Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, το διεθνές ενδιαφέρον για την φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας αυξάνει συνεχώς. Έχει δοθεί ιδιαίτερη σημασία στην ανάπτυξη φωτοβολταϊκών συστημάτων για την σύνδεσή τους με το δίκτυο, έτσι ώστε να αξιοποιείται η ηλιακή ακτινοβολία για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη των φωτοβολταϊκών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και σκοπός αυτής είναι η κατασκευή ενός συστήματος μετατροπής συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη για τη διασύνδεση μιας πηγής συνεχούς τάσης με το μονοφασικό δίκτυο. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος διπλής βαθμίδας. Το πρώτο τμήμα είναι ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση υψηλότερης τιμής. Συγκεκριμένα, ο μετατροπέας αυτός ανυψώνει την τάση του φωτοβολταϊκού συστήματος του Εργαστηρίου στα 400V. Στη συνέχεια υπάρχει το δεύτερο τμήμα, αποτελούμενο από το σύστημα μετατροπής συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, το οποίο μετατρέπει την εισερχόμενη συνεχή τάση των 400V σε εναλλασσόμενη τάση συχνότητας 50 Hz και ενεργού τιμής 220V. Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.-Μηχ. Αθανασίου Σαφάκα. Αρχικά, αναλύεται η αρχή λειτουργίας των ηλιακών κυττάρων και περιγράφονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες τους. Έπειτα γίνεται αναφορά στα φωτοβολταϊκά συστήματα και τους τρόπους που μπορεί να χρησιμοποιηθούν, δηλαδή συνδεδεμένα με το δίκτυο ή αυτόνομα. Στη συνέχεια, αναφέρονται και αναλύονται διάφορες τεχνικές συγχρονισμού μετατροπέων με το μονοφασικό δίκτυο και τρόποι ρύθμισης της ενεργού και αέργου ισχύoς που παρέχεται από τις πηγές ενέργειας στο δίκτυο. Παρατίθενται στοιχεία του μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή και γίνεται η μελέτη του μονοφασικού αντιστροφέα που πρόκειται να κατασκευαστεί. Επιπρόσθετα γίνεται προσομοίωση του συστήματός στο λογισμικό MATLAB/Simulink. Συγκρίνεται η λειτουργία του αντιστροφέα με τη μέθοδο παλμοδότησης SPWM (Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών) με διπολική και μονοπολική τάση εξόδου και παρουσιάζονται αποτελέσματα της προσομοίωσης για παραλληλισμό του συστήματος με το δίκτυο και προσφορά ισχύος από πηγή συνεχούς τάσης προς το δίκτυο. Αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και ο τρόπος κατασκευής των απαραίτητων κυκλωμάτων για την οδήγηση του. Τέλος, παρατίθενται πειραματικά αποτελέσματα από τη λειτουργία του συστήματος. / During the last decades, the international interest in the photovoltaic conversion of solar radiation is increasing. Special attention has been given to the development of photovoltaic systems for their connection to the utility grid, in order to use solar radiation for electricity generation in the best possible way. In this diploma thesis, the photovoltaic power generation is studied and the purpose of this work is to construct a single phase grid connected dc/ac converter system in order to connect a dc voltage source to the grid. This system consists of a dual-stage electronic power converter. The first part is a dc-dc converter, which converts a source of direct current (dc) from one voltage level to another, with an output voltage greater than its input voltage. Specifically, the dc/dc converter increases the voltage of the photovoltaic system, which is installed on the laboratory, to 400V DC. The second part consists of a dc/ac inverter, which converts the incoming voltage of 400V DC to 220V AC at 50Hz. The work presented on this diploma thesis was carried out at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Emeritus Professor Dr.-Ing. Athanasios Safacas. Initially, the working principle of solar cells is analysed and its current technologies are described. Then, reference is given to the photovoltaic systems and their applications, i.e. stand-alone PV systems and grid-connected PV systems. Next, reference and analysis are given to the various grid synchronization techniques for single phase inverter systems and control methods to regulate the active and reactive power supplied from sources of energy into the grid. Data are presented about the dc/dc converter and the study of the single-phase inverter to be constructed. Additionally, the system is simulated with MATLAB/Simulink software and the simulation results of the specific system are presented. A comparison of the operation of the inverter is made using sinusoidal pulse width modulation technique (“SPWM”) with bipolar and unipolar output voltage and simulation results of the grid connected converter system are presented. The technical characteristics of the constructed inverter and the design of its necessary integrated circuits are analysed. Finally, experimental results from the operation of the grid connected dc/ac inverter are presented.

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 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 της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε και συγκρίνουμε τις 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 βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης της ανεμογεννήτριας, παραθέτουμε στοιχεία για τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος κατασκευάστηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Κ.Περάκη, καθώς και μελετούμε τον μονοφασικό αντιστροφέα. Επιπρόσθετα, μελετούμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM) τόσο με μονοπολική όσο και με διπολική τάση εξόδου. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα. 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 καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον / -

A pesquisa desenvolve o projeto e a implementaÃÃo de um microinversor monofÃsico de estÃgio Ãnico obtido da derivaÃÃo de quatro conversores flybacks CC-CC operando no modo descontÃnuo e associado em mÃdulos paralelos. Este arranjo reduz o volume dos magnÃticos, diminui os esforÃos de correntes nos primÃrios dos transformadores, bem como minimiza as oscilaÃÃes no mÃdulo fotovoltaico. Em meio as principais propriedades do microinversor flyback (MIF) desta pesquisa, as chaves dos primÃrios atuam com comutaÃÃo SPWM em alta frequÃncia e defasadas em cento e oitenta graus, enquanto as chaves dos secundÃrios sÃo comandadas por PWMâs complementares. Para validar a pesquisa serà desenvolvido um protÃtipo que efetuarà o processamento de energia interligando um painel fotovoltaico com 200 W de potÃncia, em cargas resistivas com caracterÃsticas senoidais. O sistema proposto està fundamentado na configuraÃÃo mÃdulo inversor integrado (MIC), que por sua vez, possui menores perdas nos semicondutores e elementos magnÃticos da topologia, quando comparado aos complexos sistemas fotovoltaicos centralizados. Dentre as aplicaÃÃes do microinversor flyback encontram-se: abastecimento de sistemas remotos, alimentaÃÃo de aparelhos eletroeletrÃnicos, pequenas estaÃÃes de bombeamentos de Ãgua, conexÃes a rede elÃtrica, entre outros. Apesar da baixa potÃncia, o microinversor apresenta caracterÃsticas elÃtricas essenciais a inserÃÃo na matriz energÃtica, tais como: isolaÃÃo entre a fonte e a carga, formas de ondas de tensÃes e correntes na saÃda com pequenas distorÃÃes e na frequÃncia da rede. Os resultados obtidos em laboratÃrio revelam que o microinversor flyback operando em malha aberta obtÃm rendimentos prÃximos a 90%, sendo entregue à carga cerca de 180 W. Sendo assim, a facilidade na construÃÃo, a utilizaÃÃo de poucos componentes e os resultados coletados experimentalmente habilitam o microinversor flyback a realizar a conversÃo CC-CA de sistemas fotovoltaicos de pequenas potÃncias conectados em cargas lineares monofÃsicas com caracterÃsticas senoidais ou interligados à rede elÃtrica. / The study proposes the design and implementation of a single phase inverter of single stage obtained the derivation of four flybacks converters CC - CC operating in discontinuous mode and associated in parallel modules. This arrangement reduces the amount of magnetic and decreases current efforts in primary transformers and minimizes fluctuations i n photovoltaic module. Among the main properties of micro inverter flyback (MIF) this research, the primary keys work with SPWM switching at high frequency and lagged in one hundred and eighty degrees, while the secondary keys are controlled by PWM's compl ementary. To validate the research, we will develop a prototype that will effect the processing power connecting a photovoltaic panel with 200W power in resistive loads with senoidais characteristics. The proposed system is based on the configuration of th e integrated module drive (MIC), which, in turn, has lower losses in the semi - conductors and magnetic elements of the topology, when compared to complex centralized photovoltaic systems. Among the applications of micro inverter flyback are: supply of remote systems, power electronics devices, small water pumping stations, connections to the grid, among others. Despite the low power, micro inverter has electrical characteristics essential for the insertion in the energy matrix, such as: insulation betwe en the source and the load, types of voltages and currents waves in output with little distortion and frequency of the network. The results obtained in the laboratory show that the micro inverter flyback operating in open loop gets yields close to 90% bein g delivered to the load about 180W. Thus, the ease of construction, the use of fewer components and results collected experimentally enable the micro inverter flyback to perform the CC - CA conversion of photovoltaic systems of small powers connected in sing le - phase linear loads with senoidais characteristics or interconnected to the electric grid

A voltage source inverter is commonly used to supply a variable frequency variable voltage to a three phase induction motor in a variable speed application. A suitable pulse width modulation (PWM) technique is employed to obtain the required output voltage in the line side of the inverter. Real-time methods for PWM generation can be broadly classified into triangle comparison based PWM (TCPWM) and space vector based PWM (SVPWM). In TCPWM methods such as sine-triangle PWM, three phase reference modulating signals are compared against a common triangular carrier to generate the PWM signals for the three phases. In SVPWM methods, a revolving reference voltage vector is provided as voltage reference instead of three phase modulating waves. The magnitude and frequency of the fundamental component in the line side are controlled by the magnitude and frequency, respectively, of the reference vector. The fundamental line side voltage is proportional to the reference magnitude during linear modulation. With sine-triangle PWM, the highest possible peak phase fundamental voltage is 0.5Vdc, where Vdc is the DC bus voltage, in the linear modulation zone. With techniques such as third harmonic injection PWM and space vector based PWM, the peak phase fundamental voltage can be as high as (formula) (i.e., 0:577Vdc)during linear modulation. To increase the line side voltage further, the operation of the VSI must be extended into the overmodulation region. The overmodulation region extends upto the six-step mode, which gives the highest possible ac voltage for a given (formula). In TCPWM based methods, increasing the reference magnitude beyond a certain level leads to pulse dropping, and gradually leads to six-step operation. However, in SVPWM methods, an overmodulation algorithm is required for controlling the line-side voltage during overmodulation and to achieve a smooth transition from PWM to six-step mode. Numerous overmodulation algorithms have been proposed in the literature for space vector modulated inverter. A well known algorithm among these divides the overmodulation zone into two zones, namely zone-I and zone-II. This is termed as the 'existing overmodulation algorithm' here. This algorithm is modified in the present work to reduce computational burden without much increase in the line current distortion. During overmodulation, the fundamental line side voltage and the reference magnitude are not proportional, which is undesirable from the control point of view. The present work ensures a linear relationship between the two. Apart from the fundamental component, the inverter output voltage mainly consists of harmonic components at high frequencies (around switching frequency and the integral multiples) during linear modulation. However, during overmodulation, low order harmonic components such as 5th, 7th, 11th, 13th etc., are also present in the output voltage. These low order harmonic voltages lead to low order harmonic currents in the motor. The sum of the lower order harmonic currents is termed as 'lower order current ripple'. The present thesis proposes a method for estimation of lower order current ripple in real-time. In closed loop current control, the motor current is fed back to the current controller. During overmodulation, the motor current contains low order harmonics, which appear in the current error fed to the controller. These harmonic currents are amplified by the current error amplifier deteriorating the performance of the drive. It is possible to filter the lower order harmonic currents before being fed back. However, filtering introduces delay in the current loop, and reduces the bandwidth even during linear modulation. In the present work, the estimated lower order current ripple is subtracted from the measured current before the latter is fed back to the controller. The estimation of lower order current ripple and the proposed current control are verified through simulation using MATLAB/SIMULINK and also experimentally on a laboratory prototype. The experimental setup comprises of a field programmable gate arrays (FPGA) based digital controller, an IGBT based inverter and a four-pole squirrel cage induction motor. (Pl refer the original document for formula)

Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί περιγράφει την διαδικασία που εφαρμόσθηκε ώστε να κατασταθεί δυνατή η τροφοδοσία ενός RL φορτίου με τάση σταθερή σε μέτρο και σε συχνότητα, από μια συστοιχία κυττάρων καυσίμου. Η πειραματική διάταξη, που κατασκευάσθηκε ώστε να πραγματοποιηθεί αυτός ο στόχος, εκτός από την πηγή (κύτταρο καυσίμου) και το φορτίο αποτελείται και από έναν ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης, έναν αντιστροφέα πηγής τάσης, έναν τριφασικό μετασχηματιστή, ένα φίλτρο LC, μια συσκευή επιλογής φορτίου και τέλος την ψηφιακή κάρτα με την οποία εκτελούνται οι απαραίτητοι έλεγχοι. Όταν αναφερόμαστε σε τεχνικές ελέγχου εννοούμε αρχικά τόσο την παραγωγή παλμών με την τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation-SPWM) για την τροφοδότηση του αντιστροφέα πηγής τάσης όσο και παλμών με την τεχνική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation – PWM) για τον έλεγχο του ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Οι παλμοί αυτοί παράγονται μέσω προγράμματος που αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα του Labview. Σε δεύτερο επίπεδο εφαρμόζεται με την βοήθεια της ψηφιακής κάρτας και του μοντέλου ο ασαφής έλεγχος που έχει ως σκοπό την σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο. Για να διαπιστώσουμε ότι έχουμε εξασφαλίσει απρόσκοπτη τροφοδοσία του τριφασικού φορτίου από την ενέργεια του κυττάρου καυσίμου με μια τάση με μειωμένο αρμονικό περιεχόμενο και σταθερό πλάτος και συχνότητα, πραγματοποιήσαμε βηματική αλλαγή της τιμής του φορτίου και αλλαγή της τάσης εξόδου του κυττάρου καυσίμου ώστε να διαπιστώσουμε αν όντως ο ασαφής έλεγχος αναλαμβάνει να επαναφέρει τις επιθυμητές τιμές της τάσης στο φορτίο. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1 επιχειρούμε μια σύντομη περιγραφή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που κυριαρχούν στον Ελλαδικό χώρο (ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική, γεωθερμική και ενέργεια από βιομάζα) ενώ αναφερόμαστε εκτενώς στην τεχνολογία των κυττάρων καυσίμου. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενής περιγραφή των συσκευών που αποτελούν το κύκλωμα ισχύος της πειραματικής διάταξης. Το κύκλωμα ισχύος αποτελείται αρχικά από το κύτταρο καυσίμου που αποτελεί την πηγή ενέργειας, τον ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης και τον αντιστροφέα πηγής τάσης. Σε δεύτερο επίπεδο υπάρχει το LC φίλτρο προς περιορισμό των αρμονικών και ο τριφασικός μετασχηματιστής που ανυψώνει το επίπεδο τάσης στο επιθυμητό επίπεδο. Τέλος, υπάρχει ο τριφασικός ζυγός στον οποίο συνδέεται το φορτίο που αποτελεί και την τερματική συσκευή της πειραματικής διάταξης. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια σύγκριση των διαθέσιμων ψηφιακών μεθόδων για την υλοποίηση των απαραίτητων ελέγχων ενώ έπειτα παρουσιάζονται θεωρητικά αυτοί οι έλεγχοι. Οι διαθέσιμες ψηφιακές μέθοδοι για την πραγματοποίηση των ελέγχων είναι ο μικροεπεξεργαστής ψηφιακού σήματος (Digital Signal Processor-DSP) και οι ψηφιακές κάρτες της εταιρίας Νational Ιnstruments οι οποίες και τελικά επιλέχθηκαν. Οι απαιτούμενοι έλεγχοι που πρέπει να εφαρμοσθούν στην πειραματική μας διάταξη είναι όπως ήδη αναφέραμε η παραγωγή παλμών με τις τεχνικές της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM) και διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) όπως και ο ασαφής έλεγχος. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται αναλυτικά όλες οι συσκευές της πειραματικής μας διάταξης με ιδιαίτερη αναφορά σε όσες κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο (όπως ο ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέας ανύψωσης τάσης ) ενώ γίνεται και επεξήγηση διάφορων πρακτικών προβλημάτων που ανέκυψαν κατά την χρησιμοποίηση τους (για παράδειγμα με τον τριφασικό μετασχηματιστή). Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η διαδικασία ανάπτυξης στην πλατφόρμα του Labview του προγράμματος που υλοποιεί τους απαιτούμενους ελέγχους. Πραγματοποιείται λοιπόν μια αναλυτική παρουσίαση όλων των εργαλείων και των ρυθμίσεων τους που μας επέτρεψαν να φθάσουμε στο επιθυμητό αποτέλεσμα. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και παραθέτουμε τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Πιο αναλυτικά υπάρχει παράθεση γραφημάτων και μετρήσεων για το σύνολο της πειραματικής διάταξης ενώ δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην ανάδειξη της λειτουργίας του ελέγχου και του τρόπου που επιδρά στην διάταξη μας. Τέλος, γίνεται μια καταγραφή πιθανών επεκτάσεων αυτής της διπλωματικής εργασίας. / The thesis that follows, describes the procedure which we followed in order to be able to supply a RL load with the power produced by a fuel cell. The load’s voltage should have constant value and frequency. The experimental configuration which was constructed to help us fulfill our goal further from the fuel cell and the RL load, includes a dc dc boost converter, a voltage source inverter, a 3phase transformer, a LC filter, a device that electronically chooses the value of the load and finally the digital card which executes all the necessary controls. When we talk about controls, we refer firstly to the production of SPWM pulses which are used in order to control the voltage source inverter and to the production of PWM pulses which are needed by the dc dc boost converter. These pulses are produced with the aid of a model developed with Labview. In addition, with the use of our digital card and the model which we developed, we are capable of applying the fuzzy logic to our experimental configuration in order to stabilize the load’s voltage. To be certain that we have ensured the smooth supply of the RL load with the power produced by the fuel cell and a voltage signal of constant value and frequency and low harmonic content, we made step changes to the load’s value and alterations to the fuel cell’s output, in order to assure that the fuzzy logic takes charge of the duty to restore the desired voltage signal to the load. The thesis is organized in the following way: In chapter 1 we make a brief description of the renewable energy sources which dominate Greece (solar, wind, hydroelectric, geothermal and biomass energy) and we present extensively the applications of fuel cells. In chapter 2 we describe on a great scale all the devices which consist the power circuit of the experimental configuration . So, the power circuit consists of the fuel cell, which is our energy source, the dc dc boost converter and the voltage source inverter. Furthermore, we have a LC filter in order to limit the total harmonic distortion and a 3 phase transformer which increase the voltage to the desired level. Finally, we have a 3 phase load which is the terminal device of the experimental configuration. In chapter 3 we compare the available digital methods for performing the desired controls and afterwards we present them theoretically. The available digital methods, in order to accomplish the controls, are the Digital Signal Processor (DSP) and the digital cards constructed by National Instruments (is our final choice). The required controls that must be performed include, as we have already mentioned, the SPWM and PWM pulses and of course the fuzzy control. In chapter 4 we present extensively all the devices of our experimental configuration with a special reference to all the devices which were constructed in our lab (like the dc dc boost converter). We make also special reference to some practical problems that we encountered when we used the previous devices (par example with the 3 phase transformer). In chapter 5 we present the procedure in order to develop the Labview model which contains all the necessary controls. Thus, we make a detailed presentation of all the tools and the settings which allowed to us to fulfill our goal. In chapter 6 we present all the experimental results and the conclusions we drew. More specifically, we present graphs and measurements for every part of the experimental configuration and we give special attention in order to give prominence to the fuzzy controller’s impact. Finally, some possible extensions of this thesis are underlined.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εργαστηριακή εξομοίωση της μηχανικής ροπής που εμφανίζεται στο δρομέα μιας πραγματικής ανεμογεννήτριας με τη μέθοδο της ταχείας προτυποποίησης. Η μέθοδος αυτή παρέχει τη δυνατότητα εξομοίωσης του προς μελέτη αντικειμένου, στην προκειμένη περίπτωση της ανεμογεννήτριας, χωρίς να είναι απαραίτητες οι δοκιμές σε πραγματικό εξοπλισμό, διευκολύνει τη μελέτη της ανεμογεννήτριας σε διάφορες συνθήκες και με διαφορετικές κάθε φορά παραμέτρους, χωρίς να είναι απαραίτητη η αναμονή προκειμένου ο άνεμος να είναι κατάλληλος ώστε να κάνουμε δοκιμές στο πραγματικό σύστημα και τέλος δίνει το πλεονέκτημα της αποφυγής βλαβών του πραγματικού εξοπλισμού. Απαραίτητα στοιχεία για να επιτευχθεί ο στόχος της εργασίας είναι μια πειραματική διάταξη, στην οποία θα πραγματοποιηθούν οι δοκιμές και οι μετρήσεις, καθώς επίσης κάποια ανεμολογικά δεδομένα σε συνδυασμό με τα χαρακτηριστικά της πραγματικής ανεμογεννήτριας της οποίας τη ροπή θα εξομοιώσουμε υπό κλίμακα. Η πειραματική διάταξη μπορεί να περιγραφεί συνοπτικά από το σχήμα της Εικ.1. Χρησιμοποιώντας τα ανεμολογικά δεδομένα υπολογίστηκε η ροπή στον δρομέα της πραγματικής ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου. Αυτή την ροπή την παρήγαμε υπό κλίμακα στο εργαστήριο, στον άξονα ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα, εφαρμόζοντας έλεγχο ροπής. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε περιλαμβάνει μια ασύγχρονη μηχανή, μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, ένα μονοφασικό ωμικό φορτίο, έναν τριφασικό αντιστροφέα πηγής τάσης και έναν μικροεπεξεργαστή με τον οποίο υλοποιείται η διαδικασία του ελέγχου. Ο έλεγχος της ασύγχρονης μηχανής γίνεται ρυθμίζοντας την τάση εξόδου του αντιστροφέα κατά πλάτος και συχνότητα, παλμοδοτώντας κατάλληλα τα διακοπτικά στοιχεία του. Το κύκλωμα παλμοδότησης υλοποιείται μέσω του μικροεπεξεργαστή, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM). Ανάλογα με την τιμή του σφάλματος της ροπής ρυθμίζονται κατάλληλα οι παράμετροι της παλμοδότησης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του ασαφούς ελέγχου (Fuzzy Control). Για τη μέτρηση της ροπής στον άξονα του ασύγχρονου κινητήρα, που αποτελεί το σήμα ανάδρασης του ελέγχου, χρησιμοποιήθηκε ένα ροπόμετρο. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η παραγωγή του κώδικα με τον οποίο γίνεται η εξομοίωση και ο έλεγχος. Αρχικά γίνεται μοντελοποίηση του κυκλώματος στο περιβάλλον Simulink και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα εργαλεία, ακολουθείται μια αυτόματη διαδικασία παραγωγής του κώδικα και εκτέλεσή του από τον μικροεπεξεργαστή (DSP). Η χρήση του μικροεπεξεργαστή προσέφερε επίσης αρκετά πλεονεκτήματα και διευκόλυνε την πειραματική διαδικασία. Χρησιμοποιώντας τον μικροεπεξεργαστή για τη διεξαγωγή του ελέγχου, αποφεύχθηκε η χρήση επιπλέον διατάξεων ελέγχου. Επίσης, οι περιφερειακές μονάδες του ήταν ιδιαίτερα χρήσιμες κατά τη δειγματοληψία των μεταβλητών ανάδρασης, κατά την παραγωγή των παλμών της SPWM αλλά και κατά την καταγραφή των δεδομένων. / The main objective of this thesis is the implementation of the mechanical torque that appears on the rotor of a real wind turbine, using the method of rapid prototyping. That method has many advantages. The main advantage is that the use of a real wind turbine was avoided and that minimized the cost of research. A second advantage is that it was not necessary to wait for convenient weather conditions in order to carry out the experiments. In addition, damages of equipment were avoided using the method of rapid prototyping In order to accomplice this objective it is necessary to have an experimental construction, which will be used for tests and measurements, as well as the use of wind speed data and the characteristics of a real wind turbine, which will be used to calculate in scale the real torque that appears on the rotor. The experimental construction is shown in Pic.2. The torque on the rotor of the real wind turbine was calculated as a function of wind speed. That torque was implemented in scale using torque control of an induction motor in the laboratory. The experimental construction includes an induction machine, a constant current machine, a single-phase resistive load, a three-phase voltage source inverter and a digital signal processor, which is used to accomplice the control procedure. The torque control of the induction machine is achieved by regulating the amplitude and the frequency of the output voltage of the inverter, using the appropriate pulses to drive the IGBTs. The microprocessor produces the pulses using the method of Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). The parameters of the pulses are proportional to the torque error and are appropriately calculated using the method of Fuzzy Control. A torque meter was used in order to measure the torque on the shaft of the induction motor, which was the feedback signal for the control procedure. The code generation is achieved using a microprocessor (DSP). Initially, a simulation model is made using the program Simulink and then, using the right tools, the code is generated and run using the microprocessor. Using the microprocessor had many advantages and made the experiment procedure easier. Initially, additional control devices were not necessary during the experiments. Also, the microprocessor peripherals were useful during the sampling of feedback signals, during the calculation of SPWM pulses and during data recording.

No description available.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ενός συστήματος διασύνδεσης μιας ανεμογεννήτριας ονομαστικής ισχύος 1kW με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπλέον, πραγματεύεται τη σχεδίαση, κατασκευή και έλεγχο ενός τριφασικού αντιστροφέα που αποτελεί την τελευταία βαθμίδα πριν τη σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. 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 διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης μέσω δύο βαθμίδων: ενός μετατροπέα ανύψωσης τάσης και ενός τριφασικού αντιστροφέα. Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης αποτελεί αντικείμενο μελέτης της διπλωματικής εργασίας του συνάδελφου Ιωάννη Γκαρτζώνη, ενώ στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται και σχεδιάζεται ο τριφασικός αντιστροφέας. Αμφότερες οι διατάξεις περιλαμβάνουν ελέγχους κλειστού βρόχου, μέσω των οποίων απομαστεύεται η μέγιστη ισχύς από την ανεμογεννήτρια (έλεγχος μετατροπέα ανύψωσης) και διατηρείται σταθερή η τάση μεταξύ των δύο βαθμίδων, παρέχοντας ενεργό ισχύ στο δίκτυο υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος (έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα). Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο η αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στους τύπους των ανεμογεννητριών, καθώς και στους τρόπους λειτουργίας τους ως προς τη διασύνδεση με το δίκτυο. Στη συνέχεια γίνεται θεωρητική ανάλυση για κάθε βαθμίδα του συνολικού συστήματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη λειτουργία του τριφασικού αντιστροφέα και στην τεχνική παλμοδότησής του που ονομάζεται Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM). Επίσης, εξάγονται σχέσεις βάσει των οποίων είναι δυνατό να παραμετροποιηθεί ο τριφασικός μετασχηματιστής με μεγάλη επαγωγή μαγνήτισης που έπεται του τριφασικού αντιστροφέα. Το επόμενο βήμα αποτελεί η προσομοίωση στο λογισμικό προσομοίωσης κυκλωμάτων Simulink του Matlab τόσο του τριφασικού αντιστροφέα σε ανοιχτό και σε κλειστό βρόχο, όσο και ολόκληρου του συστήματος διασύνδεσης. Ο κλειστός βρόχος αποτελεί ένα νέο και άμεσο έλεγχο της ισχύος που παρέχεται στο δίκτυο. Επιπρόσθετα, περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή όλων των κυκλωμάτων που απαιτούνται για τον τριφασικό αντιστροφέα, το φίλτρο και το μετασχηματιστή. Τέλος πραγματοποιούνται πειραματικές δοκιμές για να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία των βαθμίδων που κατασκευάστηκαν, να εντοπιστούν και δικαιολογηθούν τυχόν διαφορές μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και των μετρήσεων στην πραγματική διάταξη, καθώς και για να εκτιμηθεί η απόδοση του συστήματος. / The present diploma thesis deals with the interconnection of 1kW wind generator to the low voltage grid. A three phase inverter is the last stage of the interconnection system. The design, construction and control of the three phase inverter is studied. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Conversion Energy at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of Polytechnic School in the University of Patras, Greece. The purpose of this thesis is the connection of the wind generator with the low voltage grid through two stages: a boost converter and a three phase inverter. Both stages are closed loop controlled and in this way the maximum power of the wind generator is supplied (control of the boost converter) and the voltage between the two stages remains constant, providing active power to the grid with unity power factor (control of the three phase inverter). Initially, the advantages and disadvantages of the use of wind generator are presented and the way that the wind energy is converted to mechanical energy and finally to electrical energy is analyzed. Moreover, it is given a short reference in the types of the wind generators used for connection to the grid. In addition, every stage of the whole system is analyzed. Especially, the function of the three phase inverter and the Sinusoidal Pulse Width Modulation-sPWM are studied. The three phase transformer, that follows the three phase inverter stage, is parameterized through equations that are described in this work. The next step in this thesis is the simulation with Simulink of Matlab. The three phase inverter is simulated in open and closed loop as well as the whole connection system of the wind generator to the low voltage grid. The closed loop control is a new and direct control of active and reactive power that are supplied to the grid. Furthermore, it is described the design and construction of all the circuits for the three phase inverter, the filter and the transformer. Finally, experiments are conducted in order to confirm the proper function of the stages that are constructed, to find differences between theory and reality and to estimate the efficiency factor of the system.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.

Three-level diode-clamped inverter is being widely used these days. Extensive research has been carried out on pulse width modulation (PWM) strategies for a three-level inverter. The most widely used PWM strategies are sine-triangle pulse width modulation (SPWM) and centered space vector pulse width modulation (CSVPWM). The influence of these PWM strategies on the DC-link capacitor current and voltage ripple is studied in this thesis. The sizing of the DC capacitor depends on value of the maximum RMS current flowing through it. In this work, an analytical expression for capacitor RMS current is derived as a function of operating conditions like modulation index, power factor angle of the load and peak load current. The worst case current stress on the capacitor is evaluated using the analytical expression. The capacitor RMS current is found to be the same in SPWM and CSVPWM schemes. The analytical expression is validated through simulations and experiments on a 3kVA MOSFET based three-level inverter. Harmonic analysis of the capacitor current is helpful in better evaluation of capacitor power loss. Therefore, harmonic analysis of the capacitor current is carried out, using the techniques of geometric wall model and double Fourier integral for SPWM and CSVPWM schemes. The theoretical predictions are validated through experiments. The capacitor RMS current is divided into low-frequency RMS current (where low frequency component is defined as a component whose frequency is less than half the switching frequency) and high-frequency RMS current. The capacitor voltage ripple is estimated analytically for SPWM and CSVPWM schemes, using the low-frequency and high-frequency capacitor RMS current. The voltage ripples due to SPWM and CSVPWM schemes are compared. It is found that the voltage ripple with SPWM is higher than that with CSVPWM. A simplified method to estimate the capacitor power loss, without the requirement of FFT analysis of capacitor current, is proposed. The results from this simplified method agree reasonably well with the results from the detailed method. A space vector based modulation scheme is proposed, which reduces the capacitor RMS current at high power factor angles. However, the proposed method leads to higher total harmonic distortion (THD) than CSVPWM. Simulation and experimental results, comparing CSVPWM and the proposed PWM, are presented.