Είναι γνωστό ότι οι απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια συνεχώς αυξάνονται, όπως αυξάνεται και η ανάγκη για παραγωγή όσο το δυνατόν οικονομικότερης και καθαρότερης ενέργειας. Γι’ αυτό τα συστήματα κατανεμημένης παραγωγής διαδραματίζουν όλο και σημαντικότερο ρόλο για τον ενεργειακό μηχανικό. Μία τεχνολογία που συνεχώς κερδίζει έδαφος είναι αυτή των κυττάρων καυσίμου (fuel cells). Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη λειτουργία των fuel cells, παρουσιάζοντας τις βασικές αρχές λειτουργίας τους, παραθέτοντας ένα εγχειρίδιο χρήσης μιας βιομηχανικής εφαρμογής (βασισμένο στο αυθεντικό manual της εταιρίας) και μελετά τη μεταβατική συμπεριφορά της εφαρμογής αυτής με πειραματικό τρόπο. Στο πρώτο κομμάτι της εργασίας παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των fuel cells. Υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιούνται ως είσοδοι και στην έξοδο του κυττάρου έχουμε ρεύμα και νερό. Η χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο αναμένεται να επεκταθεί πολύ στο μέλλον λόγω του ότι είναι πρακτικά ανεξάντλητο, αν και οι τρόποι παραγωγής του είναι ακόμα υπό συνεχή προσπάθεια βελτιστοποίησης. Τα κύτταρα καυσίμου είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας, αφού έχει θεωρητικά μηδενικές εκπομπές ρύπων, ενώ ο βαθμός απόδοσής τους είναι μεγαλύτερος από αυτόν των μηχανών εσωτερικής καύσης. Επίσης, είναι γενικά απλές κατασκευές, με μικρές εκπομπές θορύβου και γενικά η λειτουργία τους δεν εξαρτάται ιδιαίτερα από τις γεωγραφικές συνθήκες. Όλοι αυτοί οι λόγοι τα καθιστούν ιδανικά για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών σε φορητές εφαρμογές, στην ηλεκτρική αυτοκίνηση και φυσικά ως μέρος των συστημάτων κατανεμημένης παραγωγής. Το κύριο μειονέκτημα των κυττάρων καυσίμου είναι το κόστος τους, που ως τώρα δυσκολεύει την παραγωγή βιομηχανικών εφαρμογών ευρείας χρήσης. Επίσης, οι απαιτήσεις ασφάλειας που αφορούν στο πεπιεσμένο υδρογόνο είναι ένα ακόμα θέμα που χρίζει προσοχής και μελέτης. Η βιομηχανική εφαρμογή που χρησιμοποιήθηκε για το πειραματικό μέρος της εργασίας είναι το Nexa Power Module της εταιρίας Ballard. Αυτή είναι μία μονάδα παραγωγής DC ισχύος, που χρησιμοποιεί μία συστοιχία κυττάρων καυσίμου τεχνολογίας ΡΕΜ (Proton Exchange Membrane). Αυτή είναι η πιο απλή και διαδεδομένη κατηγορία fuel cells. Στην παρούσα εργασία παρατίθεται ένα εγχειρίδιο χρήσης της συγκεκριμένης μονάδας. Περιγράφονται αναλυτικά ο σχεδιασμός και η λειτουργία της, ενώ παρέχονται τεχνικές διευκρινήσεις, χαρακτηριστικά λειτουργίας, καθώς και οι απαραίτητοι κανόνες ασφάλειας που πρέπει να τηρούνται. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο κομμάτι της ασφάλειας. Το υδρογόνο αν βρεθεί σε μεγάλες συγκεντρώσεις μπορεί να δεσμεύσει το οξυγόνο του αέρα και να προκαλέσει ασφυξία, ενώ είναι αναφλέξιμο και εκρηκτικό. Είναι συνεπώς ένα επικίνδυνο αέριο (ειδικά όταν βρίσκεται σε πεπιεσμένη μορφή) και η χρήση του απαιτεί πείρα και μεγάλη προσοχή. Το εγχειρίδιο αυτό αποτελεί ένα πολύ καλό εργαλείο για την πλήρη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας ενός ολοκληρωμένου συστήματος παραγωγής ενέργειας με κύτταρα καυσίμου, καθώς περιγράφει με λεπτομέρεια τη λειτουργία όλων των βοηθητικών υποσυστημάτων που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία μιας κυψέλης υδρογόνου. Επίσης συνίσταται η ανάγνωσή του για τη χρήση στο εργαστήριο από μελλοντικούς ερευνητές. Το τελευταίο κομμάτι της εργασίας είναι η πειραματική μελέτη της μεταβατικής απόκρισης του Nexa Power Module. Μετρήθηκαν οι χρόνοι ανάληψης και απόρριψης φορτίου για διαφορετικές τιμές φορτίων και θερμοκρασίας λειτουργίας. Τα παρακάτω διαγράμματα παρατίθενται ενδεικτικά και δείχνουν τη μορφή των αποτελεσμάτων για την ανάληψη φορτίου. Από τις μετρήσεις φάνηκε ότι η μεταβατική απόκριση της μονάδας εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από τη θερμοκρασία. Επίσης, σημαντική είναι και η εξάρτηση της απόκρισης της μονάδας από το μέγεθος του φορτίου που αυτή αναλαμβάνει ή απορρίπτει. Η ικανότητα των κυττάρων καυσίμου να αποκρίνονται με ταχύτητα και αξιοπιστία σε μεταβολές φορτίων είναι απαραίτητη για τη μελλοντική χρήση τους, τόσο σε φορητές εφαρμογές όσο και ως μέρη των συστημάτων κατανεμημένης παραγωγής. Συνεπώς τα συμπεράσματα αυτά είναι πολύ σημαντικά και πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό συστημάτων με κύτταρα καυσίμου. / It is well known that the demands for electrical power are constantly increasing as well as the need for cheap and clean energy sources. This is why Distributed Generation has become a very important field of electric engineering. Fuel Cells, as a part of DG technologies, are constantly gaining ground and have known great development through the last two decades. This essay studies fuel cell operation attributes in three chapters. In the first one, the basic working principles of fuel cell technology are presented. The second chapter includes a user’s manual of an integrated fuel cell system and the third is an experimental study of the transient response of this system. In the first chapter of this essay, basic working principles of fuel cell technology are presented. Hydrogen and oxygen are the inputs of a fuel cell system and electrical current and water are the outputs. The usage of hydrogen as fuel is expected to expand in the future because it’s a practically infinite source, even though its production procedures are yet to be improved. Fuel cell systems are a clean energy source since they have theoretically zero emissions, while their efficiency is greater than combustion engines. Also, they are constructions of great simplicity, with low noise emissions and their operation is not affected by geographic factors. All these reasons make fuel cell systems ideal as an energy source on portable devices, vehicular applications and of course as a part of DG systems. The main disadvantage of fuel cells is their cost that still holds back the production of commercial use applications. Also, safety matters that mainly concern compressed hydrogen, should be examined. The commercial application that was used for the experimental study of the essay is Ballard Nexa Power Module. This is an integrated system that provides unregulated DC power and uses a PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell stack. PEM fuel cells are the simplest and most well known fuel cell systems. In this essay a user’s manual for this application is included. This manual describes system design and operation. It provides technical product specifications, performance characteristics and interface requirements for installation and operation. Important safety information is also included. Special attention should be paid on the safety part. Hydrogen met in large concentrations, can displace oxygen in the air and cause asphyxia, while it’s flammable and explosive. Thus, it’s a very dangerous gas (especially in compressed form) and its use requires experience and great attention. This manual is very useful for the reader to understand the way an integrated fuel cell system works, since it describes in detail the operation of all subsystems required for a fuel cell stack to work with efficiency and safety. Future operators are advised to review its contents before operating Nexa Power Module in the lab. The last chapter of this essay includes the experimental study of Nexa Power Module transient response. The time needed by the module to support and reject a load was measured for different loads and several values of stack’s temperature. The figures that follow are presented indicatively and show the form of the results for load support. The results showed that the system’s transient response is very much affected by operation temperature. Also, the response is related to the load that the stack will support or reject. Fuel cell systems’ ability to respond fast and reliably to load changes is critical for their future use, especially for portable applications or parts of distributed generation systems. Consequently, these results are of great importance and should be examined when designing a fuel cell system.

Η παρούσα διδακτορική εργασία αφορά στο σχεδιασμό και εφαρμογή ελέγχου σε κατανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ώστε να είναι δυνατή η ένταξή της σε μικροδίκτυα στο δίκτυο χαμηλής τάσης. O σχεδιασμός του ελέγχου αποσκοπεί: 1) Στην δυνατότητα σύνδεσης-αποσύνδεσης (Plug and play) της κατανεμημένης παραγωγής στο μικροδίκτυο χωρίς καμμία ιδιαίτερη παρέμβαση από κεντρικό έλεγχο. 2) Η κατανεμημένη παραγωγή, που περιλαμβάνει συστοιχία κυττάρων καυσίμου και ανεμογεννήτρια, πρέπει να παρέχει στήριξη ενεργού και άεργου ισχύος στο μικροδίκτυο διανομής όταν συμβαίνουν διαταραχές φορτίου. 3) Να τροφοδοτεί όλο το φορτίο σε κατάσταση νησιδοποίησης, στην οποία θα μπορεί να μεταβαίνει είτε λόγω σφάλματος στην μέση τάση είτε γιατί το μικροδίκτυο είναι επιθυμητό να λειτουργεί εσκεμμένα στην προαναφερθείσα κατάσταση. 4) Η μετάβαση από τη διασυνδεδεμένη κατάσταση του μικροδικτύου στη νησιδοποίηση και αντίστροφα να γίνεται με τον ομαλότερο δυνατό τρόπο. Λόγω της έντονης μη γραμμικότητας των υπό μελέτη συστημάτων, στο σχεδιασμό των συστημάτων ελέγχου εφαρμόζεται ασαφής λογική. Τα αποτελέσματα της έρευνας αφορούν τόσο τον θεωρητικό σχεδιασμό των παραπάνω συστημάτων με την βοήθεια προγράμματος εξομοίωσης (Matlab/Simulink) όσο και την πειραματική επιβεβαίωση των συμπερασμάτων στο εργαστήριο. Αρχικά, εξομοιώνεται μια συστοιχία κυττάρων καυσίμου συνδυασμένη με μια μπαταρία (υβριδικό σύστημα) και ενσωματώνεται σε ένα ασθενές δίκτυο διανομής. Ο έλεγχος δοκιμάζεται για τοπικές μεταβολές φορτίου και για μετάβαση από την διασυνδεδεμένη σε νησιδοποιημένη κατάσταση προκειμένου να διαπιστωθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του ελέγχου που αναφέρθηκαν. Επιπλέον, γίνεται μια διερεύνηση για το εύρος της αποτελεσματικότητας του ελέγχου για διαφορετικού τύπου γραμμών διανομής. Η συμπεριφορά του ελέγχου κρίνεται ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις. Στην συνέχεια, το ίδιο υβριδικό σύστημα (μεγαλύτερης όμως ισχύος) και μια ανεμογεννήτρια με γεννήτρια διπλής τροφοδότησης ενσωματώνονται σε ένα μικροδίκτυο που συνδέεται σε ασθενές δίκτυο διανομής στο πρόγραμμα εξομοίωσης. Ο έλεγχος του υβριδικού συστήματος δεν αλλάζει λόγω της ευελιξίας της ασαφούς λογικής. Ο έλεγχος των μικροπηγών δοκιμάζεται για τοπικές μεταβολές φορτίου και για μετάβαση από την διασυνδεδεμένη σε νησιδοποιημένη κατάσταση και αντιστρόφως για μετάβαση από νησιδοποιημένη σε διασυνδεδεμένη κατάσταση. Επιπλέον, γίνεται μια διερεύνηση της δυναμικής απόκρισης του μικροδικτύου κατά την ύπαρξη μπαταρίας και κατά την απομάκρυνσή της από το μικροδίκτυο. Η συμπεριφορά του ελέγχου κρίνεται ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις. Για την πειραματική επιβεβαίωση, αξιοποιείται ένα σύστημα συστοιχίας κυττάρων καυσίμου (Ballard& Nexa System) συνδυασμένο με μια μπαταρία στο χώρο του εργαστηρίου. Εφαρμόζεται η τεχνολογία ψηφιακού ελέγχου σήματος μέσω ενός ψηφιακού επεξεργαστή σήματος (DSP). Έτσι, δίνεται η δυνατότητα σε τμήματα του ελέγχου που έχουν ήδη σχεδιαστεί να μεταφέρονται μέσω ειδικού λογισμικού στον επεξεργαστή και να ενσωματώνονται στην κατανεμημένη παραγωγή με ελάχιστο κόστος. Το πραγματικό σύστημα που δημιουργείται δοκιμάζεται για τοπικές μεταβολές φορτίου. Η συμπεριφορά του ελέγχου κρίνεται ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις. Μέσω εκτενών αποτελεσμάτων εξομοίωσης αλλά και πειραματικών, αποδεικνύεται πως ο προτεινόμενος έλεγχος συγκεντρώνει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν. Αποδεικνύεται, μάλιστα, ιδιαίτερα ευέλικτος και πρακτικός όχι μόνο σε θεωρητικές εφαρμογές αλλά και σε πραγματικά δεδομένα. Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό αφού δίνει την δυνατότητα στον μηχανικό με ελάχιστο κόστος και με εύκολο χειρισμό λόγω της ασαφούς λογικής και του ψηφιακού επεξεργαστή να ελέγχει οποιαδήποτε κατανεμημένη παραγωγή (easy engineering) με ελάχιστες διορθωτικές κινήσεις. / Σhe present Ph.d thesis regards to the design and application of the control of the distributed generation (or microsource) so that distributed generation integrates into microgrids at the low voltage side. The design of the control has to achieve the following: 1) Meet the «plug and play» operation mode that implies that a microsource can be added to the microgrid without reengineering the central control and protection of units that are already part of the system. 2) The distributed generation that is a fuel cell system and a wind turbine in this case, have to provide active and reactive power support to the low voltage microgrid in cases of local load disturbances. 3) The distributed generation have to supply the whole demanded power in case of islanding mode of operation either because of a fault at the mean voltage side or because of an intentional disconnection e.g. maintenance work. 4) The transitioning from the interconnected mode to the islanded mode of operation and vice-versa has to be smooth. Due to the intense non linearity of the system, the control design is based on fuzzy logic. The results of this research regard not only to the theoretical design of the above systems via the simulation program Matlab/Simulink but also to the experimental affirmation of the results in the laboratory. Firstly, a fuel cell system combined with a battery bank forming a hybrid system is simulated and integrated into a weak distribution grid. The response of the control system is simulated firstly under a severe step load change under grid connected mode and secondly when a transitioning to islanded operation mode is caused by an upstream supply outage. Also, a study is made in order to ascertain the range of the efficiency of the proposed control for different types of distribution lines. The performance of the control revealed good in all cases. Secondly, the same hybrid system (of bigger nominal power though) and a wind turbine with doubly induction generator are integrated into a microgrid which is connected to a weak distribution grid via the simulation program. The control of the hybrid system remains the same due to the flexibility of fuzzy reasoning. The response of the control system is simulated firstly under a severe step load change under grid connected mode and secondly when a transitioning to islanded operation mode happens and vice-versa when a transitioning from islanded to interconnected operation mode occurs. Also, the transient response of the system is investigated in the cases when the battery bank is part of the microgrid and when it is eliminated. The performance of the control revealed good in all cases. The experimental setup includes a fuel cell system (Ballard& Nexa System) combined with a battery bank. In order to transfer parts of the designed control and integrate them into the experimental setup, the technology of the digital signal control via the digital signal processor (DSP) is exploited. The transfer of the control to the DSP is done through a software program at the minimum costs. The response of the real system is evaluated under a step load. The performance of the control revealed good in all cases.Through a large number of simulation and experimental results, the proposed control proves to meet the desirable requirements that already are mentioned. The proposed controller, also, prove to be particular flexible and practical in real systems. The latter remark makes the designed control suitable in real systems where the engineer tunes the local controller of each distributed generation easier due to fuzzy logic (easy engineering). It has to be reminded, also, that through the digital control technology, the integration of the control by the engineer is at minimum costs.