Η παρούσα εργασία πραγματεύεται αφ’ενός μεν τη μελέτη, μέσω προσομοίωσης, ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης αφ’ετέρου δε την κατασκευή ενός τμήματος του συστήματος αυτού. Το αιολικό σύστημα συγκροτείται από μία ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών και διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που μετατρέπουν αρχικά την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και στη συνέχεια τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη, συχνότητας 50Hz, για τη σύνδεση με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κατά σειρά μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους για την ανόρθωση της τάσης, που παράγεται από τη γεννήτρια, ένας μετατροπέας τύπου Boost για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης και τέλος, ένας μονοφασικός αντιστροφέας με MOSFET. Η έξοδος του αντιστροφέα, μέσω φίλτρου και μετασχηματιστή, συνδέεται στο δίκτυο. Στόχος είναι η κατασκευή ενός πειραματικού πρωτοτύπου για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας του εργαστηρίου, ισχύος 1kW, με το δίχτυο χαμηλής τάσης, ώστε να χρησιμοποιηθεί για εργαστηριακούς και ερευνητικούς σκοπούς. / This thesis presents the study, modeling and implementation of a wind power system consists of a permanent magnet synchronous generator, a rectifier and boost stage, as well as an inverter stage for grid connection. Control applies on the dc-dc converter aiming at rendering the connection to the electrical power grid more versatile. The analysis was performed by developing an appropriate model for the system at the Matlab computing program aided by the Simulink toolbox of The MathWorks,Inc.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και εξομοίωση μιας ανεμογεννήτριας αξονικής ροής μόνιμου μαγνήτη. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη μιας σύγχρονης ανεμογεννήτριας μόνιμων μαγνητών (PMSG), που θα παρέχει ισχύ 1kW, και θα πληρεί το κριτήριο του χαμηλού κόστους και των όσο το δυνατών μικρότερων διαστάσεων. Η ανεμογεννήτρια θα συνδέεται απευθείας με το δίκτυο χωρίς τη χρήση κιβώτιου ταχυτήτων. Όσον αφορά τις γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη αξονικής ροής (AFPM), που μελετούνται ειδικά σε αυτή τη διπλωματική, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο επιστημονικό και κατασκευαστικό ενδιαφέρον σχετικά με τη βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών τους μεγεθών σε συνδυασμό με την υψηλή απόδοσή τους. Το κυριότερο χαρακτηριστικό αυτών των μηχανών είναι ότι η διέγερση προκαλείται από τους μαγνήτες που είναι τοποθετημένοι στο δρομέα, οι οποίοι με τη χρήση του υλικού NdFeB για την κατασκευή τους, έχουν προσφέρει αναβαθμισμένες δυνατότητες στην παραγωγή μαγνητικού πεδίου. Άλλο κύριο χαρακτηριστικό, είναι ότι οι μηχανές αυτές είναι ιδανικές για ανεμογεννήτριες που κινούνται με χαμηλό αριθμό ταχύτητας ανέμου και στροφών. Στην παρούσα διπλωματική έγινε μια μελέτη ώστε να μπορέσει να σχεδιαστεί μια τέτοια μηχανή (AFPM) που να συγκεντρώνει όσο το δυνατόν καλύτερες αναλογίες μεταξύ κόστους, μεγέθους και απλότητας κατασκευής. Η προσομοίωση της ανεμογεννήτριας ήταν το επόμενο βήμα για την επαλήθευση των θεωρητικών τιμών και την περαιτέρω μελέτη της μηχανής για την απόδοσή της, την επαγόμενη τάση και το μαγνητικό πεδίο που παράγει σε εν κενώ λειτουργία και σε λειτουργία υπό φορτίο. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα μοντελοποίησης ηλεκτρικών μηχανών της COBHAM, το οποίο καλείται Opera και πιο συγκεκριμένα η έκδοση R3 για τρισδιάστατη μοντελοποίηση μηχανών (3D Modeler). Το κεφάλαιο 1 πραγματεύεται εισαγωγικά ζητήματα σχετικά με τις ανεμογεννήτριες και τα βασικά χαρακτηριστικά τους μεγέθη. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια μελέτη σχετικά με το είδος της γεννήτριας καθώς και τα βασικά της στοιχεία. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναλυτικά ο σχεδιασμός της ανεμογεννήτριας αξονικής ροής μόνιμου μαγνήτη και ο υπολογισμός των μεγεθών της. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η διαδικασία του σχεδιασμού μηχανής με τη χρήση του προγράμματος opera. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται εξομοίωση της μηχανής και παράθεση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν. Η ανάλυση της μηχανής πραγματοποιήθηκε με τη χρήση δύο επιλυτών της Opera, αυτόν της μαγνητοστατικής ανάλυσης και αυτόν της ανάλυσης της στρεφόμενης μηχανής. / This thesis is focused on study, design and analysis of a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). This work was elaborated in the laboratory of Electromechanical Energy Conversion, at the department of Electrical and Computer Engineering in the University of Patras, Greece. The purpose of this specific thesis is to study and analyze a synchronous permanent magnet wind generator (PMSG), providing power 1kW to the grid. The main pursuit is to design a machine of low cost and, as small as possible, geometric characteristics. Moreover, a basic requirement is easy construction. For this purpose, the wind generator is legitimate to be direct-driven, without the existence of a gearbox. The permanent magnet axial flux generators, which are specifically studied in this thesis, have met a large attention over the last years for wind system- low speed applications. The main characteristic of these machines is that their stimulation is caused by the magnets that are mounted at the rotor discs. The latest use, in magnets, of neodymium material (symbolized as NdFeB) has provided upgraded possibilities in magnetic field amplification. Another main characteristic is that these machines are ideal for low speed wind applications. In this thesis, an extended study was elaborated in order to design such a generator, which concentrates as better as possible quota between cost, size and simplicity in construction. The simulation of the machine’s operation was the next step for the verification of the theoretical calculations, as well as for further study on the various parameters and optimization of the machine. The simulation was held in conditions of load and short circuit operation. In order to achieve this, a simulation program by COBHAM called Opera, was used. In chapter 1, there is a reference concerning basic issues of wind energy and wind turbines, as well as, the highlights of a wind turbine. In chapter 2, a research is being carried out, concerning the wind turbine topologies, as well as their basic features. In chapter 3, is presented, analytically, the theoretical dimensioning of the axial flux permanent magnet and the calculation of its features. In chapter 4, the procedure of the design of the generator is being presented by using the designing program Opera. In chapter 5, the simulation of the machine is performed as well as the presentation of the basic results of the analysis. For this purpose, were used two solvers of Opera, the magnetostatic analysis (TOSCA) and the rotating machine analysis (CARMEN).

Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται μελέτη της επίδρασης ενός συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο μέσης τάσης, όσον αφορά την έγχυση αρμονικών από την ανεμογεννήτρια προς το δίκτυο. Η μελέτη περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση κάθε τμήματος ενός δικτύου μέσης τάσης με πραγματικά στοιχεία που πάρθηκαν από τη ΔΕΗ. Επιπλέον, μοντελοποιείται μια ανεμογεννήτρια τύπου σύγχρονης μόνιμων μαγνητών, καθώς και όλοι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που απαιτούνται για τη διασύνδεση αυτής με το δίκτυο μέσης τάσης. Όλα τα επιμέρους μοντέλα διασυνδέονται μεταξύ τους ώστε να αποτελέσουν το συνολικό μοντέλο που περιλαμβάνει το δίκτυο μέσης τάσης με τις γραμμές μεταφοράς, τους μετασχηματιστές, τα φορτία και τους πυκνωτές αντιστάθμισης που διαθέτει και την ανεμογεννήτρια μαζί με τους μετατροπείς συνδεδεμένη σε ένα ζυγό του δικτύου. Από το μοντέλο αυτό εξάγεται το αρμονικό περιεχόμενο τόσο στο ζυγό της ανεμογεννήτριας όσο και σε διπλανούς ζυγούς και συγκρίνεται κάθε φορά με το πρότυπο IEC 61000-3-6 που θέτει τα όρια για την έγχυση αρμονικών στο δίκτυο μέσης τάσης. Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας έναντι των άλλων συμβατικών μορφών ενέργειας. Επιπλέον, αναφέρονται τα προβλήματα που δημιουργούνται από την παρουσία ανώτερων αρμονικών στο δίκτυο. Έπειτα, πραγματοποιείται θεωρητική ανάλυση κάθε τμήματος του δικτύου μέσης τάσης. Για κάθε τμήμα δημιουργείται, επίσης, ένα μοντέλο στο Matlab/Simulink που βασίζεται σε στοιχεία από τη ΔΕΗ και εξισώσεις που αφορούν το εκάστοτε τμήμα. Στη συνέχεια, αναλύεται και μοντελοποιείται στο Matlab/Simulink και κάθε τμήμα του συστήματος διασύνδεσης της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο μέσης τάσης που περιλαμβάνει την ανεμογεννήτρια τύπου σύγχρονης μόνιμων μαγνητών, ανορθωτική διάταξη, μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, τριφασικό αντιστροφέα, φίλτρο και μετασχηματιστή. Για κάθε μετατροπέα αναλύεται και μοντελοποιείται και έλεγχος κλειστού βρόχου. Τέλος, τα επιμέρους μοντέλα συγκροτούνται σε ένα συνολικό μοντέλο. Μεταβάλλοντας το συντελεστή φόρτισης των μετασχηματιστών του δικτύου, το συντελεστή ισχύος και το πλήθος των ανεμογεννητριών που συνδέονται στον ίδιο ζυγό, εξάγεται το αρμονικό περιεχόμενο για διάφορους ζυγούς και ελέγχεται αν αυτό συμφωνεί με το πρότυπο IEC 61000-3-6. Επιπλέον, εξετάζεται το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης, όταν ο ζυγός διασύνδεσης αλλάζει θέση μέσα στο υπό μελέτη δίκτυο, καθώς και όταν αλλάζει η ταχύτητα του ανέμου. / In the present diploma thesis a study of the effect of a wind turbine system interconnection with medium voltage grid is conducted, in terms of harmonic injection of the turbine to the grid. The study includes the modeling of each part of a medium voltage grid with actual data taken from the Public Power Corporation of Greece. Furthermore, a synchronous wind turbine with permanent magnets is modeled along with all the electronic power converters that are required for the interconnection with the medium voltage grid. All the individual models are connected together to form the overall model, including the medium voltage transmission lines, transformers, loads and their compensation capacitors, along with the wind turbine and the power converters. The wind turbine is connected in a bus of the medium voltage grid. Then, the harmonic content in both the bus of the wind turbine and in other buses of the grid is extracted and compared with the standard IEC 61000-3-6 that sets the limits for harmonic injection in medium voltage grid. Initially, the advantages of use of wind energy are mentioned compared to other conventional forms of energy. Furthermore, the problems caused by the presence of harmonics in the grid are discussed. A theoretical analysis of each section of the medium voltage grid is conducted. For each section, a model in Matlab / Simulink is also created, based on data from the Public Power Corporation of Greece and on equations related to each section. Then, every part of the system connecting the wind turbine to the medium voltage grid is analyzed and modeled in Matlab/Simulink. This system consists of a synchronous wind turbine with permanent magnets, DC-to-DC converter, three-phase inverter, filter and transformer. A closed loop control for each converter is also analyzed and modeled. Finally, the aforementioned models are built up into one single model. By varying the load factor of the grid transformers, the power factor and the number of wind turbines connected to the same bus, the harmonic content of various buses is extracted and checked if it complies with the standard IEC 61000-3-6. Moreover, the harmonic content of the voltage is calculated, when the system of wind turbine changes position in the present medium voltage grid, as well as when the wind speed is changed.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και ανάλυση ενός αιολικού συστήματος με ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με ιδιαίτερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Κατόπιν, περιγράφονται τα κυριότερα ανεμολογικά χαρακτηριστικά οι διάφοροι τρόποι ταξινόμησης των ανεμογεννητριών που υπάρχουν σήμερα, τα δομικά στοιχεία αυτών, καθώς και οι βασικές τεχνικές ελέγχου που εφαρμόζονται σ’ αυτές. Ακολουθεί η γενική παρουσίαση μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας. Προκειμένου να γίνει μελέτη των μεταβατικών καταστάσεων, παρουσιάζεται το δυναμικό μοντέλο και ο διανυσματικός έλεγχος μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας. Τέλος, γίνεται η προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου, που περιλαμβάνει ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου και μελετώνται τα δεδομένα που προκύπτουν για τυχαίες μεταβολές του ανέμου. / The subject of this thesis is the study and analysis of a variable speed wind turbine equipped with a doubly-fed induction generator (DFIG). At first, an introduction is made of the renewable energy sources, with special mention of the wind energy. Then, there is the description of the different types of wind turbines than exist nowadays, their components and their aerodynamic conversion. A general presentation of a doubly-fed induction generator (DFIG) is made. After that, the dynamic model and the vector control doubly-fed induction generator are presented in order to study various transition phenomena. Finally, the simulation of a wind farm that includes wind turbines of this type, is made and we study the effects of sudden changes of the wind speed.

Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μία αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και αναλύεται περισσότερο η αιολική. Αναφέρεται η πορεία αξιοποίησής της, και παραθέτονται πληροφορίες για την τωρινή χρήση της στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και μελλοντικές βλέψεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του ανέμου και οι εξισώσεις της ανεμογεννήτριας που μας επιτρέπουν να απομαστεύουμε ενέργεια από τον άνεμο μέσω των ανεμογεννητριών. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα δομικά στοιχεία και ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η κατηγοριοποίηση των ανεμογεννητριών, οι έλεγχοι που χρησιμοποιούνται και τα είδη των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα στη βιομηχανία. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τεχνικές απαιτήσεις για τους αιολικούς σταθμούς στο ελληνικό Σ.Η.Ε. Στο πέμπτο κεφάλαιο, γίνεται η προσομοίωση μέσω του προγράμματος Matlab - Simulink ενός μη γραμμικού ελέγχου ισχύος ανεμογεννητριών DFIG για ενσωμάτωση σε εικονικούς σταθμού ισχύος (V.P.P). / In the first chapter, there is a general description about renewable energy resources and more specific, about the wind energy. We present the current worldwide electrical power production and the future requirements for electrical power production in Europe and Greece. In the second chapter, we study the features of the wind performance and the equations that allows us to drain energy from the wind ,using a wind turbine. The third chapter presents the components, the kinds of control and the categories of wind turbines that are in use in industry nowadays. The fourth chapter presents the technical requirements for the wind farms in the Greek System of Electrical Energy. In the fifth chapter we use the program Matlab - Simulink in order to simulate a non-linear direct power control of DFIG wind turbines for Virtual Power Plant (V.P.P.) integration.