Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια μελέτη επί του ελέγχου των κινητήρων επαγωγής που στόχο έχει τη διερεύνηση της επίδασης των διαφορετικών σημάτων ανάδρασης (ανάλογο στροφών και ανάλογο του τετραγώνου στοφών) στην απόκριση του συστήματος κίνησης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ενδελεχώς η σχετική θεωρία, μελετήθηκε η παθητικότητα ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, χρησιμοποιήθηκε συγκεκριμένος ηλεκτρονικός μετατροπέας και κατασκευάστηκε μετατροπέας σήματος συνεχούς ρεύματος ανάλογος του αριθμού των στροφών και του τετραγώνου του. Στα πλαίσια της εργασίας εξετάστηκε PI έλεγχος βασισμένος στον βαθμωτό (Scalar V/f) έλεγχο, με σήμα αρνητικής ανάδρασης ρεύμα ανάλογο του αριθμού και του τετραγώνου του αριθμού των στροφών. Μελετήθηκε η απόκριση του κινητήρα και για τους δύο ελέγχους για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων KP και KI, και διερευνήθηκε ποιες είναι αυτές ώστε να έχουμε βέλτιστη απόκριση. Συγκεκριμένα ποιες παρουσιάζουν την μικρότερη υπερύψωση, τον μικρότερο χρόνο αποκατάστασης, το μικρότερο σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Επίσης εξετάστηκε η επίδραση της κάθε παραμέτρου στην διαμόρφωση της εσωτερικής ενέργειας του κινητήρα. / This diploma thesis forms a study on control techniques of induction motors which comes with the intention to explore the effets of different signals of feedback (proportional to the number of revolutions and to the square of the number of revolutions) on the output of the motor. For this purpose sedulous analysis of relevant theory was carried out, passivity of electromechanical systems was studied, a specific electronic commutator was used and a converter of constant current signal proportional to the number of revolutionsand to the square of the number of revolutions was developed. In this thesis a PI controller based on the Scalar V/f control with a signal of current of negative feedback was examined. The output of the motor for both the controls aid for different values of the parameters KP and KI was examined, and it was investigated which of them lead to an optimal output of the motor. It was studied more specifically which of them result in the optimal overshoot, settling time and the error of the permanent mode. Furthermore, it was inquired the impact of its parameter on the modulation of the intrinsic power of the motor.

Η παρούσα διπλωματική ασχολείταιμε τις σύγχρονες μεθόδους που εφαρμόζονται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας για την βελτίωση των χαρακτηριστικών τους χρησιμοποιώντας αφενός τις τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων και αφετέρου την εγκατεστημένη θεωρία ελέγχου. Στο κεφάλαιο 1 επιχειρείται μια εισαγωγή στις έννοιες των συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) καθώς και στην αρχή λειτουργίας τους.Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην έννοια της ποιότητας ισχύος και στα προβλήματα που παρουσιάζονται στα ηλεκτρικά δίκτυα. Τέλος αναφέρονται τα προβλήματα εκείνα που με την πάροδο του χρόνου έκαναν επιτακτική την εισχώρηση της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος στο πεδίο τους και ιδιαίτερα στην κατεύθυνση της αντιστάθμισης αέργου ισχύοςπου αποτελεί ένα απο τα κυριότερα προβλήματα. Στο κεφάλαιο 2 συνεχίζουμε αναλύοντας τη μορφή που παίρνουν τα σύγχρονα ΣΗΕ μετά την είσοδο της τεχνολογίας των FACTS ξεκινώντας από τα θυρίστορ ,ηλεκτρονικούς διακόπτες ισχύος,που αποτελούν δομικά στοιχεία των νέων διατάξεων και επόμενα τις γενικότερες διατάξεις που χρησιμοποιούνται στα ΣΗΕ που συνδυάζουν τα νέα στοιχεία ακόμα και με τους μηχανικούς διακόπτες που ήταν ο προηγούμενος τρόπος ελέγχου των ΣΗΕ. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια πιο ενδελεχή αναφορά στα κυκλώματα τεχνολογίας ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιύνται ώστε να πάρουν μορφή οι προηγούμενες διατάξεις ,ξεκινώντας από τη βασική μονάδα του μετατροπέα ημιγέφυρας δομικό στοιχείο των DC/AC μετατροπέων.Ακόμα στο κεφάλαιο αυτό αναφερόμαστε στον έλεγχοτων διατάξεων ,αναλύοντας τα συστήματα αναφοράς και τις τεχνικές που υπάρχουν για να καταστεί δυνατή η οδήγησή τους. Στο κεφάλαιο 4 τα πράγματα γίνονται πιο συγκεκριμένα και αναφερόμαστε στο στατικό αντισταθμιστή (STATCOM).Παρουσιάζονται τα κυκλώματα ελέγχου που περιέχει έτσι ώστε να γίνεται δυνατός ο έλεγχος τάσης είτε διάφορες άλλες δυνατότητες που μπορεί να προσφέρει στο πλαίσιο της καλύτερης λειτουργίας των σύγχρονων ΣΗΕ.Επίσης αναπτύσσεται το μαθηματικό και δυναμικό μοντέλο με τις εξισώσεις στα βήματα του οποίου θα κινηθεί και η προσομοίωση του επόμενου κεφαλαίου. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας του στατικού αντισταθμιστή και παρουσιάζονται διάφορα διαγράμματα από τα επιμέρους κυκλώματα που αναδεικνύουν τη λειτουργία του.Κύριο αντικείμενο και εδώ αποτελεί η θεωρία ελέγχου και ιδιαίτερη μνεία γίνεται στην χρησιμοποίηση των PI ελεγκτών εκείνω οι οποίοι ρυθμίζουν παραμέτρους του συστήματος και μετουσιώνουν τη μετάβαση από τα παλαιότερα συστήματα που χρησιμοποιούνταν στα ΣΗΕ όπως ο έλεγχος με μηχανικούς διακόπτες. Στο κεφάλαιο 6 τέλος προχωράμε σε κάποιες ιδέες και προτάσεις για μελλοντική έρευνα ως αποτέλεσμα της ενασχόλησης με την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία. / In capter 1 there is an intoduction to the Electrical Power Systems terminology,as well as their function and principles.Next,the meaining of power quality is presented along with the problems that occur at the electrical main grids.More emphsis is given to the ones that gradually enforced the use power electronics for reactive power compensation. In chapter 2,an analysis is made about the form of the modern Electrical Power Systems after the development of the FACT technology,starting from thyristors ,electronic power switches,which are elementsof the new layout and continuing with other modern devices which combine these new elements even with the old mechanical switches. In chapter 3,the electronic power systems' circuits are examined more thorouglyin order to understand the layout of the aforementioned structures,starting from the elementary unit of the half bridge power converter.Moreover,the control of these structures is examined,analyzing the reference systems and the various techniques in order to drive them. Chapter 4, presents the static compensator (STATCOM) along with its control circuits.In addition, the mathematical and dynamic model is developed, forming equations where the simulation of the next chapter is based. In chapter 5,there is a simulation of STATCOM's function (in MATLAB software) and various diagrams are presented showing different variables during its operation.Main purpose of this section is the presentation of the control theory,highlighting the use of PI controllers which adjust the system's parameteres and realize the transition from the older structures used in Electrical Power Systems ,such us mechanical switching. In chapter 6,we present some ideas in terms of future survey as a result of our dealing with the certain thesis

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.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε, μέσω του προγράμματος Matlab και συγκεκριμένα μέσω της εργαλειοθήκης Simulink, ένα υβριδικό μικροδίκτυο το οποίο αποτελούνταν από μια φωτοβολταϊκή διάταξη των 85W, ένα συσσωρευτή ιόντων-λιθίου (Liion battery), δυο DC-DC μετατροπείς και ένα R-L φορτίο. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν 4 διαφορετικές τεχνικές ελέγχου σε 2 σημεία, έναν στην πλευρά του φωτοβολταϊκού και έναν στην πλευρά της μπαταρίας. Ο έλεγχος στην πλευρά του φωτοβολταϊκού στόχευε το ρεύμα του φωτοβολταϊκού κάθε χρονική στιγμή να έχει την κατάλληλη τιμή προκειμένου να επιτυγχάνεται η μέγιστη ισχύς μέσω σημείου απόδοσης της μέγιστης ισχύος (MPPT). Ο έλεγχος στην πλευρά της μπαταρίας έχει ως σκοπό την διατήρηση της τάσης του φορτίου στα 100 V.(Vload_reference=100V). Οι έλεγχοι που πραγματοποιήθηκαν ήταν με χρήση PI ελεγκτών, έλεγχοι εκμεταλλευόμενοι την παθητικότητα του Euler-Lagrange συστήματος (PBC), με χρήση ασαφών (fuzzy) ελεγκτών και με χρήση νευρο-ασαφών (neuro-fuzzy) ελεγκτών. / In this diploma thesis a DC hybrid microgrid was simulated by using the program Matlab and specifically the toolbox Simulink. The microgrid consists of a photovoltaic array, a Li-ion battery storage, two DC-DC converters and an R-L load. Four different control methods were then applied to our system in 2 places, one on the photovoltaic array and one on the battery. The one on the photovoltaic array aimed that the PV current would be such that every time the maximum power from the PV would be achieved through a maximum power point tracker. The one on the battery has the purpose of maintaining the load voltage at 100 Volts. The control methods which were implied were PI controllers, passivity based control, fuzzy controllers and neuro-fuzzy controllers.

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.