Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η προστασία ενός μικροδικτύου συνδεδεμένου στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης από μεγάλα ρεύματα που οφείλονται σε βυθίσεις τάσης του δικτύου διανομής. Η μελέτη θα περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη σύνδεση σε ένα δίκτυο. Συγκεκριμένα, θα περιλαμβάνει τον ανυψωτή τάσης (boost converter) ο οποίος είναι υπεύθυνος για την ανύψωση της συνεχούς τάσης εξόδου της διεσπαρμένης παραγωγής, τον αντιστροφέα (inverter) ο οποίος θα μετατρέπει την συνεχή τάση εξόδου του ανυψωτή σε εναλλασσόμενη με το επιθυμητό πλάτος κ συχνότητα, και τέλος θα περιλαμβάνει το σύστημα ελέγχου το οποίο θα προσπαθεί να ικανοποιεί τις ενεργειακές ανάγκες κάθε φορτίου ρυθμίζοντας κατάλληλα τις παραμέτρους των προηγούμενων μερών. Επιπλέον σε περιπτώσεις βύθισης τάσης η διπλωματική εργασία προτείνει μία μέθοδο ελέγχου η οποία προσπαθεί να άρει την διανυσματική πτώση τάσης στην γραμμή διασύνδεσης μικροδικτύου και δικτύου διανομής. Επειδή η μελέτη ενός τέτοιου πραγματικού συστήματος δεν ήταν εφικτή στα πλαίσια μας διπλωματικής εργασίας, επιλέχθηκε η μέθοδος εξομοίωσης σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Για την εξομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα PSCAD,ένα από τα πλέον καταλληλότερα προγράμματα για την μελέτη των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Η επιλογή του PDCAD στηρίχθηκε στο γεγονός ότι είναι εξαιρετικά εύχρηστο ενώ ταυτόχρονα έχει γρήγορες αποκρίσεις και χρησιμοποιείται κατά κόρον για την προσομοίωση τέτοιων συστημάτων. / The purpose of this diplomathesis is to protect a microgrid, which is connected to low voltage distribution network, of large currents due to voltage sags in the distribution network. This study includes all the elements needed to connect the microgrid to a network. Specifically, it includes the boost converter which is responsible for raising the voltage output of dispersed production, the inverter which will convert the voltage output of the enhancer into alternating with the desired width and frequency and at last it includes the control system which tries to satisfy the energy needs of each load by adjusting appropriate parameters of the previous parameters. Moreover, in cases of voltage sags, this diploma thesis proposes a control method that attempts to eliminate the vector voltage drop in interconnection microgrid and distribution network. Since the study of such a real system was not feasible in our thesis, the method was chosen to be simulated in a computer. The simulation program that was used is the PSCAD, one of the most appropriate programs for the study of electric power systems. The choice of PSCAD relied on the fact that it is extremely handy, with fast responses and is widely used for simulating such systems.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την μελέτη της ηλεκτροδότησης ενός αντλιοστασίου, καθώς και του ιδιωτικού Υ/Σ που θα έχει ο καταναλωτής από το δίκτυο ΜΤ της ΔΕΗ. Στα πρώτα κεφάλαια γίνεται μια θεωρητική προσέγγιση του προβλήματος. Ειδικότερα, παρατίθενται οι τύποι παροχής των ιδιωτικών Υ/Σ, ενώ αναλύονται τα μέσα ζεύξης και προστασίας της ΜΤ. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα είδη γείωσης των ιδιωτικών Υ/Σ ΜΤ-ΧΤ καθώς και οι κατηγορίες καλωδίων για την ΧΤ και την ΜΤ και τρόποι εγκατάστασης τόσο των καλωδίων ΧΤ όσο και αυτών της ΜΤ. Ακολουθεί μια περιγραφή των Μ/Τ ισχύων που χρησιμοποιούνται για την ζεύξη με το δίκτυο ΜΤ και τα μέσα προστασίας των Μ/Σ . Ταυτόχρονα αναπτύσσονται τα μέσα ζεύξης - απόζευξης και προστασίας XT αλλά και ο τρόπος λειτουργίας τους με σκοπό την αντιμετώπιση των ρευμάτων βραχυκύκλωσης που ενδεχομένως εμφανίζονται σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση. Τέλος περιγράφονται οι πίνακες ΜΤ και ΧΤ μέσα στους οποίους τοποθετούνται τα μέσα προστασίας και ζεύξης - απόζευξης ΜΤ και ΧΤ του Υ/Σ, ενώ παράλληλα επισημαίνεται η αναγκαιότητα και τα πλεονεκτήματα της αντιστάθμισης της άεργου ισχύος και οι τρόποι επίτευξής της. Γίνεται ακόμη ιδιαίτερη αναφορά στην συντήρηση ενός Υ/Σ και στην αναγκαιότητα της. Στο 11ο κεφάλαιο έχουμε την μελέτη ενός αντλιοστασίου και ένα ένα τα βήματα που ακολουθούμε για την ολοκλήρωση της μελέτης από την επιλογή των κινητήρων , την διατομή των καλωδίων ΜΤ και ΧΤ , τις προστασίες τόσο στην ΜΤ και την ΧΤ όσο και στους κινητήρες , την επιλογή του Μ/Σ έως τον υπολογισμό των ζυγών ,τους πίνακες ΜΤ και ΧΤ και την αντιστάθμιση της άεργου ισχύος. / This thesis deals with the study of power supplying of a pump-station, as well as of a private Substation that the consumer would have, from the Medium Voltage network of DEH. In the early chapters is a theoretical approach to the problem. In particular, lists the types of provision of private M/L Voltage Substation, while analysing the connection and protection structures of MV. Then presents the types of groundings in private M/L Voltage Substations and also the categories of cables for LV and MV and ways of installation. Follows a description of power transformers used for coupling with the MV network and the protection of them. At the same time develop the means decoupling – coupling and protections at LV and their operation for dealing with potentially short-circuit currents appear in an electrical installation. Finally describes the MV and LV fields within are placed the protectιons of LV and MV coupling of the M/L Substation, while pointing out the necessity and advantages of counterbalancing the reactive power and ways of achieving it. Is a special reference to maintenance of M/L Substation and the need of it. In the 11th chapter we study a pump-station and one by one the steps to follow to complete the study from the choice of engines, the cross-section of cables LV and MV, protections both in MV, LV and engines, and the selection of suited power transformer till the calculations of bars, fields of LV and MV and counterbalancing the reactive power.

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

Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί περιγράφει την διαδικασία που εφαρμόσθηκε ώστε να κατασταθεί δυνατή η τροφοδοσία ενός RL φορτίου με τάση σταθερή σε μέτρο και σε συχνότητα, από μια συστοιχία κυττάρων καυσίμου. Η πειραματική διάταξη, που κατασκευάσθηκε ώστε να πραγματοποιηθεί αυτός ο στόχος, εκτός από την πηγή (κύτταρο καυσίμου) και το φορτίο αποτελείται και από έναν ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης, έναν αντιστροφέα πηγής τάσης, έναν τριφασικό μετασχηματιστή, ένα φίλτρο LC, μια συσκευή επιλογής φορτίου και τέλος την ψηφιακή κάρτα με την οποία εκτελούνται οι απαραίτητοι έλεγχοι. Όταν αναφερόμαστε σε τεχνικές ελέγχου εννοούμε αρχικά τόσο την παραγωγή παλμών με την τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation-SPWM) για την τροφοδότηση του αντιστροφέα πηγής τάσης όσο και παλμών με την τεχνική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation – PWM) για τον έλεγχο του ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Οι παλμοί αυτοί παράγονται μέσω προγράμματος που αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα του Labview. Σε δεύτερο επίπεδο εφαρμόζεται με την βοήθεια της ψηφιακής κάρτας και του μοντέλου ο ασαφής έλεγχος που έχει ως σκοπό την σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο. Για να διαπιστώσουμε ότι έχουμε εξασφαλίσει απρόσκοπτη τροφοδοσία του τριφασικού φορτίου από την ενέργεια του κυττάρου καυσίμου με μια τάση με μειωμένο αρμονικό περιεχόμενο και σταθερό πλάτος και συχνότητα, πραγματοποιήσαμε βηματική αλλαγή της τιμής του φορτίου και αλλαγή της τάσης εξόδου του κυττάρου καυσίμου ώστε να διαπιστώσουμε αν όντως ο ασαφής έλεγχος αναλαμβάνει να επαναφέρει τις επιθυμητές τιμές της τάσης στο φορτίο. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1 επιχειρούμε μια σύντομη περιγραφή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που κυριαρχούν στον Ελλαδικό χώρο (ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική, γεωθερμική και ενέργεια από βιομάζα) ενώ αναφερόμαστε εκτενώς στην τεχνολογία των κυττάρων καυσίμου. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενής περιγραφή των συσκευών που αποτελούν το κύκλωμα ισχύος της πειραματικής διάταξης. Το κύκλωμα ισχύος αποτελείται αρχικά από το κύτταρο καυσίμου που αποτελεί την πηγή ενέργειας, τον ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης και τον αντιστροφέα πηγής τάσης. Σε δεύτερο επίπεδο υπάρχει το LC φίλτρο προς περιορισμό των αρμονικών και ο τριφασικός μετασχηματιστής που ανυψώνει το επίπεδο τάσης στο επιθυμητό επίπεδο. Τέλος, υπάρχει ο τριφασικός ζυγός στον οποίο συνδέεται το φορτίο που αποτελεί και την τερματική συσκευή της πειραματικής διάταξης. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια σύγκριση των διαθέσιμων ψηφιακών μεθόδων για την υλοποίηση των απαραίτητων ελέγχων ενώ έπειτα παρουσιάζονται θεωρητικά αυτοί οι έλεγχοι. Οι διαθέσιμες ψηφιακές μέθοδοι για την πραγματοποίηση των ελέγχων είναι ο μικροεπεξεργαστής ψηφιακού σήματος (Digital Signal Processor-DSP) και οι ψηφιακές κάρτες της εταιρίας Νational Ιnstruments οι οποίες και τελικά επιλέχθηκαν. Οι απαιτούμενοι έλεγχοι που πρέπει να εφαρμοσθούν στην πειραματική μας διάταξη είναι όπως ήδη αναφέραμε η παραγωγή παλμών με τις τεχνικές της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM) και διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) όπως και ο ασαφής έλεγχος. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται αναλυτικά όλες οι συσκευές της πειραματικής μας διάταξης με ιδιαίτερη αναφορά σε όσες κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο (όπως ο ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέας ανύψωσης τάσης ) ενώ γίνεται και επεξήγηση διάφορων πρακτικών προβλημάτων που ανέκυψαν κατά την χρησιμοποίηση τους (για παράδειγμα με τον τριφασικό μετασχηματιστή). Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η διαδικασία ανάπτυξης στην πλατφόρμα του Labview του προγράμματος που υλοποιεί τους απαιτούμενους ελέγχους. Πραγματοποιείται λοιπόν μια αναλυτική παρουσίαση όλων των εργαλείων και των ρυθμίσεων τους που μας επέτρεψαν να φθάσουμε στο επιθυμητό αποτέλεσμα. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και παραθέτουμε τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Πιο αναλυτικά υπάρχει παράθεση γραφημάτων και μετρήσεων για το σύνολο της πειραματικής διάταξης ενώ δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην ανάδειξη της λειτουργίας του ελέγχου και του τρόπου που επιδρά στην διάταξη μας. Τέλος, γίνεται μια καταγραφή πιθανών επεκτάσεων αυτής της διπλωματικής εργασίας. / The thesis that follows, describes the procedure which we followed in order to be able to supply a RL load with the power produced by a fuel cell. The load’s voltage should have constant value and frequency. The experimental configuration which was constructed to help us fulfill our goal further from the fuel cell and the RL load, includes a dc dc boost converter, a voltage source inverter, a 3phase transformer, a LC filter, a device that electronically chooses the value of the load and finally the digital card which executes all the necessary controls. When we talk about controls, we refer firstly to the production of SPWM pulses which are used in order to control the voltage source inverter and to the production of PWM pulses which are needed by the dc dc boost converter. These pulses are produced with the aid of a model developed with Labview. In addition, with the use of our digital card and the model which we developed, we are capable of applying the fuzzy logic to our experimental configuration in order to stabilize the load’s voltage. To be certain that we have ensured the smooth supply of the RL load with the power produced by the fuel cell and a voltage signal of constant value and frequency and low harmonic content, we made step changes to the load’s value and alterations to the fuel cell’s output, in order to assure that the fuzzy logic takes charge of the duty to restore the desired voltage signal to the load. The thesis is organized in the following way: In chapter 1 we make a brief description of the renewable energy sources which dominate Greece (solar, wind, hydroelectric, geothermal and biomass energy) and we present extensively the applications of fuel cells. In chapter 2 we describe on a great scale all the devices which consist the power circuit of the experimental configuration . So, the power circuit consists of the fuel cell, which is our energy source, the dc dc boost converter and the voltage source inverter. Furthermore, we have a LC filter in order to limit the total harmonic distortion and a 3 phase transformer which increase the voltage to the desired level. Finally, we have a 3 phase load which is the terminal device of the experimental configuration. In chapter 3 we compare the available digital methods for performing the desired controls and afterwards we present them theoretically. The available digital methods, in order to accomplish the controls, are the Digital Signal Processor (DSP) and the digital cards constructed by National Instruments (is our final choice). The required controls that must be performed include, as we have already mentioned, the SPWM and PWM pulses and of course the fuzzy control. In chapter 4 we present extensively all the devices of our experimental configuration with a special reference to all the devices which were constructed in our lab (like the dc dc boost converter). We make also special reference to some practical problems that we encountered when we used the previous devices (par example with the 3 phase transformer). In chapter 5 we present the procedure in order to develop the Labview model which contains all the necessary controls. Thus, we make a detailed presentation of all the tools and the settings which allowed to us to fulfill our goal. In chapter 6 we present all the experimental results and the conclusions we drew. More specifically, we present graphs and measurements for every part of the experimental configuration and we give special attention in order to give prominence to the fuzzy controller’s impact. Finally, some possible extensions of this thesis are underlined.

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.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς μεταβαλλόμενης τάσης εισόδου σε σταθερή συνεχή τάση εξόδου. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, ο οποίος θα τροφοδοτείται από ένα σύστημα ενεργειακών κυψελών και θα παρέχει σταθερή συνεχή τάση εξόδου 50V, ούτως ώστε στην συνέχεια να τροφοδοτείται ένας αντιστροφέας, ο οποίος θα οδηγεί ένα dc brushless κινητήρα. Το συγκεκριμένο σύστημα ενεργειακών κυψελών έχει μεταβαλλόμενη τάση εισόδου από 26-43Vdc και μέγιστη ισχύ 1200W. Αρχικά, παρουσιάζεται μια συνοπτική θεωρία, η οποία αναλύει την χαρακτηριστική V-I μιας ενεργειακής κυψέλης. Στην συνέχεια αναλύεται το σύστημα ενεργειακών κυψελών, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στην εφαρμογή μας. Στην συνέχεια, ακολουθεί η θεωρητική ανάλυση του απλού μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή αρχικά και έπειτα η θεωρητική ανάλυση του μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων φάσεων, που κατασκευάστηκε για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας της εφαρμογής προσομοιώθηκε στο πρόγραμμα PSpice ούτως ώστε να ελεγχθεί η συμπεριφορά του. Στο επόμενο βήμα, γίνεται αναλυτική παρουσίαση όλων των στοιχείων και κυκλωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του ηλεκτρονικού μετατροπέα. Τέλος αναλύονται τα δυο προγράμματα ελέγχου που σχεδιάστηκαν για τον έλεγχο της τάσης εξόδου στα 50V dc, το πρόγραμμα ανοικτού και κλειστού βρόγχου και παρουσιάζονται οι μετρήσεις που διεξήχθησαν στον μετατροπέα για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης. / The thesis deals with the design, study and construction of a dc/dc boost converter, having a variable input voltage and a constant output voltage. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The aim is to construct a dc/dc converter, which will be supplied by a fuel cell system and will provide a constant dc output voltage at 50V, in order to supply then an inverter, which will drive a dc brushless motor. In the specific fuel cells system the voltage varies from 26-43V dc and it has maximum output power 1200W. First, a small theory is presented, which analyzes the polarization curve of a fuel cell. Then we analyze the fuel cell system, which will be used in this application. Next, a theoretical analysis of the simple boost converter and then the theoretical analysis of the interleaved multi-(four) channel boost converter, which was constructed, are presented. This converter is simulated with the program PSpice, in order to check its operation. In the next step, a comprehensive presentation of all of the chips and circuits which were used for the construction of the converter is done. Finally, the two programs designed for the control of the output voltage at 50V dc, the open and close loop programs, are analyzed and the experimental measurements carried out in the converter are displayed, so as to confirm and evaluate the theoretical analysis

Στην παρούσα διπλωματική εργασία περιγράφεται η εφαρμογή μη γραμμικών μεθόδων ελέγχου στους Boost και Buck Boost DC-DC μετατροπείς που χρησιμοποιούν την τεχνική PWM. Συγκεκριμένα αναφερόμαστε στην μέθοδο ελέγχου βασισμένη σε παθητική σχεδίαση (PBC) καθώς και στην βασισμένη σε παθητική σχεδίαση μέθοδο ορισμού εσωτερικής ζεύξης και απόζευξης (IDA-PBC) και παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων μέσω του προγράμματος Matlab-Simulink. Τέλος παρουσιάζεται ένας νέος μη γραμμικός-δυναμικός ελεγκτής, ικανός να διαμορφώσει την τάση εξόδου ανεξάρτητα από τον τύπο του φορτίου για τον DC-DC boost μετατροπέα. / The current diploma thesis discusses the application of nonlinear control methods for Boost and Buck Boost DC-DC converters using Pulse-Width-Modulation technique. Specifically we refer to the Passivity Based Control (PBC) as well as the Interconnection and Damping Assignment-Passivity Based Control (IDA-PBC) and Matlab-Simulink’s simulation results are presented. Finally, a new nonlinear dynamic control scheme suitable for DC-DC boost converter is introduced, capable of regulating the converter output at the desired level independently from the kind of the load.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση της προστασίας του δικτύου Υψηλής Τάσης της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου, ΑΗΚ, ενάντια στα πλήγματα κεραυνών. Γίνεται μια παρουσίαση των διαφόρων τύπων κεραυνικών υπερτάσεων που μπορούν να εμφανιστούν σε ένα εναέριο δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, των σφαλμάτων που αυτά μπορεί να προκαλέσουν και εξετάζεται η αντοχή του δικτύου έναντι αυτών. Αρχικά γίνεται μία ιστορική αναδρομή της πορείας της ηλεκτρικής ενέργειας στην Κύπρο και του κεντρικού φορέα διαχείρισης του ηλεκτρικού ρεύματος στο νησί, της ΑΗΚ. Εν συνεχεία παρατίθενται λεπτομερώς τα στοιχεία που συνθέτουν σήμερα το δίκτυο της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου, το σύστημα παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης γίνεται σύντομη αναφορά στα σημαντικότερα στοιχεία που χαρακτηρίζουν το κλίμα της Κύπρου με ιδιαίτερη αναφορά στις καταιγίδες. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι καταπονήσεις τις οποίες υφίστανται οι γραμμές μεταφοράς ενός δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας με ιδιαίτερη έμφαση στις Ατμοσφαιρικές Υπερτάσεις. Γίνεται μια ενδελεχής παρουσίαση της βασικής αιτίας πρόκλησης αυτών, του Κεραυνού, και παρουσιάζονται αναλυτικά οι μηχανισμοί δημιουργίας υπερτάσεων στις γραμμές από κεραυνούς. Το επόμενο κεφάλαιο πραγματεύεται την παρουσίαση και επεξεργασία του συνόλου των σφαλμάτων που εμφανίστηκαν στο δίκτυο της ΑΗΚ σε μια περίοδο επτά ετών. Διαχωρίζονται σε κατηγορίες, παρουσιάζονται οι διάφορες αιτίες σφαλμάτων και αποτιμάται η βαρύτητα που έχουν τα πλήγματα από κεραυνούς στη πρόκληση σφαλμάτων στο δίκτυο. Τέλος, επιχειρείται να εκτιμηθεί ο πιθανός αριθμός σφαλμάτων από ανάστροφα βραχυκυκλώματα του δικτύου Υψηλής Τάσης της ΑΗΚ. Για το σκοπό αυτό, παρατίθενται δύο μεθόδοι, η αρχική και βελτιωμένη μέθοδος ANACOM. Εν κατακλείδι, γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων μας και διατυπώνονται τα συμπεράσματα μας αναφορικά με τα πραγματικά και αναμενόμενα σφάλματα στο δίκτυο Υ.Τ. της ΑΗΚ. / The aim of this degree paper is to evaluate the level of protection of the H.V. network of the EAC against lightning strokes. The various types of lightning overvoltages which could appear in an overhead electrical network are presented, as well as the faults that these could cause and finally the endurance of the network against them. Initially, a historical reference of electricity in Cyprus and of the EAC, which is the sole authority of electricity on the island, is given. Next, all the elements concerning the network of the EAC are presented in detail, namely the production, transmission and distribution systems. There is also a brief reference to the climatic conditions prevailing in Cyprus with a special reference to storms. In the next chapter the stresses of the lines are referred to with a special reference to the atmospheric overvoltages. A thorough presentation of the main cause of these overvoltage stresses is made, i.e. lightning, and their creation mechanisms is presented in detail. The following chapter deals with the presentation and processing of the total number of faults which appeared in EAC’s network over a period of seven years. These are then divided into categories, their causes are listed and an evaluation is made concerning the role of lightning strokes in the creation of faults in the network. Finally, an effort is made to estimate the number of faults caused by back-flashovers in the H.V. network of the EAC. In order to do this, two methods are presented, the basic and improved ANACOM methods. In the end the results are given and our conclusions are presented relating to the real and expected faults due to lightning strokes in the EAC’s H.V. network.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ϑα µελετηθεί η συµπεριφορά των γραµµών διανομής μέσης τάσης, όταν αυτές πλήττονται από κεραυνούς, είτε άµεσα είτε έµµεσα. Οι κεραυνοί είναι ένα ϕυσικό ϕαινόµενο µε επικίνδυνες συνέπειες για την ασϕάλεια των ανθρώπων, κτιρίων και ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Οι γραµµές του ηλεκτρικού δικτύου (είτε υψηλής, είτε μέσης, είτε χαµηλής τάσης) είναι ευάλωτες σε πλήγµατα κεραυνών. Όταν ένας κεραυνός πλήξει άµεσα µια γραµµή ή το γειτονικό της έδαφος, τότε ϑα εµφανισϑούν σϕάλµατα στο ηλεκτρικό δίκτυο υπό µορφή επικίνδυνων υπερτάσεων. Οι υπερτάσεις αυτές σε πολλές περιπτώσεις µπορεί να υπερβαίνουν την κρουστική τάση αντοχής της µόνωσης του δικτύου, µε αποτέλεσµα, αν δεν υπάρχουν διατάξεις προστασίας, να διασπαστεί το διάκενο, προκαλώντας ανεπανόρθωτη ζηµιά στον εξοπλισµό µας. Η µελέτη για τη συµπεριφορά των εναέριων γραµµών διανοµής εµπεριέχει αρκετές προσεγγίσεις. Μερικές από αυτές αφορούν κάποιες βασικές παραµέτρους, όπως η πυκνότητα των κεραυνών στο έδαφος (GFD) και το πλήθος των άµεσων πληγµάτων στη γραµµή. Προκειµένου να εξάγουµε ασϕαλή δεδοµένα, συµβουλευόµαστε τους αντίστοιχους µετεωρολογικούς πίνακες-χάρτες ( π.χ. ισοκεραυνικοί χάρτες). Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται παρουσίαση της µορφής των συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας µε ιδιαίτερη έµφαση στο σύστηµα διανοµής. Παρουσιάζεται η δοµή του συστήµατος διανοµής, τα επιµέρους τμήματα και εξαρτήµατα από τα οποία αποτελείται, καθώς και τα χαρακτηριστικά τους. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται δεδοµένα και στατιστικά του ελληνικού συστήµατος διανοµής. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται µια σύντοµη παρουσίαση των σϕαλµάτων και υπερτάσεων που παρουσιάζονται στο σύστηµα διανοµής, καθώς και των µέσων προστασίας που χρησιµοποιούµε προκειµένου να εξασϕαλίσουµε την αδιάλειπτη λειτουργία και ακεραιότητα του συστήµατος µας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το ϕυσικό ϕαινόµενο του κεραυνού, καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά αυτού. Εξετάζονται τα είδη των κεραυνών και η εξοµοίωσή τους σε εργαστηριακές συνθήκες µέσω κρουστικής τάσης για δοκιµές της αντοχής των µονώσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η οδηγία της IEEE για τη συµπεριφορά των εναέριων γραµµών διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι κεραυνών. Σκοπός του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση εναλλακτικών λύσεων για τη µείωση των βραχυκυκλωµάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραµµές. Συγκεκριµένα, προσδιορίζεται η συµπεριφορά των εναέριων γραµµών διανοµής σε περίπτωση πτώσης κεραυνού (πλήγµατα κεραυνών και βραχυκυκλώµατα από επαγόµενη τάση), το επίπεδο µόνωσης των γραµµών διανοµής, η προστασία των γραµµών διανοµής µε προστατευτικό αγωγό, καθώς και η προστασία των γραµµών με αλεξικέραυνα. Στο πέµπτο κεφάλαιο της εργασίας, γίνεται επεξεργασία και μελέτη των καταγρεγραμένων σφαλµάτων και βλαβών λόγω πτώσεως κεραυνών στο δίκτυο μέσης τάσης, σε µετασχηµατιστές και σε γραµµές διανοµής Μ.Τ., κατά την διάρκεια της επταετίας 2005-2011 στο νομό Αιτωλοακαρνανίας. Υπολογίζεται αναλυτικά ο ϑεωρητικός αριθµός σφαλµάτων σύµϕωνα µε την οδηγία της IEEE, και στη συνέχεια γίνεται σύγκριση µε τα πραγµατικά σφάλµατα που έχουν καταγραφεί από τις υπηρεσίες της ∆.Ε.Η. στην πόλη του Αγρινίου, µε σκοπό την εξαγωγή χρήσιμων συµπερασµάτων. Γενικά, προκύπτουν αποκλίσεις της θεωρητικής εκτίμησης από τα πραγματικά δεδομένα των καταγραφών, γεγονός που οφείλεται τόσο στον προσεγγιστικό χαρακτήρα της θεωρητικής εκτίμησης, όσο και σε πιθανά λάθη, εξ’ αιτίας της εμπλοκής του ανθρώπινου παράγοντα, στην καταγραφή των πραγματικών σφαλμάτων. Παρ’ όλα αυτά, η απόκλιση αυτή είναι θετική (τα θεωρητικά υπολογισμένα σφάλματα είναι, δηλαδή, περισσότερα από τα καταγεγραμμένα), γεγονός που δεν μειώνει την αξία της εκτίμησης που μας προσφέρει το χρησιμοποιούμενο μοντέλο. / This thesis studies the behavior of medium voltage distribution lines, after being stroked by lightning – directly or indirectly. The lightning is a natural phenomenon, with dangerous impacts on human safety, buildings or electricity premises. The electricity network lines (either of high, medium or low voltage) are prone to lightning strikes. When a lightning strikes a distribution line (or the ground nearby), then faults occur at the distribution network, in the form of dangerous overvoltage. Such overvoltage may in many cases exceed the shock impulse of network’s insulation resistance. As a result, in case no safety arrangements exist, this could lead to gap breakdown, causing irreparable damage to our equipment. The study of the behavior of air distribution lines encompasses several approaches: Some of them have to do with basic parameters, such as the ground flash density (GFD) and the number of direct lightning strikes on distribution lines. In order to export safe data, we use the corresponding meteorological tables/maps (e.g. lightning maps). The first section of this paper contains the presentation of the form of electric power systems, with special emphasis on the distribution system. It is a presentation of the distribution system structure, its individual parts and devices, as well as their features. Data and statistics of the Greek distribution system are presented at the end of the section. The second section is a brief presentation of the faults and overvoltage occurring at the distribution system, as well as of the protection measures we use, in order to ensure uninterrupted operation and integrity, regarding to our system. The third section presents the natural phenomenon of the lightning and its main features. The types of lightning are reviewed here, and its simulation under laboratory conditions through shock impulses, in order to test the insulation resistance. The fourth section is a reference to the directive of the Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), regarding to the behavior of air distribution lines in case of lightning. The purpose here is to present alternative solutions for the decrease of short-circuit occurrences caused by lightning on overhead lines. Specifically, the behavior of the overhead distribution lines in the event of lightning strikes is determined (meaning both direct lightning strikes and short-circuits arising from the induced voltage), as well as the level of insulation of distribution lines, the protection of distribution lines by employing a protective tube, and the protection of the lines using lightning rods. The fifth section of this paper is an elaboration of the faults recorded and the damages caused due to lightning strikes on the medium voltage network, as well as on transformers and on M.V. distribution lines over a 7-year period (from 2005 to 2011) about the Aitoloakarnania state. The theoretical number of faults will be calculated in detail, based on the IEEE directive and then these faults will be compared to the real faults provided by D.E.I. in the city of Agrinio (Greek Public Power Corporation), in order to reach our conclusions. In conclusion, a deviation between the theoretical number and the real number of faults is noted: this observation has to do with the approximate character of the model we used, probably as well as the involvement of the human factor in recording the real number of thoughts. However, this deviation is “positive” (meaning that the number of theoretical faults is bigger than the number of the real ones), a fact that does not reduce the value of the number suggested by using the theoretical model provided