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.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μιας ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος στο δίκτυο. Η διασύνδεση συνεχούς ρεύματος αποτελείται από έναν πυκνωτή που είναι συνδεδεμένος με την πλευρά της μηχανής μέσω ενός ac/dc πλήρως ελεγχόμενου ανορθωτή ισχύος ενώ με την πλευρά του δικτύου συνδέεται μέσω ενός dc/ac πλήρως ελεγχόμενου αντιστροφέα ισχύος. Ο πυκνωτής , ο ανορθωτής και ο αντιστροφέας είναι συνδεδεμένοι σε σειρά και αποτελούν την dc διασύνδεση. Η μελέτη γίνεται αρχικά με την θεωρητική ανάλυση του συστήματος της ανεμογεννήτριας. Για την θεωρητική ανάλυση χρησιμοποιείται για διευκόλυνση ο μετασχηματισμός Park που μετασχηματίζει το τριφασικό a-b-c σύστημα των εξισώσεων του συστήματος στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Η ανάλυση μας οδηγεί στην εξαγωγή των εξισώσεων στον χώρο κατάστασης και έτσι οδηγούμαστε στο μαθηματικό μοντέλο του συστήματος. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η θεωρία ελέγχου του συστήματος της επαγωγικής γεννήτριας και γίνεται ο προσδιορισμός των κερδών των cascaded PI ελεγκτών. Στο τελικό στάδιο της διπλωματικής εργασίας γίνεται η προσομοίωση του συστήματος και της συμπεριφοράς του κατά την μεταβολή του ανέμου. Ο άνεμος στην πρώτη περίπτωση μεταβάλλεται βηματικά και στην δεύτερη περίπτωση με τυχαίο τρόπο. Με την χρήση του λογισμικού Simulink του Matlab εξάγουμε τις γραφικές παραστάσεις των χαρακτηριστικών μεγεθών : ρευμάτων, τάσεων, ροών, ισχύων του συστήματος και παρατηρώντας τα αποτελέσματα αυτών καταλήγουμε σε σχετικά συμπεράσματα για το προς μελέτη σύστημα. / The purpose of this thesis is to study a wind turbine with a wound rotor induction generator which is connected to the network with a dc link. The dc link is made of a capacitor which is connected to the side of the machine with a fully controlled ac/dc power rectifier and to the network side with a fully controlled dc/ac inverter. The capacitor, the rectifier and the inverter are connected in series and comprise the dc link. Firstly, it is necessary to begin with the theoretical analysis of the system of the wind turbine. At the system analysis is used the Park transformation that transforms the three-phase a-b-c system of equations at the d-q reference frame. Our analysis leads to be exported the equations in state space which are the mathematical model of the system. Then we present the cascaded PI controller design and the gain tuning for the system of the wound rotor induction generator. In the final stage of the thesis there is the simulation of the system and its behavior during the change of wind. In the first case, the wind change stepwise and in the second case in a random manner. By using the software of Simulink at Matlab we draw the graphs of feature sizes such as: currents , voltages , flows and power of the system and as we observe the results of the graphs we arrive at conclusions about the under study system.

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.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της επίδρασης ενός αιολικού συστήματος στην ευστάθεια ενός κοινού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία της μόνιμης κατάστασης. Πιό συγκεκριμένα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή σχετικά με την χρήση της αιολικής ενέργειας από τα παλαιά χρόνια έως και σήμερα, αλλά και στοιχείων που αφορούν τόσο την Ελλάδα αλλά και άλλες χώρες. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα αιολικά συστήματα ως προς τη δομή τους, τη λειτουργία τους, τα προβλήματα που προκαλούν αλλά και τα οφέλη που αποφέρουν. Στο τρίτο κεφάλαιο ακολουθεί μία κατηγοριοποίηση των συστημάτων ανεμογεννητριών ως προς τον τύπο γεννήτριας που περιέχουν αλλά και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της διείσδυσης της αιολικής ενέργειας ως προς την κλίμακα διείσδυσης (μικρή – μεγάλη), τις προϋποθέσεις σωστής χρησιμοποίησής τους καθώς και των προβλημάτων που προκύπτουν σχετικά με την ευστάθεια τάσης αλλά και τη συχνότητα. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η ανάλυση ροής φορτίου και πίο συγκεκριμένα η μέθοδος Newton-Raphson που χρησιμοποιήσαμε για την πραγματοποίηση του πειραματικού κομματιού αυτής της εργασίας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε μαζί με τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο ακολουθεί σχολιασμός των παραπάνω αποτελεσμάτων. / This diploma thesis examines the influence of a wind energy system on the stability of a common electric power system during the steady state operation. More specifically: In the first chapter, there is an introduction related to the usage of wind energy from the past years up to nowadays, and also facts related not only to Greece but also other countries. In the second chapter, the wind energy systems are analyzed for their structure, the way they operate, the problems they cause and the benefits they yield. In the third chapter, there is a categorization of the wind energy systems in terms of the generator type the use and the state they operate. In the fourth chapter, there is an analysis of the wind power integration depending on the integration scale (small-scale – large-scale), the conditions of correct usage, as well as the problems that appear and are related to the voltage stability and the frequency. In the fifth chapter, the load flow procedure is described and more particularly the Newton-Raphson procedure that was used in this case. Ιn the sixth chapter, the simulation is presented along with the results. Finally, in the seventh chapter there are comments related to the results above.

Οι σύγχρονες αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις καθώς και η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που κάνουν τα αιολικά συστήματα να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά συστήματα αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ανάλογα με την τεχνολογία που εφαρμόζουν χωρίζονται σε επιμέρους κατηγορίες. Στη παρούσα εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Η απήχηση της ΣΜΜΜ στα αιολικά συστήματα διαρκώς αυξάνει. Αυτό οφείλεται κυρίως στην απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, δακτυλιοφόρου δρομέα και εξωτερικής διεγέρσεως, που προσφέρουν οι μηχανές αυτές. Πράγμα που σημαίνει αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση. Στην εργασία αυτή θα μοντελοποιήσουμε και θα προσομοιώσουμε, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, το αιολικό σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Στο σύστημα αυτό θα εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου που μεγιστοποιεί την παραγόμενη ενέργεια ρυθμίζοντας κατάλληλα τις στροφές της μηχανής. Τέλος, θα παραθέσουμε τα αποτελέσματα μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και θα εξάγουμε ορισμένα συμπεράσματα. / Today’s increased energy needs and the increasing environmental pollution are the main reasons which make wind systems more usable in electric energy production. Wind systems use the kinetic energy of the wind. Depending on the technology they apply, they are divided into certain categories. In the present project we will study a varying speed wind system which uses a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The popularity of the PMSG in wind systems is continuously increasing. This is mainly due to the absence of gear box, wound rotor and external excitation which offer such machines. This means increased reliability and efficiency. In this project we will model and simulate, in Matlab/Simulink environment, the wind system described above. In this system we will apply a control strategy which maximizes the produced energy by regulating appropriately the speed of the machine. Finally, we will demonstrate the results among with a brief comment and we will extract some conclusions.

Το ενεργειακό πρόβλημα, καθώς και οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου που βρίσκεται σε έξαρση στις μέρες μας είναι από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη και κάνουν αναγκαία και επιβεβλημένη τη μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων και την προσπάθεια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατόν πιο οικονομικό, αλλά και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε το μετατροπέα που συνδέεται στην πλευρά του δικτύου και παρουσιάζουμε αναλυτικά τις βασικές τοπολογίες που εφαρμόζονται σε αιολικά και σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Η διάταξη που εξετάζουμε αποτελείται από έναν μετατροπέα ac/dc, ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μέσω πυκνωτή (dc-link) και ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Σκοπός, λοιπόν, αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε τη διάταξη αυτή στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου, εξετάζοντας δυο διαφορετικές περιπτώσεις: στην πρώτη περίπτωση διατηρούμε σταθερή σε μηδενική τιμή την αναφορά αέργου ισχύος ενώ στη δεύτερη διατηρούμε σταθερή την ενεργό ισχύ. Τέλος, προσομοιώνουμε το σύστημα αυτό στο περιβάλλον Simulink του Matlab και για τις δύο παραπάνω περιπτώσεις και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα, προκειμένου να αναδειχθεί η σωστή λειτουργία της διάταξης αυτής. / The energy problem and the consequences of the greenhouse effect that is on the rise nowadays are two of the most important global problems and make necessary and imperative the reduce of the use of fossil fuels and the effort to produce electricity in a more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind and solar power have a great role in this objective. In this thesis we consider the converter connected to the grid side and present in detail the basic topologies applied in wind and photovoltaic systems. The system under consideration consists of an ac/dc converter, an energy storage system via capacitor (dc-link) and an R-L filter on the grid side. Aim of this thesis is to study this system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and apply the appropriate control methodology, considering two different cases: in the first case we keep the reactive power reference steady and equal to zero while in the second case we keep the active power steady. Finally, we simulate this system with the Matlab Simulink for both cases and then we present simulations of the responses and draw conclusions in order to demonstrate the correct operation of this system.