Οι σύγχρονες κοινωνίες καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας για τη θέρμανση χώρων, τα μέσα μεταφοράς, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και για τη λειτουργία των βιομηχανικών μονάδων. Το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας που χρησιμοποιείται προέρχεται από συμβατικές πηγές ενέργειας, όπως είναι το πετρέλαιο, η βενζίνη και ο άνθρακας, που αργά ή γρήγορα θα εξαντληθούν. Από την άλλη πλευρά, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Γενικά θεωρούνται οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας. Οι κυριότερες μορφές των ΑΠΕ είναι η υδροηλεκτρική ενέργεια, η θαλάσσια ενέργεια, η ενέργεια που προέρχεται από τη βιομάζα, η γεωθερμική ενέργεια, το υδρογόνο, η ηλιακή ενέργεια και η αιολική. Έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι άλλων πηγών ενέργειας, όπως το γεγονός ότι είναι πρακτικά ανεξάντλητες, δε μολύνουν το περιβάλλον και έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας. Δημιουργούν σημαντικό αριθμό νέων θέσεων εργασίας. Αποτελούν πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για τη τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση ανάλογων επενδύσεων. Η αύξηση των επενδύσεων σε ΑΠΕ άρχισε να γίνεται ιδιαίτερα αισθητή την τελευταία δεκαετία όπου παρατηρείται έντονη άνοδος στην επενδυτική δραστηριότητα και συνεπώς στην εγκατεστημένη ισχύ μονάδων παραγωγής ενέργειας. Πέρα από τα μεγάλα υδροηλεκτρικά, που υπερέχουν σημαντικά ως προς την εγκατεστημένη ισχύ, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται κυρίως στα αιολικά και στα φωτοβολταϊκά. Όμως, παρά την ανοδική τους τάση οι ΑΠΕ παραμένουν ανεπαρκώς ανεπτυγμένες, κυρίως αν ληφθούν υπόψη οι ευνοϊκές κλιματολογικές συνθήκες στη χώρα μας (πλούσιο αιολικό δυναμικό και υψηλό επίπεδο ηλιοφάνειας). Η ανάπτυξη των ΑΠΕ στη χώρα μας προωθείται από τους στόχους που έχουν τεθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση, την αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, από την πτώση του κόστους παραγωγής των ΑΠΕ και την ταυτόχρονη άνοδο του κόστος παραγωγής των συμβατικών καυσίμων καθώς και από το ευνοϊκό θεσμικό πλαίσιο που αφορά τις γενναιόδωρες επιδοτήσεις κεφαλαίου για την πραγματοποίηση επενδύσεων σε ΑΠΕ και την τιμολόγηση του παραγόμενου από ΑΠΕ ηλεκτρικού ρεύματος για την επόμενη εικοσαετία. Δυστυχώς η δυσχερής και χρονοβόρα διαδικασία αδειοδότησης, η έλλειψη χωροταξικού σχεδιασμού για τις ΑΠΕ, που επιτρέπει σε κάθε πολίτη να εμποδίσει την εγκατάσταση μονάδων με χρήση ΑΠΕ, καθώς και το γεγονός ότι η κατασκευή, λειτουργία και συντήρηση των μονάδων ηλεκτροπαραγωγής εξαρτάται από τους προμηθευτές και τη διαθεσιμότητα εξοπλισμού και πρώτων υλών εμποδίζουν πρακτικά την ανάπτυξη των ΑΠΕ στη χώρα μας. Το υπό διερεύνηση σύστημα που μελετάται είναι η σύνδεση ανεμογεννήτριας σε ισχυρό δίκτυο. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τον ανεμοκινητήρα και τη σύγχρονη γεννήτρια. Επειδή η ένταση του ανέμου είναι μεταβλητή, για τη σωστή λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας χρησιμοποιούνται συστήματα ελέγχου προκειμένου να διατηρηθούν η τάση και η συχνότητα στις ονομαστικές τους τιμές. Στη συγκεκριμένη εργασία, γίνεται η προσομοίωση του υπό διερεύνηση συστήματος στο ATP-EMTP και παρατίθενται σχηματικά διαγράμματα για διάφορες τιμές της ταχύτητας του ανέμου συναρτήσει της ακτίνας του πτερυγίου και της αδράνειας του συστήματος. Η ταχύτητα του ανέμου κατέχει βασικό ρόλο στη συμπεριφορά της λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου, αυξάνονται η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα και η μηχανική ροπή στην είσοδο της σύγχρονης γεννήτριας, συνεπώς και η ροπή του ανεμοκινητήρα. Το χρονικό σημείο όπου το σύστημα εισέρχεται στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας είναι ίδιο, γεγονός που οφείλεται στη μη μεταβολή της αδράνειας του συστήματος. Επίσης παρατηρείται, ότι η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου έχει σαν αποτέλεσμα η ισχύς του συστήματος να αυξάνεται όπως και είναι αναμενόμενο, αλλά από μια ταχύτητα του ανέμου και πάνω η παραγόμενη ισχύς δεν παρουσιάζει την ίδια συμπεριφορά γεγονός που οφείλεται στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του ανεμοκινητήρα και στις χαρακτηριστικές που εκφράζουν τη λειτουργία του (cp (λ)). Συνεχίζοντας την ανάλυση του συστήματος του ανεμοκινητήρα παρατηρείται ότι καθώς η αδράνεια του συστήματος παραμένει σταθερή η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα σταθεροποιείται χρονικά στο ίδιο σημείο για διαφορετικές τιμές της ταχύτητας του ανέμου, όπως και αναμένονταν. Κατά το αρχικό χρονικό διάστημα η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα παρουσιάζεται ιδιαίτερα μεταβαλλόμενη, γεγονός που οφείλεται στον προσδιορισμό των αρχικών συνθηκών του συστήματος. Οι αρχικές συνθήκες των μεταβλητών του συστήματος θεωρούνται σταθερές για οποιαδήποτε τιμή της ταχύτητας του ανέμου (παραδοχή). Καθώς η αδράνεια μεγαλώνει υφίσταται μείωση των μεταβολών της γωνιακής ταχύτητας και η γωνιακή ταχύτητα ισορροπεί σε διαφορετικούς χρόνους για διάφορες τιμές της αδράνειας. Ένα άλλο βασικό μέγεθος που επηρεάζει τη λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας είναι η ακτίνα των πτερυγίων της. Αυξάνοντας την ακτίνα των πτερυγίων, αυξάνεται η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα καθώς και η ροπή εισόδου στη σύγχρονη γεννήτρια, και συνεπώς η παραγόμενη μηχανική ισχύς στην έξοδο του ανεμοκινητήρα. Έγινε και επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων, αφού τόσο η μεταβολή της ακτίνας των πτερυγίων όσο και η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου οδήγησαν σε αντίστοιχα αποτελέσματα που ανταποκρίνονταν στις αναλυτικές εξισώσεις που εκφράζουν τον ανεμοκινητήρα και που παρουσιάστηκαν στη διπλωματική εργασία. Κατόπιν στο σύστημα προστίθεται σύγχρονη γεννήτρια συνδεδεμένη με τριφασικό ωμικό φορτίο. Προτιμήθηκε σύγχρονη γεννήτρια καθώς έχει τη δυνατότητα παραγωγής άεργου ισχύος σε αντίθεση με την ασύγχρονη, και για αυτό το λόγο πλέον χρησιμοποιούνται περισσότερο συγκριτικά με τα προηγούμενα έτη. Τελειώνοντας, συνδέεται η ανεμογεννήτρια σε ισχυρό δίκτυο, και παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν τα ρεύματα στο εσωτερικό της μηχανής αλά και στην έξοδό της, καθώς και οι τάσεις του συστήματος και η γωνιακή ταχύτητα. Επίσης γίνεται διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος σε περιπτώσεις σφαλμάτων συμμετρικών και μη. Επισημαίνεται ότι το ρεύμα διέγερσης Ιf δεν αλλάζει τιμή καθώς το σύστημα δεν διαθέτει έλεγχο. Παρ’ όλ’ αυτά έγινε προσπάθεια προσομοίωσης της σύγχρονης γεννήτριας που επιλέχθει με τα συστήματα ελέγχου P-f, Q-V και για τα οποία παρουσιάστηκαν τα αντίστοιχα σχηματικά διαγράμματα. / The Renewable Sources of Energy are considered generally as the alternatives to the traditional sources of energy. They are thus named because most of them are renewed in the nature. They are immediately used (mainly for heating) or changed into other forms of energy (electric or mechanic energy). It is calculated that the bigger part of electric energy that is produced worldwide, is produced by stations that use RSE. They have a lot of advantages against other sources of energy, as the fact that they are practically inexhaustible; they do not pollute the environment and have low functional cost. As main forms of RSE are reported the hydroelectric energy, the marine energy, the energy that emanate from the biomass, the geothermal energy, the hydrogen, the solar energy and aeolian. The growth of RSE in our country is promoted by the objectives that have been placed by the European Union, the increasing demand of electric energy, from the fall of cost of production of RSE and the simultaneous rise in the cost of conventional fuels production, as well as from the favorable institutional frame that concerns the generous capital subsidies for the realization of investments in RSE and the pricing produced from RSE of electric current for the next 20 years. Unfortunately, the awkward and time-consuming process of vacations awarding, the lack of land-planning for the RSE, that allows in each citizen to prevent the installation of units with use of RSE, as well as the fact that the manufacture, operation and maintenance of units for electricity generation depends on the suppliers and the availability of equipment and raw material, prevents practically the growth of RSE in our country. The system under investigation is the connection of wind generator in powerful network. The wind generator is constituted by a wind-motor and a synchronous generator. The wind turns the fins of wind generator, which are connected with a turned axis. The axis passes in a box of movement transmission, where the speed of rotation is increased. The box is connected with axis of big speed of rotation, which moves an electricity production generator. If the intensity of wind is strengthened too much, the turbine has a brake that limits the excessive increase of rotation of the fins in order to limit its deterioration and to avoid destruction. For the right operation of synchronous generator are used control systems so that tendency and frequency are maintained in their nominal prices. In conclusion, a simulation of the system is presented in the ATP-EMTP and schematic diagrams are mentioned on various prices of wind speed in connection with the beam of fins of wind generator and the system’s inactivity.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης μιας ανεμογεννήτριας μέσω της εξομοίωσης του με το λογισμικό EMTP-ATP λαμβάνοντας υπόψη και το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στο φαινόμενο του κεραυνού καθώς και στα διάφορα είδη συστημάτων γείωσης και στις μεθόδους υπολογισμού των παραμέτρων τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους και οι συνέπειές του στη συμπεριφορά των συστημάτων γείωσης. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα εξομοίωσης ενός συστήματος γείωσης και γίνεται η επιλογή του ποιο κατάλληλου για τις ανάγκες της εξομοίωσης. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και οι παρατηρήσεις των εξομοιώσεων. / The subject of the following diploma thesis is the study of the transient response of a grounding grid which is part of a wind turbine 's grounding system, by means of simulation using the EMTP-ATP software, considering the effects of soil ionization. Initially the physical phenomena of lightning is presented followed by a presentation of various grounding systems and calculation methods of their parameters. In the following chapters the soil ionization phenomenon and its effects on the behavior of grounding systems is studied and a reference is made to simulation models, which have been proposed by various researchers. Finally the appropriate model is selected and the results and the observations of the simulation are been presented.

Recent decades have witnessed a significant increment in power contribution from wind generators. This increment in penetration requires power engineers to tackle multi-fold challenges concerning operational and stability aspects. There exists a significant attention among the researchers in analyzing the impact of wind generation on various system aspects. This thesis focuses on steady state voltage stability aspects with penetration of Variable speed wind generators. Traditionally, ancillary services are supplied by large conventional generators. However, with the huge penetration of wind generators as a result of the growing interest in satisfying energy requirements, and considering the benefits that they can bring along to the electrical system and to the environment, it appears reasonable to assume that ancillary services could also be provided by wind generators in an economical and efficient way. Certain types of wind generators can support reactive power for the Power Market. Fixed and Semi-Variable speed wind turbine generators were predominantly employed during the early installations of wind generators. These units require reactive power support from the grid and are usually equipped with capacitor banks to provide the necessary reactive power. Further, STATic synchronous COMpensator (STATCOM) and Static Var Compensator (SVC) with various configurations were proposed to enhance the system operations under normal and disturbed conditions. On the other hand, Variable speed wind turbine generators provide flexibility in control and hence are becoming increasingly popular. Popular among this class of wind turbine generating units are Doubly Fed Induction Generator(DFIG) and induction/synchronous Generator with Front End Converter(GFEC). Contrary to Fixed and Semi-Variable speed wind machines, Variable speed wind turbine generators are capable of providing reactive power to the grid. The converter and control schemes associated with these machines permits controlling the active and reactive power output to desired level. It is possible to control the reactive power output of these machines independently of the active power. Researchers in the past have investigated the impact of reactive power output of variable speed wind machines on system stability. In literature, approaches are proposed to utilize the flexibility in reactive power generation of DFIG to reduce system losses, improve reliability in static and dynamic system operation. Approaches in literature investigate the impact on voltage stability of system by considering the flexibility of reactive power output of wind machine in isolation. However, significant improvement in static voltage stability, voltage profile, system power losses etc. can be attained if the Reactive Power output of Variable Speed wind machines can be properly coordinated with other reactive power controllers. The prime objective of the thesis is to propose algorithms to coordinate the reactive power output of Variable Speed Wind Generators with other reactive power controllers for Enhancement in voltage stability margin, system losses and voltage profiles.

The dynamics of a tether cable for a flying wind generator, employed to generate electricity by utilising the high velocity jet-stream winds in the troposphere, is analysed. A non-linear mathematical model for the study of the dynamics of the cable is described by a partial differential equation, which is solved analytically without damping. For unsteady and damped states, ordinary differential equations are obtained by adopting a discrete analysis approach, which are solved numerically with the aid of MATLAB software. Solutions are found for a range of lumped masses to represent the cable and each solution is verified against a previous case. Likewise, the result for the three masses is checked against the cable using a single lumped mass. The analysis is extended to seven discrete masses. This research highlights the dynamic behaviour of the cable subjected to wind gusts on the rotors and it also represents an appreciable input to the flying wind generator concept. The dynamic behaviour of the cable is critical for a flying electric generator. / Master of Engineering (Hons)

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της, καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα, πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αυτός ο αντιστροφέας αποτελεί και ένα το κύριο αντικείμενο μελέτης και κατασκευής της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, αναλύονται οι προοπτικές σήμερα, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μονοφασικού αντιστροφέα και κυρίως στη μέθοδο παλμοδότησης, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη διαφόρων μεθόδων ελέγχου της ροής ισχύος του αντιστροφέα και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα και των μεθόδων ελέγχου που μελετήθηκαν. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / This diploma thesis has to do with the study and the construction of a single phase inverter for the interconnection of a 1kW wind power generator with the low voltage grid. This research was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering, of the University of Patras. The ultimate aim of this work is the construction of an inverter in order to interconnect the wind turbine with the low voltage power grid with control of active power injected into the grid and generating current, in phase to the grid voltage (unity power factor). Initially, the advantages and challenges in exploiting the renewable energy sources, especially wind power, are analyzed; and today’s perspectives are seen as well. We also present technologies of interconnecting wind turbine technologies to the high, medium and low voltage grid, aiming to provide a complete presentation of the studied subject. We then present a theoretical analysis of all the topology units involved. Particular emphasis is given on the analysis of the inverter operation and especially on the single-phase pulse width modulation method, also known as SPWM. The next step was the sizing of the entire system, the study of different methods to control the flow of the inverter’s power and the subsequent simulation of the single-phase inverter and the control methods that were studied. We conclude by analyzing the technical characteristics of the inverter constructed, and the circuits that consist it and describe the logic of the flowchart of the microcontroller programming code and the techniques used to set the pulses. The final stage is the conduction of experiments with the construction in the lab and the writing of the results.

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και τον έλεγχο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής (DFIG) που χρησιμοποιείται σε συστήματα ανεμογεννητριών. Στα πρώτα κεφάλαια θα αναφερθούν κάποια στοιχεία απαραίτητα για την κατανόηση του αντικειμένου και των προβλημάτων του και ακολουθεί η ενασχόληση με την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Αφού αναλυθεί η μηχανή εξάγονται οι εξισώσεις λειτουργίας αυτής και του μετατροπέα και, τέλος, εφαρμόζονται οι απαραίτητοι έλεγχοι για την επίτευξη της επιθυμητής συμπεριφοράς της μηχανής σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. / The present thesis is about analysis and control of a double-fed generator for wind generators.

- / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται αφ’ ενός μεν τη μελέτη και προσομοίωση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης, αφ’ ετέρου δε την υλοποίηση του βρόχου ελέγχου ενός τμήματος του συστήματος αυτού. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη ενός αιολικού συστήματος το οποίο συγκροτείται από μια ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών, στην έξοδο της οποίας συνδέονται κατά σειρά μια μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους, ένας μετατροπέας τύπου Boost για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης, ένας μονοφασικός αντιστροφέας με ένα φίλτρο στην έξοδό του και ένας μονοφασικός μετασχηματιστής για την κατάλληλη ανύψωση της τάσης και τη σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη μελέτη και λειτουργία κλειστού βρόχου του μετατροπέα Boost. Αρχικά, γίνεται μία γενική αναφορά πάνω στις εφαρμογές των αιολικών συστημάτων και την προβλεπόμενη εισχώρησή τους στο ενεργειακό ισοζύγιο, ενώ παρουσιάζονται και οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, οι οποίες είναι η λειτουργία σταθερών στροφών-σταθερής συχνότητας και η λειτουργία μεταβλητών στροφών-σταθερής συχνότητας Στη συνέχεια, αναλύεται η λειτουργία του απλού μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τύπου Boost. Μελετάται η λειτουργική συμπεριφορά του τόσο στη περιοχή Συνεχούς Αγωγής (CCM) όσο και στη περιοχή Ασυνεχούς Αγωγής (DCM), καθώς και στην οριακή περιοχή μεταξύ των δύο. Ο μετατροπέας θα δέχεται μια τάση εσόδου 40-100V και η τάση στην έξοδό του θα διατηρείται σταθερή στα 120V. Το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση και προσομοίωση με τη χρήση του λογισμικού Matlab/Simulink των επιμέρους τμημάτων του αιολικού συστήματος, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στον μετατροπέα ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης. Ακολούθως τα επιμέρους μοντέλα συνενώνονται ώστε να προσομοιωθεί το σύστημα στο σύνολό του, να εξακριβωθεί η σωστή λειτουργία του και να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα. Τέλος, σχεδιάζεται ο βρόχος ελέγχου του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη λειτουργία του μικροελεγκτή dsPIC30F4011 που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση του. Παρουσιάζονται τα προγράμματα ανοιχτού και κλειστού βρόχου, ενώ παρατίθενται και οι πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν στο μετατροπέα για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης. / ---

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας που κατασκευάσθηκε από το συνάδελφο Ι.Γκαρτζώνη και μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αυτός ο αντιστροφέας αποτελεί και ένα από τα κύρια τμήματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, αναλύονται οι προοπτικές σήμερα, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μονοφασικού αντιστροφέα και κυρίως στη μέθοδο παλμοδότησης, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη διαφόρων μεθόδων ελέγχου της ροής ισχύος του αντιστροφέα και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα και των μεθόδων ελέγχου που μελετήθηκαν. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / This thesis deals with the study of a 1kW wind power system, which consists of a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator (PMSG), a rectifier diode bridge in its output and is linked to the low AC voltage power network, through two voltage converters. It is mainly concerned with the construction of the main single-phase inverter which is incorporated in the said topology. This research was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering, at the Faculty of Engineering, of the University of Patras. The ultimate aim of this work is the overall construction of a two-tier arrangement in order to interconnect the wind turbine with the low voltage power network. These provisions include a first stage, where an algorithm of finding the maximum power point of the wind turbine (MPPT) is executed and is consisted by one boost converter (DC/DC), made by my colleague, I.Gkartzonis, and a second stage that converts the DC voltage to AC voltage (inverter), maintaining a constant voltage across the capacitor interface interposed between the two tiers with control of active power injected into the grid, while generating current, inphase to the grid voltage (unity power factor). Initially, the advantages and challenges in exploiting the renewable energy sources, especially wind power, are analyzed; and today’s perspectives are seen as well. We also disclose technologies of interconnecting wind turbine technologies to the high, medium and low voltage networks, aiming to provide a complete presentation of the studied subject. We then present a theoretical analysis of all involved topology units. Particular emphasis is placed on the analysis of the inverter operation and especially the monophasic pulsing method, also known as "Sinusoidal Pulse Width Modulation" (SPWM). The next step was the sizing of the entire system, the study of different methods to control the flow of the power inverter and the subsequent simulation of the single-phase inverter and the control methods that were studied. We conclude by analyzing the technical characteristics of the inverter constructed, and the circuits that consist it and describe the production process of the microcontroller programming code and the techniques used to set the pulses. We also cite oscillator graphs and measurements, obtained from the experiments conducted after the completion of the said construction in the lab.

A proposta deste trabalho foi o desenvolvimento de um protótipo composto por hardware e software de um sistema para o gerenciamento remoto de temperatura aplicado a aerogeradores de pequeno porte. O hardware microcontrolado (PIC16F877A) recebe e condiciona o sinal emitido por sensores de temperatura (termopares), executa um algoritmo e transmite a informação via rede sem fio (ZigBee) para um software instalado em um computador remoto. O software desenvolvido em linguagem de programação Delphi permite ao usuário monitorar online a temperatura e enviar sinais de comando para ligar e desligar cargas através do acionamento de relês presentes no cartão eletrônico (hardware). O sistema desenvolvido tem foco na aplicação de monitoramento de temperatura em pontos críticos dos aerogeradores de pequeno porte. O sistema permitirá inclusive que haja a intervenção do operador parando a máquina ou então acionando sistemas de refrigeração quando os limites de temperatura forem ultrapassados, visando prolongar a vida útil da máquina evitando falhas catastróficas e não catastróficas que possam inutilizar o equipamento e/ou oferecer algum tipo de risco ao meio em que se encontra. Com o objetivo de validar o desenvolvimento, o hardware implementado foi submetido a testes de validação de distância de comunicação apresentando resultado satisfatório, entretanto abaixo da especificação emitida pelo fabricante dos módulos ZigBee utilizados. O hardware e o software foram submetidos também à validação da precisão de medição da temperatura em uma máquina elétrica com características análogas aos pequenos aerogeradores onde apresentaram resultados aceitáveis para a aplicação proposta. / The proposal of this work was the development of a composed for the hardware and software of a system for the remote management of applied temperature the wind turbine of small transport. The microcontrolled hardware (PIC16F877A) receives and conditions the signal emitted for temperature sensors (thermocouples), executes an algorithm and transmits the information saw net without wire (ZigBee) for a software installed in a remote computer. The software developed in Delphi allows the user to monitor online the temperature and to send command signals to bind and disconnect loads through the drive of you reread gifts in the electronic card (the hardware). The developed system has focus in the application of monitoring of temperature in critical points of the wind turbine of small transport, also allowing that it has the intervention of the operator stopping the machine or then setting in motion refrigeration systems when the temperature limits will be exceeded, aiming at to draw out the useful life of the machine being prevented catastrophic failures and not catastrophic that can make unusable the equipment and/or offer some type of risk to the way where if it finds. With the objective to validate the development, the hardware implemented was submitted to validation tests of distance communication presenting satisfactory result, though below the specification issued by the manufacturer of ZigBee modules used. The hardware and software were also submitted to the validation of the accuracy of temperature measurement in an electric machine with features similar to small wind turbines which showed acceptable results for the proposed application.