Suite aux contraintes environnementales imposées à la production classique d’électricité, les énergies à caractère renouvelable se développent très vite grâce aux politiques gouvernementales. En pratique, la nature des sources primaires étant aléatoire, l’introduction d’énergie renouvelable dans un réseau électrique peut impacter le fonctionnement du système électrique et la qualité de la puissance. L’utilisation des méthodes probabilistes dans la planification du système électrique s’avère alors nécessaire pour un système électrique composé d’une quantité importante de sources peu prévisibles. Cependant, ces méthodes probabilistes sont actuellement limitées à la planification long-terme à cause de leur temps de calcul élevé. Dans le cadre de cette thèse, une nouvelle approche probabiliste basée sur un couplage entre la formule des probabilités totales et la méthode de fiabilité du premier ordre est proposée pour l’évaluation de la fiabilité du système électrique à court terme. Elle prend en compte la probabilité de défaillance non prévue des composants du système, l’incertitude dans les prévisions de la production renouvelable et de la consommation. A l’aide de cette méthode, les indicateurs permettant de quantifier la fiabilité de fonctionnement du système électrique et l’utilisation des ressources renouvelables peuvent être déterminés. Grâce à ces indicateurs, la fiabilité du système électrique intégrant des énergies renouvelables peu prévisibles peut être évaluée. Le temps de calcul faible de la méthode permet de l’utiliser pour valider la planification court-terme, qui est faite un jour à l’avance pour la journée considérée (J). / Following the environmental constraints to conventional power generation, renewable energy character grows very quickly thanks to government policies. In practice, the nature of primary sources is random, the introduction of renewable energy in an electrical network may impact the operation of the power system and the quality of the power. The use of probabilistic methods in planning the power system becomes necessary for a power system consisting of a large amount of less predictable sources. However, these probabilistic methods are currently limited to long-term planning due to their high computation time. In this thesis, a new probabilistic approach based on a coupling between the law of total probability and the first order reliability method is proposed to evaluate the reliability of the power system in short-term. It takes into account the probability of unanticipated failure of system components, the uncertainty in forecasts of renewable generation and consumption. With this method, the indicators used to quantify the reliability of the power system and the use of renewable resources can be determined. Therefore, the reliability of the power system incorporating less predictable renewable energy can be evaluated. The low computation time of the method allows it to be used to validate the short term planning, which is made one day in advance to the considered day (J).

Οι ολοένα αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις των σημερινών κοινωνιών και το γεγονός ότι οι ηλεκτρικές συσκευές και εξοπλισμός έχουν γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητάς μας, έχει οδηγήσει στην αναγωγή του ηλεκτρισμού σε κοινωνικό αγαθό. Παρόλα αυτά, η υπερβολική του χρήση έχει προκαλέσει έντονες ανησυχίες στο κοινό, όσον αφορά τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που εκπέμπονται λόγω του εναλλασσόμενου ρεύματος. Η παρούσα εργασία αποσκοπεί να ξεδιαλύνει το «θολό τοπίο» γύρω από τις επιδράσεις των χαμηλόσυχνων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων (δηλαδή τα εκπεμπόμενα πεδία από τις εγκαταστάσεις ηλεκτρικής ενέργειας και τις ηλεκτρικές συσκευές) στην ανθρώπινη υγεία κι έτσι να συνεισφέρει ως ένα βαθμό στην άρση των ανησυχιών του κοινού και των επιπτώσεων που αυτές συνεπάγονται. Ειδικότερα, η εργασία μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια θεωρητική αναφορά στις βασικές έννοιες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Προσδιορίζονται οι επιβλαβείς ακτινοβολίες για την υγεία καθώς επίσης και οι ιδιότητες των χαμηλόσυχνων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Ακόμη, παρουσιάζονται οι κανονισμοί προστασίας και τα όρια έκθεσης σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία, τόσο στην Ευρώπη, όσο και στην Ελλάδα. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται αναλυτικά οι διαφορετικές πηγές χαμηλόσυχνων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και γίνεται σύγκριση των πεδιακών εντάσεων στο περιβάλλον τους. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται λόγος για τη βιολογική επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Παρουσιάζονται οι επιδράσεις τους στην ανθρώπινη υγεία και οι δράσεις που λαμβάνουν χώρα τόσο για τη μελέτη αυτών των επιδράσεων, όσο και για την προστασία του κοινού. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται ανασκόπηση του προτύπου λήψης μετρήσεων που ακολουθήθηκε. Εξετάζεται το πρότυπο ΙΕC 61786 για μέτρηση χαμηλόσυχνων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και αναφέρονται κάποια χαρακτηριστικά του προτύπου EN 50413 για μέτρηση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων όλων των συχνοτήτων. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται ο σκοπός και ο εξοπλισμός των μετρήσεων. Παρατίθενται τα αποτελέσματα των μετρήσεων συνοδευόμενα με διαγράμματα και σχόλια επί της μεταβολής της μαγνητικής επαγωγής στο περιβάλλον υποσταθμών μέσης τάσης.Τέλος συνοψίζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται με βάση όσα εξετάστηκαν στην παρούσα εργασία. Σύμφωνα με αυτά δεν πρέπει να υπάρχει κανένας λόγος ανησυχίας για την επίδραση των χαμηλόσυχνων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στην ανθρώπινη υγεία, καθώς τηρούνται όλοι οι κανονισμοί, οι οποίοι εμπεριέχουν μεγάλους συντελεστές ασφαλείας. / The ever-increasing energy demands of today's society and the fact that electrical appliances and equipment have become an integral part of our daily lives has led to the deduction of electricity into social good. However, its excessive use has caused great concern to the public, regarding to electromagnetic fields’ emissions because of the AC current. This essay aims to unravel the "misty area" around the effects of low frequency electromagnetic fields (i.e. fields emitted from power systems and electrical appliances) to human health and thus contribute to some extent to the disentanglement of public preoccupations and the consequences arising therefrom. In particular, this essay can be summarized as follows: In Chapter 1 there is a theoretical report in the basic concepts of electromagnetic radiation. Harmful radiation as well as the properties of low frequency electromagnetic fields is identified. Moreover, protection regulations and limits on exposure to electromagnetic fields are presented, both in Europe and in Greece. In Chapter 2 different sources of low frequency electromagnetic fields are presented and the fields’ intensities in their environment are compared. Chapter 3 talks about the biological effects of electromagnetic fields. It also presents the effects on human health and the actions that take place for the study of these effects, and for the public’s protection. Chapter 4 gives an overview of the pattern of taking measurements that was followed. The IEC 61786 standard for measuring low frequency electromagnetic fields is examined and some features of the standard EN 50413 for measuring electromagnetic fields of all frequencies are presented. Chapter 5 describes the measurements’ purpose and equipment. The measurements’ results are given, which are accompanied by charts and comments about the change of the magnetic induction around medium voltage substations. Finally, the conclusions based on this essay’s data are summed up, according to which, there should be no reason for public concern about the effect of low frequency electromagnetic fields on human health, since compliance with all special regulations, which contain large safety factors, is being performed.

Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια για την περιγραφή των νέων μοντέλων δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας που αναμένεται να δώσουν λύσεις στα διάφορα προβλήματα που έχουν κάνει την εμφάνιση τους λόγω της συνεχούς αύξησης στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Βασισμένα στην αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, τα ΜικροΔίκτυα και κατ’ επέκταση τα Έξυπνα Δίκτυα θεωρούνται οι αντικαταστάτες του παραδοσιακού κεντρικά ελεγχόμενου ηλεκτρικού δικτύου, κάνοντας χρήση των πλεονεκτημάτων της Διεσπαρμένης Παραγωγής. Έπειτα από την αναφορά στο σημαντικό ρόλο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, περιγράφονται αναλυτικά οι έννοιες της Διεσπαρμένης Παραγωγής, του ΜικροΔικτύου και του Έξυπνου Δικτύου. Οι νέοι αυτοί όροι έχουν ήδη αρχίσει να εισέρχονται στην πραγματικότητα του ηλεκτρικού δικτύου, καθώς υπάρχουν ήδη χρονοδιαγράμματα που επιβάλουν την επιτακτική χρήση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας από τα κράτη, σε μια προσπάθεια να μειωθούν οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου. Οι συνεχώς εξελισσόμενες τεχνολογίες που σχετίζονται με τα νέα πρότυπα του ηλεκτρικού δικτύου παρουσιάζονται επίσης. Είναι πολύ σημαντικό οι τεχνολογίες αυτές να αναπτυχθούν όσο το δυνατόν περισσότερο, ώστε να συμβάλλουν στην άμεση, αποδοτική και οικονομικά ωφέλιμη χρήση της Διεσπαρμένης Παραγωγής και την ομαλή και ασφαλή μετάβαση προς τα Έξυπνα Δίκτυα. Στη συνέχεια γίνεται περιγραφή κάποιων μεθόδων ελέγχου των ΜικροΔικτύων και των βασικών μονάδων που το απαρτίζουν. Παρουσιάζονται η λειτουργία του ΜικροΔικτύου όταν λειτουργεί σε απομόνωση από το υπόλοιπο βασικό δίκτυο και σε σύνδεση με αυτό, καθώς οι επιπτώσεις προγραμματισμένων και μη αποσυνδέσεων από τον βασικό κορμό του δικτύου. Τέλος, βασικό κομμάτι της εργασίας αυτής αποτελεί η προσομοίωση κάποιων βασικών μονάδων του ΜικροΔικτύου, και πιο συγκεκριμένα του Μικροστροβίλου και του Ολοκληρωμένου Συστήματος Κυψελών Καυσίμου Στερεού Οξειδίου. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών παρουσιάζονται και αναλύονται για την αξιολόγηση της χρήσης τους και της σπουδαιότητάς τους σε συγκεκριμένες εφαρμογές. / In the present work we make an effort to describe the new models of electric networks that are expected to give solutions in the various problems that have made their appearance due to the continuous increase in the demand of electric energy. Based in the exploitation of Renewable Sources of Energy, MicroGrids, and as a result the SmartGrids are considered to be the substitutes of traditional central-controlled electric network, making use of the advantages of Distributed Generation. After the quick reference of the important role of Renewable Sources of Energy, the terms of Distributed Generation, MicroGrid and SmartGrid are described analytically . This new terms have already begun to enter the reality of the electric network, as timetables that impose the imperative use of Renewable Sources of Energy already exist,in an effort decrease the emissions of greenhouse gases.The continuously evolving technologies that are related with the new models of electric network are also presented. It is very important that these technologies are developed as much as possible, so that they contribute in a direct, efficient and economically beneficial use of Distributed Generation and the smooth and sure transition towards the SmartGrids. Afterwards we describe certain methods of control of MicroGrids and basic units that compose them. The operation of MicroGrid when it functions in isolation from the basic network and in connection with this is described.Finally, the simulations of certain basic units of Microgrids are described, focusing on Micorturbine and Solid Oxide Fuel Cell system. The results of these simulations are presented and analyzed for the evaluation of their use and their importance in certainapplications.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μεθόδων περιορισμού των ανυψώσεων τάσης σε δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή. Η μελέτη περιλαμβάνει αρχικά την ανάλυση και την εξήγηση του φαινομένου της ανύψωσης της τάσης σε δίκτυα διανομής στα οποία έχουν εγκατασταθεί τεχνολογίες διεσπαρμένης παραγωγής. Στη συνέχεια αναλύονται οι μέθοδοι αντιμετώπισης αυτού του φαινομένου. Συγκεκριμένα αναλύεται η μέθοδος περιορισμού της αύξησης της τάσης μέσω περιορισμού της ενεργού ισχύος των τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής ή μέσω απορρόφησης άεργου ισχύος ή ακόμη και μέσω συντονισμένου ελέγχου Μ/Σ μεταβλητής λήψης. Αναλύεται επίσης μέθοδος η οποία βασίζεται στη χρήση των Multiagent Systems. Επειδή όμως κεντρικές προσεγγίσεις απαιτούν σημαντικές επενδύσεις σε αισθητήρες, επικοινωνιακά και ελεγκτικά συστήματα , γεγονός που καθιστά την εφαρμογή τους σε μεγάλο αριθμό τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής δύσκολη, προτείνεται μία μέθοδος κατανεμημένου ελέγχου της τάσης. Προτείνονται ακόμη και πιο περίπλοκες μέθοδοι ελέγχου, όπως η ρύθμιση της τάσης που τίθεται ως στόχος από τους αυτόματους ελεγκτές τάσης ή ακόμη και συνδυασμός σταθερού συντελεστή ισχύος με αυτόματο έλεγχο της τάσης. Τέλος, αναλύεται μία μέθοδος ελέγχου της τάσης ενός αιολικού πάρκου μέσω δύο επιπέδων ελέγχου: ενός εποπτικού συστήματος ελέγχου όλου του πάρκου και ενός συστήματος ελέγχου κάθε ανεμογεννήτριας ξεχωριστά. Στη συνέχεια μελετήθηκε μία μέθοδος η οποία έχει ως στόχο της να μην ελέγχει την τάση του ζυγού της διεσπαρμένης παραγωγής αλλά να εξασφαλίζει ότι οι εγχύσεις ισχύος από μόνες τους δεν προκαλούν σημαντικές διαταραχές στην τάση. Αυτό γίνεται μέσω ελέγχου της άεργου ισχύος και περιλαμβάνει την εύρεση της τιμής της άεργου ισχύος που παράγει ή καταναλώνει η διεσπαρμένη γεννήτρια, τέτοιας ώστε η αύξηση της τάσης που προκαλείται από την ενεργό τιμή της γεννήτριας να ελαχιστοποιείται. Η παραπάνω μέθοδος εφαρμόζεται σε ένα ακτινικό δίκτυο ενός ζυγού για δύο περιπτώσεις, για την περίπτωση που στο ζυγό είναι συνδεδεμένο φορτίο και για την περίπτωση που δεν είναι φορτίο συνδεδεμένο. Στο ίδιο δίκτυο και για τις ίδιες περιπτώσεις εφαρμόζεται η μέθοδος σταθερού χωρητικού και επαγωγικού συντελεστή ισχύος και γίνεται σύγκριση των δύο μεθόδων. Η μέθοδος ελέγχου άεργου ισχύος εφαρμόζεται και σε ένα δίκτυο τεσσάρων ζυγών στους οποίους υπάρχουν συνδεδεμένα φορτία. / The purpose of this diploma thesis is to study approaches of voltage rise mitigation in distribution networks with distributed generation. The study at the beginning analyzes and explains the problem of voltage rise in distribution networks in which technologies of distributed generation are installed. Then approaches of mitigating this problem have been proposed. It is proposed an approach based on curtailing the active power generation. It is also suggested to mitigate voltage rise through absorption of reactive power or even through coordinated voltage control using on load tap changing transformers (OLTC). Another approach has been considered for voltage support through multi-agent-based optimization. However centralized approaches require significant investments in sensors, communication and control systems, which makes their application to massive distributed generation situations difficult to implement. Distributed voltage control approaches have also been proposed to limit the voltage rise in feeders where load and generation were considered continuously distributed. More complex distributed approaches have been proposed to control the target voltage of automatic voltage control relays at primary substations and to combine fixed power factor with automatic voltage control.Finally, a method of controlling the voltage of a wind park with two control levels is proposed: a supervisory control system throughout the park and a control system of each individual wind turbine. Then it is studied an approach that aims not to put distributed generation in control of bus voltage but to assure that injections alone do not cause significant voltage perturbations. This is achieved through a power control approach, which consists in finding the value of the generation’s reactive power such that the voltage rise caused by generation’s active power is minimized. The approach is applied to a two-bus radial network, for two load conditions: highly loaded and not loaded. In the same network is also applied a constant leading and lagging power factor approach which is compared with the previous one. The reactive power control approach is also applied to a four-bus highly loaded network.

Στις μέρες μας, τα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας περιλαμβάνουν μονάδες παραγωγής και φορτία που χρησιμοποιούν συσκευές με ηλεκτρονικά ισχύος σε ολοένα και αυξανόμενο βαθμό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να εμφανίζονται στο δίκτυο μη ημιτονοειδείς κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων. Ως γνωστόν, υπό ημιτονοειδείς συνθήκες ο υπολογισμός της ενεργού ισχύος, της αέργου ισχύος και του συντελεστή ισχύος αρκούν για την κατανόηση της ροής ενέργειας ενός συστήματος. Παρ’όλα αυτά, σε μη ημιτονοειδείς συνθήκες οι κλασσικές έννοιες της ενεργού και αέργου ισχύος δεν είναι χρήσιμες. Στόχος της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η ανάδειξη αυτού του προβλήματος καθώς και η θεμελίωση της θεωρίας στιγμιαίας ισχύος, η οποία αποτελεί βασική θεωρία ανάλυσης των σύγχρονων τριφασικών συστημάτων. / Nowadays, power systems include production units and loads using power electronic devices in an increasing rate. Thus,non sinusoidal voltages and currents appear in the network. In sunusoidal conditions the calculation of active power, reactive power and power factor are sufficient for understanding the energy flow of the system. Although, in non-sinusoidal conditions the classical theory is not sufficient to describe the energy flow in the system. The purpose of this thesis is to highlight this problem and present the instantaneous power theory, which is the basic theory of modern analysis of three phase systems.

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

Σε αυτή τη Διπλωματική εργασία έχει μοντελοποιηθεί ένα υβριδικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, που αποτελείται από ένα υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής κι ένα αιολικό πάρκο. Η παραγόμενη από αυτά ισχύς τροφοδοτεί ένα μεταβλητό φορτίο που προσομοιώνει την ζήτηση μίας μικρής πόλης. Έχει γίνει μια προσπάθεια ελέγχου τόσο της παραγωγής πραγματικής ισχύος, όσο και του φορτίου με την βοήθεια ασαφών ελεγκτών, με μηχανισμό συμπερασμού που βασίζεται στην συνεπαγωγή Mamdani. / -

Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί, παρουσιάζει τη μελέτη και μοντελοποίηση ενός αυτόνομου υβριδικού συστήματος. Το αυτόνομο σύστημα που εξετάζεται είναι ένα υβριδικό σύστημα ηλεκτροπαραγωγής που αποτελείται από μια γεννήτρια diesel, μια ανεμογεννήτρια και ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Στην εργασία αυτή το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στη συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στη συμπεριφορά σε κάποια μεταβατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: - Συμπεριφορά συστήματος σε απότομη αποσύνδεση ανεμογεννήτριας - Βραχυκύκλωμα των τριών φάσεων ως προς γη στο ζυγό της σύγχρονης γεννήτριας diesel Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια γενικότερη αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στη συνέχεια περιγράφονται τα υβριδικά συστήματα ηλεκτροπαραγωγής και οι εφαρμογές τους. Αναλύεται η δομή τους και μελετώνται-συγκρίνονται οι διάφορες αρχιτεκτονικές τους. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η δομή και τα στοιχεία που αποτελούν το αυτόνομο υβριδικό δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής και αναπτύσσεται όλο το απαραίτητο μαθηματικό υπόβαθρο που πραγματεύεται η εργασία αυτή. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η δομή και τα στοιχεία που αποτελούν το αυτόνομο υβριδικό δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής στο περιβάλλον του προγράμματος μοντελοποίησης, του PSCAD και παρουσιάζονται τα μοντέλα που απαρτίζουν το συνολικό σύστημα. Στο Κεφάλαιο 4 εξετάζεται η συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Στο Κεφάλαιο 5 εξετάζεται η συμπεριφορά του συστήματος στα δύο μεταβατικά φαινόμενα που έχουν προαναφερθεί, στην απότομη αποσύνδεση ανεμογεννήτριας και στο βραχυκύκλωμα των τριών φάσεων ως προς γη στο ζυγό της σύγχρονης γεννήτριας diesel Στο Κεφάλαιο 6 παρατίθενται οι προδιαγραφές των ποιοτικών χαρακτηριστικών των δικτύων και διατυπώνονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη του υβριδικού συστήματος που παρουσιάστηκε. / The thesis that follows, presents the study and modelling of autonomous hybrid system. The autonomous system that is examined is a hybrid system of generation of electricity that is constituted by a generator diesel, a wind generator and a photovoltaic system. For the modelling of system is used the program of designing and simulation of electric systems PSCAD. At this project the interest is focused in the behavior of system in the permanent situation of operation and in the behavior in certain transient phenomena. The transient phenomena that are examined are following: - Behavior of system in abrupt detachment of wind generator - Short-circuit of three phases as for ground in the balance of modern generator diesel In Capital 1 becomes a more general report in the renewable sources of energy and afterwards is described the hybrid systems of generation of electricity and their applications. Is analyzed their structure and study-is compared their various architectures. In Capital 2 are described the structure and the elements that constitute the autonomous hybrid network of electric generation and is developed the all essential mathematic background that are necessary for this project. In Capital 3 are described the structure and the elements that constitute the autonomous hybrid system of electric generation in the environment of program of modelling, PSCAD and are presented the models that compose the total system. In Capital 4 is examined the reaction of system in the permanent situation of operation. In Capital 5 is examined the reaction of system in the two transient phenomena that have been mentioned before, in the abrupt detachment of wind generator and in the short-circuit of three phases as for ground in the balance of synchronous generator. In Capital 6 are mentioned the specifications of qualitative characteristics of networks and are formulated the conclusions that resulted from the study of hybrid system that was presented.

Η παρούσα διπλωματική έχει ως αντικείμενο την μελέτη και μοντελοποίηση ενός συστήματος μικροστροβίλου και ανεμογεννήτριας ως συστατικά στοιχεία ενός συστήματος κατανεμημένης παραγωγής. Παρουσιάζεται αναλυτικά η έννοια της κατανεμημένης παραγωγής καθώς επίσης και οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε αυτή, ενώ ένα κεφάλαιο είναι αποκλειστικά αφιερωμένο στην τεχνολογία των μικροστρόβιλων. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συστήματος μικροστροβίλου σε μεταβλητές συνθήκες φόρτισης καθώς επίσης και της απόκρισης του στην περίπτωση προσθήκης ενός επιπλέον φορτίου, την κάλυψη του οποίου αναλαμβάνει ως εφεδρικό μέσω μία ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών. / The current diploma thesis deals with the development of a distributed generation system with a micro-turbine and a wind-turbine as its basic components. What is more, it is given the meaning of the “distributed generation”, we analyze the basic characteristics of it and we present the most important technologies that complete the distributed generation. Furthermore we refer to the micro-turbine technology and its characteristics in the third chapter of this essay. In the last chapter we analyze the dynamic response of a micro-turbine based system in variable load conditions and the response of the system when an additional load, which is powered by a fixed speed wind-turbine, is added in the micro grid.

Σε αυτή τη διπλωματική εργασία διερευνούνται οι προδιαγραφές που πρέπει να ικανοποιούνται ώστε να είναι εφικτή η σύνδεση εγκαταστάσεων κατανεμημένης παραγωγής στα δίκτυα διανομής και η εφαρμογή τους σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα που συνδέεται στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια επισκόπηση της παρούσας κατάστασης στην ηλεκτρική ενέργεια και αναλύονται οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη της κατανεμημένης παραγωγής οι οποίοι συνοψίζονται στους περιορισμούς στην κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς, στην αυξημένη ζήτηση παροχής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής αξιοπιστίας, στην απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, στους προβληματισμούς για τις κλιματικές αλλαγές και στην εξάντληση των ορυκτών καυσίμων. Έπειτα αναλύεται ο ορισμός της κατανεμημένης παραγωγής σύμφωνα με τα διάφορα διεθνή ινστιτούτα ηλεκτρικής ενέργειας και αναπτύσσονται οι τεχνολογίες που περιλαμβάνει οι οποίες διαχωρίζονται σε τεχνολογίες φυσικού καυσίμου (fossil fuel technologies) και σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στις πρώτες περιλαμβάνονται οι μηχανές εσωτερικής καύσης, οι αεριοστροβιλικοί σταθμοί, οι μικροστρόβιλοι ή μικροτουρμπίνες και οι σταθμοί συνδυασμένου κύκλου ενώ στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνονται οι ανεμογεννήτριες, τα κύτταρα καυσίμου (fuel cells), οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες, τα μικρά υδροηλεκτρικά και οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα και φυσικό αέριο. Η λειτουργία ενός ηλεκτρικού δικτύου ελέγχεται από συσκευές προστασίας και ρύθµισης της τάσης, που έχουν σκοπό την παροχή προς τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας αποδεκτής ποιότητας, ελαχιστοποιώντας τον αριθµό των σφαλµάτων και προσφέροντας υψηλό επίπεδο ασφάλειας. Η σύνδεση στο δίκτυο µονάδων κατανεμημένης παραγωγής πρέπει να συµβαδίζει µε αυτές τις γενικές αρχές, ώστε αφενός µεν να µην προκαλούνται ενοχλήσεις στους λοιπούς καταναλωτές και αφετέρου να υπάρχει συµβατότητα µεταξύ του δικτύου διανοµής και των εγκαταστάσεων των παραγωγών. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται οι προϋποθέσεις που πρέπει να ισχύουν για τη σύνδεση και παράλληλη λειτουργία των εγκαταστάσεων παραγωγής µε τα δίκτυα διανοµής, καθώς και ο απαιτούµενος εξοπλισµός ζεύξης και προστασίας, µε στόχο την αποτελεσµατική αντιµετώπιση της πλειονότητας των περιπτώσεων. Οι τεχνικές προδιαγραφές που περιγράφονται αφορούν στη σύνδεση παραγωγών στο δίκτυο µέσης τάσης (ΜΤ) ή χαµηλής τάσης (ΧΤ). Βασικά κριτήρια και προϋποθέσεις που εξετάζονται προκειµένου να επιτραπεί η σύνδεση νέων εγκαταστάσεων παραγωγής είναι η επάρκεια του δικτύου (γραμμών, μετασχηματιστών κλπ.), η συµβολή στη στάθµη βραχυκύκλωσης, οι αργές µεταβολές της τάσης (µόνιµης κατάστασης), οι ταχείες µεταβολές της τάσης, οι εκποµπές flicker, οι εκπομπές αρμονικών, η διαµόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης εγκαταστάσεων-δικτύου και η επίπτωση στη λειτουργία συστηµάτων Τηλεχειρισµού Ακουστικής Συχνότητας (ΤΑΣ). Τα κριτήρια και οι µέθοδοι εξέτασης που περιγράφονται στηρίζονται κατά κύριο λόγο στη σειρά προτύπων 61000 της IEC (International Electrotechnical Commission) και εξασφαλίζουν την ικανοποίηση των απαιτήσεων του ευρωπαϊκού προτύπου ΕΝ 50160 (πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 50160 και Οδηγία διανοµής 120 της ΔΕΗ Α.Ε.). Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια μελέτη εφαρμογής των παραπάνω προδιαγραφών σε ένα σύστημα που εξομοιώθηκε με χρήση του προγράμματος PSCAD. Το σύστημα αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία μέγιστης ισχύος 4,8 kW, έναν μετατροπέα συνεχούς/εναλλασσόμενης τάσης ή αντιστροφέα (DC to AC converter) που λειτουργεί με τη μέθοδο PWM (Pulse Width Modulation ή διαμόρφωση εύρους παλμού), ένα σύστημα παρακολούθησης του σημείου μέγιστης ισχύος που αποδίδει η συστοιχία (MPPT Maximum Power Point Tracker), ένα μετασχηματιστή 150V/380V για την ανύψωση της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα στα επίπεδα τάσης του δικτύου, ένα δίκτυο χαμηλής τάσης και δύο φορτία RL. Εκτενής αναφορά γίνεται στις εκπομπές αρμονικών που παρουσιάζονται στο σύστημα στην έξοδο του αντιστροφέα. Αρχικά γίνεται μελέτη χωρίς φίλτρο LC στην έξοδο του αντιστροφέα και στη συνέχεια παρατηρούμε τον τρόπο με τον οποίο το φίλτρο LC επιδρά στη μείωση των αρμονικών σε επιτρεπτά πλαίσια. Τέλος διερευνούνται οι διακυμάνσεις τάσης του δικτύου κατά τη ζεύξη του φωτοβολταϊκού συστήματος με το δίκτυο, πραγματοποιείται μια μελέτη του συστήματος σε περίπτωση βραχυκυκλωμάτων και διερευνάται η επίπτωση σε συστήματα τηλεχειρισμού ακουστικής συχνότητας. / -