L'exploitation de l'énergie éolienne loin des côtes, bien qu'abondante, dépend du transport de puissance en Courant Continu Haute Tension (HVDC) qui nécessite une sous-station placée sur une plateforme dédiée. Cette plate-forme offshore étant volumineuse, son cout d'installation est élevé et sa mise en œuvre est compliquée. Cette thèse s'intéresse à une topologie de ferme éolienne offshore DC qui transporte son énergie vers l'onshore sans utiliser de sous-station offshore. Ce type de Ferme Eolienne est appelé Ferme Eolienne Série Parallèle (SPWF). Il est composé de plusieurs grappes d'éoliennes interconnectées en série, de sorte que cette interconnexion engendre directement un niveau de tension adapté à la tension du réseau HVDC. Cependant, la connexion en série implique que la tension de chacune d'entre elle n'est plus constante. Un déséquilibré de production d'énergie conduit à des variations des tensions en sortie des éoliennes. Ces variations de tension peuvent engendrer des surtensions aux bornes d'une éolienne dans la grappe et l’endommagé. Une stratégie permettant de limiter la surtension d'éolienne est proposée et développée. Cette stratégie est d'abord validée dans un contexte de connexion point à point avec la prise en compte de la transmission HVDC basée sur des câbles DC et un Convertisseur Modulaire Multiniveaux (MMC) permettant de la connecté au réseau onshore. Dans un second temps, la ferme SPWF est intégrée dans des systèmes DC multi-terminaux (MTDC). Les résultats de simulation démontrent la faisabilité de la stratégie et montrent qu'aucune réduction de puissance n'est alors nécessaire pour limiter les tensions en sortie des éoliennes. / The massive exploitation of far offshore wind energy relies heavily on the High Voltage Direct Current (HVDC) transmission system, in which dedicated offshore substations for converting power from AC into DC are necessary. However, the bulky offshore platform is costly and its installation is complicated. This thesis aims to contribute to the study of a pure DC offshore wind farm topology which exports its energy to onshore without using an offshore centralized power conversion substation. The examined wind farm topology is called Series Parallel Wind Farm (SPWF), which comprises several clusters of wind turbines connected in series, so that the output converters of the wind turbines step up the voltage to a higher level for direct power transmission. However, due to this distinctive feature, unbalanced power production of wind turbines leads to output voltage variation of wind turbines, which is harmful to the wind turbines. The work carried out in this thesis begins with the identification of the basic elements to constitute the SPWF. Afterwards, the operation of the SPWF is explained and its overvoltage characteristic is described and emphasized. An overvoltage limitation control strategy is developed, which requires an active participation of the onshore converter. Hence, the onshore Multilevel Modular Converter (MMC) as well as the HVDC cables models are examined. The control strategy is applied to both Point-to-Point (P2P) HVDC transmission system and Multi-Terminal DC (MTDC) systems. The results validate the feasibility of the proposed strategy, and demonstrate its advantage of no power curtailment requirement to limit the wind turbines output voltage.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται δύο υβριδικές διατάξεις με παρόμοια συνδεσμολογία, οι οποίες χρησιμοποιούνται για το φιλτράρισμα αρμονικών σε περιπτώσεις μη γραμμικών φορτίων. Συγκεκριμένα, περιγράφονται τα χαρακτηριστικά τους, τα κυκλώματα ελέγχου τους και αναλύονται λεπτομερώς τα αποτελέσματα τους στο φιλτράρισμα. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην έννοια των αρμονικών και γίνεται αναφορά στις διαταραχές που προκαλούν τα μη γραμμικά φορτία σ’ένα σύστημα ισχύος. Επιπλέον, παρουσιάζονται όλες οι κατηγορίες των υπαρχόντων αρμονικών φίλτρων και γίνονται οι απαραίτητες συγκρίσεις ανάμεσα στα δύο υβριδικά φίλτρα και στους συμβατικούς αντισταθμιστές. Τέλος, αναφέρονται τα διεθνή πρότυπα των αρμονικών και γίνεται λόγος για τις τιμές των φίλτρων στην αγορά. / In this thesis, two hybrid devices for harmonic filtering due to non linear loads are being examined.Particularly, their characteristics and their control systems are being described and their filtering performance is analysed in detail. Attention is paid to the term of Harmonics and the distortion that the non linear loads cause to power systems. Moreover, all kinds of harmonic filters are presented and compared. Finally, there is a short reference to the international standards of harmonics and the prices of those devices in the market.

Η ραγδαία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος τα τελευταία χρόνια και η χρήση τους σε μια ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών οδήγησε στο πρόβλημα των ανώτερων αρμονικών. Η ύπαρξη ανώτερων αρμονικών επιφέρει πολλά προβλήματα στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και στα στοιχεία που τα αποτελούν. Για το λόγο αυτό, τοποθετούνται παθητικά φίλτρα που σκοπό έχουν να μειώσουν έως και να εξαλείψουν τις συνέπειες των αρμονικών. Ο σχεδιασμός των παθητικών αρμονικών φίλτρων μπορεί να γίνει με βάση διάφορα κριτήρια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται σχεδιασμός παθητικών αρμονικών φίλτρων με τη βοήθεια των γενετικών αλγορίθμων που σκοπό έχουν τη μεγιστοποίηση του συντελεστή ισχύος. Η μεγιστοποίηση του συντελεστή ισχύος γίνεται αυξάνοντας την ωφέλιμη ισχύ (την ισχύ της θεμελιώδους αρμονικής), μειώνοντας τη μιγαδική ισχύ και εξαλείφοντας την ισχύ των ανώτερων αρμονικών (απώλειες). Πιο συγκεκριμένα: Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο πρόβλημα των ανώτερων αρμονικών καθώς και στις επιπτώσεις τους σε διάφορα τμήματα του εξοπλισμού ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης αναφέρεται συνοπτικά ο σκοπός των αρμονικών φίλτρων και της διπλωματικής εργασίας. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στα παθητικά αρμονικά φίλτρα και σε θέματα που σχετίζονται με τα είδη, το μέγεθος, το κόστος, το σχεδιασμό και την προστασία των φίλτρων. Επιπλέον γίνεται μνεία στα όρια των αρμονικών βάσει του προτύπου 519-1992 του ΙΕΕΕ. Το 3ο κεφάλαιο γράφτηκε με σκοπό να αποτελέσει ένα εγχειρίδιο γενετικών αλγορίθμων. Ξεκινά με την ιστορική αναδρομή και γενικές έννοιες και επεκτείνεται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Επιπλέον γίνεται επεξήγηση των δυνατοτήτων του GA toolbox του Matlab καθώς και τα βήματα που θα πρέπει να ακολουθήσει κάποιος προκειμένου να χρησιμοποιήσει τους γενετικούς αλγορίθμους ως εργαλείο βελτιστοποίησης. 2 Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή του συστήματος και των δεδομένων του, αποδεικνύεται το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε και γίνεται αναφορά στα μεγέθη που θα υπολογιστούν. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τους γενετικούς αλγορίθμους για την περίπτωση των αρμονικών πηγής τάσης και για αυτή των αρμονικών πηγής ρεύματος έτσι ώστε να μεγιστοποιείται ο συντελεστής ισχύος. Τέλος, στο 5ο κεφάλαιο εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα τα οποία απορρέουν από το σχεδιασμό των παθητικών αρμονικών φίλτρων με τη χρήση των γενετικών αλγορίθμων έτσι ώστε να μεγιστοποιείται ο συντελεστής ισχύος. Εν κατακλείδι, αναφέρονται κάποιες μελλοντικές σκέψεις σχετικά με το σχεδιασμό παθητικών αρμονικών φίλτρων. / The rapid development of power electronics in recent years and their use in a variety of industrial applications led to the problem of higher harmonics. The existence of higher harmonics causes many problems in power electric systems and the elements they consist of. This is the reason why passive filters which are designed in order to reduce or even eliminate the effects of higher harmonics are used. The design of passive filters is based on various criteria. This Thesis, examines the design of passive harmonic filters (using genetic algorithms), which aim to maximize power factor. By increasing the useful power (power of fundamental harmonic), decreasing the apparent power and eliminating the power of higher harmonics (losses), the power factor is being maximized. More specific: The first chapter is an introduction to the problem of higher harmonics, as well as to their effects on various parts of electric power system equipment. There is also a summary of the purpose of harmonic filters and this thesis. In the second chapter extensive references are made on passive harmonic filters and issues relating to species, size, cost, design and protection of filters. In addition, reference is made to harmonic bounds, based on IEEE Standard 519-1992. The third chapter is written in order to serve as a handbook of genetic algorithms. It enters with the historical background of genetic algorithms and extends to their use on a wide range of applications. The potentials of Genetic Algorithm (GA) toolbox of Matlab are explained. The steps to be followed in order to use genetic algorithms as optimization tool are also mentioned. A detailed description of the system and its data is given in the fourth chapter. The mathematical model and its relations used to simulate our system are proved. An extensive reference is made to the units sizes that will be calculated. Additionally, the results obtained from the genetic algorithms both in the case of the harmonic voltage source and the harmonic current source, in order to maximize the power factor, are presented. Finally, in the fifth chapter, useful conclusions are drawn from the design of passive harmonic filters (using genetic algorithms). In addition some thoughts about alternative designs of passive harmonic filters are stated in this chapter.