Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που απασχολούν τη σύγχρονη κοινωνία είναι το ενεργειακό πρόβλημα, απόρροια της υπερβολικής άντλησης των συμβατικών ενεργειακών αποθεμάτων του πλανήτη. Μια ιδιαίτερα ελκυστική εναλλακτική προσφέρει η αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ειδικότερα της αιολικής ενέργειας. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα τον έλεγχο της διάταξης μιας ανεμογεννήτριας η οποία αποτελείται από μια επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Το σύστημα αυτό επιτρέπει τη λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας με ένα αρκετά μεγάλο εύρος. Τόσο στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και σε περίπτωση σφάλματος, η συμπεριφορά της γεννήτριας καθορίζεται πλήρως από το μετατροπέα και τους ελεγκτές του. Λόγω των πλεονεκτημάτων της, η επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας αποτελεί την ξεκάθαρη τάση στα αιολικά συστήματα. Σκοπός της εργασίας είναι να μελετήσουμε το πλήρες σύστημα της ανεμογεννήτριας στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου ώστε να επιτύχουμε τη μέγιστη επιτρεπτή απομάστευση ισχύος από τον άνεμο για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της ονομαστικής. Προσομοιώνουμε το σύστημα με τη βοήθεια του Simulink του MATLAB και παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα των αποκρίσεων των διαφόρων μεγεθών εξάγοντας τα αντίστοιχα συμπεράσματα. / One of the biggest problems that modern society faces is the energy problem, as a result of excessive pumping of the conventional energy resources of the planet. An attractive alternative is offered by the use of renewable energy generally and wind energy in particularly. In this thesis we consider a wind turbine comprising a double feed induction generator (DFIG). This system allows variable speed operation with a fairly wide range. Both in steady state operation and in case of error, the behavior of the generator is fully determined by the inverter and controllers. Given the advantages of the double feed induction machine is the clear trend in wind systems. The purpose of this work is to study the complete system of the wind turbine system in d-q rotating vertical axis through the Park transformation and implement appropriate control methodology to achieve the maximum permissible power from the wind for wind speeds higher than the nominal. We simulate the system with the help of the MATLAB Simulink and present the results of the responses of various sizes outputting the corresponding conclusions.

Η διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, στους καιρούς μας, σε συνδυασμό με τη ραγδαία κλιματική αλλαγή, οδηγούν στην ανάγκη αναζήτησης οικονομικών, άφθονων και καθαρών πηγών για την παραγωγή της. Συνεπώς η αιολική ενέργεια κερδίζει έδαφος στις επιλογές των κρατών ανά τον κόσμο. Στην παρούσα διπλωματική θα αναλυθεί μια διάταξη ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και ένα φίλτρο RL από την πλευρά του δικτύου. Με την επιλογή μας να χρησιμοποιήσουμε σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη κερδίζουμε σε αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Σκοπός την εργασίας αυτής είναι αφενός η μελέτη και η ανάλυση του πλήρους συστήματος στο d-q στρεφόμενο σύστημα καθέτων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και αφετέρου η εφαρμογή του κατάλληλου σχεδιασμού ελέγχου, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη απομάστευευση ισχύος από τον άνεμο. Αυτό θα πραγματοποιηθεί λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς που θέτουν τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας και οι απαιτήσεις του δικτύου. Η προσομοίωση του συνολικού συστήματος θα γίνει στο περιβάλλον του Matlab/Simulink. Μέσω της προσομοίωσης αυτής θα προκύψουν οι αποκρίσεις των βασικών μεγεθών του συστήματος, από τα οποία θα εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητα των επιλογών μας. / The increasing demand for electricity, in our times, combined with the rapid climate change, leads to the need of economical, abundant and clean sources of production. Therefore, wind energy is gaining ground around the world. In this thesis a wind turbine topology will modeled and analyzed. It consists of a permanent magnet synchronous generator (PMSG), a frequency back-to-back converter and an RL filter from the network side. By using a permanent magnet synchronous generator the model becomes efficient and reliable. The initial purpose is studying an analyzing the complete system, using d-q rotating vertical shaft system with Park transformation. Implementation of the appropriate control design will follow, in order to achieve maximum wind power extraction. Constrains, which are posed by the generator contraction characteristics and network requirements, must and will be considered. The simulation of the complete system will take place in Matlab/Simulink computing environment. The responses of the fundamental units will be presented and valuated, in order to extract conclusions regarding the quality of different control methods.

Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται χαρακτηριστικά της αιολικής ενέργειας. Μελετάται η ισχύς του ανέμου όπου βλέπουμε στοιχεία όπως τον τρόπο που σχηματίζονται οι άνεμοι, και περιγράφονται τα στοιχεία τη ανεμογεννήτριας και τα χαρακτηριστικά της αιολικής απόδοσης. Παρουσιάζονται τέλος, συνοπτικά, μερικά εισαγωγικά στοιχεία για τις κατανεμημένες παραγωγές, για τις κατανεμημένες πηγές ενέργειας και τον τρόπο που διανέμεται η παραγωγή της ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας γίνεται περιγραφή των φορτίων που υπάρχουν στα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα. Μελετάμε τη δομή αυτών και τα κατηγοριοποιούμε με κριτήριο τη ροπή τους. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάμε το τριφασικό βραχυκύκλωμα και τον τριφασικό διακόπτη. Αναφέρουμε τις παραμέτρους που παίζουν ρόλο στο βραχυκύκλωμα, τον τρόπο που συμπεριφέρεται μία μηχανή σε αυτό και τις συνιστώσες συνεχούς μεταβαλλόμενου ρεύματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφουμε τον τριφασικό μετασχηματιστή. Μελετάμε τις συνθήκες σύνδεσης αυτών και τον τρόπο που συνδέονται. Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετάμε τις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας, τον έλεγχο που γίνεται στον ανεμοκινητήρα για την ισχύ , τα κατάλληλα ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούμε στις ανεμογεννήτριες, τους μετατροπείς συχνότητας και τα είδη γεννητριών. Αναφέρονται οι συνδεσμολογίες τους και ο τρόπος που ελέγχουμε τάσεις, ενεργό και άεργο ισχύ μέσω συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση του αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών , όπου βλέπουμε τον μετασχηματισμό Park για τη μετατροπή συστήματος αξόνων, αναλύουμε το μοντέλο της μηχανής σε άλλο πλαίσιο αναφοράς (d – q) και εφαρμόζουμε διανυσματικό έλεγχο. Στο έβδομο κεφάλαιο σχεδιάζουμε το σύστημα που μελετάμε με το πρόγραμμα MATLAB / Simulink, Γίνεται μία αναφορά στους ελέγχους που μελετήθηκαν στο πέμπτο κεφάλαιο, χρησιμοποιώντας τους για την εξομοίωση. Αναλύουμε τον τρόπο που αρχικοποιούμε το σύστημά μας και εξομοιώνουμε το σύστημα με τις ανεμογεννήτριες παραθέτοντας τις απαραίτητες κυματομορφές. / The first chapter indicates characteristics of wind energy. Studied the wind power, where we see how winds are formed, and we describe the elements of wind and the characteristics of wind performance. Presented finally, briefly, a few introductory information on distributed generation for distributed energy sources. In the second chapter, there is a description of the electric motor systems loads. We study their structure and categorize them according to their torque. In the third chapter we study the three-phase fault and three phase switch. We report the parameters that play a role in short and how it behaves a machine on it. The fourth chapter describes the three-phase transformer. We study the association of these conditions and it is connected. In the fifth chapter we study the variable wind speed control, in Wind Turbines, the power, electronics that we use, frequency inverters and types of generators. We specify the connections and the way we control voltages, active and reactive power through control systems. The sixth chapter is an analysis of the variable wind speed system, where we see Park transformation to convert the axis system, we analyze the model of the machine in another frame of reference (d - q) and apply vector control. In the seventh chapter we design the system with the program MATLAB / Simulink, simulating the system. We analyze the way that we do the initialization of our system in order to simulate in several wind speeds, giving the necessary waveforms.

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