Η ενεργειακή κρίση που προκάλεσε η χρήση των υδρογονανθράκων ως κύρια πηγή παραγωγής ενέργειας, η προσπάθεια κάθε κράτους για απεξάρτηση του από τις πετρελαιοπαραγωγικές χώρες αλλά και η ανάγκη για μορφές ενέργειας χωρίς αρνητική επίδραση στο περιβάλλον οδήγησαν στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Για την εμπορική τους, όμως, εκμετάλλευση ήταν απαραίτητη η επίλυση των τεχνικών προβλημάτων που εμφανίστηκαν, ιδιαίτερα όσο αναφορά τη σύνδεση κατανεμημένων παραγωγών με το υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο. Tο φαινόμενο της νησιδοποίησης (islanding), δηλαδή η μη διακοπή της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος στο διασυνδεδεμένο δίκτυο από το κατανεμημένο παραγωγό όταν αυτός έχει αποσυνδεθεί από το κεντρικό δίκτυο, με κίνδυνο για τους εργαζόμενους και τις εκάστοτε συνδεδεμένες σε αυτόν συσκευές, πρέπει να αντιμετωπίζεται άμεσα. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η θεωρητική σύγκριση των προτεινόμενων τεχνικών ελέγχου νησιδοποίησης, η επιλογή και η προσομοίωση στο ATP-EMTP της καταλληλότερης από αυτές. Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται η σημερινή κατάσταση όσο αναφορά την παραγωγή ενέργειας από την κάθε ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και τονίζεται η εξέχουσα θέση και η επικράτηση της ηλιακής ενέργειας και των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης και μια σειρά από προτεινόμενες τεχνικές ανίχνευσης και διακοπής της νησιδοποίησης. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύονται οι τεχνικές με χρήση άεργου ισχύος και γίνεται θεωρητική ανάλυση της επιλεγμένης RPV μεθόδου. Στο τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται οι δυνατότητες του ATP-EMTP, η προσομοίωση της μεθόδου και τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Τέλος η εργασία ολοκληρώνεται από τα συμπεράσματα μετά την προσομοίωση σχετικά με την επιλογή της συγκεκριμένης μεθόδου και το φαινόμενο της νησιδοποίησης. / The energy crisis caused by the use of oil as a primary source of energy, the effort of each state to detox from oil-producing countries and the need for energy without negative impact on the environment has led to the development of renewable sources of energy. For their commercial exploitation though, it was necessary to solve the technical problems that occurred, particularly about connecting distributed generation with the existing power grid. The phenomenon of islanding (islanding), the electrical supply from distributed generation is not interrupted when it is disconnected from the main-grid, with a risk for employees and equipment connected on this, should be dealt with. The purpose of this work is the theoretical comparison of the proposed islanding control techniques, selection and simulation in ATP-EMTP of the one that is the most appropriate of them. In the first chapter the present status report of energy production from each renewable energy source and highlights the prominence and prevalence of solar energy and photovoltaics are analyzed. During the second chapter the phenomenon of islanding is described and a number of proposed techniques for detecting and preventing islanding. In the third chapter the techniques using reactive power are analyzed and the theoretical analysis of the selected RPV method is presented. In the fourth and fifth chapter the possibilities of ATP-EMTP are described, the simulation method and its results are presented. Finally the work is concluded by the results after the simulation on the selection of this particular method and the phenomenon of islanding.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη μείωση της αέργου ισχύος και των απωλειών σε συστήματα μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία περιέχουν ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Ως γνωστόν, συνήθως, όταν χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι μετατροπείς ισχύος για τον έλεγχο ηλεκτρικών και ηλεκτρομηχανικών μεγεθών, επέρχεται μείωση του συντελεστή ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Για να επιτευχθεί υψηλός συντελεστής ισχύος, συνήθως, χρησιμοποιούνται τεχνικές παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του εκάστοτε μετατροπέα, οι οποίες λειτουργούν με υψηλή διακοπτική συχνότητα. Μ’ αυτό τον τρόπο μειώνεται η άεργος ισχύς, με αποτέλεσμα να μειώνεται και το συνολικό ρεύμα που ρέει από το δίκτυο παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι απώλειες του δικτύου, αλλά αυξάνονται οι απώλειες του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Στην εργασία αυτή μελετάται εκτενώς η επίδραση της διακοπτικής συχνότητας επί του συνολικού συντελεστή ισχύος και επί του βαθμού απόδοσης. Προσδιορίζεται η διακοπτική συχνότητα, για την οποία επιτυγχάνεται ο υψηλότερος δυνατός συντελεστής ισχύος και βαθμός απόδοσης. Αυτή η συχνότητα εξαρτάται άμεσα από το παθητικό φίλτρο ανώτερων αρμονικών, που συνήθως είναι τοποθετημένο στην είσοδο του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Η διερεύνηση για την εύρεση της διακοπτικής συχνότητας για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τη μέγιστη δυνατή τιμή, πραγματοποιείται για ένα μονοφασικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή με διπλή κατεύθυνση ρεύματος. Στις περισσότερες εφαρμογές, στις οποίες υπάρχει ένα δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης, λόγω της φύσεως των φορτίων δημιουργείται καθυστέρηση του ρεύματος ως προς την τάση του δικτύου αυτού. Ένα από τα σημαντικά θέματα που πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η αναίρεση αυτής της καθυστέρησης μέσω κατάλληλης έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Η καταλληλότητα αυτής της τεχνικής παλμοδότησης εξετάζεται τόσο για την περίπτωση ενός μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης (Ε.Τ.) σε συνεχή τάση (Σ.Τ.), όσο και για έναν ελεγχόμενο μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη σταθερής συχνότητας λειτουργίας. Κατά τον έλεγχο της λειτουργίας ορισμένων φορτίων μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές στο ρεύμα του δικτύου με χαμηλές συχνότητες (π.χ. 150 Hz). Στη διατριβή αυτή μελετάται η μείωση αυτών μέσω της έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο σήμα που αποτελεί τη βάση της δημιουργίας των παλμών έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Συγκεκριμένα, το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την εισαγωγή και τους στόχους της διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαμβάνει τους απαραίτητους ορισμούς βασικών ενεργειακών μεγεθών καθώς και τον προσδιορισμό των προβλημάτων, η λύση των οποίων αποτελεί το σκοπό της παρούσας διατριβής. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με τη σύγκριση των τυπικότερων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τύπου μονοφασικής γέφυρας με κριτήρια το συντελεστή ισχύος και το βαθμό απόδοσης. Επίσης, προτείνεται η χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος Ε.Τ. σε Σ.Τ. διπλής κατεύθυνσης ρεύματος, ο οποίος πλεονεκτεί έναντι των συνήθως χρησιμοποιούμενων και μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλος για εφαρμογές στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς για την αντιστροφή ισχύος π.χ. κατά την πέδηση αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνάται η τεχνική παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων ενός μετατροπέα και προτείνεται εκείνη για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τις υψηλότερες δυνατές τιμές. Στο πέμπτο κεφάλαιο προτείνεται μία μεθοδολογία, μέσω της οποίας καθορίζεται η τιμή των στοιχείων του παθητικού φίλτρου και της διακοπτικής συχνότητας, για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν ταυτόχρονα τις μέγιστες δυνατές τιμές. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση επιβεβαιώνοντας έτσι τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, τα τροφοδοτικά καθώς και οι επαγωγές των φίλτρων σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας στο πλαίσιο της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Στο έβδομο κεφάλαιο προτείνεται η χρήση μιας τεχνικής παλμοδότησης, με την οποία αναιρείται η καθυστέρηση της βασικής αρμονικής ως προς την τάση του δικτύου. Η τεχνική αυτή στην παρούσα διατριβή ονομάζεται α-sPWM. Με τη χρήση της μεθόδου αυτής βελτιώνεται ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης. Η μελέτη της εφαρμογής της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM πραγματοποιείται μέσω προσομοίωσης και μέσω πειραματικών μετρήσεων. Στο όγδοο κεφάλαιο μελετάται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής παλμοδότησης σε ένα σύστημα, το οποίο αποτελείται από ένα διακοπτικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση σταθερής συχνότητας λειτουργίας αλλά μεταβαλλόμενης ενεργού τιμής. Στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για το προηγούμενο σύστημα, του οποίου ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τον υποψήφιο στο Εργαστήριο. Στο δέκατο κεφάλαιο προτείνεται μία μέθοδος έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο ρεύμα της πηγής μέσω των παλμών έναυσης της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM για την αναίρεση των σημαντικότερων ανώτερων αρμονικών του ρεύματος αυτής. Αυτές οι αρμονικές είναι μικρά πολλαπλάσια της συχνότητας της πηγής και δεν είναι εύκολο να απορροφηθούν από το παθητικό φίλτρο στην πλευρά του δικτύου εναλλασσόμενης τάσης λόγω του μεγάλου μεγέθους των στοιχείων αυτού. Στη συνέχεια προτείνεται ένας τρόπος προσδιορισμού του πλάτους της εκάστοτε προς αναίρεση ανώτερης αρμονικής του ρεύματος, της οποίας η συχνότητα είναι γνωστή. Στο ενδέκατο κεφάλαιο διατυπώνονται τα συμπεράσματα και η συμβολή της διατριβής, στο δωδέκατο μία σύντομη περίληψη και στο δέκατο τρίτο παρατίθεται η βιβλιογραφία. Στο τέλος της διατριβής περικλείεται μία σύντομη περίληψη στα Αγγλικά. / This Ph.d. dissertation deals with the reactive power and power losses reduction. It is well known that the use of a power electronic converter to control the output electrical and electromechanical variables is the best choice. In this case the power electronic converter causes influences on the power efficiency and on the power factor. If the converter’s switching frequency is low (e.g. 50 Hz), the power efficiency is high but the power factor is significant low. On the contrary, by increasing the switching frequency of the semiconductor converter elements the power factor increases while the converter’s efficiency decreases. In this work a study of the switching frequency influence on the power factor and on the power efficiency is curried out. From the results we can determine a frequency by which both the efficiency and the power factor get optimal. This frequency depends on the converter’s input passive filter. For the investigation a controlled bidirectional AC-DC converter is used. Which enables the achieve of high power factor. Τhis work also deals with a switching technique to eliminate the phase angle between the grid’s voltage and the current basic harmonic. The idea is to remove this phase angle through the converter switching pulses. The effect of the proposed switching technique on the power factor and the power efficiency has been investigated for an AC-DC converter as well as for an AC-AC converter. Usually, to control a load through a power electronic converter some high order harmonics with low frequency are generated (e.g 150 Hz). It is well known that it is not easy to eliminate these high order harmonics. In the present work this is curried out through a current injection technique. The idea is to inject the required current harmonic through the converter switching pulses. In this thesis the studied issues were mainly realized through simulation (using the program Matlab/Simulink) as well as experimentally. For the experimental work the prototype converters and the electrical devises were designed and constructed in the laboratory.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι διεργασίες πλάσματος με τάση διέγερσης ραδιοσυχνότητας χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο και απαντώνται σε διάφορες εφαρμογές όπως στην εναπόθεση υλικών, στην επεξεργασία επιφανειών κα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι εκκενώσεις αίγλης ραδιοσυχνότητας να προσελκύσουν έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον. Μπορεί τα τελευταία χρόνια να έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στον τομέα αυτό ωστόσο υπάρχει ακόμα και σήμερα ενδιαφέρον που αφορά το σχεδιασμό των συστημάτων αυτών καθώς και την ανάπτυξη μεθόδων που αφορούν την επαναληψιμότητα των διεργασιών καθώς και τον έλεγχο των ιδιοτήτων του πλάσματος. Ένας από αυτούς τους τομείς είναι ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός ηλεκτροδίων ραδιοσυχνότητας πηγών πλάσματος και η εύρεση της κατανεμημένης εμπέδησής τους και ακολούθως ο υπολογισμός της καταναλισκόμενης ισχύος σε εκκενώσεις αίγλης. Αυτές οι τεχνικές μπορούν να μας προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες για τους μηχανισμούς και τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σε εκκενώσεις ραδιοσυχνότητας, οι οποίες αν στη συνεχεία αξιοποιηθούν να μας οδηγήσουν στον ακριβή προσδιορισμό και έλεγχο των συνθηκών. Στην εργασία αυτή αναλύονται μέθοδοι από τις οποίες προκύπτουν αποτελέσματα που αφορούν παραμέτρους του πλάσματος μέσω μετρήσεων τάσης, ρεύματος και διαφοράς φάσης σε κάποιο σημείο εξωτερικά του αντιδραστήρα. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ηλεκτρικών μετρήσεων σε εκκενώσεις αργού που πραγματοποιήθηκαν σε μια χωρητικά συζευγμένη πηγή πλάσματος. Αρχικά παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός της πηγής και αναλύονται τρεις μέθοδοι για τη μέτρηση και τον υπολογισμό της καταναλισκόμενης ισχύος της εκκένωσης. Στην πρώτη μέθοδο οι ηλεκτρικές μετρήσεις χρησιμοποιούνται για το προσδιορισμό ενός ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος με κατανεμημένα στοιχεία (πυκνωτές, πηνία αντιστάσεις) το οποίο μπορεί να περιγράψει την εμπέδηση ανάμεσα στο σημείο μέτρησης εξωτερικά του αντιδραστήρα και την επιφάνεια του ηλεκτροδίου ραδιοσυχνότητας. Το ισοδύναμο αυτό κύκλωμα επιλύεται με βάση τους κανόνες του Kirchhoff και προκύπτουν οι τιμές της μιγαδικής τάσης και ρεύματος της εκκένωσης. Στη δεύτερη μέθοδο, η τάση καθώς και το ρεύμα της εκκένωσης υπολογίζονται μέσω ενός πίνακα ABCD, τα στοιχεία του οποίου έχουν υπολογιστεί από μετρήσεις σε ανοικτό και βραχυκυκλωμένο κύκλωμα. Η τρίτη μέθοδος, μοιάζει αρκετά με τη δεύτερη μόνο που έχει το πλεονέκτημα να είναι πιο απλή λόγω του ότι δεν απαιτεί τη μέτρηση της φάσης της εμπέδησης (της φάσης της τάσης σε σχέση με την τάση του ρεύματος). / Over the last decades, plasma processing has been widely used in various applications such as the deposition of thin films, surface modification, dry etching etc. As a result, radio-frequency discharges have attracted particular scientific interest. Despite the steps forward, there are still open issues especially concerning the design of plasma systems and the effective control of plasma parameters. A part of these issues is related to the electrical characterization of the stray impedance of the plasma electrode and the subsequent measurement and calculation of the real power consumption during the process. These techniques can lead to better understanding of the plasma processes and can also lead to more stable, reliable and almost ideal performing plasma systems. The aim of this study is to point out externally measured non-intrusive plasma parameters that could ease design, control and transferability of plasma conditions. In this work we demonstrate results of electrical characteristics of argon discharges carried out in a high vacuum capacitively coupled parallel plate reactor. Initially, the electrical characterization of the plasma reactor is presented and three methods for measuring and calculating the real power consumed in the discharge are analyzed.. At the first method, the electrical measurements are used to determine a simple equivalent circuit that can describe the parasitic impedances that interfere between the point of measurement and the RF electrode’s surface. The equivalent circuit model is then solved through Kirchhoff’s laws and values of the complex electrode’s voltage and current are obtained from the measured voltage and current at some point located outside the reactor. At the second method, the reactor is treated as a two-port network. The electrode’s voltage and current are calculated through the ABCD matrix of the reactor whose values a, b, c, d are extracted from open and short circuit measurements. The third method is a simplification of the second method as it does not require the phase of the impedance (the phase of the voltage relative to the current) for the calculations.

Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις της σύγχρονης κοινωνίας σε συνδυασμό με τις ραγδαίες κλιματικές αλλαγές μας οδηγούν στην ανάγκη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατό πιο οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Έτσι, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερο μερίδιο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλάζοντας συνεχώς τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Τα αιολικά συστήματα, τα οποία αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου, είναι ένα είδος ΑΠΕ. Στην παρούσα εργασία μελετάμε ένα αιολικό σύστημα, το οποίο αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, έναν μετατροπέα πηγής τάσης, ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου και μία γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους. Η αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση της ΣΜΜΜ την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Στην εργασία αυτή προσομοιώνουμε σε περιβάλλον Matlab/Simulink το σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Εφαρμόζοντας τις κατάλληλες τεχνικές ελέγχου από την πλευρά της μηχανής προσπαθούμε να πετύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, ενώ στην πλευρά του δικτύου προσπαθούμε μέσω άμεσου ελέγχου ροής ισχύος να πετύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης. Στη συνέχεια, μέσω ενός πρόσθετου ελέγχου προσπαθούμε να κρατήσουμε την τάση στην έξοδο του φίλτρου σταθερή, κατά τη διάρκεια πτώσης της τάσης του δικτύου. Τέλος, παραθέτουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με έναν σύντομο σχολιασμό και τα συμπεράσματα. / The continuously increasing energy requirements of modern society combined with the rapid climate changes lead us to the need to produce electrical energy in a more economic and environmentally friendly way. Thus, the Renewable Energy Sources gain an increasing share of electrical energy production, constantly changing the global energy map. Wind power systems, which utilize the kinetic energy of the wind, are a kind of RES. In this thesis we study a wind power system, which comprises a variable speed wind turbine, which uses a permanent magnet synchronous machine, a voltage source converter, an R-L filter in the grid side and a short transmission line. The increased reliability and performance of PMSG make it particularly attractive solution for wind power systems. In this thesis we simulate in Matlab/Simulink environment the system described above. Applying appropriate control techniques on the machine side we try to achieve maximum power harvesting from the wind, while on the grid side we try through direct power flow control to achieve unit power factor with simultaneous control of the dc link voltage. Then, using an additional control we try to keep constant the voltage at the end of the R-L filter during a grid voltage drop. Finally, we present the simulation results along with a brief commentary and the conclusions.

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και η επεξεργασία δεδομένων από αιολικό πάρκο εγκατεστημένης ισχύος 38 MW, η σύγκρισή τους με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη λειτουργία του αιολικού πάρκου. Για να επιτευχθεί ο στόχος της εργασίας αρχικά γίνεται μία γνωριμία με το σύνολο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τονίζεται η σημαντικότητά τους και ο σπουδαίος ρόλος που επιτελούν στη σημερινή ενεργειακή κρίση. Ύστερα η εργασία εστιάζει στην αιολική ενέργεια, σαν έναν από τους κύριους εκφραστές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και παρουσιάζει τους λόγους και τους τρόπους αξιοποίησής της. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή των χαρακτηριστικών της ανεμογεννήτριας, η οποία είναι το βασικό εργαλείο για τη διαδικασία μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ανάλυση ενός συστήματος ανεμογεννητριών, γνωστό και ως αιολικό πάρκο, η ύπαρξη του οποίου οφείλεται στην ανάγκη μέγιστης απορρόφησης της αιολικής ενέργειας. Αφού περιγραφούν όλες οι απαραίτητες έννοιες για την κατανόηση της λειτουργίας του αιολικού πάρκου, σειρά έχει η αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας μελέτης, κατασκευής και διασύνδεσής του στο δίκτυο, χρησιμοποιώντας ως υπόδειγμα πραγματικές μελέτες και σχέδια από την κατασκευή ενός εγκατεστημένου αιολικού πάρκου. Από το αιολικό πάρκο που χρησιμοποιήθηκε ως υπόδειγμα, συγκεντρώθηκαν διάφορα δεδομένα λειτουργίας, όπως η παραγόμενη ισχύς, η ταχύτητα και η διεύθυνση του ανέμου, κ.ά. Τα δεδομένα αυτά αναλύθηκαν και επεξεργάστηκαν και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στη συνέχεια. / The subject of this thesis is to analyze and process the data extracted from a wind farm, with installed capacity of 38 MW, then compare them to the theoretical estimated values and finally draw conclusions about the operation of the wind farm. In order to reach the goal of the thesis, initially, all the renewable energy sources are introduced and their significance and the important role they play in today's energy crisis are highlighted. Then the paper focuses on wind power, being one of the most frequently exploited renewable energy source and presents both the advantages and disadvantages and the ways of exploitation. Following the aforementioned is a detailed description of the characteristics of the wind turbine, which is the main equipment for the conversion of wind energy into electricity. The necessity of power nowadays has forced us to find ways for best absorption of wind energy. A wind farm allows us to get the maximum out of the wind potential of an area therefore what follows is the analysis of the main components of a wind farm. After describing all the necessary concepts for understanding the operation of the wind farm, a detailed description of the design process, construction and interconnection with the grid is presented. The description is made by using studies and drawings of an actual construction project of an installed wind farm. From the wind farm that was used as a template, were gathered various operating data such as power output, air speed and direction, etc. These data have been analyzed and processed, and the results are projected in the last two chapters of this thesis.

Μέχρι σήμερα στη δρομολόγηση στα ασύρματα αδόμητα δίκτυα λαμβάνεται ως κριτήριο ένα μοναδιαίο μέγεθος για κάθε σύνδεσμο του δικτύου, το οποίο αναπαριστά το κόστος της μετάδοσης πάνω στον συγκεκριμένο σύνδεσμο. Στη δρομολόγηση με βάση πολλαπλά κριτήρια η βασική ιδέα είναι ότι σε κάθε σύνδεσμο ανατίθεται ένα διάνυσμα από παραμέτρους-κόστη με βάση το οποίο προκύπτει και ένα αντίστοιχο διάνυσμα για κάθε μονοπάτι. Για κάθε ζευγάρι κόμβων αποστολέα-παραλήπτη γίνεται καταρχήν η εύρεση όλων των υποψήφιων για χρήση μονοπατιών. Τα υποψήφια μονοπάτια, που λαμβάνονται υπόψη κατά τη διαδικασία επιλογής, έχουν την ιδιότητα να είναι μη-κυριαρχημένα μεταξύ τους. Στη συνέχεια εφαρμόζεται στο σύνολο των μη-κυριαρχημένων μονοπατιών μια συνάρτηση που συνδυάζοντας τις συνιστώσες του κάθε διανύσματος παράγει το κόστος χρήσης κάθε μονοπατιού και έτσι το μονοπάτι με το ελάχιστο κόστος επιλέγεται για χρήση. Στα πλαίσια της εργασίας, καταρχήν μελετήθηκε ο αλγόριθμος δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη χρησιμοποιώντας παραμέτρους-κόστη σχετικές με την ενέργεια, όπως η τρέχουσα διαθέσιμη ενέργεια στους κόμβους και η ισχύς μετάδοσής τους. Στη συνέχεια στις παραμέτρους προστέθηκε και η παρεμβολή που δημιουργείται από τη μετάδοση πάνω σε ένα σύνδεσμο. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι ο αλγόριθμος δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη, σε σχέση με τον ελάχιστου μήκους διαδρομής, κατανέμει πιο ομοιόμορφα την κίνηση στο δίκτυο, επιμηκύνει τον χρόνο ζωής του δικτύου και αυξάνει το ποσοστό των παραδιδόμενων πακέτων. Στο επόμενο στάδιο της εργασίας έγινε μια κατανεμημένη υλοποίηση του αλγορίθμου δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη, που επιπλέον λαμβάνει υπόψη την κινητικότητα των κόμβων του δικτύου, η οποία και πάλι φάνηκε να υπερέχει έναντι πιο παραδοσιακών πρακτικών. Τέλος η ιδέα της δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη εφαρμόστηκε για τη λύση του προβλήματος ενεργο-αποδοτικής πολλαπλής ή ολικής εκπομπής (multicasting ή broadcasting, αντίστοιχα). Στόχος ήταν να βρεθεί η βέλτιστη ενεργο-αποδοτικά ακολουθία συνδέσμων πάνω στους οποίους πρέπει να γίνει μετάδοση ενός πακέτου προκειμένου να υλοποιηθεί η επιθυμητή εκπομπή. Σαν παράμετροι-κόστη χρησιμοποιήθηκαν η τρέχουσα διαθέσιμη ενέργεια και η ισχύς μετάδοσης των κόμβων. Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφή υπεροχή του αλγορίθμου με πολλαπλά κόστη έναντι παραδοσιακών λύσεων τόσο για πολλαπλή εκπομπή όσο και για ολική εκπομπή. / Until now, routing in wireless ad hoc networks has been studied by taking into account a single scalar metric for every network link, representing the cost of transmitting through this link. In multicost routing a vector of cost parameters is assigned to each link, based on which a respective cost vector is produced for every path in the network. For every source-destination pair all the candidate paths are initially calculated that are non-dominated to each other. At the cost vectors of the candidate paths, an optimization function is applied in order to produce a cost for each path based on which the selection of the optimal one is made. In the present thesis multicost routing in wireless ad hoc networks was studied initially using as cost parameters the node residual energy and transmission power. As a next step the interference cause by the transmission of each link was added to the cost vectors assigned to each network link. The simulation results showed that multicost routing in comparison to traditional routing practices achieves more uniform traffic distribution and energy consumption in the network, prolongs the network lifetime and increases the percentage of the packets that are successfully delivered to their destinations. Expanding these ideas, the multicost routing algorithm was next implemented in a fully distributed fashion in which additionally the node mobility was taken into account. The results again proved that a significant improvement was accomplished compared to minimum-hop routing. Finally, multicost routing was applied in the field of multicasting and broadcasting in wireless ad hoc networks. The emphasis was again on energy-efficiency by incorporating energy-related cost parameters like node residual energy and transmission power. The multicost algorithm calculates the optimal energy-efficient sequence of nodes that by transmitting implement the desired communication task (multicasting or broadcasting). Simulation results illustrate a clear advantage of our algorithm over established solutions for energy-efficient multicasting and broadcasting.

Η αιολική ενέργεια είναι το κλειδί για να επιτευχθεί ο στόχος της Ε.Ε. για συμμετοχή των Α.Π.Ε. στην παραγωγή ενέργειας σε ποσοστό τουλάχιστον 20% το 2020.Για το λόγο αυτό, αυτή η διπλωματική εργασία έχει σκοπό τη μελέτη των επιπτώσεων του συστήματος αιολικής ενέργειας στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας.Η έρευνα επικεντρώνεται στο τμήμα των δυναμικών επιπτώσεων, που αφορά κυρίως στις μεταβολές της αέργου ισχύος και των τάσεων στους ζυγούς του συστήματος λόγω μεταβολών διαφόρων παραμέτρων όπως ο άνεμος, οι γραμμές μεταφοράς και διάφορα είδη σφαλμάτων. / The contribution of renewable sources of energy in percent at least 20% is the energy goal of E.U. in 2020.Thus, wind power is considered to be the key to the achievement of this goal.For this reason, this diploma thesis intendsto study the influences of the wind power system to the electrical power system.The research specifies in the section of the dynamic influences, which mostly includes the variations of the voltage and the reactive powe in the systems buses due to variations of variables such as the wind speed, the transmission lines and different types of fault.

Τα ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων είναι μια πρόσφατη κατηγορία αδόμητων υπολογιστικών δικτύων, τα οποία αποτελούνται από κόμβους με μικρό μέγεθος και περιορισμένους υπολογιστικούς και ενεργειακούς πόρους. Τέτοιοι κόμβοι έχουν δυνατότητες μέτρησης φυσικών μεγεθών (όπως πχ. θερμοκρασία, υγρασία, κ.α.), ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ τους, και σε κάποιες περιπτώσεις αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον τους (μέσω κατάλληλων ηλεκτρομηχανικών μερών). Καθώς τα δίκτυα αυτά έχουν αρχίσει να γίνονται πιο προσιτά (από άποψη κόστους και διαθεσιμότητας hardware), το πεδίο εφαρμογής και η φιλοσοφία χρήσης τους συνεχώς εξελίσσεται και διευρύνεται. Έτσι, έχουμε παραδείγματα εφαρμογών από παρακολούθηση της βιοποικιλότητας μιας περιοχής έως την παρακολούθηση στατικότητας κατασκευών, και δίκτυα με πλήθος κόμβων από δεκάδες έως και εκατοντάδες ή και χιλιάδες κόμβων. Κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής ασχοληθήκαμε με τις εξής βασικές ερευνητικές κατευθύνσεις που αφορούν στα συγκεκριμένα δίκτυα: α) την εξομοίωσή τους, β) την ανάπτυξη πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας κατάλληλων για αυτά τα δίκτυα και τη μελέτη της απόδοσής τους μέσω εξομοίωσης, γ) τη μοντελοποίηση εχθρικών συνθηκών («εμποδίων») σε ένα τέτοιο δίκτυο και την εφαρμογή τους στο επίπεδο της εξομοίωσης, δ) την ανάπτυξη εφαρμογών για τη διαχείρισή τους. Στο σκέλος της εξομοίωσης, δόθηκε αρχικά έμφαση στην αποδοτική εξομοίωση τέτοιου τύπου δικτύων με μέγεθος αρκετών χιλιάδων κόμβων, και στα πλαίσια της έρευνας μας αναπτύχθηκε ένα περιβάλλον εξομοίωσης (simDust), με δυνατότητα προσθήκης νέων πρωτοκόλλων καθώς και οπτικοποίησης. Το περιβάλλον αυτό χρησιμοποιήθηκε ακολούθως για την επέκταση και πειραματική αξιολόγηση ορισμένων χαρακτηριστικών υπαρχόντων πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων. Παράλληλα, αναπτύξαμε ένα νέο πρωτόκολλο και κάναμε μια σύγκριση της απόδοσής του με άλλα αντίστοιχα πρωτόκολλα. Η πειραματική μας αξιολόγηση έδειξε ότι το νέο πρωτόκολλο, το οποίο βασίζεται σε δυναμικές αλλαγές της ακτίνας μετάδοσης των κόμβων του δικτύου, συμπεριφέρεται αποδοτικότερα από άλλα πρωτόκολλα της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, και συγκεκριμένα σε δίκτυα με εμπόδια και ανομοιογενή ανάπτυξη των αισθητήρων. Στη συνέχεια, δόθηκε έμφαση στην προσθήκη «ρεαλιστικών» συνθηκών κατά τη διάρκεια της εξομοίωσης τέτοιων πρωτοκόλλων, οι οποίες να λειτουργούν ανταγωνιστικά ως προς τα πρωτόκολλα αυτά. Σκοπός μας ήταν να προταθεί ένα μοντέλο, το οποίο να μπορεί να περιγράψει συνθήκες που περιορίζουν την αποτελεσματικότητά τους. Συγκεκριμένα, προτείναμε και υλοποιήσαμε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο ``εμποδίων'', το οποίο εισάγει μικρή πρόσθετη υπολογιστική πολυπλοκότητα σε έναν εξομοιωτή, ενώ παράλληλα για να εξετάσουμε την επίδρασή του εστιάσαμε σε πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιούν γεωγραφική γνώση (απόλυτη ή σχετική) για να δρομολογήσουν την πληροφορία μέσα σε ένα δίκτυο ασύρματων μικροαισθητήρων. Τέτοια πρωτόκολλα είναι σχετικά ευαίσθητα σε δυναμικές αλλαγές της τοπολογίας και των συνθηκών του δικτύου. Μέσω πειραματικής αξιολόγησης δείξαμε την σημαντική επίδραση που μπορούν να έχουν συγκεκριμένες αντίξοες συνθήκες μέσα στο δίκτυο στην απόδοση αυτών των πρωτοκόλλων. Στο σκέλος των εφαρμογών, προτείναμε αρχικά μια αρχιτεκτονική (WebDust/ShareSense) για ένα σύστημα διαχείρισης τέτοιων δικτύων, το οποίο να παρέχει βασικές δυνατότητες δημιουργίας εφαρμογών για τέτοια δίκτυα σε συνδυασμό με επεκτασιμότητα. Χαρακτηριστικά που ξεχωρίζουν είναι η δυνατότητα διαχείρισης πολλαπλών ετερογενών ασύρματων δικτύων μικροαισθητήρων, η ανοικτότητα, η χρήση peer-to-peer αρχιτεκτονικής για τη διασύνδεση πολλών διαφορετικών δικτύων. Υλοποιήθηκε μέρος του προτεινόμενου συστήματος, ενώ στη συνέχεια το σύστημα αναθεωρήθηκε σε ότι αφορά την αρχιτεκτονική του και εμπλουτίστηκε με πρόσθετες δυνατότητες παρουσίασης. / Wireless sensor networks are a recently introduced category of ad hoc computer networks, which are comprised by nodes of small size and limited computing and energy resources. Such nodes are able of measuring physical properties such as temperature, humidity, etc., wireless communication between each other and in some cases interaction with their surrounding environments (through the use of electromechanical parts). As these networks have begun to be widely available (in terms of cost and commercial hardware availability), their field of application and philosophy of use is constantly evolving. We have numerous examples of their applications, ranging from monitoring the biodiversity of a specific outdoor area to structural health monitoring of bridges, and also networks ranging from few tens of nodes to even thousands of nodes. In this PhD thesis we investigated the following basic research lines related to wireless sensor networks: a) their simulation, b) the development of data propagation protocols suited to such networks and their evaluation through simulation, c) the modelling of ``hostile'' circumstances (obstacles) during their operation and evaluation of their impact through simulation, d) the development of a sensor network management application. Regarding simulation, we initially placed an emphasis to issues such as the effective simulation of networks of several thousands of nodes, and in that respect we developed a network simulator (simDust), which is extendable through the addition of new data propagation protocols and visualization capabilities. This simulator was used to evaluate the performance of a number of characteristic data propagation protocols for wireless sensor networks. Furthermore, we developed a new protocol (VRTP) and evaluated its performance against other similar protocols. Our studies show that the new protocol, that uses dynamic changes of the transmission range of the network nodes, performs better in certain cases than other related protocols, especially in networks containing obstacles and in the case of non-homogeneous placement of nodes. Moreover, we emphasized on the addition of ``realistic'' conditions to the simulation of such protocols, that have an adversarial effect on their operation. Our goal was to introduce a model for obstacles that adds little computational overhead to a simulator, and also study the effect of the inclusion of such a model on data propagation protocols that use geographic information (absolute or relative). Such protocols are relatively sensitive to dynamic topology changes and network conditions. Through our experiments, we show that the inclusion of obstacles during simulation can have a significant effect on these protocols. Finally, regarding applications, we initially proposed an architecture (WebDust/ShareSense), for the management of such networks, that would provide basic capabilities of managing such networks and developing applications above it. Features that set it apart are the capability of managing multiple heterogeneous sensor networks, openess, the use of a peer-to-peer architecture for the interconnection of multiple sensor network. A large part of the proposed architecture was implemented, while the overall architecture was extended to also include additional visualization capabilities.

The localization of the sensor nodes is a fundamental issue in the area of wireless sensor networks (WSNs). An attractive way for estimating the location of mobile or static wireless objects is by using the received signal strength (RSS) attenuation with the distance, which does not require any additional hardware. This is possible due to the fact that in most sensor nodes radios the received signal strength indicator (RSSI) is a standard feature and can be obtained automatically by the received messages. On the other hand the RSS is known for being noisy, unstable, variable and difficult to use in practice. For achieving a better understanding of the nature of these difficulties and limitations, and for identifying the range of applicability of the RSS in localization and tracking scenarios, a thorough study about the RSS and its dependence on the various factors and environmental conditions is essential. The present doctoral dissertation investigates the feasibility of sensor node localization and target tracking with the resources of the WSN technology, when using only the RSS of the exchanged messages. Moreover, it offers experimental support to the hypothesis that proper modeling of the RSS behavior and appropriate selection of the topology parameters are essential for the applicability of WSN in real world conditions. In brief, the present doctoral dissertation concerns with: (i) identifying the main factors that influence the accuracy, the variability and the reliability of the obtained RSS, (ii) modeling the RF signal propagation in the context of WSNs, and (iii)defining the basic deployment constraints and evaluation of the topology parameters that can guarantee successful localization and tracking. For assessing the practical value of various RF-models, experiments using Tmote Sky and TelosB sensor nodes in real-field outdoor environment were carried out. The impact of a number of factors, such as the operating frequency of the radio, the transmitter–receiver distance, the variation of transceivers hardware due to manufacturing tolerances, the antenna orientation, and the environmental conditions, on the RSS was investigated. The influence of the various factors that affect the RF signal propagation and some constraints imposed by the WSN nature was accounted in order to design practical models, suitable for outdoor unobstructed and outdoor tree-obstructed environments. A pre-deployment simulation framework has been introduced and in its context a RF signal propagation-based connectivity strategy (RFCS) has been developed to fulfill three deployment provisions: (i) discovering the most appropriate height from the ground and distances for the sensor nodes, (ii) reducing the transmission power, and (iii) minimizing the interference from non-neighbor nodes. The RFCS uses a RF signal propagation model to predict the RSS in order to identify the most appropriate communication-based deployment parameters, i.e. T-R distance, height from the ground and transmission power. The localization and tracking considerations, by means of localization and tracking techniques, topology parameters and factors influencing the localization and tracking accuracy, are combined in illustrative simulation examples to evaluate their significance concerning the performance of the localization and tracking task. Furthermore, the propagation model and the topology parameters being identified were validated in real outdoor sensor node localization and target tracking tests. / -