Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα ισχύος για την οδήγηση αναρτήσεως αποτελούμενης από μαγνητορεολογικό υγρό. Στην αρχή, γίνεται μία ιστορική αναδρομή στις εξελίξεις στο χώρο των αναρτήσεων. Κατόπιν, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά των μαγνητορεολογικών υγρών και των αντίστοιχων αναρτήσεων, με παραδείγματα εφαρμογής τους στην αυτοκινητοβιομηχανία. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των τροφοδοτικών ισχύος, καθώς και τα συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Έπειτα παρουσιάζονται οι βασικότερες διατάξεις μετατροπέων ισχύος και τα χαρακτηριστικά τους, τα οποία θα χρησιμεύσουν στην επιλογή της κατάλληλης διάταξης για την παρούσα εφαρμογή. Ακολουθεί η παρουσίαση της θεωρητικής μελέτης της διάταξης forward, η οποία και επιλέχθηκε, ως καταλληλότερη και οι προσομοιώσεις στο πρόγραμμα Matlab, με τις αντίστοιχες εικόνες και πειραματικές τιμές. Τέλος, περιγράφεται η διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής της πλακέτας ισχύος. / The purpose of this diploma thesis is the design and construction of a power converter to drive a magnetorheological suspension. At the beginning, historical developments in the field of suspension are presented. Then, the characteristics of magnetorheological fluids and related suspension systems are described, with examples of their application in the automotive indusrty. Afterwards, it follows an analysis of the key features of the power supplies, along with their comparative advantages and disadvantages. Subsequently, the main power converters and their characteristics are discussed, which will be used in selecting the appropriate device for this application. In the followin paragraphs, the theoretical study of the device forward, which was selected as appropriate, is analyzed and simulated with Matlab application. The corresponding images and experimental values are presented also. Finally, the design and construction of the power converter board circuit is prsented.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή διάταξης για τον έλεγχο κινητήρα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η κατασκευή ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που θα μας επιτρέψουν τον έλεγχο της τάσης διέγερσης και της τάσης τυμπάνου σε μια μηχανή Συνεχούς Ρεύματος ξένης διέγερσης. Απώτερος στόχος είναι η πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας που αναπτύχθηκε στη διδακτορική διατριβή του Ε. Ρίκου, «Μέθοδοι Εξοικονόμησης Ενέργειας σε Ηλεκτροκίνητα Οχήματα», Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2005. Αρχικά εξετάζονται οι σχέσεις που περιγράφουν τις απώλειες ισχύος που παράγονται κατά τη λειτουργία του ηλεκτροκίνητου οχήματος, καθώς και το πώς μεταβάλλονται αυτές συναρτήσει δύο μεγεθών: του λόγου μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων λ και της μαγνητικής ροής στον κινητήρα CΦ. Όπως αναφέρθηκε, ο κινητήρας με τον οποίο γίνεται η μελέτη είναι κινητήρας συνεχούς ρεύματος, τα αποτελέσματα όμως μπορούν να επεκταθούν και για άλλα είδη κινητήρα, όπως σε τριφασικό ασύγχρονο τροφοδοτούμενο από αντιστροφέα τάσης ελεγχόμενο μέσω της μεθόδου του διανυσματικού ελέγχου. Στη συνέχεια προσδιορίζεται νόμος ελέγχου της μαγνητικής ροής και του λόγου μετάδοσης στο κιβώτιο έτσι ώστε να πετυχαίνουμε τη μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας. Οι βέλτιστες τιμές της μαγνητικής ροής και του λόγου μετάδοσης στο κιβώτιο είναι συναρτήσεις της ταχύτητας του οχήματος και της δύναμης που αυτό δέχεται. Το επόμενο βήμα είναι η επιβεβαίωση της θεωρητικής μελέτης μέσω προσομοίωσης, η οποία γίνεται σε περιβάλλον Matlab/Simulink. Τέλος, μελετάται και κατασκευάζεται στο εργαστήριο η πειραματική διάταξη, με τη χρήση της οποίας διεξάγονται μετρήσεις για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης. / This degree thesis the design discourse the analysis and manufacture of a device for controlling an electric vehicle motor in order to save energy. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The main purpose of this work is the construction of power electronic converters that will allow us to control the excitation voltage and the armature voltage of a separate excitation Direct Current Machine. The ultimate goal is the experimental confirmation of the theory developed in the doctoral thesis of E. Ricos, “Methods of Energy Saving in Electric Vehicles”, University of Patras, Department of Electrical and Computer Engineering, Patras 2005. Initially, we consider the relations describing the power losses generated during the operation of an electric vehicle, and how they vary according to two sizes: the gear ratio λ, and the magnetic flux CΦ of the motor. As mentioned, the engine of making this study is a DC motor, but the results can be extended to other types of motors such as asynchronous three-phase voltage supplied from inverter controlled by the method of vector control. Then, we determine control laws for the magnetic flux and the transmission ratio in the gearbox so that we achieve maximum energy savings. The best values of magnetic flux and the transmission ratio in the box are expected to be functions of the vehicle speed and the force under which the vehicle is subjected. The next step is to confirm the theory by computer simulation, which takes place in an environment of Matlab/Simulink environment. Finally, the design and manufacturing of the laboratory experimental set-up is being studied, in order to carry out the measurements required to confirm and evaluate the theory.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. 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 δημιουργήθηκε ώστε να λειτουργεί με 3 διαφορετικούς τρόπους: α) Μονοφασικό συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής, β) Τριφασικό συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής και γ) Μονοφασικό αυτόνομο. Το σύστημα που δημιουργήσαμε αποτελείται από μία φωτοβολταϊκη συστοιχία με ονομαστική ισχύ 2880 W, τρείς αντιστροφείς συνδεδεμένου συστήματος και ένα αντιστροφέα αυτόνομου συστήματος. Ακόμη για τη σωστή εγκατάσταση χρησιμοποιήσαμε κατάλληλα προστατευτικά στοιχεία, βάσεις, καλώδια και συσσωρευτές. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή για την ενέργεια και τη χρησιμοποίηση της από τον άνθρωπο και περιγράφεται η ηλεκτροπαραγωγή, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και τα βασικά στοιχεία του ηλεκτρικού συστήματος στην Ελλάδα για το 2009. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς επίσης και ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται ο βέλτιστος τρόπος τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στο τρίτο κεφάλαιο, εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων, αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών στοιχείων που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στα είδη των μετατροπέων ισχύος και στο βαθμό απόδοσης τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρατίθενται οι γενικές αρχές δημιουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και παρουσιάζονται τα είδη των Φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μελέτη, ο τρόπος λειτουργίας και ο εξοπλισμός του συστήματος που εγκαταστάθηκε στο Εργαστήριο. Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν και τα σχετικά διαγράμματα, ο σχολιασμός τους όπως επίσης και ο τρόπος καταγραφής τους. Στο όγδοο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στις δυσκολίες που παρουσιάστηκαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. / The present thesis is concerned with the design and installation of a photovoltaic system. The work was conducted at the Power systems Laboratory of the Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The objective of this thesis is the installation of the equipment and the study of the system, set up to work in three different ways: a) Single-phase grid connected, b) Three-phase grid connected and c) Single phase stand-alone. The photovoltaic system that was installed in the laboratory consists of a photovoltaic array with rated power 2880W, 3 inverters for a grid connected system and 1 inverter for a stand-alone system. In addition, cables, protective equipment, mounting bases and batteries were used. The first chapter is an introduction to energy and describes the power production, the renewable energy sources and the basic information of the electrical system of Greece in 2009. The second chapter presents the features of solar radiation, and the optimal method for the mounting of the modules. The third chapter explains the way that the operation of a photovoltaic cell, analyses the electric characteristics and reports the various technologies of the photovoltaics. The fourth chapter analyses the types of the power converters and their efficiency. The fifth chapter presents the general principles of creating a photovoltaic system, the way of their connection, and presents the types of Photovoltaic systems. The sixth chapter presents the way of operation and the equipment of the photovoltaic system that was installed in the Laboratory. The seventh chapter explains the details of the present study regarding the mode of operation and the equipment of the system that was installed in the Lab, showing the relevant measurements and charts. The eighth chapter is a reference to the difficulties encountered throughout the implementation of the project.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος θα αποτελέσει μέρος ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος με πηγή ενέργειας μία συσκευή κυψελών καυσίμου (fuel cells). Συγκεκριμένα πρόκειται για ένα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, με διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων (2-channel interleaved boost converter). Η είσοδος του μετατροπέα συνδέεται στην πηγή των κυψελών καυσίμου με σκοπό να ανυψώσει τη συνεχή αλλά μεταβλητή τάση που παράγει αυτή και να τη σταθεροποιήσει στα 50V. Στην έξοδο αυτού του μετατροπέα πρόκειται να συνδεθεί ένας αντιστροφέας για την οδήγηση τριφασικού σύγχρονου κινητήρα με μόνιμους μαγνήτες (BLDC), ο οποίος αποτελεί αντικείμενο άλλης διπλωματικής εργασίας, που εκπονείται στο Εργαστήριο. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού χρειάστηκε θεωρητική μελέτη των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς τάσης αλλά και της πηγής κυψελών καυσίμου. Στη μελέτη βοήθησε το πρόγραμμα εξομοίωσης, με το οποίο εξομοιώθηκαν εκτός από το προαναφερθέν τελικό σύστημα και διάφορα άλλα συστήματα που αποτέλεσαν ιδέες για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Έπειτα ακολούθησε η κατασκευή της διάταξης και η διεξαγωγή πλήθους πειραματικών δοκιμών. / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a power electronic boost converter. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineering of University of Patras. The main purpose of this work is the analysis and construction of a power electronic converter that will be part of an electric propulsion system which has a fuel cell stack as an electrical power source. Particularly, this power electronic converter is a two channel interleaved boost converter. This converter is connected to the fuel cells in order to boost and stabilize the unregulated voltage which they produce. At the output of this converter it will be connected an electronic power inverter which will drive a brushless DC motor (BLDC). For the accomplishment of this purpose, the study of both switching power supplies and fuel cells was needed. At this analysis the system was designed at a simulation program which gave useful information about the system operation. After the system simulation the converter was constructed and the entire system was set up in order to carry out the required experiments and measurements.

Τα τελευταία χρόνια οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ένας τομέας που παρουσιάζει αλματώδη ανάπτυξη. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ενέργεια, αλλά και σε θέματα προστασίας του περιβάλλοντος, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη αυτή. Στην εργασία αυτή γίνεται μελέτη των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στους μετατροπείς ισχύος, για σύνδεση ανανεώσιμων συστημάτων παραγωγής ενέργειας στο δίκτυο. Αρχικά, θα παρουσιαστούν τοπολογίες μετατροπέων ισχύος για σύνδεση με το δίκτυο φωτοβολταικών (ΦΒ) συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Ο μετατροπέας ισχύος, που λειτουργεί ως αντιστροφέας στην περίπτωση σύνδεσης με το δίκτυο ΦΒ συστημάτων, είναι το κυριότερο στοιχείο του συστήματος γιατί μετατρέπει την DC ισχύ που παράγεται από το ΦΒ σύστημα σε AC ισχύ, που παρέχεται στο δίκτυο. Για τη σύνδεση διανεμημένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας με το δίκτυο πρέπει να πληρούνται ορισμένες προϋποθέσεις, έτσι ώστε να διασφαλισθεί ασφαλής και συνεχής ροή ισχύος στο δίκτυο. Οι προϋποθέσεις που απαιτούνται παρουσιάζονται στο δεύτερο κεφάλαιο. Το ηλεκτρικό δίκτυο είναι ένα δυναμικό σύστημα, του οποίου η συμπεριφορά εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Συνεπώς, οι συδεδεμένοι στο δίκτυο μετατροπείς ισχύος θα πρέπει να είναι σχεδιασμένοι έτσι ώστε να εγγυώνται σταθερή λειτουργία υπό κανονικές συνθήκες τάσης. Ακόμα, πολύ σημαντικός είναι και ο σχεδιασμός αλγόριθμων ελέγχου οι οποίοι εγγυώνται ασφαλή και σθεναρή λειτουργία κατά τη διάρκεια σφαλμάτων. Η AC ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο, υπό κανονικές συνθήκες, πρέπει να είναι συγχρονισμένη με αυτό. Οι μέθοδοι συγχρονισμού του AC ρεύματος του μετατροπέα, που παρέχει την ισχύ στο δίκτυο, παρουσιάζονται στο τρίτο κεφάλαιο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης. Δίνονται λόγοι για τους οποίους το φαινόμενο αυτό είναι ανεπιθύμητο σε ΦΒ συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τεχνολογίες που ανιχνεύουν το φαινόμενο ώστε να αποσυνδέσουν το σύστημα από το δίκτυο. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται στρατηγικές υλοποίησης ελεγκτών, ώστε υπό μη κανονικές συνθήκες οι μετατροπείς ισχύος να παρέχουν την απαιτούμενη στήριξη στο δίκτυο. / In the last few years, renewable energy sources have experienced swift growth, due to the evergrowing needs for energy and environmental concerns. In the present, the technologies used in grid connected power converters for renewable energy sources are studied. In the first chapter, widely used topologies for grid connected power converters, mainly used in photovoltaic (PV) systems, are presented. The power converter, which in this case functions as an inverter, is the key element in grid connected PV systems. This is beacause it is used to convert the DC power generated by PV panels into grid-synchronized AC power. Grid connected PV systems have to comply with requirements, so that safe and seamless tranfer of electrical energy is ensured. These requiremnts are presented in the second chapter. The electrical grid is a dynamical system, whose behaviour depends upon many factors. As a consequence, grid connected power converters should be designed in such way, so that proper operation under generic grid voltage conditions is guaranteed. Furthermore, control algorithms which can guarantee a robust and safe performane under abnorman grid conditions is a key factor in the design of grid connected power converters. The AC power delivered to the grid from a renewable energy source, under generic grid conditions, should be synchronised with a grid parameter. Grid synchronization methods for the regulation of the AC currents or voltages supplied to the grid by the power converter (in PV systems) are presented in the third chapter. In the fourth chapter, the condition of islanding is presented. The reasons why the islanding condition is unwanted in PV systems are mentioned and anti-islanding methods are discussed. Finally, in the fifth chapter, implementation methods of controllers that can guarantee the support to the grid by the power converter, under unbalanced grid conditions, are presented.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του ανυψωτή τάσης που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Η πρώτη βαθμίδα αποτελεί αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ενώ η δεύτερη υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Γ. Πυρρή. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του ανυψωτή τάσης. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη μεθόδων ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος και η προσομοίωση του συστήματος. Τέλος αναλύουμε τη διαδικασία υλοποίησης του ανυψωτή τάσης και παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / The current thesis deals with the study of a module of a wind generator 1kW with a synchronous permanent magnet machine and a diode rectifier in its output and its interconnection to the low voltage AC grid. Furthermore the thesis deals with the construction of the boost converter that is connected to this topology. This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The outer purpose of this study is the construction of a two-stage topology for the interconnection of the wind genereator to the low voltage grid. The topology consist of a first stage that boosts the voltage of the wind generator while a maximum power point tracking algorithm (MPPT) is executed and of a second stage that converts the direct voltage to alternative (inverter) and maintains the voltage of the link capacitor that is between the two stages with control of the active power that is injected to the grid, while producing current that has the same phase as the voltage grid (unitary power coefficient). The first stage is object of the current thesis, while the second was constructed in the thesis of workmate G.Pyrris. Initially, are represented the advandages and disadvantages of the utilization of the renewable energy sources and especially the wind energy, while different technologies for interpolation of wind generators to the low, medium and high voltage grid are represented and compared in order to give to the reader a global idea of the subject. Consequently a theoretical analysis of all the related modules is cited. Special reference was given to the analysis of the boost converter. Next step was the dimensioning of the whole system, the study of maximum power point tracking methods and the simulation of the system. Finally, the procedure of the boost converter’s construction is elaborated and pulse waves and measurements that were extracted during the experiments that were conducted in laboratory environment are represented .

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της λειτουργίας και τη δημιουργία ενός μικροδικτύου, στο χώρο του Κτηρίου Βαρέων Ηλεκτρολόγων του Πανεπιστημίου Πατρών. Επιπρόσθετα, πραγματεύεται την κατασκευή ενός εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μονοκατοικίας, με στόχο την εξαγωγή συμπερασμάτων από την σύνδεσή του με το μικροδίκτυο. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η διπλωματική εργασία έγινε καθ’ όλη τη διάρκεια σε συνεργασία με τους συναδέλλφους Ψαρά Βασίλειο και Παρασκευά Παύλο. Στο μικροδίκτυο είναι συνδεδεμένα αυτήν τη στιγμή Φ/Β πλαίσια η ισχύς των οποίων είναι 1920Wp, και υπάρχει η δυνατότητα τόσο αυτόνομης όσο και διασυνδεδεμένης λειτουργίας. Το μικροδίκτυο εκτός από την φωτοβολταϊκή συστοιχία, έχει τρεις αντιστροφείς συνδεδεμένου συστήματος, που πραγματοποιούν την αντιστροφή της παραγόμενης από τα φωτοβολταϊκά συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, ένα μετατροπέα αυτόνομου συστήματος, ο οποίος αναλαμβάνει την δημιουργία και τον συνεχή έλεγχο του αυτόνομου συστήματος και τους συσσωρευτές οι οποίοι αξιοποιούνται για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας από τις πηγές παραγωγής ενέργειας του συστήματος. Επίσης, σκοπός της εργασίας είναι η κατασκευή ενός εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μιας μέσης κατοικίας, ώστε μελλοντικά, με πειράματα πάνω σε αυτήν τη διάταξη, να διαστασιολογηθεί ένα μικροδίκτυο το οποίο θα επαρκεί για τη σταθερή, συνεχόμενη και αξιόπιστη κάλυψη της απαιτούμενης ενέργειας μιας μέσης κατοικίας. Αρχικά, παρουσιάζεται το ενεργειακό πρόβλημα, το οποίο εκ φύσεως οδηγεί στην ανεύρεση νέων πηγών ενέργειας. Εν συνεχεία, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και η παρούσα κατάσταση όσον αφορά τη χρησιμοποίησή τους. Κατόπιν, παραθέτουμε τον ορισμό καθώς και τις συνήθεις συνιστώσες ενός μικροδικτύου, αναλύοντας θεωρητικά τις κυριότερες μονάδες παραγωγής, μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, παραθέτουμε μια καταγραφή καθώς και μια ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων του υπάρχοντος μικροδικτύου. Με σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας του, την αξιολόγηση των δυνατοτήτων του και την εκτίμηση της παρούσας κατάστασής του, παρουσιάζονται μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με διάφορα φορτία και εξάγονται κάποια σημαντικά συμπεράσματα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται όλες οι εμπλεκόμενες μονάδες του μικροδικτύου που είναι εγκατεστημένο στο εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας, καθώς και μια σειρά πειραμάτων που διεξήχθησαν. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση τόσο των μετατροπέων ισχύος, όσο και της μεθόδου μέγιστης απομάστευσης ισχύος που χρησιμοποιήθηκε καθώς και του συνολικού συστήματος. Τέλος, αναλύουμε τη διαδικασία υλοποίησης του εξομοιωτή φορτίου, ο οποίος προσομοιώνει ποικίλες οικιακές συσκευές που ελέγχονται από έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή και παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / The current thesis deals with the study of the operation, as well as the construction of a typical microgrid. Furthermore, the thesis deals with the construction of a resistive-inductive load that emulates the energy consumption of a household. This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The outer purpose of this study is the construction a resistive-inductive load that simulates the energy consumption of a household. The device uses a programmable logic controller (PLC) in order to implement the necessary automation. The main subject of this current thesis was the programming of the PLC and the emulation of the daily operation of electrical devices of a household. Once completed, it will be possible to connect this load emulator to a microgrid so as to optimize its performance and study its operational behavior. This whole thesis was fulfilled through continuous cooperation with colleagues Paraskeuas Paulos and Psaras Vasileios. Initially, the energy problem is presented, a fact that naturally leads to the finding of new energy sources. In addition, the advantages and disadvantages of renewable energy sources are discussed as well as the current state regarding their utilization. Afterwards, the definition and the common components of a microgrid are presented through theoretical analysis of all the related units (energy production, conversion and storage units). Moreover, every installed unit of an existing microgrid in the laboratory is mentioned and analyzed. Aiming to study its operation, evaluate its capabilities and estimate its present state, measurements with varying loads are cited. . The profile and size of a typical energy consumption of a household are presented. Given that, the final choice of the emulation method in laboratory environment was made, using appropriate passive elements (resistors, inductors). Finally, the energy consumption of the load emulator is presented, as it was recorded through the connection to the utility grid, and certain conclusions concerning its operation are made.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται μελέτη της επίδρασης ενός συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο μέσης τάσης, όσον αφορά την έγχυση αρμονικών από την ανεμογεννήτρια προς το δίκτυο. Η μελέτη περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση κάθε τμήματος ενός δικτύου μέσης τάσης με πραγματικά στοιχεία που πάρθηκαν από τη ΔΕΗ. Επιπλέον, μοντελοποιείται μια ανεμογεννήτρια τύπου σύγχρονης μόνιμων μαγνητών, καθώς και όλοι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που απαιτούνται για τη διασύνδεση αυτής με το δίκτυο μέσης τάσης. Όλα τα επιμέρους μοντέλα διασυνδέονται μεταξύ τους ώστε να αποτελέσουν το συνολικό μοντέλο που περιλαμβάνει το δίκτυο μέσης τάσης με τις γραμμές μεταφοράς, τους μετασχηματιστές, τα φορτία και τους πυκνωτές αντιστάθμισης που διαθέτει και την ανεμογεννήτρια μαζί με τους μετατροπείς συνδεδεμένη σε ένα ζυγό του δικτύου. Από το μοντέλο αυτό εξάγεται το αρμονικό περιεχόμενο τόσο στο ζυγό της ανεμογεννήτριας όσο και σε διπλανούς ζυγούς και συγκρίνεται κάθε φορά με το πρότυπο IEC 61000-3-6 που θέτει τα όρια για την έγχυση αρμονικών στο δίκτυο μέσης τάσης. Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας έναντι των άλλων συμβατικών μορφών ενέργειας. Επιπλέον, αναφέρονται τα προβλήματα που δημιουργούνται από την παρουσία ανώτερων αρμονικών στο δίκτυο. Έπειτα, πραγματοποιείται θεωρητική ανάλυση κάθε τμήματος του δικτύου μέσης τάσης. Για κάθε τμήμα δημιουργείται, επίσης, ένα μοντέλο στο Matlab/Simulink που βασίζεται σε στοιχεία από τη ΔΕΗ και εξισώσεις που αφορούν το εκάστοτε τμήμα. Στη συνέχεια, αναλύεται και μοντελοποιείται στο Matlab/Simulink και κάθε τμήμα του συστήματος διασύνδεσης της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο μέσης τάσης που περιλαμβάνει την ανεμογεννήτρια τύπου σύγχρονης μόνιμων μαγνητών, ανορθωτική διάταξη, μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, τριφασικό αντιστροφέα, φίλτρο και μετασχηματιστή. Για κάθε μετατροπέα αναλύεται και μοντελοποιείται και έλεγχος κλειστού βρόχου. Τέλος, τα επιμέρους μοντέλα συγκροτούνται σε ένα συνολικό μοντέλο. Μεταβάλλοντας το συντελεστή φόρτισης των μετασχηματιστών του δικτύου, το συντελεστή ισχύος και το πλήθος των ανεμογεννητριών που συνδέονται στον ίδιο ζυγό, εξάγεται το αρμονικό περιεχόμενο για διάφορους ζυγούς και ελέγχεται αν αυτό συμφωνεί με το πρότυπο IEC 61000-3-6. Επιπλέον, εξετάζεται το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης, όταν ο ζυγός διασύνδεσης αλλάζει θέση μέσα στο υπό μελέτη δίκτυο, καθώς και όταν αλλάζει η ταχύτητα του ανέμου. / In the present diploma thesis a study of the effect of a wind turbine system interconnection with medium voltage grid is conducted, in terms of harmonic injection of the turbine to the grid. The study includes the modeling of each part of a medium voltage grid with actual data taken from the Public Power Corporation of Greece. Furthermore, a synchronous wind turbine with permanent magnets is modeled along with all the electronic power converters that are required for the interconnection with the medium voltage grid. All the individual models are connected together to form the overall model, including the medium voltage transmission lines, transformers, loads and their compensation capacitors, along with the wind turbine and the power converters. The wind turbine is connected in a bus of the medium voltage grid. Then, the harmonic content in both the bus of the wind turbine and in other buses of the grid is extracted and compared with the standard IEC 61000-3-6 that sets the limits for harmonic injection in medium voltage grid. Initially, the advantages of use of wind energy are mentioned compared to other conventional forms of energy. Furthermore, the problems caused by the presence of harmonics in the grid are discussed. A theoretical analysis of each section of the medium voltage grid is conducted. For each section, a model in Matlab / Simulink is also created, based on data from the Public Power Corporation of Greece and on equations related to each section. Then, every part of the system connecting the wind turbine to the medium voltage grid is analyzed and modeled in Matlab/Simulink. This system consists of a synchronous wind turbine with permanent magnets, DC-to-DC converter, three-phase inverter, filter and transformer. A closed loop control for each converter is also analyzed and modeled. Finally, the aforementioned models are built up into one single model. By varying the load factor of the grid transformers, the power factor and the number of wind turbines connected to the same bus, the harmonic content of various buses is extracted and checked if it complies with the standard IEC 61000-3-6. Moreover, the harmonic content of the voltage is calculated, when the system of wind turbine changes position in the present medium voltage grid, as well as when the wind speed is changed.

Στις μέρες μας οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες, καθώς και η απαίτηση των κοινωνιών για ένα πιο καθαρό περιβάλλον, έχουν κάνει τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όλο και πιο ελκυστικές ως προς την εκμετάλλευση τους. Η αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος. Η τεχνολογία των αιολικών συστημάτων αναπτύσσεται συνεχώς ,με αποτέλεσμα να υπάρχουν διάφορες κατηγορίες αυτών, ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζονται. Στην παρούσα διπλωματική μου εργασία, μελετάται ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μία παραλλαγή της επαγωγικής μηχανής Διπλής Τροφοδοσίας. Η διαφοροποίηση του έγκειται στον επιπλέον dc/ac μετατροπέα που χρησιμοποιείται, προκειμένου να ελέγξουμε την τάση που μπορεί να δει ο στάτης. Μ΄ αυτό τον τρόπο, το αιολικό σύστημα μιας γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας γίνεται ακόμα πιο αξιόπιστο, συνεχίζοντας την παραγωγή ισχύος και παραμένοντας συνδεδεμένο με το δίκτυο σε περίπτωση σφάλματος στην πλευρά του δικτύου. Στη μελέτη αυτή, αφού εξαγάγαμε το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος και το προσομοιώσαμε σε περιβάλλον Matlab - Simulink, δοκιμάσαμε το σύστημα σε συνθήκες ύπαρξης σφάλματος στο δίκτυο. Στο σύστημα εφαρμόστηκαν κλασικές τεχνικές ελέγχου,με στόχο τη διατήρηση της μέγιστης απομάστευσης ισχύος από το σύστημα, την αύξηση της αντοχής του σε σφάλματα από την πλευρά του δικτύου, καθώς και τη μη αποσύνδεση του συστήματος από το δίκτυο σε μία τέτοια περίπτωση. Τέλος, συγκρίναμε τη συμπεριφορά αυτού του συστήματος με τη συμπεριφορά ενός κλασικού αιολικού συστήματος με επαγωγική γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας και παραθέσαμε τις διαφορές. / The increasingly energy demands in our days and also the modern societies demand for a greener environment, have made the electrical energy production from renewable energy sources more attractive. The use of wind energy in the electrical energy production is having more and more fervent supporters. The technology and the types of the wind systems varies, depending on the use and the environmental conditions. In my diploma thesis I designed, we will study a variation of a wind system with a variable speed operation with a Doubly Fed Induction Generator. In this system we also use a dc/ac converter in order to control the voltage which the stator can “see”. Using this converter the wind system with a DFIG is more reliable and remains connected to the ac grid, maintaining the maximum power production, in case of a fault on grid side. In this thesis, after we made the mathematical model with a great accuracy and simulated using Matlab - Simulink, we tested it under conditions of different voltage sags from the side of the grid. In order to control the system and maintaining the power production power at the maximum level, we used classic control methods, and as a result, we achieved to keep the maximum level of power production and to keep the wind system connected to the grid in a scenario of a grid side fault. Finally, we compared the behavior of the system we designed with the wind system with the classic DFIG and we presented the differences.

Η θεματολογία της εργασίας αυτής περιλαμβάνει την υβριδική τεχνολογία στην αυτοκίνηση. Γίνεται μία εκτεταμένη ανάλυση των υβριδικών οχημάτων, αρχικά κάνοντας αναφορά στην ιστορία των υβριδικών και μη οχημάτων και έπειτα στα περιβαλλοντικά θεμάτα που τα έφεραν στο προσκήνιο. Η ανάλυση περιλαμβάνει επίσης την μελέτη των διαφόρων κατηγοριών υβριδικών οχημάτων, την εξέταση των κατασκευαστικών μερών τους και κλείνει με την παρουσίαση κάποιων χαρακτηριστικών οχημάτων που βγήκαν στην παραγωγή. Στη συνέχεια, η εργασία περνά στο πειραματικό της στάδιο, που περιλαμβάνει τη μελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος για εφαρμογή σε πειραματικό όχημα. Το όχημα μετά τις επεμβάσεις θα είναι υβριδικό, κάνοντας χρήση δύο πηγών ενέργειας, ορυκτά καύσιμα και ηλεκτρισμό. Έγινε η προμήθεια του οχήματος και των απαραίτητων μερών του συστήματος δηλαδή ενός ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα και των μπαταριών, που είναι τύπου οξέος-μολύβδου. Ακολούθησαν μηχανολογικές μετατροπές στο αμάξωμα ώστε να δεχθεί το πρόσθετο σύστημα μετάδοσης κίνησης, οι οποίες και αναλύονται. Παράλληλα βρίσκονταν σε εξέλιξη οι μετατροπείς ισχύος που απαιτούνται στο σύστημα ηλεκτρικής κίνησης για να προσαρμόσουν τα ηλεκτρικά μεγέθη κατάλληλα ώστε να επιτρέψουν την ροή ισχύος από τις μπαταρίες προς τον κινητήρα, κατά την επιτάχυνση του οχήματος, και την επιστροφή ενέργειας στις μπαταρίες από τη μηχανή, που λειτουργεί ως γεννήτρια λαμβάνοντας ενέργεια από την κινητική του οχήματος. Οι απαιτούμενοι μετατροπείς είναι ένας αμφικατευθυντήριος μετατροπέας ανύψωσης – υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή και ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη, ή πιο απλά τριφασικός αντιστροφέας. Ο δεύτερος μετατροπέας πραγματοποιεί και τον έλεγχο της ροπής που παράγει σε κάθε στιγμή ο κινητήρας μέσω της μεθόδου του Άμεσου Έλεγχου Ροπής (DTC). Περιγράφονται οι μεθοδολογίες ελέγχου των τριφασικών ασύγχρονων κινητήρων και γίνεται λεπτομερής ανάλυση της χρησιμοποιούμενης μεθόδου. Στο τελευταίο τμήμα περιγράφονται οι πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν με το σύστημα που κατασκευάστηκε, στον εργαστηριακό πάγκο και επί του οχήματος της εφαρμογής. Τέλος, γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. / The subject of this work includes the use of hybrid technology in automotive. An extensive analysis of hybrid vehicles is carried out, referring to the history of hybrid and other vehicles and then to the environmental matters that brought hybrids to the fore. The analysis also includes the study of different types of hybrid vehicles, examining their components and ends with the presentation of some remarkable vehicles that have been produced. The work then passes into the experimental phase, involving the design and construction of an electric system to be applied in a conventional vehicle. The vehicle is meant to function as a hybrid, using two energy sources, fossil fuels and electricity. For the reason, a vehicle has been supplied along with the necessary parts of the system, which consist of an asynchronous electric motor and lead acid batteries. Mechanical modifications that were made to the chassis to accept the additional drivetrain are discussed in detail. The construction of the necessary power converters is carried out in parallel. Their purpose is to adjust the electrical values in order to allow the flow of power from the batteries to the engine during acceleration of the vehicle and return energy to the batteries from the electrical machine, which acts as generator powered from the vehicle’s wheels.. The required converters are: a bi-directional buck/boost DC to DC converter and a three-phase DC to AC converter, which is simply described as inverter. The second converter also performs the control of the torque produced at any time from the engine, using Direct Torque Control (DTC). Alternate methodologies are also described, while the used technique is fully analyzed. The final section describes the experimental procedures performed to the constructed systems. At first they are tested in the laboratory and afterwards they are applied on the vehicle. Finally, an analysis of the results is performed.