Rüzgar Elektrik Santrallerinin Şebeke Entegrasyonu ............................................................................. 5

1. 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

2 Rüzgar Türbinleri ............................................................................................................................ 9

2.1 Rüzgar Türbinlerinde Generatörler ve Güç Elektroniği Bileşenleri ....................................... 10

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 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

3 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

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

4 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 Türkiye’de Rüzgar Türbinlerinin Uyması Gereken Kriterler .................................................. 40

5 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

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 durumdadır

5.

3 TÜREB (TWEA) – www.ruzgarenerjisibirligi.org.tr

MW % ADET

FUEL-OİL + ASFALTİT + NAFTA + MOTORİN 1.392,5 2,6 26

İTHAL KÖMÜR + TAŞ KÖMÜRÜ + LİNYİT 12.355,7 23,3 24

DOĞALGAZ + LNG 16.220,5 30,6 151

YENİLENEBİLİR + ATIK 115,4 0,2 18

ÇOK YAKITLILAR KATI+SIVI 531,5 1,0 8

ÇOK YAKITLILAR SIVI+D.GAZ 3.548,5 6,7 52

JEOTERMAL 114,2 0,2 7

HİDROLİK BARAJLI 13.484,6 25,4 57

HİDROLİK AKARSU 3.596,1 6,8 250

RÜZGAR 1.691,8 3,2 47

TOPLAM 53.050,7 100,0 640

KATKISANTRAL

SAYILARIKURULUŞLAR

KURULU

GÜÇ

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 self-

endüktansıdır. 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

EWEA – Annual Statistics 2010 13

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:

PstSn

SkVakc ),(

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.

31.0

130

1pst

n

k

f TPS

SK

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.

n

k

n

kuS

S

U

UUk minmax3)(

3

Umin ve Umax minimum ve maksimum gerilim (RMS faz-nötr) değerleri;

Un fazlar arası nominal gerilim;

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 Nedenleri

Gerilim Yükselmesi Güç üretimi

Gerilim dalgalanması ve flikerlar

Anahtarlama işlemleri Kule gölgelenme etkisi Kanat açısı kontrolü pitch kontrol hatası Yaw hatası Rüzgar paylaşımı Rüzgar hızındaki dalgalanma

Harmonikler Frekans inverterleri, tristör kontrolörleri

Reaktif Güç Tüketimi Endüktif bileşenler veya asenkron generatörler

Gerilim pikleri/dipleri Anahtarlama işlemleri

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 yılında ESB NG bağlantı kurallarını

belirleyen bir taslak hazırlanmıştır.

4.1.3 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 Kriterler15 Türkiye’de kurulacak rüzgar santralleri 24 Eylül 2008 tarihli Resmi Gazete’de yayınlanan Elektrik

Piyasası Şebeke Yönetmeliğinde Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik ve Şebeke Yönetmeliği Ek-

18’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 :

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.

15

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 14

Şekil 15

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