Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση της λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών, η οποία οδηγεί μια ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδότησης, με τη βοήθεια του προγράμματος PSCAD/EMTDC. Γίνεται επίσης μελέτη της λειτουργίας αυτής της ανεμογεννήτριας κατά τη διάρκεια βυθίσεων της τάσης του δικτύου, καθώς και μελέτη της δυνατότητας παραμονής της μηχανής σε λειτουργία κατά τη διάρκεια αυτών των σφαλμάτων. Πιο αναλυτικά, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ειδικότερα στην αιολική ενέργεια και στο σημαντικό ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας, που καλούνται να συνεισφέρουν στο σύνολο του ενεργειακού μείγματος κάθε χώρας, στο μέλλον. Γίνεται αναφορά στο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση αιολικής ενέργειας και στη συνέχεια το κόστος αυτό συγκρίνεται με το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από συμβατικούς σταθμούς. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία γενική παρουσίαση των αιολικών συστημάτων. Περιγράφονται τα δομικά στοιχεία μιας ανεμογεννήτριας και η αεροδυναμική μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική. Παρουσιάζονται διάφορες τοπολογίες ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα και στη συνέχεια δίνεται το μαθηματικό μοντέλο της γεννήτριας επαγωγής διπλής τροφοδότησης και οι μετασχηματισμοί σε στρεφόμενα πλαίσια αναφοράς. Κατόπιν γίνεται μελέτη του μετατροπέα πηγής τάσης και αναφέρονται τεχνικές διαμόρφωσης για την παραγωγή των επιθυμητών κυματομορφών. Τέλος, γίνεται σχεδιασμός ενός LCL φίλτρου καταστολής των αρμονικών συνιστωσών των ρευμάτων που εγχύει ο μετατροπέας στο δίκτυο. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται ο διανυσματικός έλεγχος και γίνεται εφαρμογή του στον έλεγχο του μετατροπέα προς την πλευρά του δρομέα και στον έλεγχο του μετατροπέα προς την πλευρά του δικτύου. Παρουσιάζεται η γενική στρατηγική ελέγχου της ανεμογεννήτριας με χρήση του ελέγχου βήματος πτερυγίου για τον περιορισμό της παραγώμενης ισχύος στις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη της ονομαστικής, τότε η ταχύτητα της μηχανής και η παραγώμενη ισχύς ακολουθούν την χαρακτηριστική ισχύος – ταχύτητας, που εξασφαλίζει βέλτιστη λειτουργία. Γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και εκτίμηση της απόκρισης σε βηματικές αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη παραμονής της ανεμογεννήτριας σε λειτουργία, κατά τη διάρκεια βύθισης της τάσης του δικτύου και ανάλυση μεθόδων υλοποίησης αυτού του στόχου. Με την ανίχνευση του σφάλματος ο δρομέας βραχυκυκλώνεται και ο μετατροπέας προς την πλευρά του δρομέα αποσυνδέεται, ενώ οι διακόπτες του αποκόπτονται για να προστατευθούν από το υψηλό ρεύμα του δρομέα. Μόλις το ρεύμα του δρομέα πέσει και πάλι κάτω από την ανώτατη επιτρεπτή τιμή, ο μετατροπέας συνδέεται και πάλι με τον δρομέα για να ανακτήσει τον έλεγχο της παραγώμενης από τον στάτη ενεργού και αέργου ισχύος. Αμέσως παράγεται άεργος ισχύς για την στήριξη της τάσης του δικτύου, ενώ μειώνεται η παραγωγή ενεργού ισχύος, έτσι ώστε το συνολικό ρεύμα του δρομέα να παραμείνει μέσα στα επιτρεπτά όρια. Με την αποκατάσταση της τάσης του δικτύου, η παραγώμενη ενεργός και άεργος ισχύς παίρνουν σταδιακά τις τιμές που είχαν πριν την εκδήλωση του σφάλματος. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία υλοποιείται η δημιουργία ενός user-friendly περιβάλλοντος μέσω του λογισμικού SIMULINK του MATLAB με τη βοήθεια του οποίου είναι δυνατή η αναπαράσταση τόσο των μοντέλων μίας ανεμογεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (doubly-fed induction generator) όσο και των υπόλοιπων συνιστωσών του συστήματος. Ο χρήστης μπορεί ανά πάσα στιγμή να επεμβαίνει στα στοιχεία και της παραμέτρους μίας ανεμογεννήτριας διπλής τροφοδοσίας, να θέτει τις δικές του τιμές, και να ελέγχει τη συμπεριφορά και τις αποκρίσεις της. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια επισκόπηση της χρήσης των αιολικών συστημάτων και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας γενικότερα σε Ελλάδα και Ευρώπη, καθώς και κάποια οικονομικά στοιχεία που προκύπτουν. Παρουσιάζονται επιπλέον οι νέες κατευθύνσεις και το μέλλον της αιολικής ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βασικά δομικά εξαρτήματα μιας ανεμογεννήτριας, αναλύεται η έννοια της αεροδυναμικής μετατροπής όπως και οι κύριες μέθοδοι αεροδυναμικού ελέγχου που εφαρμόζονται. Εν συνεχεία αναφέρονται οι πιο διαδεδομένοι τύποι ανεμογεννητριών με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους, καθώς και οι πιο συνήθεις παραλλαγές της ανεμογεννήτριας διπλής τροφοδοσίας όπου και θα εξετάσουμε διεξοδικά στην παρούσα εργασία. Στο τρίτο κεφάλαιο εξάγεται αναλυτικά η δυναμικές εξισώσεις μιας επαγωγικής μηχανής, καθώς και ο διανυσματικός έλεγχος της. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το μοντέλο που περιγράφει μια ανεμογεννήτρια διπλής τροφοδοσίας, γίνεται εξαγωγή των εξισώσεων λειτουργίας της από το ηλεκτρικό ισοδύναμο της και παρατίθεται η θεωρία του διανυσματικού ελέγχου της μηχανής στη μόνιμη κατάσταση της. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζεται βήμα προς βήμα η δημιουργία ενός φιλικού στον χρήστη περιβάλλοντος -που δημιουργήθηκε σε SIMULINK περιβάλλον- για τη διαχείριση μίας DFIG, και γίνεται σχολιασμός γραφικών παραστάσεων και αποκρίσεων της μηχανής τόσο στη μόνιμη λειτουργία της, όσο και σε πιο ακραίες συνθήκες λειτουργίας. Στα παραρτήματα Α και Β δίνεται το ευρετήριο των συμβόλων και των παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση της DIFG που εμπεριέχονται στα υποσυστήματα της γεννήτριας, του μετατροπέα και των ελεγκτών. / -

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.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα για την οδήγηση ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τη λειτουργία και τον έλεγχο των στροφών ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Αρχικά μελετάται η βασική αρχή λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα και αναλύονται οι τεχνικές εκκίνησης που χρησιμοποιούνται για σύνδεση του κινητήρα απευθείας στο δίκτυο. Ακόμα παρουσιάζονται τα ισοδύναμα κυκλώματα λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα, η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής του και προσομοιώνεται η λειτουργία του για τη μελέτη της στατικής συμπεριφοράς του. Στη συνέχεια γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που κατασκευάστηκε, καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων που είναι αναγκαία για τη λειτουργία του. Επιπροσθέτως αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα τάσης, που είναι η "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών" (SPWM). Στο επόμενο βήμα αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν, και περιγράφεται ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή, που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των παλμών. Τέλος, παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. / This diploma thesis discourse the analysis and construction of a converter topology for single phase induction motor drives. The project was based in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the department of Electrical and Computer Engineering of School Engineering of University of Patras. The objective of this project is the analysis and construction of a three phase voltage inverter to control the speed of a single phase induction motor. The first stage of this work is the study of the basic principle of operation of the single phase induction motor and the analysis of the starting techniques, used for the direct connection to the power grid. The equivalent circuits of the running single phase induction motor and the equation of the electromagnetic torque are also presented in this project. Following, there is a theoretical analysis of the three phase voltage inverter circuit, as well of all the remaining circuit, necessary for its function. Moreover the method of pulse generation for the switching elements of the voltage inverter is analyzed, which is the “Sinusoidal Pulse Width Modulation”. The next step is the analysis of the technical characteristics all of the circuits developed, as well the description of the program code for the microcontroller, used to produce the pulses. Finally oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction, are adduced.

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.

Στις μέρες μας το ενεργειακό πρόβλημα αποτελεί ένα από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη, το οποίο μαζί με την ραγδαία κλιματική αλλαγή οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο πιο οικονομικό αλλά και φιλικό με το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό και αλλάζουν άρδην τόσο τον Ευρωπαϊκό όσο και τον Παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε μια διάταξη ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), από έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και από ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Επιπλέον, η απουσία μηχανικών εξαρτημάτων στην σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), όπως δακτυλίων ολισθήσεως και ψηκτρών, την κάνει, ελαφρότερη, με υψηλότερο λόγο ισχύος προς βάρος γεγονός που της προσδίδει μεγαλύτερη αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Λόγω των προαναφερθέντων πλεονεκτημάτων, η σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη (PMSG) αποτελεί μια ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Σκοπός λοιπόν αυτής 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 ούτως ώστε να επιτύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης αλλά υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος για την πλευρά του δικτύου. Τέλος, προσομοιώνουμε το πλήρες σύστημα με το Simulink του Matlab και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα. / Nowadays the energy problem is one of the most important global problems, which together with the rapid climate change lead to the need for power generation as more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind power have a great role in this objective and radically change both the European and the global energy map. In this thesis we consider a wind turbine device, which comprises a permanent magnet synchronous machine (PMSG), a frequency converter (back-to-back converter) and an R-L filter on the grid side. Thus, the absence of mechanical parts in permanent magnet synchronous machine (PMSG), as sliding rings and brushes, to make, lighter, with a higher power to weight ratio which gives greater efficiency and reliability. Due to the above advantages, the permanent magnet synchronous machine (PMSG) is an attractive solution for the wind. Aim of this thesis is to study the complete wind turbine system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and to apply the appropriate control methodology in order to achieve maximum energy harvesting from the wind, with a simultaneous control of the dc link voltage under unit power factor for the grid side. Finally, we simulate the complete system with the Matlab Simulink and then we present simulations of the responses and draw conclusions.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος ενός ηλεκτροκίνητου σκάφους. Πραγματοποιήθηκαν μία σειρά από τεχνικές επεμβάσεις ώστε να μετατραπεί ένα απλό σκάφος σε ηλεκτροκίνητο. Στην εποχή μας τα ηλεκτροκίνητα σκάφη και η ηλεκτρική πρόωση αποτελούν τμήμα των ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Τα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς αποτελούν πιθανή λύση στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση στον τομέα των μεταφορών καθώς και στα ενεργειακά και περιβαλλοντικά προβλήματα που αυτή προκαλεί. Ο υψηλός βαθμός απόδοσης των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, το υψηλό επίπεδο ελέγχου μέσω των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που προσφέρει ευκινησία σε ένα σκάφος, η έλλειψη θορύβου-διαταραχών και η απουσία ρύπανσης μας οδηγούν στη χρήση των ηλεκτροκίνητων σκαφών και της ηλεκτρικής πρόωσης όλο και περισσότερο στις μέρες μας. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή για πρακτικούς λόγους αλλά και για λόγους ασφάλειας οδηγηθήκαμε στην επιλογή κινητήρα συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) μονίμου μαγνήτη χαμηλής τάσης 24V. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλή τιμή ρεύματος για την επίτευξη της απαιτούμενης ισχύος 1,5 kW . Για αυτό το λόγο σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ο ηλεκτρονικός μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων, ο οποίος έχει τη δυνατότητα διαχείρισης υψηλών τιμών ρεύματος και είναι ιδανικός για τέτοιου είδους εφαρμογές. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας αποτελείται από 4 παράλληλους κλάδους, λειτουργεί στην συνεχή αγωγή και υποβιβάζει την τάση των 36V σε 0-24V για τον έλεγχο των στροφών του κινητήρα, ο οποίος έχει ονομαστικό ρεύμα 78A. Ο μετατροπέας εξετάστηκε αρχικά μέσω της εξομοίωσης χρησιμοποιώντας το λογισμικό PSpice και στη συνέχεια πειραματικά πραγματοποιώντας μία σειρά από δοκιμές και μετρήσεις. Από τις δοκιμές, παρατηρούμε ότι ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα διαδοχικής αγωγής που κατασκευάστηκε, κυμαίνεται γύρω στο 95%, άρα είναι μια καλή λύση στην οδήγηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) χαμηλής τάσης (υψηλού ρεύματος). Τέτοιοι κινητήρες χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Η καθέλκυση του ηλεκτροκίνητου σκάφους και οι δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στη θάλασσα, δίνουν σαφή εικόνα των πλεονεκτημάτων της ηλεκτρικής πρόωσης. / The object of this diploma thesis is the designing and the construction of an electric drive system for an electric boat. A number of technical interventions were made to transform a simple boat to an electrically driven boat. In our days the electric boats and the electric propulsion in general constitute a part of the electric transportation. The electric transportation may be a possible solution in the continuously increasing demand in the sector of transports as well as in energy and environmental problems that this causes. The high efficient electric machines and power electronic converters, the high control level of power electronics that offers manoeuvrability in a ship, the lack of noise - disturbance and the absence of pollution lead us to use electric boats and electric propulsion more and more in our days. In our application for practical and safety reasons we were led to the choice of a low voltage permanent magnet direct current (DC) motor. This is resulting to a high value of current to get the nominal power of 1.5 kW. For this reason an interleaved four – channel dc/dc converter was designed and constructed which has the ability to control high currents and is ideal for such type applications. The particular converter is constituted by 4 parallel channels, it is working in the continuous conduction mode (CCM) and it degrades the voltage of 36V to 0-24V for the control of the rpm of the dc propulsion motor which its full load current is 78A. Firstly a number of simulations made via PSpice program and also a number of experiments to see how the converter is working. The experiments shows that the efficiency of the interleaved converter of the application is about 95%, so it is a good solution for driving low voltage – high current dc motors. Such types of electric motors are used in many electric transportation applications. The launching of the boat and a number of sea tests shows us the advantages electric propulsion has.