Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την μελέτη ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Το αιολικό σύστημα συγκροτείται από μία 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, ένας μετατροπέας για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης τύπου Boost και τέλος ένας μονοφασικός αντιστροφέας με MOSFET. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη, η προσομοίωση στον υπολογιστή καθώς και η κατασκευή της τελευταίας βαθμίδας σύνδεσης με το δίκτυο, δηλαδή του μονοφασικού αντιστροφέα. / This project deals with the study of a wind power system of production of electric energy which is connected in the low voltage network. This wind power system is constituted by a synchronous generator of permanent magnets and also by power electronics that convert the alternating voltage (A/C), which is produced by the generator, to continuous voltage (D/C) and back again to alternating voltage of 50Hz frequency in order to establish a connection with the network. In particular, we used a non controlled rectifier with diodes for the rectification of the voltage, a Boost converter for the elevation and the stabilisation of the voltage, a single-phase inverter with MOSFETs and finally a single-phase transformer. The goal of this project is the study, the simulation as well as the manufacture of the last part of the previous wind power system that is the single-phase inverter.

Στην διπλωματική εργασία που ακολουθεί, παρουσιάζεται η προσομοίωση και μελέτη ενός υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής. Το σύστημα που εξετάζεται είναι ένα υβριδικό σύστημα ηλεκτροπαραγωγής που αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια, μια φωτοβολταϊκή συστοιχία και μία γεννήτρια diesel. Για τη προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Η εργασία επικεντρώνεται στη δομή και λειτουργία του συστήματος τόσο στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και στη συμπεριφορά του συστήματος σε διάφορα μεταβατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: • Μείωση προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκη συστοιχία • Αποσύνδεση Ανεμογεννήτριας από το δίκτυο • Τριφασικό βραχυκύκλωμα ως προς την γή στον ζυγό της γεννήτριας diesel • Απότομη αύξηση του φορτίου Στο 1ο Κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στα συστήματα κατανεμημένης παραγωγής, στις δομές τους και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης αναφέρονται μερικές εφαρμογές τους. Στο 2ο Κεφάλαιο, περιγράφονται ξεχωριστά τα στοιχεία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία του υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής που απαρτίζουν την εργασία. Ταυτόχρονα παρουσιάζονται και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις σύμφωνα με τις οποίες λειτουργεί το σύστημα. Στο 3ο Κεφάλαιο, εισερχόμαστε στο περιβάλλον του προγράμματος μοντελοποίησης PSCAD, παρουσιάζεται και περιγράφεται η δομή και τα στοιχεία που αποτελούν το υβριδικό δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής, ενώ γίνεται και αναφορά στις προδιαγραφές που πρέπει να τηρούνται από το σύστημα διανεμημένης παραγωγής. Στο 4ο Κεφάλαιο, παρατηρείται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων. Στο 5ο Κεφάλαιο, εξετάζεται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων στις διαταραχές που έχουμε περιγράψει παραπάνω. Στο 6ο Κεφάλαιο και τελευταίο, καταλήγουμε σε συμπεράσματα τα οποία προέκυψαν από την μελέτη του υβριδικού συστήματος που παρουσιάστηκε. / The thesis that follows, presents the simulation and design of a hybrid distributed system of electrical power generation. The system presented, consists of a wind turbine, a photovoltaic array and a diesel generator. For the system simulation we use the drawing and simulation of electrical systems program, PSCAD. The project focuses on the structure and operation of the system both at steady -permanent state and in system behavior in various transient situations. The transients considered are the following: • Reduction in incident solar radiation into array • Wind Turbine disconnection from the network • Three-phase short circuit as for ground under the rule of the diesel generator • Sharp load increase In 1st chapter, there is a reference to hybrid power generation systems, distributed generation systems, their structures and the renewable sources of energy. Also some applications are mentioned. In 2nd chapter, there is a description of the elements that produce electrical energy and the other elements of the hybrid system of distributed production of electrical energy which are used in the system. At the same time there are presented and analyzed the mathematical relations under which the system operates. In 3rd chapter, we enter the interface of the PSCAD modeling program, present and describe the structure and components of the hybrid power grid, while we also make a reference to the specifications that have to be met by the system of distributed production. In 4th chapter, is examined the behavior of the whole system as well as of the individual subsystems in steady-permanent state. In 5th chapter, is examined the behavior of the entire system as well as of the individual subsections during the disturbances which we have described above. In 6th chapter and last, we come to conclusions that emerged from the study of the hybrid system presented.

Η παρούσα διπλωματική εργασία κάνει μια ανασκόπηση στην ενεργειακή κατάσταση του πλανήτη και της Ελλάδας. Παρουσιάζει τις εναλλακτικές-ανανεώσιμες μορφές ενέργειας παραγωγής ηλεκτρισμού. Στη συνέχεια, αναλύει τον άνεμο, τα χαρακτηριστικά μεγέθη του, την αιολική ενέργεια, και τις προοπτικές της εγχώρια. Βλέπουμε αναλυτικά τον ανεμοκινητήρα, τους διαφορετικούς τύπους του και τη λειτουργία του. Και καταλήγουμε στο να καθορίσουμε τους τρόπους αξιολόγησης μιας αιολικής εγκατάστασης, εκφράζουμε μαθηματικά τις οικονομικές σχέσεις και παραθέτουμε μια εφαρμογή αιολικής εγκατάστασης που αναλύεται με τα παραπάνω. Τέλος, αναφερόμαστε στο νομοθετικό πλαίσιο αν και ρευστό από έτος σε έτος και στην ισχύουσα διαδικασία εγκατάστασης ενός αιολικού πάρκου. / The present dissertation gives a general review of the situation of energy of the planet and Greece. It presents the alternative-renewable forms of energy for the production of electricity. Afterwards, it analyses the wind, its characteristic sizes, the wind power and its domestic perspectives. We can see in detail the wind engine , its various types and its function. Furthermore, we end up defining the ways evaluating of a wind installation, we express mathematically the financial relations and we not only cite an application of a wind installation which is analysed with the above mentioned ways but we also present the easiest analysis through the computer. Finally, we refer to the legislative scope even though it is unstable from year to year and to the procedure of installation of a wind park which is in effect.

Οι σύγχρονες κοινωνίες καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας για τη θέρμανση χώρων, τα μέσα μεταφοράς, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και για τη λειτουργία των βιομηχανικών μονάδων. Το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας που χρησιμοποιείται προέρχεται από συμβατικές πηγές ενέργειας, όπως είναι το πετρέλαιο, η βενζίνη και ο άνθρακας, που αργά ή γρήγορα θα εξαντληθούν. Από την άλλη πλευρά, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Γενικά θεωρούνται οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας. Οι κυριότερες μορφές των ΑΠΕ είναι η υδροηλεκτρική ενέργεια, η θαλάσσια ενέργεια, η ενέργεια που προέρχεται από τη βιομάζα, η γεωθερμική ενέργεια, το υδρογόνο, η ηλιακή ενέργεια και η αιολική. Έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι άλλων πηγών ενέργειας, όπως το γεγονός ότι είναι πρακτικά ανεξάντλητες, δε μολύνουν το περιβάλλον και έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας. Δημιουργούν σημαντικό αριθμό νέων θέσεων εργασίας. Αποτελούν πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για τη τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση ανάλογων επενδύσεων. Η αύξηση των επενδύσεων σε ΑΠΕ άρχισε να γίνεται ιδιαίτερα αισθητή την τελευταία δεκαετία όπου παρατηρείται έντονη άνοδος στην επενδυτική δραστηριότητα και συνεπώς στην εγκατεστημένη ισχύ μονάδων παραγωγής ενέργειας. Πέρα από τα μεγάλα υδροηλεκτρικά, που υπερέχουν σημαντικά ως προς την εγκατεστημένη ισχύ, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται κυρίως στα αιολικά και στα φωτοβολταϊκά. Όμως, παρά την ανοδική τους τάση οι ΑΠΕ παραμένουν ανεπαρκώς ανεπτυγμένες, κυρίως αν ληφθούν υπόψη οι ευνοϊκές κλιματολογικές συνθήκες στη χώρα μας (πλούσιο αιολικό δυναμικό και υψηλό επίπεδο ηλιοφάνειας). Η ανάπτυξη των ΑΠΕ στη χώρα μας προωθείται από τους στόχους που έχουν τεθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση, την αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, από την πτώση του κόστους παραγωγής των ΑΠΕ και την ταυτόχρονη άνοδο του κόστος παραγωγής των συμβατικών καυσίμων καθώς και από το ευνοϊκό θεσμικό πλαίσιο που αφορά τις γενναιόδωρες επιδοτήσεις κεφαλαίου για την πραγματοποίηση επενδύσεων σε ΑΠΕ και την τιμολόγηση του παραγόμενου από ΑΠΕ ηλεκτρικού ρεύματος για την επόμενη εικοσαετία. Δυστυχώς η δυσχερής και χρονοβόρα διαδικασία αδειοδότησης, η έλλειψη χωροταξικού σχεδιασμού για τις ΑΠΕ, που επιτρέπει σε κάθε πολίτη να εμποδίσει την εγκατάσταση μονάδων με χρήση ΑΠΕ, καθώς και το γεγονός ότι η κατασκευή, λειτουργία και συντήρηση των μονάδων ηλεκτροπαραγωγής εξαρτάται από τους προμηθευτές και τη διαθεσιμότητα εξοπλισμού και πρώτων υλών εμποδίζουν πρακτικά την ανάπτυξη των ΑΠΕ στη χώρα μας. Το υπό διερεύνηση σύστημα που μελετάται είναι η σύνδεση ανεμογεννήτριας σε ισχυρό δίκτυο. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τον ανεμοκινητήρα και τη σύγχρονη γεννήτρια. Επειδή η ένταση του ανέμου είναι μεταβλητή, για τη σωστή λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας χρησιμοποιούνται συστήματα ελέγχου προκειμένου να διατηρηθούν η τάση και η συχνότητα στις ονομαστικές τους τιμές. Στη συγκεκριμένη εργασία, γίνεται η προσομοίωση του υπό διερεύνηση συστήματος στο ATP-EMTP και παρατίθενται σχηματικά διαγράμματα για διάφορες τιμές της ταχύτητας του ανέμου συναρτήσει της ακτίνας του πτερυγίου και της αδράνειας του συστήματος. Η ταχύτητα του ανέμου κατέχει βασικό ρόλο στη συμπεριφορά της λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου, αυξάνονται η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα και η μηχανική ροπή στην είσοδο της σύγχρονης γεννήτριας, συνεπώς και η ροπή του ανεμοκινητήρα. Το χρονικό σημείο όπου το σύστημα εισέρχεται στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας είναι ίδιο, γεγονός που οφείλεται στη μη μεταβολή της αδράνειας του συστήματος. Επίσης παρατηρείται, ότι η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου έχει σαν αποτέλεσμα η ισχύς του συστήματος να αυξάνεται όπως και είναι αναμενόμενο, αλλά από μια ταχύτητα του ανέμου και πάνω η παραγόμενη ισχύς δεν παρουσιάζει την ίδια συμπεριφορά γεγονός που οφείλεται στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του ανεμοκινητήρα και στις χαρακτηριστικές που εκφράζουν τη λειτουργία του (cp (λ)). Συνεχίζοντας την ανάλυση του συστήματος του ανεμοκινητήρα παρατηρείται ότι καθώς η αδράνεια του συστήματος παραμένει σταθερή η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα σταθεροποιείται χρονικά στο ίδιο σημείο για διαφορετικές τιμές της ταχύτητας του ανέμου, όπως και αναμένονταν. Κατά το αρχικό χρονικό διάστημα η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα παρουσιάζεται ιδιαίτερα μεταβαλλόμενη, γεγονός που οφείλεται στον προσδιορισμό των αρχικών συνθηκών του συστήματος. Οι αρχικές συνθήκες των μεταβλητών του συστήματος θεωρούνται σταθερές για οποιαδήποτε τιμή της ταχύτητας του ανέμου (παραδοχή). Καθώς η αδράνεια μεγαλώνει υφίσταται μείωση των μεταβολών της γωνιακής ταχύτητας και η γωνιακή ταχύτητα ισορροπεί σε διαφορετικούς χρόνους για διάφορες τιμές της αδράνειας. Ένα άλλο βασικό μέγεθος που επηρεάζει τη λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας είναι η ακτίνα των πτερυγίων της. Αυξάνοντας την ακτίνα των πτερυγίων, αυξάνεται η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα καθώς και η ροπή εισόδου στη σύγχρονη γεννήτρια, και συνεπώς η παραγόμενη μηχανική ισχύς στην έξοδο του ανεμοκινητήρα. Έγινε και επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων, αφού τόσο η μεταβολή της ακτίνας των πτερυγίων όσο και η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου οδήγησαν σε αντίστοιχα αποτελέσματα που ανταποκρίνονταν στις αναλυτικές εξισώσεις που εκφράζουν τον ανεμοκινητήρα και που παρουσιάστηκαν στη διπλωματική εργασία. Κατόπιν στο σύστημα προστίθεται σύγχρονη γεννήτρια συνδεδεμένη με τριφασικό ωμικό φορτίο. Προτιμήθηκε σύγχρονη γεννήτρια καθώς έχει τη δυνατότητα παραγωγής άεργου ισχύος σε αντίθεση με την ασύγχρονη, και για αυτό το λόγο πλέον χρησιμοποιούνται περισσότερο συγκριτικά με τα προηγούμενα έτη. Τελειώνοντας, συνδέεται η ανεμογεννήτρια σε ισχυρό δίκτυο, και παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν τα ρεύματα στο εσωτερικό της μηχανής αλά και στην έξοδό της, καθώς και οι τάσεις του συστήματος και η γωνιακή ταχύτητα. Επίσης γίνεται διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος σε περιπτώσεις σφαλμάτων συμμετρικών και μη. Επισημαίνεται ότι το ρεύμα διέγερσης Ιf δεν αλλάζει τιμή καθώς το σύστημα δεν διαθέτει έλεγχο. Παρ’ όλ’ αυτά έγινε προσπάθεια προσομοίωσης της σύγχρονης γεννήτριας που επιλέχθει με τα συστήματα ελέγχου P-f, Q-V και για τα οποία παρουσιάστηκαν τα αντίστοιχα σχηματικά διαγράμματα. / The Renewable Sources of Energy are considered generally as the alternatives to the traditional sources of energy. They are thus named because most of them are renewed in the nature. They are immediately used (mainly for heating) or changed into other forms of energy (electric or mechanic energy). It is calculated that the bigger part of electric energy that is produced worldwide, is produced by stations that use RSE. They have a lot of advantages against other sources of energy, as the fact that they are practically inexhaustible; they do not pollute the environment and have low functional cost. As main forms of RSE are reported the hydroelectric energy, the marine energy, the energy that emanate from the biomass, the geothermal energy, the hydrogen, the solar energy and aeolian. The growth of RSE in our country is promoted by the objectives that have been placed by the European Union, the increasing demand of electric energy, from the fall of cost of production of RSE and the simultaneous rise in the cost of conventional fuels production, as well as from the favorable institutional frame that concerns the generous capital subsidies for the realization of investments in RSE and the pricing produced from RSE of electric current for the next 20 years. Unfortunately, the awkward and time-consuming process of vacations awarding, the lack of land-planning for the RSE, that allows in each citizen to prevent the installation of units with use of RSE, as well as the fact that the manufacture, operation and maintenance of units for electricity generation depends on the suppliers and the availability of equipment and raw material, prevents practically the growth of RSE in our country. The system under investigation is the connection of wind generator in powerful network. The wind generator is constituted by a wind-motor and a synchronous generator. The wind turns the fins of wind generator, which are connected with a turned axis. The axis passes in a box of movement transmission, where the speed of rotation is increased. The box is connected with axis of big speed of rotation, which moves an electricity production generator. If the intensity of wind is strengthened too much, the turbine has a brake that limits the excessive increase of rotation of the fins in order to limit its deterioration and to avoid destruction. For the right operation of synchronous generator are used control systems so that tendency and frequency are maintained in their nominal prices. In conclusion, a simulation of the system is presented in the ATP-EMTP and schematic diagrams are mentioned on various prices of wind speed in connection with the beam of fins of wind generator and the system’s inactivity.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η εξέταση των προτεινόμενων συστημάτων γείωσης για ανεμογεννήτριες σύμφωνα με την IEC και η προσομοίωση με Matlab της συμπεριφοράς τους σε πλήγμα κεραυνού στην κατασκευή μέσω της μεθόδου FDTD. Στο πρώτο κεφάλαιο αναπτύσσεται σύντομα το φαινόμενο του κεραυνού και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στη συνέχεια δίνονται στοιχεία για την αιολική ενέργεια και την εκμετάλλευσή της στον κόσμο και στην Ελλάδα. Επίσης αναλύονται τα βασικά μέρη και η λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών όπως προτείνεται στο διεθνές πρότυπο IEC-61024 και η διαδικασία αξιολόγησης της επικινδυνότητας μιας τέτοιας κατασκευής. Δίνονται οι βασικοί ορισμοί για συστήματα γείωσης. Διεξοδικότερα εξετάζονται οι δύο τύποι συστημάτων γείωσης για ανεμογεννήτριες, σύμφωνα πάντα με την IEC. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η μέθοδος FDTD (Finite Difference Time Domain ) και ο αλγόριθμος του Yee. Η καινοτομία του αλγορίθμου αυτού ήταν η γεωμετρική απεικόνιση για τη δειγματοληψία των τιμών του ηλεκτρικού και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου η οποία αντιπροσωπεύει τις ολοκληρωτικές και τις διαφορικές μορφές των εξισώσεων του Maxwell. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε επίσης η μέθοδος λεπτού αγωγού (thin wire) η οποία επιτρέπει την ακριβή μοντελοποίηση ενός λεπτού αγωγού(όπου λεπτός αγωγός ορίζεται ως αγώγιμο καλώδιο η ακτίνα του οποίου είναι μικρότερη από το μέγεθος του κελιού που χρησιμοποιεί η FDTD) και περιγράφεται στη συνέχεια του κεφαλαίου. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζουμε δυο προτεινόμενες διατάξεις γείωσης σύμφωνα με το πρότυπο της IEC. Εξηγείται αναλυτικά πως υλοποιήθηκε ο αλγόριθμος FDTD στο Matlab και αναφέρονται οι παραδοχές που έγιναν για τη σύγκλιση της μεθόδου .Παρουσιάζεται με γραφική απεικόνιση από το MAtlab η μοντελοποίηση του χώρου για τις 2 διατάξεις. Μελετάμε την αύξηση δυναμικού ,την βηματική τάση και την μεταβατική αντίσταση για τη διάταξη τύπου Α με ένα κάθετο ηλεκτρόδιο . Εξετάζουμε πως επηρεάζει τα παραπάνω μεγέθη η μεταβολή του βάθους του ηλεκτροδίου και πως μεταβάλλονται σε διαφορετικούς τύπους εδαφών. Ακόμα εξετάζουμε την συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης για τη διάταξη τύπου Β με ένα οριζόντιο δακτύλιο και τέσσερα κάθετα ηλεκτρόδια συγκριτικά με τη διάταξη Α. Στο τελευταίο κεφάλαιο σχολιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και γίνεται σύγκριση των δύο προτεινόμενων διατάξεων γείωσης από την IEC. Συνοψίζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεθόδου FDTD για προσομοίωση συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης σε πλήγμα κεραυνού. Επίσης προτείνονται διαφορετικές προσεγγίσεις στην υλοποίηση της μεθόδου για την αντιμετώπιση των μειονεκτημάτων. / The subject of this essay is the analysis of the suggested by IEC grounding systems for wind turbines and the simulation of these systems using the FDTD method .The software used for the simulations was MATLAB. First chapter is a brief but essential theoretical approach on the lightning phenomenon. Moreover facts and figures are given for renewable energy and particularly wind power in Greece and worldwide. Furthermore the components and the function of a wind turbine are analyzed. The second chapter is a thorough study of the lightning protection systems for wind turbines as suggested by the international standard IEC-61204.The standard defines the risk assessment process of a wind turbine. The components of grounding systems are introduced and the two types of grounding systems for wind turbines according to IEC are analyzed. FDTD (Finite Difference Time Domain) method is analyzed in the third chapter along with Yee’s algorithm. The novelty of this method is the geometrical representation of the electrical and magnetic fields and the equations of Maxwell. The thin wire method was also used for the simulation in order to model precisely the conductors (as thin wire we define a wire with radius smaller than the cell used in the FDTD) and is described in this chapter. Along with writing this essay various grounding systems were simulated with MATLAB. In the forth chapter some brief comments about the development of the simulation are stated along with the description of the FTDT algorithm implementation. We study the potential rise, the step voltage and the transient resistance for the two types of grounding systems suggested by IEC and we observe how the depth of the rods and the resistivity of the soil affect them. In addition to that we also examine some variations of the two types of grounding systems in order to conclude to the optimal grounding system for a wind turbine. In the last chapter results are examined and conclusion are extracted and presented. The suggested by the IEC grounding systems are compared. Further optimizations of the simulation process are discussed leading to possible, future improvement. The advantages and disadvantages of the FTDT method for simulation of grounding systems after a lightning are presented.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των ανεμογεννητριών, η ανάλυση των επιμέρους συστημάτων τους και η μελέτη της σύνδεσης τους με το δίκτυο μέσω ενός ελεγκτή ομαλής εκκίνησης. Αρχικά, γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στην ιστορική εξέλιξη των ανεμογεννητριών, καθώς και στις επικρατούσες συνθήκες στην Ευρώπη και στην Ελλάδα. Έπειτα παρουσιάζονται χαρακτηριστικά μεγέθη του ανέμου και θεμελιώδεις έννοιες των αιολικών συστημάτων. Στη συνέχεια γίνεται μια εκτενής αναφορά στα επιμέρους συστήματα που συνθέτουν μια ανεμογεννήτρια και στους τρόπους ελέγχου της. Ακόμα, παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι γεννητριών που μπορούν να συνδεθούν και ο τρόπος λειοτυργίας των ανεμοκινητήρων. Έτσι, προκύπτει η μελέτη της απευθείας σύνδεσης με το δίκτυο μέσω ενός ελεγκτή ομαλής εκκίνησης (soft starter). Πρώτα γίνεται μια εισαγωγή στους soft starters, ορίζονται κάποιες βασικές έννοιες, γίνεται αναφορά στα υπόλοιπα μέρη του συστήματος και έπειτα μελετάται η παλμοδότηση κ λειτουργία των θυρίστορ των ελεγκτών. Τέλος, παρατίθενται τα μοντέλα πέμπτης και τρίτης τάξης της επαγωγικής γεννήτριας, οι εξισώσεις για τις ισχείς P και Q, η μέθοδος ελέγχου του soft starter (sliding mode), ο προτεινόμενος ελεγκτής και η υλοποίηση του. / The purpose of this thesis, is the study of wind turbines, the analysis of the individual parts of them and the study of the connection process to the network with a soft starter. Firstly, there is a reference to the renewable power sources and a historic development of wind turbines. Some important terms about the wind are referred and also some fundamental meanings about wind power systems.In addition, the parts of a wind turbine are referred and the ways of control. Furthermore, the different kinds of generators are presented, as well as the way they operate. Therefore, there is a study about the direct connection of a wind turbine to the grid through a soft starter. The soft starter is studied and the way it operates.Finally, is presented the induction machine's fifth and third order model, as well as the proposed controller and his implementation.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης μιας ανεμογεννήτριας μέσω της εξομοίωσης του με το λογισμικό EMTP-ATP λαμβάνοντας υπόψη και το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στο φαινόμενο του κεραυνού καθώς και στα διάφορα είδη συστημάτων γείωσης και στις μεθόδους υπολογισμού των παραμέτρων τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους και οι συνέπειές του στη συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα εξομοίωσης ενός συστήματος γείωσης και γίνεται η επιλογή του ποιο κατάλληλου για τις ανάγκες της εξομοίωσης. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και οι παρατηρήσεις των εξομοιώσεων. / The subject of the following diploma thesis is the study of the transient response of a grounding grid which is part of a wind turbine 's grounding system, by means of simulation using the EMTP-ATP software, considering the effects of soil ionization. Initially the physical phenomena of lightning is presented followed by a presentation of various grounding systems and calculation methods of their parameters. In the following chapters the soil ionization phenomenon and its effects on the behavior of grounding systems is studied and a reference is made to simulation models, which have been proposed by various researchers. Finally the appropriate model is selected and the results and the observations of the simulation are been presented.

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. / --

Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη, «καθαρή» μορφή ενέργειας, που δε μολύνει το περιβάλλον και είναι ανεξάντλητη. Οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με υψηλό υψόμετρο καθώς και σε επίπεδη ύπαιθρο, κάτι που δικαιολογεί τον υψηλό αριθμό κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία προκαλούν πολλά προβλήματα στις εγκαταστάσεις. Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να ορισθεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Για την καλλίτερη κατανόηση του φαινομένου αυτού, αρχικά περιγράφηκε η ηλεκτρική κατάσταση της γης και η ηλεκτρική συμπεριφορά των νεφών καθώς και οι επιπτώσεις των πληγμάτων των κεραυνών. Αυτά αφορούν στην ανθρώπινη ζωή και στις κατασκευές, στις οποίες διακρίνονται σε θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές επιπτώσεις. Η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, με σημαντικότερη την προστασία των περιστρεφόμενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγματα επηρεάζουν αρχικά τα συστήματα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα μηχανικά τμήματα, όπως τα συστήματα πέδησης (αν υπάρχουν), τα μηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθμό. Καθώς ο ακριβής τρόπος που το κεραυνικό πλήγμα δρα πάνω στην ανεμογεννήτρια δεν είναι απόλυτα γνωστός, είναι απαραίτητο να βρεθούν ασφαλείς μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών που να βασίζονται στο πρότυπο IEC 61400-24. Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται η δομή και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά μέρη, κάθε ένα από τα οποία αποτελούνται από άλλα επιμέρους δομικά στοιχεία. Τα τρία βασικά δομικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι η νασέλλα, ο πύργος και η βάση. Ο πλέον δημοφιλής τύπος ανεμογεννήτριας είναι ο οριζόντιος τύπος, ο οποίος χαρακτηρίζεται από ένα στροφέα τύπου προπέλας που στηρίζεται πάνω ένα οριζόντιο άξονα με δύο ή τρία πτερύγια. Η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεμο και μπορεί να δεσμευτεί με ένα ανεμοκινητήρα είναι: PA=1/2*p*S*V3. Διακρίνουμε τρεις ταχύτητες στην λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας: α) την ταχύτητα έναρξης, β) την ονομαστική ταχύτητα και γ) την ταχύτητα αποσύζευξης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι επιπτώσεις του κεραυνικού πλήγματος στις ανεμογεννήτριες. Στο σημείο αυτό γίνεται αναφορά στο πρότυπο IEC 61400-24 και κυρίως στις παραγράφους που αφορούν στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Εκτός από τις βλάβες στα πτερύγια που είναι τα πιο εκτεθειμένα μέρη της ανεμογεννήτριας το πλήγμα του κεραυνού έχει επιπτώσεις στα έδρανα κύλισης, στο κιβώτιο ταχυτήτων και στο ανεμόμετρο. Επίσης οι περιελίξεις της γεννήτριας και ο εξοπλισμός ελέγχου και παρακολούθησης μπορεί να υποστούν σοβαρές βλάβες. Οι επαγόμενες τάσεις είναι η τάση επαφής, η βηματική τάση και οι υπερτάσεις. Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο αφορά στην αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών. Αρχικά παρουσιάζεται η αντικεραυνική μέθοδος που εφαρμόστηκε από τους Παστρομά και συν. σε ένα αιολικό πάρκο στο Παναχαϊκό κοντά στην Πάτρα στην Ελλάδα [10]. Γίνεται υπολογισμός του επιπέδου προστασίας των ανεμογεννητριών με δύο τρόπους: α) εκτιμώντας την παράμετρο Nd για κτήρια που έχει ως μεταβλητή τον περιβαλλοντικό παράγοντα Ce και β) με το Nd να αφορά τις εκτιμήσεις για τις ανεμογεννήτριες έχοντας μια μεταβλητή, το ύψος της κατασκευής. Η παράμετρος E είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις. Στη συνέχεια περιγράφεται το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας που εφαρμόζεται για την προστασία των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, καθώς και τα αποτελέσματα πειραματισμών για την ανάπτυξη ενός υποδοχέα, ο οποίος να έχει επαρκή χωρητικότητα για «σκληρές» κεραυνικές συνθήκες [21]. Στα πειράματα για τη μελέτη των επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων σε πτερύγια, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί τύποι πτερυγίων, που διέθεταν τρείς διαφορετικούς τύπους υποδοχέων. Ο πρώτος τύπος διέθετε έναν στερεό μεταλλικό υποδοχέα στην άκρη του πτερυγίου, ο δεύτερος τύπος έναν κυκλικό υποδοχέα εγκατεστημένο στην πλευρά του πτερυγίου και ο τρίτος τύπος τρείς υποδοχείς. Ο ένας είχε σχήμα ράβδου και βρισκόταν στο άκρο του πτερυγίου και οι άλλοι ήταν μικροί μεταλλικοί υποδοχείς που βρίσκονταν και στις δύο επιφάνειες του πτερυγίου. Αυτοί οι τρείς τύποι υποδοχέων καλύπτουν τους περισσότερους τύπους που χρησιμοποιούνται γενικώς. Οι εύκαμπτες συνδέσεις στο εσωτερικό της νασέλλας προκαλούν μια παράκαμψη του ρεύματος του κεραυνού που καταλήγει στην βάση του πύργου. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν δαχτυλίδια ολίσθησης για να συνδέσουν την καλωδίωση της γεννήτριας με την σταθερή καλωδίωση. Το μεταλλικό πλαίσιο μέσα στην νασέλλα είναι συνδεμένο με την βάση της ανεμογεννήτριας με 50mm2 με XLPE μονωμένα καλώδια. Η νασέλλα, τα ρουλεμάν εκτροπής και ο πύργος συνδέονται και καταλήγουν στη βάση του πύργου. Οι αγωγοί καθόδου χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν με ασφάλεια το ρεύμα του κεραυνού στο σύστημα γείωσης. Το σύστημα γείωσης θα πρέπει να οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού και να προστατεύει το προσωπικό από πτώσεις τάσης επαφής και βηματικές. Το ανεμόμετρο προστατεύεται επίσης από κεραυνικά πλήγματα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία οδηγία για αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών στη Ιαπωνία η οποία συνοψίζει τα αποτελεσματικά μέτρα για την αντικεραυνική προστασία στις εγκαταστάσεις ανεμογεννητριών, με βάση το ρεύμα των κεραυνών του χειμώνα, τις εργαστηριακές δοκιμές εφαρμογής ρευμάτων υψηλής τάσης σε πτερύγια ανεμογεννητριών και τη μελέτη των κεραυνικών σφαλμάτων σε μονάδες παραγωγής αιολικής ενέργειας [27]. Τελειώνοντας παρουσιάζεται μια πρόταση για μια καινούργια έννοια ζωνών αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, σύμφωνα με την οποία η άκρη του πτερυγίου θεωρείται ως διαφορετική ζώνη από το υπόλοιπο πτερύγιο [28]. / Wind energy is a renewable, "pure" form of energy that does not pollute the environment and is inexhaustible. Wind turbines are usually sited on high altitude as well as flat countryside, explaining the high number of reported direct lightning strikes. Lightning is an atmospheric electrical phenomenon, characterized by high current, which occurs in very large gaps. For a better understanding of this phenomenon, it is firstly described the electrical behavior of the Earth and the clouds. It is also described the effects of lightning strikes, which are related to human life and structures (thermal, mechanical and electrical effects). Lightning protection of wind turbines presents several difficulties; the main is the protection of the rotating blades. Lightning strikes have impact firstly on control systems, then the rest electrical system and lastly the blades and sensors. Mechanical parts like gearbox (if exists), mechanical brakes and the electric generator are not affected in high degree. Additionally, taking into account that the way a lightning strike acts on a wind turbine is not clear at this time, makes it necessary to find a quite safe method based on the basics of lightning protection of equipment and wind turbines according to IEC 61400-24. The third chapter presents the structure and operation of wind turbines. The wind turbine consists of three major parts, each of which consist of other sub-components. The three main components of a wind turbine are the nasella, the tower and the base. The most popular type is the horizontal wind turbine type, which is characterized by a propeller-type rotor, resting on a horizontal axis with two or three blades. The total power produced by the generator is: PA = 1/2 * p * S * V3. The three operating speeds of a wind turbine are a) Cut-in speed, b) Rated speed and c) Cut-out speed. The fourth chapter presents the effects of lightning strikes on wind turbines. Standard IEC 61400-24 describes lighting protection of wind turbines. The lighting strike firstly affects the blades. Also affects the bearings, the gearbox and the anemometer. The generator and the control system may be seriously damaged from a lighting strike. The fifth and last chapter describes the lightning protection of wind turbines. Firstly, a practical lightning protection method is presented which was applied by Pastromas et al [10] to a wind park sited on Panachaiko area, near Patras Greece. This method seems to minimize the risk of damages to the turbines from eventual lightning strikes. It derived considering the damage statistics, the consequences on energy production and the evaluation of the risk of lightning damage to a wind turbine, based on IEC 61400-24. Then, the lightning protection applied to protect the turbine blades is described, as well as the results of lightning experiments and simulations for various lightning receptors that are generally used in wind turbines, in order to develop the lightning receptor to protect wind turbine blades under hard lightning condition [21]. The flexible connections, to the internal of nacelle cause a lightning current bypass from the plate, around the blade bearing and the main bearings via the nacelle frame to the tower foundation. The slip ring is an electromagnetic device which allows the transmission of power from a stationary to a rotating structure and connects the turbine wiring to the fixed wiring. The metal frame in the nacelle is bonded to the wind turbine foundation with 50mm2 Cu with XLPE insulation wires. Nacelle, yaw rings and tower are connected and ending to the tower foundation. The down conductor in the tower base is connected with the tower and the grounding system, which is constructed inside the foundation of the tower. The grounding system should lead the lightning current and protect the personnel from contact and step voltage drops. The wind turbine has an ultrasonic anemometer which is protected against lightning strikes by a steel ring around it. Then guidelines for wind power generation business toward selection of sites and protection of wind turbines against natural hazards in Japan are presented. This guideline summarizes effective measures on lightning protection of wind power generation equipments, based on measurement of lightning currents in winter, laboratory high-voltage and high-current tests on wind turbine blades investigation on lightning faults of wind power generation plants [27]. Finally, a new zoning concept of the lighting protection of the blades is presented, where the tip of the blade is treated as a different zone than the remaining part of the blade. The background of the new zoning concept is explained, and the principle is demonstrated used on existing blade

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.