Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος με διάταξη αντιστάθμισης που περιλαμβάνει πυκνωτές οι οποίοι τροφοδοτούνται από ζεύγος αντιπαράλληλων θυρίστορ. Η διάταξη αυτή τοποθετείται παράλληλα με το φορτίο και στόχος είναι να επιτευχθεί πλήρης αντιστάθμιση της άεργου ισχύος παλμοδοτώντας κατάλληλα τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν, δηλαδή τα θυρίστορ, έχουν υπολογιστεί και επιλεγεί με βάση τις προδιαγραφές της διάταξης που έπρεπε να κατασκευαστεί. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη της λειτουργικής συμπεριφοράς διατάξεων που χρησιμοποιούνται για τη μείωση της άεργου ισχύος που παράγεται από τη λειτουργία εξοπλισμού μεσαίων και μεγάλων καταναλωτών. Η άεργος ισχύς προκύπτει είτε από τη διαφορά φάσεως της βασικής αρμονικής του ρεύματος με την τάση του δικτύου, που οφείλεται στη φύση του φορτίου, είτε από την ύπαρξη ανώτερων αρμονικών όταν έχουμε μη ημιτονοειδείς κυματομορφές τάσης και ρεύματος, δηλαδή στην περίπτωση που έχουμε διακοπτικά στοιχεία. Αποτέλεσμα της δημιουργίας άεργου ισχύος είναι η επιβάρυνση του δικτύου, λόγω επιπρόσθετων απωλειών και κατ’ επέκταση η οικονομική επιβάρυνση του καταναλωτή. Αρχικά έγινε διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του κυκλώματος και αποφασίσθηκε να προσομοιωθεί χρησιμοποιώντας το λογισμικό προσομοίωσης του Matlab, το Simulink. Η προσομοίωση γενικά παρέχει τη δυνατότητα εξοικονόμησης χρόνου, εφόσον είναι συνήθως ευκολότερη η μελέτη της επίδρασης μιας παραμέτρου στη συμπεριφορά του συστήματος σε σύγκριση με την πραγματοποίηση της ίδιας μελέτης στο εργαστήριο. Ως πρώτο βήμα της διαδικασίας προσομοίωσης μελετήθηκε η αξιοπιστία των μετρητικών διατάξεων που περιλαμβάνονται στη βιβλιοθήκη του λογισμικού. Διαπιστώθηκε ότι ενώ για ημιτονοειδή μεγέθη τα αποτελέσματα είναι ακριβή, για μη ημιτονοειδή μεγέθη είναι ανακριβή. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν μετρητικές διατάξεις ενεργού, άεργου και φαινόμενης ισχύος στο περιβάλλον του Matlab, Simulink. Στη συνέχεια έγινε προσομοίωση της διάταξης αντιστάθμισης της άεργου ισχύος με πυκνωτές όπου αναδεικνύεται η ανάγκη χρήσης πυκνωτών διαφορετικής τιμής, καθώς το φορτίο μεταβάλλεται. Κατόπιν έγινε διερεύνηση της λειτουργίας με πυκνωτές ελεγχόμενους από διακόπτες, στη συγκεκριμένη περίπτωση θυρίστορ, μέσω του προγράμματος προσομοίωσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων Simulink του Matlab. Ερευνήθηκε η λειτουργία της διάταξης με ωμικό και ωμικό επαγωγικό φορτίο, και με διαφορετικές γωνίες έναυσης. Τα τέλος έγινε προσομοίωση της υπό μελέτη διάταξης και ο καθορισμός και η δοκιμή της φιλοσοφίας ελέγχου . Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης κρίθηκε απαραίτητη η κατασκευή πειραματικής διάταξης. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν: α) το κύκλωμα ισχύος και όλα τα απαραίτητα περιφερειακά για τη λειτουργία του 10 β) το κύκλωμα παλμοδότησης γ) η πλακέτα του μικροεπεξεργαστή Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στο κύκλωμα ανίχνευσης του μηδενός, καθώς η τάση πάνω στα θυρίστορ είναι μη ημιτονοειδές μέγεθος. Το επόμενο βήμα ήταν η κατασκευή των προγραμμάτων παλμοδότησης για το μικροεπεξεργαστή. Ο μικροεπεξεργαστής που χρησιμοποιήθηκε είναι ο dsPIc30F4011 της Microchip. Αρχικά κατασκευάστηκε ένα απλό πρόγραμμα παλμοδότησης για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας της διάταξης και κατόπιν το πρόγραμμα που χρησιμοποιήσαμε για τη βέλτιστη δυνατή αντιστάθμιση. Τέλος έγιναν οι μετρήσεις στο εργαστήριο έχοντας προς αντιστάθμιση ένα RL φορτίο στο οποίο μεταβάλλαμε την αντίσταση και ως εκ τούτου τις τιμές της παρεχόμενης ισχύος. / -

Σε κάθε Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας η ηλεκτρική ισχύς έχει δύο συνιστώσες: Την ενεργό, η οποία σχετίζεται με το παραγόμενο έργο και την άεργο, η οποία δε σχετίζεται με την παραγωγή έργου, αλλά συνεισφέρει σε απώλειες και πτώση τάσεως. Για να αποφύγουμε αυτά τα αρνητικά, στοχεύουμε στη μείωση της αέργου ισχύος, επιτυγχάνοντας έτσι βελτίωση του συντελεστή ισχύος. Με την πάροδο του χρόνου, τα επίπεδα αρμονικών τάσεων και ρευμάτων αυξάνονται συνεχώς, δημιουργώντας έντονα προβλήματα στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν στην ανάλυση ροής ισχύος ενός κυκλώματος την επίδραση των ανώτερων αρμονικών τάσης και ρεύματος, η βελτίωση του συντελεστή ισχύος γίνεται πολύπλοκη διαδικασία, ειδικά στην περίπτωση μη ιδανικής πηγής (μη μηδενική εσωτερική σύνθετη αντίσταση). Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η αναζήτηση τεχνικών περιορισμού της αέργου ισχύος, αφού πρώτα συσχετισθεί με τις ανώτερες αρμονικές τάσεως και ρεύματος. Γενικά, το πρόβλημα περιγράφεται και αναλύεται με διάφορες θεωρίες ισχύος και λύνεται με την τοποθέτηση κυκλωμάτων που επιτυγχάνουν αντιστάθμιση της αέργου ισχύος. Αρχικά αναφέρεται η περίπτωση βελτίωσης του συντελεστή ισχύος θεωρώντας ιδανική πηγή (μηδενική εσωτερική σύνθετη αντίσταση) με ημιτονοειδή τάση εξόδου και γραμμικό φορτίο. Σε αυτή την απλή περίπτωση, ένας πυκνωτής είναι ικανός να αντισταθμίσει πλήρως την καταναλούμενη από το φορτίο άεργο ισχύ. Στη συνέχεια εξετάζονται τα περιθώρια βελτίωσης του συντελεστή ισχύος σε συστήματα με: • Ιδανική, μη ημιτονοειδή πηγή τροφοδοσίας και γραμμικό φορτίο • Μη ιδανική, μη ημιτονοειδή πηγή τροφοδοσίας και γραμμικό φορτίο Στην πρώτη περίπτωση, η τοποθέτηση απλά ενός πυκνωτή παράλληλα προς το φορτίο μπορεί να βελτιώσει το συντελεστή ισχύος του φορτίου μέχρι ενός σημείου, ο οποίος λαμβάνει εν γένει τιμές μικρότερες της μονάδας. Υπάρχει δυνατότητα βελτίωσης του συντελεστή ισχύος μέχρι και τη μονάδα, χρησιμοποιώντας έναν πιο πολύπλοκο αντισταθμιστή. Στην πρώτη αυτή περίπτωση, η τιμή του αντισταθμιστή μπορεί να βρεθεί και αναλυτικά, ενώ στη δεύτερη περίπτωση η τιμή του πυκνωτή αντιστάθμισης υπολογίζεται μόνο με τη βοήθεια ενός επαναληπτικού αλγορίθμου. / In any power system electrical power has two components: active, which is related to the work done and reactive, which is not associated with the production of work, but contribute to losses and voltage drop. To avoid these negative, we aim to reduce reactive power, thus improving the power factor. Over time, the levels of harmonic voltages and currents are growing, creating severe problems in power systems. Considering the power flow analysis of a circuit the influence of higher harmonic voltage and current, improving the power factor is a complex process, especially in the case of non-ideal source (non-zero internal impedance). The purpose of this thesis is to find mitigation techniques reactive power, after having been associated with higher voltage and current harmonics. Generally, the problem is described and analyzed with various theories of power and is solved by placing circuits achieve reactive power compensation. Initially, the case for improving the power factor assuming ideal source (zero internal impedance) with sinusoidal output voltage and linear load. In this simple case, a capacitor is able to compensate fully consumed by the load reactive power. Then examine the scope for improving the power factor systems: • Ideal, non-sinusoidal power and linear load • Not ideal, non-sinusoidal power and linear load In the first case, the simple placement of a capacitor in parallel to the load can improve the power factor of the load up to a point, which generally takes values ​​smaller unit. Is it possible to improve the power factor up to the unit, using a more complex equalizer. In the first case, the value of the compensator can be found analytically, while in the second case the value of the compensation capacitor is calculated only using an iterative algorithm.

Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, η άεργος ισχύς που παράγουν τα αιολικά πάρκα είναι ένα πολύ σοβαρό ζήτημα που πρέπει να μελετηθεί τόσο στη μόνιμη κατάσταση όσο και στη δυναμική και μεταβατική μετά από σφάλματα και μεγάλες διαταραχές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την κατανεμημένη παραγωγή και ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και τα όρια που παρουσιάζει η λειτουργία της από περιοριστικούς παράγοντες όπως: 1) ρεύμα του στάτη, 2) τάση του δρομέα, 3) ρεύμα του δρομέα. Αρχικά μελετάται η γενική δομή ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά του δικτύου. Περιγράφεται επίσης σύντομα η κανονική λειτουργία και η ευστάθεια των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και πως μπορεί να γίνει ρύθμιση της τάσης και της αέργου ισχύος δύο μεγεθών με ισχυρή συσχέτιση. Στην συνέχεια προχωράμε στην περιγραφή της διεσπαρμένης παραγωγής και την διείσδυσή της στο δίκτυο. Παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα καθώς και τα μειονεκτήματά της όπου αυτά υπάρχουν και περιγράφονται κάποια πολύ βασικά είδη της δίνοντας έμφαση στα είδη των ανεμογεννητριών. Στο κύριο μέρος της εργασίας περιγράφεται αρχικά το μοντέλο της ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και παρουσιάζεται η θεωρητική επίδραση των παραπάνω περιοριστικών παραγόντων στην λειτουργία της. Στόχος της μελέτης είναι η προσομοίωση των παράπάνω σε μια πραγματική μηχανή κάτι που γίνεται στο Simulink του Matlab. Α) παρουσίαζονται τα όρια από τους τρείς περιοριστικούς παράγοντες. Β) περιγράφεται η επίδραση του μετασχηματισμού από αστέρα σε τρίγωνο στα τυλίγματα του στάτη. Γ) Σχεδιάζονται όλα τα όρια μαζί και παρατηρούμε ότι το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την παραγωγή αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του δρομέα ενώ το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την απορρόφηση αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του στάτη. Δ) Τέλος παρατηρούμε ότι η τάση του δρομέα επιδρά σαν όριο μόνο σε μεγάλες τιμές της ολίσθησης (είτε αρνητικής είτε θετικής ), αλλά κοντά στα όριά της είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές της τιμής της ολίσθησης. / In the modern regulations of transport of energy, reactive power by wind farms is a major concern that should be studied during both steady-state and dynamic-fault condition. This diploma thesis forms the distribution systems and particular weight is given in the wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and the operation limits from these factors: 1) stator current, 2) rotor voltage, 3) rotor current . Initially is studied the general structure of system of electric energy and the basic characteristics of the grid. Also are shortly described the regular operation and the stability of systems of electric and the regulation of voltage and reactive power- two sizes with powerful cross-correlation . Then we are going on with the description of distribution systems and the impact that wind turbines have in the grid where were connected. The advantages are presented as well as the disadvantages where these exist and we describe some of the very basic types of distributed generation giving accent in the types of wind generators. In the main part of work is described initially the model of wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and is presented the effect of the restrictive factors in the operation. Objective of study is the simulation in a real machine something that becomes in the Simulink of Matlab. A) The limitations in reactive power production, caused by the rotor current, the rotor voltage and the stator current are derived. B) The influence of switching from D to Y coupling of the stator is investigated. C) It is concluded that the limiting factor regarding reactive power production will typically be the rotor current limit, and that the limit for reactive power absorption will be the stator current limit. D) Further, it is concluded that the rotor voltage will only have a limiting effect at high positive and negative slips, but near the limitation, the reactive power capability is very sensitive to small changes in the slip.

Σήμερα στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλο ποσοστό της ισχύος παράγεται από αιολικά πάρκα αλλά και από θερμικούς σταθμούς. Η διείσδυση κατανεμημένης παραγωγής στα συστήματα χρειάζεται ιδιαίτερη μελέτη. Σε αυτή την εργασία ερευνήθηκε η λειτουργία ολόκληρων συστημάτων διανομής που περιείχαν διάφορα αιολικά πάρκα και θερμικούς σταθμούς. Αρχικά εξετάστηκε το θέμα του εντοπισμού των απωλειών ισχύος σε συστήματα διανομής με κατανεμημένη παραγωγή. Παρουσιάστηκαν μια νέα σχετικά προσέγγιση στον εντοπισμό των απωλειών με βάση τις τροφοδοσίες ρευμάτων καθώς και μία μήτρα εμπεδήσεων. Τα παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη στατιστική ανάλυση των απωλειών βάσει της γραμμικής παλινδρόμησης ή την εκτίμηση της συνδιακύμανσης μεταξύ φορτίου και παραγωγής. Στη συνέχεια περιγράφεται το πρόβλημα της βραχυπρόθεσμης ευστάθειας τάσης σε δίκτυα με υψηλή διείσδυση κατανεμημένης παραγωγής. Εστιάζουμε στην αναπαράσταση του δικτύου κατά τη διάρκεια και μετά από την εμφάνιση σφάλματος ως ισοδύναμο κύκλωμα Thevenin τάσης και εμπέδησης. Επίσης διερευνάται η επίδραση γειτονικών σύγχρονων γεννητριών, ανεμογεννητριών τύπου Δανίας, SVC, και STATCOM στις παραμέτρους Thevenin. Τελικά εξετάζεται το πρόβλημα του ελέγχου τάσης και άεργου ισχύος. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στους περιορισμούς τροφοδοσίας πραγματικής και άεργου ισχύος οι οποίες επιβάλλονται από τα όρια του πλάτους της τάσης. / Nowadays in power systems a large amount of power produced from wind farms and Heat Power Plants (HPP). High penetration of distributed generation in power systems is a subject to study. Τhe focus of this project is on the operation of an entire distribution system with several wind farms and HPP. Firstly, the subject of allocation of power system losses in a distribution system with distributed generation is treated. A new approach to loss allocation based on current injections and an impedance matrix is presented. The formulation can be used for statistical analysis of the losses based on linear regression or estimates of covariances between production and load. Secondly, the problem of short term voltage stability in networks with high penetration of DG is assessed. The focus is on the representation of the network during and after a fault as a Thevenin equivalent voltage and impedance. The influence of adjacent synchronous generators, Danish concept wind turbines, SVCs and STATCOMs on the Thevenin parameters have been investigated. Finally, the problem of voltage and reactive power control is investigated. Special focus is on the constraints for active and reactive power injection which are imposed by the voltage magnitude limits.

Το ενεργειακό πρόβλημα, καθώς και οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου που βρίσκεται σε έξαρση στις μέρες μας είναι από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη και κάνουν αναγκαία και επιβεβλημένη τη μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων και την προσπάθεια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατόν πιο οικονομικό, αλλά και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε το μετατροπέα που συνδέεται στην πλευρά του δικτύου και παρουσιάζουμε αναλυτικά τις βασικές τοπολογίες που εφαρμόζονται σε αιολικά και σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Η διάταξη που εξετάζουμε αποτελείται από έναν μετατροπέα ac/dc, ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μέσω πυκνωτή (dc-link) και ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Σκοπός, λοιπόν, αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε τη διάταξη αυτή στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου, εξετάζοντας δυο διαφορετικές περιπτώσεις: στην πρώτη περίπτωση διατηρούμε σταθερή σε μηδενική τιμή την αναφορά αέργου ισχύος ενώ στη δεύτερη διατηρούμε σταθερή την ενεργό ισχύ. Τέλος, προσομοιώνουμε το σύστημα αυτό στο περιβάλλον Simulink του Matlab και για τις δύο παραπάνω περιπτώσεις και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα, προκειμένου να αναδειχθεί η σωστή λειτουργία της διάταξης αυτής. / The energy problem and the consequences of the greenhouse effect that is on the rise nowadays are two of the most important global problems and make necessary and imperative the reduce of the use of fossil fuels and the effort to produce electricity in a more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind and solar power have a great role in this objective. In this thesis we consider the converter connected to the grid side and present in detail the basic topologies applied in wind and photovoltaic systems. The system under consideration consists of an ac/dc converter, an energy storage system via capacitor (dc-link) and an R-L filter on the grid side. Aim of this thesis is to study this system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and apply the appropriate control methodology, considering two different cases: in the first case we keep the reactive power reference steady and equal to zero while in the second case we keep the active power steady. Finally, we simulate this system with the Matlab Simulink for both cases and then we present simulations of the responses and draw conclusions in order to demonstrate the correct operation of this system.

Η ενεργειακή κρίση που προκάλεσε η χρήση των υδρογονανθράκων ως κύρια πηγή παραγωγής ενέργειας, η προσπάθεια κάθε κράτους για απεξάρτηση του από τις πετρελαιοπαραγωγικές χώρες αλλά και η ανάγκη για μορφές ενέργειας χωρίς αρνητική επίδραση στο περιβάλλον οδήγησαν στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Για την εμπορική τους, όμως, εκμετάλλευση ήταν απαραίτητη η επίλυση των τεχνικών προβλημάτων που εμφανίστηκαν, ιδιαίτερα όσο αναφορά τη σύνδεση κατανεμημένων παραγωγών με το υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο. Tο φαινόμενο της νησιδοποίησης (islanding), δηλαδή η μη διακοπή της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος στο διασυνδεδεμένο δίκτυο από το κατανεμημένο παραγωγό όταν αυτός έχει αποσυνδεθεί από το κεντρικό δίκτυο, με κίνδυνο για τους εργαζόμενους και τις εκάστοτε συνδεδεμένες σε αυτόν συσκευές, πρέπει να αντιμετωπίζεται άμεσα. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η θεωρητική σύγκριση των προτεινόμενων τεχνικών ελέγχου νησιδοποίησης, η επιλογή και η προσομοίωση στο ATP-EMTP της καταλληλότερης από αυτές. Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται η σημερινή κατάσταση όσο αναφορά την παραγωγή ενέργειας από την κάθε ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και τονίζεται η εξέχουσα θέση και η επικράτηση της ηλιακής ενέργειας και των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης και μια σειρά από προτεινόμενες τεχνικές ανίχνευσης και διακοπής της νησιδοποίησης. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύονται οι τεχνικές με χρήση άεργου ισχύος και γίνεται θεωρητική ανάλυση της επιλεγμένης RPV μεθόδου. Στο τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται οι δυνατότητες του ATP-EMTP, η προσομοίωση της μεθόδου και τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Τέλος η εργασία ολοκληρώνεται από τα συμπεράσματα μετά την προσομοίωση σχετικά με την επιλογή της συγκεκριμένης μεθόδου και το φαινόμενο της νησιδοποίησης. / The energy crisis caused by the use of oil as a primary source of energy, the effort of each state to detox from oil-producing countries and the need for energy without negative impact on the environment has led to the development of renewable sources of energy. For their commercial exploitation though, it was necessary to solve the technical problems that occurred, particularly about connecting distributed generation with the existing power grid. The phenomenon of islanding (islanding), the electrical supply from distributed generation is not interrupted when it is disconnected from the main-grid, with a risk for employees and equipment connected on this, should be dealt with. The purpose of this work is the theoretical comparison of the proposed islanding control techniques, selection and simulation in ATP-EMTP of the one that is the most appropriate of them. In the first chapter the present status report of energy production from each renewable energy source and highlights the prominence and prevalence of solar energy and photovoltaics are analyzed. During the second chapter the phenomenon of islanding is described and a number of proposed techniques for detecting and preventing islanding. In the third chapter the techniques using reactive power are analyzed and the theoretical analysis of the selected RPV method is presented. In the fourth and fifth chapter the possibilities of ATP-EMTP are described, the simulation method and its results are presented. Finally the work is concluded by the results after the simulation on the selection of this particular method and the phenomenon of islanding.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη μείωση της αέργου ισχύος και των απωλειών σε συστήματα μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία περιέχουν ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Ως γνωστόν, συνήθως, όταν χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι μετατροπείς ισχύος για τον έλεγχο ηλεκτρικών και ηλεκτρομηχανικών μεγεθών, επέρχεται μείωση του συντελεστή ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Για να επιτευχθεί υψηλός συντελεστής ισχύος, συνήθως, χρησιμοποιούνται τεχνικές παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του εκάστοτε μετατροπέα, οι οποίες λειτουργούν με υψηλή διακοπτική συχνότητα. Μ’ αυτό τον τρόπο μειώνεται η άεργος ισχύς, με αποτέλεσμα να μειώνεται και το συνολικό ρεύμα που ρέει από το δίκτυο παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι απώλειες του δικτύου, αλλά αυξάνονται οι απώλειες του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Στην εργασία αυτή μελετάται εκτενώς η επίδραση της διακοπτικής συχνότητας επί του συνολικού συντελεστή ισχύος και επί του βαθμού απόδοσης. Προσδιορίζεται η διακοπτική συχνότητα, για την οποία επιτυγχάνεται ο υψηλότερος δυνατός συντελεστής ισχύος και βαθμός απόδοσης. Αυτή η συχνότητα εξαρτάται άμεσα από το παθητικό φίλτρο ανώτερων αρμονικών, που συνήθως είναι τοποθετημένο στην είσοδο του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Η διερεύνηση για την εύρεση της διακοπτικής συχνότητας για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τη μέγιστη δυνατή τιμή, πραγματοποιείται για ένα μονοφασικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή με διπλή κατεύθυνση ρεύματος. Στις περισσότερες εφαρμογές, στις οποίες υπάρχει ένα δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης, λόγω της φύσεως των φορτίων δημιουργείται καθυστέρηση του ρεύματος ως προς την τάση του δικτύου αυτού. Ένα από τα σημαντικά θέματα που πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η αναίρεση αυτής της καθυστέρησης μέσω κατάλληλης έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Η καταλληλότητα αυτής της τεχνικής παλμοδότησης εξετάζεται τόσο για την περίπτωση ενός μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης (Ε.Τ.) σε συνεχή τάση (Σ.Τ.), όσο και για έναν ελεγχόμενο μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη σταθερής συχνότητας λειτουργίας. Κατά τον έλεγχο της λειτουργίας ορισμένων φορτίων μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές στο ρεύμα του δικτύου με χαμηλές συχνότητες (π.χ. 150 Hz). Στη διατριβή αυτή μελετάται η μείωση αυτών μέσω της έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο σήμα που αποτελεί τη βάση της δημιουργίας των παλμών έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Συγκεκριμένα, το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την εισαγωγή και τους στόχους της διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαμβάνει τους απαραίτητους ορισμούς βασικών ενεργειακών μεγεθών καθώς και τον προσδιορισμό των προβλημάτων, η λύση των οποίων αποτελεί το σκοπό της παρούσας διατριβής. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με τη σύγκριση των τυπικότερων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τύπου μονοφασικής γέφυρας με κριτήρια το συντελεστή ισχύος και το βαθμό απόδοσης. Επίσης, προτείνεται η χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος Ε.Τ. σε Σ.Τ. διπλής κατεύθυνσης ρεύματος, ο οποίος πλεονεκτεί έναντι των συνήθως χρησιμοποιούμενων και μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλος για εφαρμογές στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς για την αντιστροφή ισχύος π.χ. κατά την πέδηση αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνάται η τεχνική παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων ενός μετατροπέα και προτείνεται εκείνη για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τις υψηλότερες δυνατές τιμές. Στο πέμπτο κεφάλαιο προτείνεται μία μεθοδολογία, μέσω της οποίας καθορίζεται η τιμή των στοιχείων του παθητικού φίλτρου και της διακοπτικής συχνότητας, για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν ταυτόχρονα τις μέγιστες δυνατές τιμές. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση επιβεβαιώνοντας έτσι τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, τα τροφοδοτικά καθώς και οι επαγωγές των φίλτρων σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας στο πλαίσιο της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Στο έβδομο κεφάλαιο προτείνεται η χρήση μιας τεχνικής παλμοδότησης, με την οποία αναιρείται η καθυστέρηση της βασικής αρμονικής ως προς την τάση του δικτύου. Η τεχνική αυτή στην παρούσα διατριβή ονομάζεται α-sPWM. Με τη χρήση της μεθόδου αυτής βελτιώνεται ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης. Η μελέτη της εφαρμογής της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM πραγματοποιείται μέσω προσομοίωσης και μέσω πειραματικών μετρήσεων. Στο όγδοο κεφάλαιο μελετάται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής παλμοδότησης σε ένα σύστημα, το οποίο αποτελείται από ένα διακοπτικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση σταθερής συχνότητας λειτουργίας αλλά μεταβαλλόμενης ενεργού τιμής. Στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για το προηγούμενο σύστημα, του οποίου ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τον υποψήφιο στο Εργαστήριο. Στο δέκατο κεφάλαιο προτείνεται μία μέθοδος έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο ρεύμα της πηγής μέσω των παλμών έναυσης της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM για την αναίρεση των σημαντικότερων ανώτερων αρμονικών του ρεύματος αυτής. Αυτές οι αρμονικές είναι μικρά πολλαπλάσια της συχνότητας της πηγής και δεν είναι εύκολο να απορροφηθούν από το παθητικό φίλτρο στην πλευρά του δικτύου εναλλασσόμενης τάσης λόγω του μεγάλου μεγέθους των στοιχείων αυτού. Στη συνέχεια προτείνεται ένας τρόπος προσδιορισμού του πλάτους της εκάστοτε προς αναίρεση ανώτερης αρμονικής του ρεύματος, της οποίας η συχνότητα είναι γνωστή. Στο ενδέκατο κεφάλαιο διατυπώνονται τα συμπεράσματα και η συμβολή της διατριβής, στο δωδέκατο μία σύντομη περίληψη και στο δέκατο τρίτο παρατίθεται η βιβλιογραφία. Στο τέλος της διατριβής περικλείεται μία σύντομη περίληψη στα Αγγλικά. / This Ph.d. dissertation deals with the reactive power and power losses reduction. It is well known that the use of a power electronic converter to control the output electrical and electromechanical variables is the best choice. In this case the power electronic converter causes influences on the power efficiency and on the power factor. If the converter’s switching frequency is low (e.g. 50 Hz), the power efficiency is high but the power factor is significant low. On the contrary, by increasing the switching frequency of the semiconductor converter elements the power factor increases while the converter’s efficiency decreases. In this work a study of the switching frequency influence on the power factor and on the power efficiency is curried out. From the results we can determine a frequency by which both the efficiency and the power factor get optimal. This frequency depends on the converter’s input passive filter. For the investigation a controlled bidirectional AC-DC converter is used. Which enables the achieve of high power factor. Τhis work also deals with a switching technique to eliminate the phase angle between the grid’s voltage and the current basic harmonic. The idea is to remove this phase angle through the converter switching pulses. The effect of the proposed switching technique on the power factor and the power efficiency has been investigated for an AC-DC converter as well as for an AC-AC converter. Usually, to control a load through a power electronic converter some high order harmonics with low frequency are generated (e.g 150 Hz). It is well known that it is not easy to eliminate these high order harmonics. In the present work this is curried out through a current injection technique. The idea is to inject the required current harmonic through the converter switching pulses. In this thesis the studied issues were mainly realized through simulation (using the program Matlab/Simulink) as well as experimentally. For the experimental work the prototype converters and the electrical devises were designed and constructed in the laboratory.

Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις της σύγχρονης κοινωνίας σε συνδυασμό με τις ραγδαίες κλιματικές αλλαγές μας οδηγούν στην ανάγκη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατό πιο οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Έτσι, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερο μερίδιο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλάζοντας συνεχώς τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Τα αιολικά συστήματα, τα οποία αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου, είναι ένα είδος ΑΠΕ. Στην παρούσα εργασία μελετάμε ένα αιολικό σύστημα, το οποίο αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, έναν μετατροπέα πηγής τάσης, ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου και μία γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους. Η αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση της ΣΜΜΜ την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Στην εργασία αυτή προσομοιώνουμε σε περιβάλλον Matlab/Simulink το σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Εφαρμόζοντας τις κατάλληλες τεχνικές ελέγχου από την πλευρά της μηχανής προσπαθούμε να πετύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, ενώ στην πλευρά του δικτύου προσπαθούμε μέσω άμεσου ελέγχου ροής ισχύος να πετύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης. Στη συνέχεια, μέσω ενός πρόσθετου ελέγχου προσπαθούμε να κρατήσουμε την τάση στην έξοδο του φίλτρου σταθερή, κατά τη διάρκεια πτώσης της τάσης του δικτύου. Τέλος, παραθέτουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με έναν σύντομο σχολιασμό και τα συμπεράσματα. / The continuously increasing energy requirements of modern society combined with the rapid climate changes lead us to the need to produce electrical energy in a more economic and environmentally friendly way. Thus, the Renewable Energy Sources gain an increasing share of electrical energy production, constantly changing the global energy map. Wind power systems, which utilize the kinetic energy of the wind, are a kind of RES. In this thesis we study a wind power system, which comprises a variable speed wind turbine, which uses a permanent magnet synchronous machine, a voltage source converter, an R-L filter in the grid side and a short transmission line. The increased reliability and performance of PMSG make it particularly attractive solution for wind power systems. In this thesis we simulate in Matlab/Simulink environment the system described above. Applying appropriate control techniques on the machine side we try to achieve maximum power harvesting from the wind, while on the grid side we try through direct power flow control to achieve unit power factor with simultaneous control of the dc link voltage. Then, using an additional control we try to keep constant the voltage at the end of the R-L filter during a grid voltage drop. Finally, we present the simulation results along with a brief commentary and the conclusions.

Η αιολική ενέργεια είναι το κλειδί για να επιτευχθεί ο στόχος της Ε.Ε. για συμμετοχή των Α.Π.Ε. στην παραγωγή ενέργειας σε ποσοστό τουλάχιστον 20% το 2020.Για το λόγο αυτό, αυτή η διπλωματική εργασία έχει σκοπό τη μελέτη των επιπτώσεων του συστήματος αιολικής ενέργειας στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας.Η έρευνα επικεντρώνεται στο τμήμα των δυναμικών επιπτώσεων, που αφορά κυρίως στις μεταβολές της αέργου ισχύος και των τάσεων στους ζυγούς του συστήματος λόγω μεταβολών διαφόρων παραμέτρων όπως ο άνεμος, οι γραμμές μεταφοράς και διάφορα είδη σφαλμάτων. / The contribution of renewable sources of energy in percent at least 20% is the energy goal of E.U. in 2020.Thus, wind power is considered to be the key to the achievement of this goal.For this reason, this diploma thesis intendsto study the influences of the wind power system to the electrical power system.The research specifies in the section of the dynamic influences, which mostly includes the variations of the voltage and the reactive powe in the systems buses due to variations of variables such as the wind speed, the transmission lines and different types of fault.