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.

The uptake of renewable energy sources has increased dramatically in recent decades, in response to the contribution to climate change attributed to CO2 emissions from the burning of fossil fuels, the need for governments to maximise the use of domestic energy forms with depleting conventional sources, and to reduce exposure to fuel price volatility. Renewable energy targets set by the European Union have been supported by legislation and economic incentives, and have resulted in a sharp increase in installed wind power capacity in particular. Wind power is seen as a particularly attractive source of renewable energy capacity in the UK due to favourable resources and a competitive cost of energy for onshore sites, with 8.8 GW of capacity currently installed [1]. Constraints from visual and environmental impacts, together with improved wind resources, have led to the acceptance of greater financial costs and the exploitation of offshore sites, with over 5 GW installed to date [1]. Both onshore and offshore, the wind industry now has significant operational experience, with some of the earliest wind farms approaching the end of their design life. Material fatigue is a design critical factor which dictates the safe operational life of wind turbines, but is subjected to numerous areas of uncertainty in the level of environmental loading and structural response, as well as material properties and manufacturing methods. Therefore, a conservative design must be ensured from the outset, which presents the potential for fatigue life extension of installed assets if improved knowledge of their operational experience can be obtained. This thesis details the methodology for a fatigue load assessment of operational offshore wind turbine support structures using measured data, and attempts to quantify areas of loading which contribute to total fatigue damage. The methodologies developed build on existing recommendations for onshore wind turbines to incorporate the additional effects of the offshore environment. Results from measured loading suggest that design fatigue levels can be reduced if operational monitoring is included. Operational experience can allow design conservatism, which is necessary due to uncertainties in structural properties and in levels of stochastic loading, to be more accurately quantified.

Battery charging wind turbines like, Hybrid Field Generator, have become more popular in the growing renewable energy market. With wind energy, voltage and current control is generally provided by means of power electronics. The paper describes the analytical investigation in to control aspects of a hybrid field generator controller for optimized performance. The project objective is about maintaining the generated voltage at 28V through out a generator speed range, between 149 rpm and 598 rpm. The over voltage load, known as dump load, is connected to the control circuit to reduce stress on the bypass transistor for speeds above 598 rpm. Maintaining a stable voltage through out the speed range, between 149rpm and 598rpm, is achieved by employing power electronics techniques. This is done by using power converters and inverters to vary the generator armature excitation levels hence varying its air gap flux density. All these take place during each of the three modes of generator operation, which are: buck, boost and permanent magnet modes. Although the generator controller is power electronics based, it also uses software to optimize its performance. In this case, a PIC16F877 microcontroller development system has been used to test the controller function blocks.

Increasing awareness of the issues of climate change and sustainable energy use has led to growing levels of interest in small-scale, decentralised power generation. Small-scale wind power has seen significant growth in the last ten years, partly due to the political support for renewable energy and the introduction of Feed In Tariffs, which pay home owners for generating their own electricity. Due to their ability to respond quickly to changing wind conditions, small-scale vertical axis wind turbines (VAWTs) have been proposed as an efficient solution for deployment in built up areas, where the wind is more gusty in nature. If VAWTs are erected in built up areas they will be inherently close to people; consequently, public acceptance of the turbines is essential. One common obstacle to the installation of wind turbines is noise annoyance, so it is important to make the VAWT rotors as quiet as possible. To date, very little work has been undertaken to investigate the sources of noise on VAWTs. The primary aim of this study was therefore to gather experimental data of the noise from various VAWT rotor configurations, for a range of operating conditions. Experimental measurements were carried out using the phased acoustic array in the closed section Markham wind tunnel at Cambridge University Engineering Department. Beamforming was used in conjunction with analysis of the measured sound spectra in order to locate and identify the noise sources on the VAWT rotors. Initial comparisons of the spectra from the model rotor and a full-scale rotor showed good qualitative agreement, suggesting that the conclusions from the experiments would be transferable to real VAWT rotors. One clear feature observed in both sets of spectra was a broadband peak around 1-2kHz, which spectral scaling methods demonstrated was due to laminar boundary layer tonal noise. Application of boundary layer trips to the inner surfaces of the blades on the model rotor was found to eliminate this noise source, and reduced the amplitude of the spectra by up to 10dB in the region of the broadband peak. This method could easily be applied to a full-scale rotor and should result in measurable noise reductions. At low tip speed ratios (TSR) the blades on a VAWT experience dynamic stall and it was found that this led to significant noise radiation from the upstream half of the rotor. As the TSR was increased the dominant source was seen to move to the downstream half of the rotor; this noise was thought to be due to the interaction of the blades in the downstream half of the rotor with the wake from the blades in the upstream half. It was suggested that blade wake interaction is the dominant noise source in the typical range of peak performance for the full-scale QR5 rotor. Different solidity rotors were investigated by using 2-, 3- and 4-bladed rotors and it was found that increasing the solidity had a similar effect to increasing the TSR. This is due to the fact that the induction factor, which governs the deflection of the flow through the rotor, is a function of both the rotor solidity and the TSR. With a large body of experimental data for validation, it was possible to investigate computational noise prediction methods. A harmonic model was developed that aimed to predict the sound radiated by periodic fluctuations in the blade loads. This model was shown to agree with similar models derived by other authors, but to make accurate predictions very high resolution input data was required. Since such high resolution blade loading data is unlikely to be available, and due to the dominance of stochastic sources, the harmonic model was not an especially useful predictive tool. However, it was used to investigate the importance of the near-field components of the sound radiated by the wind tunnel model to the acoustic array. It was shown that the near-field terms were significant over a wide range of frequencies, and the total spectrum was always greater than that of the far-field component. This implied that the noise levels measured by the acoustic array represented an upper bound on the sound radiated to the far-field, and hence that the latter would also be dominated by stochastic components. An alternative application of the harmonic model, which attempted to determine the blade loading harmonics from the harmonics in the sound field was proposed. This inversion method utilised a novel convex optimisation technique that was found to generate good solutions in the simulated test cases, even in the presence of significant random noise. The method was found to be insensitive at low frequencies, which made it ineffective for inverting the real microphone data, although this was shown to be at least partly due to the limitations imposed by the array size. In addition to the harmonic models, an empirical noise prediction method using the spectral scaling laws derived by \citet*{Brooks_1989} was trialled, and was found to be capable of making predictions that were in agreement with the measured data. The model was shown to be sensitive to the exact choice of turbulence parameters used and was also found to require good quality aerodynamic data to make accurate noise predictions. If such data were available however, it is expected that this empirical model would be able to make useful predictions of the noise radiated by a VAWT rotor.

Wind farm operators utilize various financial agreements to generate revenue and mitigate risk. These agreements are often based on some estimate of the energy production from the wind farm. A power purchase agreement (PPAs), which is a long-term fixed volume fixed price arrangement, was the most common type of agreement for much of the growth of wind energy in the U.S. Recently, wind turbine power production estimations are relying less on fixed production volumes and PPAs as the basis for energy estimation in financial agreements and more on proxy generation, or an estimate of what the wind farm should make given a set of inflow conditions. These newer types of financial agreements are shifting the focus to when power is produced rather than just how much, and so it is imperative to understand and analyze the errors arising in proxy generation and how it may impact the financial agreements that use proxy generation. This work quantifies the errors in proxy generation and compares two methods of estimating power production, examining the financial impacts of both, for one wind project. These two methods are the nacelle transfer function (NTF) method and the reanalysis data method, which may be used if onsite data is unavailable. The different methods of estimating power production have varying impacts on the financial outcome of the project. Errors in power production estimates that coincide with large price events can result in significant financial impacts for the wind project, and this is more likely to occur with the reanalysis method compared to the NTF method. The results show that the Nacelle Transfer Function (NTF) method of estimating power production via onsite measurements has much less risk of being impacted by a price excursion than the reanalysis data method.

Wind energy is recognized as a sustainable source of energy that is both reliable and capable of dramatically reducing pollution to the environment and dependency on non-renewable fuels, leading to research on wind turbines. Nowadays, the demand for electricity increases. Considering that the greater the distance from shore, the greater the wind, more electricity will be generated along the coast. It is necessary and beneficial to study large scale offshore wind turbines. The National Renewable Energy Lab (NREL) 5-MW offshore wind turbine is simulated using a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model in this article. A realizable k-ε viscous model is used to simulate turbulence flow. The work is validated by comparing the torque with published simulated data, and satisfied consistency is observed. Further simulation and comprehensive analysis demonstrate the flow features and aerodynamic performances of 5-MW offshore wind turbine under various wind and rotor speeds. The velocity profiles, total pressure distribution, pressure coefficient, rotor thrust, torque and aerodynamic properties are obtained in detail.