Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της επίδρασης ενός αιολικού συστήματος στην ευστάθεια ενός κοινού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία της μόνιμης κατάστασης. Πιό συγκεκριμένα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή σχετικά με την χρήση της αιολικής ενέργειας από τα παλαιά χρόνια έως και σήμερα, αλλά και στοιχείων που αφορούν τόσο την Ελλάδα αλλά και άλλες χώρες. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα αιολικά συστήματα ως προς τη δομή τους, τη λειτουργία τους, τα προβλήματα που προκαλούν αλλά και τα οφέλη που αποφέρουν. Στο τρίτο κεφάλαιο ακολουθεί μία κατηγοριοποίηση των συστημάτων ανεμογεννητριών ως προς τον τύπο γεννήτριας που περιέχουν αλλά και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της διείσδυσης της αιολικής ενέργειας ως προς την κλίμακα διείσδυσης (μικρή – μεγάλη), τις προϋποθέσεις σωστής χρησιμοποίησής τους καθώς και των προβλημάτων που προκύπτουν σχετικά με την ευστάθεια τάσης αλλά και τη συχνότητα. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η ανάλυση ροής φορτίου και πίο συγκεκριμένα η μέθοδος Newton-Raphson που χρησιμοποιήσαμε για την πραγματοποίηση του πειραματικού κομματιού αυτής της εργασίας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε μαζί με τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο ακολουθεί σχολιασμός των παραπάνω αποτελεσμάτων. / This diploma thesis examines the influence of a wind energy system on the stability of a common electric power system during the steady state operation. More specifically: In the first chapter, there is an introduction related to the usage of wind energy from the past years up to nowadays, and also facts related not only to Greece but also other countries. In the second chapter, the wind energy systems are analyzed for their structure, the way they operate, the problems they cause and the benefits they yield. In the third chapter, there is a categorization of the wind energy systems in terms of the generator type the use and the state they operate. In the fourth chapter, there is an analysis of the wind power integration depending on the integration scale (small-scale – large-scale), the conditions of correct usage, as well as the problems that appear and are related to the voltage stability and the frequency. In the fifth chapter, the load flow procedure is described and more particularly the Newton-Raphson procedure that was used in this case. Ιn the sixth chapter, the simulation is presented along with the results. Finally, in the seventh chapter there are comments related to the results above.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των αιολικών συστημάτων. Η επεξεργασία των ανεμολογικών δεδομένων (SCADA) έγινε από διάφορες εταιρείες, για να βοηθήσουν στην πρόβλεψη της ενεργειακής παραγωγής. Εξετάζονται επίσης τα διάφορα είδη βλαβών που συμβαίνουν στα αιολικά πάρκα, ειδικά τα πρώτα χρόνια λειτουργίας τους, και πώς ακριβώς μπορούμε να μειώσουμε το ποσοστό τους αν επέμβουμε σωστά. Τέλος, δίνονται χρήσιμες πληροφορίες για το βαθμό χρησιμοποίησης της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα και παγκόσμια. Πιο αναλυτικά, η δομή της εργασίας οργανώνεται στα εξής εννέα κεφάλαια: Το πρώτο κεφάλαιο ξεκινάει με γενικές πληροφορίες για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και γιατί η χρήση τους έγινε επιτακτική. Κατόπιν, γίνεται εξειδίκευση στην αιολική ενέργεια με μια ιστορική αναδρομή για να μπορέσει να δει κανείς την εξέλιξη της στο πέρασμα του χρόνου. Αναφέρονται επίσης τα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας, τα προβλήματα που προκύπτουν από την αξιοποίησή της καθώς και διάφορες λύσεις για την αντιμετώπισή τους. Στο δεύτερο και τρίτο κεφάλαιο εξετάζεται η βασικότερη παράμετρος που οδήγησε την αιολική ενέργεια στο στάδιο που είναι σήμερα, ο άνεμος. Αναλύεται η συμπεριφορά του, τα κύρια χαρακτηριστικά του και η κατανομή του. Το τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζει τις μονάδες που συμβάλλουν στη δέσμευση και εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Παρουσιάζονται με λεπτομέρεια τα δομικά τους στοιχεία και αναφέρονται οι κατηγορίες στις οποίες ανήκουν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Αναφέρονται επίσης, οι βασικοί τρόποι λειτουργίας τους καθώς και οι παράμετροι που επηρεάζουν την επιλογή της τοποθεσίας εγκατάστασής τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζονται τα ενεργειακά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών και παρουσιάζονται επίσης τα στοιχεία που επιδρούν στην αναμενόμενη ενεργειακή παραγωγή και στο κόστος της αιολικής ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο, δίνονται γενικές πληροφορίες για τα αιολικά πάρκα, τη λειτουργία και τη συντήρησή τους καθώς και κάποιοι οικονομικοί παράγοντες όσον αφορά τα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επεξεργασίας ανεμολογικών δεδομένων, ώστε να γίνουν κατανοητοί οι παράγοντες που επηρεάζουν και βελτιώνουν την αξιοπιστία των αιολικών συστημάτων. Στο όγδοο κεφάλαιο, εξετάζεται και αξιολογείται η διαθεσιμότητα των αιολικών συστημάτων, δίνονται πληροφορίες για τα διάφορα είδη της καθώς και διάφοροι τρόποι οι οποίοι συμβάλλουν στη βελτίωσή της, που είναι και το ζητούμενο για την οικονομική βιωσιμότητα του αιολικού πάρκου. Τέλος, στο ένατο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η τρέχουσα κατάσταση στην Ελλάδα, στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης αλλά και παγκόσμια. / The purpose of this diploma thesis is the study of factors that affect the reliability and availability of wind energy systems. Wind data from several companies were accumulated for a better prediction of the energy production. More specifically, the structure of the essay is organized in the following nine chapters : The first chapter starts with general information on renewable energy sources and the reasons why their use became imperative. Moreover, there is specialization in wind energy with a throwback which enables us to see the evolution of the passing of time. The second and third chapter examines the key parameters leading wind energy in its present form, the wind. The fourth chapter presents the system-units that contribute to the exploitation of wind energy. Their components are presented in detail, and the categories to which they belong are indicated according to their characteristics. The fifth chapter discusses the energy characteristics of the wind turbines and also presents the elements that affect the expected energy production and the cost of wind energy. In the sixth chapter, general information about wind farms are given, as well as information about operation, maintenance and some economic factors in offshore wind farms. The seventh chapter presents the results of wind data processing in order to understand the factors that influence and improve the reliability of wind systems. The eighth chapter examines and evaluates the availability of wind energy systems. Information about the different types of availability are given, and also details about the different ways which contribute to the improvement of availability are presented. Finally, the ninth chapter presents the current situation in Greece, the countries of the European Union and worldwide.

<p>In this research, a Split-Shaft Wind Energy Conversion System (SS-WECS) is investigated</p> <p>to improve the performance and cost of the system and reduce the wind power</p> <p>uncertainty influences on the power grid. This system utilizes a lightweight Hydraulic Transmission</p> <p>System (HTS) instead of the traditional gearbox and uses a Doubly-Fed Induction</p> <p>Generator (DFIG) instead of a synchronous generator. This type of wind turbine provides</p> <p>several benefits, including decoupling the shaft speed controls at the turbine and the generator.</p> <p>Hence, maintaining the generator’s frequency and seeking maximum power point</p> <p>can be accomplished independently. The frequency control relies on the mechanical torque</p> <p>adjustment on the hydraulic motor that is coupled with the generator. This research provides</p> <p>modeling of an SS-WECS to show its dependence on mechanical torque and a control</p> <p>technique to realize the mechanical torque adjustments utilizing a Doubly-Fed Induction</p> <p>Generator (DFIG). To this end, a vector control technique is employed, and the generator</p> <p>electrical torque is controlled to adjust the frequency while the wind turbine dynamics</p> <p>influence the system operation. The results demonstrate that the generator’s frequency is</p> <p>maintained under any wind speed experienced at the turbine.</p> <p>Next, to reduce the size of power converters required for controlling DFIG, this research</p> <p>introduces a control technique that allows achieving MPPT in a narrow window of generator</p> <p>speed in an SS-WECS. Consequently, the size of the power converters is reduced</p> <p>significantly. The proposed configuration is investigated by analytical calculations and simulations</p> <p>to demonstrate the reduced size of the converter and dynamic performance of the</p> <p>power generation. Furthermore, a new configuration is proposed to eliminate the Grid-</p> <p>Side Converter (GSC). This configuration employs only a reduced-size Rotor-Side Converter</p> <p>(RSC) in tandem with a supercapacitor. This is accomplished by employing the hydraulic</p> <p>transmission system (HTS) as a continuously variable and shaft decoupling transmission</p> <p>unit. In this configuration, the speed of the DFIG is controlled by the RSC to regulate the</p> <p>supercapacitor voltage without GSC. The proposed system is investigated and simulated in</p> <p>MATLAB Simulink at various wind speeds to validate the results.</p> <p>Next, to reduce the wind power uncertainty, this research introduces an SS-WECS where the system’s inertia is adjusted to store the energy. Accordingly, a flywheel is mechanically</p> <p>coupled with the rotor of the DFIG. Employing the HTS in such a configuration allows the</p> <p>turbine controller to track the point of maximum power (MPPT) while the generator controller</p> <p>can adjust the generator speed. As a result, the flywheel, which is directly connected</p> <p>to the shaft of the generator, can be charged and discharged by controlling the generator</p> <p>speed. In this process, the flywheel energy can be used to modify the electric power generation</p> <p>of the generator on-demand. This improves the quality of injected power to the</p> <p>grid. Furthermore, the structure of the flywheel energy storage is simplified by removing</p> <p>its dedicated motor/generator and the power electronics driver. Two separate supervisory</p> <p>controllers are developed using fuzzy logic regulators to generate a real-time output power</p> <p>reference. Furthermore, small-signal models are developed to analyze and improve the MPPT</p> <p>controller. Extensive simulation results demonstrate the feasibility of such a system and its</p> <p>improved quality of power generation.</p> <p>Next, an integrated Hybrid Energy Storage System (HESS) is developed to support the</p> <p>new DFIG excitation system in the SS-WECS. The goal is to improve the power quality</p> <p>while significantly reducing the generator excitation power rating and component counts.</p> <p>Therefore, the rotor excitation circuit is modified to add the storage to its DC link directly.</p> <p>In this configuration, the output power fluctuation is attenuated solely by utilizing the RSC,</p> <p>making it self-sufficient from the grid connection. The storage characteristics are identified</p> <p>based on several system design parameters, including the system inertia, inverter capacity,</p> <p>and energy storage capacity. The obtained power generation characteristics suggest an energy</p> <p>storage system as a mix of fast-acting types and a high energy capacity with moderate</p> <p>acting time. Then, a feedback controller is designed to maintain the charge in the storage</p> <p>within the required limits. Additionally, an adaptive model-predictive controller is developed</p> <p>to reduce power generation fluctuations. The proposed system is investigated and simulated</p> <p>in MATLAB Simulink at various wind speeds to validate the results and demonstrate the</p> <p>system’s dynamic performance. It is shown that the system’s inertia is critical to damping</p> <p>the high-frequency oscillations of the wind power fluctuations. Then, an optimization approach</p> <p>using the Response Surface Method (RSM) is conducted to minimize the annualized</p> <p>cost of the Hybrid Energy Storage System (HESS); consisting of a flywheel, supercapacitor, and battery. The goal is to smooth out the output power fluctuations by the optimal</p> <p>size of the HESS. Thus, a 1.5 MW hydraulic wind turbine is simulated, and the HESS is</p> <p>configured and optimized. The direct connection of the flywheel allows reaching a suitable</p> <p>level of smoothness at a reasonable cost. The proposed configuration is compared with the</p> <p>conventional storage, and the results demonstrate that the proposed integrated HESS can</p> <p>decrease the annualized storage cost by 71 %.</p> <p>Finally, this research investigates the effects of the reduced-size RSC on the Low Voltage</p> <p>Ride Through (LVRT) capabilities required from all wind turbines. One of the significant</p> <p>achievements of an SS-WECS is the reduced size excitation circuit. The grid side converter is</p> <p>eliminated, and the size of the rotor side converter (RSC) can be safely reduced to a fraction</p> <p>of a full-size excitation. Therefore, this low-power-rated converter operates at low voltage</p> <p>and handles the regular operation well. However, the fault conditions may expose conditions</p> <p>on the converter and push it to its limits. Therefore, four different protection circuits are</p> <p>employed, and their effects are investigated and compared to evaluate their performance.</p> <p>These four protection circuits include the active crowbar, active crowbar along a resistorinductor</p> <p>circuit (C-RL), series dynamic resistor (SDR), and new-bridge fault current limiter</p> <p>(NBFCL). The wind turbine controllers are also adapted to reduce the impact of the fault</p> <p>on the power electronic converters. One of the effective methods is to store the excess energy</p> <p>in the generator’s rotor. Finally, the proposed LVRT strategies are simulated in MATLAB</p> <p>Simulink to validate the results and demonstrate their effectiveness and functionality.</p>