Η παρούσα εργασία ασχολείται με την εξομοίωση σε προγραμματιστικό περιβάλλον, της λειτουργίας συστοιχιών ηχείων κάθετης διάταξης και συγκεκριμένα για τις περιπτώσεις ευθύγραμμων (Uniform) και υβριδικού τύπου (J-Shaped) συστοιχιών, σε περιβάλλον ανοιχτών και κλειστών χώρων. Οι εξομοιώσεις που υλοποιήθηκαν επιτρέπουν την αξιολόγηση και σύγκριση των συστοιχιών σε θέματα εκπομπής, εστιάζοντας στην ηχητική κάλυψη των επιπέδων ακρόασης. Επιπλέον, αναπτύσσονται τα εργαλεία για την εξομοίωση και μελέτη του διάχυτου πεδίου που παράγεται κατα τη λειτουργία των συστοιχιών σε κλειστούς χώρους. / The current thesis is about simulating the function of Uniform and J-Shaped line arrays in open and closed space. It also allows the comparison among between the two types af arrays in terms of beaming and sound coverage especially at the audience planes. Furthermore, tools of simulation of the diffuse field are being developed.

Στην διπλωματική εργασία που ακολουθεί, παρουσιάζεται η προσομοίωση και μελέτη ενός υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής. Το σύστημα που εξετάζεται είναι ένα υβριδικό σύστημα ηλεκτροπαραγωγής που αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια, μια φωτοβολταϊκή συστοιχία και μία γεννήτρια diesel. Για τη προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Η εργασία επικεντρώνεται στη δομή και λειτουργία του συστήματος τόσο στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και στη συμπεριφορά του συστήματος σε διάφορα μεταβατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: • Μείωση προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκη συστοιχία • Αποσύνδεση Ανεμογεννήτριας από το δίκτυο • Τριφασικό βραχυκύκλωμα ως προς την γή στον ζυγό της γεννήτριας diesel • Απότομη αύξηση του φορτίου Στο 1ο Κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στα συστήματα κατανεμημένης παραγωγής, στις δομές τους και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης αναφέρονται μερικές εφαρμογές τους. Στο 2ο Κεφάλαιο, περιγράφονται ξεχωριστά τα στοιχεία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία του υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής που απαρτίζουν την εργασία. Ταυτόχρονα παρουσιάζονται και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις σύμφωνα με τις οποίες λειτουργεί το σύστημα. Στο 3ο Κεφάλαιο, εισερχόμαστε στο περιβάλλον του προγράμματος μοντελοποίησης PSCAD, παρουσιάζεται και περιγράφεται η δομή και τα στοιχεία που αποτελούν το υβριδικό δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής, ενώ γίνεται και αναφορά στις προδιαγραφές που πρέπει να τηρούνται από το σύστημα διανεμημένης παραγωγής. Στο 4ο Κεφάλαιο, παρατηρείται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων. Στο 5ο Κεφάλαιο, εξετάζεται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων στις διαταραχές που έχουμε περιγράψει παραπάνω. Στο 6ο Κεφάλαιο και τελευταίο, καταλήγουμε σε συμπεράσματα τα οποία προέκυψαν από την μελέτη του υβριδικού συστήματος που παρουσιάστηκε. / The thesis that follows, presents the simulation and design of a hybrid distributed system of electrical power generation. The system presented, consists of a wind turbine, a photovoltaic array and a diesel generator. For the system simulation we use the drawing and simulation of electrical systems program, PSCAD. The project focuses on the structure and operation of the system both at steady -permanent state and in system behavior in various transient situations. The transients considered are the following: • Reduction in incident solar radiation into array • Wind Turbine disconnection from the network • Three-phase short circuit as for ground under the rule of the diesel generator • Sharp load increase In 1st chapter, there is a reference to hybrid power generation systems, distributed generation systems, their structures and the renewable sources of energy. Also some applications are mentioned. In 2nd chapter, there is a description of the elements that produce electrical energy and the other elements of the hybrid system of distributed production of electrical energy which are used in the system. At the same time there are presented and analyzed the mathematical relations under which the system operates. In 3rd chapter, we enter the interface of the PSCAD modeling program, present and describe the structure and components of the hybrid power grid, while we also make a reference to the specifications that have to be met by the system of distributed production. In 4th chapter, is examined the behavior of the whole system as well as of the individual subsystems in steady-permanent state. In 5th chapter, is examined the behavior of the entire system as well as of the individual subsections during the disturbances which we have described above. In 6th chapter and last, we come to conclusions that emerged from the study of the hybrid system presented.

Τα τελευταία χρόνια, υπό την πίεση της ολοένα αυξανόμενης επιβάρυνσης του περιβάλλοντος από την χρήση ορυκτών καυσίμων και υπό τον φόβο των μεγάλων κλιματικών αλλαγών των οποίων ήδη γινόμαστε μάρτυρες, έχει γίνει πολύς λόγος για την χρήση οικολογικών και περιβαλλοντικά φιλικών ενεργειακών λύσεων. Έτσι, έχουν χυθεί τόνοι μελανιού και έχουν ξοδευθεί δισεκατομμύρια χρηματικές μονάδες στις έρευνες για την εύρεση νέων μορφών ανανεώσιμης ενέργειας και βελτιστοποίηση της απόδοσης των ήδη υπαρχόντων. Μία λοιπόν ευρέως διαδεδομένη ανανεώσιμη μορφή ενέργειας, η οποία έχει βρει πεδίο ανάπτυξης και στην χώρα μας (υπό τον φόβο δυστυχώς των προστίμων της Ευρωπαϊκής Ένωσης και όχι από την ανάπτυξη εγγενούς περιβαλλοντικής συνείδησης), είναι η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών (ΦΒ). Πρόκειται για μία αρκετά γνωστή στους επιστήμονες και τις ερευνητικές ομάδες ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, των οποίων οι προσπάθειες έχουν μειώσει το κόστος των ΦΒ σε τέτοια επίπεδα, ώστε να κρίνεται οικονομικά συμφέρουσα μία επένδυση σε αυτά, ακόμα και για κατόχους μικρών κεφαλαίων. Η μορφή της ενέργειας όμως που παράγεται από μία ΦΒ συστοιχία δεν είναι άμεσα εκμεταλλεύσιμη, καθώς η συνεχής τάση που αυτά παράγουν δεν είναι κατάλληλη ούτε για μεταφορά από το δημόσιο δίκτυο ηλεκτρισμού, ούτε για κατανάλωση από τα φορτία, τα οποία λειτουργούν υπό εναλλασσόμενη τάση. Επομένως, μία συστοιχία για να είναι κατάλληλη προς σύνδεση στο δίκτυο, πρέπει να συνοδεύεται από κατάλληλες διατάξεις, η οποίες επιτρέπουν την μετατροπή της ενέργειας σε κατάλληλη μορφή, αλλά και τον βέλτιστο έλεγχό της. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η αναφορά στις κύριες δομές λειτουργίας και ελέγχου ΦΒ διασυνδεδεμένων στο δίκτυο, καθώς η περίπτωση αυτή είναι η πιο πολύπλοκη, λόγω της δυναμικής που εισάγει μία σύνδεση με το δίκτυο μεταφοράς. Η δε δομή της διαμορφώνεται ως ακολούθως: 1o Κεφάλαιο: Δομές Ηλεκτρονικών Ισχύος για την Διασύνδεση στο Δίκτυο ΦΒ Συστημάτων Γίνεται μία γενική αναφορά στις υπάρχουσες τεχνολογίες αντιστροφέων και επιχειρείται μία γενική ομαδοποίηση τους 2ο Κεφάλαιο: Ανασκόπηση μονοφασικών διασυνδεδεμένων αντιστροφέων για ΦΒ πλαίσια Παρουσιάζονται γενικές τοπολογίες μονοφασικών αντιστροφέων, ταξινομούνται και συγκρίνονται ως προς διάφορα χαρακτηριστικά. 3ο Κεφάλαιο: Σύγκριση τεχνικών ανίχνευσης μεγίστου σημείου λειτουργίας ΦΒ συστοιχίας Είναι άκρως απαραίτητη η λειτουργία των πλαισίων στο σημείο λειτουργίας που εγγυάται την μέγιστη παραγωγή ισχύος, έτσι ώστε να κρίνεται συμφέρουσα μία επένδυση σε αυτά. Εδώ λοιπόν εξετάζονται αρκετές τέτοιες τεχνικές που υπάρχουν διαθέσιμες. 4ο Κεφάλαιο: Διακυμάνσεις τάσης που εισάγονται σε επίπεδο διανομής από ΦΒ συστήματα Τα ΦΒ στοιχεία μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Επομένως, είναι άμεσα εξαρτώμενη η παραγωγή τους από τις καιρικές συνθήκες. Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται μέθοδοι πρόβλεψης τέτοιων διακυμάνσεων στην ηλιακή ενέργεια, και άρα στην παραγόμενη τάση. 5ο Κεφάλαιο: Συστήματα αποθήκευσης Κάθε σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, για να θεωρείται ολοκληρωμένο, θα πρέπει να μπορεί να αποθηκεύει την περίσσεια ενέργειας που μπορεί να παρουσιάσει σε κάποιες χρονικές περιόδους, και να την αποδώσει όταν θα υπάρχει κάποια μεγάλη διακοπή παροχής ισχύος. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πιο γνωστές μέθοδοι αποθήκευσης. / During the last few years, under the pressure of the increased burden on the environment due to the use of fossil fuels and in fear of great climate changes which we all have already witnessed, the use of ecological and environmentally friendly energy solutions has already been widely discussed. Consequently ,billions have been spent and research has been conducted, in the development of new forms of renewable energy sources and in performance optimization of the existing ones. A widely used renewable energy source, which has been also develop in our country(under the fear of fines from the European Union and not because of the development of environmental conscience), is the technology of photovoltaic systems(PV). PV is a quite known to scientists and to research teams renewable energy source, which efforts have reduced the cost of PV in such levels, that an investment in those systems would be proved cost effective even for the owner of low capitals. The energy produced from a PV string is not directly exploited for use, since the produced dc voltage is not appropriate neither for distribution from the public electrical grid, nor for use from the loads,which operate under conditions of ac voltage.Consequently a photovoltaic string could be connected to the grid, only if it is equipped with appropriate devices, which allow the proper conversion and optimum control of energy. The purpose of this work is the reference of the main structures, for the operation and management of grid-integrated photovoltaic systems.In particular the paper can be summurised as follows: Chapter 1: Power-Electronic Structures for the Grid Integration of Photovoltaic Systems A general reference in the existing inverter technologies and a general categorisation of the latter is presented. Chapter 2: Re view of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules Single-plase inverter topologies are presented, categorized, compared and evaluated against different characteristics. Chapter 3: Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques The functioning of photovoltaic arrays to the maximum power point is necessary, in order to be considered profitable an investment in photovoltaic systems. Many such techniques available, are being reviewed. Chapter 4: Voltage Fluctuations on Distribution Level Introduced by Phtovoltaic Systems Photovoltaic elements convert solar energy to electric, and consequently their electric generation is directly dependant on climatic conditions. The present analysis describes forecasting methods of fluctuations in solar irradiance which also results in fluctuations in the generated voltage. Chapter 5: Storage Systems Every electrical energy system, in order to be considered fully integrated, must store excessive energy produced during certain time periods, and support with it critical loads, during mains’ power interruption.This last chapter contains the most widespread storage techniques.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη των μικροδικτύων. Δίνεται ο ορισμός τους, αναλύονται τα δομικά τους μέρη καθώς και η λειτουργία τους. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής πραγματοποιείται μελέτη εγκατάστασης ενός μικροδικτύου ενώ αναλύεται και εξετάζεται, με πειραματικές μετρήσεις, η λειτουργία ενός ήδη εγκατεστημένου μικροδικτύου στο Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η δημιουργία ενός μικροδικτύου στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Στην παρούσα εργασία έγινε η απαιτούμενη βιβλιογραφική αναζήτηση και η μελέτη του μικροδικτύου, που κατά κύριο λόγο εστιάστηκε στη μελέτη εγκατάστασης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Επίσης παρουσιάζεται το μοντέλο προσομοίωσης για των φωτοβολταϊκών πλαισίων και εν γένει της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αρχικά παρουσιάσαμε τα κύρια μέρη που αποτελούν ένα μικροδίκτυο. Εξετάσαμε τις μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης καθώς και τις μονάδες που έχουν τον πιο σημαντικό ρόλο σε ένα μικροδίκτυο: τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Ακόμη μελετήθηκαν οι αρχές λειτουργίας των μικροδικτύων και η συμπεριφορά τους υπό διαφορετικές συνθήκες σύνδεσης. Στη συνέχεια μελετήθηκε ένα ήδη εγκατεστημένο μικροδίκτυο στο Κ.Α.Π.Ε ώστε να αποκτηθεί μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα των λειτουργιών και των δυνατοτήτων των μικροδικτύων. Στο συγκεκριμένο μικροδίκτυο πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας και κατανόηση των παραμέτρων και λειτουργικών του χαρακτηριστικών Το επόμενο βήμα ήταν η ηλεκτρολογική μελέτη και η μελέτη εφαρμογής για το μικροδίκτυο που στοχεύουμε να εγκατασταθεί στο εργαστήριο. Η μελέτη περιορίστηκε στην εγκατάσταση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και των συσσωρευτών με τις αντίστοιχες μονάδες ηλεκτρικής μετατροπής ενέργειας. Τέλος η φωτοβολταϊκή συστοιχία προσομοιώθηκε στο περιβάλλον του Matlab/Simulink / This thesis deals with the study of Microgrids. We define them, analyzed their structure and function. In this thesis a study of a microgrid installation is carried out. An already established Microgid at the Centre for Renewable Energy is analyzed and a comparison with experimental results is made to confirm its operation. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The aim is to create a Microgrid in Electromechanical Energy Conversion Laboratory. In this study the required literature search and study of Microgrids was completed, which primarily focused on the design of the installation of the photovoltaic array. It also shows the model simulation of photovoltaic modules and overall photovoltaic array. At the beginnibg we presente the main components that make up a microgrid. We examined the production and storage facilities as well as the units that have the most important role in a Microgrid: the electronic power inverters. Yet studied the operating principles of the Microgrid and their behavior under different link conditions. Then we studied a previously established microgrid in order to gain a more complete picture of the functions and capabilities of a Microgrid. In this microgrid measurements were performed to confirm the proper operation and understanding of the parameters and operating characteristics The next step was the electrical design and application study for a microgrid planned to be installed in the laboratory. The study was limited to the installation of the photovoltaic generator and batteries to their respective units of electrical energy conversion. Finally, the photovoltaic array was simulated in the environment of Matlab / Simulink

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά κυρίως τη μελέτη των Αυτόνομων Φωτοβολταϊκών συστημάτων καθώς και τη μεθοδολογία σχεδιασμού τους. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή στη φωτοβολταϊκή τεχνολογία και παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης της. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται λόγος για τα ηλιακά κύτταρα, για τον τρόπο λειτουργίας τους (φωτοβολταϊκό φαινόμενο), για τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και τις παραμέτρους που τα επηρεάζουν. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στις ομαδοποιήσεις των ηλιακών κυττάρων και κυρίως στις συστοιχίες. Παρουσιάζονται τα προβλήματα που δημιουργούνται λόγω της σκίασης και της ανομοιομορφίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ηλιακών κυττάρων και είναι το φαινόμενο των Απωλειών Προσαρμογής και των Τοπικών Υπερθερμάνσεων (φαινόμενο hot-spot). Κατόπιν, παρουσιάζονται οι λύσεις για την αντιμετώπιση των παραπάνω φαινομένων που είναι η χρήση των διόδων παράκαμψης και αντεπιστροφής. Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής αναφορά στους τύπους των συσσωρευτών, τη λειτουργία τους, καθώς και στα προβλήματα που αυτοί αντιμετωπίζουν κατά τη διάρκεια της ζωής τους (θειίκωση, στρωματοποίηση, γήρανση). Επιπλέον, παρουσιάζεται η χρήση των συσσωρευτών σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο, αναπτύσσεται η μεθοδολογία σχεδιασμού ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, που συνίσταται στον υπολογισμό τριών χαρακτηριστικών μεγεθών του, δηλαδή της γωνίας κλίσης β της συστοιχίας, της επιφάνειας Α αυτής και της χωρητικότητας των συσσωρευτών C. Έχοντας ως δεδομένα τις απαιτήσεις του φορτίου και τις τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια με τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, εκλέγεται ο κατάλληλος συνδυασμός των παραπάνω μεγεθών β, Α, C ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του συστήματος. / This thesis mainly concerns the study of autonomous photovoltaic systems and their design methodology. Initially, an introduction to solar technology is curried out and the advantages and disadvantages of its use are presented. The second chapter talks about solar cells, how they work (photovoltaic effect), their electrical characteristics and the parameters that affect them. The third chapter refers to groupings of solar cells and to arrays in particular. It discusses the problems created by shading and variations in the electrical characteristics of solar cells, which are the phenomenon of mismatch losses and local overheating (hot-spot phenomenon). Then, solutions are presented to address these problems, that is the use of by-pass and blocking diodes. The fourth chapter is a detailed report on the types of batteries, their operation as well as the problems they face during their life (sulfation, stratification and aging). Furthermore, we present the use of batteries in photovoltaic systems. The last chapter develops the methodology of designing a stand-alone photovoltaic system, which consists in measuring magnitudes of three characteristics, namely the angle of the array β, its surface A and the battery capacity C. Having the load requirements and the values of solar radiation on a horizontal surface as the data by using a computer, the appropriate combination of the above sizes β, A, C is chosen to meet the system requirements.

Στην παρούσα εργασία, γίνεται μια παραμετρική διερεύνηση για το σχεδιασμό αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων για περιοχές της νοτίου Ελλάδος. Ο όρος «αυτόνομα», αναφέρεται στα φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία λαμβάνουν την ηλιακή ενέργεια, την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια και εν συνεχεία μέσα από διάφορες ηλεκτρικές διατάξεις (μετατροπείς DC/DC, DC/AC κ.ά.) τροφοδοτούν είτε απευθείας είτε μέσω συσσωρευτών, το απαιτούμενο φορτίο. Μερικές κύριοι παράμετροι που μελετώνται είναι η κλίση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η επιφάνεια της, το μέγεθος συσσωρευτών κ.ά.. Η μελέτη αυτή λαμβάνει χώρα για εφτά πόλεις τις νοτίου Ελλάδας, με δεδομένα την ηλιακή ενέργεια που φθάνει σε κάθε πόλη για κάθε μήνα του χρόνου. Πιο συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1, γίνεται μια εισαγωγή στην ηλεκτρική ενέργεια και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2, μελετάται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και γενικότερα τα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Στο κεφάλαιο 3, μελετάται η σύνδεση πολλών φωτοβολταϊκών κυττάρων για το σχηματισμό ενός πλαισίου, ενός πάνελ ή μιας συστοιχίας. Στο κεφάλαιο 4, γίνεται αναφορά στα διάφορα είδη συσσωρευτών που υπάρχουν στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο επόμενο 5ο κεφάλαιο, μελετάται η ηλιακή ακτινοβολία και πως μεταβάλλεται αυτή ανάλογα με τη κλίση της επιφάνειας πρόσπτωσης, και επίσης ποια είναι η βέλτιστη κλίση της συστοιχίας. Τέλος, στα κεφάλαια 6 και 7, γίνεται η παραμετρική διερεύνηση για το σχεδιασμό αυτόνομων Φ/Β συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, στο 6ο μελετάται η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων για ετήσια λειτουργία του συστήματος, ενώ στο 7ο, για θερινή λειτουργία. / The present work presents a research on the parameters of autonomous photovoltaic systems for regions of south Greece. The term "autonomous" is referred to photovoltaic systems which receive solar power, they convert it into electric power and after that, through various electrical devices (converters DC/DC, DC/AC etc.) they feed either directly, or through batteries, the required load. Some main parameters that are studied are the tilt angle and surface of the photovoltaic array, the size of the batteries, etc. This research is carried out for seven cities of south Greece, with incoming data the solar radiation that arrives in every city for every month of the year. 5 More specifically, in chapter 1, there is an introduction about electric power and renewable energy sources. In chapter 2, it is studied what the photovoltaic effect is and generally the photovoltaic cells. In chapter 3, there is a research about connecting many photovoltaic cells, which are more commonly known as panels or arrays. Chapter 4 is dealt with to the various types of batteries that are used in the photovoltaic systems. In chapter 5, the solar radiation is studied and how it changes depending on the tilt angle of the surface of incidence and also which is the optimal inclination of the array. Finally, in chapters 6 and 7, there is a parametric research on the design of autonomous PV systems. More precisely, in chapter 6 is studied the effect of various parameters on the design of the system when the system is operating during the whole year, while in chapter 7, when the system is operating only during the summer period.

Οι συστοιχίες προγραμματιζόμενων πυλών (FPGAs) αποτελούν μια σημαντική τεχνολογία, η οποία επιτρέπει στους σχεδιαστές κυκλωμάτων την παραγωγή συγκεκριμένου σκοπού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε σύντομο χρόνο. Tα σημαντικότερα των χαρακτηριστικών τους είναι η αρχιτεκτονική τους και η δυνατότητα σχεδιασμού τους μέσω υπολογιστών, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος καθώς και το μικρό χρονικό διάστημα που απαιτείται για τον επαναπρογραμματισμό τους. Τα FPGAs είναι κατάλληλα σχεδιασμένα για ψηφιακές εφαρμογές φιλτραρίσματος. Η πυκνότητα των προγραμματιζόμενων αυτών συστημάτων είναι τέτοια ώστε πολύ μεγάλος αριθμός αριθμητικών πράξεων όπως αυτές που προκύπτουν μέσω ψηφιακού φιλτραρίσματος να μπορεί να εφαρμοστεί σε μία μόνο συσκευή. Τα πλεονεκτήματα των FPGA στην υλοποίηση ψηφιακών φίλτρων είναι μεταξύ άλλων οι υψηλότεροι ρυθμοί δειγματοληψίας από παραδοσιακούς DSP chip, το χαμηλότερο κόστος από μια μέτρια ASIC (Application Specific Integrated Circuit, Kύκλωμα οριζόμενο από εφαρμογή) για εφαρμογές μεγάλου όγκου, καθώς και η μεγαλύτερη ευελιξία από όλες τις εναλλακτικές προσεγγίσεις για την υλοποίηση των FIR φίλτρων. Σπουδαιότερο όλων είναι ότι προγραμματίζονται μέσα στο σύστημα και έχουν δυνατότητα επαναπρογραμματισμού για την υλοποίηση διαφόρων εναλλακτικών λειτουργιών φιλτραρίσματος. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι να συνδυασθούν τεχνικές VLSI και ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και μέσω κατανόησης της αρχιτεκτονικής του υπολογιστή να δημιουργηθεί μια χρήσιμη εφαρμογή. Επιλέχθηκε για τον λόγο αυτό: α) η ανάπτυξη ενός FIR φίλτρου σε γλώσσα περιγραφής υλικού, β) υλοποίησή του σε FPGA, γ) εισαγωγή αυτού σε ενσωματωμένο σύστημα και σύνδεση σε διάδρομο δεδομένων επεξεργαστή και δ) έλεγχος του φίλτρου με τη βοήθεια του επεξεργαστή μέσω γλώσσας υψηλού επιπέδου. Η συγγραφή του κώδικα του φίλτρου έγινε σε γλώσσα VHDL, με structural μεθόδους και η προσομοίωση του συστήματος στο Modelsim. Επιπροσθέτως χρησιμοποιήθηκε ο Project Navigator ISE της Xilinx για τον έλεγχο του κώδικα αλλά και τον προγραμματισμό του FPGA Spartan 3E Starter Board. Χρησιμοποιήθηκαν ακόμα τα υποπρογράμματα Plan Ahead και ChipScope Pro του ISE ώστε να ελεγχθεί η λειτουργία του κυκλώματος στο FPGA. To κύκλωμα τελικά εισάγεται σε ενσωματωμένο σύστημα με τη βοήθεια του εργαλείου σχεδίασης EDK της Xilinx και ελέγχεται η λειτουργία του προγραμματίζοντας τον επεξεργαστή Microblaze. Ακόμα ελέγχεται η λειτουργία του φίλτρου για διαφορετικούς συντελεστές FIR φίλτρων που χρησιμοποιούν διαφορετικά παράθυρα και συγκρίνονται οι «ιδανικές» τιμές που παράγονται από το Matlab με αυτές που παράγονται από το φίλτρο. Τέλος μετράται η ενέργεια (δυναμική και στατική) που καταναλώνεται κατά τη λειτουργία του κυκλώματος στο FPGA με τη βοήθεια του XPower Analyzer. / Field-programmable gate arrays (FPGAs) is a technology of great importance that allows the designers to produce specific purpose integrated circuits in a limited amount of time. The most important of their characteristics are their architecture and the ability of their design with the help of computers, the low power dissipation, as well as the need of a short amount of time to be reprogrammed. FPGAs are properly designed for digital filtering applications. The density of these programmable systems is such that a great amount of numerical calculations such as those that result via digital filtering can be applied to one device only. The advantages of FPGAs as for the implementation of digital filters is between others the great rates of sampling compared to traditional DSP chips, their low cost compared to a moderate ASIC (Application Specific Integrated Circuit) for applications that take up a large area, as well as the flexibility compared to alternative approaches for the implementation of FIR filters. Their most important characteristic is that they can be programmed on-chip and that they have the ability of being reprogrammed for the implementation of different filtering purposes. The aim of this thesis is to combine VLSI techniques and digital signal processing techniques and via the understanding of the computer architecture to create a useful application. To fulfill that purpose: a) a FIR filter was designed with the use of a hardware description language b) the filter was implemented by using an FPGA c) the filter was imported to an embedded system and it was connected to the bus of a microprocessor d) the filter was controlled by the microprocessor via a high-level programming language. The filter was designed using the VHDL language, specifically using structural methods, and its simulation was performed with Modelsim. Also the Project Navigator ISE of Xilinx was used to correct unwanted warnings and to program the FPGA Spartan 3E Starter Board. Some other subprograms of ISE were also used, such as Plan Ahead and ChipScope Pro in order to check the performance of the filter. The circuit is finally imported to an embedded system using the Embedded Developer’s Kit (EDK) of Xilinx. Microblaze was the microprocessor that was used to control the filter’s performance. Additionally, the performance of the filter is checked by using different coefficients of FIR filters by different windowing methods. The ideal values that are produced from Matlab are compared to those of the filter. Finally the power dissipation (static and dynamic) of the filter is measured using XPower Analyzer.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο στο δίκτυο, που αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή που ανυψώνει την τάση και παράλληλα είναι ανιχνευτής του σημείου μέγιστης ισχύος, ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς του συστήματος και έναν αντιστροφέα. Στην συνέχεια γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG) και ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη και συνδέεται επίσης στο δίκτυο. Μετά από αυτά θα αναλυθεί και θα μοντελοποιηθεί η σύνδεση αυτών των δυο συστημάτων μαζί στο δίκτυο κατανεμημένης παραγωγής σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης αντίστοιχα. Σε όλα αυτά θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου, ώστε να ελέγξουμε κατάλληλα τα συστήματα με σκοπό να επιτύχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος. Τέλος, θα υλοποιήσουμε τα παραπάνω συστήματα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα τα προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές στην ακτινοβολία και την ταχύτητα του ανέμου. Ούτως ώστε να δούμε πως συμπεριφέρεται η δεδομένη στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσαμε και να μπορέσουμε να εξάγουμε κάποια συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που αυτές εμφανίζουν. Πιο συγκεκριμένα θα δοθεί έμφαση στην ηλιακή και την αιολική ενέργεια, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών καθώς και κάποια σύντομα ιστορικά στοιχεία σχετικά με αυτές. Ακόμη, θα αναλυθούν τα βασικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των ανεμογεννητριών στα οποία στηρίζεται η λειτουργία των συστημάτων που μελετώνται. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει η ανάλυση των φωτοβολταϊκών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Αρχικά θα γίνει αναφορά στα αυτόνομα και διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στην συνέχεια θα δοθεί το ισοδύναμο μοντέλο του φωτοβολταϊκού κυττάρου με σκοπό να αναλυθεί η I-V χαρακτηριστική του και να οριστεί ο συντελεστής πληρώσεως και η απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Έπειτα θα ασχοληθούμε με τον μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, θα αναλυθεί εν συντομία η λειτουργία του και θα εξαχθεί το μοντέλο του. Αυτός ο μετατροπέας παράλληλα επιτελεί και την λειτουργία ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος, οπότε θα αναλυθούν και οι μέθοδοι εύρεσης αυτού. Ακόμη, θα ασχοληθούμε με τους αντιστροφείς και τις τεχνολογίες αυτών στα φωτοβολταϊκά συστήματα και θα αναφερθεί ο τρόπος ελέγχου τους. Θα μεταφερθούμε στο στρεφόμενο σύστημα d–q δύο καθέτων αξόνων, μέσω του μετασχηματισμού Park, που μας προσφέρει απλούστευση των εξισώσεων και ευκολία στον έλεγχο. Έτσι τελικά θα μοντελοποιηθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα και θα ελεγχθεί. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει αντίστοιχα ανάλυση των αιολικών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Θα παρουσιαστεί η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, τα βασικά στοιχεία για αυτήν και το μαθηματικό της μοντέλο. Έπειτα, θα ασχοληθούμε με την αναλυτική μαθηματική περιγραφή της μετατροπής της κινητικής ενέργειας σε μηχανική. Θα γίνει ανάλυση των μεθόδων μηχανικού ελέγχου ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς. Ακόμη θα εξαχθεί το συνολικό μαθηματικό μοντέλο για το αιολικό σύστημα και ο έλεγχός του. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, θα αναφερθούμε στην κεντρικοποιημένη και την αποκεντρωμένη παραγωγή, θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών και θα εισαχθεί η έννοια του μικροδικτύου και κατηγοριοποιήσεις αυτού. Έπειτα θα εξαχθούν τα μαθηματικά μοντέλα για τις αντίστοιχες τοπολογίες της διασύνδεσης των συστημάτων στο δίκτυο, για την πρώτη σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και για τη δεύτερη σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης. Τέλος θα γίνει έλεγχος αυτών. Στο πέμπτο και τελευταίο Κεφάλαιο θα παραθέσουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στην προσομοίωση, καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των ελεγκτών. Τέλος, ακολουθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και μερικά συμπεράσματα. / The thesis that follows concerns the analysis and modeling of a photovoltaic system that is constituted by a PV array, a DC voltage converter that raises the voltage and simultaneously detect the maximum power point (MPP), so the power output of the system be maximum, and an inverter. Subsequently, the analysis and modeling of a variable speed wind system that uses a permanent magnet synchronous machine (PMSG) and a network of two converters, full scale, back to back that is also connected to the network. After these, will be analyzed and modeled the connection of these two systems together in a network of distributed generation common AC voltage node and common DC voltage node respectively. It will be attempted the implement of a control strategy to control the appropriate systems in order to achieve maximum power production. Finally, we will implement these systems in a Matlab/Simulink environment and simulate them for different changes in radiation and wind speed in order to see how the applied control strategy behaves and extract some conclusions. In chapter 1, becomes a more general report in the renewable sources of energy, to the advantages and disadvantages of them. Specifically, we will focus on the solar and wind energy, advantages and disadvantages and some brief historical information about them. Also, will analyze the main characteristics of the photovoltaic array and wind turbines. In chapter 2 will be analyzed the photovoltaic systems and their structural units. Firstly we will refer to the autonomous and grid-connected PV systems. Then will be given the equivalent model of the photovoltaic cell in order to analyze their characteristics and to determine the fill factor and the efficiency of the photovoltaic cell. Then we will deal with the dc/dc converter we briefly analyze the operation and will extract the model. This converter also performs the function of detecting the MPP so will also be analyzed the methods of finding it. We will refer to the inverters and their technologies in photovoltaic systems and it will be described their control. We will be transferred to the rotating system d-q of two perpendicular axes through the transformation Park which offers simplified equations and ease of control. So eventually the solar system will be modeled and controlled. In chapter 3 will be relevant analysis of the wind systems and their structural units. It will be presented a permanent magnet synchronous machine, its basics and its mathematical model. Then we will deal with the detailed mathematical description of the conversion of kinetic energy into mechanical. We analyze the mechanical control methods to be maximal power output. Also, the overall mathematical model of the wind system and its control will be extracted. In chapter 4, we will refer to the centralized and decentralized production, we will analyze the advantages and disadvantages and introduce the concept of microgrid and its categorizations. Then we will draw the mathematical models for the respective topologies of interconnection systems to the network, the first case is that of common AC voltage node and the second common DC voltage node. Finally they will be controlled. In chapter 5 will be described the technical characteristics of the system used in the simulation and numerical gains of controllers. Finally, the simulation results along with a brief commentary and a few conclusions are given.