Η εμπειρία έχει δείξει ότι στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, η μπαταρία είναι το πιο αδύναμο στοιχείο αφού το προσδόκιμο ζωής της είναι συνήθως αρκετά μικρότερο από ότι όλων των άλλων στοιχείων του συστήματος και για το λόγο αυτό είναι και το πιο ακριβό στοιχείο με το 30% ή και περισσότερο του κόστους ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος καθ’όλη τη διάρκεια της ζωής του να οφείλεται στο σύστημα αποθήκευσης. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η μελέτη των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (που είναι ο βασικός τύπος μπαταριών που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση στα φωτοβολταϊκά συστήματα) και οι τρόποι αντιμετώπισής τους με σκοπό αφενός την επέκταση της διάρκειας της χρήσιμης ζωής των μπαταριών αυτών και αφετέρου τη μείωση του κόστους συντήρησης και αντικατάστασής τους. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στο πρόβλημα της θειίκωσης, το οποίο έχει αποδειχθεί ο σημαντικότερος παράγοντας γήρανσης και τελικά καταστροφής της πλειοψηφίας των μπαταριών μολύβδου οξέος που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα και παρουσιάζονται τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη και την αντιμετώπιση του πολύ σοβαρού αυτού προβλήματος. / Experience has shown that in stand alone photovoltaic systems, battery is the weakest element since its expected lifetime is usually considerably smaller than those of other elements. Thus its cost is the most expensive with 30% or above of the total cost of stand alone photovoltaic system throughout its whole lifespan. Subject of this dissertation is the study of problems that lead acid batteries face and the way to treat them. The aim is to extend their useful lifetime and the reduction of the cost of maintenance and replacement. The problem of sulphation is given special importance, since it has been proved that it constitutes the main aging factor for the majority of lead acid batteries used in photovoltaic systems. Suggestions for treatment are given.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται επισκόπηση των βασικών τεχνολογιών επαναφορτιζόμενων και μη μπαταριών και στη συνέχεια μέσω της τεχνολογίας ενσωματωμένων συστημάτων παρουσιάζεται η υλοποίηση με λογισμικό πάνω σε έναν μικροελεγκτή ARM7 της Analog Devices, ενός φορτιστή μπαταριών τύπου NiMH. / In the following diploma thesis appears an overview of basic technologies of the rechargeable and non rechargeable batteries and then through technology of embedded systems shows the implementation with software on a microcontroller ARM7 of Analog Devices, of a NiMH battery charger.

Η παρούσα διπλωματική αφορά την δυναμική ανάλυση ενός μικροδικτύου και των στοιχείων που το αποτελούν. Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση ενός υβριδικού μικροδικτύου, με φωτοβολταϊκή μονάδα και συσσωρευτή, καθώς και ηλεκτρονικούς μετατροπείς. Η μοντελοποίηση μεταφέρεται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή με την βοήθεια του λογισμικού ‘Simulink’, για την εξαγωγή και μελέτη των αποτελεσμάτων και των γραφικών παραστάσεων. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη κατανεμημένη παραγωγή. Αναφέρεται ο ορισμός της, μερικά ιστορικά στοιχεία και οι λόγοι που οδηγούν στην ραγδαία ανάπτυξή της. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα χαρακτηριστικά του μικροδικτύου. Η θέση εγκατάστασης, η διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο και οι επιπτώσεις του σε αυτό. Επίσης, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μικροδικτύων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας σε ένα μικροδίκτυο, δίνοντας περισσότερη έμφαση στα φωτοβολταϊκά, που θα χρησιμοποιηθούν και στο μικροδίκτυο που θα μοντελοποιηθεί. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται οι μονάδες αποθήκευσης που χρησιμοποιούνται σε ένα μικροδίκτυο, δίνοντας περισσότερη έμφαση στους συσσωρευτές(μπαταρίες). Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ενός μικροδικτύου και μερικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας τους. Περισσότερη έμφαση δίνεται στους DC/DC μετατροπείς. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η μοντελοποίηση ενός υβριδικού μικροδικτύου με κύρια πηγή μια φωτοβολταϊκή διάταξη και δευτερεύουσα μια μπαταρία ιόντων λιθίου. Χρησιμοποιούνται ακόμα δύο ηλεκτρονικοί μετατροπείς συνεχούς. Η 6 μαθηματική ανάλυση έγινε με τις εξισώσεις Euler-Lagrange. Για τον έλεγχο χρησιμοποιήθηκαν δύο PI ελεγκτές. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του μικροδικτύου με το λογισμικό ‘Simulink’ και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της λειτουργίας μαζί με τον σχολιασμό τους. / This thesis concerns the dynamic analysis of a microgrid and its constituent elements. It presents the modeling of a hybrid microgrid with battery and PV module, as well as electronic converters. The modeling is transferred to PC with the help of 'Simulink' software, to extract and study the results and the graphs of the different variables. The first chapter is an introduction to distributed generation. It presents the definition, some historical facts and the reasons leading to its rapid development. The second chapter analyzes the characteristics of the microgrid, such as the installation, the connection to the main grid and the impact on it. They are, also, presented the advantages and disadvantages of microgrids. In the third chapter are presented the various energy generation technologies in a microgrid, with an extended reference on photovoltaics, which will be used in the microgrid modeled in this thesis. In the fourth chapter are presented the storage units used in a microgrid, emphasizing on the batteries. The fifth chapter concerns the electronic converters used in a microgrid and some features of their operation. The DC/DC converters are studied in depth. The sixth chapter consists of the modeling of a hybrid microgrid using a photovoltaic array as primary source and a lithium-ion battery as a secondary one. In addition, two DC/DC converters are used. The mathematical analysis was done with the equations Euler-Lagrange. Also, two PI controllers are used. 7 Finally, in the seventh chapter, the simulation of the microgrid is performed with the software 'Simulink' and the results are presented alongside with commentary.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.