Η παρούσα διπλωματική εργασία, η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, πραγματεύεται την κατασκευή ενός ηλεκτρικού δικύκλου. Σκοπός είναι η κατασκευή και ο έλεγχος ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου και συγκεκριμένα ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση ενός κατάλληλου ηλεκτροκινητήριου συστήματος σε ένα συμβατικό ποδήλατο. Αρχικά γίνεται μια σύντομη περιγραφή των συμβατικών και των ηλεκτρικών ποδηλάτων, η οποία περιλαμβάνει την ιστορική εξέλιξή τους, τα μέρη από τα οποία αποτελούνται, τους τύπους στους οποίους διακρίνονται και τα νομικά πλαίσια που διέπουν τη λειτουργία τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα, το οποίο εγκαταστάθηκε στο πλαίσιο του ποδηλάτου που παραχωρήθηκε για το σκοπό αυτό από την εταιρεία Ideal Bikes Μανιατόπουλος Α.Ε., τα κριτήρια επιλογής του κινητήρα, των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και των επιμέρους στοιχείων που το απαρτίζουν. Ακολουθεί η ανάλυση των Brushless μηχανών, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και η αρχή λειτουργίας τους. Το επόμενο βήμα είναι η θεωρητική μελέτη του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που απαιτείται για την οδήγηση του κινητήρα. Παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτροκινητήριου συστήματος μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink. Κατόπιν, περιγράφεται η κατασκευή του τριφασικού αντιστροφέα τάσης, τα στοιχεία που τον απαρτίζουν και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν. Δίνεται μια σύντομη περιγραφή του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε, των δυνατοτήτων που παρέχει αλλά και η λογική του ελέγχου που υλοποιεί. Τέλος, ακολουθούν οι πειραματικές μετρήσεις και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη λειτουργία της κατασκευής. / The purpose of this thesis is the construction of an electric two-wheeled vehicle. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering at University of Patras. The main aim is the study, the construction and the control of an electric bike. In order to achieve this, it is necessary to design and install a suitable electric motor system to a conventional bicycle. Initially, there is a brief overview of the conventional and the electric bicycles, along with their history, their main parts, the types in which they are divided and the legal frameworks that govern their operation. Secondly, the electric motor system, which was installed in the bicycle frame granted for this purpose by the company Ideal Bikes, Nikos Maniatopoulos S.A., the criteria for the selection of the motor and the batteries are described. In addition, there is a short description of Brushless motors, their types and the principle of their operation. Furthermore, the theoretical study of the three phase inverter required for driving the motor is given. Moreover, the results obtained from the simulation of the operation of the motor system through the Matlab / Simulink are provided. The construction of the three phase inverter, the constituent elements and the reason for their selection are also analyzed. Last but not least, there is a short description of the microcontroller which is used and its capabilities, in order to facilitate the study and design of the structure. Finally, the experimental measurements and the conclusions that derive from the construction and the operation of the electric bike are presented and future improvements concerning the construction are proposed.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα, στις διάφορες μορφές ενέργειας, στα διάφορα είδη μετατροπέων και τα είδη ελέγχου. Πιο συγκεκριμένα, ασχολούμαστε με τον έλεγχο σε μετατροπείς από την πλευρά του δικτύου που χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες. Επιπλέον, εξομοιώνουμε έναν μετατροπέα στη πλευρά του δικτύου για να ρυθμίσουμε τη DC τάση. Πιο συγκεκριμένα: Στο κεφάλαιο 1, θα ασχοληθούμε με το πρόβλημα ενέργειας και την αλλαγή στο κλίμα, τα οποία αποτελούν δύο από τα πιο βασικά προβλήματα του πλανήτη. Ακόμα, θα αναφερθούμε στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως στην αιολική. Επίσης, θα γίνει μία μικρή αναφορά με βάση διαγράμματα για τους κανονισμούς που ισχύουν σε διάφορες χώρες της Ευρώπης όσον αφορά την λειτουργία Εγκαταστάσεων Αιολικής Ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2, θα αναφερθούμε στις δομές μετατροπέων για διασύνδεση με ανεμογεννήτριες, καθώς επίσης και στον έλεγχο από την πλευρά της γεννήτριας. Τέλος, γίνεται μία μικρή αναφορά στον έλεγχο ισχύος. Στο κεφάλαιο 3, γίνεται αναφορά στον μετατροπέα πηγής- τάσηςVSC, στα φίλτρα δικτύου και στη διαμόρφωση. Στο κεφάλαιο 4, γίνεται αναφορά στον τριφασικό διπλό μετατροπέα τάσης, στη λειτουργία του, στο μοντέλο του καθώς και στις κατάλληλες εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα. Στο κεφάλαιο 5, γίνεται περιγραφή του ελέγχου με διπλούς βρόγχους, γίνεται μία σύντομη αναφορά στο PLL και δίνονται οι κατάλληλες εξισώσεις. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη περιγραφή του μοντέλου που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη διπλωματική. Στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζουμε την εφαρμογή στο παρών μοντέλο καθώς και τα αποτελέσματα χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα matlab/simulink, τις παραμέτρους καθώς επίσης και τις γραφικές παραστάσεις. / --

Η μόλυνση του περιβάλλοντος από τα μέσα μεταφοράς και η συνεχής μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων αποτελούν τους δύο κύριους λόγους για τη στροφή των τμημάτων έρευνας της παγκόσμιας αυτοκινητοβιομηχανίας στην επινόηση οικολογικότερων μέσων μετακίνησης. Από αυτή την προσπάθεια προέκυψαν τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα, τα οποία περιορίζουν την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπες ρύπων συγκριτικά με συμβατικά οχήματα παραπλήσιων τεχνικών χαρακτηριστικών. Τα υβριδικά οχήματα είναι, ουσιαστικά, ο προάγγελος και το πεδίο δοκιμής και εξέλιξης της αμιγούς ηλεκτροκίνησης. Ο κοινός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας και άλλων δύο διπλωματικών εργασιών, οι οποίες εκπονήθηκαν παράλληλα με αυτή, είναι η μετατροπή ενός συμβατικού βενζινοκίνητου αυτοκινήτου σε ηλεκτρικό υβριδικό όχημα. Το αρχικό μέλημα υπήρξε η εύρεση του κατάλληλου οχήματος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Την προμήθεια του οχήματος ακολούθησε η έρευνα της αγοράς για την εύρεση του κατάλληλου ηλεκτρικού κινητήρα. Ο κινητήρας, ο οποίος επιλέχθηκε, είναι τριφασικός ασύγχρονος. Εν συνεχεία, αγοράστηκαν συσσωρευτές οξέος μολύβδου ως εναλλακτική πηγή ενέργειας του οχήματος. Ακολούθησε εμπεριστατωμένη μελέτη για τη μηχανολογική προσαρμογή του ηλεκτρικού κινητήρα και των συσσωρευτών στο όχημα και πραγματοποιήθηκε αυτή η εργασία. O ηλεκτρικός κινητήρας τοποθετήθηκε επί του διαφορικού, ενώ κατασκευάστηκε ειδική βάση για τους συσσωρευτές. Υπολογίστηκε και κατασκευάστηκε κατάλληλο σύστημα μετάδοσης για τη μεταφορά της κίνησης από τον κινητήρα στον άξονα μετάδοσης της κίνησης του οχήματος, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες κίνησης του. Το γεγονός ότι ο κινητήρας χρειάζεται σύστημα υδρόψυξης για την ασφαλή και αποδοτική λειτουργία του είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή κατάλληλης διάταξης. Το δεδομένο ότι οι συσσωρευτές παράγουν συνεχές ρεύμα, ενώ ο κινητήρας απαιτεί τροφοδοσία με εναλλασσόμενο ρεύμα οδήγησε στην κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Ο αντιστροφέας αποτελεί μια ηλεκτρική διάταξη, η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Το απαιτούμενο επίπεδο τάσης εξόδου του αντιστροφέα για την τροφοδοσία του κινητήρα προϋποθέτει συγκεκριμένο επίπεδο τάσης στην είσοδο του μετατροπέα, το οποίο είναι υψηλότερο από την τάση εξόδου της συστοιχίας των συσσωρευτών. Επιχειρήθηκε, λοιπόν, η εξομοίωση και η κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η ιδιότητα του είναι η ανύψωση του επιπέδου τάσης των συσσωρευτών κατά τη φάση της τροφοδότησης του κινητήρα αλλά και ο υποβιβασμός της τάσης για τη φόρτιση των συσσωρευτών κατά την επιστροφή ενέργειας από τη λειτουργία του κινητήρα ως γεννήτρια, τη λεγόμενη διαδικασία της αναγεννητικής πέδησης. Ο έλεγχος του ηλεκτρικού κινητήρα πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής του άμεσου ελέγχου ροπής (DTC), ενός είδους άμεσου διανυσματικού ελέγχου. / The environmental pollution caused by all means of transport and the continued reduction of stocks of fossil fuels are the two main reasons, which directed the global automotive research in developing “greener” means of transport. From this effort emerged hybrid electric vehicles, which reduce fuel consumption and emissions compared to conventional vehicles with similar technical characteristics. Hybrid vehicles are essentially the precursor and the field for testing and developing pure electric traction. The common objective of this and two other diploma theses, which were prepared in parallel with it, is to convert a conventional gasoline car to a hybrid electric one. The initial concern was to find a suitable vehicle for this application. The supply of the vehicle was followed by the market research to find a suitable motor. The selected motor is a three-phase asynchronous motor. Subsequently, lead acid batteries were purchased as an alternative energy source for the vehicle. This was followed by a thorough study of the mechanical adjustment of the electric motor and battery in the vehicle and the planned work was performed. The electric motor is adapted on the differential and a base was constructed to fit the batteries. A suitable transmission system was built to transmit motion from the electric motor to the transmission axle of the vehicle to meet the needs of the driving conditions. The fact that the motor needs a water cooling system for its safe and efficient operation resulted in the construction of an adequate array. Taking into account that the batteries produce direct current, while the motor requires the supply of alternating current led to the design and construction of a three-phase power inverter at the laboratory. The inverter is an electrical device that converts direct current to alternating current. The demanded level of voltage in the inverter’s output to power the motor requires a specific voltage level at the input of the converter, which is higher than the output voltage of the battery pack. Therefore, the simulation and the construction of a bidirectional DC to DC voltage converter was attempted at the laboratory. The aim is to raise the level of battery voltage during the phase of the electric machine functioning as a motor and to reduce the voltage level to charge the batteries during the phase that the electric machine functions as a generator, a process called regenerative braking. The control of the electric motor was achieved by the technique of direct torque control (DTC), a kind of direct vector control.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μετατροπή ενός συμβατικού αυτοκινήτου σε υβριδικό ηλεκτρικό όχημα. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετάται και κατασκευάζεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα του οχήματος, το οποίο έχει τοπολογία παράλληλης διάταξης. Τα υποσυστήματα που το συνθέτουν είναι ένας τριφασικός ασύγχρονος ηλεκτρικός κινητήρας, μία συστοιχία ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και οι απαραίτητοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Το υβριδικό όχημα διαθέτει τη δυνατότητα επιστροφής ενέργειας κατά την επιβράδυνση, φορτίζοντας τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές (αναγεννητική πέδηση). Για την προσαρμογή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος στο υπάρχον συμβατικό κινητήριο σύστημα του αυτοκινήτου έλαβαν χώρα ορισμένες μηχανολογικές μετατροπές και κατασκευάστηκε ένα σύστημα υδρόψυξης για τον ηλεκτροκινητήρα. Για τη ενεργειακή διαχείριση του όλου συστήματος έγινε εμπεριστατωμένη ηλεκτρολογική μελέτη. Για την τροφοδοσία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση (τριφασικός αντιστροφέας). Για τη λειτουργία του τριφασικού κινητήρα σε επίπεδα ονομαστικής ισχύος απαιτήθηκε η ανύψωση της συνεχούς τάσης των μπαταριών και για αυτό το λόγο έγινε σχεδιασμός, προσομοίωση και κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου ηλεκτρονικού μετατροπέα ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση. Ο έλεγχος της ηλεκτρικής μηχανής υλοποιείται από την μέθοδο Αμέσου Ελέγχου Ροπής (DTC), η οποία αποτελεί ένα είδος αμέσου διανυσματικού ελέγχου. Παράλληλα με αυτή τη διπλωματική εργασία, εκπονήθηκαν δύο ακόμα διπλωματικές εργασίες πάνω στο θέμα του υβριδικού οχήματος. / The present diploma thesis deals with the conversion of a conventional car to a hybrid electric vehicle (HEV). To this direction, the powertrain of the vehicle is designed and constructed, composing a parallel hybrid topology. The subsystems of the electric propulsion system are a three-phase asynchronous electric motor, an electrochemical battery pack and the necessary power electronic converters. The hybrid electric vehicle has the ability to return energy and charge the batteries during deceleration (regenerative braking). In order to adapt the electrical compounds to the existing conventional propulsion system, some mechanical modifications had to be made. Furthermore, a water cooling system was designed and constructed in order to cool the electric motor. The energy management of the electrical system is analysed. The power of the three-phase asynchronous motor is controlled by a three-phase DC to AC inverter. The operation of the motor at its nominal power requires the boost of the battery voltage level. For this reason, a bidirectional DC to DC boost / buck converter was firstly simulated to ensure its proper operation. The above power converters were designed and constructed at the laboratory. The control of the electric motor is implemented by the Direct Torque Control method (DTC), which is a kind of direct vector control. In parallel with this work, two more diploma theses were prepared on the project of the hybrid electric vehicle.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα για την οδήγηση ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. 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 και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τη λειτουργία και τον έλεγχο των στροφών ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Αρχικά μελετάται η βασική αρχή λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα και αναλύονται οι τεχνικές εκκίνησης που χρησιμοποιούνται για σύνδεση του κινητήρα απευθείας στο δίκτυο. Ακόμα παρουσιάζονται τα ισοδύναμα κυκλώματα λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα, η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής του και προσομοιώνεται η λειτουργία του για τη μελέτη της στατικής συμπεριφοράς του. Στη συνέχεια γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που κατασκευάστηκε, καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων που είναι αναγκαία για τη λειτουργία του. Επιπροσθέτως αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα τάσης, που είναι η "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών" (SPWM). Στο επόμενο βήμα αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν, και περιγράφεται ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή, που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των παλμών. Τέλος, παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. / This diploma thesis discourse the analysis and construction of a converter topology for single phase induction motor drives. The project was based in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the department of Electrical and Computer Engineering of School Engineering of University of Patras. The objective of this project is the analysis and construction of a three phase voltage inverter to control the speed of a single phase induction motor. The first stage of this work is the study of the basic principle of operation of the single phase induction motor and the analysis of the starting techniques, used for the direct connection to the power grid. The equivalent circuits of the running single phase induction motor and the equation of the electromagnetic torque are also presented in this project. Following, there is a theoretical analysis of the three phase voltage inverter circuit, as well of all the remaining circuit, necessary for its function. Moreover the method of pulse generation for the switching elements of the voltage inverter is analyzed, which is the “Sinusoidal Pulse Width Modulation”. The next step is the analysis of the technical characteristics all of the circuits developed, as well the description of the program code for the microcontroller, used to produce the pulses. Finally oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction, are adduced.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση καθώς και την κατασκευή μιας νέας τοπολογίας για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/Β) γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την κατασκευή μιας ηλεκτρονικής διάταξης, η οποία θα χρησιμοποιηθεί για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/B) γεννητριών μικρής ισχύος, στο ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης. Συγκεκριμένα, διερευνάται και κατασκευάζεται ένας υψίσυχνος αντιστροφέας ρεύματος τοπολογίας Flyback, ο οποίος θα είναι κατάλληλος για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules), δηλαδή Φ/Β διατάξεων, ηλεκτρικής ισχύος έως 300W, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη (Micro-inverter). Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε είναι ο μικρός βαθμός πολυπλοκότητας του κυκλώματος ισχύος με άμεση συνέπεια την υψηλή αξιοπιστία του, η γαλβανική απομόνωση που παρέχει ανάμεσα στη Φ/Β γεννήτρια και το ηλεκτρικό δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.), η ικανότητα σημαντικής ανύψωσης της τάσης εισόδου του, ο υψηλός συντελεστής ισχύος, καθώς και ο υψηλός βαθμός απόδοσης (ο οποίος αγγίζει το 94,25%) για ένα ευρύ φάσμα λειτουργίας του. Ο μικρός όγκος και το μικρό βάρος (σε περίπτωση βιομηχανοποίησης), είναι επιπρόσθετα χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης τοπολογίας. Αρχικά, αναλύεται διεξοδικά η λειτουργία του αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback, η οποία έχει αναπτυχθεί στη Διδακτορική Διατριβή του Αναστάσιου Χ. Κυρίτση, «Βέλτιστος Σχεδιασμός Υψίσυχνου Μονοφασικού Αντιστροφέα για τη Διασύνδεση Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Μικρής Ισχύος με το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης». Ταυτόχρονα, διερευνώνται δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου, οι οποίες οδηγούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας (λειτουργία σε ασυνεχή αγωγή, DCM - λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής, BCM) και εξασφαλίζουν τη δημιουργία εναλλασσόμενου ημιτονοειδούς ρεύματος συμφασικού με την τάση του ηλεκτρικού δικτύου. Αναπτύσσονται τα κυκλώματα ελέγχου του αντιστροφέα, ενώ παρουσιάζεται ένας αποτελεσματικός τρόπος μέτρησης του υψίσυχνου διακοπτικού ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του μετασχηματιστή του αντιστροφέα. Τέλος, πραγματοποιείται η κατασκευή της διάταξης στο εργαστήριο, με σκοπό τη διεξαγωγή πειραματικών μετρήσεων για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης. / This degree thesis deals with the study, the analysis and the manufacture of a new topology that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric network of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The goal of the present thesis is to contribute in the sector of Dispersed Power Generation PV systems, with the development of an electronic device that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the low voltage electric network. Specifically, a high frequency current source Flyback inverter is investigated and manufactured, that will be suitable for “Alternative Current Photovoltaic Modules” (AC-PV Modules) applications. An AC-PV Module is the combination of a single PV module (whose power production varies under 300W) and a single-phase power electronic micro-inverter in a single electrical device. Special characteristics of the inverter are the simple power electronic circuit structure, having high reliability as an immediate consequence, the electrical isolation provided between the PV generator and the electric network, the high power factor and the high efficiency (reaching 94.25%) for a wide range of its power. Moreover, small volume and weight are particular characteristics, attributes very important considering its applications (incorporation in PV generators that will be placed in aspects or roofs of buildings). For this topology - whose theory is in the Ph.D. thesis of A. Ch. Kyritsis “Optimum Design of a High Frequency Singe - Phase Inverter for the Interconnection of Small Power PV Systems with the Low Voltage Network” developed - two different control techniques were investigated, leading to different operation modes (Discontinuous Conduction Mode - DCM, Boundary between Continuous and Discontinuous Mode - BCM) and ensuring alternative sinusoidal current, in phase with the electric network voltage. Simultaneously, their suitability is studied for different power levels. Moreover, the control circuits of the inverter were developed and an effective way of measuring the high - frequency switching currents of the inverter’s transformer is presented. Last but not least, the design of the whole system is completed in the laboratory, in order to carry out the experimental measurements required, to confirm and evaluate the studied theory.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός υβριδικού συστήματος, που αποτελείται από φωτοβολταϊκά και κυψέλες καυσίμου τα οποία τροφοδοτούν ένα μικροδίκτυο. Το φορτίο το οποίο καλείται το σύστημα να καλύψει είναι 30kW και 15kVar. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Στην εργασία αυτή το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στη συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στη συμπεριφορά σε κάποια μεταβατατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: - Συμπεριφορά συστήματος σε μεταβολές της ηλιοφάνειας. - Απόκριση συστήματος σε μεταβολές του φορτίου. - Τριφασικό και μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη στη γραμμή. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές, στην εξέλιξή και στην προοπτική τους στο μέλλον. Στη συνέχεια περιγράφονται τα διάφορα είδη των υβριδικών συστημάτων και γίνεται αναφορά για τη διεσπαρμένη παραγωγή και τα μικροδίκτυα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων, παρουσιάζονται οι I-V και P-V χαρακτηριστικές και στη συνέχεια ακολουθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωση στο PScad. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η λειτουργία των κυψελών καυσίμων και παρουσιάζονται τα διάφορα είδη κυψελών που υπάρχουν στις μέρες μας. Εν συνεχεία ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης PEM FC καθώς αυτό το είδος των κυψελών καυσίμου χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Τέλος, κατασκευάζεται το μοντέλο της PEM FC και ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή του μοντέλου. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στους dc/dc μετατροπείς ανύψωσης τάσης και στις περιοχές λειτουργίας τους. Εν συνεχεία γίνεται διαστασολόγηση του ανυψωτή τάσης και παρουσιάζεται το σύστημα ελέγχου του. Επίσης μελετάται η λειτουργία του ανυψωτή ως ανιχνευτή του σημείου μέγιστης ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και γίνεται προσομοίωση των κυψελών και της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τους dc/dc μετατροπείς που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 5 ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας των μονοφασικών και τριφασικών αντιστροφέων DC/AC και παρουσιάζεται αναλυτικά η στρατηγική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Τέλος, γίνεται υπολογισμός των τιμών του φίλτρου που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα και στη συνέχεια προσομοιώνεται και μελετάται το μοντέλο του αντιστροφέα που χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η πλήρη προσομοίωση του συστήματος. Περιγράφονται επίσης και τα μοντέλα του φορτίου, του Μ/Σ, του δικτύου και της μηχανής παραγωγής σφαλμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται και περιγράφονται τα αποτελέσματα των μελετών που πραγματοποιούνται στο σύστημα (απόκριση συστήματος σε κανονικές συνθήκες, απόκριση συστήματος για μεταβολή της ηλιοφάνειας, μελέτη συστήματος στη μεταβολή του φορτίου, προσομοίωση συστήματος για σφάλματα στη γραμμή). / The current diploma thesis presents the study and simulation of a hybrid system, which consists of a Photovoltaic Array (PV) and a Fuel Cell stack (FC), which supports a microgrid. The critical load that the system supports is 30kW and 15kVar. For the system modelling the program of designing and simulation of electric systems PSCAD is used. At this project the interest is focused in the behavior of system in the permanent situation of operation and in the behavior in certain transient phenomena. The transient phenomena that are examined are the following: - Behavior of the system in variations in solar insolation. - System’s response to variations of the load. - Fault analysis (single line to ground and three-phase line to ground short circuit). In Chapter 1 there is a description of renewable energy sources, their development and prospects in the future. Afterwards, the different kinds of hybrid systems are mentioned and there is a reference in distributed generation and microgrids. In Chapter 2 the function of photovoltaic cells and different kinds of photovoltaic technologies are described. Furthermore, I-V and P-V characteristic are presented and then follows an analytical description of the photovoltaic model that we use in our simulation in PScad. In Chapter 3 , the function of the Fuel Cells is described and the different kinds of fuel cells are presented. Afterwards, there is an analytical description of the proton exchange membrane fuel cells (PEM FC) as we use this kind of FC in our system. Finally, the PEM FC model is constructed and an analytical description of the model is made. The Chapter 4 entails information for the dc/dc boost converters and their operating modes. Subsequently the control system of the dc/dc boost converter is presented. Finally, the utilization of the boost converter as a maximum power point tracker is examined and the simulation of the FV and PV with the boost converter is presented. In Chapter 5 there is a description of the function of the single-phase and three-phase dc/ac inverters and the technique of the pulse-width modulation (PWM) is presented. Finally, the value of the output filter of the inverter is calculated and then the model of the dc/ac inverter, which we use in our system, is simulated. In Chapter 6 there is a simulation of the whole system. Furthermore, the models of the load, the transformer and the fault generator are described. Finally, the results of the simulations for which the system was tested is presented (system response to normal conditions, system response to changes in the insolation, System’s response to variations of the load, system response to grid faults).

Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί περιγράφει την διαδικασία που εφαρμόσθηκε ώστε να κατασταθεί δυνατή η τροφοδοσία ενός RL φορτίου με τάση σταθερή σε μέτρο και σε συχνότητα, από μια συστοιχία κυττάρων καυσίμου. Η πειραματική διάταξη, που κατασκευάσθηκε ώστε να πραγματοποιηθεί αυτός ο στόχος, εκτός από την πηγή (κύτταρο καυσίμου) και το φορτίο αποτελείται και από έναν ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης, έναν αντιστροφέα πηγής τάσης, έναν τριφασικό μετασχηματιστή, ένα φίλτρο LC, μια συσκευή επιλογής φορτίου και τέλος την ψηφιακή κάρτα με την οποία εκτελούνται οι απαραίτητοι έλεγχοι. Όταν αναφερόμαστε σε τεχνικές ελέγχου εννοούμε αρχικά τόσο την παραγωγή παλμών με την τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation-SPWM) για την τροφοδότηση του αντιστροφέα πηγής τάσης όσο και παλμών με την τεχνική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation – PWM) για τον έλεγχο του ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Οι παλμοί αυτοί παράγονται μέσω προγράμματος που αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα του Labview. Σε δεύτερο επίπεδο εφαρμόζεται με την βοήθεια της ψηφιακής κάρτας και του μοντέλου ο ασαφής έλεγχος που έχει ως σκοπό την σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο. Για να διαπιστώσουμε ότι έχουμε εξασφαλίσει απρόσκοπτη τροφοδοσία του τριφασικού φορτίου από την ενέργεια του κυττάρου καυσίμου με μια τάση με μειωμένο αρμονικό περιεχόμενο και σταθερό πλάτος και συχνότητα, πραγματοποιήσαμε βηματική αλλαγή της τιμής του φορτίου και αλλαγή της τάσης εξόδου του κυττάρου καυσίμου ώστε να διαπιστώσουμε αν όντως ο ασαφής έλεγχος αναλαμβάνει να επαναφέρει τις επιθυμητές τιμές της τάσης στο φορτίο. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1 επιχειρούμε μια σύντομη περιγραφή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που κυριαρχούν στον Ελλαδικό χώρο (ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική, γεωθερμική και ενέργεια από βιομάζα) ενώ αναφερόμαστε εκτενώς στην τεχνολογία των κυττάρων καυσίμου. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενής περιγραφή των συσκευών που αποτελούν το κύκλωμα ισχύος της πειραματικής διάταξης. Το κύκλωμα ισχύος αποτελείται αρχικά από το κύτταρο καυσίμου που αποτελεί την πηγή ενέργειας, τον ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης και τον αντιστροφέα πηγής τάσης. Σε δεύτερο επίπεδο υπάρχει το LC φίλτρο προς περιορισμό των αρμονικών και ο τριφασικός μετασχηματιστής που ανυψώνει το επίπεδο τάσης στο επιθυμητό επίπεδο. Τέλος, υπάρχει ο τριφασικός ζυγός στον οποίο συνδέεται το φορτίο που αποτελεί και την τερματική συσκευή της πειραματικής διάταξης. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια σύγκριση των διαθέσιμων ψηφιακών μεθόδων για την υλοποίηση των απαραίτητων ελέγχων ενώ έπειτα παρουσιάζονται θεωρητικά αυτοί οι έλεγχοι. Οι διαθέσιμες ψηφιακές μέθοδοι για την πραγματοποίηση των ελέγχων είναι ο μικροεπεξεργαστής ψηφιακού σήματος (Digital Signal Processor-DSP) και οι ψηφιακές κάρτες της εταιρίας Νational Ιnstruments οι οποίες και τελικά επιλέχθηκαν. Οι απαιτούμενοι έλεγχοι που πρέπει να εφαρμοσθούν στην πειραματική μας διάταξη είναι όπως ήδη αναφέραμε η παραγωγή παλμών με τις τεχνικές της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM) και διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) όπως και ο ασαφής έλεγχος. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται αναλυτικά όλες οι συσκευές της πειραματικής μας διάταξης με ιδιαίτερη αναφορά σε όσες κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο (όπως ο ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέας ανύψωσης τάσης ) ενώ γίνεται και επεξήγηση διάφορων πρακτικών προβλημάτων που ανέκυψαν κατά την χρησιμοποίηση τους (για παράδειγμα με τον τριφασικό μετασχηματιστή). Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η διαδικασία ανάπτυξης στην πλατφόρμα του Labview του προγράμματος που υλοποιεί τους απαιτούμενους ελέγχους. Πραγματοποιείται λοιπόν μια αναλυτική παρουσίαση όλων των εργαλείων και των ρυθμίσεων τους που μας επέτρεψαν να φθάσουμε στο επιθυμητό αποτέλεσμα. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και παραθέτουμε τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Πιο αναλυτικά υπάρχει παράθεση γραφημάτων και μετρήσεων για το σύνολο της πειραματικής διάταξης ενώ δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην ανάδειξη της λειτουργίας του ελέγχου και του τρόπου που επιδρά στην διάταξη μας. Τέλος, γίνεται μια καταγραφή πιθανών επεκτάσεων αυτής της διπλωματικής εργασίας. / The thesis that follows, describes the procedure which we followed in order to be able to supply a RL load with the power produced by a fuel cell. The load’s voltage should have constant value and frequency. The experimental configuration which was constructed to help us fulfill our goal further from the fuel cell and the RL load, includes a dc dc boost converter, a voltage source inverter, a 3phase transformer, a LC filter, a device that electronically chooses the value of the load and finally the digital card which executes all the necessary controls. When we talk about controls, we refer firstly to the production of SPWM pulses which are used in order to control the voltage source inverter and to the production of PWM pulses which are needed by the dc dc boost converter. These pulses are produced with the aid of a model developed with Labview. In addition, with the use of our digital card and the model which we developed, we are capable of applying the fuzzy logic to our experimental configuration in order to stabilize the load’s voltage. To be certain that we have ensured the smooth supply of the RL load with the power produced by the fuel cell and a voltage signal of constant value and frequency and low harmonic content, we made step changes to the load’s value and alterations to the fuel cell’s output, in order to assure that the fuzzy logic takes charge of the duty to restore the desired voltage signal to the load. The thesis is organized in the following way: In chapter 1 we make a brief description of the renewable energy sources which dominate Greece (solar, wind, hydroelectric, geothermal and biomass energy) and we present extensively the applications of fuel cells. In chapter 2 we describe on a great scale all the devices which consist the power circuit of the experimental configuration . So, the power circuit consists of the fuel cell, which is our energy source, the dc dc boost converter and the voltage source inverter. Furthermore, we have a LC filter in order to limit the total harmonic distortion and a 3 phase transformer which increase the voltage to the desired level. Finally, we have a 3 phase load which is the terminal device of the experimental configuration. In chapter 3 we compare the available digital methods for performing the desired controls and afterwards we present them theoretically. The available digital methods, in order to accomplish the controls, are the Digital Signal Processor (DSP) and the digital cards constructed by National Instruments (is our final choice). The required controls that must be performed include, as we have already mentioned, the SPWM and PWM pulses and of course the fuzzy control. In chapter 4 we present extensively all the devices of our experimental configuration with a special reference to all the devices which were constructed in our lab (like the dc dc boost converter). We make also special reference to some practical problems that we encountered when we used the previous devices (par example with the 3 phase transformer). In chapter 5 we present the procedure in order to develop the Labview model which contains all the necessary controls. Thus, we make a detailed presentation of all the tools and the settings which allowed to us to fulfill our goal. In chapter 6 we present all the experimental results and the conclusions we drew. More specifically, we present graphs and measurements for every part of the experimental configuration and we give special attention in order to give prominence to the fuzzy controller’s impact. Finally, some possible extensions of this thesis are underlined.

Με το πέρασμα των χρόνων, τα συστήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποκτούν ολοένα και περισσότερο μέρος στα ηλεκτρικά δίκτυα. Το ενεργειακό πρόβλημα καθώς και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον που αυτό δημιουργεί, οδηγούν σε εναλλακτικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι προστίθονται στο δίκτυο εξαρτήματα τα οποία πρέπει να λειτουργούν αρμονικά το ένα σε σχέση με το άλλο για τον κατάλληλο χειρισμό της ηλεκτρικής ισχύος. Τέτοια εξαρτήματα είναι η μονάδα μετατροπής ενέργειας, ο μετατροπέας, το φίλτρο στην έξοδο του μετατροπέα καθώς και άλλες μονάδες πολύπλοκες ή πιο απλές. Η διακοπτική λειτουργία του μετατροπέα καθώς και η στοχαστική διαδικασία της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές, προκαλούν τάσεις και ρεύματα με ανώτερες αρμονικές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα εξετάσουμε διάφορες μεδόδους ελέγχου ισχύος στην πλευρά του δικτύου, με διάφορους τύπους φίλτρων και φορτίων στην έξοδο του μετατροπέα με σκοπό να εντοπίσουμε τις ομοιότητες και τις διαφορές ανάλογα με την τοπολογία που χρησιμοποιούμε. Τα συστήματα που θα εξομοιώσουμε περιλαμβάνουν την dc διασύνδεση, έναν μετατροπέα ισχύος που λειτουργεί με την μέθοδο PWM, διάφορες τοπολογίες φίλτρων όπως RL, LC και LCL σε ισχυρό δίκτυο και τέλος με διάφορα είδη φορτίων, δηλαδή σε ασθενές δίκτυο. Οι έλεγχοι θα εφαρμοστούν στο dq σύγχρονα στρεφόμενο σύστημα αναφοράς με την συχνότητα του δικτύου, με την βοήθεια του μετασχηματισμού Park έτσι ώστε να ελέγξουμε την dc τάση διασύνδεσης και να επιτύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος από την πλευρά του δικτύου. Τέλος θα προσομοιώσουμε τα παραπάνω συστήματα στο Simulink του Matlab και θα εξάγουμε τα αντίστοιχα συμπεράσματα από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. / During the years, systems of renewable energy sources are becoming more a significant part of electrical networks. The energy problem and its impact on the environment, lead to alternative methods of electricity production. This means that components added to the network must operate harmoniously in relation one to another for proper handling of electrical power. Such components are the power conversion unit, the inverter, the filter at the output of converter units and other complex or simple devices. The switching operation of the converter and the stochastic process of producing electricity from renewable sources, can provoke voltages and currents of higher harmonic spectrum. In this paper we will examine various methods to control power injected in the utility network with different types of filters and loads on the output of the converter in order to identify similarities and differences depending on the topology used. The systems will include simulation of dc link, a power converter that operates method PWM, different filter topologies such as RL, LC and LCL and then of different load topologies. The control will be applied in modern dq rotating reference system to the grid frequency, making use of the Park transformation to control the dc link voltage and succeed unit power factor in the grid side. In conclusion, simulations of these systems will be done in Simulink of Matlab and conclusions will be drowned.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε οικιακά Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο χαμηλής τάσης, τα οποία αξιοποιούν την τεχνολογία των Φ/Β Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος (Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ. – AC-PV Modules). Πρόκειται για Φ/Β διατάξεις μικρής ισχύος (έως 300W), οι οποίες δημιουργούνται από την ενσωμάτωση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου και ενός μετατροπέα (ενός η πολλών σταδίων) συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη τάση, σε μια αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη. Για το λόγο αυτό ονομάζονται και Φ/Β πλαίσια με ενσωματωμένο μετατροπέα (Module Integrated Converters, MIC). Στα συστήματα αυτά οι απαιτήσεις για επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης, για την καλύτερη εκμετάλλευση της παρεχόμενης ηλιακής ενέργειας, καθώς και ρεύματος ημιτονοειδούς μορφής στην έξοδο είναι αδιαμφισβήτητες. Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και επικεντρώνεται στην ενδελεχή ανάλυση, στη βελτιστοποίηση της λειτουργικής συμπεριφοράς, στον υπολογισμό των απωλειών στα στοιχεία του μετατροπέα, στην παραμετροποίηση και τελικά στο βέλτιστο σχεδιασμό ενός αντιστροφέα ρεύματος τύπου Flybcak (Flyback Current Source Inverter – Flyback CSI). Οι κύριοι στόχοι που έπρεπε να εκπληρωθούν για την ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής ήταν:  Η ενδελεχής ανάλυση της λειτουργίας του αντιστροφέα για δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου που εφαρμόζονται σε αυτόν.  Ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα στοιχεία του Flyback CSI, καθώς και η παραμετροποίηση των σχέσεων αυτών.  Ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, ο οποίος βασίζεται στη διατύπωση της μεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ως πρόβλημα βελτιστοποίησης.  Η υλοποίηση του ελέγχου της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακού μικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο. Αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται σε μία πρώτη τεχνική ελέγχου, η οποία ωθεί τον μετατροπέα να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Στη συνέχεια προτείνεται μία δεύτερη τεχνική ελέγχου η οποία, αφ' ενός μεν αναγκάζει το μετατροπέα να λειτουργεί στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (Boundary between Continuous and Discontinuous Conduction Mode, BCM), αφ' ετέρου δε παρέχει καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα στην έξοδο. Με την προτεινόμενη νέα τεχνική ελέγχου, που ονομάσθηκε i-BCM (improved BCM) και αποτελεί βελτίωση της υπάρχουσας στη βιβλιογραφία τεχνικής ελέγχου BCM, βελτιώνεται σημαντικά ο συντελεστής ισχύος στην έξοδο του αντιστροφέα, παρέχοντας στο δίκτυο καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα. Οι δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου διαμορφώνουν διαφορετικές κυκλωματικές συνθήκες. Για τις δύο περιπτώσεις αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις τόσο για τη μέση, όσο και για την ενεργό τιμή των ρευμάτων που διαρρέουν όλα τα στοιχεία του μετατροπέα (ημιαγωγικά στοιχεία, Μ/Σ κλπ). Επιπρόσθετα, εξάγονται κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του μετατροπέα με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος από υψηλές τιμές τάσης και ρεύματος. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στον υπολογισμό της διακύμανσης της τάσης του πυκνωτή του φίλτρου εξόδου, η οποία αναπτύσσεται και πάνω στα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα, επηρεάζοντας την επιλογή τους. Στην συνέχεια, προσδιορίζονται μέσω αναλυτικών μαθηματικών σχέσεων οι απώλειες αγωγής και οι διακοπτικές απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων και προσεγγίζονται, με ιδιαίτερη λεπτομέρεια, οι απώλειες του μετασχηματιστή (τυλιγμάτων και πυρήνα) και για τις δύο προαναφερθείσες στρατηγικές ελέγχου, δεδομένου ότι η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα είναι υψηλή. Για το λόγο αυτό απαιτείται εις βάθος μελέτη της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, επιλογή ή επινόηση των κατάλληλων μοντέλων απωλειών σε ένα Μ/Σ (πυρήνα και χαλκού) και προσήκουσα προσαρμογή αυτών στις κυκλωματικές συνθήκες του αντιστροφέα Flyback. Παράλληλα με την ανάλυση των απωλειών πραγματοποιείται και η παραμετροποίηση του συστήματος. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στη διαχείριση των εξισώσεων κατά τέτοιο τρόπο ώστε να προσδιορίζονται όλες οι μεταβλητές και οι σταθερές του μετατροπέα, καθώς και οι παράμετροι από τις οποίες εξαρτώνται οι απώλειες, με τον απλούστερο δυνατό τρόπο. Συνεπώς, έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην διαχείριση των αναλυτικών σχέσεων ώστε οι απώλειες, χωρίς έκπτωση στην ακρίβεια, να εξαρτώνται από τον ελάχιστο δυνατό αριθμό παραμέτρων. Με αυτό τον τρόπο η μελέτη είναι πλήρης αλλά περιορίζεται η πολυπλοκότητα, με αποτέλεσμα να προκύπτουν μόνο τέσσερις ανεξάρτητες σχεδιαστικές μεταβλητές. Στο επόμενο στάδιο, πραγματοποιείται ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, ο οποίος βασίζεται στη διατύπωση της μεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ως πρόβλημα βελτιστοποίησης. Αυτό, πρακτικά, σημαίνει τον προσδιορισμό της αντικειμενικής συνάρτησης (objective ή cost function), των σχεδιαστικών μεταβλητών και σταθερών, των περιοριστικών συνθηκών και τον ορισμό του πεδίου τιμών αυτών. Ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσης αποτελεί την αντικειμενική συνάρτηση, ενώ οι προδιαγραφές εισόδου και εξόδου του μετατροπέα αποτελούν τις σχεδιαστικές σταθερές.. Με τη χρήση μίας στοχαστικής μεθόδου βελτιστοποίησης, η οποία αναδείχτηκε ως η πιο κατάλληλη έπειτα από εκτεταμένη βιβλιογραφική αναζήτηση, προσδιορίζονται οι τιμές των τεσσάρων σχεδιαστικών μεταβλητών και επιτυγχάνεται ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Η επίτευξη του στόχου ολοκληρώνεται με την ανάπτυξη ενός νέου επαναληπτικού αλγορίθμου, με τον οποίο, βάσει των εξισώσεων των απωλειών, επιτυγχάνεται ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI και για τις δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου. Επιπροσθέτως, υλοποιείται ο έλεγχος της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακού μικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο. Η αλλαγή της φιλοσοφίας υλοποίησης του ελέγχου προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία και ανεξάντλητες δυνατότητες στην κατάστρωση και υιοθέτηση διαφορετικών στρατηγικών ελέγχου. Ιδιαίτερα, κατά τη λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (i-BCM), με κατάλληλο προγραμματισμό του μικροελεγκτή εξαλείφεται η ανάγκη για μέτρηση των ρευμάτων στα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιείται είναι ο dspic30F4011 της εταιρείας Microchip ο οποίος διαθέτει μεγάλη υπολογιστική ικανότητα και μία πληθώρα περιφερειακών που επιτρέπουν αυτοματοποίηση κάποιων λειτουργιών, όπως η διαδικασία σύνδεσης και αποσύνδεσης με το δίκτυο και η δυνατότητα ενσωμάτωσης της μονάδας ανίχνευσης του μέγιστου σημείου ισχύος (M.P.P.T) της Φ/Β γεννήτριας στην ίδια ψηφιακή μονάδα. Τέλος, υλοποιήθηκαν εργαστηριακά πρωτότυπα με βάση τις βέλτιστες παραμέτρους που υπολογίσθηκαν σε κάθε περίπτωση σύμφωνα την προτεινόμενη μέθοδο βελτιστοποίησης και ακολούθησε πειραματική επιβεβαίωση με χρήση ενός αναλυτή ισχύος υψηλής ακρίβειας, για την επιβεβαίωση των θεωρητικών προσεγγίσεων. Επιπλέον, μελετήθηκε η ευεργετική επίδραση της συνδυαστικής χρήσης των δύο τεχνικών ελέγχου στην πυκνότητα ισχύος / This thesis pertains to domestic on-grid PV systems that utilize the AC-PV Modules technology. These low power PV topologies (up to 300W) are implemented by integrating one PV Module and a single phase inverter (one or multi stage), in one independent electronic apparatus. For this reason they are called Module Integrated Converters (MIC). The most important requirements for these systems are the higher possible efficiency - in order to take advantage of the supplied solar energy – and the pure sinusoidal output current. The main purpose of this thesis is to contribute to the field of the dispersed PV power generation. Thus, it focuses on the thorough analysis, the behaviour optimization, the components losses estimation, the parameterization and finally the optimal design of Flyback current source inverter (Flyback CSI). The main objectives fulfilled in this thesis are: • The detailed analysis of the inverter behaviour for two different semiconductor control strategies. • The precise losses calculation of all the components of the Flyback CSI. • The optimal design of the Flyback CSI, which is based on maximizing the weighted efficiency. • The implementation of the semiconductor control via a digital microcontroller, eliminating the existing analogue control. Initially, the study focuses on a first control technique that forces the inverter to function in Discontinuous Conduction Mode (DCM). On the other hand, a second control technique that forces the inverter to function on the Boundary between Continuous and Discontinuous Mode (BCM) is proposed. This new control technique is named i-BCM (improved BCM) and it is an improved version of the BCM control technique found in the literature. This new control scheme significantly improves the power factor of the inverter output. The inverter injects pure sinusoidal current to the grid. The two different control strategies form different circuit conditions. Analytical expressions for the average and the rms value of the current, flowing through the components (semiconductors, transformers e.t.c), for both cases are developed. In addition, new operating boundaries of the semiconductors for the safe operation of the inverter based on the analysis of the voltage and current that stresses the semiconductors, are proposed. Special attention is given on the calculation of the voltage deviation on the output filter capacitor. This voltage deviation is caused by the switching operation of the inverter and affects the selection of the semiconductors and the voltage level that can handle. Furthermore, the conduction losses and the switching losses of the semiconductors are determined through analytical, mathematical equations. Because of the inverter high switching frequency, the transformer losses (copper and core), are calculated with special attention to detail. For this reason, an in depth examination of the existing literature takes place that leads to the selection of the appropriate core and copper loss models. The models are adequately adjusted to the circuit conditions of the Flyback inverter topology. The system is parameterized along with the losses analysis. All the equations are manipulated in such a way that simplifies the determination of all the variables and all the constants of the inverter and the loss dependent parameters. Consequently, special emphasis is given to the manipulation of the analytical equations, without affecting the accuracy, in order to express the losses using the minimum number of independent variables. Therefore, the study is complete but the complexity is eliminated and the independent design variables are only four. The optimization problem is the maximization of the weighted efficiency. The optimal design of the Flyback CSI is implemented based on this formulation. As a next step, the objective (or cost) function, the design variables and constants, the constraints and their range need to be defined. The weighted efficiency is the objective function whereas the input and the output specifications of the inverter are the design constants. After an extensive literature research, a stochastic optimization method is chosen as the most appropriate to determine the values of the four design variables in order to achieve the highest weighted efficiency. A new iterative algorithm, which uses the losses equations, is developed to achieve the optimal design of the Flyback CSI for both control strategies. Moreover, the control of the inverter is implemented via a digital microcontroller, eliminating the existing analogue control. This changes the way of controlling the inverter and offers flexibility and limitless possibilities in implementing and adopting various control strategies. Specifically, under the i-BCM control scheme, the need for measuring the current of the transformer windings is eliminated by using an appropriate algorithm. The microcontroller used in this research is dspic30F4011 developed by Microchip. Its good computational capacity and the variety of peripherals enable the automation of some functions such as connection and disconnection from the grid and the integration of the maximum power point tracking (M.P.P.T.) on the same digital unit. Finally, laboratory prototypes are implemented, based on the optimal parameters calculated for every case, using the proposed optimization method. The experimental procedure confirmed the theoretical approximations. A high precision power analyser was used. Furthermore, the beneficial effect of the combined use of the two control power techniques on the power density is also studied.