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

Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.

Le travail présenté vise à mettre en place une méthodologie pour le suivi en service de la fatigue mécanique pour l’ombilical dynamique d’un système EMR flottant. L’approche envisagée consiste à simuler à l’aide d’outils numériques la réponse de l’ombilical aux cas de chargement observés sur site. Le post-traitement des résultats de ces simulations devant permettre d’accéder à différentes quantités d’intérêt en tout point du câble. Pour quantifier et réduire l’incertitude sur la réponse calculée de l’ombilical ce dernier doit être instrumenté. Un certain nombre de paramètres du modèle numérique feront alors l’objet d’une calibration régulière pour suivre l’évolution des caractéristiques de l’ombilical susceptibles d’évoluer. Dans ce contexte ce manuscrit présente et compare différentes méthodes pour analyser la sensibilité de la réponse de l’ombilical aux paramètres susceptibles d’être suivis. L’objectif est notamment d’orienter le choix des mesures à mettre en oeuvre. L’analyse en composantes principales permet pour cela d’identifier les principaux modes de variation de la réponse de l’ombilical en réponse aux variations des paramètres étudiés. Différentes approches sont également envisagées pour la calibration des paramètres suivis,avec en particulier le souci de quantifier l’incertitude restante sur le dommage. Les méthodes envisagées sont coûteuses en nombre d’évaluations du modèle numérique et ce dernier est relativement long à évaluer. L’emploi de méta-modèles en substitution des simulations numériques apparait donc nécessaire, et là encore différentes options sont considérées. La méthodologie proposée est appliquée à une configuration simplifiée d’ombilical dans des conditions inspirées du projet FLOATGEN. / The present work introduces a methodology to monitor fatigue damage of the dynamic power cable of a floating wind turbine. The suggested approach consists in using numerical simulations to compute the power cable response at the sea states observed on site. The quantities of interest are then obtained in any location along the cable length through the post-treatment of the simulations results. The cable has to be instrumented to quantify and to reduce the uncertainties on the calculated response of the power cable. Indeed some parameters of the numerical model should be calibrated on a regular basis in order to monitor the evolution of the cable properties that might change over time. In this context, this manuscript describes and compares various approaches to analyze the sensitivity of the power cable response to the variations of the parameters to be monitored. The purpose is to provide guidance in the choice of the instrumentation for the cable. Principal components analysis allows identifying the main modes of power cable response variations when the studied parameters are varied. Various methods are also assessed for the calibration of the monitored cable parameters. Special care is given to the quantification of the remaining uncertainty on the fatigue damage. The considered approaches are expensive to apply as they require a large number of model evaluations and as the numerical simulations durations are quite long. Surrogate models are thus employed to replace the numerical model and again different options are considered. The proposed methodology is applied to a simplified configuration which is inspired by the FLOATGEN project.

Historically, public ownership of telecommunications, railways, ports, and energy, amongst other infrastructure, has been important in New Zealand. In the electricity sector local authorities generated and supplied electricity from the early 1900s. Thus in a sense electricity generation was in the hands of community owned and operated trading enterprises. However, the reforms of the 1980s and 1990s brought significant restructuring of this infrastructure based on the market model of privatisation. Since 1992 energy companies have been required to operate as successful businesses despite being ultimately owned by community trusts which, in effect, hold the assets of the energy company in trust for the community. However, it is arguable as to whether this model actually pursues social and community objectives. Community ownership of wind turbines is common in some European countries, but there are currently no examples of this form of ownership in New Zealand. This thesis defines community ownership and by examining case studies in Scotland, Denmark and Australia, proposes a model of community ownership appropriate to wind turbine ownership in New Zealand. Specifically, this thesis seeks to identify community ownership models that are capable of promoting holistic environmental justice by reconciling social justice with ecological justice. A number of forms of community ownership are identified in the various case study countries and a comparative analysis is carried out of these exemplars. On the basis of these studies it is found to be possible for a form of community ownership of wind turbines to exist in New Zealand that incorporates both social justice and ecological justice principles as holistic environmental justice.

Thesis (Ph.D)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Ronald G. Harley; Committee Member: David G. Taylor; Committee Member: Deepakraj M. Divan; Committee Member: Ganesh Kumar Venayagamoorthy; Committee Member: Thomas G. Habetler. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

D. Tech. Electrical Engineering. / Discusses the objectives of thesis in terms of : 1. To formulate and integrate models for the wind-turbine, induction generator, PV array, battery, supercapacitor, and power electronic converters in a form suitable for studying the dynamic behaviour of the microgrid; 2. To develop an online optimisation algorithm and use it to optimise local control algorithms for PV array, energy storage system, and the doubly fed induction generator. 3. To formulate an efficient power sharing strategy between battery and supercapacitor. 4. To implement an overall control system which sets the power reference for the energy storage system and ensures that the requested power demand is supplied to the grid.

Η συνεχής αύξηση της ενεργειακής κατανάλωσης, η μη ορθολογική χρήση της ενέργειας, η διαρκής εξάρτηση από ορυκτές ενεργειακές πηγές, έχουν δημιουργήσει έντονα περιβαλλοντικά, οικονομικά, πολιτικά και κοινωνικά προβλήματα τις τελευταίες δεκαετίες σε παγκόσμιο, ευρωπαϊκό, εθνικό, αλλά και ατομικό επίπεδο. Το ευρύ φάσμα αυτών των προβλημάτων αποτέλεσε πολλές φορές την αφορμή προβληματισμού της διεθνούς κοινότητας σχετικά με το πρότυπο ανάπτυξης που ακολουθείται και τη χάραξη πολιτικής που θα μπορεί να εξυπηρετεί με επάρκεια και δικαιοσύνη τις σημερινές και μελλοντικές ανάγκες του ανθρώπου. Η ανάγκη για ενεργειακή αυτάρκεια και απεξάρτηση των κρατών από εισαγόμενα καύσιμα, ιδίως από χώρες με ασταθείς πολιτικές και κοινωνικές καταστάσεις, καθώς και η ανάγκη για αποκεντρωμένη ανάπτυξη και τόνωση της τοπικής απασχόλησης ενισχύει την αντίληψη για αλλαγή και κυρίως βελτίωση του σημερινού παγκόσμιου ενεργειακού σκηνικού. Η Κύπρος ακολουθώντας τις οδηγίες και τους κανονισμούς της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχει κάνει την τελευταία δεκαετία σημαντικά βήματα στην αξιοποίηση των ΑΠΕ τα οποία όμως δεν μπορούν σε καμιά περίπτωση να θεωρηθούν επαρκή, δεδομένων των σημερινών ενεργειακών αναγκών. Πολλά δημόσια κτίρια του νησιού καταναλώνουν υπέρογκα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας που επιβαρύνουν οικονομικά το κράτος. Ένα από αυτά είναι και το Γενικό Νοσοκομείο Λεμεσού. Το τεράστιο μέγεθος του κτιρίου αλλά και η αδιάκοπη λειτουργία των ιατρικών μηχανημάτων οδηγούν σε ένα τεράστιο φορτίο το οποίο πρέπει να ικανοποιείται καθημερινώς. Σε αυτό το πλαίσιο, αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η κατάθεση μιας ολοκληρωμένης πρότασης για την εγκατάσταση ΑΠΕ στο Γενικό Νοσοκομείο Λεμεσού. Για το σκοπό αυτό μελετάμε τρείς διαφορετικές περιπτώσεις. Η πρώτη αφορά ένα Φ/Β σύστημα διασυνδεδεμένο με το δίκτυο. Η δεύτερη ένα υβριδικό σύστημα διασυνδεμένο στο δίκτυο ενώ στη τελευταία περίπτωση εξετάζεται η ενεργειακή αυτονομία του κτιρίου. Πολλές είναι εκείνες οι προσπάθειες και έρευνες που έχουν καταβληθεί στον τομέα της ενεργειακής αυτονομίας περιοχών αλλά και κτιρίων με μεγάλη ή μικρότερη επιτυχία, δίνοντας, όμως, πάντα το στίγμα των σημερινών επιταγών που επιβάλλονται από την ανάγκη της κοινωνίας για “καθαρότερες” ενεργειακές μορφές, μικρότερη εξάρτηση από εισαγόμενες πηγές ενέργειας και συστήματα ηλεκτροπαραγωγής με περισσότερη αξιοπιστία. Ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση αυτών των συστημάτων, τα οποία μπορούν και συνδυάζουν περισσότερες από μία μορφές ενέργειας, είναι το στοίχημα των σημερινών επιστημονικών και τεχνολογικών ερευνών. Σήμερα, ο βέλτιστος συνδυασμός των αυτόνομων υβριδικών ενεργειακών συστημάτων μπορεί να επιτευχθεί μέσω πιθανοτικών, επαναληπτικών, γραφικών ή πολυκριτηριακών τεχνικών, ενώ μέσω της αξιοποίησης των οικονομικών δεικτών (Καθαρή Παρούσα Αξία, Εσωτερικός Βαθμός Απόδοσης, Ανάλυση Κύκλου Ζωής κλπ) επιτυγχάνεται η οικονομοτεχνική αξιολόγηση των συστημάτων αυτών. Τα τελευταία χρόνια, δεν είναι λίγα τα λογισμικά που έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να βοηθούν στο σχεδιασμό, στην τεχνική και οικονομική αξιολόγηση, ή και ακόμα στην αριστοποίησή των ενεργειακών επενδύσεων. Λογισμικά, όπως το EnergyPLAN, το energyPRO, το H2RES, το TRNSYS16, το RETScreen, το PV*SOL και το HOMER, χρησιμοποιούνται ως εργαλεία σχεδιασμού, τεχνικοοικονομικής και περιβαλλοντικής αξιολόγησης ενεργειακών συστημάτων, τα οποία συνδυάζουν μία ή και περισσότερες μορφές ενέργειας και βρίσκονται συνδεδεμένα ή μη στο κεντρικό δίκτυο. Στην περίπτωση της πρότασης της εν λόγω εργασίας χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά HOMER και PV*SOL. Με το πρώτο εργαλείο ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να συνδυάσει πηγές ενέργειας, όπως οι Α/Γ, τα Φ/Β, τα υδροηλεκτρικά, οι κυψέλες υδρογόνου, οι ντιζελογεννήτριες, με μέγεθος που αυτός επιθυμεί, και έπειτα από πλήθος προσομοιώσεων να επιλέξει το σύστημα με τα καλύτερα για αυτόν τεχνικά, οικονομικά και περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά. Από την άλλη, το PV*SOL αποτελεί ένα εργαλείο με το οποίο ο χρήστης μπορεί να σχεδιάσει πλήρως ένα Φ/Β σύστημα συμπεριλαμβανομένου και του κτιρίου ή της περιοχής εγκατάστασης λαμβάνοντας υπόψη κύριους παράγοντες, όπως η σκίαση, που επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος. Βέβαια, η ανάλυση ευαισθησίας σε παραμέτρους των συστημάτων, όπως τα αρχικά κόστη, το ύψος δανεισμού, το επιτόκιο δανεισμού, η περίοδος χρέους και άλλα, μπορούν να διαμορφώσουν πλήθος συσχετισμών που να επιτρέπουν την οικονομική βιωσιμότητα συστημάτων ηλεκτρικής παραγωγής, τα οποία με μια πρώτη ανάγνωση μοιάζουν μη εφικτά και οικονομικά μη συμφέροντα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της συγκεκριμένης διαπίστωσης, που απορρέει από την ανάλυση ευαισθησίας, είναι πως το ύψος των οικονομικών κινήτρων, όπως οι επιδοτήσεις και τα χαμηλότοκα δάνεια, μπορούν να δώσουν ώθηση στην ανάπτυξη συστημάτων παραγωγής ηλεκτρισμού από ΑΠΕ, ακόμα και με αποκλειστική χρήση αυτών. Όλα τα παραπάνω αναλύονται διεξοδικά σε όλη την έκταση της παρούσας εργασίας, αναλύοντας το πρόβλημα τεχνοοικονομικής μελέτης για εγκατάσταση ΑΠΕ στο Γενικό Νοσοκομείο Λεμεσού. Συγκεκριμένα, το Κεφάλαιο 1 αποτελεί μια αναφορά στο σημερινό ενεργειακό πρόβλημα, πως αυτό έχει προσεγγισθεί σε παγκόσμιο, ευρωπαϊκό και εθνικό επίπεδο και τις προσπάθειες που γίνονται προκειμένου να αντιμετωπισθεί με αποτελεσματικότητα. Αναφορά γίνεται ταυτόχρονα και στην ενεργειακή κατάσταση στην οποία βρίσκεται η Κύπρος. Το Κεφάλαιο 2 περιγράφει πως οι πολιτικές που ακολουθούνται σήμερα συνάδουν με τις Οδηγίες και τους Κανονισμούς της Ευρωπαϊκής Ένωσης για ανατροπή του σύγχρονου ενεργειακού σκηνικού. Ο κύριος σχολιασμός πραγματοποιείται επί των πολιτικών που σχετίζονται με την προώθηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και πως αυτές μπορούν σήμερα να εγγυηθούν την ενεργειακή αυτονομία, την ασφάλεια στον ενεργειακό εφοδιασμό και την προστασία του περιβάλλοντος. Στο Κεφάλαιο 3 αναφέρονται οι βασικές τεχνολογίες και τα χαρακτηριστικά των ΑΠΕ που συμμετέχουν στη δημιουργία των υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας που προτείνονται για το Νοσοκομείο Λεμεσού. Συγκεκριμένα, περιγράφονται τα δομικά χαρακτηριστικά των Φ/Β συστημάτων, των ανεμογεννητριών, των αντιστροφέων αλλά και ντιζελογεννητριών, ενώ πραγματοποιείται μια πρώτη προσέγγιση στην παγκόσμια και κυπριακή ενεργειακή αγορά. Το Κεφάλαιο 4 αποτελεί το σημείο στο οποίο περιγράφεται αναλυτικά η περιοχή μελέτης, οι κλιματολογικές της συνθήκες, ενώ παράλληλα, γίνεται και μια εισαγωγή στα συστήματα που είναι διασυνδεδεμένα με το δίκτυο και τις συνθήκες που πρέπει να πληρούν. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά της νεοεισαχθείς για τα κυπριακά δρόμενα μεθόδου, της τεχνολογίας Συμψηφισμού Μετρήσεων (Net-Metering). Τέλος γίνεται αναφορά για τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα και τις χρήσεις τους. Στο Κεφάλαιο 5 πραγματοποιείται η τεχνοοικονομική μελέτη εγκατάστασης Φ/Β συστήματος στην οροφή του Νοσοκομείου. Συγκεκριμένα σε πρώτη φάση παρουσιάζονται λεπτομερώς τα βήματα για μια ολοκληρωμένη μελέτη. Στη συνέχεια προβάλλονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης που αφορούν τα κύρια χαρακτηριστικά του συστήματος, όπως η ονομαστική ισχύς, το Καθαρό Παρόν Κόστος, η απόδοση κλπ. Επεκτείνοντας την αρχική μελέτη, στο Κεφάλαιο 6 γίνεται η εξομοίωση ενός υβριδικού συστήματος διασυνδεδεμένου στο δίκτυο, στο οποίο εκτός από Φ/Β πλαίσια έχουμε συμπεριλάβει και Α/Γ. Σε δεύτερη φάση μελετάμε ένα σύστημα αυτοπαραγωγής. Για τις δύο αυτές μελέτες χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό HOMER. Τέλος στο Κεφάλαιο 7, συμπυκνώνονται όλα τα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις των τεχνοοικονομικών και περιβαλλοντικών αξιολογήσεων των συστημάτων παραγωγής ηλεκτρισμού, ενώ παράλληλα γίνεται μια σύγκριση σχετικά με τη πιο συμφέρουσα πρόταση με κριτήριο τη μικρότερη αρχική επένδυση με το μεγαλύτερο δυνατό κέρδος. Έχοντας πάντα ως πρωταρχικό στόχο τα κριτήρια αυτά καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η ιδανικότερη λύση είναι η περίπτωση του διασυνδεδεμένου υβριδικού συστήματος, η οποία αποφέρει το μεγαλύτερο κέρδος, μειώνοντας παράλληλα τις εκπομπές ρύπων, αφού χρησιμοποιεί αποκλειστικά ανανεώσιμες πηγές. Στη συνέχεια παρατίθενται κάποιες προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και σε άλλα κτίρια, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν στην ανατροπή του σημερινού ενεργειακού προβλήματος του νησιού. / The continuous increase in energy consumption, the irrational use of energy, the continuous dependence on fossil energy sources, have generated intense environmental, economic, political and social problems in recent decades at global, European, national, and individual level. The wide range of these problems has often given rise reflection of the international community about the development model followed and policy that can serve with competence and fairness of current and future human needs. The need for energy self-sufficiency and independence of states from imported fuels, particularly from countries with unstable political and social situations, the need for decentralized development and boost local employment reinforces the perception of change and especially improving the current global energy scene. Cyprus, following the guidelines and European Union regulations, has made important steps in the development of renewable sources the last decade, but which may in no case be considered sufficient, given the current energy needs. Many public buildings on the island consume huge amounts of electricity that cost the state. One of them is the Limassol General Hospital. The sheer size of the building and the uninterrupted operation of medical equipment lead to a huge load which must be met daily. In this context, the subject of this thesis is the submission of a complete proposal for installing RES in Limassol General Hospital. For this purpose we study three different cases. The first concerns a PV system connected to the grid. The second a hybrid system interconnected to the grid while in the last case the energy autonomy of the building is considered. Many are those efforts and research have been made in the field of energy autonomy areas and buildings, some with large success and some with less, giving, however, always the mark of current requirements imposed by society's need for "cleaner" forms of energy, less dependence on imported energy sources and power systems with more reliability. The design and optimization of these systems, which can combine more than one form of energy, is the bet of the current scientific and technological research. Today, the optimal combination of autonomous hybrid energy systems can be achieved through probabilistic, repetitive, graphics or multicriteria techniques, and through the use of financial indicators (NPV, IRR, LCA etc.) achieve the financial and evaluation systems thereof. In recent years, there are few software have been developed to assist in the design, technical and economic evaluation, or even in the optimization of energy investments. Software like EnergyPLAN, the energyPRO, the H2RES, the TRNSYS16, the RETScreen, the PV*SOL and HOMER, used as planning tools, logistical and environmental evaluation of energy systems, which combine one or more forms of energy and are connected or not in the grid. In the case of the proposal of this thesis the software HOMER and PV*SOL were used. In the first software, the user is able to combine energy sources, such as WT, the PV, hydroelectric, hydrogen cells, the diesel generators, size he desires, and then a plurality of simulations to select the system the best for this technical, economic and environmental characteristics. On the other hand, PV*SOL is a tool with which the user can fully design a PV system, including the building or installation area taking into account key factors, such as shading, affecting system performance. Of course, the sensitivity analysis on parameters of systems, including initial costs, the loan amount, the interest rate, the debt term and others, can form correlations that allow the economic viability of the electrical power system, which at first they look not practicably and economically profitable. A typical example of this verification, resulting from the sensitivity analysis, is that the level of financial incentives, such as grants and soft loans, may give impetus to the development of electricity production from RES systems, even with exclusive use. All the above discussed thoroughly throughout this work, analyzing a techno-economic study for installing RES in Limassol General Hospital. Specifically, Chapter 1 is a reference to the current energy problem that has approximated at global, European and national levels and what efforts are made to address effectively. Reference is made simultaneously in the energy situation of the Cyprus. Chapter 2 describes how the policies pursued today are in line with the Directives and EU Regulations for the overthrow of modern energy scene. The main commentary is based on the policies related to the promotion of renewable energy and how they can now guarantee energy independence, the security of energy supply and environmental protection. Chapter 3 sets out the key technologies and characteristics of RES involved in the installation of hybrid power systems proposed for Limassol Hospital. Specifically, the structural characteristics of PV panels, WT, inverters and diesel generators are described, while making a first approach to the global and Cypriot energy market. In Chapter 4 details of the study area and the climatic conditions are pointed out, while an introduction to the systems which are interconnected through the network and the conditions that must prerequisite, is made. Followed by a reference of the newly introduced, for Cyprus standards, method of Net-Metering. Finally reference to the autonomous hybrid systems and their uses, is made. In Chapter 5 the techno-economic study of PV system installation on the roof of the hospital is carried out. Initially the steps for a comprehensive study are detailed. Then the results of the simulation on the main features of the system, such as rated power, the Net Present Cost, performance etc are viewed. Extending the initial study, in Chapter 6, in addition to PV panels we included WT, leading to a hybrid system connected to the grid. In the second phase a self-fed system is proposed. For these studies we used the HOMER software. Finally, in Chapter 7, all the conclusions and observations of the techno-economic and environmental assessments of power generation systems are concentrated, while the most advantageous proposal in terms of lower initial investment with the greatest possible profit is searched. Having as primary objective that criteria we conclude that the ideal solution is the case of interconnected hybrid system, which offers the most profit while reducing emissions, since it uses only renewable sources. Some proposals for further research and other buildings, which can help to reverse the current energy problem on the island, are suggested.

Wind turbines often operate under cold weather conditions where icing may occur. Icing causes the blade sections to stall prematurely reducing the power production at a given wind speed. The unsteady aerodynamic loads associated with icing can accelerate blade structural fatigue and creates safety concerns. In this work, the combined blade element-momentum theory is used to compute the air loads on the baseline rotor blades, prior to icing. At each blade section, a Lagrangian particle trajectory model is used to model the water droplet trajectories and their impact on the blade surface. An extended Messinger model is next used to solve the conservation of mass, momentum, and energy equations in the boundary layer over the surface, and to determine ice accretion rate. Finally, the aerodynamic characteristics of the iced blade sections are estimated using XFOIL, which initiate the next iteration step for the computation of air loads via combined blade element theory. The procedure repeats until a desired exposure time is achieved. The performance degradation is then predicted, based on the aerodynamic characteristics of the final iced blades. The 2-D ice shapes obtained are compared against experimental data at several representative atmospheric conditions with acceptable agreement. The performance of a generic experimental wind turbine rotor exposed to icing climate is simulated to obtain the power loss and identify the critical locations on the blade. The results suggest the outboard of the blade is more prone to ice accumulation causing considerable loss of lift at these sections. Also, the blades operating at a higher pitch are expected to accumulate more ice. The loss in power ranges from 10% to 50% of the rated power for different pitch settings under the same operating conditions.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση της λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών, η οποία οδηγεί μια ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδότησης, με τη βοήθεια του προγράμματος PSCAD/EMTDC. Γίνεται επίσης μελέτη της λειτουργίας αυτής της ανεμογεννήτριας κατά τη διάρκεια βυθίσεων της τάσης του δικτύου, καθώς και μελέτη της δυνατότητας παραμονής της μηχανής σε λειτουργία κατά τη διάρκεια αυτών των σφαλμάτων. Πιο αναλυτικά, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ειδικότερα στην αιολική ενέργεια και στο σημαντικό ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας, που καλούνται να συνεισφέρουν στο σύνολο του ενεργειακού μείγματος κάθε χώρας, στο μέλλον. Γίνεται αναφορά στο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση αιολικής ενέργειας και στη συνέχεια το κόστος αυτό συγκρίνεται με το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από συμβατικούς σταθμούς. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία γενική παρουσίαση των αιολικών συστημάτων. Περιγράφονται τα δομικά στοιχεία μιας ανεμογεννήτριας και η αεροδυναμική μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική. Παρουσιάζονται διάφορες τοπολογίες ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα και στη συνέχεια δίνεται το μαθηματικό μοντέλο της γεννήτριας επαγωγής διπλής τροφοδότησης και οι μετασχηματισμοί σε στρεφόμενα πλαίσια αναφοράς. Κατόπιν γίνεται μελέτη του μετατροπέα πηγής τάσης και αναφέρονται τεχνικές διαμόρφωσης για την παραγωγή των επιθυμητών κυματομορφών. Τέλος, γίνεται σχεδιασμός ενός LCL φίλτρου καταστολής των αρμονικών συνιστωσών των ρευμάτων που εγχύει ο μετατροπέας στο δίκτυο. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται ο διανυσματικός έλεγχος και γίνεται εφαρμογή του στον έλεγχο του μετατροπέα προς την πλευρά του δρομέα και στον έλεγχο του μετατροπέα προς την πλευρά του δικτύου. Παρουσιάζεται η γενική στρατηγική ελέγχου της ανεμογεννήτριας με χρήση του ελέγχου βήματος πτερυγίου για τον περιορισμό της παραγώμενης ισχύος στις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη της ονομαστικής, τότε η ταχύτητα της μηχανής και η παραγώμενη ισχύς ακολουθούν την χαρακτηριστική ισχύος – ταχύτητας, που εξασφαλίζει βέλτιστη λειτουργία. Γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και εκτίμηση της απόκρισης σε βηματικές αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη παραμονής της ανεμογεννήτριας σε λειτουργία, κατά τη διάρκεια βύθισης της τάσης του δικτύου και ανάλυση μεθόδων υλοποίησης αυτού του στόχου. Με την ανίχνευση του σφάλματος ο δρομέας βραχυκυκλώνεται και ο μετατροπέας προς την πλευρά του δρομέα αποσυνδέεται, ενώ οι διακόπτες του αποκόπτονται για να προστατευθούν από το υψηλό ρεύμα του δρομέα. Μόλις το ρεύμα του δρομέα πέσει και πάλι κάτω από την ανώτατη επιτρεπτή τιμή, ο μετατροπέας συνδέεται και πάλι με τον δρομέα για να ανακτήσει τον έλεγχο της παραγώμενης από τον στάτη ενεργού και αέργου ισχύος. Αμέσως παράγεται άεργος ισχύς για την στήριξη της τάσης του δικτύου, ενώ μειώνεται η παραγωγή ενεργού ισχύος, έτσι ώστε το συνολικό ρεύμα του δρομέα να παραμείνει μέσα στα επιτρεπτά όρια. Με την αποκατάσταση της τάσης του δικτύου, η παραγώμενη ενεργός και άεργος ισχύς παίρνουν σταδιακά τις τιμές που είχαν πριν την εκδήλωση του σφάλματος. / -

Protection of both the wind plant and the interconnecting transmission system during short-circuit faults is imperative for maintaining system structural integrity and reliability. The circuit breakers and protective relays used to protect the power system during such events are designed based upon calculations of the current that will flow in the circuit during the fault. Sequence-network models of various power-system components, such as synchronous generators, transformers, transmission lines, etc., are often used to perform these calculations. However, there are no such models widely accepted for certain types of wind-turbine generators used in modern wind plants. The problem with developing sequence-network models of wind plants is that several different wind-turbine generator designs exist; yet, each exhibit very different short-circuit behavior. Therefore, a “one size fits all” approach is not appropriate for modeling wind plants, as has been the case for conventional power plants based on synchronous-generator technology. Further, many of the newer wind-turbine designs contain proprietary controls that affect the short-circuit behavior, and wind-turbine manufacturers are often not willing to disclose these controls. Thus, protection engineers do not have a standard or other well-established model for calculating short-circuit currents in power systems with wind plants. Therefore, the research described in this dissertation involves the development of such models for calculating short-circuit currents from wind-turbine generators. The focus of this dissertation is on the four existing wind-turbine generator designs (identified as Types 1 – 4). Only AC-transmission-interconnected wind-turbine generators are considered in this dissertation. The primary objective of this research is the development of sequence-network models, which are frequency-domain analysis tools, for each wind-turbine generator design. The time-domain behavior of each wind-turbine generator is thoroughly analyzed through transient simulations, experimental tests on scaled wind-turbine generator test beds, and solutions to the system dynamic equations. These time-domain analyses are used to support the development of the sequence-network models.