Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα, στις διάφορες μορφές ενέργειας, στα διάφορα είδη μετατροπέων και τα είδη ελέγχου. Πιο συγκεκριμένα, ασχολούμαστε με τον έλεγχο σε μετατροπείς από την πλευρά του δικτύου που χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες. Επιπλέον, εξομοιώνουμε έναν μετατροπέα στη πλευρά του δικτύου για να ρυθμίσουμε τη DC τάση. Πιο συγκεκριμένα: Στο κεφάλαιο 1, θα ασχοληθούμε με το πρόβλημα ενέργειας και την αλλαγή στο κλίμα, τα οποία αποτελούν δύο από τα πιο βασικά προβλήματα του πλανήτη. Ακόμα, θα αναφερθούμε στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως στην αιολική. Επίσης, θα γίνει μία μικρή αναφορά με βάση διαγράμματα για τους κανονισμούς που ισχύουν σε διάφορες χώρες της Ευρώπης όσον αφορά την λειτουργία Εγκαταστάσεων Αιολικής Ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2, θα αναφερθούμε στις δομές μετατροπέων για διασύνδεση με ανεμογεννήτριες, καθώς επίσης και στον έλεγχο από την πλευρά της γεννήτριας. Τέλος, γίνεται μία μικρή αναφορά στον έλεγχο ισχύος. Στο κεφάλαιο 3, γίνεται αναφορά στον μετατροπέα πηγής- τάσηςVSC, στα φίλτρα δικτύου και στη διαμόρφωση. Στο κεφάλαιο 4, γίνεται αναφορά στον τριφασικό διπλό μετατροπέα τάσης, στη λειτουργία του, στο μοντέλο του καθώς και στις κατάλληλες εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα. Στο κεφάλαιο 5, γίνεται περιγραφή του ελέγχου με διπλούς βρόγχους, γίνεται μία σύντομη αναφορά στο PLL και δίνονται οι κατάλληλες εξισώσεις. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη περιγραφή του μοντέλου που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη διπλωματική. Στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζουμε την εφαρμογή στο παρών μοντέλο καθώς και τα αποτελέσματα χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα matlab/simulink, τις παραμέτρους καθώς επίσης και τις γραφικές παραστάσεις. / --

Η επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τους συμβατικούς τρόπους ηλεκτροπαραγωγής έστρεψε τα τελευταία χρόνια την παγκόσμια ενεργειακή πολιτική στην ανάπτυξη και βελτίωση μεθόδων ηλεκτροπαραγωγής βασισμένων σε Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Αν και η ενσωμάτωση των ΑΠΕ στο δίκτυο μέσης τάσης δε συνοδεύεται από ιδιαίτερες πρακτικές δυσκολίες, δεν συμβαίνει το ίδιο και με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών, εξαιτίας της δομής των σύγχρονων μεγάλων αστικών κέντρων. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι μεγάλοι καταναλωτές (εργοστάσια και βιομηχανίες) θεωρούνται κατά κοινή πρακτική ως σταθερά φορτία, γίνεται κατανοητό πως ο βαθμός ανάπτυξης των αστικών κέντρων διαδραματίζει πολύ σημαντικό ρόλο τόσο στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας όσο και στη διαμόρφωση της αιχμής της καταναλισκόμενης ισχύος. Στο Ελληνικό Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας οι μήνες κατά τους οποίους βάλλεται περισσότερο η επάρκεια του ηλεκτρικού συστήματος επικεντρώνονται στη διάρκεια της θερινής περιόδου. Από την άλλη πλευρά, η μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή συμπίπτει χρονικά με τις ημερήσιες αιχμές ζήτησης των καλοκαιρινών μηνών. Συνεπώς, η χρήση μικρών ευέλικτων φωτοβολταϊκών (Φ/Β) συστημάτων, που μπορούν να εγκατασταθούν τόσο σε κατοικίες, όσο και σε εμπορικά ή δημοσία κτίρια (Διασυνδεδεμένα κτιριακά Φ/Β συστήματα) μπορεί να συμβάλει τόσο στην εξομάλυνση των αιχμών φορτίου όσο και στη μείωση του συνολικού κόστους ηλεκτροπαραγωγής. Η τελευταία και νεώτερη τεχνολογική τάση στα διασυνδεδεμένα κτιριακά φωτοβολταϊκά συστήματα είναι γνωστή με τον όρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος (Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ). Πρόκειται για Φ/Β διατάξεις μικρής ισχύος (έως 300W), οι οποίες δημιουργούνται από την ενσωμάτωση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου και ενός μονοφασικού αντιστροφέα σε μια αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την αναζήτηση μιας διάταξης διασύνδεσης φωτοβολταϊκών γεννητριών μικρής ισχύος με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Συγκεκριμένα, διερευνάται η δυνατότητα ανάπτυξης μιας ηλεκτρονικής διάταξης με απομόνωση, η οποία αφ’ ενός μεν θα εξασφαλίζει υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλό βαθμό απόδοσης για ευρύ φάσμα λειτουργίας, αφ’ ετέρου δε θα διέπεται από μικρό βαθμό πολυπλοκότητας στο κύκλωμα ισχύος της προκειμένου να εξασφαλίζεται υψηλή αξιοπιστία. Επιπρόσθετα, ιδιαίτερα χαρακτηριστικά αυτής της διάταξης θα πρέπει να είναι ο μικρός όγκος και το μικρό βάρος, ιδιότητες πολύ σημαντικές εάν αναλογιστούμε τις εφαρμογές για τις οποίες προορίζεται (ενσωμάτωση σε Φ/Β γεννήτριες που θα τοποθετηθούν σε όψεις ή οροφές κτιρίων). Το ενδιαφέρον της εργασίας εστιάσθηκε στον υψίσυχνο αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback. Για τη διάταξη αυτή διερευνήθηκαν δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου (οι οποίες οδηγούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας) και ελέγχθηκε η καταλληλότητα τους για διαφορετικά επίπεδα ισχύος. Για τις δύο αυτές τεχνικές ελέγχου αναπτύχθηκαν μαθηματικά μοντέλα που συνδέουν τη μεταφερόμενη στο δίκτυο ισχύ με τις κατασκευαστικές παραμέτρους του αντιστροφέα και εξήχθησαν κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του αντιστροφέα, με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Επιπλέον, προτάθηκε η συνδυασμένη εφαρμογή των δύο τεχνικών ελέγχου και παρουσιάστηκε μια στρατηγική σχεδιασμού του αντιστροφέα, ώστε να γίνεται βέλτιστη επιλογή όλων των επιμέρους λειτουργικών του στοιχείων με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση του όγκου του, επίτευξη υψηλού συντελεστή ισχύος καθώς και υψηλού βαθμού απόδοσης, για ευρύ φάσμα της παραγόμενης ισχύος. Τέλος, διερευνήθηκε η δυνατότητα ανάπτυξης ενός ενεργού φίλτρου, για την αποτελεσματική εξομάλυνση της έντονης κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου του προτεινόμενου αντιστροφέα. Η κυμάτωση αυτή είναι αποτέλεσμα της τροφοδότηση του μονοφασικού ηλεκτρικού δικτύου Ε.Ρ. από τη συνεχή τάση και το συνεχές ρεύμα που παράγουν οι φωτογεννήτριες και ο περιορισμός της είναι ιδιάζουσας σημασίας προκειμένου να καταστεί δυνατή η αποδοτική λειτουργία της όλης διάταξης. Η λειτουργία του προτεινόμενου ενεργού φίλτρου είναι ανεξάρτητη τόσο των καταστάσεων λειτουργίας του αντιστροφέα τύπου Flyback, όσο και γενικότερα της τοπολογίας του αντιστροφέα, καθιστώντας την έτσι ως μια ελκυστική λύση και για διαφορετικές τοπολογίες μετατροπέων. Η ακρίβεια των μαθηματικών μοντέλων, η ορθότητα της προτεινόμενης στρατηγικής σχεδιασμού και η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου ενεργού φίλτρου επιβεβαιώθηκαν μέσω προσομοίωσης και πειραματικών δοκιμών, ενώ τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα από το σύνολο της εργασίας. Η εργασία αυτή συγχρηματοδοτείται κατά: 80% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ένωση – Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο, 20% της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο – Υπουργείο Ανάπτυξης – Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας και από τον Ιδιωτικό Τομέα, στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα – Γ΄ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης. / The aggravation of natural environment from the conventional ways of electricity generation turned during past few years the worldwide energy policy to the development and the improvement of electricity generation methods based on Renewable Energy Sources (RES). Although the interconnection of RES in the medium voltage network is not accompanied by particular practical difficulties, this is not the case for the electric network of urban regions, by reason of the structure of modern big urban centres. Taking into consideration that in common practice the big consumers (factories and industries) are considered as constant loads, it becomes comprehensible that the growth of urban centres plays very important role both in the demand of electrical energy and the formation of peak electricity power consumption. Τhe time period where the sufficiency of the Greek Electric Energy System is threatened is during the aestival period. On the other hand, the peak electricity production from solar energy coincides with the daily peak consumption of summer months. Consequently, the use of small flexible photovoltaic (PV) systems, installed in residences or in commercial and public buildings (BIPV – Building Integrated Photovoltaic’s), can contribute to the normalisation of electrical energy consumption as well as to the reduction of electricity generation total cost. The latest technology on small scale grid-connected residential PV systems is the Alternative Current Photovoltaic Modules (AC-PV Modules) where the power production varies under 0.3kW. An AC-PV Module is the combination of a single PV module and a single-phase power electronic inverter in a single electrical device. The scope of the present work is to contribute in the sector of the Dispersed Power Generation PV systems, with the development of an inverter that will be used for the interconnection of small PV generators with the electric network of urban regions. In more details, the development of an inverter with electrical isolation is investigated, which on the one hand it will ensure high power factor regulation and high efficiency for wide power range and on the other hand it will be characterised by simple power electronic circuit structure in order to ensure high reliability. Moreover, particular characteristics of this inverter should be the small volume and the small weight, attributes very important considering its applications (incorporation in PV generators that will be placed in aspects or roofs of buildings). The interest of present work is focused in the high frequency current source Flyback inverter. For this topology two different control techniques were investigated, leading to different operation modes. Moreover, their suitability is studied for different power levels. For both control techniques mathematic models were developed, connecting the transferred power in the public grid with the inverter operational parameters, as well as criteria for the inverter safe operation area were exported, considering the acceptable peak voltage and current values for the semiconductor switches. Moreover, the combined application of two control techniques is proposed and an optimum inverter design strategy is presented, aiming to the development of an inverter with the smallest possible volume, as well as to the achievement of high power factor regulation and high efficiency for wide power range. Last but not least, a current pulsation smoothing active filter is investigated and developed, which permits the elimination of the low frequency inverter input current. The current pulsation is a result of the power pulsation, due to the single-phase power generation, and its elimination is of great importance in order to exploit the maximum PV generated electricity power. The active filter configuration is independent from the inverter topology and its operation mode and hence it can be applied for various single stage topologies. The precision of the mathematic models, the correctness of the proposed design strategy and the effectiveness of the proposed active filter are validated via simulation and experimental results. Finally, the conclusions of whole study are exhibited. This thesis is part of the 03ED300 research project, implemented within the framework of the “Reinforcement Programme of Human Research Manpower” (PENED) and cofinanced by National and Community Funds (20% from the Greek Ministry of Development-General Secretariat of Research and Technology and 80% from E.U.- European Social Fund).

Η πληθώρα των εφαρμογών που μπορεί να εξυπηρετήσει η τεχνολογία Υπερευρείας Ζώνης (UWB), από τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα υψηλών ταχυτήτων, μέχρι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με δυνατότητες ακριβούς εντοπισμού θέσης, και τα ασύρματα δίκτυα ιατρικών αισθητήρων, έχει προκαλέσει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από τις υλοποιήσεις UWB συστημάτων. Η ασυνήθιστα μεγάλη περιοχή συχνοτήτων που έχει ανατεθεί στο UWB, από τα 3.1-10.6 GHz, επιτρέπει την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων με απλά σχήματα διαμόρφωσης, ωστόσο, λόγω της διαμοίρασης του φάσματος με τις υφιστάμενες τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης, οι UWB εκπομπές πρέπει να περιορίζονται σε ισχύ κάτω από το κατώφλι των -41.3 dBm/MHz, ικανοποιώντας πολύ αυστηρές μάσκες εκπομπής που εισάγουν έντονες προκλήσεις στη σχεδίαση των πομπών. Η υλοποίηση αναδιατάξιμων UWB πομπών σε σύγχρονες CMOS τεχνολογίες, με υψηλή φασματική ευελιξία, ταχύτητα και ποιότητα διαμόρφωσης, καθώς και με χαμηλή κατανάλωση, αποτέλεσε το αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής. Υιοθετώντας την αρχιτεκτονική Multi-Band Impulse-Radio (MB-IR) σε συνδυασμό με την τεχνική Direct Sequence BPSK, η έρευνα προσανατολίστηκε προς την ανάπτυξη καινοτόμων μονάδων βασικής ζώνης, με στόχο την ενεργειακά αποδοτική αντιστροφή Γκαουσιανών μορφοποιημένων παλμών υψηλής ποιότητας φάσματος και διάρκειας μικρότερης ακόμα και από 1 nsec. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα γεννήτρια Γκαουσιανών παλμών με πολύ χαμηλούς πλευρικούς λοβούς στο φάσμα, τυπικά κάτω από -40 dB, ώστε να υποστηρίζονται οι αυστηρότερες μάσκες εκπομπής ή και μελλοντικές. Η σχεδίασης της προτεινόμενης γεννήτριας είχε ως κριτήριο την ευέλικτη ρύθμιση της διάρκειας των παραγόμενων παλμών, και αξιοποίησε τη χαρακτηριστική μεταφοράς τάσης ενός ωμικά φορτωμένου, ασύμμετρου CMOS αντιστροφέα. Η γεννήτρια βασίζεται κυρίως σε ψηφιακά κυκλώματα πολύ χαμηλής τάσης και, σε σύγκριση με τις υφιστάμενες υλοποιήσεις, παρουσιάζει σημαντικό προβάδισμα στον τομέα της ταχύτητας, καθώς και στο πλάτος εξόδου, η μεγάλη τιμή του οποίου χαλαρώνει σημαντικά τη σχεδίαση του RF front end. Η γεννήτρια μελετήθηκε διεξοδικά, διεξήχθη ανάλυση κλιμάκωσης, έγινε εξαγωγή σχεδιαστικών εξισώσεων και αναπτύχθηκαν εργαλεία λογισμικού για την αυτοματοποιημένη σχεδίασή της. Για περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας των παλμικών σημάτων εφαρμόσθηκε ειδική σχεδίαση, η οποία αντιπραγματεύεται την ταχύτητα με το επίπεδο των λοβών του φάσματος. Για την αποδοτική BSPK διαμόρφωση των Γκαουσιανών παλμών αναπτύχθηκε ειδική τοπολογία “Μεταγωγής Σήματος Πυροδότησης Πλήρους Ισορροπίας με Up-Conversion”. Η τοπολογία αυτή, σε αντίθεση με τις ανταγωνιστικές τοπολογίες, αποφεύγει την αντιστροφή του παλμού με αναλογικά κυκλώματα υψηλής κατανάλωσης, αλλά και την αναλογική μεταγωγή, καθώς η διαμόρφωση λαμβάνει χώρα πριν από την παραγωγή των παλμών. Παράλληλα, επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί, καθώς και υψηλή ποιότητα διαμόρφωσης λόγω των ισορροπημένων μονοπατιών της τοπολογίας. Η γεννήτρια μαζί με το διαμορφωτή αποτελούν τις καινοτόμες παρεμβάσεις στη μονάδα Βασικής Ζώνης του προτεινόμενου πομπού. Για την ολοκλήρωση της λειτουργικότητας του πομπού, αναπτύχθηκε ένα RF front end, το οποίο αποτελείται από έναν διπλά ισορροπημένο μίκτη, έναν LO buffer, ένα μετατροπέα διαφορικού σήματος σε απλό, και έναν ενισχυτή ισχύος, ο οποίος είναι προσαρμοσμένος στα 50 Ohms, χωρίς να απαιτεί κανένα εξωτερικό στοιχείο. Το RF front end ολοκληρώθηκε μαζί με τη μονάδα βασικής ζώνης, και ο ολοκληρωμένος πομπός κατασκευάστηκε σε τεχνολογία CMOS 130 nm. Το ολοκληρωμένο προσαρτήθηκε στην RF πλακέτα συστήματος με την τεχνική Chip on Board. Για την επιτυχία του συστήματος με την πρώτη προσπάθεια έγινε συσχεδίαση σε επίπεδο IC-Package-PCB, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα ζητήματα Signal/Power Integrity. Ο πομπός παρουσίασε την υψηλότερη ταχύτητα από τις ανταγωνιστικές MB-IR UWB υλοποιήσεις, ίση με 1.5 Gbps, με αντίστοιχη ενεργειακή αποδοτικότητα 21 pJoule/bit και μέτρο διανυσματικού σφάλματος 5.5%. Ο πομπός βελτίωσε τους πλευρικούς λοβούς στο φάσμα περισσότερο από 10 dB, ενώ η διατριβή, εκμεταλλευόμενη την αναδιαταξιμότητα του πομπού, παρουσιάζει, επιπλέον, τις πρώτες μετρήσεις σε ταχύτητες εκατοντάδων Mbps για ικανοποίηση της χαμηλής ζώνης της πρόσφατα θεσμοθετημένης, και εξαιρετικά αυστηρής, ευρωπαϊκής μάσκας εκπομπής. / The multitude of applications that Ultra-Wideband (UWB) technology can serve, from high-speed Wireless Personal Area Networks, to Wireless Sensor Networks with precision Geolocation abilities, and Wireless Medical Networks, has attracted intense research interest in the implementation of UWB systems. The unusually wide range of frequencies assigned to UWB, from 3.1-10.6 GHz, allows UWB systems employing low order modulation schemes to enjoy high throughput at low power consumption. However, since UWB shares the spectrum with existing wireless networking technologies, UWB emissions must be limited to a power spectral density below the threshold of -41.3 dBm/MHz, satisfying very stringent emission masks and introducing great challenges in the design of UWB transmitters. The subject of this thesis is the design of low power, fully integrated, reconfigurable CMOS UWB transmitters, with high spectral flexibility, high speed and high modulation quality. Adopting the Multi-Band Impulse-Radio architecture, in conjunction with the Direct Sequence BPSK modulation, the research focused on the development of a baseband unit, able to precisely invert Gaussian shaped, subnanosecond pulses. The key contributions of this thesis are a CMOS Gaussian Pulse Generator and a BSPK modulation topology, which jointly constitute the proposed baseband unit. The Pulse Generator (PG) is based on non-linear shaping, so as to facilitate the configurability of the output pulse duration, and exploits the voltage transfer characteristic of a Resistive Loaded Asymmetrical CMOS Inverter, which results in spectral sidelobes typically better than -40 dB. The PG incorporates mostly-digital low voltage circuits, while the MOSFET devices that undertake the pulse shaping avoid exclusive operation in weak inversion, in contrast to previous implementations. Consequently, the proposed CMOS PG is able to support higher throughput, as well as higher output amplitude, which relaxes considerably the design of the RF front end. This thesis presents a systematic design procedure and a scaling analysis of the non-linear pulse shaper. Moreover, in order to further increase the speed, a special PRF boost technique is proposed, which trades off speed and spectral efficiency for the spectral sidelobes level. Regarding the BPSK modulator, this work introduces the “Trigger Switching Fully Balanced Up-Conversion” topology, which avoids the use of power-hungry and distortion-prone analog circuits for the accurate inversion of the subnanosecond shaped pulses, as well as avoids the application of analog waveform switching to the baseband pulses, since the baseband modulation takes place before the generation of the pulses. The digital nature of the switching lends itself to high data rates, while the balanced paths of the topology ensure high modulation quality with minimal design effort. Wafer probing measurements confirmed the high performance of the baseband unit. The functionality of the transmitter was completed by the development of an RF front end which consists of a double balanced mixer, an LO buffer, a differential to single-ended (DtoSE) converter, and a power amplifier which is ready to drive a 50 Ohms load without requiring any off-chip components. The integrated transmitter, which incorporates the proposed baseband unit and the RF front end, was fabricated in 130 nm CMOS technology. The transmitter RFIC was directly attached to the system RF PCB using the Chip-on-Board packaging option. The First-Pass success of the system was ensured by paying particular attention to Signal/Power Integrity issues and following an IC-Package-PCB co-design procedure. The transmitter was measured up to 1.5 Gbps, which, to the author’s knowledge, was the highest speed amongst the competitive Multi-Band Impulse-Radio UWB implementations in the literature. The corresponding energy efficiency was 21 pJoule/bit and the Error Vector Magnitude (EVM) 5.5%, while the proposed transmitter improved the spectral sidelobes by over 10 dB. Exploiting the reconfigurability of the transmitter, this thesis presents the first measurements at multi-Mbps speeds that completely meet the final version of the European spectrum emission mask.