Thesis (M.S.)--Virginia Polytechnic Institute and State University, 1993. / Vita. Abstract. Includes bibliographical references (leaves 64-70). Also available via the Internet.

Thesis (Ph. D.)--Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology, 2006. / Yedidia Neumeier, Committee Member ; Jerry Seitzman, Committee Member ; Fotis Sotiropoulos, Committee Member ; Tim Lieuwen, Committee Member ; suresh menon, Committee Chair.

The entire thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file; a non-technical public abstract appears in the public.pdf file. Title from PDF of title page (University of Missouri--Columbia, viewed on November 13, 2009). Thesis advisor: Dr. Patrick S. Market Includes bibliographical references.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η εξέταση των προτεινόμενων συστημάτων γείωσης για ανεμογεννήτριες σύμφωνα με την IEC και η προσομοίωση με Matlab της συμπεριφοράς τους σε πλήγμα κεραυνού στην κατασκευή μέσω της μεθόδου FDTD. Στο πρώτο κεφάλαιο αναπτύσσεται σύντομα το φαινόμενο του κεραυνού και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στη συνέχεια δίνονται στοιχεία για την αιολική ενέργεια και την εκμετάλλευσή της στον κόσμο και στην Ελλάδα. Επίσης αναλύονται τα βασικά μέρη και η λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών όπως προτείνεται στο διεθνές πρότυπο IEC-61024 και η διαδικασία αξιολόγησης της επικινδυνότητας μιας τέτοιας κατασκευής. Δίνονται οι βασικοί ορισμοί για συστήματα γείωσης. Διεξοδικότερα εξετάζονται οι δύο τύποι συστημάτων γείωσης για ανεμογεννήτριες, σύμφωνα πάντα με την IEC. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η μέθοδος FDTD (Finite Difference Time Domain ) και ο αλγόριθμος του Yee. Η καινοτομία του αλγορίθμου αυτού ήταν η γεωμετρική απεικόνιση για τη δειγματοληψία των τιμών του ηλεκτρικού και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου η οποία αντιπροσωπεύει τις ολοκληρωτικές και τις διαφορικές μορφές των εξισώσεων του Maxwell. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε επίσης η μέθοδος λεπτού αγωγού (thin wire) η οποία επιτρέπει την ακριβή μοντελοποίηση ενός λεπτού αγωγού(όπου λεπτός αγωγός ορίζεται ως αγώγιμο καλώδιο η ακτίνα του οποίου είναι μικρότερη από το μέγεθος του κελιού που χρησιμοποιεί η FDTD) και περιγράφεται στη συνέχεια του κεφαλαίου. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζουμε δυο προτεινόμενες διατάξεις γείωσης σύμφωνα με το πρότυπο της IEC. Εξηγείται αναλυτικά πως υλοποιήθηκε ο αλγόριθμος FDTD στο Matlab και αναφέρονται οι παραδοχές που έγιναν για τη σύγκλιση της μεθόδου .Παρουσιάζεται με γραφική απεικόνιση από το MAtlab η μοντελοποίηση του χώρου για τις 2 διατάξεις. Μελετάμε την αύξηση δυναμικού ,την βηματική τάση και την μεταβατική αντίσταση για τη διάταξη τύπου Α με ένα κάθετο ηλεκτρόδιο . Εξετάζουμε πως επηρεάζει τα παραπάνω μεγέθη η μεταβολή του βάθους του ηλεκτροδίου και πως μεταβάλλονται σε διαφορετικούς τύπους εδαφών. Ακόμα εξετάζουμε την συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης για τη διάταξη τύπου Β με ένα οριζόντιο δακτύλιο και τέσσερα κάθετα ηλεκτρόδια συγκριτικά με τη διάταξη Α. Στο τελευταίο κεφάλαιο σχολιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και γίνεται σύγκριση των δύο προτεινόμενων διατάξεων γείωσης από την IEC. Συνοψίζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεθόδου FDTD για προσομοίωση συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης σε πλήγμα κεραυνού. Επίσης προτείνονται διαφορετικές προσεγγίσεις στην υλοποίηση της μεθόδου για την αντιμετώπιση των μειονεκτημάτων. / The subject of this essay is the analysis of the suggested by IEC grounding systems for wind turbines and the simulation of these systems using the FDTD method .The software used for the simulations was MATLAB. First chapter is a brief but essential theoretical approach on the lightning phenomenon. Moreover facts and figures are given for renewable energy and particularly wind power in Greece and worldwide. Furthermore the components and the function of a wind turbine are analyzed. The second chapter is a thorough study of the lightning protection systems for wind turbines as suggested by the international standard IEC-61204.The standard defines the risk assessment process of a wind turbine. The components of grounding systems are introduced and the two types of grounding systems for wind turbines according to IEC are analyzed. FDTD (Finite Difference Time Domain) method is analyzed in the third chapter along with Yee’s algorithm. The novelty of this method is the geometrical representation of the electrical and magnetic fields and the equations of Maxwell. The thin wire method was also used for the simulation in order to model precisely the conductors (as thin wire we define a wire with radius smaller than the cell used in the FDTD) and is described in this chapter. Along with writing this essay various grounding systems were simulated with MATLAB. In the forth chapter some brief comments about the development of the simulation are stated along with the description of the FTDT algorithm implementation. We study the potential rise, the step voltage and the transient resistance for the two types of grounding systems suggested by IEC and we observe how the depth of the rods and the resistivity of the soil affect them. In addition to that we also examine some variations of the two types of grounding systems in order to conclude to the optimal grounding system for a wind turbine. In the last chapter results are examined and conclusion are extracted and presented. The suggested by the IEC grounding systems are compared. Further optimizations of the simulation process are discussed leading to possible, future improvement. The advantages and disadvantages of the FTDT method for simulation of grounding systems after a lightning are presented.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των ανεμογεννητριών, η ανάλυση των επιμέρους συστημάτων τους και η μελέτη της σύνδεσης τους με το δίκτυο μέσω ενός ελεγκτή ομαλής εκκίνησης. Αρχικά, γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στην ιστορική εξέλιξη των ανεμογεννητριών, καθώς και στις επικρατούσες συνθήκες στην Ευρώπη και στην Ελλάδα. Έπειτα παρουσιάζονται χαρακτηριστικά μεγέθη του ανέμου και θεμελιώδεις έννοιες των αιολικών συστημάτων. Στη συνέχεια γίνεται μια εκτενής αναφορά στα επιμέρους συστήματα που συνθέτουν μια ανεμογεννήτρια και στους τρόπους ελέγχου της. Ακόμα, παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι γεννητριών που μπορούν να συνδεθούν και ο τρόπος λειοτυργίας των ανεμοκινητήρων. Έτσι, προκύπτει η μελέτη της απευθείας σύνδεσης με το δίκτυο μέσω ενός ελεγκτή ομαλής εκκίνησης (soft starter). Πρώτα γίνεται μια εισαγωγή στους soft starters, ορίζονται κάποιες βασικές έννοιες, γίνεται αναφορά στα υπόλοιπα μέρη του συστήματος και έπειτα μελετάται η παλμοδότηση κ λειτουργία των θυρίστορ των ελεγκτών. Τέλος, παρατίθενται τα μοντέλα πέμπτης και τρίτης τάξης της επαγωγικής γεννήτριας, οι εξισώσεις για τις ισχείς P και Q, η μέθοδος ελέγχου του soft starter (sliding mode), ο προτεινόμενος ελεγκτής και η υλοποίηση του. / The purpose of this thesis, is the study of wind turbines, the analysis of the individual parts of them and the study of the connection process to the network with a soft starter. Firstly, there is a reference to the renewable power sources and a historic development of wind turbines. Some important terms about the wind are referred and also some fundamental meanings about wind power systems.In addition, the parts of a wind turbine are referred and the ways of control. Furthermore, the different kinds of generators are presented, as well as the way they operate. Therefore, there is a study about the direct connection of a wind turbine to the grid through a soft starter. The soft starter is studied and the way it operates.Finally, is presented the induction machine's fifth and third order model, as well as the proposed controller and his implementation.

Πολλές χώρες υποστηρίζουν και προωθούν την ανάπτυξη των χερσαίων και των υπεράκτιων αιολικών πάρκων ως μέρος της στρατηγικής τους για την εδραίωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ταχεία αύξηση των προτάσεων κατασκευής αιολικών πάρκων τα με προοπτική ακόμη μεγαλύτερης αύξησης. Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες που έχουν διεξαχθεί από το Υπουργείο Άμυνας του Ηνωμένου Βασιλείου (UK Ministry of Defence) έχουν εξάγει ενδιαφέροντα συμπεράσματα τα οποία βρίσκονται στον αντίποδα της απροβλημάτιστης εδραίωσής τους, δηλαδή ότι τα αιολικά πάρκα μπορούν να επιδράσουν αρνητικά την απόδοση των στρατιωτικών και πολιτικών συστημάτων RADAR τα οποία λειτουργούν μέσα στη δραστική εμβέλεια τους και επιπλέον έχουν Οπτική Επαφή (Line Of Sight) με τις ανεμογεννήτριες. Κατά συνέπεια, λόγω της ευρείας διάδοσης της εκμετάλλευσης αιολικών πάρκων ανά τον κόσμο, είναι σημαντικό να αναπτυχθεί παράλληλα μια ισχυρή τεχνική κατανόηση σχετικά με την αλληλεπίδραση των ανεμογεννητριών και των RADAR άμυνας ή επίθεσης. Αυτή η κατανόηση θα ενισχύσει τις δυνατότητες για τη βελτιστοποίηση της χωροθέτησης των μελλοντικών αιολικών πάρκων που προτείνονται για εγκατάσταση, με σκοπό την ελαχιστοποίηση των αρνητικών επιπτώσεων. / --

Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη, «καθαρή» μορφή ενέργειας, που δε μολύνει το περιβάλλον και είναι ανεξάντλητη. Οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με υψηλό υψόμετρο καθώς και σε επίπεδη ύπαιθρο, κάτι που δικαιολογεί τον υψηλό αριθμό κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία προκαλούν πολλά προβλήματα στις εγκαταστάσεις. Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να ορισθεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Για την καλλίτερη κατανόηση του φαινομένου αυτού, αρχικά περιγράφηκε η ηλεκτρική κατάσταση της γης και η ηλεκτρική συμπεριφορά των νεφών καθώς και οι επιπτώσεις των πληγμάτων των κεραυνών. Αυτά αφορούν στην ανθρώπινη ζωή και στις κατασκευές, στις οποίες διακρίνονται σε θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές επιπτώσεις. Η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, με σημαντικότερη την προστασία των περιστρεφόμενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγματα επηρεάζουν αρχικά τα συστήματα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα μηχανικά τμήματα, όπως τα συστήματα πέδησης (αν υπάρχουν), τα μηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθμό. Καθώς ο ακριβής τρόπος που το κεραυνικό πλήγμα δρα πάνω στην ανεμογεννήτρια δεν είναι απόλυτα γνωστός, είναι απαραίτητο να βρεθούν ασφαλείς μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών που να βασίζονται στο πρότυπο IEC 61400-24. Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται η δομή και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά μέρη, κάθε ένα από τα οποία αποτελούνται από άλλα επιμέρους δομικά στοιχεία. Τα τρία βασικά δομικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι η νασέλλα, ο πύργος και η βάση. Ο πλέον δημοφιλής τύπος ανεμογεννήτριας είναι ο οριζόντιος τύπος, ο οποίος χαρακτηρίζεται από ένα στροφέα τύπου προπέλας που στηρίζεται πάνω ένα οριζόντιο άξονα με δύο ή τρία πτερύγια. Η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεμο και μπορεί να δεσμευτεί με ένα ανεμοκινητήρα είναι: PA=1/2*p*S*V3. Διακρίνουμε τρεις ταχύτητες στην λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας: α) την ταχύτητα έναρξης, β) την ονομαστική ταχύτητα και γ) την ταχύτητα αποσύζευξης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι επιπτώσεις του κεραυνικού πλήγματος στις ανεμογεννήτριες. Στο σημείο αυτό γίνεται αναφορά στο πρότυπο IEC 61400-24 και κυρίως στις παραγράφους που αφορούν στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Εκτός από τις βλάβες στα πτερύγια που είναι τα πιο εκτεθειμένα μέρη της ανεμογεννήτριας το πλήγμα του κεραυνού έχει επιπτώσεις στα έδρανα κύλισης, στο κιβώτιο ταχυτήτων και στο ανεμόμετρο. Επίσης οι περιελίξεις της γεννήτριας και ο εξοπλισμός ελέγχου και παρακολούθησης μπορεί να υποστούν σοβαρές βλάβες. Οι επαγόμενες τάσεις είναι η τάση επαφής, η βηματική τάση και οι υπερτάσεις. Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο αφορά στην αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών. Αρχικά παρουσιάζεται η αντικεραυνική μέθοδος που εφαρμόστηκε από τους Παστρομά και συν. σε ένα αιολικό πάρκο στο Παναχαϊκό κοντά στην Πάτρα στην Ελλάδα [10]. Γίνεται υπολογισμός του επιπέδου προστασίας των ανεμογεννητριών με δύο τρόπους: α) εκτιμώντας την παράμετρο Nd για κτήρια που έχει ως μεταβλητή τον περιβαλλοντικό παράγοντα Ce και β) με το Nd να αφορά τις εκτιμήσεις για τις ανεμογεννήτριες έχοντας μια μεταβλητή, το ύψος της κατασκευής. Η παράμετρος E είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις. Στη συνέχεια περιγράφεται το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας που εφαρμόζεται για την προστασία των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, καθώς και τα αποτελέσματα πειραματισμών για την ανάπτυξη ενός υποδοχέα, ο οποίος να έχει επαρκή χωρητικότητα για «σκληρές» κεραυνικές συνθήκες [21]. Στα πειράματα για τη μελέτη των επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων σε πτερύγια, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί τύποι πτερυγίων, που διέθεταν τρείς διαφορετικούς τύπους υποδοχέων. Ο πρώτος τύπος διέθετε έναν στερεό μεταλλικό υποδοχέα στην άκρη του πτερυγίου, ο δεύτερος τύπος έναν κυκλικό υποδοχέα εγκατεστημένο στην πλευρά του πτερυγίου και ο τρίτος τύπος τρείς υποδοχείς. Ο ένας είχε σχήμα ράβδου και βρισκόταν στο άκρο του πτερυγίου και οι άλλοι ήταν μικροί μεταλλικοί υποδοχείς που βρίσκονταν και στις δύο επιφάνειες του πτερυγίου. Αυτοί οι τρείς τύποι υποδοχέων καλύπτουν τους περισσότερους τύπους που χρησιμοποιούνται γενικώς. Οι εύκαμπτες συνδέσεις στο εσωτερικό της νασέλλας προκαλούν μια παράκαμψη του ρεύματος του κεραυνού που καταλήγει στην βάση του πύργου. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν δαχτυλίδια ολίσθησης για να συνδέσουν την καλωδίωση της γεννήτριας με την σταθερή καλωδίωση. Το μεταλλικό πλαίσιο μέσα στην νασέλλα είναι συνδεμένο με την βάση της ανεμογεννήτριας με 50mm2 με XLPE μονωμένα καλώδια. Η νασέλλα, τα ρουλεμάν εκτροπής και ο πύργος συνδέονται και καταλήγουν στη βάση του πύργου. Οι αγωγοί καθόδου χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν με ασφάλεια το ρεύμα του κεραυνού στο σύστημα γείωσης. Το σύστημα γείωσης θα πρέπει να οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού και να προστατεύει το προσωπικό από πτώσεις τάσης επαφής και βηματικές. Το ανεμόμετρο προστατεύεται επίσης από κεραυνικά πλήγματα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία οδηγία για αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών στη Ιαπωνία η οποία συνοψίζει τα αποτελεσματικά μέτρα για την αντικεραυνική προστασία στις εγκαταστάσεις ανεμογεννητριών, με βάση το ρεύμα των κεραυνών του χειμώνα, τις εργαστηριακές δοκιμές εφαρμογής ρευμάτων υψηλής τάσης σε πτερύγια ανεμογεννητριών και τη μελέτη των κεραυνικών σφαλμάτων σε μονάδες παραγωγής αιολικής ενέργειας [27]. Τελειώνοντας παρουσιάζεται μια πρόταση για μια καινούργια έννοια ζωνών αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, σύμφωνα με την οποία η άκρη του πτερυγίου θεωρείται ως διαφορετική ζώνη από το υπόλοιπο πτερύγιο [28]. / Wind energy is a renewable, "pure" form of energy that does not pollute the environment and is inexhaustible. Wind turbines are usually sited on high altitude as well as flat countryside, explaining the high number of reported direct lightning strikes. Lightning is an atmospheric electrical phenomenon, characterized by high current, which occurs in very large gaps. For a better understanding of this phenomenon, it is firstly described the electrical behavior of the Earth and the clouds. It is also described the effects of lightning strikes, which are related to human life and structures (thermal, mechanical and electrical effects). Lightning protection of wind turbines presents several difficulties; the main is the protection of the rotating blades. Lightning strikes have impact firstly on control systems, then the rest electrical system and lastly the blades and sensors. Mechanical parts like gearbox (if exists), mechanical brakes and the electric generator are not affected in high degree. Additionally, taking into account that the way a lightning strike acts on a wind turbine is not clear at this time, makes it necessary to find a quite safe method based on the basics of lightning protection of equipment and wind turbines according to IEC 61400-24. The third chapter presents the structure and operation of wind turbines. The wind turbine consists of three major parts, each of which consist of other sub-components. The three main components of a wind turbine are the nasella, the tower and the base. The most popular type is the horizontal wind turbine type, which is characterized by a propeller-type rotor, resting on a horizontal axis with two or three blades. The total power produced by the generator is: PA = 1/2 * p * S * V3. The three operating speeds of a wind turbine are a) Cut-in speed, b) Rated speed and c) Cut-out speed. The fourth chapter presents the effects of lightning strikes on wind turbines. Standard IEC 61400-24 describes lighting protection of wind turbines. The lighting strike firstly affects the blades. Also affects the bearings, the gearbox and the anemometer. The generator and the control system may be seriously damaged from a lighting strike. The fifth and last chapter describes the lightning protection of wind turbines. Firstly, a practical lightning protection method is presented which was applied by Pastromas et al [10] to a wind park sited on Panachaiko area, near Patras Greece. This method seems to minimize the risk of damages to the turbines from eventual lightning strikes. It derived considering the damage statistics, the consequences on energy production and the evaluation of the risk of lightning damage to a wind turbine, based on IEC 61400-24. Then, the lightning protection applied to protect the turbine blades is described, as well as the results of lightning experiments and simulations for various lightning receptors that are generally used in wind turbines, in order to develop the lightning receptor to protect wind turbine blades under hard lightning condition [21]. The flexible connections, to the internal of nacelle cause a lightning current bypass from the plate, around the blade bearing and the main bearings via the nacelle frame to the tower foundation. The slip ring is an electromagnetic device which allows the transmission of power from a stationary to a rotating structure and connects the turbine wiring to the fixed wiring. The metal frame in the nacelle is bonded to the wind turbine foundation with 50mm2 Cu with XLPE insulation wires. Nacelle, yaw rings and tower are connected and ending to the tower foundation. The down conductor in the tower base is connected with the tower and the grounding system, which is constructed inside the foundation of the tower. The grounding system should lead the lightning current and protect the personnel from contact and step voltage drops. The wind turbine has an ultrasonic anemometer which is protected against lightning strikes by a steel ring around it. Then guidelines for wind power generation business toward selection of sites and protection of wind turbines against natural hazards in Japan are presented. This guideline summarizes effective measures on lightning protection of wind power generation equipments, based on measurement of lightning currents in winter, laboratory high-voltage and high-current tests on wind turbine blades investigation on lightning faults of wind power generation plants [27]. Finally, a new zoning concept of the lighting protection of the blades is presented, where the tip of the blade is treated as a different zone than the remaining part of the blade. The background of the new zoning concept is explained, and the principle is demonstrated used on existing blade

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 προς 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 σε πρώτη φάση από μια επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG), από έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και από ένα σε σειρά συνδεδεμένο τριφασικό R-L φίλτρο στην ac πλευρά μέχρι το ζυγό διασύνδεσης με το δίκτυο, ενώ στη συνέχεια προσθέτουμε, μετά το R-L φίλτρο, μια συστοιχία πυκνωτών συνδεδεμένων σε αστέρα, ένα τριφασικό R-L φορτίο στο ίδιο σημείο με τη συστοιχία πυκνωτών καθώς και τη γραμμή μεταφοράς για σύνδεση με το δίκτυο. Σκοπός λοιπόν αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε το πλήρες σύστημα της ανεμογεννήτριας στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park. Στη συνέχεια προχωρούμε στον υπολογισμό των εξισώσεων στο χώρο κατάστασης και τελικά προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές. 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 paper we study a wind turbine device, which consists at first of a squirrel cage induction generators (SCIG), a frequency converter (back-to-back converter) and an three-phase R-L filter on the grid side and then me add, after the filter, a capacitor bank connected in star, a three-phase R-L load at the same point with the capacitor banks and the transmission line for grid connection. Aim of this thesis is to study the complete wind turbine system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation. Then we proceed to the calculation of the equations in state space and eventually propose a control system based on PI controllers. Finally, we simulate the complete system with the MATLAB/Simulink and then we present simulations of the responses and draw conclusions.

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: The growing contribution of wind energy to utility grids has sparked interest in small-scale wind turbines and thus a growing global cumulative installed capacity. Small-scale wind turbines find use in the saving of cost of electricity or for the carbon footprint reduction of small farms and small-holdings, as well as the electrification of rural communities. A goal of any wind turbine is to produce power at as low of a cost per unit energy as possible. Thus, a generator with a high power density and high efficiency is essential. The reluctance synchronous machine (RSM) is a strong competitor in this regard. Additionally, the RSM is a robust brushless topology that has good properties of manufacturability. However, studies published on the use of RSMs as generators in wind turbines is limited. This study serves to explore the performance and controllability of an RSM as a generator in a small-scale 9:2 kW wind turbine. For maximum power capture, it is desirable to have a wind turbine vary its rotor speed. However, there is a limit to the power that the generator may produce and so techniques are employed to reduce the captured power when operating above the rated wind speed. A turbine controller is developed that employs a speed-controlled maximum power point tracking (MPPT) technique for maximum power capture and soft-stalling of the blades to reduce power capture at excessive wind speeds. The RSM is modelled along with a turbine simulation model, complete with a wind source generator, to evaluate the performance of the system. Speed-controlled MPPT is known to sacrifice torque smoothness for fast tracking performance. To mitigate these harsh effects on the drivetrain, the speed reference of the generator is filtered to provide an average response to the optimal speed reference. This is shown to reduce the frequent and excessive speed, torque, and electrical power variations though optimal performance is not possible. However, any reduction on drivetrain fatigue that will maximise operation time of the turbine is considered an important gain. The RSM proves to have qualities that are applicable to wind turbine applications with its high efficiency, good manufacturability properties, low cost, and high robustness. Its higher power density over induction machines is also favourable though power electronics are required for optimal operation of the machine. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die groeiende bydrae van wind energie te nut roosters het aanleiding gegee tot belangstelling in kleinskaalse wind turbines en dus 'n groeiende w^ereldwye kumulatiewe geïnstalleerde kapasiteit. Kleinskaalse wind turbines vind ook gebruik in die besparing van koste van elektrisiteit, of vir die koolstofvoetspoor vermindering van klein plase en klein-hoewes, sowel as die elektrifisering van landelike gemeenskappe. Een van die doelwitte van enige wind turbine is om krag te produseer teen so laag van 'n koste per eenheid energie as moontlik. Dus, 'n kragopwekker met 'n hoë krag digtheid en hoë doeltreffendheid is noodsaaklik. Die reluktansie sinchroonmajien (RSM) is 'n sterk mededinger in hierdie verband. Daarbenewens is die RSM 'n robuuste borsellose topologie wat goeie eienskappe van vervaardigbaarheid het. Maar studies oor die gebruik van RSMs as kragopwekkers gepubliseer in die wind turbines is beperk. Hierdie studie dien om die prestasie te ondersoek en die beheerbaarheid van 'n RSM as 'n a kragopwekker in 'n klein-skaal 9:2 kW wind turbine te verken. Vir maksimum krag vang is dit wenslik dat die wind turbine sy rotor spoed wissel. Maar daar is 'n beperking op die krag wat die kragopwekker kan produseer en daarom work tegnieke gebruik om die gevange krag te verminder wanneer daar bo die gegradeerde wind spoed gewerk word. 'n Turbine beheerder word ontwikkel wat werk om 'n spoedbeheer maksimum kragpunt dop tegniek vir maksimum krag vang en die sagtestaking van die lemme krag vang deur oormatige wind spoed te verminder. Die RSM is gemodeleer saam met 'n turbine simulasie model kompleet met 'n wind bron kragopwekker om die prestasie van die stelsel te evalueer. Spoedbeheerde maksimum kragpunt dop is bekend om wringkrag gladheid vir 'n vinnige dop prestasie te offer. Om hierdie harde gevolge op die kragoorbringstelsel te versag is die spoed verwysing van die kragopwekker gefiltreer om 'n gemiddelde reaksie op die optimale spoed verwysing te verskaf. Dit word getoon om gereelde en hoë spoed, wringkrag en elektriese krag variases te verminder al is optimale prestasie nie moontlik nie. Enige afname van aandrystelsel moegheid wat operasie tyd van die turbine maksimeer word beskou as 'n belangrike gewin. Die RSM bewys eienskappe wat van toepassing is op die turbine aansoeke na aanleiding met sy hoë doeltreffendheid, goeie vervaardigbaarheid eienskappe, lae koste end ' hoë robuustheid. Sy hoër krag digtheid oor induksiemasjien is ook gunstig al is drywingselektronika nodig vir optimale werking van die masjien.

Many environmental free surface flows involve water and sediment transport. The net changes to the surface level of an erodible bed by sediment entrainment and deposition processes have a feedback effect on the local ow hydrodynamics. Bed morphological change is of great socio-economic and environmental importance in that it affects navigation, flood risk management, water quality, species diversity, and overall river sustainability. This thesis describes a mathematical model of the depth-averaged shallow water-sediment equations based on mass and momentum conservation laws. A 2D numerical model is then presented of the fully coupled, variable-density governing equations, which are solved using a Godunov-type HLLC scheme. Dependent variables are specially selected in the numerical model to handle the presence of the variable-density mixture in the mathematical formulation. The model includes suspended sediment, bedload transport, and bed morphological change. The numerical model is verified against benchmark analytical and semi-analytical solutions for complicated, clear water flows, bedload transport and suspended sediment transport. The well-balanced property of the governing equations is verified for a variable-density dam break flow over a bed step. Simulations of an idealised dam-break flow over an erodible bed, in excellent agreement with previously published results, validate the ability of the model to capture complex water-sediment interactions under rapidly-varying flow conditions and a mobile bed, and validate the eigenstructure of the system of variable-density governing equations. The model is then further validated against laboratory based data for complex 2D partial dam breaks over fixed and mobile beds, respectively. The simulations of 2D dam break flows over mobile beds highlight the sensitivity of the results to the choice of closure relationships for sediment transport. To investigate this further, a parameter study is carried out using a variety of commonly used empirical formulae for suspended sediment transport. The numerical model is also used to inform a theoretical model that predicts the flow through and around a porous obstruction in a shallow channel. This problem is relevant to several practical applications, including flow through aquatic vegetation and the performance of arrays of tidal turbines in a finite-width tidal channel. The theoretical model is used to reinterpret the core flow velocities in laboratory-based data for an array of emergent cylinders in a shallow channel. Comparison with experimental data indicates the maximum obstacle resistance for which the theoretical model is valid. In a final application, the theoretical model examines the optimum arrangement of tidal turbines to generate power in a tidal channel, confirming that natural bed resistance increases the power extraction potential for a partial tidal fence.