Rüzgâr türbinlerinde bireysel hatve açısının kayan kipli kontrol ve bulanık mantık tip-2 ile kontrol edilerek güç çıkışı ve momentlerin iyileştirilmesi
Improvement of power output and moments by controlling individual pitch angle in wind turbines with sliding mode and fuzzy logic type-2
- Tez No: 1006627
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT LÜY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kırıkkale Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Rüzgâr enerjisi sistemlerinin kurulu güçlerinin artmasıyla birlikte, özellikle nominal rüzgâr hızının üzerindeki Bölge III çalışma koşullarında türbinlerin maruz kaldığı aero-mekanik yüklerin etkin biçimde yönetilmesi ve elektriksel güç kalitesinin korunması kritik bir mühendislik problemi hâline gelmiştir. Bu çalışma, 500 kW kapasiteli, hatve kontrollü bir yatay eksenli rüzgâr türbini için iki farklı gelişmiş kontrol mimarisinin tasarımını, optimizasyonunu ve karşılaştırmalı performans analizini sunmaktadır. Çalışmanın temel amacı, Kayan Kipli Kontrol (KKK) ve Ayrık Tip-2 Bulanık Mantık Denetleyicisi (AT2BMD) tabanlı hibrit yapıların, türbülanslı rüzgâr koşulları altında güç regülasyonu ve yapısal yük azaltımı performanslarını karşılaştırmalı olarak incelemiştir. Çalışmada kullanılan rüzgâr türbini modeli, Bölge III güç regülasyonu problemine odaklanan indirgenmiş bir benzetim çerçevesi olarak ele alınmıştır. Rüzgâr alanı, IEC standartlarında yaygın olarak kullanılan Kaimal spektrumu benzeri bir türbülans modeli ile 12–18 m/s aralığında oluşturulmuştur. Türbinin güç üretimi, rotor süpürme alanı üzerinden geçen rüzgâr akısına bağlı olarak hesaplanmış; aerodinamik güç katsayısı, kolektif hatve açısına bağlı doğrusal bir 𝐶𝑝(β) yaklaşımı ile modellenmiştir. Yapısal yüklerin değerlendirilmesi amacıyla, kanat kök eğilme momentleri 1P ve 3P harmonik bileşenler içeren bozucu sinyallerle temsil edilmiştir. Bireysel hatve kontrolünün yük azaltıcı etkisi, bu bozucu momentler üzerinde doğrusal bir düzeltme terimi olarak uygulanmıştır. Üç kanada ait moment bileşenleri, Çok Kanatlı Koordinat Dönüşümü (ÇKKD) kullanılarak sabit d-q eksenlerine taşınmış ve eğilme ile sapma momentleri elde edilmiştir. Kontrol stratejisi olarak, yük bastırımı amacıyla PID ile desteklenen KKK yapısı ile belirsizlikleri Belirsizlik Ayak İzi üzerinden temsil eden AT2BMD+PID hibrit kontrol mimarisi ele alınmıştır. Her iki kontrol mimarisinin parametre optimizasyonu için Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), Genetik Algoritma (GA) ve bu iki yöntemin avantajlarını birleştiren Hibrit GA-PSO algoritması karşılaştırmalı olarak kullanılmıştır. Literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmak amacıyla, AT2BMD yapısına ait üyelik fonksiyonları, kural tabanı ve ölçekleme kazançlarını kapsayan toplam 76 boyutlu parametre uzayı tam kapsamlı olarak optimize edilmiştir. Optimizasyon sürecinde kullanılan hedef fonksiyon; güç izleme hatasının karesi, güç sinyalinin standart sapması ve eğilme-sapma momentlerinin standart sapmalarının ağırlıklı toplamı olarak tanımlanmıştır. Benzetim sonuçları, her iki kontrol yapısının da nominal güç seviyesini ortalama olarak koruyabildiğini göstermektedir. Bununla birlikte, KKK tabanlı yapıda güç sinyalinde daha yüksek frekanslı salınımlar gözlemlenirken, AT2BMD+PID yapısı daha kararlı bir güç çıktısı üretmiş ve güç dalgalanmalarını belirgin biçimde azaltmıştır. Yapısal yükler açısından değerlendirildiğinde, Tip-2 bulanık mantık yapısının belirsizlikleri daha etkin biçimde temsil etmesi sayesinde eğilme ve sapma momentlerindeki varyansın KKK tabanlı yapılara kıyasla daha başarılı bir şekilde bastırıldığı görülmüştür. Ayrıca, AT2BMD denetleyicisi aktüatör sağlığı açısından daha yumuşak ve sürekliliği yüksek kolektif hatve profilleri üretirken, KKK yapısı daha sert ve keskin kontrol davranışları sergilemiştir. Optimizasyon algoritmaları açısından, düşük boyutlu KKK probleminde PSO ve GA benzer performanslar gösterirken; yüksek boyutlu AT2BMD probleminde hibrit GA-PSO algoritmasının daha kararlı yakınsama sağladığı ve en düşük uygunluk değerlerine ulaştığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma Bölge III çalışma koşullarında AT2BMD+PID hibrit kontrol yapısının, KKK tabanlı yapılara kıyasla hem güç kalitesini iyileştirme hem de aero-mekanik yük dalgalanmalarını azaltma açısından üstün performans sergilediğini ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, indirgenmiş türbin modelleri üzerinde gerçekleştirilen karşılaştırmalı analizlerin, belirsizliklere dayanıklı akıllı kontrol yöntemleri ve hibrit optimizasyon algoritmalarının performans potansiyelini ortaya koymada etkili bir araç olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The recent increase in the total capacity of wind energy systems has rendered the efficient control of aero-mechanical loads on turbines, particularly during Region III operating circumstances exceeding nominal wind speed, and the maintenance of electrical power quality, essential technical challenges. This paper delineates the design, optimization, and comparative performance evaluation of two sophisticated control systems for a 500 kW pitch-controlled horizontal-axis wind turbine. This research aims to assess the efficacy of power regulation and structural load reduction in hybrid structures using Sliding Mode Control (SMC) and Interval Type-2 Fuzzy Logic Controller (IT2FLC) under turbulent wind conditions. The wind turbine model used in the study was a reduced-order simulation framework focused on the Region III power regulation problem. The wind field was generated using a turbulence model based on the Kaimal spectrum, widely used in IEC standards, within the range of 12–18 m/s. The turbine's power generation was calculated based on the wind flow passing over the rotor swept area; the aerodynamic power coefficient was modeled with a linear Cp(β) approximation dependent on the collective pitch angle. To evaluate structural loads, the wing root bending moments were modeled as disturbing signals containing 1P and 3P harmonic components. The load-reducing effect of individual pitch control has been applied as a linear correction term to these disturbing moments. The moment components of the three blades were transformed to fixed d-q axes using the Multi-Blade Coordinate Transformation (MBCT), and bending and deflection moments were obtained. As a control strategy, the IT2FLC +PID hybrid control architecture, which accounts for uncertainties via the Uncertainty Footprint and is supported by a PID-assisted SMC structure for load suppression, was considered. Particle Swarm Optimization (PSO), the Genetic Algorithm (GA), and the Hybrid GA-PSO algorithm, which combines the advantages of these two methods, were compared for parameter optimization of both control architectures. To fill a significant gap in the literature, the 76-dimensional parameter space of the IT2FLC structure, including membership functions, the rule base, and scaling gains, has been fully optimized. The objective function used in the optimization process is defined as the weighted sum of the squared power tracking error, the standard deviation of the power signal, and the standard deviations of the tilt-deflection moments. Simulation results show that both control structures can maintain the nominal power level on average. However, while higher frequency oscillations were observed in the power signal of the SMC-based structure, the IT2FLC +PID: power produced a more stable power output and significantly reduced power fluctuations. When evaluated under structural loads, it was observed that the variance in bending and deflection moments was more effectively suppressed in the Type-2 fuzzy logic structure than in SMC-based structures, thanks to its ability to represent uncertainties more effectively. Additionally, while the IT2FLC produced smoother, more continuous collective pitch profiles with better actuator health, the SMC structure exhibited harsher, more abrupt control behavior. In terms of optimization algorithms, PSO and GA showed similar performance on the low-dimensional SMC problem, whereas in the high-dimensional IT2FLC problem, the hybrid GA-PSO algorithm exhibited more stable convergence and achieved the lowest cost values. In conclusion, this study revealed that the IT2FLC +PID hybrid control structure in Region III working conditions outperformed SMC-based structures in both improving power quality and reducing aero-mechanical load fluctuations. The findings indicate that comparative analyses of reduced turbine models are an effective tool for revealing the performance potential of uncertainty-resistant intelligent control methods and hybrid optimization algorithms.
Benzer Tezler
- Çukurova bölgesinde biyoklimatik veriler kullanılarak açık ve yeşil alan sistemlerinin belirlenmesi ilkeleri üzerinde bir araştırma
A research on the determination of the principles in open and green spaces systems by using the bioclimatic data in Çukurova region
MEHMET FARUK ALTUNKASA
Doktora
Türkçe
1987
Çevre MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDOĞAN GÜLTEKİN
- Şanlıurfa-Harran ovası topraklarının ince kum mineralojisi ve bazı yaygın toprak serilerinin mikromorfolojisi
Başlık çevirisi yok
SABAHATTİN ŞAHAN
- The Role of wind energy conversion systems in Bozcaada's electric energy planning problem
Başlık çevirisi yok
MUHİTTİN ADAY
Yüksek Lisans
İngilizce
1987
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiYRD. DOÇ. DR. YILDIZ ARIKAN
- Betonarme bacalar hiperbolik soğutucular ve projelendirme esasları
Başlık çevirisi yok
ÖZDEN İPEKÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET DURMUŞ