Este trabalho apresenta uma nova metodologia para estimar parâmetros de geradores síncronos baseada na análise de sensibilidade de trajetória. Esta nova metodologia foi concebida com o objetivo de suplantar dificuldades de convergência que a metodologia de sensibilidade de trajetória tradicional apresenta devido a: (i) baixa robustez com relação aos valores iniciais dos parâmetros e ruído nas medidas, (ii) impossibilidade de lidar com singularidades que podem se apresentar nas equações algébricas do modelo de EAD (equações algébrica-diferenciais) que levam a inexistência de soluções, especialmente quando os parâmetros estão distantes dos valores verdadeiros. Apesar de ter sido desenvolvida para resolver o problema de estimação de parâmetros do gerador síncrono, a metodologia é geral e pode ser aplicada para uma classe grande de sistemas dinâmicos não-lineares. Neste sentido, a principal contribuição desta tese é a proposição de uma nova metodologia baseada na sensibilidade de trajetória para estimar parâmetros de sistemas dinâmicos não-lineares restritos, ou seja, modelados por EADs. Mais precisamente, relaxa-se a restrição de igualdade do sistema dinâmico, substituindo-a por uma formulação alternativa baseada na minimização da função algébrica do modelo de EAD. Uma segunda contribuição desta tese está relacionada à modelagem do gerador. Neste sentido, a escolha de variáveis de estado, das entradas e saídas, é fundamental para o sucesso da metodologia de estimação de parâmetros. Nesta tese, estas escolhas permitem que os parâmetros mecânicos e elétricos possam ser estimados independentemente. Para estimar os parâmetros elétricos, o gerador é modelado por um conjunto de EADs para que os seguintes requisitos práticos sejam atendidos: (i) estimar os parâmetros a partir de medidas de perturbações obtidas com o gerador em operação, (ii) usar apenas medidas de fácil acesso, (iii) não depender dos parâmetros da rede. Como resultado final, propõe-se um algoritmo que combina a nova metodologia de sensibilidade de trajetória para sistemas restritos com um algoritmo de estimação em duas fases para estimar os parâmetros do gerador síncrono. A metodologia proposta é robusta aos valores iniciais dos parâmetros e atende aos requisitos práticos mencionados anteriormente. Além disso, a estimação do ângulo de potência é um subproduto da metodologia proposta. / This research proposes a new methodology to estimate parameters of synchronous generators based on trajectory sensitivity analysis. This new methodology was created to overcome convergence difficulties presented by the traditional trajectory sensitivity methodology due to: (i) low robustness with relation to initial parameter values and noisy measurements; and (ii) singularities in the algebraic equation of the model of differential-algebraic equations (DAEs) that lead to the nonexistence of solutions, especially when the parameters are far from of the true values. Although the methodology has been developed to solve the synchronous generator problem, it is general and can be used for many types of nonlinear dynamic systems. Therefore, the main contribution of this thesis is the proposal of a new methodology based on trajectory sensitivity to estimate parameters of nonlinear dynamic systems with constraints, i.e., systems modeled by DAEs. More precisely, the equality constraint of the dynamic system is relaxed by an alternative formulation based on the minimization of the algebraic function of the model of DAEs. A second contribution of the thesis is related to the model of the generator. For this intention, the selection of the state variables, inputs and outputs is fundamental for the success of the parameter estimation methodology. In this thesis, this selection allows the generators mechanical and electrical parameters be estimated independently. In order to estimate the electrical parameters, the generator is modeled by a set of convenient DAEs to fulfill the following practical requirements: (i) estimation of the generator parameters from the disturbance measurements obtained with the machine in operation; (ii) use of easily accessible measurements; and (iii) independence of the network parameter. As a final result, an algorithm which combines the new methodology of trajectory sensitivity to constrained systems with the two-stage estimation algorithm is proposed to estimate the generator parameters. This proposed methodology is robust for parameters initial values and fulfills the practical requirements above mentioned. In addition, the estimation of the power angle is a byproduct of the proposed methodology.

A comunidade internacional vem continuamente alertando sobre os riscos ambientais advindos da emissão de gases de efeito estufa. Considerada uma alternativa limpa, segura e de baixo impacto ambiental, a energia eólica tem se tornado uma alternativa para geração de eletricidade. No Brasil, tem-se realizado grandes investimentos na construção de parques eólicos e seu contínuo crescimento tem motivado a realização de estudos que proponham melhorias no funcionamento do sistema. Devido à característica inconstante do vento, os aerogeradores comerciais utilizados nos parques eólicos frequentemente possuem conversores de potência, desta forma, apresentam características diferentes em relação a sistemas de geração convencionais quando da ocorrência de faltas internas. Este estudo propõe a análise de transitórios eletromagnéticos em aerogeradores que utilizam geradores síncronos associados a conversores de potência, com ênfase nas faltas internas. Para tanto, foi realizado o equacionamento dinâmico do sistema que representa o aerogerador conectado à rede através do conversor back-to-back. A partir das funções de transferências obtidas, foram definidos os ajustes para os controladores através do método simétrico ótimo. Para a validação do sistema de controle foi elaborado o modelo computacional do sistema, a partir do qual foram gerados resultados que possibilitam melhor compreensão da atuação dos controladores e das formas de onda do sistema. Por fim, foram aplicadas faltas em diversos pontos do sistema, gerando como resultados gráficos que apresentam a interação entre as proteções dos conversores, local de ocorrência das faltas, resistência de falta e as grandezas analisadas. / The international community has been continuously warning of environmental risks arising from greenhouse gas emissions. For being considered as a clean, safe and low environmental impact alternative, wind energy has been considered attractive for electricity generation. Brazilian government have made great investments in the construction of wind farms, and its continued growth has motivated studies proposing improvements for the wind power generation systems. Commercial wind turbines used in wind farms, often employ power converters, behaving different from conventional electromechanical generation systems in the event of internal faults. This study proposes the analysis of electromagnetic transients in wind turbines that use synchronous generators in association with power converters, with emphasis in internal faults. For this, the dynamic behaviour of the system representing the wind turbine connected to the network through the backto-back converter was performed. Based on the transfer functions obtained, the settings for the controllers were defined by the optimal symmetric method. In order to validate the control system a computational model was elaborated, from which graphics were generated, allowing a better understanding of the controllers actuation and the waveforms of the system. Finally, faults were applied in multiple points of the system, generating as results, graphs that show the interaction between the protections of the converters, place of occurrence of faults, fault resistance and the parameters analyzed.

nÃo hà / Este trabalho apresenta um novo mÃtodo de fluxo de potÃncia linear o fluxo de potÃncia linear V-teta tambÃm apresenta uma nova modelagem do gerador sÃncrono para estudos de fluxo de potÃncia trifÃsico em redes de distribuiÃÃo desequilibradas radiais e uma modelagem do gerador eÃlico sÃncrono em componentes de fase para estudos de curto-circuito em sistemas de distribuiÃÃo radiais Os resultados revelam que 1) Para o fluxo de potÃncia linear V-teta à possÃvel o cÃlculo de forma desacoplada e linear dos fluxos de potÃncia ativa e reativa no sistema Assim os erros obtidos com o fluxo de potÃncia linear V-teta sÃo em geral menores que os erros obtidos no mÃtodo clÃssico de fluxo de potÃncia CC e espera-se que o mesmo seja usado em muitas aplicaÃÃes onde o mÃtodo clÃssico de fluxo de potÃncia CC à atualmente utilizado 2) Uma nova modelagem à proposta considerando o gerador sÃncrono diretamente conectado a rede elÃtrica Uma outra modelagem jà existente na literatura considerando a conexÃo do gerador atravÃs de retificador e inversor tambÃm à usada As duas modelagens sÃo utilizadas para a realizaÃÃo de estudos de impacto dos sistemas de excitaÃÃo dos geradores sÃncronos em sistemas de distribuiÃÃo com modelagem trifÃsica Os resultados sÃo obtidos utilizando-se o sistema IEEE-13 barras A modelagem do gerador sÃncrono em componentes de fase sob condiÃÃes desequilibradas permite: a) calcular as injeÃÃes ou consumo de potÃncias ativa/reativa de cada fase na mÃquina, b) simular o gerador sÃncrono como barra do tipo PQ e como barra do tipo PV Juntamente com esses estudos uma anÃlise inÃdita e detalhada de desequilÃbrio de tensÃo inclusive com uma demonstraÃÃo matemÃtica à apresentada 3) A representaÃÃo em componentes de fase do gerador eÃlico sÃncrono nos cÃlculos de faltas de sistemas de distribuiÃÃo radiais obtÃm resultados mais precisos do que o mÃtodo tradicional das componentes simÃtricas uma vez que valores de impedÃncias mÃtuas de diferentes valores podem ser considerados na anÃlise do sistema / This thesis presents a new method of linear power flow linear power flow V-theta it also presents a new model of synchronous generator for power flow studies in three phase unbalanced radial distribution networks and modeling of wind synchronous generator in phase components for studies of short-circuit in radial distribution systems The results reveal that 1) For the linear power flow V-theta is possible to calculate like a linear and uncoupled form the active and reactive power flows in the system Thus the errors obtained with the linear power flow V-theta are usually smaller than the errors obtained in classical method of DC power flow and it is expected that the linear power flow V-theta can be used in many applications where the classical method of DC power flow is currently used 2) A new model is proposed, considering the synchronous generator directly connected to the power grid Another existing literature modeling considering the connection from the generator through rectifier and inverter is also used The two modeling are used to perform impact studies of synchronous generators excitation systems for distribution systems with three-phase modeling The results are obtained using the IEEE 13 bus - test system The modeling of synchronous generator in phase components under unbalanced conditions allow: a) calculate the active / reactive power injections in each phase of the machine b) simulate the synchronous generator as PQ bus-type and as PV bustype Along with these studies an unprecedented and detailed analysis of voltage unbalance including a mathematical proof is presented 3) the representation of synchronous windmill generators in phase components calculations in short-circuits of radial distribution systems get more accurate results than the traditional method of symmetrical components since values of mutual impedances of different values can be considered in the analysis of the system

Este trabalho apresenta uma nova metodologia para estimar parâmetros de geradores síncronos baseada na análise de sensibilidade de trajetória. Esta nova metodologia foi concebida com o objetivo de suplantar dificuldades de convergência que a metodologia de sensibilidade de trajetória tradicional apresenta devido a: (i) baixa robustez com relação aos valores iniciais dos parâmetros e ruído nas medidas, (ii) impossibilidade de lidar com singularidades que podem se apresentar nas equações algébricas do modelo de EAD (equações algébrica-diferenciais) que levam a inexistência de soluções, especialmente quando os parâmetros estão distantes dos valores verdadeiros. Apesar de ter sido desenvolvida para resolver o problema de estimação de parâmetros do gerador síncrono, a metodologia é geral e pode ser aplicada para uma classe grande de sistemas dinâmicos não-lineares. Neste sentido, a principal contribuição desta tese é a proposição de uma nova metodologia baseada na sensibilidade de trajetória para estimar parâmetros de sistemas dinâmicos não-lineares restritos, ou seja, modelados por EADs. Mais precisamente, relaxa-se a restrição de igualdade do sistema dinâmico, substituindo-a por uma formulação alternativa baseada na minimização da função algébrica do modelo de EAD. Uma segunda contribuição desta tese está relacionada à modelagem do gerador. Neste sentido, a escolha de variáveis de estado, das entradas e saídas, é fundamental para o sucesso da metodologia de estimação de parâmetros. Nesta tese, estas escolhas permitem que os parâmetros mecânicos e elétricos possam ser estimados independentemente. Para estimar os parâmetros elétricos, o gerador é modelado por um conjunto de EADs para que os seguintes requisitos práticos sejam atendidos: (i) estimar os parâmetros a partir de medidas de perturbações obtidas com o gerador em operação, (ii) usar apenas medidas de fácil acesso, (iii) não depender dos parâmetros da rede. Como resultado final, propõe-se um algoritmo que combina a nova metodologia de sensibilidade de trajetória para sistemas restritos com um algoritmo de estimação em duas fases para estimar os parâmetros do gerador síncrono. A metodologia proposta é robusta aos valores iniciais dos parâmetros e atende aos requisitos práticos mencionados anteriormente. Além disso, a estimação do ângulo de potência é um subproduto da metodologia proposta. / This research proposes a new methodology to estimate parameters of synchronous generators based on trajectory sensitivity analysis. This new methodology was created to overcome convergence difficulties presented by the traditional trajectory sensitivity methodology due to: (i) low robustness with relation to initial parameter values and noisy measurements; and (ii) singularities in the algebraic equation of the model of differential-algebraic equations (DAEs) that lead to the nonexistence of solutions, especially when the parameters are far from of the true values. Although the methodology has been developed to solve the synchronous generator problem, it is general and can be used for many types of nonlinear dynamic systems. Therefore, the main contribution of this thesis is the proposal of a new methodology based on trajectory sensitivity to estimate parameters of nonlinear dynamic systems with constraints, i.e., systems modeled by DAEs. More precisely, the equality constraint of the dynamic system is relaxed by an alternative formulation based on the minimization of the algebraic function of the model of DAEs. A second contribution of the thesis is related to the model of the generator. For this intention, the selection of the state variables, inputs and outputs is fundamental for the success of the parameter estimation methodology. In this thesis, this selection allows the generators mechanical and electrical parameters be estimated independently. In order to estimate the electrical parameters, the generator is modeled by a set of convenient DAEs to fulfill the following practical requirements: (i) estimation of the generator parameters from the disturbance measurements obtained with the machine in operation; (ii) use of easily accessible measurements; and (iii) independence of the network parameter. As a final result, an algorithm which combines the new methodology of trajectory sensitivity to constrained systems with the two-stage estimation algorithm is proposed to estimate the generator parameters. This proposed methodology is robust for parameters initial values and fulfills the practical requirements above mentioned. In addition, the estimation of the power angle is a byproduct of the proposed methodology.

Havendo qualquer distúrbio em um determinado sistema de distribuição de energia elétrica na presença de geradores distribuídos (GDs), é procedimento habitual exigido pelas concessionárias a desconexão destes na intenção de evitar a formação de um sistema ilhado eletricamente sustentado. Este procedimento tem como objetivo evitar maiores danos tanto ao sistema elétrico como um todo, principalmente ao próprio gerador distribuído, bem como às pessoas envolvidas na manutenção desse sistema. Entretanto, esse fato diminui consideravelmente as contribuições do conceito de geração distribuída à melhoria da qualidade dos serviços de fornecimento de energia elétrica por parte das concessionárias. Neste contexto, este trabalho possui como objetivo analisar os requisitos técnicos necessários para viabilizar a operação ilhada dos geradores distribuídos. Sabendo que a maioria das cargas presentes em um sistema de distribuição é dependente dos níveis de tensão e frequência da energia de suprimento, a análise e o monitoramento dessas grandezas antes e durante o ilhamento deverão ocorrer de forma que não se perca a estabilidade da rede ilhada. Para isto, devem ser avaliadas alterações nos métodos de operação e controle dos geradores distribuídos, de maneira a atender os requisitos técnicos necessários para manter a tensão e a frequência dentro dos parâmetros de qualidade de energia elétrica. Foram propostos quatro índices de desempenho para avaliar a qualidade da energia elétrica no sistema ilhado. Os resultados obtidos demonstram a necessidade de efetuar ações corretivas eficientes para manter o sistema elétrico ilhado operando dentro dos padrões aceitáveis de qualidade de energia elétrica. Foram investigadas soluções potenciais e viáveis para garantir a operação da ilha estável e com qualidade da energia elétrica. Além disso, observou-se que cargas dependentes da tensão podem influenciar significativamente a capacidade do GD em formar de ilhas estáveis. / If disturbances occur in a power distribution systems in the presence of distributed generators (DGs), a common practice required by utilities is to disconnect such generators, aiming at avoiding a self-sustained energized island. This procedure is required on order to prevent damage to the whole distribution system, mainly the DG, and to the utility maintenance personnel, as well. However, this requirement may decrease the possible contributions of the distributed generation concepts to the quality of the power supply. In this context, this work aims at analyzing the technical requirements related to make DGs islanded operation feasible. Since most of the loads are dependent on the supply voltage and frequency, the analysis and monitoring of such quantities before and after an islanding event should occur in such a way that the stability of the energized island is granted. To reach such a goal, changes in the DG control modes must be assessed, so that the technical requirements necessary to keep voltage and frequency within statutory limits are fulfilled. Four performance indices have been proposed to assess the power quality in the islanded system. The results have shown the need to perform efficient corrective actions to ensure reliable islanded operation. Moreover, it was observed that voltage-dependent loads may influence the DG capability to sustain stable islands.

O ilhamento intencional quando desenvolvido em modo seguro pode ser considerado uma solução viável à promoção da confiabilidade das redes elétricas na presença de geradores distribuídos. Diante disso, esta tese de doutorado propõe metodologias que definem os ajustes das proteções do ponto de acoplamento comum e do gerador para viabilizar tecnicamente o ilhamento intencional, permitindo também avaliar a probabilidade de sucesso deste quando não planejado por um período de operação da rede. As metodologias propostas consideram os relés de deslocamento de fase ou \"salto de vetor\", relés de taxa de variação de frequência e os relés de sub/sobrefrequência convencionais. Estas metodologias baseiam-se na associação direta do tempo de detecção do ilhamento e do tempo de restrição. Estes tempos são oriundos da capacidade de detecção de ilhamento do relé baseado em medidas de frequência do ponto de acoplamento comum e da proteção do gerador. Os resultados foram consistentes e além de determinar a viabilidade técnica do ilhamento intencional de geradores distribuídos, permitiram avaliar a probabilidade de sucesso do ilhamento intencional. Adicionalmente, as metodologias permitiram definir quando possível os ajustes das proteções mais adequados à operação segura da ilha. / The intentional islanding when perfomed in a safe way can be considered a viable solution to the promotion of the reliability of the electrical networks in the presence of distributed generators. In this context, this doctoral thesis proposes methodologies that define the adjustments of the protections of the point of common coupling and the generator to technically enable the intentional islanding and allow to evaluate the probability of successful islanded operation. The proposed methodologies consider the vector surge or \"vector jump relays\", the rate of change of frequency and conventional under/overfrequency relays for islanding detection purposes, and the under/overfrequency relays to protect the generator. These methodologies are based on the direct association of the islanding detection time and the restriction time, and on their relation with the active power imbalance of the island. The detection and restriction times are derived from the islanding detection capability of the previous-mentioned relays, and from the generator protection, respectivelly. The results showed that the methodologies were able to identify favourable conditions for a successful islanded operation, and allowed assessing its probability of occurrence given different conditions of load and generation power imbalance. Additionally, the methodologies allowed to define, when possible, the adjustments of the most adequate protections for the isolated operation of the microgrid.

A comunidade internacional vem continuamente alertando sobre os riscos ambientais advindos da emissão de gases de efeito estufa. Considerada uma alternativa limpa, segura e de baixo impacto ambiental, a energia eólica tem se tornado uma alternativa para geração de eletricidade. No Brasil, tem-se realizado grandes investimentos na construção de parques eólicos e seu contínuo crescimento tem motivado a realização de estudos que proponham melhorias no funcionamento do sistema. Devido à característica inconstante do vento, os aerogeradores comerciais utilizados nos parques eólicos frequentemente possuem conversores de potência, desta forma, apresentam características diferentes em relação a sistemas de geração convencionais quando da ocorrência de faltas internas. Este estudo propõe a análise de transitórios eletromagnéticos em aerogeradores que utilizam geradores síncronos associados a conversores de potência, com ênfase nas faltas internas. Para tanto, foi realizado o equacionamento dinâmico do sistema que representa o aerogerador conectado à rede através do conversor back-to-back. A partir das funções de transferências obtidas, foram definidos os ajustes para os controladores através do método simétrico ótimo. Para a validação do sistema de controle foi elaborado o modelo computacional do sistema, a partir do qual foram gerados resultados que possibilitam melhor compreensão da atuação dos controladores e das formas de onda do sistema. Por fim, foram aplicadas faltas em diversos pontos do sistema, gerando como resultados gráficos que apresentam a interação entre as proteções dos conversores, local de ocorrência das faltas, resistência de falta e as grandezas analisadas. / The international community has been continuously warning of environmental risks arising from greenhouse gas emissions. For being considered as a clean, safe and low environmental impact alternative, wind energy has been considered attractive for electricity generation. Brazilian government have made great investments in the construction of wind farms, and its continued growth has motivated studies proposing improvements for the wind power generation systems. Commercial wind turbines used in wind farms, often employ power converters, behaving different from conventional electromechanical generation systems in the event of internal faults. This study proposes the analysis of electromagnetic transients in wind turbines that use synchronous generators in association with power converters, with emphasis in internal faults. For this, the dynamic behaviour of the system representing the wind turbine connected to the network through the backto-back converter was performed. Based on the transfer functions obtained, the settings for the controllers were defined by the optimal symmetric method. In order to validate the control system a computational model was elaborated, from which graphics were generated, allowing a better understanding of the controllers actuation and the waveforms of the system. Finally, faults were applied in multiple points of the system, generating as results, graphs that show the interaction between the protections of the converters, place of occurrence of faults, fault resistance and the parameters analyzed.

Este trabalho de mestrado está relacionado com a análise do comportamento dinâmico de turbinas eólicas equipadas com gerador síncrono com excitação a ímãs permanentes operando durante contingências na rede elétrica e com variação na velocidade do vento. Tal configuração tem muitas vantagens quando comparada com a configuração atualmente utilizada pelos principais fabricantes de turbinas eólicas de grande porte. A principal delas é devido ao fato de não utilizar caixas de engrenagens. Porém, o impacto na rede elétrica com a conexão de tal configuração deve ser minimizado melhorando as condições operativas no ponto de conexão da fazenda eólica. Desta forma, o projeto em questão visa investigar formas de diminuir os impactos negativos causados e melhorar a estabilidade do sistema, principalmente, no ponto de conexão à rede elétrica Portanto, o projeto de pesquisa deste mestrado está relacionado ao desenvolvimento de modelos computacionais que representem tal tecnologia, considerando os principais componentes e controles utilizando o software de simulação PSCAD. Também são incluídos novos métodos de controle e elementos adicionais que melhoram a confiabilidade e o nível de penetração de parques eólicos com geradores a ímãs permanentes. Ressalta-se que tais modelos não estão disponíveis de forma completa no software citado acima, portanto foram desenvolvidos partindo de modelos genéricos existentes. Todas as partes do modelo foram realizadas com elementos básicos acessíveis em qualquer programa de simulação, de modo que qualquer engenheiro ou pesquisador possa programar este mesmo modelo em qualquer software. Esta dissertação começa com uma breve descrição do modelo desenvolvido, incluindo o modelo aerodinâmico das turbinas eólicas, o controle do conversor do lado do gerador, o controle do conversor do lado da rede e o sistema de proteção do link de corrente contínua. Com o modelo desenvolvido, analisa-se a operação do gerador síncrono a imãs permanentes durante contingências na rede. A aplicação de um sistema avançado de armazenamento de energia e a possibilidade de suporte de frequência à rede elétrica também foram desenvolvidos e analisados. Considerando os resultados obtidos, podemos verificar que a conexão de parques eólicos equipados com geradores síncronos com excitação a ímãs permanentes pode trazer benefícios para a rede elétrica, quando o seu potencial de controle e de operação é utilizado. Mais detalhes podem ser verificados nos capítulos a seguir. / This master\'s project aims to study the behavior of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator, operating during contingencies and changes in wind speed. This configuration has many advantages compared with configurations currently used by leading manufacturers of large wind turbines. The main one is due to the fact of use smaller gearboxes or even gearless turbines. However, the impact on the electrical grid connection of this configuration should be minimized by improving the operating conditions at the connection point of the wind farm. Thus, this project aims to investigate ways to reduce the negative impacts and improve the system stability, especially at the grid connection point. This work employs the simulation software PSCAD for developing a computational model of this technology, considering the main components and controls. New control methods and additional features are included, for improving the reliability and the level of penetration of wind farms with permanent magnet generators in the power system. It is noteworthy that such models are not available in the simulation software PSCAD; therefore it was developed from existing generic models. All parts of the model were done with basic elements; as a result any engineer or researcher can program this same model in any software. This work begins with a brief description of the developed model, including: the aerodynamic model of the wind turbines, the control of the generator side converter, the control of the grid side converter and the protection system of the Link-DC. With this model, the operation of the permanent magnet synchronous generator was analyzed during network contingencies. The application of a sophisticated energy storage system for frequency support was also both developed and analyzed. The connection of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator has advantages when its potential for control and operation is used. More details can be checked in the following chapters.

Wind power is a renewable energy source that is increasingly used all over the world. Most wind turbines have a horizontal axis of rotation but a few have a vertical axis of rotation. The concept presented in this thesis is a straight-bladed vertical axis wind turbine with a direct driven cable-wound permanent magnet synchronous generator. A comparison of the two different types of wind turbines, vertical axis wind turbines and horizontal axis wind turbines, have been performed considering several different aspects. However, the main focus in this thesis is on the generator. Several generators have been modelled with a combined field and circuit model, which has been solved by using the finite element method. A 12 kW generator has been designed, which has a high overall efficiency and a high overload capability. The generator has been constructed at the department and was tested in the laboratory before being mounted in a vertical axis wind turbine. Results from experiments correspond well with results from simulations. The generator has been tested for different loading conditions and the harmonic content of the voltage has been analysed. A 12 kW vertical axis wind turbine was completed and tests have been performed. The results are encouraging and further studies on the prototype will be performed in the future. The simulation method has been used to study electromagnetic losses in several generators. The comparison showed that the average losses should be considered when a variable speed generator for wind power is designed and it concluded that the design optimization process becomes a compromise between lowering the electromagnetic losses and having high overload capability. When constructing a wind turbine, it is important to consider vibrations in the structure. Torsional vibrations in the drive shaft connecting the turbine to the rotor of the generator have been studied. It is shown that a direct driven generator is to prefer over an induction generator with a gearbox when torsional vibrations are concerned. This thesis is based on eight papers all concerning vertical axis wind turbines with three of them focusing on the generator.

This research addresses some of the difficulties faced when operating voltage controlled inverters with synchronous generators in microgrids. First, an overview of microgrid value propositions is provided, and the problems faced when attempting to use microgrids to provide improved power quality are discussed. Design considerations for different types of microgrids are provided to enable microgrids to deliver the desired functionality without adding unnecessary cost. The main body of this research investigates the poor transient load sharing encountered between voltage controlled inverters and synchronous generators in islanded operation. Poor transient load sharing results in high peak inverter rating requirements and high cost. The tradeoff between power quality and power sharing is highlighted, and methods to improve transient load sharing are proposed. The use of current limiting to protect inverters during faults and overloads is also investigated. Stability problems are identified when using simple inverter current limiting methods when operating in parallel with synchronous generators. Virtual impedance current limiting is proposed to improve transient stability during current limiting. The methods proposed in this thesis for mitigating inverter overloads and faults will allow for more reliable and cost effective application of inverter based distributed energy resources with synchronous generators in microgrids.