Thesis is devoted to a problem of Power Factor Correction on the low voltage level. It has still its own difficulties despite the fact that topic moved through long development. The main goal of this work is to offer reader variable procedure considering design process. It is based on use of measured data of network analyzer Meg30. The design algorithm has to share a maximum of eventual influencing factors. Therefore the body of master thesis goes through detailed analysis of Power Factor Correction.

The state-variable analog filter topologies are described. Using the transfer function theory and operational configurations suitable for integration and derivation, a new universal filter topology are proposed. The circuit has been implemented in CMOS technology by using six operational amplifiers, eight analog switches and five programming resistor array. Tunable corner frequencies, quality factors and gain are realized. Using the serial peripheral interface or digital memory can be realized this real-time digitally programmable first- and second-order analog filter with the tunable parameters.

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).

Disertační práce je zaměřena na výzkum nejběžnějších metod, které se využívají při návrhu analogových obvodů s využití nízkonapěťových (LV) a nízkopříkonových (LP) struktur. Tyto LV LP obvody mohou být vytvořeny díky vyspělým technologiím nebo také využitím pokročilých technik návrhu. Disertační práce se zabývá právě pokročilými technikami návrhu, především pak nekonvenčními. Mezi tyto techniky patří využití prvků s řízeným substrátem (bulk-driven - BD), s plovoucím hradlem (floating-gate - FG), s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - QFG), s řízeným substrátem s plovoucím hradlem (bulk-driven floating-gate - BD-FG) a s řízeným substrátem s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - BD-QFG). Práce je také orientována na možné způsoby implementace známých a moderních aktivních prvků pracujících v napěťovém, proudovém nebo mix-módu. Mezi tyto prvky lze začlenit zesilovače typu OTA (operational transconductance amplifier), CCII (second generation current conveyor), FB-CCII (fully-differential second generation current conveyor), FB-DDA (fully-balanced differential difference amplifier), VDTA (voltage differencing transconductance amplifier), CC-CDBA (current-controlled current differencing buffered amplifier) a CFOA (current feedback operational amplifier). Za účelem potvrzení funkčnosti a chování výše zmíněných struktur a prvků byly vytvořeny příklady aplikací, které simulují usměrňovací a induktanční vlastnosti diody, dále pak filtry dolní propusti, pásmové propusti a také univerzální filtry. Všechny aktivní prvky a příklady aplikací byly ověřeny pomocí PSpice simulací s využitím parametrů technologie 0,18 m TSMC CMOS. Pro ilustraci přesného a účinného chování struktur je v disertační práci zahrnuto velké množství simulačních výsledků.