Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) που προορίζεται για τη σύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά, παρουσιάζονται, συνοπτικά, πληροφορίες για τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία και για τους τρόπους διασύνδεσής τους με την κατανάλωση ή το δίκτυο. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον αντιστροφέα της διπλωματικής εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται ένας διαφορικός αντιστροφέας τύπου boost, ένα χαρακτηρισμό που τον οφείλει στην δυνατότητα, να επιτευχθεί μέσω αυτού εναλλασσόμενη τάση εξόδου με ενεργό τιμή μεγαλύτερη της συνεχούς τάσης εισόδου. Ο μετατροπέας αυτός αποτελείται στην ουσία από δύο επιμέρους μετατροπείς dc-dc τύπου boost, με τη συνδυασμένη λειτουργία των οποίων επιτυγχάνεται η επιθυμητή μετατροπή. Η ονομαστική ισχύς για την οποία πραγματοποιείται ο σχεδιασμός του μετατροπέα είναι ίση με 250W. Με δεδομένα τα μεγέθη ρευμάτων και τάσεων, καθώς και των κυματώσεων στα ρεύματα των πηνίων και στις τάσεις των πυκνωτών, υπολογίστηκαν οι τιμές των στοιχείων, βάσει των οποίων έγιναν οι προσομοιώσεις. Κατόπιν, δοκιμάστηκαν σε προσομοίωση διάφορες μορφές ελέγχου του αντιστροφέα, με μόνη ικανοποιητική αυτή του έλεγχου με ολίσθηση στο πεδίο καταστάσεων. Αυτός ήταν και ο έλεγχος που τελικά επιλέχθηκε για τη διάταξη που μελετήθηκε, γι’ αυτό και γίνεται αναλυτική περιγραφή του ελέγχου αυτού. Λόγω των απαιτήσεών του αποφασίστηκε ο έλεγχος να υλοποιηθεί χωρίς χρήση μικροελεγκτή, αλλά με χρήση αποκλειστικά ολοκληρωμένων αναλογικών κυκλωμάτων. Ακολουθεί η περιγραφή της διαδικασίας σχεδίασης και κατασκευής του μετατροπέα που έγινε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και παρουσιάζονται τα επιμέρους στοιχεία και οι συνδεσμολογίες που χρησιμοποιήθηκαν. Τέλος, περιγράφονται τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν και παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν, αποδεικνύοντας την ορθή λειτουργία της διάταξης. Επίσης, εξάγονται τα ανάλογα συμπεράσματα. / In this diploma thesis, a Power Inverter in order to connect an Alternating Current-Photovoltaic (AC-PV module) to the low voltage grid is analyzed, designed and manufactured. The work was carried out in the Laboratory of Electrical and Mechanical Energy Conversion at the Department of Electrical and Computer Engineering of the Polytechnic School, University of Patras, Greece. At first, some data and information concerning the photovoltaic technology are presented as well as the connection modes of a PV system or module. Secondly, the operation and structure of the inverter is described. Specifically, a differential output boost inverter is examined, the title of which is derived from its ability to produce an output voltage larger than the input voltage. In fact, this converter consists of two boost dc-dc converters, the combined operation of which achieves the desirable operation of the inverter. The nominal power of the inverter is chosen to be equal to 250W. Depending on the expected values of the currents and voltages, as well as on the ripple voltages of the capacitors and the ripple currents of the inductors, the component values were calculated. The following step was to simulate the operation of the converter under different control techniques. The only control method with satisfying results which was eventually applied to the inverter was the sliding mode control, so it is extensively described. Due to its requirements, this control technique was implemented without using a microcontroller, but only using analog integrated circuits. The design and implementation of the inverter is then described along with the selected components and some individual circuits. Finally, the results of the conducted experiments are presented, the good operation of the setup is confirmed and the related conclusions are derived.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση και την κατασκευή μιας καινοτόμας τοπολογίας μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στα πλαίσια του θεσμού της πρακτικής άσκησης, ένα τμήμα της εκπονήθηκε στην τεχνική εταιρία Πάραλος Α.Ε. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι συμβολή της στη μελέτη των νέων τεχνολογιών στον τομέα των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, λαμβάνοντας υπόψιν τις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που μειώνουν δραστικά την διάρκεια ζωής των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών και συνεπώς των ίδιων των μετατροπέων. Επί του πρακτέου διερευνάται και κατασκευάζεται μια βελτιωμένη εκδοχή του υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα ρεύματος βασιζόμενου στην τοπολογία Flyback. Η βελτίωση αφορά την ενσωμάτωση ενός κυκλώματος αποσύζευξης της ισχύος, που εξομαλύνει το ρεύμα εισόδου αναιρώντας την ανάγκη χρήσης ηλεκτρολυτικού πυκνωτή τόσο στην είσοδο, όσο και στο κύκλωμα αποσύζευξης αυξάνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του μετατροπέα, καθιστώντας τον με αυτόν τον τρόπο κατάλληλο για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules). Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας έχει προταθεί στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία και στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται κατά κύριο λόγο η μεθοδολογία κατασκευής του ώστε να διευρευνηθεί η λειτουργία και η απόδοσή του Αρχικά έγινε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση και μελέτη των καταστάσεων λειτουργίας του αλλά και της συνολικής συμπεριφοράς του βελτιωμένου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback. Με την εμπειρία που αποκτήθηκε στην διάρκεια της πρακτικής άσκησης, ακολούθησε η συσχέτιση των παραμέτρων του αντιστροφέα και η επιλογή αυτών ώστε να ανταποκριθεί στις προδιαγραφές που τέθηκαν και να ανταπεξέλθει στα δεδομένα του ηλεκτρικού δικτύου της Ελλάδας. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση της τοπολογίας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή με ειδικό πρόγραμμα προσομοιώσεων ηλεκτρικών κυκλωμάτων (PSpice). Επιβεβαιώθηκε η λειτουργία του, έγινε ο βέλτιστος σχεδιασμός και τέλος πραγματοποιήθηκε ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα διάφορα στοιχεία ώστε να γίνει ορθή επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Τέλος, έγινε η κατασκευή του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η ορθή λειτουργία του για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Έπειτα συγκεντρώθηκαν μετρήσεις, αφ’ ενός μεν για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόδοση, αφ’ ετέρου δε για σύγκριση με τα αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα. / This diploma thesis deals with the study, analysis and implementation of a novel single phase inverter which is used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric utility grid of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The diploma thesis was also partially conducted within the internship at the engineering company Paralos S.A. This project pertains to the sector of Dispersed Power Generation PV systems, especially to Alternating Current Photovoltaic Modules (AC-PV Modules) systems in which a low power dc-ac utility interactive inverter is individually mounted on a PV module. Taking into account that the lifetime of the ac module inverter is shortened because it operates under very high atmospheric temperature, an improved Flyback-type single phase high frequency current source inverter is proposed. The improvement relies on the integration of a power pulsation decoupling circuit which aims at input current smoothing without using electrolytic capacitors and enables employment of film capacitors with small capacitance not only for the dc input line but also for the decoupling circuit. The additional circuit is expected to extend the lifetime of the inverter since the use of electrolytic capacitors under a high temperature environment drastically shortens their life.The proposed inverter circuit has already been presented in the international scientific community but the current thesis mainly analyzes the implementation methodology and investigates the inverter’s performance and behavior. Initially, a thorough theoretical analysis was made on the flyback-type utility interactive inverter’s operation and its circuit configuration. Subsequently, analytical mathematical equations were developed to describe the relationships between the parameters of the proposed inverter. Using these equations, the electric components were selected, as to meet up with the Greek electric utility grid specifications. The next step is the simulation of the topology, which was performed by a specialized on electric circuit simulation computer program (PSpice). The proper behavior of the simulated circuit was confirmed and the precise losses of the components were calculated through the program. Regarding this fact, the components were selected for an optimal design of the inverter. Last but not least, the Flyback-type current source inverter with decoupling capacitor was constructed and its operation was experimentally confirmed. Also, measurements of the inverter’s performance were collected.