlamıştır. Bunun sonucunda IEC 61400-21 (IEC,2001) geliştirilerek, bugün pek çok büyük rüzgar türbin üreticisi güç kalitesi karakteristiklerini bu standardlara göre sağlamaktadır. IEC 61400-21, rüzgar türbinlerinin güç kalite karakteristiklerini belirlemek için uygulanan prosedürleri tanımlar.
3.1 Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Karakteristikleri IEC 61400-21’e göre, aşağıdaki parametreler bir rüzgar türbininin güç kalitesini karakterizasyonuna ilişkindir:
P n, Qn, Sn, Un, In Maksimum güç sınırı, Pmc (10 dakikalık ortalama), Maksimum ölçülen güç P60 (6-saniyelik ortalama) ve P0.2 (0.2-saniyelik ortalama), Reaktif güç Q, aktif güçün fonksiyonu olarak 10 dakikalık ortalama değerleri, fliker çarpanı c(ψk, va) sürekli işletme durumunda şebeke empedansının fonksiyonu olarak ψk ve yıllık ortalama rüzgar hızı va Anahtarlama operasyonlarının maksimum sayısı 10 dakikalık periyot için N10 ve iki saatlik periyot için N120 Anahtarlama işlemleri için şebeke empedansının faz açısı ψk ‘nın fonksiyonu olarak fliker adım faktörü kf(ψk), ve voltaj değişim faktörü, ku(ψk)
Maksimum harmonik akımları Ih, sürekli işletim için 10 dakikalık ortalamalar 50. harmoniğe kadar olan veriler.
3.1.1 Nominal Veriler P n, Qn, Sn, Un, In değerleri aşağıdaki gibi tanımlanmıştır:
Rüzgar türbininin normal çalışma koşullarında tasarlandığı maksimum elektriksel çıkış gücü başarımına Pn , anma gücü Anma reaktif gücü Qn, nominal voltaj ve frekansta nominal güç üretirken üretilen reaktif güç Anma görünür gücü Sn, nominal voltaj ve frekansta nominal güç üretirken türbinin üretilen görünür güç Anma akımı In, nominal voltaj ve frekansta nominal güç üretirken kullanılan türbin akımı
3.1.2 Maksimum Güç Sınırı Bir rüzgar türbininin 10 dakikalık ortalama çıkış gücü, türbin dizaynına bağlı olarak, anma gücünü aşabilir. Böylece Pmc türbinin 10 dakikalık ortalaması için beklenen maksimum güç miktarını açıkça tanımlamak için kullanılan bir parametredir. Çıkış gücü aktif kontrollü rüzgar türbinleri (ör. kanat açısı ve/veya hız kontrolü) tipik olarak Pmc=Pn ‘i sağlar. Çıkış gücü pasif kontrollü rüzgar türbinleri (ör. sabit hızlı, stall kontrollü) ekseriyetle Pmc, Pn’in %20’si fazla olacak şekilde ayarlanır. 3.1.3 Ölçülen Maksimum Güç 60 saniyelik ortalamanın maksimum güç ve 0.2 saniyelik ortalamanın maksimum değeri iki amaca yöneliktir. İlk olarak, P60 ve P0.2 farklı koruma rölesi ayarlı bağlantıları, ikinci olarak da izoleli şebekelerle bağlantılı rüzgar türbinlerinin özel durumları için gözetilmelidir. Bir değişken hızlı rüzgar türbini için P60=P0.2=Pn eşitliği sağlanırken, sabit-hızlı rüzgar türbinleri, stall yada pitch kontrollü, P0.2 genel olarak Pn’den daha büyük olacaktır. 3.1.4 Reaktif Güç Bir rüzgar türbininin reaktif gücü 10 dakikalık ortalama değerler tablosu halinde, 10 dakikalık ortalama çıkış gücünün bir fonksiyonu olarak %0.10…%90, anma gücünün %100’ü için, belirlenmelidir. Ayrıca Pmc P60 ve P0.2 için de reaktif güç belirtilmelidir. Asenkron generatörlü şebekeye doğrudan bağlı rüzgar türbinleri çıkış gücünün bir fonksiyonu olarak bir reaktif güç tüketir. Reaktif güç tüketimi kapasitörlerle kompnaze edilir. Modern frekans konvertörlü rüzgar türbinleri çoğunlukla reaktif güç kontrolünü istenilen şekilde ayarlama yetisine sahiptir. 3.1.5 Fliker Katsayısı Sürekli işletim halinde rüzgar türbinlerindeki güç dalgalanmaları buna bağlı olarak şebekede gerilim dalgalanmalarına sebep olur. Gerilim dalgalanmalarının genliği sadece rüzgar türbini güç dalgalanmasıyla nısbi şebeke gücüyle alakalı değildir, bunun yanında şebeke empedansı faz açısı ve rüzgar türbininin güç faktörüne bağlıdır.
Gerilim dalgalanmaları lambalarda ışık şiddetinde insan psikolojisini bozucu değişimlere sebep olabilir. Bu durum fliker olarak tanımlanır ve flikermetre ile IEC 61000-4-15 (IEC, 1997)’e göre ölçülür. Bir rüzgar türbinine ait fliker katsayısı aşağıdaki formülden hesaplanır:
c(k , Va )
Sk Pst Sn
1
Pst rüzgar türbininin fliker emisyonu, Sn türbinin görünür anma gücü, Sk şebekenin kısa devre görünür gücü. Fliker katsayısı, şebeke empedansının özel faz açısı (30°, 50°, 70° ve 85°) ve yıllık ortalama rüzgar hızı (6 m/s, 7.5 m/s, 8.5 m/s, 10 m/s) değerleri için yüzde 99 olarak verilmelidir. 3.1.6 Rüzgar Türbini Maksimum Anahtarlama İşlem Sayısı Aşağıdaki durumlarda oluşan anahtarlama işlemleri kayda değer gerilim dalgalanmalarına sebep olur:
cut-in rüzgar hızında türbinin başlaması anma rüzgar gücünde türbinin başlaması generatörler arasında anahtarlama (yalnızca birden fazla generatörlü yada çok sargılı generatörlü rüzgar türbinlerinde görünür)
Anahtarlama işlemleri yalnızca şebeke gerilimine etkileriyle değil sıklıklarıyla da değerlendirilir. Böylece 10-dakikalık 2-saatlik maksimum anahtarlama işlem sayıları belirtilmelidir. 3.1.7 Fliker Adım Faktörü Fliker step faktörü tek bir anahtarlama işlemi sırasında gerçekleşen fliker emisyonuna bağlı bir hesaplamadır.
Kf
1 Sk 0.31 Pst T p 130 S n
2
Tp anahtarlama esnasında oluşan gerilim dalgalanmasının süresi Pst rüzgar türbininin fliker emisyonu Sn rüzgar türbininin anma görünür gücü Sk şebekenin kısa devre görünür gücü
Değişken hızlı rüzgar türbinleri genel olarak düşük fliker adım faktörlüdür, sabit hızlı türbinlerde ise bu değer ortalama değerlerden (pitch kontrol) daha yüksek değerlere doğru (stall kontrol) değişir. 3.1.8 Gerilimdeki Değişim Faktörü Bir rüzgar türbinindeki anahtarlama işlemi esnasında meydana gelen gerilim dalgalanmasının bir fonksiyonu olarak elde edilir.
k u (k ) 3
U max U min S k Un Sn
Umin ve Umax minimum ve maksimum gerilim (RMS faz-nötr) değerleri; Un fazlar arası nominal gerilim;
3
Sn anma görünür gücü Sk şebeke kısa devre görünür gücü.
Gerilim değişim faktörü şebeke empedansının özel faz açıları için (30°,50°,70° ve 85°) ve farklı anahtarlama işlemleri için ayrı ayrı hesaplanmalıdır. Gerilim değişim faktörü ku devrilme akımı faktörü ki ile benzerdir. Değişken hızlı rüzgar türbinlerinin düşük gerilim değişim faktörlü olması beklenirken, sabit hızlı türbinler ortalama değerlerden (pitch kontrollü) yüksek değerlere (stall kontrollü) kadar değişiklik arz edebilir. 3.1.9 Harmonik Akımları Bir güç elektroniği dönüştürücülü rüzgar türbininin devamlı çalışması esnasında oluşturduğu harmonik akımlar belirlenmelidir. Tekil harmonik akımları 50. Harmoniğe kadar 10 dakikalık ortalamalar şeklinde hesaplanmalıdır ve buna ek olarak THD’nin de hesaplanması gerekmektedir. Güç elektroniği elemanları kullanılmayan asenkron generatörlü türbinlerde harmonik etkisi az sayıda santralden raporlanmıştır. Bu nedenle belirli bir prosedür oluşturulmamış ve kullanıcı şikayeti veya harmonik akımları sebebiyle bir ekipman hasarı gözlemlenmemiştir. IEC 61400-21 standardı bu nedenle bu tarz kurulumlar için harmonik hesaplamasını şart koşmaz. 3.1.10 Değişik Türbin Tiplerinin Güç Kalitesi Karakteristikleri
Tablo 2 - Türbin Tipine Göre Güç Karakteristikleri
Tip A0 sabit hızlı stall kontrollü, A1 sabit hızlı pitch kontrollü, A2 sabit hızlı aktif stall kontrollü türbinlerdir. A tipi türbinlerde sincap kafesli asenkron generatör kullanılır (SCIG). Tip B sınırlı değişken hızlı bilezikli asenkron generatörlerin (WRIG) kullanıldığı türbinlerdir. Tip C değişken hızlı ve kısmi ölçekli frekans kontrollü türbin tipidir. Çift beslemeli asenkron generatörler kullanılır (DFIG). Tip D tam ölçekli frekans konverterler aracılığıyla şebekeye bağlanan bilezikli senkron generatörlerin (WRSG) yada sabit mıknatıslı senkron generatörlerin kullanıldığı türbinlerdir.
3.2 Gerilim Kalitesi Üzerindeki Etki Bu bölümde 22kV dağıtım hattına bağlı 5x750kW’lık bir rüzgar çiftliği örneğini inceleyerek gerilim kalitesi üzerindeki etkisini araştıralım. Normalde gerilim sinyali sabit frekans ve genlikte ideal bir sinüs eğrisi formunda olmalıdır. Fakat pratikte ideal eğriden sapmalar olur. Temel olarak, en ufak üretim tüketim dengesizliği gerilim frekansı dalgalanmasına sebep olurken, hat kayıpları da gerilim genliğinde dalgalanmalara sebep olur. Büyük enterkonnekte şebekeler ada sistemlerine göre daha kararlı bir frekans aralığında çalışır. Bu durum büyük ölçekli şebekelerde talep dalgalanmasının daha az olmasından ve dolaşan kapasitenin büyüklüğünden kaynaklanır. Genlikteki değişimler şebekenin bağıl gücüyle ilişkilidir. Genel olarak iletim hatlarında güçlü şebekeler kullanılırken, dağıtım şebekeleri daha zayıf ve daha büyük genlik dalgalanmaları içeren şebekelerdir. EN 50160 (EN,1995) standardı şebeke gerilim karakteristiğini kullanıcı noktalarında düşük ve orta gerilim seviyeleri ve normal şebeke işletme şartları için belirlemiştir. İnceleyeceğimiz örnekte yalnızca kararlı hal durumları için belirlenmiş olan yukarıdaki standarda uygunluk durumunu değerlendireceğiz.
Şekil 10 - Örnek 1
Tablo 3 - Örnekteki rüzgar türbininin karakteristikleri
İlk şekilde gösterilen sistemdeki rüzgar türbinine ait karakteristik değerleri alttaki şekilde belirtilmiştir. Rüzgar türbinleri sabit hızlı ve yüksek hızlar için gücü sınırlayan stall kontrollü yani A0 tipindedir. Her bir türbin güç elektroniği elemanlarıyla devrilme akımını sınırlayan ve güç faktorünü düzenlemek için anahtarlı kapasite elemanları bulunduruyor. Şekilde görüldüğü gibi, rüzgar çiftliği 22kV’luk dağıtım şebekesine bağlıdır. Şebekenin kısa devre görünür gücü ortak bağlantı noktasında (PCC) kurulu rüzgar gücü kapasitesinin yaklaşık 10 katıdır. Dolayısıyla, şebeke görece zayıftır ve rüzgar çiftliğinin çalışması 22 kV fiderinden beslenen müşterilerin gerilim kalitesinde belirgin etkilere sebep olacaktır. 22 kV fideri ölü aralığı 1% olan bir gerilim trafosuyla 132kV’luk şebekeye bağlanıyor. Bu gerilim seviyesi için artık 5.750kW’lık rüzgar çiftliğinin gerilim kalitesini etkilemesi beklenmez. Bu yüzden bu örnek üzerindeki inceleme 22 kV’lık dağıtım fideriyle sınırlandırılmıştır. 3.2.1 Gerilim Dalgalanmaları Yük akış analizleri gerilim dalgalanmaları gözlemlenerek gerçekleştirilebilir. Genel olarak, bütün yük durumu olasılıkları için gerilim dalgalanmaları hesaplanmalıdır. Örneğin, her ne kadar oldukça basite indirgenmiş olsa da her türbin omik güç faktöründe çalışıyorken, aşğıda belirtilen iki farklı yük durumunu gözden geçirebiliriz:
fiderin bir ucunda azami güç tüketimi varken, rüzgar güç üretimi olmaması fiderde asgari güç tüketimi varken, rüzgar güç üretiminin maksimum olması
Yandaki şekilde iki yük durumu için sonuçlar gösterilmiştir. Grafikte 1. düğüm noktası trafo uçlarını temsil etmekteyken, 5x750kW’lık rüzgar çiftliği 54-58 numaralı düğüm noktalarına bağlıdır. Diğer bağlantı noktaları ise yükler/tüketicilere aittir. Orta ve alçak gerilimdeki per unit (p.u.) cinsinden gerilim farklarının sebebi A.G. hatlarındaki gerilim düşümü ve AG transformatörünün kabul edilen kademe değişim noktalarıdır.
Şekil 11 Yük Akışı Analizi Sonuçları
EN 50160 standardına göre, yavaş gerilim dalgalanmaları tüketici bağlantı noktalarında 10 dakikalık ortalamalara göre ölçülür ve Un’in %10 aralığında, haftanın %95’i için sağlanıyor olmalıdır. Bunun yanında, yalnızca alçak gerilim için, yavaş gerilim dalgalanmaları Un’in -%15 ile +%10u aralığında olmalıdır. Sonuç olarak, örnek aldığımız sistemin standartlara uygun olduğunu görüyoruz. Öte yandan gerilim dalgalanması rüzgar çiftliğinin büyümesini zorlaştırabilir; çünkü büyümesi durumunda maksimum gerilim değeri artacaktır. Bu durumda, bu zorluk rüzgar türbinlerinin güç faktörleri ayarlanarak aşılabilecektir. Güç faktörünü omik durumdan 0.98 (endüktif) olarak ayarlamamız maksimum gerilimi %1.5 oranında azaltarak bir başka rüzgar türbini kurulumu için yeterli olacaktır. Esasında 0.98 güç faktörü için rüzgar çiftliği toplamda 8x750kW kurulu gücüne kadar genişletilebilir. Elbette ki, asgari ve azami yük durumları için tahminlerdeki olası belirsizlikler güvenlik sınırlarını zorlayabilir. Bu, öte yandan, olası bir gerilim dalgalanması zorlanması durumuna türbinlerin güç faktörlerini ayarlayarak müdehale edilmesi önerisini geçersiz kılmaz. Düşürülen güç faktörü değerleri şebeke kayıplarını arttırması konusunda tartışılabilir. Bu demektir ki, güç faktörü regülasyonu dikkatle uygulanmalıdır ve alternatif çözümler belirlenmelidir. 3.2.2 Fliker Fliker ve/veya ani gerilim dalgalanmaları genel olarak yükteki ani değişimler veya sistemdeki anahtarlama işlemleri sırasında meydana gelir. EN 50160 standardına göre, fliker şiddeti Un geriliminin %5’ini geçmemelidir; buna rağmen gün içinde birkaç defa Un ‘in %10’unu geçebilir. Fliker şiddeti kısa-zaman değeri, 10 dakikalık periyotlar için ölçülen Pst, veya uzun-zaman değeri Plt, Pst’ye bağlı olarak 2 saatlik periyotlar için hesaplanarak ifade edilebilir:
EN 50160 standardına göre, uzun zamanlı fliker şiddeti haftanın %95’i için 1’den küçük veya eşit olmalıdır. Fliker etkisi subjektif olarak gözlemlenir; kimi durumlarda Plt=1 iken insanları rahatsız edebilirken, bazı durumlardaysa daha büyük değerler kabul edilebilir. Tüketici bağlantı noktalarında Plt 1 koşulundan emin olmak için, şebekeye bağlı herbir fliker kaynağının etkisi sınırlandırılmalıdır; örneğin, kullandığımız örnekteki şebekede, rüzgar çiftliğinin ortak bağlantı noktasında (PCC) sırasıyla kısa-zamanlı ve uzun-zamanlı fliker emisyon sınırları olmak üzere, EPst=0.7 ve Eplt=0.5 şeklindedir. Diğer şebekelerde, başka değerler IEC 61000-3-7 (IEC, 1996b) standardından faydalanılarak tespit edilebilir. Rüzgar türbinleri fliker etkisi üretir. Bu türbinlerde anahtarlama işlemleri devreye girme (startup) ve sürekli çalışma durumlarında çıkış gücündeki ani dalgalanmalar gibi durumların bir sonucudur. IEC 61400-21 referans alınarak, tek bir türbin için veya rüzgar çiftliği için fliker emisyonu belirlenebilir. Anahtarlama işlemlerine bağlı ve sürekli çalışma durumu için fliker emisyonunu belirlemek için prosedürler aşağıdaki gibidir. Anahtarlama işlemleri: Her bir türbin fliker adım faktörü kf(ψk) ile karakterize edilmiştir. Bu değer, en kötü anahtarlama durumu için ölçülür. En kötü durum olarak türbinlerin devreye girmesi (start up) düşünülebilir. IEC 61400-21 aynı zamanda generatörler arası anahtarlama için ölçümleri istese de bu prosedürün soru işaretli türbinler için uygulanması yeterlidir. Devamında, prosedür gereği, her bir türbin için maksimum devreye girme sayısı, 10 dakikalık ve 2 saatlik olarak belirlenir. Bu karakteristiklere bağlı olarak fliker emisyonu en kötü anahtarlama durumu için aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
Nwt toplam türbin sayısını ifade eder. Örneğin Pst=0.71 ve Plt=0.68 değerleri bizim örneğimizdeki sınırları aşmaktadır. Böylece, devreye girmelere bağlı fliker emisyonu şebekeyi zorlayacaktır. Bu güçlük, düşük fliker adım faktörlü başka tipte bir türbin kullanarak aşılabilir (Örn: pitch kontrollü, yarı-değişken hızlı tip). Bir başka alternatif de 10 dakikalık periyot içinde yalnızca belli sayıda türbinin devreye girmesine izin vermek olabilir. Sürekli çalışma: Kararlı durumda fliker emisyonunu belirlemek için izlenecek olan prosedür; her bir türbin için karakteristik fliker katsayısı c(ψk,va) kabul edilir. Tek bir türbinden kaynaklanan fliker emisyonuna ulaşmak için, fliker katsayısının değişkenleri ψk ve va basitçe Sn/Sk ile çarpılır. Rüzgar çiftliğinin fliker emisyonu ise aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanabilir.
Formülizasyonda kısa-zamanlı ve uzun-zamanlı fliker emisyonu değerlerinin eşit olarak alınmasının sebebi, kısa-zamanlı fliker emisyonu için oluşan koşulların uzun-zamanlı fliker emisyonu için de devamlı olacağı kabulüne dayanır. Ayrıca formülizasyonda rüzgar türbinlerinin çıkış güçlerinin birbirinden bağımsız olduğu kabul edilmiştir. Tabii ki bazı durumlarda rüzgar türbinleri senkronize çalışabilir, güç dalgalanmaları örtüşebilir. Bu durum için formül fliker etkisini gerçekten az olarak verecektir. Örneğin Pst=Plt=0.49 değerleri, limit değerimiz olan Eplt=0.50’nin yalnızca biraz altındadır. Eğer rüzgar çiftliği aynı tipte daha fazla rüzgar türbiniyle genişleyecekse fliker emisyonu limit sınırlarını aşacak düzeyde artacaktır. Bu durumda daha küçük c değerine sahip bir türbin tipi seçmemiz gerekir. İlk olarak c=10.9 sabit hızlı stall kontrollü bir türbin için görece büyük bir değerdir, bu nedenle tipik değer olarak kabul edilemez. Kesinlikle, bir yarı-değişken hızlı türbin daha küçük c karakterine sahip olacaktır. 3.2.3 Gerilim Düşümü Gerilim düşümü EN 50160 standardında gerilim değerinin Un ‘in %1’i ile %90’ı arasında 1ms-1 dakika boyunca ani olarak azalması olarak tanımlanmıştır. Bir yılda gerilim düşümü sayısı bini bulabilir. EN 50610’a göre %10 ile %15 şiddetindeki gerilim düşümleri genel olarak yüklerin anahtarlanmasına bağlıdır, daha şiddetli durumlar ise arızalardan kaynaklanır. Bir rüzgar türbininin devreye girmesi de gerilim düşümüne sebep olur. Her bir rüzgar türbininin bir gerilim düşümü faktörü ku(ψk) ile karakterize edildiği kabul edilerek, ani gerilim düşümü aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanabilir:
Bir rüzgar çiftliğinde birkaç rüzgar türbininin birden aynı anda devreye girmesi ihtimali düşük olduğundan bu formül türbin sayısına göre bir yaklaşım sunmamaktadır. Örnekteki türbinler için, d=%3.0’tür. Bu gerilim düşümü pek çok durum için kabul edilebilir düzeyde ve 0.90 p.u.’lik bir gerilim dipine karşılık gelmektedir. Yalnızca devreye girme işlemi şebekede büyük bir yükle senkron gerçekleşirse sorun teşkil edebilir. 3.2.4 Harmonik Gerilimi Nonlineer yükler (akımı kontrol eden yükler gerilimin lineer bir fonksiyonu değildirler) gerilim dalga şeklini bozar ve bazı durumlarda nötr iletkenlerinde ve dağıtım transofmratörlerinde aşırı ısınmalara sebep olurlar. Ayrıca elektronik cihazlarda işlev bozuklukları ve haberleşme sistemlerinde bozukluklara sebep olur. Nonlineer yüklere örnek olarak güç elektroniği dönüştürücüleri, ark fırınları, florasan lambalar gösterilebilir. Bozulmuş dalga şekilleri Fourier denklemleri yardımıyla farklı frekans ve genlikteki sinüs dalgalarının bileşimi olarak ifade edilebilir. Temel frekansın tam sayı katı frekanslardaki sinüs dalgalarına harmonikler, diğerlerine ara-harmonikler denir. Harmonik gerilimleri, Uh olarak ve h harmonik derecesini olacak şekilde gösterilir. Bağıl harmonik değeri aşağıdaki şekilde hesaplanır:
EN 50160 standardına göre, 10 dakikalık RMS ortalamaları her bir uh değeri haftanın %95’i için şekilde gösterilen değerlerin altında olmalıdır. Gerilim toplam harmonik distorsiyonu da %8 olmalıdır.
Şekil 12 - Harmonik Sınırları
EN 50160 yüksek dereceli harmoniklerin küçük değerler olduğunu kabul ettiği için bir limit getirmezken, bu değerler büyük ölçüde tahmin edilemez. Öte yandan rüzgar türbinlerinde güç dönüştürücüleri olarak PWM dönüştürücüler kullanılır ve bunlar 2-3 kHz aralığında çalışırlar. Bu yüzden IEC’nin de şart koştuğu 50. harmoniğe kadar değerlerin hesaplanması rüzgar türbinlerinin harmonik emisyonu için doğruyu yansıtmaz. Bunun yanında harmonki ölçümleri yapmayı güçleştiren şebekede zaten var olan harmoniklerdir. Şebekede halihazırda olan etkin 5 ve 7. harmonikler ve diğer harmonikler için rüzgar türbinleri tüketici gibi davranır ve bütün ölçümler bundan etkilenir. Harmonik gerilimleri sınır değerler içinde tutmak için her bir harmonik akım kaynağı sınırlandırılmalıdır. Bunun için IEC 61000-3-6 rehber olarak kullanılabilir. Bir asenkron generatörlü doğrudan şebeke bağlantılı rüzgar türbini gerilim dalga şeklini bozmaz. Yumuşak yol vermeler için kullanılan güç elektroniği elemanları da darbe şeklinde ve küçük genlikli gerilim darbelerine neden olur ki bu da kabul edilebilir bir durumdur. Öyleyse, sabit hızlı rüzgar türbinleri harmonik sınırları açısından bir sorun yoktur. Öte yandan, güç elektroniği dönüştürü elemanlarıyla değişken hızlı rüzgar türbinleri, ciddi harmonik kaynaklarıdırlar. Rüzgar türbinlerinin şebekeye bağlanmasının farklı sonuçları vardır, bu sonuçlar çoğunlukla türbin çeşidine göre değişir. Yukarıdaki bahsedilen sonuçlar bunlardır. Ortalama güç üretimi ise, türbülans yoğunluğu rüzgar paylaşımı gibi jeografik ve meteorolojik etkenlere bağlıdır. Bütün diğer sonuçlar yalnızca türbinin teknik performansıyla alakalıyken güç kalitesi motorun aerodinamiği, rotor ve sürme devresinin mekanik davranışı gibi elektriksel yapısından bağımsız etmenlere de bağlıdır.
Güç Kalitesi Sorunu
Gerilim Yükselmesi Gerilim dalgalanması ve flikerlar
Harmonikler
Reaktif Güç Tüketimi
Gerilim pikleri/dipleri
Nedenleri Güç üretimi Anahtarlama işlemleri Kule gölgelenme etkisi Kanat açısı kontrolü pitch kontrol hatası Yaw hatası Rüzgar paylaşımı Rüzgar hızındaki dalgalanma Frekans inverterleri, tristör kontrolörleri Endüktif bileşenler generatörler Anahtarlama işlemleri
veya
asenkron
Tablo 4
Güç Pikleri: Değişken hızlı türbinler (Tip C ve D) inverter sistemin çıkışındaki güç değerini pitch kontrol sayesinde kontrol edebilir, böylece güç dalgalanmalarını ve güç piklerini düzeltebilir. Böylelikle güç pikleri anma gücü aralığında kalır. Diğer taraftan, ani güç pikleri sabit hızlı rüzgar türbinleri (tip A) için anma gerilim değerinin %30 ve daha fazlası olabilir, hatta pitch kontrollü sabit hızlı türbinler için de. Pitch kontrol hızlı güç pikleri için yeterince çabuk değildir. Ancak 1 dakikalık ve 10 dakikalık pikleri pitch kontrol tarafından elemine edilebilir. Stall kontrollü rüzgar türbinleri için güç pikleri her şeyden çok hava basıncı ve sıcaklığına bağlıdır. Bu koşullar güç piklerinin anma gücünü %10 ile %20’si oranında aşmasına sebep olabilir. Reaktif Güç: Sabit hızlı asenkron generatörlü rüzgar türbinlerinin reaktif güç ihtiyacı kapasitör üniteleri tarafından kompanze edilir. Böylece güç faktörü 0.96 civarında olur. Değişken hızlı rüzgar türbinlerinin reaktif gücü kontrol etmek için bir dönüştürücüsü vardır. Bundan dolayı güç faktörü 1.00’dir ve ayrıca bu türbinlerle reaktif güç kontrolü de yapılabilir. 3.2.5 Sistem Dinamiği ve Kararlılığı Etkisi Rüzgar santrallerinin sistem dinamiği ve kararlılığı üzerindeki bozucu etkileri, bu santrallerin türbinlerindeki generatör sistemlerinin, konvansiyonel santrallerdeki senkron generatörlerden farklı olmalarından kaynaklanmaktadır. Bu generatörlerin bağlantı noktasındaki gerilim ve frekansa bağlı tepkileri, diğer senkron generatörlerden farklılık göstermektedir. Değişken hızlı türbinlerin elektronik güç çeviricileri, gerilim düşümüne bağlı aşırı akımlara çok duyarlı olduğundan, küçük bir gerilim düşümünde bile, bir bölgedeki rüzgar santralleri topluca açabilmektedir. Bu durumda, şebekede çok önemli sorunlara yol açabilecek sistem kararlılığının korunması konusunda problemler meydana gelmektedir. Bir taraftan, rüzgar santralinin çalışması, şebeke dinamik davranışını ve çalışmasını veya ona bağlı olabilecek özel cihazların çalışmasını etkilememeli veya zarar vermemelidir. Bu, rüzgar çiftliğinin çalışma koşulları ve çeşitli konfigürasyonlar için kontrol edilmek zorundadır. Bunlara, çalışmaya başlama, çalışmayı kesme ve rüzgar hızı değişimleri gibi örnekler verilebilir. Diğer taraftan, rüzgar çiftliğinin devre dışı olarak bağlantısının kesilmesi, ani gerilim düşmeleri ve arızalar gibi şebeke üzerinde yaşanan şiddetli bozukluklar durumu kötüleştirebilir. Bu, ada şebekelerde veya yüksek rüzgar gücü bağlantılı iletim şebekelerindeki üç fazlı hatalarda özellikle doğrudur. Eğer rüzgar çiftliği devre dışı kalırsa, bu önemli üretim kaybına yol açabilir. Bu durum, enerji dağıtım istasyonlarındaki aşırı yükü kaldırmak için, belirli bölgelerde kısa süreli elektrik
kesintilerine, hatta daha kötü durumda sistemin çökmesine sebep olabilir. Bundan dolayı, bağlantı noktasındaki gerilim seviyesine bağlı olarak, şebeke operatörleri, rüzgar çiftliklerinin hata taşıma yeteneğine sahip olmasına ihtiyaç duyabilirler. Böylece belirlenmiş olan ani gerilim düşmelerine karşı koyabilirler [24].
4 Rüzgar Çiftliklerinin Şebeke Bağlantısı için Teknik Düzenlemeler Endüstriyel teknik standardlar genelde IEEE ve IEC kurumları kaynaklı olurlar. Bu standardlar, öte yandan, özel organizasyonlar tarafından ya da yasalarca şart koşulmadıkça, yalnızca gönüllü çalışmalardır. Bu nedenle, bunlara ek olarak, rüzgar türbinlerinin şebeke entegrasyonu için pek çok milli ve bölgesel standartlar, şartnameler, rehberler, öneriler, kılavuzlar bulunur. 1980’lerin sonlarında Avrupa’daki dağıtım şirketleri kendi bağlantı kriterleri ve standartları geliştirmeye başladılar. 1990’larda her bir dağıtım şirketi için farklı olan standartlarda milli düzeyde bir uyuma gidildi (Almanya, Danimarka). 2000’lere gelindiğinde büyüyen ve yaygınlaşan rüzgar türbinleri için artık dağıtım şebekelerine entegrasyonun ötesinde iletim şebekelerine entegrasyon için standart gereksinimi doğdu. Bu bölümde, dünyada var olan farklı standartların karşılaştırması yapılacaktır. Entegrasyon kurallarını iki bölümde inceleyeceğiz:
110kV’tan düşük gerilimli şebekelere bağlı rüzgar türbini/çiftliği 110kV’tan yüksek gerilimli şebekelere bağlı rüzgar türbini/çiftliği
4.1.1 110 kV’tan Düşük Şebekeler için Düzenlemeler Bu bölümde 110 kV’tan düşük dağıtım hatları (AG) ve orta gerilim (MV) seviyeleri için düzenlemeler incelenmiştir. Bu düzenlemelerin amacı kurulum rehberleri, rüzgar türbinleri ve şebekeler için teknik destek ve gereksinimler, gerilim kalitesi ve enerji sürekliliğini sağlamak için bir temel oluşturmaktır. Yine bu düzenlemeler türbin yapısından ve tasarımından bağımsız olmalıdır (Asenkron ya da senkron generatörlü, inverterli olup olmaması vb.). Danimarka: DEFU 111: Danimarka Elektrik Standartları Araştırma Enstitüsü (DEFU) 1998 yılında ‘Alçak ve Orta Gerilim Şebekelerine Rüzgar Türbinlerinin Bağlanması’ ya da DEFU 111, olarak bilinen bir entegrasyon kılavuz raporu yayımlamıştır. Rapor rüzgar türbinlerinin yüksek girişimi durumunda doğacak güç kalitesi kararlılık problemlerini ya da rüzgar çiftliklerinin kısa devre gücü küçük noktalarla rüzgar çiftliklerinin bağlanması ve toplam kurulu rüzgar gücü gibi konularda eksik olduğundan 2003 yılında gözden geçirilerek güncellendi. Danimarka: Eltra ve Elkraft: Danimarka’nın iki iletim şirketinin Eltra (Batı Danimarka) ve Elkraft System (Doğu Danimarka) katkılarıyla oluşan yeni dağıtım şebekesi ihtiyaçlarına yönelik ve muhtemelen DEFU 111’in yerini alacak olan yeni bir çalışma yürütülmüştür. ‘100 kV’tan Düşük Gerilim Seviyelerinde Şebekelere Bağlı Rüzgar Türbini Generatörleri’ adıyla düzenlemeler 1 Haziran 2004’te uygulanmaya başlandı. Bu düzenlemeler rüzgar türbinlerinin regülasyon ve dinamik ölçülerinin sistem kararlılığını ve güvenliğini, gerilim kalitesini sağlamasından emin olmak üzere yapıldı.
İsveş: AMP: DEFU 111’in İsveç’teki karşılığı AMP olarak bilinir. Birçok konuda DEFU 111 ile uyumludur. Kılavuz şebeke stabilite problemleri ve yüksek rüzgar gücü girişimi durumlarını göz önünde bulundurmamıştır. Almanya: VDEW Rehberi: ‘Orta Gerilim Şebekelerinde Üretim – Üretim Araçlarının Orta Gerilim Şebekeleriyle Bağlanması ve Çalışması Kılavuzu’ Alman Elektrik Kurumu (VDEW) tarafından 1998 yılında yayımlanmıştır. Kılavuz güç kalite ölçümlerini her bir türbin tipi için şart koşar. 1992 yılında ilk kez detaylı güç kalitesi ölçümleri eklenmiştir. Birleşik Krallık: G59/1 ve G75: Birleşik Krallıkta 5MW’a kadar 20kV ve altındaki generatörlerin bağlantı koşullarını belirleyen, Elektrik Kurumu’nun 1990 yılında çıkarttığı G59/1 öneri raporudur. Sonrasında 1996 yılında 5 MW’tan büyük 20 kV ve altındaki generatörler için G75 oluşturulmuştur. 4.1.2 110 kV’tan Yüksek Şebekeler için Düzenlemeler Bu bölümde iletim hatları için bağlantı koşullarıyla ilgili kısa bir giriş yapılacaktır. Danimarka: Eltra: Eltra’nın 2000 yılında düzenlediği ‘Rüzgar Çiftliklerinin İletim Hatlarına Bağlantısı için Şartname’, 100 kV’tan yüksek gerilimli hatlara rüzgar çiftliklerinin bağlantı koşullarını belirlemektedir. İletim şirketi tarafından yeter şartlar belirtilmiş ve bu şartlar rüzgar çiftliği sahipleri tarafından sağlanmalıdır. Almanya: E.ON: Alman iletim şirketi E.ON Netz, devamlı olarak entegrasyon kurallarını güncellemektedir. 2003 yılı Ağustos ayında 60 kV ve 110 kV hatlar için ve ekstra yüksek gerilim (220 kV 380 kV) hatları için rüzgar çiftliği bağlantı kuralları da belirlenmiştir. İrlanda: ESB: İrlanda Elektrik Kurulu (ESB) tarafından 2002 belirleyen bir taslak hazırlanmıştır. 4.1.3
yılında ESB NG bağlantı kurallarını
Teknik Entegrasyon Düzenlemelerinin Karşılaştırılması
4.1.3.1 Aktif Güç Kontrolü Güç sistemlerinde güç üretimi ve tüketimi bir denge içinde tutulmalıdır. Güç talebi ve arzındaki değişiklikler geçici dengesizlikler oluşturabilir ve elektrik santrallerinin çalışma koşullarına ve aynı zamanda tüketicileri de etkiler. Uzun süreli dengesizlikleri engellemek için güç talebi tahminleri yapılarak elektrik santrallerinin enerji üretimi buna göre ayarlanır. Aktif güç kontrolü rüzgar çiftliklerinin sabit bir frekansta çalışması, iletim hatlarını aşırı yüklemesinden sakınmak ve güç kalitesi standartlarına uygun bir şekilde büyük gerilim adımlarını engelleyerek ve devreye girme ve devreden çıkma esnasında çekilen in-rush akımlarını sınırlamak için yapılır.
Tablo 5- Aktif Güç Kontrolü Standartları
4.1.3.2 Frekans Kontrolü Güç sistemlerinde, frekans üretim ve tüketim arasında bir denge/dengesizlik indikatörüdür. Normal çalışma esnasında, frekans nominal değerine yakın olmalıdır. Avrupa ülkelerinde frekans genellikle 50 0.1 Hz arasında ve çok nadir olarak 49-50.3 aralığının dışında olur. Üretim ve tüketim arasındaki dengesizlik durumunda, primer ve sekonder kontrol denge durumuna dönmek için kullanılır. Eğer, örneğin, tüketim üretimden büyükse, büyük senkron makinalardaki dönme enerjisi üretim ve tüketim dengesini korumak için harcanır ve, sonuç olarak, generatörün dönüş hızı azalır. Bu da sonuçta sistem frekansını düşürür. Güç sistemlerinde, frekansa karşı hassas ekipmanlar bulunur. Bu ekipmanlar primer kontrol ekipmanları olarak adlandırılır. Primer kontrol elemanları üretimlerini denge oluşuncaya dek arttırarak frekans değerini korurlar. Bu kontrol 1-30s arasında değişen bir zaman alır. Frekans değerini nominal değerine getirmek ve birincil rezervleri devreden çıkartmak için, ikincil kontrol elemanları 10-15 dakika arasında değişen bir zamanda cevap verir. İkincil kontrol elemanları böylece daha yavaş bir üretim artışı veya azalışı cevabı verir. Bazı ülkelerde otomatik üretim kontrolü kullanılırken, diğer ülkelerde sekonder kontrol manuel olarak sistem operatörünün isteğiyle uygulanır. Normal koşullarda, bir rüzgar çiftliğinin güç çıkışı 15 dakika içinde kurulu gücünün %15i oranında değişebilir. Bu üretim ve tüketim arasındaki dengesizliği arttırıcı bir etki yapar. Ekstrem rüzgar koşullarında ve sonrasında ise daha büyük güç üretim dalgalanmaları oluşur. Rüzgar türbinleri diğer enerji kaynaklarına göre kontrol edilemeyen bir kaynak kullandığı için, birincil frekans kontrolü yetenekleri sınırlı yapılardır. Buna karşın ESBNG rüzgar çiftlikleri için termal elektrik santralleriyle aynı primer frekans kontrolü şartlarını belirlemiştir. Yüksek frekanslarda frekans kontrolü türbinlerin kapatılması veya kanat açısı (pitch) kontrol yöntemiyle sağlanabilmektedir. Rüzgar kaynağı kontrol edilemediğinden, güç üretimi normal frekanslar için mümkün olandan az düzeyde tutularak, düşük frekanslarda sekonder frekans kontrolü yapabilmek mümkündür. 4.1.3.3 Gerilim Kontrolü Yükler ve şebeke elemanları belli bir gerilimde çalışmak üzere tasarlanmıştır. Gerilim stabilite problemlerini önlemek ve gerilimi gerekli aralıklarda tutabilmek için generatörlerde reaktif güç kontrolü ve gerilim regülatörleri kullanılır. Rüzgar türbinleri de gerilim regülasyonu sağlamak durumundadır. Şartnameler rüzgar türbini/çiftliği bağlantı noktasında işletme gerilimi aralığını ya da sağlaması gereken reaktif güç kompanzasyonunu belirtir.
Tablo 6 - Frekans Kontrolü Şartları
Transformatörlerin basamak adımları da 110 kV hatlar için %2.5’tan, 220-400kV hatlar için %1.6’dan büyük olmamalıdır. 4.1.3.4 Rüzgar Çiftliği Koruması Rüzgar santrallerinin şebekedeki bir arıza durumunda hemen devreden çıkartılması şebeke üzerindeki baskıyı arttıracaktır. Arıza durumunu takip eden birkaç dengesizlikten sonra iletim veya dağıtım hatlarının bazılarının devreden çıkacağı ve üretim tüketim dengesizliği doğabileceği ihtimali için rüzgar türbinleri gerilim ve frekans aralıkları aşılmadığı sürece devreden çıkarılmaması tercih edilir.i14
14
Technical Regulations for the Interconnection of Wind Farms to the Power System – Julija Matevosyan, Thomas Ackermann ve Sigrid M. Bolik
Rüzgar türbinleri şebekedeki arıza durumlarında meydana gelen kısa devre akımı değerleri, gerilim düşümü veya gerilim yükselmesi koşullarından zarar görebilir. Bu nedenle röle koruma sisteminin iki amacı bulunmaktadır:
Arıza sırasında ve sonrasında şebekenin normal çalışma şartlarını koruması için rüzgar türbinlerinin yardımcı olması Şebekedeki arızalardan kaynaklanabilecek hasarlara karşı rüzgar türbinlerini korumak.
Tablo 7 - Gerilim Kalitesi Standartları
4.2 Türkiye’de Rüzgar Türbinlerinin Uyması Gereken Kriterler 15 Türkiye’de kurulacak rüzgar santralleri 24 Eylül 2008 tarihli Resmi Gazete’de yayınlanan Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliğinde Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik ve Şebeke Yönetmeliği Ek18’de belirtilen “Rüzgar Enerjisine Dayalı Üretim Tesislerinin Şebeke Bağlantı Kriterleri”ni sağlamak zorundadır. Bu ekte yer almayan konular için ise Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliğinin ilgili hükümleri ve diğer yönetmelikler geçerliliğini sürdürmektedir. Ek-18’de yer alan kriterler iletim sistemine bağlı rüzgar enerjisine dayalı üretim tesisleri ile dağıtım sistemine bağlı kurulu gücü 10 MW ve üzerinde olan rüzgar enerjisine dayalı üretim tesislerini kapsamaktadır. Ek-18’de yer alan kriterlerde şebeke kodu dokümanlarında belirtilen bazı kurallar yer almaktadır. Bunlar rüzgar türbinlerinden arıza sonrasında sisteme katkı yapması, aktif güç kontrolü, frekans tepkisi, reaktif güç kapasitesi ve rüzgar santrallerinin şebeke bağlantı trafosu ile ilgili gerekli koşullardır. Arıza Sonrasında Sisteme Katkı:
Herhangi bir fazda veya tüm fazlarda oluşan gerilim düşümlerinde rüzgar türbini şebekeye bağlı kalmalıdır. Bununla ilgili olarak arıza sırasında gerilim düşümünün bulunduğu bölgeye göre şekil Gerilim düşümünün 1 numaralı bölgede olması halinde rüzgar türbini aktif gücü arıza temizlendikten hemen sonra saniyede nominal gücünün % 20’si oranında artırılarak, üretilebilecek maksimum aktif güç değerine ulaşması Gerilim düşümünün 2 numaralı bölgede olması halinde rüzgar türbini aktif gücü arıza temizlendikten hemen sonra saniyede nominal gücünün % 5’i oranında artırılarak, üretilebilecek maksimum aktif güç değerine ulaşması Gerilim dalgalanmalarında rüzgar türbininin reaktif güç tepkisi Şekil-14’e göre olmalıdır. Şebeke geriliminde meydana gelebilecek % 10’a kadar olan dalgalanmalarda rüzgar türbini tepki vermeyecektir. Bunun üzerindeki dalgalanmalarda nominal gerilimin % 1’lik değişimi için nominal akımın % 2’si oranında reaktif akım desteği sağlanmalıdır. Bu destek 20 milisaniye içinde gerçekleşmeli ve 3 saniye boyunca sürdürmelidir.
Aktif Güç Kontrolü : İletim sistemine bağlı rüzgar santrallerinde acil durumlarda TEDAS tarafından gönderilecek sinyallerle tesisin toplam kurulu gücünün 20-%100’ü arasında otomatik olarak aktif güç kontrolü yapabilme özelliği olmalıdır. Bu kapsamda yük alma/ yük atma hızı:
Kurulu gücü 100 MW ve altındaki RES’ler için dakikada kurulu gücün % 5’i Kurulu gücü 100 MW ve üzerindeki RES’ler için dakikada kurulu gücün % 4’ü
Frekans Tepkisi :
15
Rüzgâr Türbinleri Şebeke Yönetmeliğinin 11. maddesinde belirtilen frekans aralıkları ve çalışma sürelerine göre çalımsalıdır. Şebeke frekansı 50.2 Hz’in üzerinde olduğu durumlarda ilave rüzgâr türbini devreye girmemelidir.
Altuntaşoğlu, Z.T., Rüzgar Türbinleri Güç Kalitesi Şebeke Kodları
Rüzgâr türbini şebeke frekansı 47.5-50.3 Hz aralığında olduğu sürece emre amade gücünün tamamını üretebilmeli, şebeke frekansının 50.3’ün üzerine çıkması halinde her 100mHz frekans artısı için emre amade gücünün % 5’i oranında yük atabilmelidir (Sekil-15)
Reaktif Güç Kapasitesi :
Rüzgâr üretim tesisi iletim sistemine bağlantı noktasında Şekil-16’da koyu çizgilerle belirtilen sınırlar arasındaki güç faktörü değerleri için (düşük ikaz güç faktörü .835-aşırı ikaz güç faktörü 0.835) her noktada çalışabilmelidir. Şebekeye bağlı trafonun kademe oranları, Sekil-5 Z noktasında (şebeke bağlantı noktasındaki trafonun yüksek gerilim tarafındaki noktada) nominal gerilimin %10’u olan her gerilim değeri için Y noktasında (trafonun orta gerilim tarafında) nominal gerilimi sağlamalıdır.
Şekil 13
Şekil 15
Şekil 14
Şekil 16
5 Kaynakça EWEA. (2010, 02 02). Wind In Power 2010 European Statistics. GWEC. (2010, 02 02). Global Wind Statistics 2010. Brüksel, Belçika. TEİAŞ. (2011, 01 01). 2010 Faaliyet Raporu. TWEA. (2010, 02 02). Türkiye'de Rüzgar Enerjisi. İstanbul. Ackermann T., 2005 Wind Power in Power Systems, John Wiley & Sons, Ltd, Chiester. Tekin K., 2006 Rüzgar Santralleri İçeren Elektrik Sistemlerinde Etkilenmeler ve Kısa-devre İncelemesi (Yüksek Lisans Tezi) Mahir Aydın, 2003, Rüzgar Enerjisi, Mühendis Türk, Nisan, 15-17 Uygun C., Eker M.K., Rüzgar Enerji Santrallerinin Şebekeye Bağlanması Durumunda Enerji Kalitesi Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi Altuntaşoğlu Z.T., Rüzgar Türbinleri Güç Kalitesi ve Şebeke Kodları Prof Dr. Ermiş M., Rüzgar Enerjisi Santrallarının Türkiye Elektrik Sistemine Entegrasyonu, 2009
