Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας η οποία συνδέεται στο στάτη απευθείας με το δίκτυο και στο δρομέα μέσω ενός back to back μετατροπέα και η συνεχής λειτουργίας της μηχανής σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο δίκτυο. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετηθεί το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας θεωρητικά χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του συστήματος στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια παρατέθηκαν οι εξισώσεις στο χώρο κατάστασης που περιγράφουν το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος, το επόμενο βήμα ήταν να περιγραφεί ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές επιλέγοντας τα κατάλληλα κέρδη. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού MATLAB και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. / The present thesis deals with the study of the wind turbine doubly-fed induction generator (DFIG), in which the stator is connected immediately to the grid and the rotor is connected to the grid with a back-to-back converter and the continuous operation of the machine in case of network errors. This thesis will initially consider the overall system of wind turbine theoretically using the Park transformation to model the system in the d-q synchronous rotating reference frame. The following goal was to quote in the state space equations that describe the mathematical model of the system, the next step was to describe a control system based on PI controllers selecting the appropriate profits. Finally, the above system was simulated by using the Simulink of MATLAB and studying the results were exported the appropriate conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και σχεδίαση απευθείας ελέγχου πραγματικής και άεργου ισχύος σε αιολικό σύστημα με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (Doubly-Fed Induction Generator, DFIG). Κύριος σκοπός της εργασίας είναι η εξαγωγή ενός κατάλληλου δυναμικού μοντέλου του συστήματος, το οποίο περιέχει ως καταστάσεις τις ισχείς. Επιπλέον, μέσω του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου (Voltage-Oriented Control, VOC) επιτυγχάνεται ο απευθείας έλεγχος των ισχύων χρησιμοποιώντας αναλογικό-ολοκληρωτικούς (Proportional-Integral, PI) ελεγκτές, επιβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο την επιθυμητή μεταβατική συμπεριφορά. Τελικά, η ανάλυση και η συμπεριφορά του αιολικού συστήματος επιβεβαιώνεται με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Ειδικότερα, στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται το ενεργειακό πρόβλημα και τα διάφορα είδη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται τα συστήματα αιολικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών και η δομή της, οι γεννήτριες και οι συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται σε ένα αιολικό σύστημα, καθώς και ο μηχανικός έλεγχος ισχύος που μπορεί να εφαρμοστεί. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται η ανάλυση του αιολικού συστήματος με την DFIG όπου εξάγεται με την βοήθεια του μετασχηματισμού Park, το ζητούμενο μαθηματικό μοντέλο. Έπειτα, στο κεφάλαιο 4 αναφέρονται οι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες, εφαρμόζεται ο VOC στο αιολικό σύστημα που μελετάται και σχεδιάζονται οι απαιτούμενοι ελεγκτές PI ώστε να ελεγχθεί η ισχύς μέσω των δύο μετατροπέων ισχύος. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η εξομοίωση του συστήματος και τα αποτελέσματα που προέκυψαν. / This diploma thesis deals with the analysis and design of a direct active and reactive power control system for a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) wind power system. The main purpose of this thesis is to extract a suitable dynamic model of the system that contains as states the active and reactive power. In addition, the direct control of the active and reactive power is achieved through voltage-oriented control (VOC) and the use of PI controllers, imposing the desirable transient behavior. Finally, the analysis and the performance of the wind system are verified through simulation results in MATLAB/Simulink. Specifically, in chapter 1 the energy problem and the different types of renewable energy sources are presented. The second chapter deals with the wind energy systems. In particular, the main types and the structure of wind turbines, the generators, the power electronic devices and the mechanic power control used in a wind power system are presented. Then, in chapter 3 the DFIG wind system is analysed and the required mathematical model is extracted using Park’s transformation. Next, in the fourth chapter the control methods for a wind turbine are presented and, using the VOC in the wind power system studied, the required PI controllers for the two power converters are designed. Finally, in chapter 5 the simulation results are presented and conclusions are drawn.

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια από τη μια, και η ραγδαία κλιματική αλλαγή από την άλλη οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ενέργειας χαμηλού κόστους, περιβαλλοντικά φιλική και υψηλής ποιότητας, η οποία μπορεί να επιτευχτεί με κατανεμημένα συστήματα παραγωγής. Έτσι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν μεγάλο ενδιαφέρον για τον στόχο αυτό, αλλάζοντας τόσο ευρωπαϊκό όσο και τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει πολλές επιλογές για μας επιτρέπει την αντικατάσταση των κλασικών επαγωγικών μηχανών, σύγχρονων και ασύγχρονων, με μηχανές νέας τεχνολογίας. Μια τέτοια μηχανή είναι η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, όπως υψηλή πυκνότητα ισχύος, υψηλή ροπή, ευκολία στον έλεγχο, με σχετικά χαμηλό κόστος, μικρότερο μέγεθος και αρκετά άλλα, τις έκαναν να χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές προσελκύοντας πολύ το ενδιαφέρον των ερευνητών και της βιομηχανίας. Έτσι στη συγκεκριμένη εργασία ασχολούμαστε με τη μη γραμμική ανάλυση και τη δυναμική συμπεριφορά σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη. Ξεκινώντας από λεπτομερή, μη γραμμικά μοντέλα για την ΣΜΜΜ, και με τη χρήση του μετασχηματισμού Παρκ, την αναλύσαμε στο στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων d-q. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας την κατάλληλη μέθοδο ελέγχου, ελέγξαμε ρεύματα, ροπή, ταχύτητα. Τέλος, από τις προσομοιώσεις του μοντέλου που σχεδιάσαμε στο Simulink του Matlab, εξάγαμε συμπεράσματα. / The ongoing increase in electric power demand from one, and the rapid climate change on the other, lead to the need for low-cost energy production, environmentally friendly and high quality, which can attain with distributed generation systems. So, Renewable Energy Sources acquire great interest for this objective, changing both the European and the global energy map. The rapid evolution of technology gives us many options allows us to replace the classical induction machines, synchronous and asynchronous, with new technology engines. Such a machine is the permanent magnet synchronous machine. The advantages that afford, such as high power density, high torque, easy control, with relatively low cost, smaller size and several others, made them used in many applications attracting much interest among researchers and industry. So, at this thesis we deal with the non-linear analysis and dynamics permanent magnet synchronous machine. Starting from detailed, non-linear models for PMSM, and using the Park transformation, we analyse it at a rotating system with vertical axes dq. Then, applying the appropriate control method, we tested currents, torque, speed. Finally, from the simulations of the model that was built at Simulink of Matlab, we draw conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (DFIG), την εξαγωγή μαθηματικών μοντέλων στο χώρο κατάστασης σε κανονική λειτουργία και σε λειτουργία με γραμμή μεταφοράς, την ενσωμάτωση PI ελέγχου της άεργου ισχύος στην πλευρά του δικτύου και τέλος την προσομοίωση του μοντέλου (με και χωρίς γραμμή μεταφοράς) σε περιβάλλον Matlab και την εξαγωγή συμπερασμάτων. Ειδικότερα Στο Κεφάλαιο 1 ξεκινάμε με μια επισκόπηση του ενεργειακού ζητήματος και την μέχρι τώρα χρήση της ενέργειας, παρουσιάζοντας τους λόγους που οδηγούμαστε προς τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε) και κατ’ επέκταση στην εκμετάλλευση της αιολικής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια γενική παρουσίαση των αιολικών συστημάτων. Περιγράφεται η εκτίμηση του αιολικού δυναμικού, η αεροδυναμική μετατροπή και ο έλεγχος της ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική, καθώς και η τεχνολογία των ανεμογεννητριών, όπως διάφορα συστήματα και τύποι που βρίσκονται στην αγορά. Έπειτα στο Κεφάλαιο 3 ερχόμαστε σε επαφή με την DFIG, τα μέρη από τα οποία αποτελείται και τις δυναμικές εξισώσεις που την χαρακτηρίζουν, σύμφωνα με την θεωρία του διανυσματικού ελέγχου, σε ένα σύστημα κάθετων αξόνων. Με το Κεφάλαιο 4 περνάμε στην δυναμική περιγραφή της μηχανής στο χώρο κατάστασης έχοντας τοποθετήσει μεταξύ δικτύου και μηχανής μια γραμμή μεταφοράς, παρουσιάζοντας το πλήρες μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει την λειτουργία της. Επίσης μελετώνται και τρόποι ελέγχου της DFIG. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η προσομοίωση της μηχανής σε περιβάλλον Matlab, ενώ απεικονίζονται διαγράμματα που δείχνουν την συμπεριφορά της μηχανής σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας της. Τέλος στο Κεφάλαιο 6 εξάγονται τα συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις στην περίπτωση κανονικής λειτουργίας και λειτουργίας με γραμμή μεταφοράς. / --

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.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και ανάλυση ενός υψηλής τάξης μοντέλου διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, κατάλληλο για μελέτες μεταβατικής κατάστασης αιολικών συστημάτων. Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με ιδιαίτερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Κατόπιν, περιγράφονται οι διάφοροι τρόποι ταξινόμησης των ανεμογεννητριών που υπάρχουν σήμερα, τα δομικά στοιχεία αυτών, καθώς και η αεροδυναμική τους μετατροπή. 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 υψηλής τάξης. Εν συνεχεία, αναλύεται -βάσει εξισώσεων- η συμπεριφορά της εν λόγω γεννήτριας σε τριφασικές και ασύμμετρες βυθίσεις τάσεων, που είναι αποτέλεσμα διαφόρων μεταβατικών καταστάσεων. Τέλος, γίνεται η προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου, που περιλαμβάνει ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου και μελετώνται διάφορες διαταραχές στο σύστημα, όπως: συμμετρικά και ασύμμετρα βραχυκυκλώματα, απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, απώλεια και μεταβολή φορτίου. Η προσομοίωση πραγματοποιείται με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB/Simulink, έκδοση 7.6. / The subject of this thesis is the study and analysis of a high-order model of a doubly-fed induction machine (DFIM), suitable for unbalanced condition studies on a wind farm. 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 and after that, for the study of disturbances, the dynamic model and the vector control of a high-order model of a doubly-fed induction generator are presented. Through mathematical equations, the performance of this generator under voltage dips is then described, result of various transition phenomena. Finally, the simulation of a wind farm that includes wind turbines of this type, is made and several disturbances on the grid, such as: symmetrical and asymmetrical faults, sudden changes of the wind speed, loss and change of the load. Simulation is made with the use of the software MATLAB/Simulink, version 7.6.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.