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.

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 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. / --

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.

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.

Aujourd’hui, la conception de réseaux est une problématique cruciale qui se pose dans beaucoup de domaines tels que le transport ou l’énergie. En particulier, il est devenu nécessaire d’optimiser la façon dont sont conçus les réseaux permettant de produire de l’énergie. On se concentre ici sur la production électrique produite à travers des parcs éoliens. Cette énergie apparait plus que jamais comme une bonne alternative à la production d’électricité via des centrales thermiques ou nucléaires.Nous nous intéressons dans cette thèse à la conception du câblage collectant l’énergie dans les parcs éoliens. On connaît alors la position de l’ensemble des éoliennes appartenant au parc ainsi que celle du site central collecteur vers laquelle l’énergie doit être acheminée. On connaît également la position des câbles que l’on peut construire, leurs capacités, et la position des nœuds d’interconnexion possibles. Il s’agit de déterminer un câblage de coût minimal permettant de relier l’ensemble des éoliennes à la sous-station, tel que celui-ci soit résistant à un certain nombre de pannes sur le réseau. / Nowadays, the design of networks has become a decisive problematic which appears in many fields such as transport or energy. In particular, it has become necessary and important to optimize the way in which networks used to produce, collect or transport energy are designed. We focus in this thesis on electricity produced through wind farms. The production of energy by wind turbines appears more than ever like a good alternative to the electrical production of thermal or nuclear power plants.We focus in this thesis on the design of the cabling network which allows to collect and route the energy from the wind turbines to a sub-station, linking the wind farm to the electrical network. In this problem, we know the location of each wind turbine of the farm and the one of the sub-station. We also know the location of possible inter-connection nodes which allow to connect different cables between them. Each wind turbine produces a known quantity of energy and with each cable are associated a cost and a capacity (the maximum amount of energy that can be routed through this cable). The optimizationproblem that we consider is to select a set of cables of minimum cost such that the energy produced from the wind turbines can be routed to the sub-station in the network induced by this set of cables, without exceeding the capacity of each cable. We focus on cabling networks resilient to breakdowns.

Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα διαφόρων κυκλωμάτων ελέγχου που βασίζονται στην υπολογιστική νοημοσύνη με σκοπό την αντιμετώπιση βραχυκυκλωμάτων σε δίκτυα διασύνδεσης ανεμογεννητριών με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, τα προτεινόμενα συστήματα ελέγχου έχουν σκοπό τη διαμόρφωση κατάλληλων συνθηκών ώστε οι ανεμογεννήτριες να καταφέρουν να συνεχίσουν να είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο κατά τη διάρκεια και αμέσως μετά τα βραχυκυκλώματα, συνεισφέροντας στη γρήγορη επαναφορά της τάσης στο Σημείο Κοινής Σύνδεσης με το Δίκτυο (ΣΚΣΔ). Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε ένα προσαρμοζόμενο ασαφές σύστημα ελέγχου με σκοπό τη βελτιωμένη απόκριση Αιολικού Πάρκου (ΑΠ) με επαγωγικές γεννήτριες που τροφοδοτεί ένα ασθενές σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας μέσω διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με Μετατροπείς Πηγής Τάσης (ΜΠΤ). Το σύστημα αυτό εντοπίζει τη σοβαρότητα του σφάλματος και διαμορφώνει ανάλογα την παλμοδότηση των βαλβίδων των ΜΠΤ κατά τη διάρκεια του σφάλματος. Επίσης, έχει την ιδιότητα να αυτορυθμίζεται κατά τη διάρκεια της μετασφαλματικής περιόδου, επιτυγχάνοντας εξασθένηση της ταλαντωτικής συμπεριφοράς του συστήματος που προκαλείται από τα βραχυκύκλωμα και την παραμονή των ανεμογεννητριών στο δίκτυο. Το ηλεκτρικό σύστημα που μελετήθηκε στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνει μια επαγωγική ανεμογεννήτρια διπλής τροφοδότησης (γνωστή με την ονομασία double-fed induction machine) η οποία τροφοδοτεί ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στη βιβλιογραφία που έχει δημοσιευθεί μέχρι σήμερα, για την αντιμετώπιση των βραχυκυκλωμάτων σε ανάλογα ηλεκτρικά συστήματα, προτείνονται διατάξεις οι οποίες βασίζονται είτε σε κατάλληλο μηχανικό εξοπλισμό όπως μπάρες βραχυκύκλωσης (crowbars) είτε σε κατάλληλο προγραμματισμό των ελεγκτών. Σε αυτό το μέρος της διατριβής προτείνεται ένα εναλλακτικό σύστημα ελέγχου που βασίζεται στον κατάλληλο προγραμματισμό των ελεγκτών, χωρίς να χρησιμοποιεί κάποιον εξοπλισμό προστασίας. Το σύστημα ελέγχου, το οποίο βασίζεται στους γενετικούς αλγορίθμους, συμβάλει στη βέλτιστη «συνεργασία» των δύο ΜΠΤ της γεννήτριας, επιτυγχάνοντας την εξασθένιση των διακυμάνσεων της τάσης στο ΣΚΣΔ και τη διατήρηση της σύνδεσης της γεννήτριας στο ηλεκτρικό δίκτυο. / This thesis studies the implementation of intelligent control techniques in the Fault Ride-Through (FRT) of grid connected Wind Turbines (WTs). The first part of the dissertation studies the issue of the fault ride-through capability of a wind farm of induction generators, which is connected to an ac grid through an HVDC link based on Voltage Sourced Converters (VSCs). This work proposes a control strategy which is implemented with adaptive fuzzy controllers and deals with every different type of fault with a corresponding appropriate action, blocking the converter valves for a time interval which depends on the severity of the fault. In addition, after the deblocking of the valves, the proposed control system activates a special controller, which alleviates the oscillations at the electrical system caused by the blocking of the valves. In this way, the overcurrents are limited, the wind turbines manage to remain connected and the ac voltage recovers quickly, as it is imposed by national grid codes. The second part of the dissertation proposes a Computational Intelligence–based control strategy, to enhance the low voltage ride-through capability of grid-connected WTs with doubly fed induction generators (DFIGs). The conventional crowbar-based systems that were initially applied in order to protect the rotor-side converter at the occurrence of grid faults, do not fulfill the recent requirement of the national GCs that the WTs should supply reactive power to the grid during and after the fault, in order to support the grid voltage. In order to conform to the above mentioned requirement, this work proposes a control scheme, which contributes to the optimal coordination of the two converters, aiming to attenuate the disturbances to the system caused by the fault and ensure system stability. Aiming to encounter the difficulties met due to the uncertainties of the system modeling and considering the non linearity of the system, the controllers were designed based on fuzzy logic and genetic algorithms, which are more efficient in such cases. By this concept the overcurrents at the rotor windings and the dc side overvoltages are effectively eliminated. In addition, the FRT requirement concerning the reactive power supply is fulfilled.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ενός συστήματος διασύνδεσης μιας ανεμογεννήτριας ονομαστικής ισχύος 1kW με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπλέον, πραγματεύεται τη σχεδίαση, κατασκευή και έλεγχο ενός τριφασικού αντιστροφέα που αποτελεί την τελευταία βαθμίδα πριν τη σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. 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 διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης μέσω δύο βαθμίδων: ενός μετατροπέα ανύψωσης τάσης και ενός τριφασικού αντιστροφέα. Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης αποτελεί αντικείμενο μελέτης της διπλωματικής εργασίας του συνάδελφου Ιωάννη Γκαρτζώνη, ενώ στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται και σχεδιάζεται ο τριφασικός αντιστροφέας. Αμφότερες οι διατάξεις περιλαμβάνουν ελέγχους κλειστού βρόχου, μέσω των οποίων απομαστεύεται η μέγιστη ισχύς από την ανεμογεννήτρια (έλεγχος μετατροπέα ανύψωσης) και διατηρείται σταθερή η τάση μεταξύ των δύο βαθμίδων, παρέχοντας ενεργό ισχύ στο δίκτυο υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος (έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα). Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο η αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στους τύπους των ανεμογεννητριών, καθώς και στους τρόπους λειτουργίας τους ως προς τη διασύνδεση με το δίκτυο. Στη συνέχεια γίνεται θεωρητική ανάλυση για κάθε βαθμίδα του συνολικού συστήματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη λειτουργία του τριφασικού αντιστροφέα και στην τεχνική παλμοδότησής του που ονομάζεται Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM). Επίσης, εξάγονται σχέσεις βάσει των οποίων είναι δυνατό να παραμετροποιηθεί ο τριφασικός μετασχηματιστής με μεγάλη επαγωγή μαγνήτισης που έπεται του τριφασικού αντιστροφέα. Το επόμενο βήμα αποτελεί η προσομοίωση στο λογισμικό προσομοίωσης κυκλωμάτων Simulink του Matlab τόσο του τριφασικού αντιστροφέα σε ανοιχτό και σε κλειστό βρόχο, όσο και ολόκληρου του συστήματος διασύνδεσης. Ο κλειστός βρόχος αποτελεί ένα νέο και άμεσο έλεγχο της ισχύος που παρέχεται στο δίκτυο. Επιπρόσθετα, περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή όλων των κυκλωμάτων που απαιτούνται για τον τριφασικό αντιστροφέα, το φίλτρο και το μετασχηματιστή. Τέλος πραγματοποιούνται πειραματικές δοκιμές για να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία των βαθμίδων που κατασκευάστηκαν, να εντοπιστούν και δικαιολογηθούν τυχόν διαφορές μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και των μετρήσεων στην πραγματική διάταξη, καθώς και για να εκτιμηθεί η απόδοση του συστήματος. / The present diploma thesis deals with the interconnection of 1kW wind generator to the low voltage grid. A three phase inverter is the last stage of the interconnection system. The design, construction and control of the three phase inverter is studied. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Conversion Energy at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of Polytechnic School in the University of Patras, Greece. The purpose of this thesis is the connection of the wind generator with the low voltage grid through two stages: a boost converter and a three phase inverter. Both stages are closed loop controlled and in this way the maximum power of the wind generator is supplied (control of the boost converter) and the voltage between the two stages remains constant, providing active power to the grid with unity power factor (control of the three phase inverter). Initially, the advantages and disadvantages of the use of wind generator are presented and the way that the wind energy is converted to mechanical energy and finally to electrical energy is analyzed. Moreover, it is given a short reference in the types of the wind generators used for connection to the grid. In addition, every stage of the whole system is analyzed. Especially, the function of the three phase inverter and the Sinusoidal Pulse Width Modulation-sPWM are studied. The three phase transformer, that follows the three phase inverter stage, is parameterized through equations that are described in this work. The next step in this thesis is the simulation with Simulink of Matlab. The three phase inverter is simulated in open and closed loop as well as the whole connection system of the wind generator to the low voltage grid. The closed loop control is a new and direct control of active and reactive power that are supplied to the grid. Furthermore, it is described the design and construction of all the circuits for the three phase inverter, the filter and the transformer. Finally, experiments are conducted in order to confirm the proper function of the stages that are constructed, to find differences between theory and reality and to estimate the efficiency factor of the system.

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.