Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της έννοιας «ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος» σε ότι έχει να κάνει με τον ορισμό της έννοιας, παραδείγματα προβλημάτων ποιότητας ισχύος στο δίκτυο και σε ηλεκτρικά συστήματα καθώς και ανάλυση των αιτιών και των επιπτώσεων των προβλημάτων αυτών. Επίσης γίνεται μελέτη των απαιτήσεων γείωσης, ώστε να εξασφαλίζεται η αξιοπιστία του συστήματος και κατ΄επέκταση η ποιότητα ισχύος σε ηλεκτρικά συστήματα. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στην έννοια της αξιοπιστίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, των κριτηρίων που την εξασφαλίζουν, καθώς και τη σημασία που αυτή έχει για το σχεδιασμό των σύγχρονων συστημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο ορίζεται η έννοια της ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος, ενώ αναφέρονται και χαρακτηριστικά παραδείγματα μέσα από τα οποία εμφανίζεται. Επιπλέον παρουσιάζονται τα αίτια πρόκλησης του κάθε προβλήματος και των επιπτώσεων που φέρουν αυτά στα φορτία του συστήματος. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των αιτιών προβλημάτων αξιοπιστίας των συστημάτων, τα οποία επηρεάζουν την ποιότητα ισχύος και οδηγούν σε διακοπές τροφοδοσίας. Τα προβλήματα αυτά οφείλονται σε σφάλματα του εξοπλισμού των συστημάτων διανομής αλλά και σε εξωτερικούς παράγοντες όπως είναι η ίδια η φύση, οι καιρικές συνθήκες και η ανθρώπινη αμέλεια. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζεται η έννοια της ποιότητας ισχύος στο σύστημα διανομής του εξηλεκτρισμένου πλοίου καθώς και σε αιολικά πάρκα κατά την ενσωμάτωση ανεμογεννητριών στο δίκτυο. Παρουσιάζονται προβλήματα ποιότητας ισχύος, καθώς και οι αιτίες πρόκλησής τους με τις αντίστοιχες επιπτώσεις. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικές έννοιες για τις γειώσεις, τρόποι γείωσης σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις χαμηλής και μέσης τάσης, κατηγορίες ηλεκτροδίων γείωσης και τέλος μελέτη της αντίστασης γείωσης και των παραγόντων εξάρτησής της. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποιες γενικές απαιτήσεις γειώσεων του εξοπλισμού ηλεκτρικών εγκαταστάσεων σχετικά με την επιλογή των αγωγών και τις καλύτερες δυνατές συνδεσμολογίες. Επίσης αναφέρονται προβλήματα λόγω μη αξιόπιστης γείωσης και τέλος γίνεται μελέτη του συστήματος γείωσης ενός αιολικού πάρκου για διάφορους τρόπους σχεδιασμού αυτού του συστήματος. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται απαιτήσεις γείωσης και διασυνδέσεων στον εξοπλισμό του συστήματος διανομής ενός εξηλεκτρισμένου πλοίου. Στο όγδοο κεφάλαιο παραθέτονται τα συμπεράσματα της παραπάνω μελέτης σε σχέση με την απαιτούμενη ποιότητα ισχύος και την αποτελεσματική γείωση των συστημάτων. / The purpose of the paper is to study the concept of “power quality” as regards its definition, examples of power quality problems in grid and electrical systems as well as the analysis at the causes and impacts of these problems. Besides, we are going to study grounding requirements to ensure the system’s reliability and, thus, the power quality in electrical systems. The first chapter refers to the concept of reliability of power systems, the criteria to ensure it and its importance in designing modern power systems. The second chapter defines the concept of power quality and mentions examples through which it appears. Besides, there is a presentation of the causes of each problem and its impacts on the loads of electrical systems. The third chapter analyzes the system’s reliability problems which affect the power quality and lead to power outage. These problems are due to the faults in the equipment of distribution systems and other factors such as the nature itself, the weather and human negligence. The fourth chapter examines the concept of power quality in the distribution system of an all-electric ship and in wind farms in integrating wind turbines into the grid. There is also a presentation of power quality problems, their causes and effects. The fifth chapter presents general concepts of grounding, ground methods in low and middle voltage electrical installations, categories of ground electrodes and, finally, the study of grounding resistance and the factors on which it depends. The sixth chapter presents some general requirements for the grounding of the equipment of electrical installations regarding the selection of conductors and the best possible connections. It also mentions problems due to unreliable grounding and, finally, it studies the grounding system of a wind farm for different ways of the design of this system. The seventh chapter presents grounding and connection requirements in the equipment of the distribution system of an all-electric ship. The eighth chapter presents the conclusions of the study above in correlation with the required power quality and the effective grounding of the systems.

Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, η άεργος ισχύς που παράγουν τα αιολικά πάρκα είναι ένα πολύ σοβαρό ζήτημα που πρέπει να μελετηθεί τόσο στη μόνιμη κατάσταση όσο και στη δυναμική και μεταβατική μετά από σφάλματα και μεγάλες διαταραχές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την κατανεμημένη παραγωγή και ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και τα όρια που παρουσιάζει η λειτουργία της από περιοριστικούς παράγοντες όπως: 1) ρεύμα του στάτη, 2) τάση του δρομέα, 3) ρεύμα του δρομέα. Αρχικά μελετάται η γενική δομή ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά του δικτύου. Περιγράφεται επίσης σύντομα η κανονική λειτουργία και η ευστάθεια των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και πως μπορεί να γίνει ρύθμιση της τάσης και της αέργου ισχύος δύο μεγεθών με ισχυρή συσχέτιση. Στην συνέχεια προχωράμε στην περιγραφή της διεσπαρμένης παραγωγής και την διείσδυσή της στο δίκτυο. Παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα καθώς και τα μειονεκτήματά της όπου αυτά υπάρχουν και περιγράφονται κάποια πολύ βασικά είδη της δίνοντας έμφαση στα είδη των ανεμογεννητριών. Στο κύριο μέρος της εργασίας περιγράφεται αρχικά το μοντέλο της ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και παρουσιάζεται η θεωρητική επίδραση των παραπάνω περιοριστικών παραγόντων στην λειτουργία της. Στόχος της μελέτης είναι η προσομοίωση των παράπάνω σε μια πραγματική μηχανή κάτι που γίνεται στο Simulink του Matlab. Α) παρουσίαζονται τα όρια από τους τρείς περιοριστικούς παράγοντες. Β) περιγράφεται η επίδραση του μετασχηματισμού από αστέρα σε τρίγωνο στα τυλίγματα του στάτη. Γ) Σχεδιάζονται όλα τα όρια μαζί και παρατηρούμε ότι το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την παραγωγή αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του δρομέα ενώ το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την απορρόφηση αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του στάτη. Δ) Τέλος παρατηρούμε ότι η τάση του δρομέα επιδρά σαν όριο μόνο σε μεγάλες τιμές της ολίσθησης (είτε αρνητικής είτε θετικής ), αλλά κοντά στα όριά της είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές της τιμής της ολίσθησης. / In the modern regulations of transport of energy, reactive power by wind farms is a major concern that should be studied during both steady-state and dynamic-fault condition. This diploma thesis forms the distribution systems and particular weight is given in the wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and the operation limits from these factors: 1) stator current, 2) rotor voltage, 3) rotor current . Initially is studied the general structure of system of electric energy and the basic characteristics of the grid. Also are shortly described the regular operation and the stability of systems of electric and the regulation of voltage and reactive power- two sizes with powerful cross-correlation . Then we are going on with the description of distribution systems and the impact that wind turbines have in the grid where were connected. The advantages are presented as well as the disadvantages where these exist and we describe some of the very basic types of distributed generation giving accent in the types of wind generators. In the main part of work is described initially the model of wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and is presented the effect of the restrictive factors in the operation. Objective of study is the simulation in a real machine something that becomes in the Simulink of Matlab. A) The limitations in reactive power production, caused by the rotor current, the rotor voltage and the stator current are derived. B) The influence of switching from D to Y coupling of the stator is investigated. C) It is concluded that the limiting factor regarding reactive power production will typically be the rotor current limit, and that the limit for reactive power absorption will be the stator current limit. D) Further, it is concluded that the rotor voltage will only have a limiting effect at high positive and negative slips, but near the limitation, the reactive power capability is very sensitive to small changes in the slip.

Η παρούσα διπλωματική εργασία καταπιάνεται με τα προβλήματα Ποιότητας Ισχύος των Συστημά- των Ηλεκτρικής Ενέργειας και ειδικότερα με τη διαταραχή της Αρμονικής Παραμόρφωσης. Συγκεκρι- μένα με τη διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και την τάση για Κατανεμημένη Παραγωγή Ενέργειας αυξήθηκε το ενδιαφέρον για την Ποιότητα Ισχύος των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. Οι βασικές εξελίξεις στο πεδίο της ενέργειας και ο εκσυγχρονισμός του εξοπλισμού κυρίαρχα με τη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος αποτέλεσαν αιτία για έγχυση ανώτερων αρμονικών στο ηλεκτρικό δίκτυο. Επιδίωξη της διπλωματικής εργασίας είναι να εισάγει τον αναγνώστη στις βασικές έννοιες των Αρμονικών και της Ποιότητας Ισχύος, καθώς και να παρουσιάσει τη μελέτη έγχυσης αρμονικών μιας κατανεμημένης παραγωγής, συγκεκριμένα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, όταν αυτή συνδέεται με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Αναλυτικότερα, αναπτύσσεται η έννοια της Ποιότητας Ισχύος και κατηγοριο- ποιούνται τα προβλήματα Ποιότητας Ισχύος που εμφανίζονται σε ένα ΣΗΕ. Περιγράφεται λεπτομερώς το πρόβλημα της Αρμονικής Παραμόρφωσης της τάσης και του ρεύματος λόγω της μη γραμμικής συ- μπεριφοράς των φορτίων, παρουσιάζεται η θεωρία ισχύος υπό την παρουσία ανώτερων αρμονικών, καθώς επίσης παρατίθεται η ανάλυση Fourier ως βοηθητικό και χρήσιμο εργαλείο για την ανάλυση του φασματικού περιεχομένου ενός σήματος τάσης/ρεύματος. Στη συνέχεια αναλύεται ο όρος της Κατανε- μημένης Παραγωγής και παρουσιάζονται οι βασικές ανανεώσιμες και μη-συμβατικές πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε συστήματα Κατανεμημένης Παραγωγής Ενέργειας, υπό το πρίσμα στατιστι- κών στοιχείων για την παγκόσμια ενεργειακή κατάσταση. Για την εξυπηρέτηση των στόχων της διπλωματικής εργασίας επιλέχθηκε η προσομοίωση μιας Κα- τανεμημένης Παραγωγής, εκείνης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος 5.5kW συνδεδεμένου στο δίκτυο χαμηλής τάσης, μέσω ενός μετατροπέα υποβιβασμού τάσης και ενός τριφασικού αντιστροφέα. Η μο- ντελοποίηση και προσομοίωση του συστήματος έγινε με τη χρήση του πλέον διαδεδομένου προγραμ- ματιστικού περιβάλλοντος MATLAB/Simulink. Τελικά, παρουσιάζεται μια σειρά αποτελεσμάτων που αφορούσαν στην απόκριση του συστήματος σε απότομες διαταραχές, στη μελέτη σωστής λειτουργίας του Maximum Power Point Tracking ελεγκτή και στη μελέτη έγχυσης αρμονικών του φωτοβολταϊκού συ- στήματος στο δίκτυο με χρήση φίλτρου και χωρίς χρήση φίλτρου. Το εργαλείο του φασματογραφήματος αποδείχτηκε χρήσιμο για την κατανόηση των βασικών χαρακτηριστικών των σημάτων της τάσης και του ρεύματος και του αρμονικού τους περιεχομένου στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 1 δίνεται ο ορισμός της Ποιότητας Ισχύος, καταγράφονται τα Διεθνή Πρότυπα για την Ποιότητα Ισχύος, καθώς επίσης κατηγοριοποιούνται τα διάφορα προβλήματα Ποιότητας Ισχύος βάσει του χαρακτηριστικού της τάσης που επηρεάζουν. Στο Κεφάλαιο 2 ερμηνεύεται το φαινόμενο της παρουσίας αρμονικών τάσεων και ρευμάτων στο δίκτυο. Παρατίθενται παράλληλα βασικές έννοιες της ανάλυσης Fourier, η οποία αποτελεί εργαλείο ανάλυσης σημάτων και συστημάτων στο πεδίο της συχνότητας. Καταγράφονται επίσης οι πηγές που παράγουν αρμονικά ρεύματα και τάσεις, ενώ παράλληλα αναπτύσσεται η θεωρία ισχύος υπό μη ημιτο- νοειδείς συνθήκες. Το κεφάλαιο κλείνει με την παράθεση των βασικών δεικτών που περιγράφουν την Αρμονική Παραμόρφωση. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται στατιστική μελέτη που αφορά στην παγκόσμια ενεργειακή κατά- σταση, πιο ειδικά στην παγκόσμια παραγωγή και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και το μερίδιο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας επί αυτών. Εισάγεται η έννοια της Κατανεμημένης Παραγωγής και αναπτύσσονται οι επιπτώσεις της διείσδυσής της στο δίκτυο. Επιπλέον, αναφέρονται οι βασικές τεχνολογίες Κατανεμημένης Παραγωγής. Στο Κεφάλαιο 4 αναπτύσσεται η προσομοίωση ενός Φωτοβολταϊκού Συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο χαμηλής τάσης με τη χρήση του λογισμικού MATLAB/Simulink. Αναλύονται διεξοδικά τα επιμέρους υποσυστήματα, δηλαδή η φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ο DC-DC μετατροπέας, ο ανιχνευτής σημείου μέγιστη ισχύος-MPPT, αντιστροφέας, το φίλτρο αποκοπής ανώτερων αρμονικών, το δίκτυο χαμηλής τάσης και παρουσιάζονται τα μοντέλα τους και οι παράμετροί τους. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5 μετά από μια παρουσίαση του ολικού μοντέλου προσομοίωσης, παρουσιάζο- νται οι διάφορες μελέτες προσομοίωσης, ήτοι μελέτη απόκρισης της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, μελέτη προσομοίωσης του συστήματος και ανάλυση αρμονικών για σταθερή και μεταβαλλόμενη ένταση της ακτινοβολίας, μελέτη μεταβολής φορτίου και μελέτη διακοπής. / This Diploma Thesis addresses the problem of Power Quality in Power Systems and particularly the disturbing effect of harmonic distortion. The field of power quality analysis gained further attention due to the extended spread of renewable power sources and distributed generation. The technological breakthroughs in the field of power electronics enabled the efficient utilization of distributed power systems but at the same time increased the undesired infusion of higher harmonics to the power network. The main goal of this thesis is to provide a concrete introduction to the concepts and methodological tools of harmonics and power quality analysis as well as to present a simulation-based study of harmonic infusion of a distributed generation example. In particular, the case of a Photovoltaic array connected to the low voltage grid is considered. Initially, the concept of power quality is presented and the power quality problems that arise in power systems are categorized. The effect of harmonic distortion is described in detail and the analytical methods of power system analysis subject to the disturbing effects of higher harmonics are presented. The basic theory as well as the tools of frequency domain Fourier-based analysis of the voltage and current harmonics are described in detail, followed by an overview of the concept of distributed power generation and the dominal renewable and unconventional power sources found in such systems as concluded from statistical analysis of worldwide power generation. To enable numerical analysis, a simulation model that captured the behaviour and dynamics of a 5.5kW Photovoltaic array connected to the low voltage power grid through a buck converter cascaded with a 3-phase inverter, was developed. The MATLAB/Simulink(R) environment was chosen to perform the simulation studies due to its extended spread within the engineering community. Based on this model, several results were derived that present the functionality of the photovoltaic array itself, the role of the Maximum Power Point Tracking controller and the response of the overall system to input and external disturbances. Extended studies of the harmonic context of the voltage/current signals both in the case of using an LC filter a well as without were conducted employing frequency-domain signal processing tools. Apart from the well established method of Fast Fourier Transform calculations, the intuitive method of spectrograms was also developed and utilized for the analysis. This thesis is structured as follows: In Chapter 1, the definition of Power Quality is given, followed by a literature review of the international standards and regulations regarding power quality analysis. Moreover, categorization of the several power quality problems according to the voltage properties is provided. Chapter 2 deals with the presence of higher harmonics in the voltage and current signals of the power grid. An overview of the Fourier Analysis is provided and the specific tools used to aid in frequency-domain power systems analysis are further elaborated. The sources of voltage and current higher harmonics are listed and the theory of power systems in non perfect sinusoidal conditions is derived. This chapter ends with a brief overview of metrics describing the level of harmonic distortion. In Chapter 3, statistical analysis on the worldwide power systems status is presented with a special focus on the role and share of renewable power sources. The concept of distributed power generation is introduced followed by its undesired effects on the public power grid. The dominant technologies for distributed generation are also detailed. Within Chapter 4, the development of a MATLAB/Simulink simulator of a Photovoltaic Array connected to the low voltage power grid is presented. The simulator is based on modules that provide the functionality of the corresponding physical systems including the photovoltaic array itself, the DC-DC converter, the Maximum Power Point Tracking (MPPT) controller, the inverter, the filter responsible for cutting-off higher harmonics and the low voltage network. Each module, its simulator model and parameters as well as the interconnections that form the overall simulator are described in detail. Finally, in Chapter 5 the simulation based studies are presented. Particularly, the conducted studies include analysis of the photovoltaic array response, study of the efficiency of the MPPT controller and analysis of the 3-phase voltage and current signals with a special focus on examining their harmonic context. The conducted simulations contain cases under constant as well as varying irradiance, load variation and short-circuit faults.

Αυτή η διπλωματική εργασία εξετάζει θέματα που αφορούν την παρεχόμενη ποιότητα ισχύος στα σύγχρονα ηλεκτρικά συστήματα. Θα εξετάσουμε την απόδοση ενός στατικού σύγχρονου αντισταθμιστή STATCOM, που λειτουργεί ως ρυθμιστής τάσης, σε ένα σύστημα αυτοδιεγειρόμενης επαγωγικής γεννήτριας που τροφοδοτεί μη γραμμικά φορτία. Εκτός της θεωρητικής ανάλυσης των συνιστωσών του εξεταζόμενου συστήματος, θα πραγματοποιήσουμε προσομοίωσή του, με τη βοήθεια του λογισμικού PSCAD/EMTDC, με σκοπό την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων από τα παραγόμενα αποτελέσματα. Ειδικό ενδιαφέρον θα δοθεί εκτός από την απόδοση στη ρύθμιση της τάσης και στη συνολική αρμονική παραμόρφωση της τάσης και την επίδραση των αρμονικών στην ποιότητα ισχύος. / This diploma thesis studies issues concerning the provided power quality in modern power systems. We will examine the performance of a STATCOM (Static synchronous Compensator) based voltage regulator in a, self excited induction generator (SEIG) feeding non-linear loads system. Besides the theoretical analysis of each component of the examined system, we will simulate it with the help of a software program called PSCAD/EMTDC in order to get useful conclusions through the provided results. Specific attention will be given, besides the efficiency in voltage regulation, in total harmonic distortion and the effect harmonics cause in power quality.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη διερεύνηση της λειτουργίας και το σχεδιασμό συστήματος ελέγχου του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR - Dynamic Voltage Restorer, όπως αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία) που χρησιμοποιείται στα δίκτυα διανομής. Η συγκεκριμένη συσκευή ανήκει στην κατηγορία των FACTS (Flexible ac Transmission Systems), παρέχει εν σειρά αντιστάθμιση, και ο σκοπός λειτουργίας της είναι η βελτίωση της ποιότητας της παρεχόμενης ισχύος και η αύξηση της αξιοπιστίας του συστήματος. Εξειδικεύεται στις βυθίσεις τάσεως. Πιο συγκεκριμένα, ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης έχει στόχο, όπως μαρτυρά και το όνομά του, να διατηρεί την τάση ενός φορτίου κατά το δυνατόν σταθερή στην τιμή που αυτή είχε πριν συμβεί η όποια βύθιση. Έτσι, θα καταβληθεί προσπάθεια προκειμένου να προσομοιωθεί η λειτουργία μιας τέτοιας συσκευής σε ένα απλό δίκτυο με τη βοήθεια του λογισμικού PSCAD. Θα κατασκευαστεί ο DVR καθώς και το σύστημα ελέγχου του κι αφού συνδεθεί σε ένα φορτίο, θα δημιουργήσουμε διάφορα είδη σφαλμάτων και θα μελετήσουμε την απόκρισή του και την ικανότητά του να αποκαθιστά την τάση. / This diploma thesis refers to Dynamic Voltage Restorer (DVR), a series compensator used in transmission systems. It is a device that belongs to FACTS and its main function is the mitigation of volatge sags and swells.