Διάφοροι τύποι αιολικών συστημάτων . Έμφαση σε αιολικά συστήματα με ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας και κυρίως στην επαγωγική μαχανή διπλής τροφοδοσίας . Περιγραφή του ηλεκτρονικού μετατροπέα που χρησιμοποιείται σε αυτού του είδους το σύστημα . Έλεγχος της ισχύος και προσομοίωση για δύο τύπους ελεγκτών , PI και RST . Σύγκριση των αποκρίσεων . Απόκριση PI ελεγκτή για διάφορα κέρδη . / Different types of wind energy systems . Wind energy systems with variable speed wind turbines are studied . The doubly fed induction generator . Description of the power electronic converter which is used . Power control for two regulator types , PI and RST . We compare the dynamic performances . Dynamic performance for different values of the PI regulator parameters .

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και τον έλεγχο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής (DFIG) που χρησιμοποιείται σε συστήματα ανεμογεννητριών. Στα πρώτα κεφάλαια θα αναφερθούν κάποια στοιχεία απαραίτητα για την κατανόηση του αντικειμένου και των προβλημάτων του και ακολουθεί η ενασχόληση με την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Αφού αναλυθεί η μηχανή εξάγονται οι εξισώσεις λειτουργίας αυτής και του μετατροπέα και, τέλος, εφαρμόζονται οι απαραίτητοι έλεγχοι για την επίτευξη της επιθυμητής συμπεριφοράς της μηχανής σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. / The present thesis is about analysis and control of a double-fed generator for wind generators.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την παθητικότητα και τον έλεγχο ηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στον επαγωγικό κινητήρα και τους ελέγχους που μπορεί να εφαρμοστούν σε αυτόν. Η επαγωγική μηχανή χρησιμοποιείται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών στο πεδίο μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανικό έργο. Οι αιτίες για αυτήν την προτίμηση είναι πολλές. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγονται το φτηνό κόστος και η εύκολη συντήρηση. Για πιο απαιτητικές εφαρμογές όμως η επαγωγική μηχανή απαιτεί πολύπλοκα συστήματα τροφοδοσίας και ελέγχου. Χρησιμοποιούνται πηγές τάσης (ή ρεύματος) βασισμένες σε τοπολογίες που περιλαμβάνουν διατάξεις με ηλεκτρονικά ισχύος όπως μετατροπείς ac/dc με IGBT διακοπτικά στοιχεία ισχύος. Ο έλεγχος επίσης μπορεί να βασίζεται είτε σε απλές βαθμωτές λογικές ή σε πιο προχωρημένα συστήματα σε λογικές διανυσματικού ελέγχου. Στις περιπτώσεις αυτές μπορούμε να επιτύχουμε εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά όπως ρύθμιση στροφών ή θέσης με υψηλή ακρίβεια αλλά με κόστος την πολυπλοκότητα στην δομή του συστήματος ισχύος και αυτομάτου ελέγχου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αρχικά μελετάμε τη δυναμική συμπεριφορά τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με χρήση του αναλυτικού μη γραμμικού μοντέλου της. Συγκεκριμένα, για την μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς χρησιμοποιούμε το μετασχηματισμένο μοντέλο της μηχανής στο σύστημα κάθετων αξόνων d-q. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση του μετασχηματισμού Park, στο τριφασικό αρχικό μοντέλο της μηχανής. Η επιλογή του συστήματος κάθετων αξόνων γίνεται στο στρεφόμενο με σύγχρονη ταχύτητα σύστημα αναφοράς. Στο σύστημα αυτό οι ημιτονοειδείς ποσότητες των μεταβλητών στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας μετατρέπονται σε συνεχείς (dc) μεταβλητές, πράγμα που διευκολύνει την ανάλυση και σχεδίαση του ελέγχου. Με στόχο την εφαρμογή απλών σχημάτων ελέγχου στην επαγωγική μηχανή που να μπορούν να οδηγούν σε λειτουργία υπό επιθυμητό αριθμό στροφών ανεξάρτητα προς το εμφανιζόμενο στην έξοδο μηχανικό φορτίο, χρησιμοποιούμε το μοντέλο αυτό στην ανάλυσή μας και αποδεικνύουμε ότι η επαγωγική μηχανή έχει την σημαντική ιδιότητα των Euler-Lagrange ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, την παθητικότητα. Αυτό σημαίνει ότι μετά από κάποια διαταραχή, το σύστημά μας έχει απόσβεση τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μηχανικό του μέρος. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι η ιδιότητα αυτή παραμένει ισχύουσα ανεξάρτητα με το όποιο σχήμα μη δυναμικού ελέγχου μπορούμε να εφαρμόσουμε. Έτσι, στην παρούσα διπλωματική εργασία εφαρμόζουμε απλούς PI ελεγκτές με σταθερά χρόνου πολύ μεγαλύτερη από αυτήν που εμφανίζει το αρχικό σύστημα, ούτως ώστε η δυναμική των PI ελεγκτών πρακτικά να μην εμπλέκεται με την δυναμική του συστήματος. Έτσι, το σύστημα παραμένει ουσιαστικά στην αρχική δυναμική του κατάσταση με την ιδιότητα της παθητικότητας ισχύουσα για τον προτεινόμενο έλεγχο που από την πλευρά της μηχανής φαίνεται πρακτικά στατικός. Εν συνεχεία, προσομοιώνουμε το σύστημα και επιβεβαιώνουμε ότι οι προτεινόμενοι απλοί PI ελεγκτές μπορούν να οδηγήσουν το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας με επιθυμητό αριθμό στροφών. / This diploma thesis forms a study on passivity and control of electromechanical systems. We focus on induction machine and the methods we use to control it. Induction machine is used in a large range of applications especially in the field of energy conversion to mechanical work. There are many causes for this preference such as low cost and easy to preserve. For more demanding applications induction machine needs complicated supply sources and control systems. Voltage (or current) sources are used based on power electronics such as ac/dc converters with IGBT switching elements. The control used can be scalar in simple applications or vector control in advanced applications. By using vector control, we can achieve exceptional operational characteristics on velocity or position regulation with high precision but with huge complexity in the structure of the power system and the automatic control scheme. In this thesis, at first we study the dynamic performance of the 3-phase induction machine by using the precise non-linear model. Specifically. we use the transformed model of the induction machine on the dq axes system to study its dynamical performance. This can be achieved by using Park transformation on the initial 3-phase model of the machine. The choice we make on the dq axis is based on the synchronously rotating reference frame. In this system the sinusoidal quantities of the variables in steady state are converted to dc, helping us on the analysis and the design of the control. Our goal is the application of simple control shapes on the induction machine that can drive our system to the desirable velocity regardless the output of the mechanical load. To this end, in our analysis we first prove that the induction machine has the significant property of passivity, a fundamental property of Euler-Lagrange systems. This means that after a disturbance, our system has damping in both the mechanical and the electrical part. Moreover, it is proved that passivity is maintained regardless from the form of any non dynamic control scheme we may apply. So, in this thesis we use simple PI controllers with large time constant in order to avoid any influence between the dynamics of the PI controllers and the dynamic of our system. So the system maintains its initial dynamic property of passivity under the control we use. Afterwards, we simulate the system and we confirm that the PI controllers we use can drive the system to the desirable operational mode.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μιας διάταξης ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού η οποία συνδέεται μέσω dc διασύνδεσης με το δίκτυο. Τη dc διασύνδεση τη δημιουργεί ένας dc πυκνωτής και από την πλευρά της μηχανής υπάρχει ένας ac/dc πλήρως ελεγχόμενος ανορθωτής ισχύος ενώ από την πλευρά του δικτύου βρίσκεται ένας dc/ac πλήρως ελεγχόμενος αντιστροφέας ισχύος. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετήσουμε θεωρητικά το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια προχωρούμε στον υπολογισμό των εξισώσεων στο χώρο κατάστασης και τέλικά προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές. 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 provision of wind generator with inductive machine of which is connected via dc interconnection with the network. A dc capacitor creates the dc interconnection with the network.The aim of this work is initially to study theoretically the total system of wind generator using the transformation Park for its modelling in the d-q frame of report. Afterwards we advance in the calculation of equations in the space of situation and finally we propose a system of control which is based on PI controllers. Finally, we simulate the system with the help of the Simulink application of Matlab and studying the results, we export the proportional conclusions.

Αυτή η διπλωματική εργασία εξετάζει θέματα που αφορούν την παρεχόμενη ποιότητα ισχύος στα σύγχρονα ηλεκτρικά συστήματα. Θα εξετάσουμε την απόδοση ενός στατικού σύγχρονου αντισταθμιστή STATCOM, που λειτουργεί ως ρυθμιστής τάσης, σε ένα σύστημα αυτοδιεγειρόμενης επαγωγικής γεννήτριας που τροφοδοτεί μη γραμμικά φορτία. Εκτός της θεωρητικής ανάλυσης των συνιστωσών του εξεταζόμενου συστήματος, θα πραγματοποιήσουμε προσομοίωσή του, με τη βοήθεια του λογισμικού PSCAD/EMTDC, με σκοπό την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων από τα παραγόμενα αποτελέσματα. Ειδικό ενδιαφέρον θα δοθεί εκτός από την απόδοση στη ρύθμιση της τάσης και στη συνολική αρμονική παραμόρφωση της τάσης και την επίδραση των αρμονικών στην ποιότητα ισχύος. / This diploma thesis studies issues concerning the provided power quality in modern power systems. We will examine the performance of a STATCOM (Static synchronous Compensator) based voltage regulator in a, self excited induction generator (SEIG) feeding non-linear loads system. Besides the theoretical analysis of each component of the examined system, we will simulate it with the help of a software program called PSCAD/EMTDC in order to get useful conclusions through the provided results. Specific attention will be given, besides the efficiency in voltage regulation, in total harmonic distortion and the effect harmonics cause in power quality.

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 εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το θέμα που πραγματεύεται είναι η μελέτη των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Τα κύρια αντικείμενα που ερευνώνται είναι δύο. Το πρώτο είναι η ανάλυση και η κατανόηση της ηλεκτρομαγνητικής συμπεριφοράς κινητήρων διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Το δεύτερο είναι η μελέτη σφαλμάτων δρομέα σε μηχανές διπλού κλωβού και οι μέθοδοι διάγνωσης αυτών. / This thesis was carried out at the Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The subject matter is the study of three-phase Asynchronous Double Cage Induction Motors with Different Rotor Bar Materials (motor double cage with different materials in the slots of the rotor). The main objects that are being investigated are two. The first is the analysis and understanding of the electromagnetic behaviour of double cage motors with different materials in the slots of the rotor. The second is the study of faults in the rotor in machines dual cage and the diagnostic 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 διδακτορική διατριβή αναλύει και προτείνει κάποιες νέες λύσεις και μεθοδολογίες όσον αφορά στο πρόβλημα της βέλτιστης απομάστευσης ενέργειας από ένα αιολικό σύστημα. Στο πρώτο μέρος, προτείνεται μια νέα μεθοδολογία για τη βελτιστοποίηση της εκμετάλλευσης του ανέμου σε μια συγκεκριμένη περιοχή, καταλήγοντας στη βέλτιστη χωροταξική τοποθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, ο σκοπός της βελτιστοποίησης είναι η μεγιστοποίηση της παραγόμενης ισχύος για κάθε τυχαία ταχύτητα ανέμου, μέσω της ανάπτυξης βέλτιστων τεχνικών ελέγχου. Και στις δύο περιπτώσεις, η ανάλυση γίνεται με τη χρήση μοντέλων τα οποία αναπτύχθηκαν στο περιβάλλον του προγράμματος Matlab και τον υπολογιστικών εργαλείων που παρέχει αυτό. Τα μοντέλα που δημιουργήθηκαν, μας οδήγησαν σε μια σειρά προσομοιώσεων οι οποίες επαλήθευσαν τη θεωρητική ανάλυση και επιβεβαίωσαν ότι οι πρωτότυπες λύσεις που προτείνονται δίνουν βελτιστοποιημένα αποτελέσματα σε σχέση με αντίστοιχες γνωστές αναλύσεις. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο μέρος αυτής της διατριβής επικεντρώνεται στη βέλτιστη επιλογή τόσο του αριθμού, όσο και της θέσης των ανεμογεννητριών σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Το κριτήριο που χρησιμοποιείται για την βελτιστοποίηση είναι η μέγιστη παραγωγή ενέργειας με το χαμηλότερο κόστος. Στην ανάλυση αυτή, εισάγεται μια νέα διαδικασία προσέγγισης αυτού του προβλήματος με τη χρήση της Μεθόδου Προσομοίωσης Μόντε Κάρλο. Στην παρούσα ανάλυση, όπως και σε παλιότερες αντίστοιχες, χρησιμοποιείται το ίδιο κριτήριο βελτιστοποίησης και γίνονται οι ίδιες παραδοχές, προκειμένου τα αποτελέσματα να είναι συγκρίσιμα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται είναι πολύ καλύτερα και όσον αφορά στην παραγόμενη ισχύ αλλά και το κριτήριο βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα, εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με το μέγιστο αριθμό των ανεμογεννητριών και την χωροταξική τους τοποθέτηση, τα οποία επαληθεύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι ένα λειτουργικό εργαλείο για την απόφαση τοποθέτησης ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, που είναι και πιο εκτεταμένο, σκοπός είναι η σχεδίαση νέων ελεγκτών υψηλής απόδοσης, οι οποίοι επιτυγχάνουν τη μέγιστη παραγωγή ισχύος για συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται ένα σύστημα ανεμογεννήτριας το οποίο αποτελείται από επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού που συνδέεται στο δίκτυο με πλήρως ελεγχόμενο ac/dc/ac μετατροπέα με IGBT στοιχεία. Αρχικά παρουσιάζεται μια ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μεγιστοποίηση και τον έλεγχο της ισχύος. Με βάση αυτή την ανάλυση, προτείνοντες εναλλακτικές λύσεις που είναι λιγότερο πολύπλοκες, πιο ακριβείς και πιο εύκολα εφαρμόσιμες, ένα γεγονός που αποδεικνύεται μέσω της θεωρητικής ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν και προτάθηκαν κατάλληλα μη γραμμικά μοντέλα για το σύστημα της ανεμογεννήτριας, για την περίπτωση της λειτουργίας υπό μεταβλητή, προσαρμοζόμενη ταχύτητα. Η εκτενής μαθηματική ανάλυση απέδειξε ότι το αρχικό μη γραμμικό σύστημα τηρεί τη θεμελιώδη ιδιότητα των Euler-Lagrange συστημάτων, την παθητικότητα. Αυτό σημαίνει πως το σύστημα έχει απόσβεση τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μηχανικό μέρος. Επίσης, γίνεται ανάλυση του εφαρμοζόμενου σχήματος του διανυσματικού ελέγχου. Η ανάλυση αυτή αποδεικνύει ότι με κατάλληλη μετατροπή και προσαρμογή των PI ελεγκτών που χρησιμοποιούνται στην πλευρά της γεννήτριας και σημαντικές απλοποιήσεις του σχήματος του παραδοσιακού διανυσματικού ελέγχου, προκύπτουν δύο διαφορετικά σχήματα ελέγχου τα οποία επιτυγχάνουν αυτόματα τον προσανατολισμό στο πεδίο που απαιτείται από το διανυσματικό έλεγχο, ενώ διατηρούν και αυξάνουν την απόσβεση του αρχικού συστήματος. Οι έλεγχοι αυτοί επιτυγχάνουν εξαιρετική ρύθμιση των στροφών λειτουργίας της γεννήτριας σύμφωνα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε να οδηγούν στη βέλτιστη λειτουργία, δηλαδή αυτή της μέγιστης δυνατής εξαγόμενης ισχύος. Το πρώτο σχήμα ελέγχου είναι απευθείας συγκρίσιμο με τις υπάρχουσες εφαρμογές του διανυσματικού ελέγχου, ενώ το δεύτερο εισάγει μια πρωτοποριακή τεχνική, η οποία βελτιώνει σημαντικά την απόκριση του συστήματος. Ανάλογες βελτιώσεις προτείνονται και για την πλευρά του μετατροπέα προς την πλευρά της σύνδεσης με το δίκτυο της ηλεκτρικής ενέργειας. Και για αυτή την περίπτωση αποδεικνύεται ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός μπορεί να δώσει απλοποιημένα σχήματα ελέγχου πολύ αποδοτικά όμως για τη διαμόρφωση της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος Έτσι, επιτυγχάνεται πλήρης αντιστάθμιση της αέργου ισχύος με λειτουργία μοναδιαίου συντελεστή ισχύος της ανεμογεννήτριας. Επιπρόσθετα, επιτυγχάνεται η σαφής σταθεροποίηση της λειτουργίας της διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος σε λειτουργία σταθερής dc τάσης. Οι αναλυτικές προσομοιώσεις οι οποίες διεξήχθησαν, βασίζονται σε ρεαλιστικά σενάρια λειτουργίας. Σύμφωνα με αυτά η απαίτηση για ρύθμιση της ταχύτητας στην βέλτιστη τιμή της συμβαίνει την ίδια χρονική στιγμή που εμφανίζεται αλλαγή της παρεχόμενης ισχύος και ροπής από τον άνεμο. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επαληθεύουν τη θεωρητική ανάλυση και δείχνουν ότι και τα δύο προτεινόμενα σχήματα ελέγχου επιτυγχάνουν μεγιστοποίηση στην παραγωγή ισχύος με τρόπο αποδοτικό και με τους αναμενόμενους χρόνους απόκρισης. Συγκρίσεις με υπάρχουσες αντίστοιχες τεχνικές ελέγχου δείχνουν την υπεροχή των προτεινόμενων σχημάτων ελέγχου και την ικανοποιητική λειτουργία τους. / This dissertation analyses and suggests some efficient solutions for the optimization problem of the available power in a wind system. The thesis is divided into two parts. In the first part, a new methodology is proposed for optimizing the manipulation of wind in a certain area, based on the optimal placement of wind turbines in wind parks. In the second part, the purpose of the optimization is to maximize the power production from the wind, through the development of new control techniques. In both cases, the analysis is made by using detailed nonlinear models, which were developed in computational environment of the Matlab program and all the computational tools that were available. The models that were developed lead us to a series of simulations that confirm the theoretical analysis and suggest original solutions and optimized results in comparison to known ones. Particularly, the first part of this thesis is concentrated in the optimal selection of the number and the positioning of the wind turbines in a certain geographic region. The criterion used for the optimization is the maximum power production with the minimum cost. In this analysis a novel procedure is introduced, based on the Monte Carlo Simulation Method. As in previous studies, we used the same optimization criterion and the other conditions in order the results to be comparable. The presented results are far better as long it concern the maximum power production and the optimization factor. Furthermore, important conclusions are made for the maximum number of the wind turbines and their location that confirm the proposed method as an efficient tool for the geographic distribution of wind mills in a wind park. In the second part of this dissertation, the goal is to design high efficient and simple controllers that achieve maximum power production for wind turbine systems. Particularly, a variable speed wind generation system is considered consisting by a squirrel cage induction generator connected to the grid by a fully controlled ac/dc/ac IGBT converter. To this end, first it is presented an analysis of the control method, namely the vector control method, which is used today for maximization and control of the active power. Based on this analysis, alternative solutions are proposed, that are less complicated, more accurate and easier to be accomplished, a fact that is proved through a theoretical analysis. Suitable nonlinear models have been developed and proposed for a wind turbine system, for the case of operating under variable, adjustable speed. Comprehensive mathematical analysis proves that the original nonlinear system has the fundamental property of Euler-Lagrange systems, which is passivity. This means that the system is damped in both the electric and the mechanical part. Also, an analysis of the existing, vector control based schemes is conducted. Then, by modifying properly the PI controllers used at the generator side and simplifying decisively the vector control scheme, we propose two different control schemes that simultaneously are free from the field oriented requirement of the vector control while they maintain and increase the damping of the initial system. The first control scheme is directly comparable with the existing vector control applications, while the second introduces an innovated technique that improves substantially the system response. Detailed simulations that carried out are based on realistic operation scenario, which mean that require demand for the adjustment of the speed in its optimal value, at the same time that a change at the supplied by the wind power and torque occurs. The simulation results confirm the theoretical analysis and show, that both the proposed control schemes achieve optimal power production in an efficient manner and in the expected response time.

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.