Recent research into industrial applications of electric power conversion shows an increase in the use of renewable energy sources and an increase in the need for electric power by the loads. The Medium-Voltage DC (MVDC) concept can be an optimal solution. On the other hand, the Modular Multilevel Converter (MMC) is an attractive converter topology choice, as it has advantages such as excellent harmonic performance, distributed energy storage, and near ideal current and voltage scalability. The fault response, on the other hand, is a big challenge for the MVDC distribution systems and the traditional MMCs with the Half-Bridge submodule configuration, especially when a DC short circuit fault happens. In this study, the fault current behavior is analyzed. An alternative submodule topology and a fault operation control are explored to achieve the fault current limiting capability of the converter. A three-phase SiC-based MMC prototype with the Full-Bridge configuration is designed and built. The SiC devices can be readily adopted to take advantage of the wide-bandgap devices in MVDC applications. The Full-Bridge configuration provides additional control and energy storage capabilities. The full in-depth design, controls, and testing of the MMC prototype are presented, including among others: component selection, control algorithms, control hardware implementation, pre-charge and discharge circuits, and protection scheme. Systematical tests are conducted to verify the function of the converter. The fault current behavior and the performance of the proposed control are verified by both simulation and experiment. Fast fault current clearing and fault ride-through capability are achieved. / Master of Science

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνώνται οι προδιαγραφές για την εγκατάσταση και τη διασύνδεση με το δίκτυο διανομής ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Ο όρος «οικιακό» αναφέρεται σε φωτοβολταϊκά συστήματα μικρής ισχύος, έως 10 kWp, τα οποία τοποθετούνται πάνω σε κτίρια ή ενσωματώνονται σε αυτά ενώ παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο μέσω της ίδιας παροχής του κτιρίου. Τα οικιακά φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα ώστε να αποτελέσουν πόλο έλξης για τους μελλοντικούς παραγωγούς όπως θερμική μόνωση, ηχομόνωση, ηλιο-προστασία, δεν απαιτούν επιπλέον χώρο για την εγκατάσταση τους, συνεισφέρουν στην κάλυψη του φορτίου αιχμής, δε περιλαμβάνουν κινητά μέρη, προσφέρουν έναν ελκυστικό σχεδιασμό κτιρίου και αντικαθιστούν συμβατικά κατασκευαστικά υλικά. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια θεωρητική ανασκόπηση της φύσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή του ηλιακού κυττάρου, των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των αρχών λειτουργίας τους, καθώς και παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και οι παράγοντες που τα επηρεάζουν. Εν συνεχεία, στο τρίτο κεφάλαιο μπορούμε να δούμε τα κριτήρια με τα οποία επιλέγεται ο τόπος και ο τρόπος εγκατάστασης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, και παρουσιάζονται οι αρχές σχεδιασμού του συστήματος ξεκινώντας από την επιλογή του αντιστροφέα μέχρι τα μέσα προστασίας και την καλωδίωση. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι απαιτήσεις που πρέπει να τηρούνται ώστε να καθίσταται εφικτή η διασύνδεση με το δίκτυο ΧΤ μιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζονται τα κριτήρια τήρησης των ανωτέρω απαιτήσεων, όπως η επάρκεια του δικτύου, η διαμόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης, οι μεταβολές της τάσης, το φαινόμενο flicker, η έγχυση αρμονικών, η νησιδοποίηση και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. Εν τέλει, στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για την μελέτη των παραπάνω προδιαγραφών σε δύο διατάξεις που εξομοιώθηκαν με το πρόγραμμα PSCAD. Η μια διάταξη περιλαμβάνει μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ισχύος 9.6 kWp, έναν μετατροπέα υποβιβασμού τάσης ο οποίος κάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος, έναν τριφασικό αντιστροφέα με παλμοδότηση SPWM, το φίλτρο LC για τη μείωση του αρμονικού περιεχομένου, έναν μετασχηματιστή απομόνωσης και ανύψωσης τάσης 150V/400V, το δίκτυο ΧΤ και το οικιακό φορτίο. Η δεύτερη διάταξη διαφοροποιείται από την πρώτη στο ότι δεν περιλαμβάνει μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, έτσι ο αντιστροφέας αναλαμβάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος. Αρχικά παρουσιάζεται η απόκριση των συστημάτων σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας και μέση φόρτιση, ενώ εξετάζεται και η επίδραση των τιμών των ελεγκτών στην απόκριση τους. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη αρμονικών και η διερεύνηση της επίδρασης της ακτινοβολίας στους συντελεστές ολικής αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος και τάσης, και στο συντελεστή ισχύος. Έπειτα εξετάζεται η απόκριση των συστημάτων σε απότομες μεταβολές της ακτινοβολίας και του φορτίου. Τέλος διερευνώνται οι διακυμάνσεις της τάσης που εμφανίζονται σε οριακές καταστάσεις λειτουργίας του φωτοβολταϊκού και φόρτισης του δικτύου ενώ εξετάζονται και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. / The aim of the present thesis is the study of the installation and grid-interconnection requirements and specifications of a domestic photovoltaic system. The term “domestic” refers to low power photovoltaic systems (up to 10 kWp), installed or integrated into buildings while providing electric power to the grid through the buildings main power connection. Domestic photovoltaic systems have a number of advantages, such as thermal / sound insulation, solar protection, they do not require extra space in order to be installed, they can contribute in the case of high power demand, they do not require any moving parts, they can prove attractive in terms of building design and even eventually substitute conventional building materials. These advantages are bound to put them in the center of electric power producers’ attention in the immediate future. In the first chapter a theoretic overview of the nature of solar radiation is presented. In the second chapter, photovoltaic cells and panels as well as their function and electrical properties are briefly analyzed. In the third chapter, the criteria of the photovoltaic system’s installation location and method – from the selection of a proper inverter to the system’s electrical protection equipment and wiring. In the fourth chapter the requirements that must be met in order to establish a connection with the power distribution grid are being presented. The relevant criteria such as: a) power grid adequacy, b) proper design and configuration of the grid connection protection equipment, c) voltage variations, d) flickering, e) voltage/current harmonics, f) islanding, and g) effects on 175Hz remote-operation systems are being studied. Finally, in the fifth chapter, PSCAD-realized simulations with two configurations are presented. The first configuration consists of a 9.6kWp photovoltaic array, a dc-to-dc buck converter which implements a maximum-power-point-tracking algorithm, a SPWM-pulsed three-phase inverter, a LC harmonic filter, an isolating 150V/400Vvoltage transformer, the low-voltage grid and a domestic electric load. The second configuration does not include a buck converter and thus, the maximum-power-point-tracking algorithm is implemented on the inverter. The systems’ response in normal operating conditions and with a medium load as well as the effect of different controller gains in the aforementioned response are initially presented. Afterwards, the system’s voltage/current harmonics and the effect of solar radiation in the Total Harmonic Distortion and Power factors are being studied. In continuation the system’s response in rapid change of solar irradiance / electrical load is presented. Finally, voltage variations which appear in boundary operating conditions of the grid and photovoltaic system, as well as the impact on 175Hz remote-operation systems are studied.

L'énergie éolienne jouant un rôle de plus en plus important dans le réseau électrique, elle ne peut plus être considérée comme une source d'énergie marginale. Par conséquent, l'impact sur le réseau de l'intermittence, inhérente à ce type d'énergie devient non négligeable. L'utilisation du stockage est une des principales solutions à ce problème d'intégration. Ce travail porte sur l'optimisation du système éolien/stockage en considérant la dynamique de l'éolien, la capacité de stockage et l'interaction avec le réseau. L'objectif consiste à répondre aux exigences du réseau en limitant les fluctuations, à fournir des services-systèmes tout en mettant en avant la rentabilité économique du système. La méthode de gestion proposée s'appuie sur deux niveaux de pilotage : l'anticipation et la gestion réactive. La première phase consiste à utiliser des informations de prévisions (météorologiques, contraintes du réseau, conditions du marché électrique...) afin de définir par avance le programme de fonctionnement optimal du système de stockage. La deuxième phase étudie le fonctionnement en temps réel, où le système doit faire face aux perturbations et respecter les règles du mécanisme d'ajustement. Le problème est complexe avec de nombreuses variables de contrôle discrètes et continues. La Programmation Mixte Linéaire (PML) est utilisée pour résoudre efficacement le problème. La stratégie de fonctionnement optimale proposée sera validée sur un simulateur hors temps réel et un simulateur en temps réel. / Wind energy playing an increasingly important role in the electrical network and it will no longer be considered as a marginal. Therefore, the impact on the electrical grid of its inherent intermittency becomes non-negligible. The use of storage means is one of key points in the integration problem. In this work, the optimization of the wind/storage system is addressed by considering the dynamics of the wind power, the storage capacity and the grid constraints. The main objective is to meet the grids requirements in limiting the fluctuations, providing possible ancillary services and highlighting the economic profitability of system. The proposed method relies on a two levels control approach: anticipation and reactive management. The first one consists in using forecast information (weather, grid constraints, electrical market conditions …) to define in advance the optimal operation schedule for the storage system. In the second one, on real time operation, the system has to deal with possible disturbances and take the right adjustment control with the actual capacity. The problem is complex with numerous discrete control variables and continuous ones. A mixed-integer linear programming (MILP) is used to efficiently solve the problem. The proposed optimal operation strategy will be validated with on an offline simulation (simulink/Matlab) and a real time simulator.

This works applies the idea of adjustment an engine-generator, so it is possible to connect an engine-generator, or other type of a generator, to the electricity. Consequently, the machine can transform the power supply without an outage. This work concerns the complex approach, provides the descriptions of particular parts, sensors and active components of a motor-generator and includes the explanation of their function. Further research is focused on designing and drawing a plan with a choice of a control unit for the whole system. Finally, the work deals with the complex implementation and testing the machine in real operation.

Ice rinks are the largest energy consumers in terms of public buildings due to their simultaneous need of cooling, heating, ventilation, and lighting for different parts of the building which means that these facilities also have a lot of potential for energy saving. Due to the size of the cooling unit in an ice rink the refrigerant charge can become quite high, which potentially has a big impact on the environment. CO2 refrigeration units could cover all these challenges that are linked to ice rink operation. CO2 as a refrigerant has a very low impact on the environment and at the same time it could provide enough energy to cover the heating demands of an ice rink. CO2-based systems should operate in trans-critical mode which affects the performance of the refrigeration system, but by using the released heat that otherwise would be rejected to the ambience the total energy consumption becomes lower. The process of heat recovery is therefore vital for an efficient system. The refrigeration unit can produce enough energy to cover all the heating demands of an ice rink, but only when the heat recovery is controlled properly. The energy recovery method is very important, but it should also be tailored in order to cover all demands. This is because all the subsystems, i.e. demands, have different temperature and load requirements. The energy could be recovered in one or two stages from the refrigeration system. However, hardware is not enough in order to achieve proper operation, the system should also operate in the best conditions (discharge pressure and subcooling) in order to be efficient. The more proper operation, the less energy consumption.  This energy recovery method could also be used as subcooling in climates where the ambient temperature is very high, making CO2 a very efficient solution. Regular refrigerants are still often used in warm countries despite their high environmental impact. A refrigeration system using natural refrigerants and more specific CO2 does not have constraints, however. The only limitation is the wrong operation. / Isrinkar är de största energikonsumenterna när det gäller offentliga byggnader på grund av deras ständiga behov av nedkylning, uppvärmning, ventilation och belysning. Detta innebär också att anläggningarna har en stor potential att effektivisera sin energibesparing. Isrinkar konsumerar stora mängder kylmedel på grund av deras storlekar, vilket potentiellt har en stor negativ inverkan på miljön. CO2 kylenheter skulle kunna klara av alla dessa utmaningar som är kopplade till isrinkens drift. Att använda CO2 som en kylarvätska har en ytterst liten inverkan på miljön och kan dessutom bidra med tillräckligt mycket energi för att täcka uppvärmningsbehovet för en isrink. CO2 baserade system bör köras i ett transkritiskt läge vilket påverkar kylsystemets prestanda, men genom att återanvända den utsläppta värmen som annars skulle gå förlorad till omgivningen så blir den totala energiförbrukningen lägre. Värmeåtervinningsprocessen  är därför avgörande för ett effektivt energisystem. Kylaggregatet kan producera tillräckligt med energi för att täcka alla värmebehov för en isrink, men endast när värmeåtervinningen behärskas ordentligt. Energiåtervinningsmetoden är också väldigt viktig, men den bör skräddarsys för att täcka alla krav. Detta beror på att alla delsystem, dvs krav, har olika temperatur- och belastningskrav. Energin kan återvinnas i ett eller två stadier från kylsystemet. Tyvärr så räcker dock inte hårdvaran till för att uppnå en önskad drift, men systemet bör även fungera under de bästa förutsättningarna (utloppstryck och underkylning) för att vara effektiv. Ju bättre drift, desto mindre är energiförbrukningen. Denna energiåtervinningsmetod kan också användas som underkylning i varma klimat vilket gör CO2 till en mycket effektiv lösning. Vanliga typer av kylmedel används fortfarande ofta i varma länder trots att deras negativa miljöpåverkan. Ett kylsystem med ett naturligt kylmedel som till exempel koldioxid har emellertid inga begränsningar. Den enda begränsningen är den felaktiga hanteringen av driften.