MODELLEME VE SĠMÜLASYON

Küçük hidroelektrik santralleri bakım ve iĢletme giderleri yok sayılabilecek kadar az olmasına rağmen kontrollerinin pahalı olması nedeniyle kullanımı az olmaktadır. Türbinlerin tasarımları net düĢü ve debiye göre yapılmaktadır. Türbinler sabit bir debi veya düĢüde çalıĢtırılmadığı takdirde verimleri nispeten düĢmektedir. Bu aĢamada kontrol sistemi devreye girmektedir. Debi veya düĢüdeki değiĢime göre vana yardımı ile sistemden çekilen güç ya da debi ayarlanmaktadır. Burada kontrol edilen parametre alternatörün devir sayısı dolayısıyla frekanstır. Alternatör aĢırı yüklendiği takdirde türbin devri düĢmeye baĢlayacaktır. Bu durumda iki türlü kontrol yaklaĢımı mevcuttur.

ġekil 8.1: Jeneratör hız kontrol sisteminin blok Ģeması

Birinci kontrol yaklaĢım sisteminde, hız yani frekans ölçülmesi ile meydana gelen standart değerden sapma neticesinde vana açıklığı, daha önceden belirlenmiĢ olan konuma servo silindir yardımı ile getirilir. Hız düzenleyici ("Speed Governor") adı verilen elektronik cihazlar yardımı ile istenen konuma ulaĢıp ulaĢmadığı kontrol edilir. ġekil 8.1’de hız düzenleyicinin de görüldüğü bir jeneratör hız kontrol sistemi görülmektedir.

92

ġekil 8.2: Sık kullanılan bir yağ basınçlı kontrol sistemi

Bir hız düzenleyici, hızdaki değiĢimi gören ve servo motor pozisyonunu ayarlayan cihazların ve mekanizmaların bir birleĢimi Ģeklinde düĢünülebilir [15]. Tamamen mekanik veya hidrolikten elektro hidroliğe kadar çeĢitli düzenleyici çeĢitleri mevcuttur. Küçük türbinlerde, vanayı kontrol ve hareket ettirmek için büyük kuvvetlere ihtiyaç duyulmadığından sadece düzenleyici kullanılmaktadır. ġekil 8.2’de gösterilen sistem diğerlerine göre daha hafif ve daha hassastır. Türbin aĢırı yüklendiğinde, türbin devri düĢmeye baĢlayınca toplar yavaĢça aĢağıya doğru iner ve düĢer. Servo valf hareket eder. Basınçlı yağ, silindire gönderilir ve debini artması için vana mekanizmasını daha açık hale getirir ve hız ile frekans kontrol edilir.

Ġkinci kontrol Ģeklinde ise, türbinin tam yükte, sabit düĢü ve debide dolayısıyla tasarım hızında yani sabit frekansta çalıĢtığı kabul edilir. Sistemden çekilen gücün azalması durumunda türbin hızı artma eğilimine girmektedir. Frekansı ölçen sensör, bu artıĢı ölçerek sisteme ilave elektrik yükü uygulanması sinyalini göndermekte ve

93

böylece frekansın sabit tutulması sağlanmaktadır. Bu Ģekilde uygulamalar (istisnaları olmakla beraber) 100 kW’a kadar uygulamalarda kullanılabilmektedir [10].

Debiyi ayarlayarak türbin hızının kontrolünün iyi bir Ģekilde yapılabilmesi için dönen elemanların ataletlerinin kesin bilinmesi gerekmektedir. Ġlave atalet, türbinde veya alternatör milinde volan ile sağlanabilir. Alternatörün yüksüz olduğu durumlarda fazla güç ile volan hızlanmaktadır. Yeniden yükleme yapıldığında ise, ataletin düĢmesi, volandan alınan ilave güç ile hız değiĢimi minimuma inmektedir.

Dönen sistemin temel denklemi: 𝐽𝑑𝜔

𝑑𝑡 = 𝑇𝑡 − 𝑇𝐿 (8.1)

𝑇_𝑡 , 𝑇_𝐿’ye eĢit olduğu durumda 𝑑𝜔

𝑑𝑡 =0 ve 𝜔=sabit olmaktadır. Bu durum sistemin kararlı olduğu durumdur. Diğer durumlarda ise (açısal hızın sabit olmadığı), türbin yükü ile alternatör yükünün eĢit olması için, hız düzenleyici devreye girmeli. Bu durumda Su yolundaki su hızı değiĢimleri faktörü devreye girmektedir.

Dönen cisimlerin volan etkileri dengededir fakat suyun etkisi dengesiz durumdadır. Türbin hareket süresi, sıfır dönme hızından operasyon hızına ulaĢıncaya kadar gerekli olan zamandır ve EĢitlik 8.2 ile belirlenmektedir.

𝑡_𝑚 =𝐽𝜔 2

𝑃 =

𝑊𝑅2_𝑛2

5086𝑃 (8.2)

Su huzmesinin hızını sıfırdan V hızına kadar hızlanması zamanı olan suyun hareket süresi, sabit bir düĢüde, EĢitlik 8.3’te verilmiĢtir.

𝑡𝑤 = 𝐿𝑉

𝑔𝐻

94

Ġyi bir düzenlemenin yapılabilmesi için 𝑡_𝑚/𝑡_𝑤 > 4 olması gerekmektedir [10]. Gerçekçi bir su baĢlangıç zamanı 2.5 saniyeyi geçmemektedir. Bu değerin daha uzun çıktığı durumlarda, su Ģartlarının iyileĢtirilmesi kaçınılmaz olmaktadır. Denklem 8.3’te net bir Ģekilde görüldüğü gibi su hızı ya da su sütunu uzunluğu azaltılabilmektedir. Alternatöre volan eklenerek dönen cisimlerin ataletlerinin artırılması yöntemi de düĢünülebilir. Fakat bu durumda da, ataletin artması ile koç darbesi olarak tabir edilen etki oluĢacağı ve türbin hızı düĢeceği göz önünde tutulmalıdır. ġekil 8.3’te deneylerde kullanılan çapraz akıĢ türbininin, deneylerden elde edilen verilere dayanarak oluĢturulan modeli görülmektedir.

95

ġekil 8.4. Sürgülü vana pozisyonunun debiye bağlı değiĢimi

DeğiĢen debiye göre sürgülü vananın maksimum verimde çalıĢabileceği konumları ġekil 8.4'te görülmektedir. 980 m3_{/h debi değerinden itibaren sürgünün sonuna kadar} açılması esnasında eğimin fazla olduğu görülmektedir. Söz konusu kapanmadan dolayı verimde olan değiĢiklik ise % 2-3 civarında ve sürgünün akıĢı bozmasından kaynaklanan verim kayıplarıdır. 580 m3

/h ile 980 m3/h debileri arasında eğrinin yatık olduğu yani debinin sürgü konumu ile değiĢiminin az olduğu görülmektedir.

ġekil 8.5. 50 Hz sabit frekansta sürgü açıklığının güce bağlı değiĢimi

Sistemden çekilen güç ile sürgülü vananın açıklığı arasındaki bağıntının görüldüğü ġekil 8.5'teki eğride yaklaĢık 50 Hz değerlerinde kalınmaktadır. ġekil 8.6'da yapılan

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 180 280 380 480 580 680 780 880 980 1080 Sü rgül ü V ana Konum ( cm ) Sü rgül ü V ana A çı klı k ( % ) Debi (m3_/h)

≈ 50 Hz Sabit Frekans

≈ 50 Hz Sabit Frekans

96

güç talebindeki azalma neticesinde sürgünün yeni konumu bu eğriden belirlenmektedir. Sürgülü vana 29 cm açık iken güç talebindeki azalma neticesinde 6 cm kapanarak 23 cm konumuna gelmesi gerekmektedir. Sürgülü vananın hızı 2 cm/s olarak ölçülmüĢtür. ġekil 8.6'da bu iki nokta arasında 3 s'lik bir sürede sürgünün yeni konumunu alması simülasyonu yapılmıĢtır. ġekil 8.7'de ise ani yük değiĢimine türbinin vereceği cevap görülmektedir.

ġekil 8.6. Gücün 9 kW'tan 6 kW'a değiĢimi

ġekil 8.7. Gücün 6 kW'tan 8 kW'a değiĢimi

Burada güç, türbin gücünü temsil etmektedir. Bu çalıĢmada sadece türbin modellemesi yapılmıĢtır. DeğiĢen güç talebi karĢısında frekans da değiĢmektedir.

97

Hidrolik türbinlerde suyun ataletinden dolayı, vanadaki pozisyon değiĢikliği, ilk anda aksi yönde türbin gücünde bir değiĢim oluĢturur. Türbin gücündeki bu ani değiĢim, sistemin dengesiz çalıĢmasına neden olur [56].

Frekansın sabit kalabilmesi için sürgülü vana daha önceden belirlenen konumuna ilerlemekte ve frekans böylece sabit tutulmaya çalıĢılmaktadır.

Sürgünün, değiĢen güç talepleri karĢısında yeni konumu daha önceden belirlenmiĢtir. Aksi halde sürgü, geri besleme ile birden fazla konumda bulunabilecektir.

Bölüm 8'de yapılan çalıĢmalarda türbin modeli geliĢtirlmesi amaçlanmıĢtır. Bu çalıĢmalara ilave olarak PID kontrolcü kullanılması durumunda bütün hidroelektrik santral kontrol edilebilmektedir. Bu amaçla söz konusu kontrol için altyapı hazırlanmıĢ, kontrol cihazlarının takılması ile bütün santralin kontrolünün yapılabilmesi için model geliĢtirlmiĢtir.

ġekil 8.8. Küçük hidroelektrik santral modeli

ġekil 8.8'de küçük hidroelektrik santraller için kullanılan model verilmiĢtir. ÇalıĢmanın ilerletilmesi halinde bu model kullanılabilir.

98