With the UK seeking to increase the contribution of microgeneration, the number of small wind turbines installed in urban areas has increased. However, a wide-spread experience is that urban located turbines have generated considerably less energy than anticipated. This thesis demonstrates that poor turbine placement, due to inadequacies in commonly used wind resource modelling and assessment techniques, has played a large part in this disappointing outcome. The current site assessment tools estimate a turbine's performance at a potential site using a method developed for large scale wind energy projects in rural areas. Using data measured at 91 Met Office weather stations across the UK and a rooftop site in London, this thesis shows that when applied in urban areas, this method can lead to large errors in the predicted energy production of a small wind turbine. The magnitude of these errors is such that the tools cannot consistently identify the economic viability of a turbine/site combination. This is largely due to a simplified representation of the site's wind resource. By not considering the decelaration of the wind by friction, there are large errors in the predictions of a site's annual mean wind speed. Across the sites there is a mean error of over 40% and 18% for the DECC wind speed database and the Carbon Trust tool respectively. Furthermore, analysis of data collected at the roof top site shows that due to high levels of turbulence in urban areas, a Weibull distribution does not provide a sufficient representation of the temporal variability of a site's wind resource. 1 Subsequently the thesis develops an improved, more reliable means of predicting mean wind speed at urban sites by considering interactions between the flow and the morphology of built-up areas in more detail than has been possible previously. When applied to the Greater London area the model shows that turbines generally perform better towards the outskirts of the city, however there are some sites with good wind resource close to the city centre with low aerodynamic roughness.

Τα κεραυνικά πλήγματα αποτελούν σημαντικό κίνδυνο ζημιάς στις ανεμογεννήτριες. Το πρόβλημα γίνεται μεγαλύτερο καθώς ο αριθμός και το ύψος τους συνεχώς αυξάνεται. Έτσι τα κεραυνικά πλήγματα στις ανεμογεννήτριες είναι μια από τις κυριότερες αιτίες βλαβών που προκαλούν απώλειες της προβλεπόμενης παραγωγής ισχύος με σοβαρές οικονομικές συνέπειες. Τα συστήματα γείωσης σχεδιάζονται με σκοπό να παρέχουν την απαραίτητη ασφάλεια τόσο σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας όσο και σφάλματος. Όσον αφορά κεραυνικά ρεύματα ή ρεύματα βραχυκύκλωσης το σύστημα γείωσης θα πρέπει να επιτυγχάνει την απαγωγή και διάχυση των ρευμάτων αυτών μέσα στη γη, με ταχύτητα και ασφάλεια, χωρίς να δημιουργούν επικίνδυνες υπερτάσεις στον περιβάλλοντα χώρο. Η εμφάνιση των υπερτάσεων αυτών είναι ικανή να πλήξει των άνθρωπο αλλά και να προκαλέσει ανεπανόρθωτες βλάβες στον εξοπλισμό. Προκειμένου να ελεγθεί η αξιοπιστία ενός συστήματος γείωσης σε σχέση με την ασφάλεια που παρέχει σε συνθήκες σφάλματος είναι απαραίτητη η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του. Έτσι μπορούμε να προβλέψουμε την απόδοση τους σε περιπτώσεις κρουστικών ρευμάτων κεραυνού. Η παρούσα εργασία αναφέρεται στη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης ανεμογεννήτριας μέσω της εξομοίωσης τους με το λογισμικό EMTP-ATP. Οι εξομοιώσεις γίνονται βάσει του μοντέλου κυκλωματικής προσέγγισης για διάφορες τιμές ειδικών αντιστάσεων εδάφους. Σκοπός είναι η σύγκριση των αποτελεσμάτων και η επιλογή του κατάλληλου συστήματος γείωσης. Παρακάτω γίνεται σύντομη περιγραφή των κεφαλαίων Στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο φαινόμενο του κεραυνού, στις παραμέτρους των ανερχόμενων και κατερχόμενων κεραυνών και τέλος στις επιπτώσεις των κεραυνικών πληγμάτων. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο ρόλο της γείωσης, στα διάφορα είδη γειωτών καθώς και στις μεθόδους υπολογισμού των παραμέτρων τους. Στο Τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται χαρακτηριστικά μεγέθη που αφορούν την απόκριση των συστημάτων γείωσης όπως είναι η αντίσταση γείωσης, η ειδική αντίσταση εδάφους και η κρουστική σύνθετη αντίσταση. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα διάφορα μοντέλα συστημάτων γείωσης. Παρουσιάζονται τόσο αυτά που χρησιμοποιούνταν κατά το παρελθόν όσο και τα επικρατέστερα σύγχρονα. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο γίνεται αρχικά επιλογή του μοντέλου προσομοίωσης. Στη συνέχεια παρατίθενται τα στοιχεία των συστημάτων γείωσης που εξετάζουμε. Κατόπιν παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων. Τέλος γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων. Από τις συγκρίσεις προκύπτουν οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η μεταβατική συμπεριφορά των εξεταζόμενων συστημάτων γείωσης. Βάσει των αποτελεσμάτων παρατηρούμε αρχικά ότι η ειδική αντίσταση εδάφους έχει μεγάλη επίδραση στην μεταβατική απόκριση των συστημάτων γείωσης έχει. Συγκεκριμένα για μικρότερες τιμές ειδικής αντίστασης εδάφους έχουμε παράλληλη μείωση των τιμών των μέγιστων μεταβατικών υπερτάσεων στους κόμβους τους συστήματος. Επιπλέον παρατηρούμε σημαντική εξάρτηση των τιμών των τάσεων στους κόμβους των συστημάτων από την απόστασή τους από το σημείο εγχύσεως του ρεύματος. Έτσι όσο απομακρυνόμαστε από το σημείο εγχύσεως του κρουστικού ρεύματος μειώνεται το δυναμικό των κόμβων. Τέλος δεδομένων ίδιων τιμών ειδικής αντίστασης εδάφους, οι δύο διατάξεις παρουσίαζουν διαφορετικές μεταβατικές αποκρίσεις, / Lightning strokes consist one of the most important damage risks in wind turbines. The problem grows bigger as the number and height of modern wind turbines continuously increases. So lightning strikes on wind turbines are one of the most important malfunction causes which have serious inflictions on the predicted power production with severe economic consequences . Grounding systems are designed to provide the necessary safety on normal operation conditions as well as on fault conditions. The grounding system must be able to divert fault currents as well as lightning currents to the ground with speed and safety without the development of over voltages on the surrounding space. The appearance of over voltages is extremely dangerous both for people and equipment. To test the reliability of a grounding system on fault conditions, a study of its transient behavior is necessary in order to predict the performance of the grounding system in the case of an impulse lightning current. The purpose of this diploma thesis is to study the transient response of two grounding systems for wind turbines by means of simulation with the EMTP-ATP software. The equivalent circuits used for the simulation are based on the circuit theory approach for various values of soil resistivity. Finally the two grounding systems are compared regarding their transient response behavior. Bellow follows a brief description of the chapters. In Chapter One the phenomenon of lightning is presented including the parameters that define lightning as well as the effects of lightning strokes on people and equipment. Chapter Two focuses on the role of grounding in electrical installations, the various types of grounding electrodes and the calculation methods of their parameters. Chapter Three presents the effect of figures such as the grounding resistance, soil resistivity and impulse resistance on the response of grounding systems. Chapter Four refers to the various modeling approaches for grounding systems. Modeling approaches such as the circuit theory approach, the electromagnetic field approach etc are presented an analyzed. In Chapter Five the model for the simulation is selected and the values for the grounding system parameters are presented, followed by the results of the simulations. In conclusion the results of the simulations are compared. From comparing the results of the simulations we observe that the soil resistivity has a great effect on the transient response of the simulated grounding systems. Moreover for low values of soil resistivity there is a parallel decrease of the peak voltage values on the system nodes. Furthermore we observe a considerate dependence of the voltage values to the distance to the injection point of the lightning current. So as we move away from the injection point of the impulse current the node potential decreases. Finally, given the same values of soil resistivity, the two grounding systems have different transient responses.

La problématique de la production d'énergie renouvelable, l'énergie du vent dans notre cas, est liée au réglage de l'amplitude et de la fréquence de la tension du générateur entraîné par l'éolienne. Ces réglages sont nécessaires pour injecter la puissance électrique produite sur le réseau électrique. Les avancées de l'électronique de puissance, en particulier les convertisseurs de puissances commandés (redresseur, onduleur, convertisseur boost, etc), ont aidé à résoudre ces problèmes de réglage. Le défi de la production éolienne est d'améliorer la stratégie de commande appliquée aux convertisseurs, afin d'augmenter la qualité de la puissance produite et de minimiser les pertes électriques et ainsi de réduire le coût de production. Dans cette thèse, nous avons développé la commande non linéaire fondée sur la platitude d'un système de production éolien et son couplage au réseau. Cette approche permet de faciliter la construction de la loi de commande. Nous avons exposé un réglage simple et intuitif des gains des contrôleurs, reposant sur très peu de paramètres. Les pertes électriques au stator du GSAP sont minimisées, la stratégie de MPPT est réalisée sur la partie de production. Le facteur de puissance de l'énergie injectée sur le réseau électrique est contrôlé à n'importe quelle valeur désirée comprise entre zéro et un. / The problem of the production of renewable energy, ``wind energy in our case'' is related to the adjustment of the amplitude and the frequency of the voltage of the generator driven by the wind turbine. These settings are required to supply the produced electrical power to an electrical network. The advancement of the power electronics used in the power converters (rectifiers, inverters, boost converters, etc.), helped to solve these two problems of adjustment. The challenge of wind generation is to improve the control strategy applied to the converters to increase the quality of the produced power and to minimize the electrical losses of the generator, and therefore to reduce the cost of production system. In this thesis, we developed the nonlinear flatness-based control of a wind generation system. This command is used to facilitate the construction of the control law. We have shown that this command allows the designer to choose the controller gains with few and intuitive tuning parameters. Electrical losses in the stator of the Permanent Magnets Synchronous Generator (PMSG) are minimized, the Maximum Power Point Tracking strategy (MPPT) is applied to the production system and the power factor of the apparent power injected to the grid is controlled to obtain any desired value between zero and one.

Le phénomène connu sous l'appellation "méandrement" (ou meandering) désigne les variations aléatoires de la trajectoire du sillage aérodynamique d'une éolienne. Ce phénomène est responsable de contraintes mécaniques particulières sur les éoliennes positionnées dans le sillage d'autres éoliennes et joue donc rôle dans la conception et dans la prévision de production des parcs éoliens.Ce travail propose d'étudier le méandrement par des moyens expérimentaux et numériques. La problématique est traitée en deux parties, la première portant sur la modélisation de l'écoulement de couche limite atmosphérique, avec une attention particulière portée à la modélisation des grandes échelles de la turbulence atmosphérique. La seconde partie porte sur l'étude du sillage d'un disque actuateur soumis à un écoulement atmosphérique. Chacune de ces parties comporte un volet expérimental et un volet numérique. La modélisation numérique instationnaire de l'écoulement atmosphérique fait intervenir une technique de génération stochastique de champs de vitesse turbulente avec évolution temporelle, spécialement développée au cours de la présente thèse et à laquelle un chapitre spécifique est dédié.L'un des principaux résultats est que le méandrement du sillage est fortement corrélé avec les grandes échelles de la turbulence atmosphérique. / The phenomenon known as meandering describes the unsteady trajectory variations of the wake of a wind turbine. This phenomenon is responsible for specific mechanical stresses on turbines positioned in the wake of other turbines. As such, this phenomenon must be accounted for in the design and operation of wind turbine plants.This work uses numerical fluid simulation and wind tunnel testing in order to study the meandering of the wake of a wind turbine. The subject is discussed in two parts. The first part discusses the modeling of the atmospheric boundary layer, with a focus on the large scales of the atmospheric turbulence. The second part is a study of the behavior of the wake of an actuator disc model in atmospheric wind conditions.Both parts include experimental and numerical work. The numerical simulation of the atmospheric boundary layer involves the generation of synthetic turbulent velocity time series by mean of a stochastic technique developed during this thesis, to which a chapter is dedicated.One of the main results of this work is that the meandering is highly correlated with the large scales of the atmospheric turbulence.

L’alternateur étudié dans cette thèse équipe une éolienne flottante à axe vertical. Il s’agit d’unemachine synchrone de 2MW, polyphasée, bobinée sur plots, à pas fractionnaire, à aimants et à prisedirecte. L’objectif majeur de la thèse est la caractérisation de cet alternateur afin d’en évaluer lesperformances. Une modélisation analytique de la perméance d'entrefer et de la force magnétomotriceont conduit à l'étude de l'induction d'entrefer dont le contenu harmonique s'est révélé êtreparticulièrement riche. La caractérisation a également porté sur la détermination des inductancespropres et mutuelles, avec un calage du modèle effectué en exploitant des mesures expérimentalesfaites à l’arrêt. La particularité de la machine étudiée nous a amené à considérer un enroulement fictiféquivalent dans le but de déterminer les inductances cycliques, nécessaires à l'établissement du schémamonophasé équivalent. De plus, le fonctionnement back to back de la machine a été étudié et simulé. Ilpermet de faire des tests de la machine elle-même mais aussi des éléments de la chaîne de conversion,sans l'utilisation d'une deuxième machine ou des pâles pour entraîner le rotor du prototype. Il offre enplus la possibilité de tester différents type de fonctionnements et d'évaluer la puissance que peutproduire la machine : différents scénario de fonctionnement ont été simulés et les paramètresnécessaires aux essais sur site ont été définis. Le fonctionnement back to back a fait l’objetd’investigation sur une machine synchrone classique. Les difficultés de fonctionnement ontnotamment pu être mises en évidence avec une modélisation analytique des phénomènesélectromagnétique qui s'y produisent et des essais expérimentaux. / The studied alternator equips a vertical axis offshore wind turbine. It is a 2MW fractional slotconcentrated winding permanent magnet synchronous polyphase machine, directly connected to bladeturbine. The principal purpose of this thesis consists in characterizing the alternator in order toevaluate its performances. The air gap permeance and the magnemotive force analytical modelingleads to study the air gap flux density and its harmonic content, which is particularly rich. Thecharacterization has also concerned the self and mutual inductance determination, which has requiredstalling the model by exploiting experimental measurements done at standstill. The particularity of thestudied machine leads us to consider an equivalent fictitious winding in order to determine the cyclicalinductances, necessary for the single-phase equivalent scheme establishment. Moreover, the machineback to back functioning has been studied and simulated. This functioning allows testing the machineitself and the other conversion chain subsystems, without using a second machine or blades to drivethe prototype rotor. It offers the possibility to test different types of operating points and to estimatethe power that can produce the studied machine: different operating points scenarios have beensimulated and parameters for tests have been defined. The back to back functioning of a classicalsynchronous machine has been also investigated, with an analytical modeling of the electromagneticphenomena and experimental tests.