Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι να εξεταστεί η ποιότητα ισχύος ενός μονοφασικού φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Αρχικά αναλύονται οι βασικές μονάδες από τις οποίες αποτελείται το φωτοβολταϊκό σύστημα και στη συνέχεια ακολουθεί ο σχεδιασμός και η εξομοίωσή του χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή σχετικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την ανάγκη χρησιμοποίησης τους και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα, σε σχέση με τις υπόλοιπες πηγές που υπάρχουν διαθέσιμες σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ηλιακή ακτινοβολία. Δίνονται στοιχεία για τον ήλιο και το ηλιακό δυναμικό της χώρας μας, ενώ στη συνέχεια εξηγούνται κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Παρουσιάζεται αρχικά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, ενώ στη συνέχεια γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των ηλιακών κυττάρων, καθώς και της ομαδοποίησης αυτών που οδηγεί στη δημιουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων και κατ’ επέκταση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι αντιστροφείς, οι οποίοι συνδέουν τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με το δίκτυο. Αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας τους και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους, δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στην ημιτονοειδή διαμόρφωση πλάτους παλμών που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η μελέτη και ο σχεδιασμός του φωτοβολταϊκού συστήματος. Καθορίζονται τα μεγέθη και τα χαρακτηριστικά των κυριότερων στοιχείων από τα οποία αποτελείται, ενώ γίνεται αναφορά και στις απαιτήσεις, όσον αφορά την ποιότητα ισχύος, για την σύνδεση με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται όλη η διαδικασία εξομοίωσης του φωτοβολταϊκού συστήματος, χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink. Αφού γίνει μία εισαγωγή στο λογισμικό, αναλύεται ο τρόπος δημιουργίας κάθε μέρους από το οποίο αποτελείται το φωτοβολταϊκό σύστημα, δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο το τελικό ολοκληρωμένο μοντέλο εξομοίωσης. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η εξομοίωση και παρουσιάζονται τα αποτελέσματά της. Σε κάθε στάδιο της εξομοίωσης γίνεται μεταβολή κάποιων σημαντικών παραμέτρων του συστήματος, όπως η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, ο DC πυκνωτής, το φίλτρο εξόδου, το φορτίο και το μήκος της γραμμή διανομής, ενώ παρουσιάζονται και τα αποτελέσματα των μεταβολών αυτών, όσον αφορά την ποιότητα ισχύος. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια συμπεράσματα και παρατηρήσεις, με βάση τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. / The purpose of this thesis is to examine the power quality of single-phase grid-connected photovoltaic system. At first, the basic units of which it is consisted are analysed and then, the whole photovoltaic system is designed and simulated using the software MATLAB/Simulink. The first chapter contains an introduction to renewable energy sources, the reason why they are necessary and the advantages of the photovoltaic systems, in comparison to the other renewable energy sources that are available nowadays. The second chapter deals with solar energy. It is referred to the sun and the high solar potential of Greece, while some typical parameters of solar radiation are explained. The third chapter contains an analysis of a photovoltaic generator. The photovoltaic effect is described, while there is also a detailed description of solar cells and how they are grouped in order to form the photovoltaic panel. The fourth chapter focuses on the inverters, which connect the photovoltaic generator to the grid. It includes an analysis of the way they work and their functional parameters, giving more importance to the sine-wave pulse width modulation (PWM), which was mainly implemented on this thesis. The fifth chapter constitutes the study and design of the photovoltaic system. The values and the parameters of the main parts of which it consists are determined. In addition, the necessary requirements of power quality that should be met, in order to establish a grid connection, are mentioned. The sixth chapter describes the simulation procedure of the photovoltaic system, using the software MATLAB/Simulink. It contains an introduction to the software and an analytical description of the way each part of the photovoltaic system was created, in order to form the complete simulation model. The seventh chapter contains the simulation and its results. The simulation includes various stages, on which critical parameters of the photovoltaic system, such as the solar radiation, the DC capacitor, the output filter, the load and the length of distribution line are changed, in order to see how these changes affect the power quality. The eighth chapter includes some comments and conclusions, regarding the results of the simulation.

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την προσομοίωση και την κατασκευή ενός αντιστροφέα για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης της εξόδου ενός φωτοβολταϊκού σε εναλλασσόμενη τάση, ενεργού τιμής και συχνότητας ίδιας με αυτή του δικτύου χαμηλής τάσης. Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας είναι ένας νέος τύπος μετατροπέα που συνδυάζει στοιχεία διάφορων ήδη υπάρχοντων μετατροπέων, όπως του μετατροπέα Boost-Flyback με ένα διακοπτικό στοιχείο και του αντιστροφέα Flyback. Η ιδέα είναι να ανυψώσουμε την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού μέσω του μετατροπέα Boost ανύψωσης τάσης και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί η αντιστροφή της και η περαιτέρω ανύψωσή της μέσω του Flyback. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Από την αναλυτική διερεύνηση της λειτουργίας των δύο μετατροπέων επιλέχθηκε η κατάσταση στην οποία θα λειτουργεί ο αντιστροφέας Boost-Flyback. Προσαρμόζοντας τις ήδη γνωστές εξισώσεις στην περίπτωσή μας εξήχθησαν οι εξισώσεις του αντιστροφέα Boost- Flyback. Με βάση τις εξισώσεις αυτές επιλέχθησαν οι τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιήσαμε αρχικά στις προσομοιώσεις και στη συνέχεια στην κατασκευή της διάταξης. Οι προσομοιώσεις, που έγιναν με το πρόγραμμα PSpice αλλά και η συνολική λειτουργία του προτεινόμενου αντιστροφέα επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη. / -

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 αφορά κυρίως τη μελέτη των Αυτόνομων Φωτοβολταϊκών συστημάτων καθώς και τη μεθοδολογία σχεδιασμού τους. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή στη φωτοβολταϊκή τεχνολογία και παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης της. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται λόγος για τα ηλιακά κύτταρα, για τον τρόπο λειτουργίας τους (φωτοβολταϊκό φαινόμενο), για τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και τις παραμέτρους που τα επηρεάζουν. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στις ομαδοποιήσεις των ηλιακών κυττάρων και κυρίως στις συστοιχίες. Παρουσιάζονται τα προβλήματα που δημιουργούνται λόγω της σκίασης και της ανομοιομορφίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ηλιακών κυττάρων και είναι το φαινόμενο των Απωλειών Προσαρμογής και των Τοπικών Υπερθερμάνσεων (φαινόμενο hot-spot). Κατόπιν, παρουσιάζονται οι λύσεις για την αντιμετώπιση των παραπάνω φαινομένων που είναι η χρήση των διόδων παράκαμψης και αντεπιστροφής. Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής αναφορά στους τύπους των συσσωρευτών, τη λειτουργία τους, καθώς και στα προβλήματα που αυτοί αντιμετωπίζουν κατά τη διάρκεια της ζωής τους (θειίκωση, στρωματοποίηση, γήρανση). Επιπλέον, παρουσιάζεται η χρήση των συσσωρευτών σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο, αναπτύσσεται η μεθοδολογία σχεδιασμού ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, που συνίσταται στον υπολογισμό τριών χαρακτηριστικών μεγεθών του, δηλαδή της γωνίας κλίσης β της συστοιχίας, της επιφάνειας Α αυτής και της χωρητικότητας των συσσωρευτών C. Έχοντας ως δεδομένα τις απαιτήσεις του φορτίου και τις τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια με τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, εκλέγεται ο κατάλληλος συνδυασμός των παραπάνω μεγεθών β, Α, C ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του συστήματος. / This thesis mainly concerns the study of autonomous photovoltaic systems and their design methodology. Initially, an introduction to solar technology is curried out and the advantages and disadvantages of its use are presented. The second chapter talks about solar cells, how they work (photovoltaic effect), their electrical characteristics and the parameters that affect them. The third chapter refers to groupings of solar cells and to arrays in particular. It discusses the problems created by shading and variations in the electrical characteristics of solar cells, which are the phenomenon of mismatch losses and local overheating (hot-spot phenomenon). Then, solutions are presented to address these problems, that is the use of by-pass and blocking diodes. The fourth chapter is a detailed report on the types of batteries, their operation as well as the problems they face during their life (sulfation, stratification and aging). Furthermore, we present the use of batteries in photovoltaic systems. The last chapter develops the methodology of designing a stand-alone photovoltaic system, which consists in measuring magnitudes of three characteristics, namely the angle of the array β, its surface A and the battery capacity C. Having the load requirements and the values of solar radiation on a horizontal surface as the data by using a computer, the appropriate combination of the above sizes β, A, C is chosen to meet the system requirements.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας σε εγκατεστημένο σε περιοχή της Κύπρου φωτοβολταϊκό πάρκο και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας του, μέσω της εξομοίωσης του με το λογισμικό EMTP-ATP, λαμβάνοντας υπόψη και το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις πηγές ενέργειας και στις συνέπειες που αυτές επιφέρουν στο περιβάλλον. Ακολούθως, γίνεται περιγραφή των ήπιων μορφών ενέργειας και παρουσιάζονται τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Το 2ο κεφάλαιο παρουσιάζει την βασική δομή των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Αρχικά αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης των φωτοβολταϊκών έναντι των υπολοίπων μορφών ενέργειας. Έπειτα, γίνεται η περιγραφή των φωτοβολταϊκών κυττάρων όσον αφορά την αρχή λειτουργίας που στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το ισοδύναμο κύκλωμα του οποίου η ανάλυση ξεκινά με την εξίσωση της διόδου n-p επαφής και την I-V χαρακτηριστική τους. Στη συνέχεια αναλύονται λεπτομερώς οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες, οι μονάδες μετατροπής ισχύος και οι συσσορευτές που αποτελούν τη δομή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Κλείνοντας παρουσιάζονται οι λόγοι που τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρίζουν αντικεραυνικής προστασίας. Εν συνεχεία, στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μέθοδοι προστασίας κατασκευών από τα πλήγματα κεραυνού. Περιγράφεται το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού και αναφέρονται τυπικές τιμές όσον αφορά τα πλήγματα ανά έτος. Η μελέτη αντικεραυνικής προστασίας που αναλύεται στη συνέχεια, περιέχει την αποτίμηση κινδύνου από κεραυνικό πλήγμα και την περιγραφή της στάθμης προστασίας. Αναφέρονται οι μέθοδοι υπολογισμού της συχνότητας άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή μέσω της εύρεσης της μέσης ετήσιας πυκνότητας πλήγματος κεραυνού στο έδαφος και της ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας. Έτσι, περιγράφεται πλήρως η διαδικασία επιλογής του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Το κεφάλαιο συνεχίζει με την σχεδίαση του συστήματος που αποτελείται από την εξωτερική και την εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας. Την εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας αποτελούν ουσιαστικά το συλλεκτήριο σύστημα το οποίο επιλέγεται με τη βοήθεια των μεθόδων της γωνίας προστασίας, της κυλιόμενης σφαίρας ή των βρόχων, οι αγωγοί καθόδου που πρέπει να πληρούν τους κανονισμούς που αναφαίρονται σε αυτούς και το σύστημα γείωσης του οποίου τα είδη και ο τρόπος επιλογής αναλύονται λεπτομερώς. Η εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας επιτυγχάνεται με τις ισοδυναμικές συνδέσεις, την σωστή δρομολόγιση των καλωδίων, την μαγνητική θωράκιση και τις διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων στο εσωτερικό της κατασκευής. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφεται το υπό μελέτη φωτοβολταϊκό πάρκο και υπολογίζονται οι απαραίτητες διαστάσεις για τις ανάγκες της μελέτης αντικεραυνικής προστασίας. Με τις μέθοδους που αναπτύχθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, επιλέγεται κατάλληλη στάθμη προστασίας και ξεκινά η σχεδίαση. Αρχικά, πραγματοποιείται εξωτερική και εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας του κτιρίου ελέγχου. Παρουσιάζονται οι διαστάσεις και διατομές καθώς και ο τρόπος τοποθέτησης του συλλεκτήριου συστήματος, των αγωγών καθόδου και των ηλεκτροδίων γείωσης και στη συνέχεια οι διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων στην ac πλευρά του φωτοβολταϊκού συστήματος. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη της συστοιχίας φωτοβολταϊκών και αφού επιλεγεί η στάθμη προστασίας σχεδιάζονται οι αγωγοί καθόδου και το πλέγμα γείωσης. Παρουσιάζονται οι διαστάσεις, διατομές και το ύψος του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και το κεφάλαιο κλείνει με την εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας στην dc πλευρά του συστήματος. Στο 5ο και τελευταίο κεφάλαιο, γίνεται η επιλογή του μοντέλου πλέγματος γείωσης και πραγματοποιείται εξομοίωση. Αναφέρεται η πορεία της τελικής μορφής των σχέσεων και του ισοδύναμου κυκλώματος της κυκλωματικής προσέγγισης ξεκινώντας από το 1980 μέχρι σήμερα και παρουσιάζονται τα βασικά πλεονεκτήματα της έναντι των υπόλοιπων μέθοδων. Με τη βοήθεια των σχέσεων υπολογίζονται όλες οι παράμετροι και περιγράφεται η κυματομορφή του ρεύματος κεραυνού όπως επιβάλλεται από τους κανονισμούς. Ακολούθως, γίνεται η εισαγωγή τους στο πρόγραμμα εξομοίωσης και παρουσιάζονται οι γραφικές και τα αποτελέσματα πάνω σε αυτές. Τέλος, εξάγονται τα συμπεράσματα όσον αφορά τις τάσεις που αναπτύσσονται στους προς μελέτη κόμβους και πως επηρέασαν σε αυτό οι παράμετροι των σχέσεων που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Παράρτημα Α, στο τέλος της εργασίας, παρουσιάζεται η διαδικασία της προσομοίωσης με το λογισμικό EMTP-ATP. Γίνεται παρουσίαση του τρόπου εισαγωγής των στοιχείων και της κυματομορφής του ρεύματος κεραυνού στο πρόγραμμα για την κατασκευή του ισοδύναμου κυκλώματος. Επεξηγείται ο τρόπος επιλογής των εξόδων της προσομοίωσης καθώς επίσης και οι παράμετροι που χρειάζονται για να τρέξει το πρόγραμμα. Στο τέλος, περιγράφεται ο τρόπος εξαγωγής των γραφημάτων στα σημεία του κυκλώματος που ενδιαφέρουν. / The subject of this thesis is to install lightning protection installed in the area of Cyprus photovoltaic park and to study the transient behavior of grounding grid photovoltaic array through the assimilation of the EMTP-ATP software taking into account the phenomenon of ionization soil. The first chapter is referring to the sources of energy and their consequences to the environment. Subsequently, a description is given of renewable energy and a presentation of their key characteristics. The second chapter presents the basic structure of photovoltaic systems. Firstly, the advantages of the use of photovoltaic over other forms of energy are mentioned. Then, a description is given of photovoltaic cells regarding its operating principle which is based on the photovoltaic effect, the equivalent circuit of which the analysis starts with the equation n-p diode contact and the IV characteristic. Later on , the paper analyzes in detail the solar arrays, power conversion units and accumulator which form the structure of a photovoltaic system. At the end, reasons are presented that photovoltaic systems are built so as to be protected from lightning. Then, the third chapter presents the construction methods of protection from lightning strikes. The natural phenomenon of lightning is described and the typical values for the attacks per year are reported. The study of lightning protection which is analyzed later includes the assessment of risk from lightning strike and the description of the level of protection. Reference is given to the methods for calculating the frequency of direct lightning strikes a structure by finding the average annual density of lightning hitting the ground and the equivalent collector surface. Therefore, the selection process on lightning protection is fully described. The chapter continues with the design of the system consisting of external and internal lightning protection installation. External lightning protection installation is essentially comprise of the collector system that is selected using the methods of protection angle, the rolling ball or loop, the conductor which must meet the regulations regarding them and of the grounding system of the species and the method of selection are analyzed in detail. The internal installation of lightning protection is achieved by equivalent connections, the right itinerary cables, magnetic shielding and protections against overvoltage inside the structure. Within the fourth section is been describe the solar farm under study and the necessary dimensions are been calculated for the needs of the study of lightning protection. With the methods developed in the previous chapter, the appropriate level of protection is selected and the design begins. Initially, an external and internal lightning protection installation of building control is accomplished. The dimensions and profiles are presented while how to load the interceptor system, of the conductors and grounding electrodes, and later on the protections against overvoltage on ac side of the photovoltaic system. Then the paper presents the study of solar array and having selected the levels of protection ,conductors are designed and the grounding grid. The dimensions, cross sections and the height of the lightning protection system are mentioned and lastly the chapter mentions the internal installation of lightning protection in the dc side of the system. In the fifth and final chapter, the selection of grounding grid model and simulation is carried out. It is mentioning the course of the final shape of relations and the equivalent circuit of the circuit approach, which starts from 1980 until today while the key advantages over other methods are mentioned as well. By means of the relations, all the parameters are calculated and the lightning current waveform is described as required by the regulations. Next, there are inducted in the program of simulation and graphics and effects regarding them are presented. Finally, drawing conclusions on trends in developed nodes for study and how this affected the relations of parameters used. In Appendix A, at the end of the study, the process of simulation is presented with the software EMTP-ATP. There is an explanation of how the input data and lightning current waveform in the program for the construction of the equivalent circuit. It is been explained how to choose the cost of simulation as well as the parameters needed to run the program. In the end, it is been described how to export the graph points in the circuit of interest.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής είναι η αντικεραυνική προστασία σε κατασκευές που περιέχουν φωτοβολταϊκές διατάξεις και η λήψη κατάλληλων μέτρων προστασίας ώστε το πλήγμα ενός κεραυνού να μην προκαλέσει ανθρώπινες ή οικονομικές και υλικές απώλειες. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε μια εφαρμογή υπολογισμού του κινδύνου μιας κατασκευής. Το περιβάλλον του προγράμματος είναι κατανοητό από τον χρήστη και απαλλαγμένο όσο κατέστη δυνατό από ανάγκη εισαγωγής αριθμητικών παραμέτρων που αφορούν σε τεχνικά χαρακτηριστικά. Το πρόγραμμα δίνει την δυνατότητα επιλογής στον χρήστη γενικών αλλά και ειδικών χαρακτηριστικών της κατασκευής και του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και εκτελεί πράξεις για τον υπολογισμό του κινδύνου με αντιστοίχιση των χαρακτηριστικών αυτών με αριθμητικές τιμές σύμφωνα με το πρότυπο IEC 62305. Το πρώτο μέρος αποτελείται από μια απαραίτητη θεωρητική μελέτη και ορισμένες γενικές πληροφορίες για το φαινόμενο του κεραυνού. Στο δεύτερο μέρος αναλύονται τα χαρακτηριστικά και οι προδιαγραφές που οφείλει να καλύπτει ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας σύμφωνα με το πρότυπο IEC 62305-2 του οργανισμού IEC. Γίνεται ανάλυση όλων των παραγόντων που συντελούν στον υπολογισμό του κινδύνου , το πώς τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας επηρεάζουν τους παράγοντες αυτούς καθώς και μια βήμα προς βήμα μέθοδος για τον υπολογισμό του κινδύνου. Με την ολοκλήρωση της μελέτης και την ανάλυση αυτή δίνονται τα αποτελέσματα περί επάρκειας ή μη του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας . Σε περίπτωση αρνητικού πορίσματος ο εξοικειωμένος με το πρότυπο IEC 62305 χρήστης καλείται να μεταβάλει παραμέτρους του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και να προσθέσει νέα μέτρα προστασίας για την μείωση του κινδύνου σε ανεκτά επίπεδα. Για την λήψη μέτρων προστασίας προσφέρεται κατάλληλος αλγόριθμος ώστε να υπάρχει αποτελεσματική εφαρμογή τους και ικανοποιητική μείωση του κινδύνου. Το τρίτο μέρος περιλαμβάνει μια αναλυτική παρουσίαση του προγράμματος με οδηγίες χρήσης και εξήγηση των βασικών λειτουργιών του. Στο μέρος αυτό ο χρήστης μπορεί να βρει αναλυτικές πληροφορίες για κάθε μεταβαλλόμενη παράμετρο που υπάρχει στις σελίδες εισαγωγής στοιχείων. Αφού ολοκληρωθεί η παρουσίαση του προγράμματος και όλων των σελίδων που αυτό περιέχει ακολουθεί ένα αναλυτικό παράδειγμα χρήσης του και σύγκριση των αποτελεσμάτων του με μια θεωρητική μελέτη για μια ρεαλιστική κατασκευή που περιέχει διατάξεις φωτοβολταϊκών στην οροφή. / The subject of this project is the protection against lightning in constructions that contain photovoltaic systems and also taking the necessary ways of protection, in order for the blow of lightning not to cause human or economical and material losses. Within this project ,an application which calculates the danger of one construction ,in an environment has developed. The environment of the program is understandable of its user and free as far as possible of need for introduction of arithmetical parameters that concern technical characteristics. The program gives the user the opportunity to choose among general and specific characteristics of the construction and the lightning protection system and also performs calculations in order to calculate the danger by matching these characteristics with arithmetical prices according to the standard IEC 62305. The first part is consisted of a necessary theoretical study and some general information about the lightning phenomenon. In the second part, the characteristics and the standards that a lightning protection system should cover according to the standard IEC 62305-2 of the organization IEC, are being analyzed. There is an analysis of all the factors that are contracting to the calculation of danger , about how the technical characteristics of a lightning system affect those factors and also , one step by step method in order to calculate danger. With the completion of the study and this analysis , the results about the adequacy or not of the lightning system . In the situation of a negative result , the familiar with the standard IEC 62305 user ,has the opportunity to change the lightning system’s parameters and to add new protection measures in order to decrease the danger in tolerable levels. When it comes to take protection measures, the most suitable algorithm is being offered in order to attain an effective application of them and a satisfying decrease of danger. The third part ,contains a detailed feature of the program with use instructions and explanation of its basic operations. In this part, the user can find detailed information about each and every one changing parameter that exists in the pages that data have been introduced. When the feature of the program and all of its contained pages will come to the end , then it comes a detailed example of its use and comparison of its results by one theoretical study referring to a realistic construction that contains photovoltaic systems in its roof.

Το ενεργειακό πρόβλημα, καθώς και οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου που βρίσκεται σε έξαρση στις μέρες μας είναι από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη και κάνουν αναγκαία και επιβεβλημένη τη μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων και την προσπάθεια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατόν πιο οικονομικό, αλλά και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε το μετατροπέα που συνδέεται στην πλευρά του δικτύου και παρουσιάζουμε αναλυτικά τις βασικές τοπολογίες που εφαρμόζονται σε αιολικά και σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Η διάταξη που εξετάζουμε αποτελείται από έναν μετατροπέα ac/dc, ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μέσω πυκνωτή (dc-link) και ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Σκοπός, λοιπόν, αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε τη διάταξη αυτή στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου, εξετάζοντας δυο διαφορετικές περιπτώσεις: στην πρώτη περίπτωση διατηρούμε σταθερή σε μηδενική τιμή την αναφορά αέργου ισχύος ενώ στη δεύτερη διατηρούμε σταθερή την ενεργό ισχύ. Τέλος, προσομοιώνουμε το σύστημα αυτό στο περιβάλλον Simulink του Matlab και για τις δύο παραπάνω περιπτώσεις και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα, προκειμένου να αναδειχθεί η σωστή λειτουργία της διάταξης αυτής. / The energy problem and the consequences of the greenhouse effect that is on the rise nowadays are two of the most important global problems and make necessary and imperative the reduce of the use of fossil fuels and the effort to produce electricity in a more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind and solar power have a great role in this objective. In this thesis we consider the converter connected to the grid side and present in detail the basic topologies applied in wind and photovoltaic systems. The system under consideration consists of an ac/dc converter, an energy storage system via capacitor (dc-link) and an R-L filter on the grid side. Aim of this thesis is to study this system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and apply the appropriate control methodology, considering two different cases: in the first case we keep the reactive power reference steady and equal to zero while in the second case we keep the active power steady. Finally, we simulate this system with the Matlab Simulink for both cases and then we present simulations of the responses and draw conclusions in order to demonstrate the correct operation of this system.

Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια πρακτικής εργασίας σε εταιρία εγκατάστασης αυτόνομων και διασυνδεμένων φωτοβολταϊκών και αιολικών συστημάτων παραγωγής ισχύος την περίοδο 1 Απριλιου-31 Ιουλιου 2012. Αποτελεί μία πραγματική τεχνική μελέτη ενός οικιακου φωτοβολταϊκού συστηματος ηλεκτρικής ενέργειας διασυνδεμένου στο δίκτυο, ισχύος 10 kWp,αφού πρώτα παρουσιάζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για την διεξαγωγή της μελέτης της εγκαταστάσεως. / This research is part of practical work in an installer autonomous and interconnected photovoltaic and wind power systems for the period 1 April-31 July 2012. It is a real technical study of a residential solar power system interconnected to the grid, power 10 kWp, after first presents the theoretical background necessary for the conduct of the study of plant.

Η παρούσα διπλωματική αφορά την δυναμική ανάλυση ενός μικροδικτύου και των στοιχείων που το αποτελούν. Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση ενός υβριδικού μικροδικτύου, με φωτοβολταϊκή μονάδα και συσσωρευτή, καθώς και ηλεκτρονικούς μετατροπείς. Η μοντελοποίηση μεταφέρεται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή με την βοήθεια του λογισμικού ‘Simulink’, για την εξαγωγή και μελέτη των αποτελεσμάτων και των γραφικών παραστάσεων. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη κατανεμημένη παραγωγή. Αναφέρεται ο ορισμός της, μερικά ιστορικά στοιχεία και οι λόγοι που οδηγούν στην ραγδαία ανάπτυξή της. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα χαρακτηριστικά του μικροδικτύου. Η θέση εγκατάστασης, η διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο και οι επιπτώσεις του σε αυτό. Επίσης, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μικροδικτύων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας σε ένα μικροδίκτυο, δίνοντας περισσότερη έμφαση στα φωτοβολταϊκά, που θα χρησιμοποιηθούν και στο μικροδίκτυο που θα μοντελοποιηθεί. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται οι μονάδες αποθήκευσης που χρησιμοποιούνται σε ένα μικροδίκτυο, δίνοντας περισσότερη έμφαση στους συσσωρευτές(μπαταρίες). Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ενός μικροδικτύου και μερικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας τους. Περισσότερη έμφαση δίνεται στους DC/DC μετατροπείς. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η μοντελοποίηση ενός υβριδικού μικροδικτύου με κύρια πηγή μια φωτοβολταϊκή διάταξη και δευτερεύουσα μια μπαταρία ιόντων λιθίου. Χρησιμοποιούνται ακόμα δύο ηλεκτρονικοί μετατροπείς συνεχούς. Η 6 μαθηματική ανάλυση έγινε με τις εξισώσεις Euler-Lagrange. Για τον έλεγχο χρησιμοποιήθηκαν δύο PI ελεγκτές. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του μικροδικτύου με το λογισμικό ‘Simulink’ και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της λειτουργίας μαζί με τον σχολιασμό τους. / This thesis concerns the dynamic analysis of a microgrid and its constituent elements. It presents the modeling of a hybrid microgrid with battery and PV module, as well as electronic converters. The modeling is transferred to PC with the help of 'Simulink' software, to extract and study the results and the graphs of the different variables. The first chapter is an introduction to distributed generation. It presents the definition, some historical facts and the reasons leading to its rapid development. The second chapter analyzes the characteristics of the microgrid, such as the installation, the connection to the main grid and the impact on it. They are, also, presented the advantages and disadvantages of microgrids. In the third chapter are presented the various energy generation technologies in a microgrid, with an extended reference on photovoltaics, which will be used in the microgrid modeled in this thesis. In the fourth chapter are presented the storage units used in a microgrid, emphasizing on the batteries. The fifth chapter concerns the electronic converters used in a microgrid and some features of their operation. The DC/DC converters are studied in depth. The sixth chapter consists of the modeling of a hybrid microgrid using a photovoltaic array as primary source and a lithium-ion battery as a secondary one. In addition, two DC/DC converters are used. The mathematical analysis was done with the equations Euler-Lagrange. Also, two PI controllers are used. 7 Finally, in the seventh chapter, the simulation of the microgrid is performed with the software 'Simulink' and the results are presented alongside with commentary.

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.