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.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη ενός μοντέλου κυψέλης καυσίμου (Fuel Cell), το οποίο θα αποτελέσει το βασικό στοιχείο της διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας από ένα σταθμό με τέτοιες κυψέλες που θα τροφοδοτεί ένα μικροδίκτυο. 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 στοίβας κυψελών καυσίμου, τον αντιστροφέα (inverter) ο οποίος θα μετατρέπει την συνεχή τάση εξόδου του ανυψωτή σε εναλλασσόμενη με το επιθυμητό πλάτος και 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. / The currnet diploma thesis deal with the development of a PEM fuel cell, which will be the basic component of a distributed power system connected to a microgrid. This study will contain all the necessary components for a connection to the main grid. There will be boost converter to boost the output voltage of the fuel cell stack, an inverter to convert the dc voltage to ac-voltage with specific voltage amplitude and frequency. Moreover, there will be a control system which will be able to fulfill all the power requirements of the loads, regulating the parameters of the previous components.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος θα αποτελέσει μέρος ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος με πηγή ενέργειας μία συσκευή κυψελών καυσίμου (fuel cells). Συγκεκριμένα πρόκειται για ένα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, με διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων (2-channel interleaved boost converter). Η είσοδος του μετατροπέα συνδέεται στην πηγή των κυψελών καυσίμου με σκοπό να ανυψώσει τη συνεχή αλλά μεταβλητή τάση που παράγει αυτή και να τη σταθεροποιήσει στα 50V. Στην έξοδο αυτού του μετατροπέα πρόκειται να συνδεθεί ένας αντιστροφέας για την οδήγηση τριφασικού σύγχρονου κινητήρα με μόνιμους μαγνήτες (BLDC), ο οποίος αποτελεί αντικείμενο άλλης διπλωματικής εργασίας, που εκπονείται στο Εργαστήριο. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού χρειάστηκε θεωρητική μελέτη των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς τάσης αλλά και της πηγής κυψελών καυσίμου. Στη μελέτη βοήθησε το πρόγραμμα εξομοίωσης, με το οποίο εξομοιώθηκαν εκτός από το προαναφερθέν τελικό σύστημα και διάφορα άλλα συστήματα που αποτέλεσαν ιδέες για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Έπειτα ακολούθησε η κατασκευή της διάταξης και η διεξαγωγή πλήθους πειραματικών δοκιμών. / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a power electronic boost converter. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineering of University of Patras. The main purpose of this work is the analysis and construction of a power electronic converter that will be part of an electric propulsion system which has a fuel cell stack as an electrical power source. Particularly, this power electronic converter is a two channel interleaved boost converter. This converter is connected to the fuel cells in order to boost and stabilize the unregulated voltage which they produce. At the output of this converter it will be connected an electronic power inverter which will drive a brushless DC motor (BLDC). For the accomplishment of this purpose, the study of both switching power supplies and fuel cells was needed. At this analysis the system was designed at a simulation program which gave useful information about the system operation. After the system simulation the converter was constructed and the entire system was set up in order to carry out the required experiments and measurements.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργική συμπεριφορά ημιαγωγικών στοιχείων από καρβίδιο πυριτίου (SiC). Συγκεκριμένα, σε μια πρώτη φάση πραγματοποιείται διεξοδική βιβλιογραφική μελέτη των άρθρων που σχετίζονται με το ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος SiC JFET και ειδικότερα η διερεύνηση των ιδιοτήτων του εκείνων που το καθιστούν ανώτερο σε σχέση με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος από πυρίτιο (Si) ή από SiC, για διακοπτικές εφαρμογές μεγάλης ισχύος και θερμοκρασιών, σύμφωνα με τις τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις. Σε μια δεύτερη φάση, η διπλωματική εργασία αυτή πραγματεύεται την κατασκευή δύο μετατροπέων ανύψωσης τάσης τύπου boost: ο ένας κατασκευάζεται για βέλτιστη λειτουργία με συμβατικά ημιαγωγικά στοιχεία από πυρίτιο (Si MOSFET και Si pn δίοδος), ενώ ο δεύτερος είναι πανομοιότυπος με τον πρώτο με την ουσιαστική διαφορά ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι από καρβίδιο πυριτίου. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται ένα SiC JFET και μία SiC δίοδος Schottky. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά γίνεται μια μικρή εισαγωγή στις ιδιότητες του SiC ως υλικού προς χρήση για κατασκευή ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και συγκρίνεται με το Si. Επίσης εξάγονται οι λόγοι εκείνοι που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφική μελέτη, καθιστούν το JFET ισχύος ως το καταλληλότερο για να κατασκευαστεί από SiC. Στη συνέχεια γίνεται εμβάθυνση στη λειτουργική συμπεριφορά του SiC JFET, δηλαδή μελετώνται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αγωγή, την αποκοπή και τη μεταβατική του λειτουργία, όπως και η σημασία άλλων ιδιαιτεροτήτων της δομής του που επιδρούν σε αυτήν. Ακολούθως, αποτυπώνονται και μελετώνται 3 βασικές δομές SiC JFET, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά τους και επισημαίνονται οι διαφορές τους. Έπειτα, γίνεται αναφορά στην ιδιαιτερότητα των SiC JFET να βρίσκονται σε κατάσταση αγωγής όταν δεν παλμοδοτούνται (normally-on), όπως και στους διακόπτες συνδεσμολογίας σε σειρά (cascode). Στη συνέχεια, καταγράφονται εφαρμογές ισχύος στις οποίες τα SiC JFET βρίσκουν χρήση. Το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή των δύο μετατροπέων boost. Πιο συγκεκριμένα τίθενται οι συνθήκες λειτουργίας που καλούνται να εκπληρώσουν, διαστασιολογούνται τα παθητικά στοιχεία τους και σχεδιάζονται τα κυκλώματα ελέγχου και παλμοδότησης της πύλης. Τέλος, γίνονται μετρήσεις στους δύο μετατροπείς και λαμβάνονται αποτελέσματα που αφορούν τις απώλειες και το βαθμό απόδοσης, απ’ τα οποία εξάγονται χαρακτηριστικές καμπύλες για τον κάθε μετατροπέα. / In this diploma thesis, a bibliographical study of the Silicon Carbide (SiC) power JFET's operational behaviour is conducted. The SiC JFET exhibits such operational properties that help to establish it as an advanced power device, in comparison to other Silicon (Si) and SiC power devices. The SiC JFET is a favorable option for high voltage, high power and high temperature switching applications. Once the bibliographical part is conducted, the design and implementation of a 500 W dc/dc boost converter is discussed and analyzed, that employs a SiC VJFET and a SiC Schottky Barrier Diode (SBD. This converter is compared with an identical, more conventional boost converter that uses a Si MOSFET and a Si pn diode, in terms of efficiency and voltage step-up ratio.

Boost dc-to-dc converters have very good source interface properties. The input inductor makes the source current smooth and hence these converters provide very good EMI performance. On account of this good property, the boost converter is also the preferred converter for off-line UPF rectifiers. One of the issues of concern in these converters is the large size of the storage capacitor on the dc link. The boost converter suffers from the disadvantage of discontinuous current injected to the load. The size of the capacitor is therefore large. Further, the ripple current in the capacitor is as much as the load current; hence the ESR specification of the tank capacitor is quite demanding. This is specially so in the emerging application areas of automotive power conversion, where the input voltage is low (typically 12V) and large voltage boost (4 to 5) are desired. The first part of this thesis suggests multi-phase boost converter to overcome the disadvantages of large size storage capacitor in boost converter. Comparison between the specification of single stage and multi-stages is thoroughly examined. Besides the average small signal analysis of N converters in parallel and obtaining an equivalent second order system are discussed. By paralleling the converters the design of closed loop control is a demanding task. To achieve proper current sharing among the stages using current control method is inevitable. Design and implementation of closed loop control of multi-phase boost converter both in analog and digital is the topic of next part of the thesis. Comparison between these two approaches is presented in this part and it will be shown that digital control is more convenient for such a topology on account of the requirement of synchronization, phase shifted operation, current balancing and other desired functions, which will be discussed later in detail. A new direct digital control method, which is simple and fast, is developed. Two different realizations with DSP controller and FPGA controller are considered. In the last part of the thesis a novel soft switching circuit for boost converter is presented. It provides Zero Voltage Switching (ZVS) for the main switch and Zero Current Switching (ZCS) for the auxiliary switch. The paper presents the idealized analysis giving all the circuit intervals and the equations necessary for the design of such a circuit. The proposed soft switching circuit is particularly suited for the tapped-inductor boost circuit with a minimum number of extra components. Extension of the method to tapped inductor boost converter addresses the application of Zero Voltage Transition (ZVT) to high conversion ratio converters. Extension of the method to multiphase boost converter shows that with less number of auxiliary switches soft switching operation can be achieved for all interleaved switching devices. Several laboratory prototype boost converters have been built to confirm the theoretical results and design methods are matching with both simulation and experimental results.

The thesis describes theoretical and experimental studies on the chaotic behaviour of a peak current-mode controlled boost converter, a parallel two-module peak current-mode controlled DC-DC boost converter, and a peak current-mode controlled power factor correction (PFC) boost converter. The research concentrates on converters which do not have voltage control loops, since the main interest is in the intrinsic mechanism of chaotic behaviour. These converters produce sub-harmonics of the clock frequency at certain values of the reference current I[ref] and input voltage V[in], and may behave in a chaotic manner, whereby the frequency spectrum of the inductor becomes continuous. Non-linear maps for each of the converters are derived using discrete time modelling and numerical iteration of the maps produce bifurcation diagrams which indicate the presence of subharmonics and chaotic operation. In order to check the validity of the analysis, MATLAB/SIMULINK models for the converters are developed. A comparison is made between waveforms obtained from experimental converters, with those produced by the MATLAB/SIMULINK models of the converters. The experimental and theoretical results are also compared with the bifurcation points predicted by the bifurcation diagrams. The simulated waveforms show excellent agreement, with both the experimental waveforms and the transitions predicted by the bifurcation diagrams. The thesis presents the first application of a delayed feedback control scheme for eliminating chaotic behaviour in both the DC-DC boost converter and the PFC boost converter. Experimental results and FORTRAN simulations show the effectiveness and robustness of the scheme. FORTRAN simulations are found to be in close agreement with experimental results and the bifurcation diagrams. A theoretical comparison is made between the above converters controlled using delayed feedback control and the popular slope compensation method. It is shown that delayed feedback control is a simpler scheme and has a better performance than that for slope compensation.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των κυψελών καυσίμου οι οποίες αποτελούν εναλλακτική πηγή τάσεως και συγκεκριμένα μια ειδικής κατηγορίας αυτών, τις λεγόμενες κυψέλες καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσεως και περιγράφονται οι θερμοδυναμικοί νόμοι που διέπουν τη λειτουργία της κυψέλης έτσι ώστε να προκύψουν οι εξίσωσεις εκέινες οι οποίες αναπαριστούν την λειτουργία της κυψέλης. Επίσης, παρουσιάζονται τα επιμέρους συστήματα που χρειάζονται για την τροφοδότηση του φορτίου και αναφέρονται διάφορα στοιχεία περί της τεχνολογίας υδρογόνου όσον αφορά τρόπους παραγωγής και αποθήκευσης καθώς και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτού ως καύσιμο έναντι των συμβατικών καυσίμων εξαιτίας του γεγονότος ότι το υδρογόνο αποτελεί το κύριο καύσιμο για τις προαναφερθείσες συστοιχίες. Τα συστήματα κυψελών καυσίμου αναμένεται να διαδραματίσουν σπουδαίο ρόλο στην παραγωγή ισχύος στο μέλλον λόγω της αποδοτικότητας, της καθαρότητας και της αξιοπιστίας τους και λόγω φυσικά της εξάντλησης των αποθεμάτων σε συμβατικά καύσιμα.Οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων παρουσιάζουν χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας και χαμηλούς χρόνους εκκίνησης και για αυτό προτιμούνται έναντι των άλλων τύπων κυψελών καυσίμων. Πραγματοποιείται πειραματική δοκιμή δυναμικών μεταβολών σε μία συστοιχία κυψέλων καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ισχύος 1,2kW της εταιρίας Nexa και συγκρίνονται-αξιολογούνται οι καμπύλες λειτουργίας που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία με αυτές που παρουσίάζονται από τον κατασκευαστή. Επίσης η προαναφερθείσα συστοιχία μοντελοποιείται στο Matlab με βάση τις εξισώσεις που διέπουν την λειτουργία της και λαμβάνοντας υπόψιν τα επιμέρους χαρακτηριστικά της συστοιχίας. Η προσαρμογή των παραμέτρων πραγματοποιήθηκε αξιοποιώντας την άμεση συσχέτιση των ηλεκτροχημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό της κυψέλης με την θερμική ανάλυση των ηλεκτρικών στοιχείων. Προκύπτουν έτσι διάφορα χρήσιμα διαγράμματα που αφορούν τόσο την χημική πλευρά του θέματος αλλά και την ηλεκτρική συμπεριφορά που ενδιαφέρει άμεσα τον Ηλεκτρολόγο Μηχανικό. Τέλος, αναπτύσσεται ένα μοντέλο στο Simulink, όπου στην έξοδο του fuel cell συνδέεται ένας μετατροπέας τύπου boost για τροφοδότηση του φορτίου και μελετάται η συμβολή του μετατροπέα αυτού στην απόκριση του συστήματος. Η βασική αρχή που διέπει την λειτουργία ενός μετατροπέα τύπου boost είναι η ιδιότητα της επαγωγής να αντιστέκεται στην μεταβολή του ρεύματος που την διαρρέει. Όταν φορτίζεται το πηνίο δρα σαν φορτίο που απορροφά ενέργεια, ενώ όταν εκφορτίζεται λειτουργεί σαν μια πηγή ενέργειας (σαν μια μπαταρία). Οι dc – dc boost μετατροπείς ρυθμίζουν την τάση εξόδου ώστε αυτή να είναι μεγαλύτερη της τάσης εισόδου. Χρησιμοποιείται ανατροφοδότηση ώστε να μεταβάλλεται κατάλληλα η παλμοδότηση των ημιαγωγικών μας στοιχείων και επομένως να αλλάζει συνεχώς ο λόγος κατάτμησης έτσι ώστε να έχουμε πάντα στην έξοδο του boost 80V. Η ύπαρξη ανατροφοδότησης είναι αναγκαία γιατί όπως μπορούμε να δούμε παρακάτω από τις κυματομορφές της εξόδου του fuel cell , η τάση δεν έχει κάποια σταθερή τιμή, αλλά αντιθέτως μεταβάλλεται συναρτήσει της φύσης και της τιμής του φορτίου. Έτσι, αν δεν γινόταν έλεγχος του λόγου κατάτμησης, η έξοδος του boost θα ακολουθούσε την έξοδο του fuel cell με τις ίδιες διακυμάνσεις και απλώς θα ήταν ενισχυμένη σε πλάτος κατά ένα ποσοστό. Η προσαρμογή των παραμέτρων του προτεινόμενου μοντέλου βασίστηκε στην ελαχιστοποίηση του σφάλματος μεταξύ πειραματικών δεδομένων και αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Επιβεβαιώθηκε ότι το fuel cell του μοντέλου παρουσιάζει παρόμοια λειτουργία με αυτό της πειραματικής διάταξης και γίνονται φανερά τα πλεονεκτήματα από την τοποθέτηση ενός τέτοιου είδους μετατροπέα στην έξοδο της συστοιχίας. Όπως φαίνεται από τις καμπύλες που αναπαριστούν τον χρόνο της δυναμικής απόκρισης της κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, αυτή κυμαίνεται μεταξύ μερικών εκατοντάδων millisecond (περίπου 0.5sec). Η καθυστέρηση αυτή που παρουσιάζεται στην δυναμική απόκριση της κυψέλης οφείλεται στο γεγονός ότι η αντλία του αέρα αδυνατεί να προσφέρει αρκετή ποσότητα αέρα ώστε να αντιδράσει με το απαιτούμενο υδρογόνο με άμεση συνέπεια στο εσωτερικό της κυψέλης (φαινόμενο διπλής ηλεκτροστιβάδας) και παρουσιάζεται στο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα με πυκνωτές μεγάλων τιμών (μερικών Farad). Η αδυναμία της κυψέλης να ανταπεξέλθει ακαριαία στις αλλαγές φορτίου, οφείλεται και στις απώλειες διάχυσης. Σε γενικές γραμμές όμως η συστοιχία των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων που μελετήθηκε παρουσίασε καλή δυναμική συμπεριφορά πράγμα που δείχνει ότι τέτοιου είδους συστήματα αδιαμφισβήτητα αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ενισχύει το επιχείρημα της χρησιμοποίησης κυψελών καυσίμου σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης Η μελλοντική ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων που χρησιμοποιούν ως καύσιμο το υδρογόνο αναμένεται ραγδαία δεδομένου των ενεργειακών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η παγκόσμια κοινότητα σήμερα. Πρόκειται για συστήματα τα οποία μπορούν να δώσουν ανεξαρτησία και φιλική προς το περιβάλλον ενέργεια. / The purpose of this essay is the study of fuel cells (an alternative source of energy) and especially PEM fuel cells. The mechanisms that cause voltage drop in addition to the thermodynamic laws are presented in order to describe the stack operation. Moreover, the individual systems that be needed for the supply of load and some important imformatiοns about the technology of hydrogen (production, storage, advantages, disadvantages of this against conventional fuels) due to the fact that this is the main fuel for these types of fuel cells. Fuel cells are expected to play an important role in the power generation field due to the virtue of the ones inherent clean, efficient and reliable function. The proton exchange membrane fuel cells is the one which draws more attention-compared to current technologies-due to its low operating temperature, ease of start-up and shot-down, and its robustness and solidity. These advantages make it a promising technology for alternative power supply on future vehicles. The current thesis focuses on the experimental data analysis of dynamic responses on a proton exchange membrane fuel cell (1.2kW). This analysis is followed by depicting and comparing the curves that are made out from the experimental procesure with those given by the data sheet. This system is also simulated with Matlab Tools. The several diagrams show many useful aspects about the chemical side of subject in addition to the electric behavior of the stack that concerns mostly the Electric Engineer. A valid model for Fuel Cell and a DC/DC converter that be connected in series is being simulated with simulink tools based on the NEXA 1.2kW operational data. The design of the PEM Fuel Cell is based on the parameters that have been used during the experimental procedure in order to compare the equivalent results. The key principle that drives the boost converter is the tendency of an inductor to resist changes in current. When being charged it acts as a load and absorbs energy (somewhat like a resistor), when being discharged, it acts as an energy source (somewhat like a battery). The main advantages of the boost converter are higher efficiency & reduced component count and it converts the unregulated voltage into desired regulated voltage by varying the duty cycle at high switching frequency lowering the size and cost of energy storage components. The selection of components like boost inductor value and capacitor value is very important to reduce the ripple generation for a given switching frequency. In general, the dynamic behaviour of PEM fuel cell that were presented is quite satisfactory and thats why such systems uncontradictable constitute a promising technology for electric energy production. The future development of hydrogen fuel cell systems for autonomous and interconnected electric power production is expected very high. These systems can produce clean and environmentally friendly energy. Renewable power sources are the most important solution to the global warming problem.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσόμενου ρεύματος (AC-PV module) και τη σύνδεση αυτής στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου (Φ/Β) με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης του Φ/Β πλαισίου και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντίστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε συγκρίνουμε τις τεχνολογίες διασύνδεσης Φ/Β στο δίκτυο χαμηλής τάσης στοχεύοντας στο να εντάξουμε ομαλά τον αναγνώστη στην υπό μελέτη τοπολογία. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης των φωτοβολταικών χαρακτηριστικών, συγκρίνουμε και προσομοιώνουμε δύο τοπολογίες μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή (boost και flyback). Επιπρόσθετα μελετούμε και προσομοιώνουμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών" (sPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η λεπτομερής διαστασιολόγηση ολόκληρου τού υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση της κάθε μονάδας του ξεχωριστά. Αφού διασφαλίσουμε ότι οι αυτοτελείς μοντελοποιημένες μονάδες λειτουργούν με επιτυχία προχωρούμε στην προσομοίωση της πλήρους διάταξης τόσο απουσία κλειστού βρόχου ελέγχου όσο και παρουσία αυτού. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται. και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / Analysis and practical implementation of a two stage topology for connection between PV modules and the common grid.

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

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός υβριδικού συστήματος, που αποτελείται από φωτοβολταϊκά και κυψέλες καυσίμου τα οποία τροφοδοτούν ένα μικροδίκτυο. Το φορτίο το οποίο καλείται το σύστημα να καλύψει είναι 30kW και 15kVar. 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 μεταβατατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: - Συμπεριφορά συστήματος σε μεταβολές της ηλιοφάνειας. - Απόκριση συστήματος σε μεταβολές του φορτίου. - Τριφασικό και μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη στη γραμμή. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές, στην εξέλιξή και στην προοπτική τους στο μέλλον. Στη συνέχεια περιγράφονται τα διάφορα είδη των υβριδικών συστημάτων και γίνεται αναφορά για τη διεσπαρμένη παραγωγή και τα μικροδίκτυα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων, παρουσιάζονται οι I-V και P-V χαρακτηριστικές και στη συνέχεια ακολουθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωση στο PScad. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η λειτουργία των κυψελών καυσίμων και παρουσιάζονται τα διάφορα είδη κυψελών που υπάρχουν στις μέρες μας. Εν συνεχεία ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης PEM FC καθώς αυτό το είδος των κυψελών καυσίμου χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Τέλος, κατασκευάζεται το μοντέλο της PEM FC και ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή του μοντέλου. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στους dc/dc μετατροπείς ανύψωσης τάσης και στις περιοχές λειτουργίας τους. Εν συνεχεία γίνεται διαστασολόγηση του ανυψωτή τάσης και παρουσιάζεται το σύστημα ελέγχου του. Επίσης μελετάται η λειτουργία του ανυψωτή ως ανιχνευτή του σημείου μέγιστης ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και γίνεται προσομοίωση των κυψελών και της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τους dc/dc μετατροπείς που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 5 ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας των μονοφασικών και τριφασικών αντιστροφέων DC/AC και παρουσιάζεται αναλυτικά η στρατηγική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Τέλος, γίνεται υπολογισμός των τιμών του φίλτρου που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα και στη συνέχεια προσομοιώνεται και μελετάται το μοντέλο του αντιστροφέα που χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η πλήρη προσομοίωση του συστήματος. Περιγράφονται επίσης και τα μοντέλα του φορτίου, του Μ/Σ, του δικτύου και της μηχανής παραγωγής σφαλμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται και περιγράφονται τα αποτελέσματα των μελετών που πραγματοποιούνται στο σύστημα (απόκριση συστήματος σε κανονικές συνθήκες, απόκριση συστήματος για μεταβολή της ηλιοφάνειας, μελέτη συστήματος στη μεταβολή του φορτίου, προσομοίωση συστήματος για σφάλματα στη γραμμή). / The current diploma thesis presents the study and simulation of a hybrid system, which consists of a Photovoltaic Array (PV) and a Fuel Cell stack (FC), which supports a microgrid. The critical load that the system supports is 30kW and 15kVar. For the system modelling the program of designing and simulation of electric systems PSCAD is used. 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 the following: - Behavior of the system in variations in solar insolation. - System’s response to variations of the load. - Fault analysis (single line to ground and three-phase line to ground short circuit). In Chapter 1 there is a description of renewable energy sources, their development and prospects in the future. Afterwards, the different kinds of hybrid systems are mentioned and there is a reference in distributed generation and microgrids. In Chapter 2 the function of photovoltaic cells and different kinds of photovoltaic technologies are described. Furthermore, I-V and P-V characteristic are presented and then follows an analytical description of the photovoltaic model that we use in our simulation in PScad. In Chapter 3 , the function of the Fuel Cells is described and the different kinds of fuel cells are presented. Afterwards, there is an analytical description of the proton exchange membrane fuel cells (PEM FC) as we use this kind of FC in our system. Finally, the PEM FC model is constructed and an analytical description of the model is made. The Chapter 4 entails information for the dc/dc boost converters and their operating modes. Subsequently the control system of the dc/dc boost converter is presented. Finally, the utilization of the boost converter as a maximum power point tracker is examined and the simulation of the FV and PV with the boost converter is presented. In Chapter 5 there is a description of the function of the single-phase and three-phase dc/ac inverters and the technique of the pulse-width modulation (PWM) is presented. Finally, the value of the output filter of the inverter is calculated and then the model of the dc/ac inverter, which we use in our system, is simulated. In Chapter 6 there is a simulation of the whole system. Furthermore, the models of the load, the transformer and the fault generator are described. Finally, the results of the simulations for which the system was tested is presented (system response to normal conditions, system response to changes in the insolation, System’s response to variations of the load, system response to grid faults).