Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό ενός Φωτοβολταϊκού Συστήματος, και τη σύνδεση αυτού στο δίκτυο διανομής. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός, πέρα από την εγκατάσταση του εξοπλισμού, είναι η μελέτη του συστήματος που σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί με 3 διαφορετικούς τρόπους: α) Μονοφασικό Σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής, β) Τριφασικό Σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής και γ) Μονοφασικό αυτόνομο Σύστημα. Αρχικά, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και περιγράφεται η κατάσταση στην Ελλάδα σχετικά με αυτές. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς επίσης και ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται ο βέλτιστος τρόπος τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Επιπλέον, εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων και αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών κυττάρων που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Συνεχίζοντας, παρατίθενται τα στοιχεία ενός συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος και οι γενικές αρχές σχεδίασής του. Έπειτα, παρουσιάζεται η μελέτη, ο τρόπος λειτουργίας και ο εξοπλισμός του συστήματος που εγκαταστάθηκε στο Εργαστήριο, και καταγράφονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν και τα σχετικά διαγράμματα για μονοφασική και τριφασική συνδεδεμένη στο δίκτυο λειτουργία. Τέλος, γίνεται αναφορά στις δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. / The Scope of this thesis is the design of a Photovoltaic System, and its connection to the distribution grid. The project was conducted at the Power Systems Laboratory in the Department of Electrical and Computer Engineering of the School of Engineering at the University of Patras. An additional aim of the thesis is the study of the commissioned system, designed to operate in three different functions: a) Single-phase system connected to the distribution grid, b) Three-phase system connected to the distribution grid, and c) Stand-alone Single-phase system. The opening chapter of this study contains a detailed presentation of the existing Renewable Energy Sources, followed by a description of the current situation in Greece. In the next chapter, the variables concerning solar irradiance are analyzed, and the optimal principles of mounting photovoltaic modules are extrapolated. Furthermore, the photovoltaic phenomenon and the electrical behavior of photovoltaic cells is explained, and the photovoltaic technology employed today is concisely mentioned. Also, the components of a photovoltaic system are presented, and the categories and general design principles are covered in detail. Moreover, the study, mode of operation and components of the commissioned system are presented, along with the measurements and the relevant diagrams concerning the Single-phase and Three-phase, grid-connected operation. In conclusion, there is a description of the difficulties and problems that were encountered during the installation of the components.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με την ποσοτική καταγραφή και στατιστικοποίηση των αιτίων βλάβης με κριτήριο το Σημείωμα Αποκατάστασης Βλάβης της ΔΕΗ (Σ.Α.Β), στις περιοχές των δήμων Πατρώων, Ερύμανθου και Αιγιάλειας. Οι μετρήσεις αυτές μας δόθηκαν σε ηλεκτρονική μορφή και παρέχουν λεπτομερή αναφορά των βλαβών που υπέστησαν οι εξοπλισμοί Μέσης Τάσης στις εν λόγω περιοχές. Στο πρώτο κεφάλαιο θα προσπαθήσουμε να ορίσουμε και να επεξηγήσουμε κάποιες βασικές έννοιες, ώστε να διευκολύνουμε την μελέτη αυτής της διπλωματικής εργασίας και από έναν μέσο αναγνώστη. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της μορφής των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας με ιδιαίτερη έμφαση στο σύστημα διανομής. Παρουσιάζεται η δομή του συστήματος διανομής, τα επιμέρους μέρη και εξαρτήματα από τα οποία αποτελείται καθώς και τα χαρακτηριστικά τους. Στο τέλος παρουσιάζονται δεδομένα και στατιστικά του ελληνικού συστήματος διανομής. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται μια σύντομη παρουσίαση των σφαλμάτων και υπερτάσεων που παρουσιάζονται στο σύστημα διανομής καθώς και των μέσων προστασίας που χρησιμοποιούμε προκειμένου να εξασφαλίσουμε την αδιάλειπτη λειτουργία του συστήματος διανομής Στο τέταρτο κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε όλες τις βλάβες για όλες τις προαναφερθείσες περιοχές συνολικά και για όλα τα πιθανά αίτια βλάβης. Επίσης θα απεικονίσουμε στατιστικά και συγκριτικά τα αίτια βλάβης της κακοκαιρίας και του κεραυνού για τα έτη 2003 έως 2011 και για τους δήμους Πατρώων, Ερύμανθου και Αιγιάλειας ξεχωριστά. Τέλος ακολουθούν τα τελικά συμπεράσματα που απορρέουν από την επεξεργασία των στοιχείων που διαχειριστήκαμε. / In this diploma work we intend to deal with the quantitative report and statistics of the causes of damages concerning the damage repair document of ΔΕΗ, (Σ.Α.Β.), around the areas of the municipals of Patrai, Erymanthos and Egialia. All these measurements were given to us in electronic form including a detailed report of damages which occurred to the medium voltage equipment in the whole place of Achaia. In the first chapter our effort will be to determine and explain a number of basic concepts, so that the study of this diploma work will be easy understood by an average reader. The second chapter contains the presentation of the form of electric power systems, with special emphasis on the distribution system. It is a presentation of the distribution system structure, the individual parts and devices as well as their features. Data and statistics of the Greek distribution system are presented at the end of the section. The third section is a brief presentation of the faults and overvoltage occurring at the distribution system as well as of the protection measures we use in order to ensure the uninterrupted operation and the integrity of our system. In chapter four what will be presented are the damages of all the above mentioned areas in total, as well as the possible causes of them. Moreover there will be a presentation of damages caused by bad weather and thunder from the year 2003 up to 2011 for the municipals of Patrai, Erymanthos and Egialia separately. All this work will be done through statistics and comparison. At the end we will expose the final conclusions that come from the data we handled.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνώνται οι προδιαγραφές για την εγκατάσταση και τη διασύνδεση με το δίκτυο διανομής ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Ο όρος «οικιακό» αναφέρεται σε φωτοβολταϊκά συστήματα μικρής ισχύος, έως 10 kWp, τα οποία τοποθετούνται πάνω σε κτίρια ή ενσωματώνονται σε αυτά ενώ παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο μέσω της ίδιας παροχής του κτιρίου. Τα οικιακά φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα ώστε να αποτελέσουν πόλο έλξης για τους μελλοντικούς παραγωγούς όπως θερμική μόνωση, ηχομόνωση, ηλιο-προστασία, δεν απαιτούν επιπλέον χώρο για την εγκατάσταση τους, συνεισφέρουν στην κάλυψη του φορτίου αιχμής, δε περιλαμβάνουν κινητά μέρη, προσφέρουν έναν ελκυστικό σχεδιασμό κτιρίου και αντικαθιστούν συμβατικά κατασκευαστικά υλικά. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια θεωρητική ανασκόπηση της φύσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή του ηλιακού κυττάρου, των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των αρχών λειτουργίας τους, καθώς και παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και οι παράγοντες που τα επηρεάζουν. Εν συνεχεία, στο τρίτο κεφάλαιο μπορούμε να δούμε τα κριτήρια με τα οποία επιλέγεται ο τόπος και ο τρόπος εγκατάστασης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, και παρουσιάζονται οι αρχές σχεδιασμού του συστήματος ξεκινώντας από την επιλογή του αντιστροφέα μέχρι τα μέσα προστασίας και την καλωδίωση. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι απαιτήσεις που πρέπει να τηρούνται ώστε να καθίσταται εφικτή η διασύνδεση με το δίκτυο ΧΤ μιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζονται τα κριτήρια τήρησης των ανωτέρω απαιτήσεων, όπως η επάρκεια του δικτύου, η διαμόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης, οι μεταβολές της τάσης, το φαινόμενο flicker, η έγχυση αρμονικών, η νησιδοποίηση και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. Εν τέλει, στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για την μελέτη των παραπάνω προδιαγραφών σε δύο διατάξεις που εξομοιώθηκαν με το πρόγραμμα PSCAD. Η μια διάταξη περιλαμβάνει μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ισχύος 9.6 kWp, έναν μετατροπέα υποβιβασμού τάσης ο οποίος κάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος, έναν τριφασικό αντιστροφέα με παλμοδότηση SPWM, το φίλτρο LC για τη μείωση του αρμονικού περιεχομένου, έναν μετασχηματιστή απομόνωσης και ανύψωσης τάσης 150V/400V, το δίκτυο ΧΤ και το οικιακό φορτίο. Η δεύτερη διάταξη διαφοροποιείται από την πρώτη στο ότι δεν περιλαμβάνει μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, έτσι ο αντιστροφέας αναλαμβάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος. Αρχικά παρουσιάζεται η απόκριση των συστημάτων σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας και μέση φόρτιση, ενώ εξετάζεται και η επίδραση των τιμών των ελεγκτών στην απόκριση τους. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη αρμονικών και η διερεύνηση της επίδρασης της ακτινοβολίας στους συντελεστές ολικής αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος και τάσης, και στο συντελεστή ισχύος. Έπειτα εξετάζεται η απόκριση των συστημάτων σε απότομες μεταβολές της ακτινοβολίας και του φορτίου. Τέλος διερευνώνται οι διακυμάνσεις της τάσης που εμφανίζονται σε οριακές καταστάσεις λειτουργίας του φωτοβολταϊκού και φόρτισης του δικτύου ενώ εξετάζονται και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. / The aim of the present thesis is the study of the installation and grid-interconnection requirements and specifications of a domestic photovoltaic system. The term “domestic” refers to low power photovoltaic systems (up to 10 kWp), installed or integrated into buildings while providing electric power to the grid through the buildings main power connection. Domestic photovoltaic systems have a number of advantages, such as thermal / sound insulation, solar protection, they do not require extra space in order to be installed, they can contribute in the case of high power demand, they do not require any moving parts, they can prove attractive in terms of building design and even eventually substitute conventional building materials. These advantages are bound to put them in the center of electric power producers’ attention in the immediate future. In the first chapter a theoretic overview of the nature of solar radiation is presented. In the second chapter, photovoltaic cells and panels as well as their function and electrical properties are briefly analyzed. In the third chapter, the criteria of the photovoltaic system’s installation location and method – from the selection of a proper inverter to the system’s electrical protection equipment and wiring. In the fourth chapter the requirements that must be met in order to establish a connection with the power distribution grid are being presented. The relevant criteria such as: a) power grid adequacy, b) proper design and configuration of the grid connection protection equipment, c) voltage variations, d) flickering, e) voltage/current harmonics, f) islanding, and g) effects on 175Hz remote-operation systems are being studied. Finally, in the fifth chapter, PSCAD-realized simulations with two configurations are presented. The first configuration consists of a 9.6kWp photovoltaic array, a dc-to-dc buck converter which implements a maximum-power-point-tracking algorithm, a SPWM-pulsed three-phase inverter, a LC harmonic filter, an isolating 150V/400Vvoltage transformer, the low-voltage grid and a domestic electric load. The second configuration does not include a buck converter and thus, the maximum-power-point-tracking algorithm is implemented on the inverter. The systems’ response in normal operating conditions and with a medium load as well as the effect of different controller gains in the aforementioned response are initially presented. Afterwards, the system’s voltage/current harmonics and the effect of solar radiation in the Total Harmonic Distortion and Power factors are being studied. In continuation the system’s response in rapid change of solar irradiance / electrical load is presented. Finally, voltage variations which appear in boundary operating conditions of the grid and photovoltaic system, as well as the impact on 175Hz remote-operation systems are studied.

Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη και η καταγραφή των σφαλμάτων που έχουν προκληθεί από ποικίλες αιτίες στο Δίκτυο Διανομής (Μέση Τάση) της Ηλεκτρικής Ενέργειας της νήσου Κρήτης και πιο συγκεκριμένα στο εναέριο δίκτυο αυτού. Για την κατανόηση όμως του λόγου που οι εν λόγω αιτίες οδήγησαν σε σφάλματα, αλλά και για να έχουμε μια πιο πλήρη εικόνα επί του αντικειμένου, έπρεπε αρχικά να γίνει μια συνοπτική παρουσίαση ενός τυπικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, αφού πρώτα αναλυθεί στα επιμέρους τμήματά του. Εν συνεχεία αναλύουμε λεπτομερώς την διαμόρφωση των δικτύων διανομής και τον βασικό εξοπλισμό από τον οποίο αποτελείται. Ακολούθως μελετούμε τα εναέρια δίκτυα διανομής μέσης τάσης παρουσιάζοντας πλήρως όλα τα στοιχεία που συμβάλλουν στην ομαλή διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στον καταναλωτή. Στο επόμενο βήμα παρουσιάζουμε την IEEE οδηγία για τη συμπεριφορά έναντι κεραυνών των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, μιας και οι επικρατούντες κλιματολογικές - περιβαλλοντολογικές συνθήκες είναι από τις βασικές αιτίες πρόκλησης σφαλμάτων στα εναέρια δίκτυα. Τέλος, παρουσιάζουμε τα σφάλματα που έχουν καταγραφεί στα ημερήσια δελτία σημαντικών μη προγραμματισμένων διακοπών της νήσου Κρήτης για τα έτη από το 2005 έως το 2009. / The aim of this diploma thesis was the examination and comprehension of the aerial distribution networks of electrical power. In the beginning we briefly analyzed the electric power systems (power stations, transmission networks, distribution networks). After that we thoroughly examined the configuration of the distribution networks with the observation of the ways the networks are planned and their equipment, which is used for their protection and for the connection between them. Afterwards we examined the aerial distribution networks of medium voltage, by fully presenting all the elements which contribute in the normal distribution of the electric flow to the customers. Finally we present the faults that have happened to the middle voltage distribution circuit of the island Crete and we compare them with the theoretical number of faults, according the IEEE guide in order to come to some useful conclusions.

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται και αναλύεται η Ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά βασικών κυκλωμάτων και στοιχείων, τα οποία απαντώνται πάνω σε Πλακέτες Τυπωμένων Κυκλωμάτων. Η σχεδίαση και ανάλυση των μοντέλων γίνεται χρησιμοποιώντας τα Ηλεκτρομαγνητικά λογισμικά πακέτα της Agilent, ΕΜPro και ADS, ενώ για τον υπολογισμό χρήσιμων παραμέτρων χρησιμοποιείται η ελεύθερη εφαρμογή της Agilent, Appcad και η εφαρμογή Linecalc, η οποία είναι ενσωματωμένη στο ADS. Αρχικά, γίνεται μια σύντομη αναφορά στις σύγχρονες τάσεις που επικρατούν στην περιοχή των Τυπωμένων Κυκλωμάτων και περιγράφεται η χρησιμότητα των τοπολογιών που αναλύονται. Επιπροσθέτως, αναφέρεται η αναγκαιότητα και οι περιπτώσεις κατά τις οποίες είναι απαραίτητη η διεξαγωγή ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης των κυκλωμάτων, αλλά και τα προτερήματα που αυτή προσφέρει. Παρουσιάζεται η χρησιμότητα και αναλύεται η δομή μιας μαιανδρικής μικροταινιακής γραμμής εισαγωγής καθυστερήσεως και συγκρίνονται οι εκπομπές της ως προς τις εκπομπές μιας ευθείας μικροταινιακής γραμμής. Έπειτα, μελετάται η κατανομή του ρεύματος στο επίπεδο αναφοράς μιας απλούστερης γεωμετρίας μαιανδρικής μικροταινιακής γραμμής και παρουσιάζονται φαινόμενα περισσότερο αισθητά σε υψηλές συχνότητες. Έπειτα, μελετώνται οι εκπομπές από μια γεωμετρία μικροταινιακής γραμμής, η οποία διασχίζει σχισμή στο επίπεδο αναφοράς. Επίσης, μελετάται η συμπεριφορά μικροταινιακής γραμμής ευρισκόμενης στο χείλος μιας πλακέτας. Επιπλέον, μελετάται ένα πρόβλημα σχεδιάσεως αποτελεσματικής ηλεκτρομαγνητικής θωρακίσεως και υπολογίζεται η αποδοτικότης της θωρακίσεως. Σε επόμενο κεφάλαιο, μελετάται η επίδραση ασυνεχειών ευρισκόμενων σε μια δομή μικροταινιακής γραμμής και σχεδιάζεται ένα μεταϋλικό, ενώ παράλληλα προσδιορίζονται χαρακτηριστικές παράμετροι της δομής. Ακολούθως, σχεδιάζονται τρία είδη δομών που περιλαμβάνουν οπές via. Αυτές είναι: μία απλή via , μια δομή διαφορικών via και μια εφαρμογή απομονώσεως δυο συζευγμένων ταινιογραμμών χρήσει ενός φράχτη από οπές via. Τέλος, προσομοιώνεται η λειτουργία μιας πραγματικής πλακέτας και υπολογίζονται οι ηλεκτρομαγνητικές της εκπομπές στο μακρινό πεδίο. Παράλληλα, παρουσιάζονται ορισμένα στατιστικά του χρόνου εκτελέσεως και των απαιτούμενων πόρων για την προσομοίωση, γίνονται σχόλια και επισημάνσεις που αφορούν στα χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων αλγορίθμων για τη διεξαγωγή μετεπεξεργασίας των δεδομένων και δίνονται χρήσιμες συμβουλές όσον αφορά σε χαρακτηριστικά του λογισμικού Προσομοιώσεως και σε δυνατότητες επιταχύνσεως της Προσομοιώσεως που προσφέρονται από το ίδιο το λογισμικό. / -