Πολλές χώρες υποστηρίζουν και προωθούν την ανάπτυξη των χερσαίων και των υπεράκτιων αιολικών πάρκων ως μέρος της στρατηγικής τους για την εδραίωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ταχεία αύξηση των προτάσεων κατασκευής αιολικών πάρκων τα με προοπτική ακόμη μεγαλύτερης αύξησης. Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες που έχουν διεξαχθεί από το Υπουργείο Άμυνας του Ηνωμένου Βασιλείου (UK Ministry of Defence) έχουν εξάγει ενδιαφέροντα συμπεράσματα τα οποία βρίσκονται στον αντίποδα της απροβλημάτιστης εδραίωσής τους, δηλαδή ότι τα αιολικά πάρκα μπορούν να επιδράσουν αρνητικά την απόδοση των στρατιωτικών και πολιτικών συστημάτων RADAR τα οποία λειτουργούν μέσα στη δραστική εμβέλεια τους και επιπλέον έχουν Οπτική Επαφή (Line Of Sight) με τις ανεμογεννήτριες. Κατά συνέπεια, λόγω της ευρείας διάδοσης της εκμετάλλευσης αιολικών πάρκων ανά τον κόσμο, είναι σημαντικό να αναπτυχθεί παράλληλα μια ισχυρή τεχνική κατανόηση σχετικά με την αλληλεπίδραση των ανεμογεννητριών και των RADAR άμυνας ή επίθεσης. Αυτή η κατανόηση θα ενισχύσει τις δυνατότητες για τη βελτιστοποίηση της χωροθέτησης των μελλοντικών αιολικών πάρκων που προτείνονται για εγκατάσταση, με σκοπό την ελαχιστοποίηση των αρνητικών επιπτώσεων. / --

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη όλων των στοιχείων που είναι αναγκαία για την κατασκευή ενός υπεράκτιου αιολικού πάρκου και της διασύνδεσης του στο δίκτυο μεταφορά και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Γίνεται μια αναφορά στις ανεμογεννήτριες που υπάρχουν και μπορούν να τοποθετηθούν σε αντίστοιχες μελέτες. Επίσης οι τοπολογίες που μπορούν να στηρίξουν στη διασύνδεση των ανεμογεννητριών και να καταστήσουν δυνατή την δημιουργία ενός πάρκου ,αλλά και τα τεχνολογικά μέσα με τα οποία μπορούμε να μεταφέρουμε αυτή την ενέργεια στο δίκτυο διανομής και μεταφοράς ώστε να χρησιμοποιηθεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Τέλος παρουσιάζεται μια μελέτη ενός πάρκου σε μια παράκτια περιοχή της χώρας προσδίδοντας στοιχεία όμοια με τις περισσότερες περιοχές που μπορούν να δεχτούν μια τέτοια κατασκευή. Η μελέτη ολοκληρώνεται με μια προσομοίωση μιας ανεμογεννήτριας του τύπου που προτείνεται να εγκατασταθεί και παρουσιάζει τα αποτελέσματα λειτουργίας της στις αιολικές συνθήκες που επικρατούν το μεγαλύτερο διάστημα. / The aim of this dissertation was to present a project of an offshore wind farm including every point which is considered on a familiar construction and reviling the kinds of connections to the grid between that. There is a reference to the spices of wind turbines produced and used by the industry. Moreover the topologies of wind farms based on hvac or hvdc transmission systems, presenting categories with solutions for both cases. At the end a project of an offshore farm in the Greek coastline took place providing a solution to the majority of same areas around Greece with the same wind characteristics and depths. To sum up a simulation of a DFIG wind turbine functioned under the areas’ wind data giving an image of the pure power that is able to produce.

Η αντικεραυνική προστασία των αιολικών πάρκων αποτελεί ένα πρόβλημα με αρκετές ιδιαιτερότητες λόγω της μορφής και της τοποθέτησης αυτών των κατασκευών σε σημεία όπου είναι ευάλωτα σε κεραυνικά πλήγματα. Για αυτό τον λόγο, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την προστασία των ανεμογεννητριών και διεξάγονται έρευνες για την αποτελεσματικότητα αυτών. Μία από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται είναι και η διασύνδεση των πλεγμάτων γείωσης των ανεμογεννητριών. Αντικείμενο, λοιπόν, της παρούσης εργασίας είναι η εξομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς ενός συστήματος γείωσης ενός αιολικού πάρκου το οποίο αποτελείται από τέσσερεις ανεμογεννήτριες. Τα πλέγματα γείωσης των ανεμογεννητριών συνδέονται μέσω αγωγών γείωσης, με σκοπό την καταγραφή της συμπεριφοράς της τάσης σε διάφορα σημεία των πλεγμάτων. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται σύγκριση των κυματομορφών των τάσεων στα διάφορα σημεία καθώς και σύγκριση για διαφορετικές διεγέρσεις και τιμές της ειδικής αντίστασης του εδάφους, στο χώρο όπου τοποθετούνται οι γειωμένοι αγωγοί διασύνδεσης. Επίσης γίνεται σύγκριση της συμπεριφοράς του διασυνδεδεμένου μέσω αγωγών γείωσης συστήματος με ένα σύστημα στο οποίο η διασύνδεση των γεννητριών γίνεται μέσω αγωγών οι οποίοι ακουμπάνε στο έδαφος. Για την εξομοίωση των συστημάτων γείωσης, χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της κυκλωματικής προσέγγισης σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόδια γείωσης παριστάνονται μέσω κατανεμημένων τμημάτων, τα οποία αποτελούνται από εν σειρά επαγωγές και αντιστάσεις, καθώς και εγκάρσιες αγωγιμότητες και χωρητικότητες. Το ισοδύναμο κύκλωμα δημιουργήθηκε στο πρόγραμμα εξομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων EMTP και οι τιμές των διαφόρων μεγεθών υπολογίστηκαν με τη βοήθεια του Microsoft Excel. / Lightning protection of wind farms is a complex problem because of the shape and the placement of these structures in places where lightning strikes are very common. That's why many different methods for the protection of wind turbines have been developed and researches are done for their effectiveness. One of these methods uses the interconnection of the wind turbine's grounding grids for protection. In this thesis, a transient analysis of a grounding interconnected system of a wind farm, consisting of four wind turbines, is being conducted. The grounding grids of each wind turbine are interconnected through buried conductors for the recording of the voltage behaviour in different nodes of the grounding grids. Additionally, a comparison of the voltage waveforms in different nodes is being conducted, as well as a comparison for different injected currents and values of soil resistivity in the place where the interconnecting conductors are being placed. A comparison of the behaviour of an interconnected system using conductors placed on the ground is also being conducted. For the simulation of the grounding systems, the model of circuit approach was used. According to this, the grounding electrodes are modeled using series resistors and inductors and transverse conductivities and capacitancies. The equivalent circuit was created in the electromagnetic phenomena programm EMTP and the parameter values were calculated with the use of Microsoft Excel.

Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, η άεργος ισχύς που παράγουν τα αιολικά πάρκα είναι ένα πολύ σοβαρό ζήτημα που πρέπει να μελετηθεί τόσο στη μόνιμη κατάσταση όσο και στη δυναμική και μεταβατική μετά από σφάλματα και μεγάλες διαταραχές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την κατανεμημένη παραγωγή και ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και τα όρια που παρουσιάζει η λειτουργία της από περιοριστικούς παράγοντες όπως: 1) ρεύμα του στάτη, 2) τάση του δρομέα, 3) ρεύμα του δρομέα. Αρχικά μελετάται η γενική δομή ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά του δικτύου. Περιγράφεται επίσης σύντομα η κανονική λειτουργία και η ευστάθεια των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και πως μπορεί να γίνει ρύθμιση της τάσης και της αέργου ισχύος δύο μεγεθών με ισχυρή συσχέτιση. Στην συνέχεια προχωράμε στην περιγραφή της διεσπαρμένης παραγωγής και την διείσδυσή της στο δίκτυο. Παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα καθώς και τα μειονεκτήματά της όπου αυτά υπάρχουν και περιγράφονται κάποια πολύ βασικά είδη της δίνοντας έμφαση στα είδη των ανεμογεννητριών. Στο κύριο μέρος της εργασίας περιγράφεται αρχικά το μοντέλο της ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και παρουσιάζεται η θεωρητική επίδραση των παραπάνω περιοριστικών παραγόντων στην λειτουργία της. Στόχος της μελέτης είναι η προσομοίωση των παράπάνω σε μια πραγματική μηχανή κάτι που γίνεται στο Simulink του Matlab. Α) παρουσίαζονται τα όρια από τους τρείς περιοριστικούς παράγοντες. Β) περιγράφεται η επίδραση του μετασχηματισμού από αστέρα σε τρίγωνο στα τυλίγματα του στάτη. Γ) Σχεδιάζονται όλα τα όρια μαζί και παρατηρούμε ότι το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την παραγωγή αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του δρομέα ενώ το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την απορρόφηση αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του στάτη. Δ) Τέλος παρατηρούμε ότι η τάση του δρομέα επιδρά σαν όριο μόνο σε μεγάλες τιμές της ολίσθησης (είτε αρνητικής είτε θετικής ), αλλά κοντά στα όριά της είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές της τιμής της ολίσθησης. / In the modern regulations of transport of energy, reactive power by wind farms is a major concern that should be studied during both steady-state and dynamic-fault condition. This diploma thesis forms the distribution systems and particular weight is given in the wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and the operation limits from these factors: 1) stator current, 2) rotor voltage, 3) rotor current . Initially is studied the general structure of system of electric energy and the basic characteristics of the grid. Also are shortly described the regular operation and the stability of systems of electric and the regulation of voltage and reactive power- two sizes with powerful cross-correlation . Then we are going on with the description of distribution systems and the impact that wind turbines have in the grid where were connected. The advantages are presented as well as the disadvantages where these exist and we describe some of the very basic types of distributed generation giving accent in the types of wind generators. In the main part of work is described initially the model of wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and is presented the effect of the restrictive factors in the operation. Objective of study is the simulation in a real machine something that becomes in the Simulink of Matlab. A) The limitations in reactive power production, caused by the rotor current, the rotor voltage and the stator current are derived. B) The influence of switching from D to Y coupling of the stator is investigated. C) It is concluded that the limiting factor regarding reactive power production will typically be the rotor current limit, and that the limit for reactive power absorption will be the stator current limit. D) Further, it is concluded that the rotor voltage will only have a limiting effect at high positive and negative slips, but near the limitation, the reactive power capability is very sensitive to small changes in the slip.

Σήμερα στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλο ποσοστό της ισχύος παράγεται από αιολικά πάρκα αλλά και από θερμικούς σταθμούς. Η διείσδυση κατανεμημένης παραγωγής στα συστήματα χρειάζεται ιδιαίτερη μελέτη. Σε αυτή την εργασία ερευνήθηκε η λειτουργία ολόκληρων συστημάτων διανομής που περιείχαν διάφορα αιολικά πάρκα και θερμικούς σταθμούς. Αρχικά εξετάστηκε το θέμα του εντοπισμού των απωλειών ισχύος σε συστήματα διανομής με κατανεμημένη παραγωγή. Παρουσιάστηκαν μια νέα σχετικά προσέγγιση στον εντοπισμό των απωλειών με βάση τις τροφοδοσίες ρευμάτων καθώς και μία μήτρα εμπεδήσεων. Τα παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη στατιστική ανάλυση των απωλειών βάσει της γραμμικής παλινδρόμησης ή την εκτίμηση της συνδιακύμανσης μεταξύ φορτίου και παραγωγής. Στη συνέχεια περιγράφεται το πρόβλημα της βραχυπρόθεσμης ευστάθειας τάσης σε δίκτυα με υψηλή διείσδυση κατανεμημένης παραγωγής. Εστιάζουμε στην αναπαράσταση του δικτύου κατά τη διάρκεια και μετά από την εμφάνιση σφάλματος ως ισοδύναμο κύκλωμα Thevenin τάσης και εμπέδησης. Επίσης διερευνάται η επίδραση γειτονικών σύγχρονων γεννητριών, ανεμογεννητριών τύπου Δανίας, SVC, και STATCOM στις παραμέτρους Thevenin. Τελικά εξετάζεται το πρόβλημα του ελέγχου τάσης και άεργου ισχύος. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στους περιορισμούς τροφοδοσίας πραγματικής και άεργου ισχύος οι οποίες επιβάλλονται από τα όρια του πλάτους της τάσης. / Nowadays in power systems a large amount of power produced from wind farms and Heat Power Plants (HPP). High penetration of distributed generation in power systems is a subject to study. Τhe focus of this project is on the operation of an entire distribution system with several wind farms and HPP. Firstly, the subject of allocation of power system losses in a distribution system with distributed generation is treated. A new approach to loss allocation based on current injections and an impedance matrix is presented. The formulation can be used for statistical analysis of the losses based on linear regression or estimates of covariances between production and load. Secondly, the problem of short term voltage stability in networks with high penetration of DG is assessed. The focus is on the representation of the network during and after a fault as a Thevenin equivalent voltage and impedance. The influence of adjacent synchronous generators, Danish concept wind turbines, SVCs and STATCOMs on the Thevenin parameters have been investigated. Finally, the problem of voltage and reactive power control is investigated. Special focus is on the constraints for active and reactive power injection which are imposed by the voltage magnitude limits.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των αιολικών συστημάτων. Η επεξεργασία των ανεμολογικών δεδομένων (SCADA) έγινε από διάφορες εταιρείες, για να βοηθήσουν στην πρόβλεψη της ενεργειακής παραγωγής. Εξετάζονται επίσης τα διάφορα είδη βλαβών που συμβαίνουν στα αιολικά πάρκα, ειδικά τα πρώτα χρόνια λειτουργίας τους, και πώς ακριβώς μπορούμε να μειώσουμε το ποσοστό τους αν επέμβουμε σωστά. Τέλος, δίνονται χρήσιμες πληροφορίες για το βαθμό χρησιμοποίησης της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα και παγκόσμια. Πιο αναλυτικά, η δομή της εργασίας οργανώνεται στα εξής εννέα κεφάλαια: Το πρώτο κεφάλαιο ξεκινάει με γενικές πληροφορίες για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και γιατί η χρήση τους έγινε επιτακτική. Κατόπιν, γίνεται εξειδίκευση στην αιολική ενέργεια με μια ιστορική αναδρομή για να μπορέσει να δει κανείς την εξέλιξη της στο πέρασμα του χρόνου. Αναφέρονται επίσης τα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας, τα προβλήματα που προκύπτουν από την αξιοποίησή της καθώς και διάφορες λύσεις για την αντιμετώπισή τους. Στο δεύτερο και τρίτο κεφάλαιο εξετάζεται η βασικότερη παράμετρος που οδήγησε την αιολική ενέργεια στο στάδιο που είναι σήμερα, ο άνεμος. Αναλύεται η συμπεριφορά του, τα κύρια χαρακτηριστικά του και η κατανομή του. Το τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζει τις μονάδες που συμβάλλουν στη δέσμευση και εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Παρουσιάζονται με λεπτομέρεια τα δομικά τους στοιχεία και αναφέρονται οι κατηγορίες στις οποίες ανήκουν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Αναφέρονται επίσης, οι βασικοί τρόποι λειτουργίας τους καθώς και οι παράμετροι που επηρεάζουν την επιλογή της τοποθεσίας εγκατάστασής τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζονται τα ενεργειακά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών και παρουσιάζονται επίσης τα στοιχεία που επιδρούν στην αναμενόμενη ενεργειακή παραγωγή και στο κόστος της αιολικής ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο, δίνονται γενικές πληροφορίες για τα αιολικά πάρκα, τη λειτουργία και τη συντήρησή τους καθώς και κάποιοι οικονομικοί παράγοντες όσον αφορά τα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επεξεργασίας ανεμολογικών δεδομένων, ώστε να γίνουν κατανοητοί οι παράγοντες που επηρεάζουν και βελτιώνουν την αξιοπιστία των αιολικών συστημάτων. Στο όγδοο κεφάλαιο, εξετάζεται και αξιολογείται η διαθεσιμότητα των αιολικών συστημάτων, δίνονται πληροφορίες για τα διάφορα είδη της καθώς και διάφοροι τρόποι οι οποίοι συμβάλλουν στη βελτίωσή της, που είναι και το ζητούμενο για την οικονομική βιωσιμότητα του αιολικού πάρκου. Τέλος, στο ένατο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η τρέχουσα κατάσταση στην Ελλάδα, στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης αλλά και παγκόσμια. / The purpose of this diploma thesis is the study of factors that affect the reliability and availability of wind energy systems. Wind data from several companies were accumulated for a better prediction of the energy production. More specifically, the structure of the essay is organized in the following nine chapters : The first chapter starts with general information on renewable energy sources and the reasons why their use became imperative. Moreover, there is specialization in wind energy with a throwback which enables us to see the evolution of the passing of time. The second and third chapter examines the key parameters leading wind energy in its present form, the wind. The fourth chapter presents the system-units that contribute to the exploitation of wind energy. Their components are presented in detail, and the categories to which they belong are indicated according to their characteristics. The fifth chapter discusses the energy characteristics of the wind turbines and also presents the elements that affect the expected energy production and the cost of wind energy. In the sixth chapter, general information about wind farms are given, as well as information about operation, maintenance and some economic factors in offshore wind farms. The seventh chapter presents the results of wind data processing in order to understand the factors that influence and improve the reliability of wind systems. The eighth chapter examines and evaluates the availability of wind energy systems. Information about the different types of availability are given, and also details about the different ways which contribute to the improvement of availability are presented. Finally, the ninth chapter presents the current situation in Greece, the countries of the European Union and worldwide.

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και η επεξεργασία δεδομένων από αιολικό πάρκο εγκατεστημένης ισχύος 38 MW, η σύγκρισή τους με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη λειτουργία του αιολικού πάρκου. Για να επιτευχθεί ο στόχος της εργασίας αρχικά γίνεται μία γνωριμία με το σύνολο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τονίζεται η σημαντικότητά τους και ο σπουδαίος ρόλος που επιτελούν στη σημερινή ενεργειακή κρίση. Ύστερα η εργασία εστιάζει στην αιολική ενέργεια, σαν έναν από τους κύριους εκφραστές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και παρουσιάζει τους λόγους και τους τρόπους αξιοποίησής της. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή των χαρακτηριστικών της ανεμογεννήτριας, η οποία είναι το βασικό εργαλείο για τη διαδικασία μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ανάλυση ενός συστήματος ανεμογεννητριών, γνωστό και ως αιολικό πάρκο, η ύπαρξη του οποίου οφείλεται στην ανάγκη μέγιστης απορρόφησης της αιολικής ενέργειας. Αφού περιγραφούν όλες οι απαραίτητες έννοιες για την κατανόηση της λειτουργίας του αιολικού πάρκου, σειρά έχει η αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας μελέτης, κατασκευής και διασύνδεσής του στο δίκτυο, χρησιμοποιώντας ως υπόδειγμα πραγματικές μελέτες και σχέδια από την κατασκευή ενός εγκατεστημένου αιολικού πάρκου. Από το αιολικό πάρκο που χρησιμοποιήθηκε ως υπόδειγμα, συγκεντρώθηκαν διάφορα δεδομένα λειτουργίας, όπως η παραγόμενη ισχύς, η ταχύτητα και η διεύθυνση του ανέμου, κ.ά. Τα δεδομένα αυτά αναλύθηκαν και επεξεργάστηκαν και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στη συνέχεια. / The subject of this thesis is to analyze and process the data extracted from a wind farm, with installed capacity of 38 MW, then compare them to the theoretical estimated values and finally draw conclusions about the operation of the wind farm. In order to reach the goal of the thesis, initially, all the renewable energy sources are introduced and their significance and the important role they play in today's energy crisis are highlighted. Then the paper focuses on wind power, being one of the most frequently exploited renewable energy source and presents both the advantages and disadvantages and the ways of exploitation. Following the aforementioned is a detailed description of the characteristics of the wind turbine, which is the main equipment for the conversion of wind energy into electricity. The necessity of power nowadays has forced us to find ways for best absorption of wind energy. A wind farm allows us to get the maximum out of the wind potential of an area therefore what follows is the analysis of the main components of a wind farm. After describing all the necessary concepts for understanding the operation of the wind farm, a detailed description of the design process, construction and interconnection with the grid is presented. The description is made by using studies and drawings of an actual construction project of an installed wind farm. From the wind farm that was used as a template, were gathered various operating data such as power output, air speed and direction, etc. These data have been analyzed and processed, and the results are projected in the last two chapters of this thesis.

Η αιολική ενέργεια είναι το κλειδί για να επιτευχθεί ο στόχος της Ε.Ε. για συμμετοχή των Α.Π.Ε. στην παραγωγή ενέργειας σε ποσοστό τουλάχιστον 20% το 2020.Για το λόγο αυτό, αυτή η διπλωματική εργασία έχει σκοπό τη μελέτη των επιπτώσεων του συστήματος αιολικής ενέργειας στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας.Η έρευνα επικεντρώνεται στο τμήμα των δυναμικών επιπτώσεων, που αφορά κυρίως στις μεταβολές της αέργου ισχύος και των τάσεων στους ζυγούς του συστήματος λόγω μεταβολών διαφόρων παραμέτρων όπως ο άνεμος, οι γραμμές μεταφοράς και διάφορα είδη σφαλμάτων. / The contribution of renewable sources of energy in percent at least 20% is the energy goal of E.U. in 2020.Thus, wind power is considered to be the key to the achievement of this goal.For this reason, this diploma thesis intendsto study the influences of the wind power system to the electrical power system.The research specifies in the section of the dynamic influences, which mostly includes the variations of the voltage and the reactive powe in the systems buses due to variations of variables such as the wind speed, the transmission lines and different types of fault.