Energy harvesting is becoming increasingly important in low-power applications where energy from the environment is used to power the system alone, or to supplement a battery. For example, pulse oximeter sensors inside helmets of road racing cyclists are powered by the sun. These sensors have become smaller and more practical without the limitation of a finite energy supply. Harvested energy from an energy transducer (solar, piezoelectric, etc.) must be maximized to ensure these devices can survive periods where environmental energy is scarce. The conversion process from the transducer to usable power for the device is not perfectly efficient. Specifically, the output voltage of a solar cell is a function of the light intensity, and by extension the load it powers. A small perturbation of the light source quickly diminishes the available power. The wasted power reduces the energy available for the application, and can be improved using an approach called maximum power point tracking (MPPT). This technique maximizes harvesting efficiency by dynamically impedance matching the transducer to its load. This report introduces the Maximum Efficient Solar Harvester (MESH), an MPPT algorithm tuned for a specific Wireless Sensor Network (WSN) application. MESH specifically controls the operation of the DC-DC converter in a solar power management unit (PMU). The control is done by monitoring the available light and feeding that information to choose the optimal operating point DC-DC converter. This operating point has a direct dependency on the overall efficiency of the system. For MESH to be practical, the cost and power overhead of adding this functionality must be assessed. Empirical results indicate that MESH improves the maximum efficiency of the popular Texas Instruments (TI) RF2500-SEH WSN platform by an average of 20%, which far exceeds the power overhead it incurs. The cost is also found to be minimal, as WSN platforms already include a large portion of the hardware required to implement MESH. The report was done in collaboration with Shahil Rais. It covers the hardware components and the bench automation environment; Rais's companion report focuses on software implementation and MESH architecture definition. / text

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και κατασκευή ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, το οποίο περιλαμβάνει αντλία. Ταυτόχρονα διενεργείται μελέτη ώστε το σύστημα να λειτουργεί στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η οδήγηση αντλίας χαμηλής ισχύος από φωτοβολταϊκό σύστημα, αξιοποιώντας όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά την διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία. Για να συμβεί αυτό παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο στοιχείων μετατροπέας συνεχούς τάσης. Παράλληλα υλοποιείται κύκλωμα ελέγχου, ικανό να οδηγήσει το σύστημα στο μέγιστο σημείο ισχύος μέσω μεταβολής του λόγου κατάτμησης του μετατροπέα. Αρχικά αναλύεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Σαν αποτέλεσμα αυτής της ανάλυσης προκύπτει το ηλεκτρικό ισοδύναμο ενός φωτοβολταϊκού πίνακα, ο οποίος αποτελεί την πηγή ισχύος του συστήματος. Αναπτύσσεται το αντίστοιχο μοντέλο σε προγραμματιστικό περιβάλλον, το οποίο προσαρμόζεται ώστε τα χαρακτηριστικά του να αναπαριστούν πραγματικό πίνακα. Στη συνέχεια διερευνάται ο τρόπος που αλληλεπιδρά η πηγή ισχύος όταν συνδέεται σε φορτίο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα επιλέγεται το είδος του μετατροπέα που θα χρησιμοποιηθεί. Ακολουθεί η διαστασιολόγηση του μετατροπέα και η μοντελοποίηση του. Το επόμενο βήμα αποτελείται από την ανάλυση του κυκλώματος ελέγχου του συστήματος καθώς και τη μοντελοποίηση μηχανής συνεχούς ρεύματος συνδεδεμένη ως αντλία. Κατόπιν συνδέονται όλα τα μοντέλα και εξετάζεται η συνολική συμπεριφορά του συστήματος σε περιβάλλον SIMULINK. Τέλος κατασκευάζονται ο μετατροπέας και το κύκλωμα ελέγχου και αξιολογείται η συμπεριφορά τους βάσει πειράματος σε εργαστηριακές συνθήκες. / --

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, ανάλυση και προσομοίωση ενός τυπικού μικροδικτύου με δυνατότητα σύνδεσης στο δίκτυο χαμηλής τάσης το οποίο είναι εγκατεστημένο στο Κτήριο Βαρέων Ηλεκτρολόγων του Πανεπιστημίου Πατρών. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή ενός εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μονοκατοικίας, με απώτερο στόχο την εξαγωγή συμπερασμάτων από την σύνδεση του με το εν λόγω μικροδίκτυο. 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 μελέτη ενός μικροδικτύου, το οποίο συγκροτείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ονομαστικής ισχύος 1920W, τρεις αντιστροφείς συνδεδεμένου συστήματος, που πραγματοποιούν την αντιστροφή της παραγόμενης από τα φωτοβολταϊκά συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, ένα μετατροπέα αυτόνομου συστήματος, ο οποίος αναλαμβάνει την δημιουργία και τον συνεχή έλεγχο του αυτόνομου συστήματος και τους συσσωρευτές οι οποίοι αξιοποιούνται για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας από τις πηγές παραγωγής ενέργειας του συστήματος. Ακόμα, σκοπός της εργασίας αποτελεί η κατασκευή ενός εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μιας μέσης κατοικίας, ώστε μελλοντικά, με πειράματα πάνω σε αυτή τη διάταξη, να διαστασιολογηθεί ένα μικροδίκτυο το οποίο θα επαρκεί για τη σταθερή, συνεχόμενη και αξιόπιστη κάλυψη της απαιτούμενης ενέργειας μιας μέσης κατοικίας. Αρχικά, παρατίθενται τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι συμβατικές πηγές ενέργειας, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα καθώς και οι λύσεις που μπορούν να προσφέρουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σχετικά με το ενεργειακό πρόβλημα που έχει παρουσιαστεί τις τελευταίες δεκαετίες. Κατόπιν δίνεται ο ορισμός των μικροδικτύων, αναλύονται τα δομικά μέρη από τα οποία αποτελούνται και μελετούνται οι αρχές λειτουργίας τους. Εξετάστηκαν οι μονάδες παραγωγής ενέργειας, με έμφαση στα φωτοβολταϊκά, τις μονάδες αποθήκευσης ενέργειας καθώς και τις μονάδες που έχουν πολύ σημαντικό ρόλο σε ένα μικροδίκτυο: τους μετατροπείς ισχύος. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται όλες οι εμπλεκόμενες μονάδες του μικροδικτύου που είναι εγκατεστημένο στο εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενεργείας, καθώς και μια σειρά πειραμάτων που διεξήχθησαν. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση τόσο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, όσο και της μεθόδου μέγιστης απομάστευσης ισχύος που χρησιμοποιήθηκε καθώς και του συνολικού συστήματος. Τέλος, αναλύεται η διαδικασία υλοποίησης του εξομοιωτή φορτίου, ο οποίος εξομοιώνει ποικίλες οικιακές συσκευές που ελέγχονται από έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή και παρατίθενται παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / The current thesis deals with the study of the operation, as well as the construction of a typical microgrid. Furthermore, the thesis deals with the construction of a resistive-inductive load that emulates the energy consumption of a household. This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The outer purpose of this study is the construction a resistive-inductive load that simulates the energy consumption of a household. The device uses a programmable logic controller (PLC) in order to implement the necessary automation. The main subject of this current thesis was the programming of the PLC and the emulation of the daily operation of electrical devices of a household. Once completed, it will be possible to connect this load emulator to a microgrid so as to optimize its performance and study its operational behavior. This whole thesis was fulfilled through continuous cooperation with colleagues Mpilianos Sotirios and Paraskevas Pavlos. Initially, the energy problem is presented, a fact that naturally leads to the finding of new energy sources. In addition, the advantages and disadvantages of renewable energy sources are discussed as well as the current state regarding their utilization. Afterwards, the definition and the common components of a microgrid are presented through theoretical analysis of all the related units (energy production, conversion and storage units). Moreover, every installed unit of an existing microgrid in the laboratory is mentioned and analyzed. Aiming to study its operation, evaluate its capabilities and estimate its present state, measurements with varying loads are cited. . The profile and size of a typical energy consumption of a household are presented. Given that, the final choice of the emulation method in laboratory environment was made, using appropriate passive elements (resistors, inductors). Finally, the energy consumption of the load emulator is presented, as it was recorded through the connection to the utility grid, and certain conclusions concerning its operation are made.

This thesis aims to develop proposals and models for a modular electronics construction to a future D250S Dual battery charger. The aim also includes investigation of possibilities to use some of Texas Instruments C2000 microprocessors. The reason for this is that CTEK SWEDEN AB wants to renew the present D250S Dual battery charger and lower the manufacturing costs. The thesis work has involved gathering theoretical facts for the development of a design on the modular electronic construction, the choice on which microprocessor to use, the choice of electronic components and facts about peripheral equipment to the D250S Dual. With the theoretical there has been developed different solutions to the proposed hardware and software solutions with comparisons in aspects of positive and negative. The thesis work is only a feasibility study to a future D250S Dual. The development of a future D250S Dual needs more work to make it possible to do a proof of concept.

Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες παρουσιάζουν μια μη γραμμική χαρακτηριστική V-I και ένα σημείο λειτουργίας μέγιστης ισχύος (MPP) τα οποία ποικίλλουν ανάλογα με την ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Αυτή η εργασία παρουσιάζει έναν MPP-tracker βασισμένο στην ασαφή λογική και ένα σχέδιο ενός μονοφασικού inverter συνδεδεμένου στο ηλεκτρικό δίκτυο. Ο ασαφής ελεγκτής (FLC) παρέχει προσαρμοστικότητα στη επίδοση του συστήματος. Λαμβάνει υπόψη του το τρέχον φορτίο, τη θερμοκρασία, την ακτινοβολία, τον άνεμο καθώς και τις πιθανές σκιάσεις που καλύπτουν τα πλαίσια. Παρέχει επίσης άριστα χαρακτηριστικά όπως γρήγορη απόκριση, καλή επίδοση και την δυνατότητα να αλλάζουν οι παράμετροί του προκειμένου να βελτιώνεται ο έλεγχος του συστήματος. Το γεγονός ότι λαμβάνει υπόψη του τις εξωτερικές συνθήκες εξασφαλίζει καλύτερη γνώση της πραγματικής επίδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος και όχι της βέλτιστης επίδοσης που αυτό έχει στις πρότυπες συνθήκες (STC). Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος. / The photovoltaic generators show a non-linear characteristic VI and one maximum power point (MPP) which vary depending on insolation and temperature. This project presents a MPP tracker, based on fuzzy logic, and a plan of an one-phased grid connected inverter. Fuzzy logic controller provides adaptivity at the system’s performance. It takes into consideration current load, temperature, insolation, wind and possible shades covering the panels. It also provides excellent characteristics such as quick response, great performance and the capacity of changing the system parameters in order to improve the system control. The fact that it takes into consideration the external conditions (in vivo as opposed to in vitro-laboratorial conditions) ensures better knowledge of the actual performance of the photovoltaic systems and not the optimum performance the system can score in standard test conditions (STC). The results of this simulation have confirmed the effectiveness of the proposed system.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του ανυψωτή τάσης 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 της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Η πρώτη βαθμίδα αποτελεί αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ενώ η δεύτερη υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Γ. Πυρρή. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του ανυψωτή τάσης. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη μεθόδων ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος και η προσομοίωση του συστήματος. Τέλος αναλύουμε τη διαδικασία υλοποίησης του ανυψωτή τάσης και παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / The current thesis deals with the study of a module of a wind generator 1kW with a synchronous permanent magnet machine and a diode rectifier in its output and its interconnection to the low voltage AC grid. Furthermore the thesis deals with the construction of the boost converter that is connected to this topology. This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The outer purpose of this study is the construction of a two-stage topology for the interconnection of the wind genereator to the low voltage grid. The topology consist of a first stage that boosts the voltage of the wind generator while a maximum power point tracking algorithm (MPPT) is executed and of a second stage that converts the direct voltage to alternative (inverter) and maintains the voltage of the link capacitor that is between the two stages with control of the active power that is injected to the grid, while producing current that has the same phase as the voltage grid (unitary power coefficient). The first stage is object of the current thesis, while the second was constructed in the thesis of workmate G.Pyrris. Initially, are represented the advandages and disadvantages of the utilization of the renewable energy sources and especially the wind energy, while different technologies for interpolation of wind generators to the low, medium and high voltage grid are represented and compared in order to give to the reader a global idea of the subject. Consequently a theoretical analysis of all the related modules is cited. Special reference was given to the analysis of the boost converter. Next step was the dimensioning of the whole system, the study of maximum power point tracking methods and the simulation of the system. Finally, the procedure of the boost converter’s construction is elaborated and pulse waves and measurements that were extracted during the experiments that were conducted in laboratory environment are represented .

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.

Este trabalho apresenta um conversor CC - CC baseado em Capacitores Chaveados de 6 fases e tempos intercalados com o objetivo de coletar energia fotovoltaica projetado em tecnologia CMOS de 130 nm para ser usado em aplicações em Internet das Coisas e Nós Sensores. Ele rastreia o máximo ponto de entrega de energia de um painel fotovoltaico policristalino de 3 cm x 3 cm através de modulação da frequência de chaveamento com o objetivo de carregar baterias. A razão da tensão de circuito aberto foi a estratégia de rastreio escolhida. O conversor foi projetado em uma tecnologia CMOS de 130 nm e alcança uma eficiência de 90 % para potencias de entrada maiores do que 30 mW e pode operar com tensões que vão de 1.25 até 1.8 V, resultando em saídas que vão de 2.5 até 3.6, respectivamente. Os circuitos periféricos também incluem uma proteção contra sobre tensão na saída de 3.6 V e circuitos para controle, que consomem um total máximo de potência estática de 850 A em 3.3 V de alimentação. O layout completo ocupa uma área de 300 x 700 m2 de silício. Os únicos componentes não integrados são 6x100 nF capacitores.

abstract: A Multi-input single inductor dual-output Boost based architecture for Multi-junction PV energy harvesting source is presented. The system works in Discontinuous Conduction Mode to achieve the independent input regulation for multi-junction PV source. A dual-output path is implemented to regulate the output at 3V as well as store the extra energy at light load condition. The dual-loop based sliding-mode MPPT for multi-junction PV is proposed to speed up the system response time for prompt irradiation change as well as maximize MPPT efficiency. The whole system achieves peak efficiency of 83% and MPPT efficiency of 95%. The whole system is designed, simulated in Cadence and implemented in PCB platform. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2017

No description available.