Η αυξανόμενη ανάγκη για ηλεκτρική ενέργεια στον 21ο αιώνα καθώς και η δραματική μείωση των αποθεμάτων ορυκτού πλούτου στον πλανήτη, οδηγούν στην διαρκώς αυξανόμενη χρήση των λεγόμενων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, μεταξύ αυτών και η αιολική ενέργεια. Τα αιολικά συστήματα είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα στην εποχή μας, και η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται ένα αιολικό σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (Σ.Μ.Μ.Μ.) , σύστημα το οποίο μοντελοποιείται στο περιβάλλον του Matlab/Simulink και παρουσιάζονται αποτελέσματά της μοντελοποίησης για δυο περιπτώσεις, μία χωρίς προστασία του συστήματος και μία με προστασία. / Τhe increasing electrical power needs in the 21st sentury and the dramaticaly decreasing mineral sources on the planet lead people to take advantage of the renewable power sources, one of which is the wind energy. Wind systems are highly used today, and the current diploma thesis discusses a wind system which uses a synchronous machine with permanent magnet (SMPM), and using the program Matlab/Simulink we produce some results for this system with and without a protection system for it.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο στο δίκτυο, που αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή που ανυψώνει την τάση και παράλληλα είναι ανιχνευτής του σημείου μέγιστης ισχύος, ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς του συστήματος και έναν αντιστροφέα. Στην συνέχεια γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG) και ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη και συνδέεται επίσης στο δίκτυο. Μετά από αυτά θα αναλυθεί και θα μοντελοποιηθεί η σύνδεση αυτών των δυο συστημάτων μαζί στο δίκτυο κατανεμημένης παραγωγής σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης αντίστοιχα. Σε όλα αυτά θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου, ώστε να ελέγξουμε κατάλληλα τα συστήματα με σκοπό να επιτύχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος. Τέλος, θα υλοποιήσουμε τα παραπάνω συστήματα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα τα προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές στην ακτινοβολία και την ταχύτητα του ανέμου. Ούτως ώστε να δούμε πως συμπεριφέρεται η δεδομένη στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσαμε και να μπορέσουμε να εξάγουμε κάποια συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που αυτές εμφανίζουν. Πιο συγκεκριμένα θα δοθεί έμφαση στην ηλιακή και την αιολική ενέργεια, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών καθώς και κάποια σύντομα ιστορικά στοιχεία σχετικά με αυτές. Ακόμη, θα αναλυθούν τα βασικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των ανεμογεννητριών στα οποία στηρίζεται η λειτουργία των συστημάτων που μελετώνται. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει η ανάλυση των φωτοβολταϊκών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Αρχικά θα γίνει αναφορά στα αυτόνομα και διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στην συνέχεια θα δοθεί το ισοδύναμο μοντέλο του φωτοβολταϊκού κυττάρου με σκοπό να αναλυθεί η I-V χαρακτηριστική του και να οριστεί ο συντελεστής πληρώσεως και η απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Έπειτα θα ασχοληθούμε με τον μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, θα αναλυθεί εν συντομία η λειτουργία του και θα εξαχθεί το μοντέλο του. Αυτός ο μετατροπέας παράλληλα επιτελεί και την λειτουργία ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος, οπότε θα αναλυθούν και οι μέθοδοι εύρεσης αυτού. Ακόμη, θα ασχοληθούμε με τους αντιστροφείς και τις τεχνολογίες αυτών στα φωτοβολταϊκά συστήματα και θα αναφερθεί ο τρόπος ελέγχου τους. Θα μεταφερθούμε στο στρεφόμενο σύστημα d–q δύο καθέτων αξόνων, μέσω του μετασχηματισμού Park, που μας προσφέρει απλούστευση των εξισώσεων και ευκολία στον έλεγχο. Έτσι τελικά θα μοντελοποιηθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα και θα ελεγχθεί. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει αντίστοιχα ανάλυση των αιολικών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Θα παρουσιαστεί η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, τα βασικά στοιχεία για αυτήν και το μαθηματικό της μοντέλο. Έπειτα, θα ασχοληθούμε με την αναλυτική μαθηματική περιγραφή της μετατροπής της κινητικής ενέργειας σε μηχανική. Θα γίνει ανάλυση των μεθόδων μηχανικού ελέγχου ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς. Ακόμη θα εξαχθεί το συνολικό μαθηματικό μοντέλο για το αιολικό σύστημα και ο έλεγχός του. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, θα αναφερθούμε στην κεντρικοποιημένη και την αποκεντρωμένη παραγωγή, θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών και θα εισαχθεί η έννοια του μικροδικτύου και κατηγοριοποιήσεις αυτού. Έπειτα θα εξαχθούν τα μαθηματικά μοντέλα για τις αντίστοιχες τοπολογίες της διασύνδεσης των συστημάτων στο δίκτυο, για την πρώτη σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και για τη δεύτερη σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης. Τέλος θα γίνει έλεγχος αυτών. Στο πέμπτο και τελευταίο Κεφάλαιο θα παραθέσουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στην προσομοίωση, καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των ελεγκτών. Τέλος, ακολουθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και μερικά συμπεράσματα. / The thesis that follows concerns the analysis and modeling of a photovoltaic system that is constituted by a PV array, a DC voltage converter that raises the voltage and simultaneously detect the maximum power point (MPP), so the power output of the system be maximum, and an inverter. Subsequently, the analysis and modeling of a variable speed wind system that uses a permanent magnet synchronous machine (PMSG) and a network of two converters, full scale, back to back that is also connected to the network. After these, will be analyzed and modeled the connection of these two systems together in a network of distributed generation common AC voltage node and common DC voltage node respectively. It will be attempted the implement of a control strategy to control the appropriate systems in order to achieve maximum power production. Finally, we will implement these systems in a Matlab/Simulink environment and simulate them for different changes in radiation and wind speed in order to see how the applied control strategy behaves and extract some conclusions. In chapter 1, becomes a more general report in the renewable sources of energy, to the advantages and disadvantages of them. Specifically, we will focus on the solar and wind energy, advantages and disadvantages and some brief historical information about them. Also, will analyze the main characteristics of the photovoltaic array and wind turbines. In chapter 2 will be analyzed the photovoltaic systems and their structural units. Firstly we will refer to the autonomous and grid-connected PV systems. Then will be given the equivalent model of the photovoltaic cell in order to analyze their characteristics and to determine the fill factor and the efficiency of the photovoltaic cell. Then we will deal with the dc/dc converter we briefly analyze the operation and will extract the model. This converter also performs the function of detecting the MPP so will also be analyzed the methods of finding it. We will refer to the inverters and their technologies in photovoltaic systems and it will be described their control. We will be transferred to the rotating system d-q of two perpendicular axes through the transformation Park which offers simplified equations and ease of control. So eventually the solar system will be modeled and controlled. In chapter 3 will be relevant analysis of the wind systems and their structural units. It will be presented a permanent magnet synchronous machine, its basics and its mathematical model. Then we will deal with the detailed mathematical description of the conversion of kinetic energy into mechanical. We analyze the mechanical control methods to be maximal power output. Also, the overall mathematical model of the wind system and its control will be extracted. In chapter 4, we will refer to the centralized and decentralized production, we will analyze the advantages and disadvantages and introduce the concept of microgrid and its categorizations. Then we will draw the mathematical models for the respective topologies of interconnection systems to the network, the first case is that of common AC voltage node and the second common DC voltage node. Finally they will be controlled. In chapter 5 will be described the technical characteristics of the system used in the simulation and numerical gains of controllers. Finally, the simulation results along with a brief commentary and a few conclusions are given.

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).