Farklı PID Kontrol Yapıları İle Bir Mikro Hidroelektrik Santral Çıkış Gücünün Karşılaştırılması

Abstract

Bu çalışmada Ulutan Barajından arıtma tesisine içme suyu maksadıyla alınan sular ile enerji üretimi yapan bir mikro hidroelektrik santral incelenmiştir. Şebekeye bağlı olan Mikro HES (Hidroelektrik Santral)’in kontrol ve kumanda sistemi Siemens S7 1200 PLC ile gerçekleştirilmiştir. Sistemin şebekeye senkronizasyonu sonrası iki farklı kontrol yazılımı sırasıyla yüklenmiştir. Bunlardan ilki türbin ayar kanadının pozisyon kontrolü için oluşturulan PID kontrolörü, ikinci yazılım olarak güç set PID kontrolörüdür. Çalışmada; türbin kontrol sisteminden alınan ve kontrol edilen ayar kanadı pozisyonu, debi, basınç ve aktif güç verileri analiz edilmiştir. İki farklı PID kontrolü de maksimum aktif güç değeri olan 137 kW’a ulaşmış fakat ayar kanadı PID kontrolörü maksimum güç değerini korurken güç set PID kontrolörü sistemin stabilizasyonunu koruyamamış gücü sağlayabilmek için türbine daha çok su almış, debi zamanla artmış, basınç azalmıştır. Bu sebeple sistemin gücü de 137 kW değerinden 105 kW değerine kadar düşmüştür. Sistemin maksimum gücü elde edebilmesi ve stabil çalışması istendiğinden bu koşulları sağlayan ayar kanadı PID kontrol bloğunun daha verimli kontrol bloğu olduğu sonucuna varılmıştır. Bu projeyle enerjisinden yararlanılmayan su kaynağı değerlendirilip ülkemizin milli servetine katkısı sağlanmış, bir mikro hidroelektrik santral kurulumunda veya rehabilitasyonu esnasında kontrol kumanda sistemlerinde kullanılması için tecrübe bilgi birikimi aktarılmıştır.

Keywords

• Mikro HES
• PID Kontrol
• PLC
• ayar kanadı
• güç ayarı

Comparison of The Output Power of a Micro Hydroelectric Power Plant with Different PID Control Structures

Abstract

In this study, a micro-hydroelectric power plant that produces energy from the water taken from the Ulutan Dam and sends it to the treatment plant for drinking water purposes was examined. The control and command system of the grid-connected micro HPP (Hydroelectric Power Plant) is implemented using Siemens S7 1200 PLC. After synchronization of the system with the grid, two different control software are loaded sequentially. The first one is a PID controller created for the position control of the turbine guide vane, while the second software is the power set PID controller. In the study, the data regarding the position of the guide vane, flow rate, pressure, and active power, which were obtained from the turbine control system, are analyzed. Both PID controls reached the maximum active power value of 137 kW. However, while the guide vane PID controller maintained the maximum power value, the power set PID controller could not stabilize the system. The power set PID controller could not maintain the stabilization of the system, the turbine took in more water to provide the power, the flow rate increased over time and the pressure decreased. The power of this system also decreased from 137 kW to 105 kW. Since the aim was to achieve maximum power and stable operation, it was concluded that the guide vane PID control block was more efficient. Through this project, an unused water source was evaluated, contributing to the national economy, and providing valuable experience and knowledge for the control and command systems to be used in the installation or rehabilitation of a micro-hydroelectric power plant.

Keywords

• Micro HPP
• PID Control
• PLC
• guide vane
• power adjustment

References

1. [1] S. Virley and Dr. R. Debarre, “Energy institute statistical review of world energy report,” Energy Institute, London, United Kingdom. ISSN 2976-7857, 2024.
2. [2] Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı. (2024, 24 Ekim). Bilgi merkezi elektrik [Çevrimiçi]. Erişim: https://enerji.gov.tr/bilgi-merkezi-enerji-elektrik.
3. [3] A. Akpınar, M. İ. Kömürcü, M. Kankal and M. H. Filiz, “Çoruh havzasındaki küçük hidroelektrik santrallerin durumu,” V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Türkiye, 2009, ss. 249-254.
4. [4] N. Sanampudi and P. Kanakasabapathy, “Integrated voltage control and frequency regulation for stand-alone micro-hydro power plant,” Materialstodays Proceedings, vol. 46, no. 10, pp. 5027-5031, 2020.
5. [5] S. V. Kamble and S. M. Akolkar, “Load frequency control of micro hydro power plant using fuzzy logic controller,” International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI), India, 2017, pp. 1783-1787.
6. [6] Y. Oğuz, A. Kaysal and K. Kaysal, “Adıgüzel Hydroelectric Power Plant Modeling and Load Frequency Control,” Academic Platform Journal of Engineering and Smart Systems, vol. 3, no.1, pp. 34-41, 2015. [7] D. Öztürk and M. T. Özdemir, “Çok küçük güçlü hidroelektrik santrallerde PLC ile gerilim ve frekans kontrolü,” V. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Türkiye, 2004, ss.124-130.
7. [8] Ö. Polat, M. C. Bulut, İ. Dönmez and K. Özsoy, “PLC ve SCADA entegrasyonlu hidroelektrik santralin prototip tasarımı, imalatı ve 3B yazıcı ile türbin üretimi,” Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c.8, s.1, ss. 253-267, 2021.
8. [9] A. Dalcalı, E. Çelik ve S. Arslan, “Mikro ve mini hidroelektrik santralleri için mikrodenetleyici tabanlı bir elektronik governor sisteminin tasarımı,” Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, c. 28, s. 2, ss. 1012-2354, 2012.

9. [10] F. M. Ulu and H. Altınkaya, “Design, control and automation of MHPP- an experimental,” Gazi University Journal of Science, vol. 10, no. 4, pp. 1083-1097, 2022.
10. [11] C. Thanajitr, S. Polmai and S. Kittiratsatcha, “Development of Converter and Control System for Variable Speed Permanent Magnet Synchronous Generator in Small Hydro Power Plant Model,” 25th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Chiang Mai, Thailand, 2022, pp. 1117-1121.
11. [12] H. Kurt, “Küçük ölçekli hidroelektrik santralde bulanık mantık algoritmalı PLC ile türbin kontrolü,” Yüksek Lisans Tezi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya, Türkiye, 2013.
12. [13] B. Yılmaz, “Özgül hız değerine bağlı olarak francis tipi türbin çarkı tasarımı ve performansının analizi,” Yüksek Lisans Tezi, Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2024.
13. [14] B. Kudal, “İsale hatları üzerine mikro HES kurularak eneri üretimi: Bolu İli örneği,” Yüksek Lisans Tezi, Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi, Bolu, Türkiye, 2022.
14. [15] K. Korkmaz, “Jeneratör seçim kriterleri,” II. Elektrik Tesisat Ulusal Kongresi, Türkiye, 2009, ss. 150-160.
15. [16] M. Karayel, “Mikrotip hidroelektrik santraller için PLC tabanlı SCADA sistem otomasyonu ve RTU/PLC ile frekans ve gerilim regülasyonunun gerçekleştirilmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Elektrik Eğitimi, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2013.
16. [17] Y. Aslan, C. Yaşar and M. Ç. Karabörk, “Bir mikro-hidro örneği: Kayaboğazı barajı,” Eleco Elektrik-Elektronik -Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, Türkiye, 2004, ss. 100-105.
17. [18] O. Bendeş, B. Yilmaz, F. Koç and A. Yildiz, “Banki türbini verimlilik artışı için tasarım parametrelerinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi,” Dicle Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, c. 12, s. 1, ss. 448-64, 2023.
18. [19] W.Ali, H.Farooq, M.Usama and A.Bashir, “PID vs PI control of speed governor for synchronous generator based grid connected micro hydro power plant,” Journal of Faculty of Engineering Technology, vol. 24, no. 1, pp. 53-62, 2017.
19. [20] Siemens Industry Online Support. (2024, 18 August) PID control with PID compact for SIMATIC S7-1200/S7. [Online]. https://support.industry.siemens.com/cs/document/100746401/pid-control-with simatic-s7-1200-s7-1500?dti=0&lc=en-WW.
20. [21] Avaible: pid_compact-for S. Kaçar, A. F. Boz, B. Aricioğlu and H. Tekin, “PID denetleyici uygulamaları için yeni bir online deney seti tasarımı,” Journal of Sakarya University Institute of Science and Technology, c. 21, s. 1, ss. 1-13, 2016.