Το ενεργειακό πρόβλημα αποτελεί ένα από τα πιο πολυσηζητημένα θέματα της ανθρωπότητας που απασχολεί και θα συνεχίσει να απασχολεί τον πλανήτη μας για τις επόμενες δεκαετίες. Μια λύση στο πρόβλημα της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η εγκατάσταση και λειτουργία μικροδικτύων είτε σε οικιακή κλίμακα είτε σε επίπεδο εθνικού δικτύου ή ακόμα και σε επίπεδο μιας ολόκληρης ηπείρου. Για την επιτυχή και ευσταθή λειτουργία τέτοιων συστημάτων, κρίνεται απαραίτητος ο έλεγχος των επιμέρους στοιχείων τους ξεχωριστά. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μοντελοποιήθηκαν και ελέγθηκαν δύο ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, ο TCSC και ο BOOST, καθώς και η τριφασική ασύγχρονη μηχανή βραχυχκυκλωμένου κλωβού, κυρίαρχα στοιχεία ενός μικροδικτύου. Τα καταστατικά μοντέλα όμως, τόσο των μετατροπέων ισχύος όσο και της μηχανής περιγράφονται από μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις και συνεπώς ο έλεγχος τους δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν μοντέρνες τεχνικές μη γραμμικού και προσαρμοστικού ελέγχου προκειμένου να ελεγχθούν τα συστήματα αυτά και να εξασφαλιστεί κάθε φορά η ευστάθεια του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Για τους μετατροπείς TCSC και BOOST σχεδιάστηκαν απευθείας οι μη γραμμικοί - προσαρμοστικοί ελεγκτές ενώ για την τριφασική ασύγχρονη μηχανή εφαρμόστηκε πρώτα έμμεσος διανυσματικός έλεγχος στο στατό πλαίσιο αναφοράς και στη συνέχεια σχεδιάστηκαν οι ελεγκτές και οι εκτιμητές της ροής, της ροπής και της αντίστασης. Τέλος όλα τα συστήματα προσομοιώθηκαν με τη χρήση του εργαλείου Simulink του Matlab και εξήχθησαν τα συμπεράσματα. / The energy problem is one of the most spoken issues of humanity that concerns and will continue to concern our planet for decades to come. One solution to the electrical energy problem is the installation and operation of microgrids either at household level or at the level of a national network or even at the level of an entire continent. For successful and stable operation of such systems, it is necessary to test their components separately. In this Thesis there have been modeled and tested two electronic power converters, the TCSC and BOOST, and the three-phase asynchronous machine of shortcircuited cage, dominant elements of a microgrid. The constitutive models, however, both the power converters and the machine are described by nonlinear differential equations and, therefore, their control is not at all easy. Specifically, modern techniques of nonlinear and adaptive control were used in order to check these systems so that the stability of the system in the steady state be ensured. For the inverters TCSC and BOOST the nonlinear - adaptive controllers were designed directly, while for the three-phase asynchronous machine there was applied firstly the indirect vector control in the stationary frame of reference and then the controllers and the flow, torque and resistance estimators were designed. Finally, all the systems were simulated using the Matlab Simulink tool and conclusions were drawn.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη και τον έλεγχο ενός συστήματος γερανού με προηγμένες τεχνικές. Το σύστημα αποτελείται από έναν κινούμενο φορέα στον οποίο είναι συνδεδεμένο ένα εκκρεμές φορτίο με μεταβαλλόμενο μήκος. Σκοπός είναι η μεταφορά του φορτίου σε μια διαφορετική θέση και ύψος σε ελάχιστο χρόνο με μηδενική υπολειπόμενη ταλάντωση. Αρχικά παρουσιάζεται ο έλεγχος του συστήματος με τη μέθοδο ανατροφοδότησης κατάστασης. Στη συνέχεια αναλύεται η βασική θεωρία του input shaper και προτείνεται μια προσαρμοστική τεχνική για την εφαρμογή του σε σύστημα με μεταβαλλόμενο μήκος σχοινιού. Έπειτα, η τεχνική αυτή βελτιώνεται συνδυάζοντάς την με τον έλεγχο ανατροφοδότησης κατάστασης και τέλος εφαρμόζεται ένας μη γραμμικός ελεγκτής για το πλήρες μη γραμμικό σύστημα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με εκτενείς προσομοιώσεις καθώς και με εργαστηριακές μετρήσεις σε κατάλληλη πειραματική διάταξη. / This diploma thesis includes the analysis and control of a crane system using advanced control techniques. The system consists of a carrier mass connected with a playload with a hoisting mechanism. The aim of this work is to transport the payload to a different position and a different level within minimum time period while simutaneously minimizing the residual vibration. At first, a state feedback control is presented. Furthermore, the input shaping technique is analyzed and an adaptive version of the input shaper is proposed including hoisting cases. Moreover, this technique is significally improved when combined with a state feedback control law and finally a nonlinear controller is proposed for the total nonlinear system. The above techniques are justified with both simulation and experimental results from a suitable experimental setup.

Στις μέρες μας, οι ολοένα αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες καθώς και οι η μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που η χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα σύγχρονα συστήματα ενέργειας έχει αυξηθεί τις τελευταίες δεκαετίες. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι μια από τις πιο συνήθεις και αποτελεσματικές ανανεώσιμων πηγών για συνδεδεμένα στο δίκτυο ή αυτόνομα συστήματα. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση έλεγχου σε μετατροπέα δυο βαθμίδων για σύνδεση φωτοβολταικού συστήματος. Αρχικά, θα μελετήσουμε θεωρητικά διάφορους τύπους τοπολογιών που περιλαμβάνουν αντιστροφέα, στην περίπτωση μας, θα μοντελοποιήσουμε και προσομοιώσουμε ένα DC-DC μετατροπέα σε σύνδεση αλυσίδας με έναν τριφασικό DC-AC αντιστροφέα σε ένα απομονωμένο σύστημα. Ειδικότερα θα παρουσιάσουμε θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα έλεγχου της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Το βασικό κομμάτι αυτής της εργασίας είναι τα αποτέλεσμα του ελεγκτή που είναι βασισμένος στην παθητικότητα διασύνδεσης και εκχώρηση απόσβεσης (IDA PBC). Τέλος, θα μοντελοποιήσουμε και προσομοιώσουμε τον DC-AC μετατροπέα, του οποίου ελέγχουμε την τάση εξόδου από τους γνωστούς μας σε όλους αναλογικούς-ολοκληρωτικούς (PI) ελεγκτές. / Nowadays, increased energy needs and the increasing pollution levels of the environment are the main reasons that usage of renewable energy sources to modern power systems has significantly increased in the last decades. Photovoltaic (PV) generator systems are one of the most common and efficient renewable energy applications for grid-connected or stand-alone systems. The aim of the present thesis is the study and the simulation of control of a two level power converter used in photovoltaic systems. Firstly, we will study theoretically different types of topologies that include inverters, in our case, we model and simulate a DC-DC boost power converter string connected with a three phase DC-AC inverter to a stand-alone system. Especially we will present theoretical and experimental results controlling the DC-DC converter output voltage. The basic part of this thesis are the results of the controller, which is designed following the passivity-based interconnection and damping assignment methodology (IDA PBC). Finally, we will model and simulate the DC-AC inverter, where its output voltage is controlled by the well-known, proportional-integral (PI) controllers.

Η παρούσα διπλωματική αφορά στον έλεγχο του ανεστραμμένου εκκρεμούς. Γίνεται μια σύντομη σύνοψη της σχετικής θεωρίας και ακολούθως ασχολείται αρχικά με τη σταθεροποίηση του γραμμικοποιημένου, γύρω από την ασταθή κατακόρυφη θέση ισορροπίας, συστήματος και στη συνέχεια με τη μελέτη δύο διαφορετικής λογικής ελέγχων για την πλήρη λύση του προβλήματος ελέγχου του εκκρεμούς, δηλαδή αφ’ ενός την ανύψωση και αφ’ ετέρου τη σταθεροποίηση του. Γίνεται και μια προσπάθεια εκτίμησης της περιοχής ελκτικότητας του συστήματος για κάποιους ελέγχους / In the present thesis the control of an inverted pendulum is presented. A brief summary of the relevant theory is presented. In the following the stabilization of the linearized system around the unstable upright position is developed. Furthermore, the study of two different control approaches for the complete solution of the pendulum; the swing up phase and stabilization phase. Lastly an effort for the rough estimation of the region of attraction is attempted

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο ελέγχου συστημάτων ισχύος και ειδικότερα στην εφαρμογή προηγμένων μεθόδων στην ανάλυση και τον έλεγχο στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών οδηγούμενων από ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος. Ειδικότερα, λαμβάνοντας υπόψη τα ακριβή μη γραμμικά μοντέλα των μετατροπέων ισχύος και των ηλεκτρικών μηχανών, αναλύεται η μορφή και η συμπεριφορά των ολοκληρωμένων συστημάτων που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση των μηχανών και αποδεικνύεται ότι τα μοντέλα αυτά μπορούν να περιγραφούν με τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που μελετώνται είναι ο μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης και ο τριφασικός μετατροπέας σε λειτουργία ανορθωτή και μετατροπέα, ενώ επίσης μελετώνται οι μηχανές ΣΡ ξένης διέγερσης και με διέγερση σε σειρά καθώς επίσης και η τριφασική επαγωγική μηχανή. Έχοντας αναπτύξει τα πλήρη μοντέλα, προτείνεται ένας νέος μη γραμμικός νόμος ελέγχου κατάλληλος για τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή των συστημάτων τα οποία περιλαμβάνουν διακοπτικούς μετατροπείς ισχύος. Μια εκτενής μη γραμμική μαθηματική ανάλυση αποδεικνύει ότι ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου εγγυάται ευστάθεια και σύγκλιση στο επιθυμητό σημείο ισορροπίας για το σύστημα κλειστού βρόχου. Ο έλεγχος αυτός εφαρμόζεται για τον έλεγχο κινητήρων ΣΡ οδηγούμενων από μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης καθώς και στην τριφασική επαγωγική μηχανή. Η ανάλυση και η εφαρμογή του ελέγχου οδηγεί στην ανάγκη για επεκτάσεις στη μορφή του ώστε να αυξηθεί η σθεναρότητά του ως προς τις αρχικές συνθήκες, να βελτιωθεί η μεταβατική του συμπεριφορά και να εφαρμοστεί κατάλληλα σε τριφασικούς μετατροπείς ισχύος ώστε να εγγυάται συγκεκριμένες λειτουργίες όπως γραμμική διαμόρφωση. Με την εφαρμογή του ελέγχου στην επαγωγική μηχανή, προτείνεται μια πλήρης σχεδίαση που λειτουργεί είτε βασιζόμενη στη λογική του προσανατολισμένου πεδίου, είτε πλήρως ανεξάρτητα από αυτή, ενώ μελετάται και η συμπεριφορά του σε καταστάσεις εξασθένησης πεδίου. Τέλος, η λογική του ελέγχου επιβεβαιώνεται σε ένα σύστημα ανεμογεννήτριας συνδεδεμένης στο δίκτυο μέσω πλήρους συστήματος μετατροπέων ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος. Σε όλες τις περιπτώσεις παρουσιάζονται προσομοιώσεις και κατά το δυνατό πειραματικά αποτελέσματα μέσω κατάλληλων εργαστηριακών διατάξεων. / The present PhD dissertation is addressed in the research field of control of power systems and more precisely in providing advanced methods for the analysis and control of electrical machines driven by power devices. Particularly, taking into account the accurate nonlinear models of the power converters and the electrical machines, the structure and the behavior of the complete models used for machine driving are analyzed based on the generalized Hamiltonian-passive form. The power converters discussed are the DC/DC boost converter and the three-phase power converter used as a rectifier or an inverter, while the separately-excited and the series-connected DC motors along with the three-phase induction machine are studied as well. After providing the complete dynamic models, a new nonlinear control scheme suitable for the generalized Hamiltonian-passive systems with switching devices is proposed. Using an extended mathematical analysis, it is proven that the proposed controller guarantees stability and convergence to the desired equilibrium for the closed-loop system. The proposed control application is tested for DC drive systems fed by DC/DC boost converters as well as for induction motor systems fed by AC/DC/AC converters. The control analysis and application leads to the extension of the control structure in order to increase the robustness with respect to the initial conditions, to improve the transient performance and to be suitably applied in three-phase power converter systems, guaranteeing simultaneously certain operating constraints such as linear modulation. For the case of the induction motor control, a complete form of the controller is proposed that acts either in the frame of field-orientation or independently from it, while the controller is also studied in field-weakening conditions. Finally, the controller performance is studied in a wind generating system connected to the grid through a full-scale power converter. In all cases, simulation results are presented while experimental results are provided where possible by using suitable laboratory testbeds.

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.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύει και προτείνει κάποιες νέες λύσεις και μεθοδολογίες όσον αφορά στο πρόβλημα της βέλτιστης απομάστευσης ενέργειας από ένα αιολικό σύστημα. Στο πρώτο μέρος, προτείνεται μια νέα μεθοδολογία για τη βελτιστοποίηση της εκμετάλλευσης του ανέμου σε μια συγκεκριμένη περιοχή, καταλήγοντας στη βέλτιστη χωροταξική τοποθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, ο σκοπός της βελτιστοποίησης είναι η μεγιστοποίηση της παραγόμενης ισχύος για κάθε τυχαία ταχύτητα ανέμου, μέσω της ανάπτυξης βέλτιστων τεχνικών ελέγχου. Και στις δύο περιπτώσεις, η ανάλυση γίνεται με τη χρήση μοντέλων τα οποία αναπτύχθηκαν στο περιβάλλον του προγράμματος Matlab και τον υπολογιστικών εργαλείων που παρέχει αυτό. Τα μοντέλα που δημιουργήθηκαν, μας οδήγησαν σε μια σειρά προσομοιώσεων οι οποίες επαλήθευσαν τη θεωρητική ανάλυση και επιβεβαίωσαν ότι οι πρωτότυπες λύσεις που προτείνονται δίνουν βελτιστοποιημένα αποτελέσματα σε σχέση με αντίστοιχες γνωστές αναλύσεις. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο μέρος αυτής της διατριβής επικεντρώνεται στη βέλτιστη επιλογή τόσο του αριθμού, όσο και της θέσης των ανεμογεννητριών σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Το κριτήριο που χρησιμοποιείται για την βελτιστοποίηση είναι η μέγιστη παραγωγή ενέργειας με το χαμηλότερο κόστος. Στην ανάλυση αυτή, εισάγεται μια νέα διαδικασία προσέγγισης αυτού του προβλήματος με τη χρήση της Μεθόδου Προσομοίωσης Μόντε Κάρλο. Στην παρούσα ανάλυση, όπως και σε παλιότερες αντίστοιχες, χρησιμοποιείται το ίδιο κριτήριο βελτιστοποίησης και γίνονται οι ίδιες παραδοχές, προκειμένου τα αποτελέσματα να είναι συγκρίσιμα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται είναι πολύ καλύτερα και όσον αφορά στην παραγόμενη ισχύ αλλά και το κριτήριο βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα, εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με το μέγιστο αριθμό των ανεμογεννητριών και την χωροταξική τους τοποθέτηση, τα οποία επαληθεύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι ένα λειτουργικό εργαλείο για την απόφαση τοποθέτησης ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, που είναι και πιο εκτεταμένο, σκοπός είναι η σχεδίαση νέων ελεγκτών υψηλής απόδοσης, οι οποίοι επιτυγχάνουν τη μέγιστη παραγωγή ισχύος για συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται ένα σύστημα ανεμογεννήτριας το οποίο αποτελείται από επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού που συνδέεται στο δίκτυο με πλήρως ελεγχόμενο ac/dc/ac μετατροπέα με IGBT στοιχεία. Αρχικά παρουσιάζεται μια ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μεγιστοποίηση και τον έλεγχο της ισχύος. Με βάση αυτή την ανάλυση, προτείνοντες εναλλακτικές λύσεις που είναι λιγότερο πολύπλοκες, πιο ακριβείς και πιο εύκολα εφαρμόσιμες, ένα γεγονός που αποδεικνύεται μέσω της θεωρητικής ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν και προτάθηκαν κατάλληλα μη γραμμικά μοντέλα για το σύστημα της ανεμογεννήτριας, για την περίπτωση της λειτουργίας υπό μεταβλητή, προσαρμοζόμενη ταχύτητα. Η εκτενής μαθηματική ανάλυση απέδειξε ότι το αρχικό μη γραμμικό σύστημα τηρεί τη θεμελιώδη ιδιότητα των Euler-Lagrange συστημάτων, την παθητικότητα. Αυτό σημαίνει πως το σύστημα έχει απόσβεση τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μηχανικό μέρος. Επίσης, γίνεται ανάλυση του εφαρμοζόμενου σχήματος του διανυσματικού ελέγχου. Η ανάλυση αυτή αποδεικνύει ότι με κατάλληλη μετατροπή και προσαρμογή των PI ελεγκτών που χρησιμοποιούνται στην πλευρά της γεννήτριας και σημαντικές απλοποιήσεις του σχήματος του παραδοσιακού διανυσματικού ελέγχου, προκύπτουν δύο διαφορετικά σχήματα ελέγχου τα οποία επιτυγχάνουν αυτόματα τον προσανατολισμό στο πεδίο που απαιτείται από το διανυσματικό έλεγχο, ενώ διατηρούν και αυξάνουν την απόσβεση του αρχικού συστήματος. Οι έλεγχοι αυτοί επιτυγχάνουν εξαιρετική ρύθμιση των στροφών λειτουργίας της γεννήτριας σύμφωνα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε να οδηγούν στη βέλτιστη λειτουργία, δηλαδή αυτή της μέγιστης δυνατής εξαγόμενης ισχύος. Το πρώτο σχήμα ελέγχου είναι απευθείας συγκρίσιμο με τις υπάρχουσες εφαρμογές του διανυσματικού ελέγχου, ενώ το δεύτερο εισάγει μια πρωτοποριακή τεχνική, η οποία βελτιώνει σημαντικά την απόκριση του συστήματος. Ανάλογες βελτιώσεις προτείνονται και για την πλευρά του μετατροπέα προς την πλευρά της σύνδεσης με το δίκτυο της ηλεκτρικής ενέργειας. Και για αυτή την περίπτωση αποδεικνύεται ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός μπορεί να δώσει απλοποιημένα σχήματα ελέγχου πολύ αποδοτικά όμως για τη διαμόρφωση της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος Έτσι, επιτυγχάνεται πλήρης αντιστάθμιση της αέργου ισχύος με λειτουργία μοναδιαίου συντελεστή ισχύος της ανεμογεννήτριας. Επιπρόσθετα, επιτυγχάνεται η σαφής σταθεροποίηση της λειτουργίας της διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος σε λειτουργία σταθερής dc τάσης. Οι αναλυτικές προσομοιώσεις οι οποίες διεξήχθησαν, βασίζονται σε ρεαλιστικά σενάρια λειτουργίας. Σύμφωνα με αυτά η απαίτηση για ρύθμιση της ταχύτητας στην βέλτιστη τιμή της συμβαίνει την ίδια χρονική στιγμή που εμφανίζεται αλλαγή της παρεχόμενης ισχύος και ροπής από τον άνεμο. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επαληθεύουν τη θεωρητική ανάλυση και δείχνουν ότι και τα δύο προτεινόμενα σχήματα ελέγχου επιτυγχάνουν μεγιστοποίηση στην παραγωγή ισχύος με τρόπο αποδοτικό και με τους αναμενόμενους χρόνους απόκρισης. Συγκρίσεις με υπάρχουσες αντίστοιχες τεχνικές ελέγχου δείχνουν την υπεροχή των προτεινόμενων σχημάτων ελέγχου και την ικανοποιητική λειτουργία τους. / This dissertation analyses and suggests some efficient solutions for the optimization problem of the available power in a wind system. The thesis is divided into two parts. In the first part, a new methodology is proposed for optimizing the manipulation of wind in a certain area, based on the optimal placement of wind turbines in wind parks. In the second part, the purpose of the optimization is to maximize the power production from the wind, through the development of new control techniques. In both cases, the analysis is made by using detailed nonlinear models, which were developed in computational environment of the Matlab program and all the computational tools that were available. The models that were developed lead us to a series of simulations that confirm the theoretical analysis and suggest original solutions and optimized results in comparison to known ones. Particularly, the first part of this thesis is concentrated in the optimal selection of the number and the positioning of the wind turbines in a certain geographic region. The criterion used for the optimization is the maximum power production with the minimum cost. In this analysis a novel procedure is introduced, based on the Monte Carlo Simulation Method. As in previous studies, we used the same optimization criterion and the other conditions in order the results to be comparable. The presented results are far better as long it concern the maximum power production and the optimization factor. Furthermore, important conclusions are made for the maximum number of the wind turbines and their location that confirm the proposed method as an efficient tool for the geographic distribution of wind mills in a wind park. In the second part of this dissertation, the goal is to design high efficient and simple controllers that achieve maximum power production for wind turbine systems. Particularly, a variable speed wind generation system is considered consisting by a squirrel cage induction generator connected to the grid by a fully controlled ac/dc/ac IGBT converter. To this end, first it is presented an analysis of the control method, namely the vector control method, which is used today for maximization and control of the active power. Based on this analysis, alternative solutions are proposed, that are less complicated, more accurate and easier to be accomplished, a fact that is proved through a theoretical analysis. Suitable nonlinear models have been developed and proposed for a wind turbine system, for the case of operating under variable, adjustable speed. Comprehensive mathematical analysis proves that the original nonlinear system has the fundamental property of Euler-Lagrange systems, which is passivity. This means that the system is damped in both the electric and the mechanical part. Also, an analysis of the existing, vector control based schemes is conducted. Then, by modifying properly the PI controllers used at the generator side and simplifying decisively the vector control scheme, we propose two different control schemes that simultaneously are free from the field oriented requirement of the vector control while they maintain and increase the damping of the initial system. The first control scheme is directly comparable with the existing vector control applications, while the second introduces an innovated technique that improves substantially the system response. Detailed simulations that carried out are based on realistic operation scenario, which mean that require demand for the adjustment of the speed in its optimal value, at the same time that a change at the supplied by the wind power and torque occurs. The simulation results confirm the theoretical analysis and show, that both the proposed control schemes achieve optimal power production in an efficient manner and in the expected response time.