Many distributed energy resource (DER) systems are remotely located and are often interfaced at low or medium voltage levels through power electronics converters such as voltage-sourced converters (VSC). Therefore, a weak-grid situation is encountered where the voltage and frequency at the point of DER coupling can experience fluctuations. A power converter designed to operate in normal and strong grid conditions may not perform satisfactorily during such weak and distorted grid conditions. Hence, considering the full dynamics of the system during weak-grid conditions in the design of converter control is indispensable to ensure the stability of the DER and the grid. For instance, the phase-locked loop (PLL) has been identified as a critical component of the VSC controller that can compromise the DER performance during weak-grid conditions. This dissertation investigates and enhances the performances of inverters connected to weak and polluted grids. It primarily presents a novel approach of enhancing the inverter current controller by including the PLL state variables among the entire system state and use them to optimally generate the control input for the VSC. This mitigates the loop interactions between the PLL and other control loops resulting in a mitigation of the oscillations that could cause system instabilities. The procedure is accomplished using the recently developed linear model of the enhanced PLL (EPLL) for single-phase applications and using a model of the three-phase PLL developed in this dissertation. Extensive simulation and experimental results are presented to evaluate and validate the proposed control approaches. Full practical models of all system components are considered for simulation studies. The experimental tests are done on a practical inverter connected to the utility grid. Significant improvement of the inverter performance in weak-grid conditions is confirmed. This dissertation offers a systematic way of integrating and designing the PLL and controller in a VSC to achieve a robust performance in weak-grid conditions.

Η παρούσα διπλωματική ασχολείταιμε τις σύγχρονες μεθόδους που εφαρμόζονται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας για την βελτίωση των χαρακτηριστικών τους χρησιμοποιώντας αφενός τις τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων και αφετέρου την εγκατεστημένη θεωρία ελέγχου. Στο κεφάλαιο 1 επιχειρείται μια εισαγωγή στις έννοιες των συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) καθώς και στην αρχή λειτουργίας τους.Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην έννοια της ποιότητας ισχύος και στα προβλήματα που παρουσιάζονται στα ηλεκτρικά δίκτυα. Τέλος αναφέρονται τα προβλήματα εκείνα που με την πάροδο του χρόνου έκαναν επιτακτική την εισχώρηση της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος στο πεδίο τους και ιδιαίτερα στην κατεύθυνση της αντιστάθμισης αέργου ισχύοςπου αποτελεί ένα απο τα κυριότερα προβλήματα. Στο κεφάλαιο 2 συνεχίζουμε αναλύοντας τη μορφή που παίρνουν τα σύγχρονα ΣΗΕ μετά την είσοδο της τεχνολογίας των FACTS ξεκινώντας από τα θυρίστορ ,ηλεκτρονικούς διακόπτες ισχύος,που αποτελούν δομικά στοιχεία των νέων διατάξεων και επόμενα τις γενικότερες διατάξεις που χρησιμοποιούνται στα ΣΗΕ που συνδυάζουν τα νέα στοιχεία ακόμα και με τους μηχανικούς διακόπτες που ήταν ο προηγούμενος τρόπος ελέγχου των ΣΗΕ. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια πιο ενδελεχή αναφορά στα κυκλώματα τεχνολογίας ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιύνται ώστε να πάρουν μορφή οι προηγούμενες διατάξεις ,ξεκινώντας από τη βασική μονάδα του μετατροπέα ημιγέφυρας δομικό στοιχείο των DC/AC μετατροπέων.Ακόμα στο κεφάλαιο αυτό αναφερόμαστε στον έλεγχοτων διατάξεων ,αναλύοντας τα συστήματα αναφοράς και τις τεχνικές που υπάρχουν για να καταστεί δυνατή η οδήγησή τους. Στο κεφάλαιο 4 τα πράγματα γίνονται πιο συγκεκριμένα και αναφερόμαστε στο στατικό αντισταθμιστή (STATCOM).Παρουσιάζονται τα κυκλώματα ελέγχου που περιέχει έτσι ώστε να γίνεται δυνατός ο έλεγχος τάσης είτε διάφορες άλλες δυνατότητες που μπορεί να προσφέρει στο πλαίσιο της καλύτερης λειτουργίας των σύγχρονων ΣΗΕ.Επίσης αναπτύσσεται το μαθηματικό και δυναμικό μοντέλο με τις εξισώσεις στα βήματα του οποίου θα κινηθεί και η προσομοίωση του επόμενου κεφαλαίου. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας του στατικού αντισταθμιστή και παρουσιάζονται διάφορα διαγράμματα από τα επιμέρους κυκλώματα που αναδεικνύουν τη λειτουργία του.Κύριο αντικείμενο και εδώ αποτελεί η θεωρία ελέγχου και ιδιαίτερη μνεία γίνεται στην χρησιμοποίηση των PI ελεγκτών εκείνω οι οποίοι ρυθμίζουν παραμέτρους του συστήματος και μετουσιώνουν τη μετάβαση από τα παλαιότερα συστήματα που χρησιμοποιούνταν στα ΣΗΕ όπως ο έλεγχος με μηχανικούς διακόπτες. Στο κεφάλαιο 6 τέλος προχωράμε σε κάποιες ιδέες και προτάσεις για μελλοντική έρευνα ως αποτέλεσμα της ενασχόλησης με την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία. / In capter 1 there is an intoduction to the Electrical Power Systems terminology,as well as their function and principles.Next,the meaining of power quality is presented along with the problems that occur at the electrical main grids.More emphsis is given to the ones that gradually enforced the use power electronics for reactive power compensation. In chapter 2,an analysis is made about the form of the modern Electrical Power Systems after the development of the FACT technology,starting from thyristors ,electronic power switches,which are elementsof the new layout and continuing with other modern devices which combine these new elements even with the old mechanical switches. In chapter 3,the electronic power systems' circuits are examined more thorouglyin order to understand the layout of the aforementioned structures,starting from the elementary unit of the half bridge power converter.Moreover,the control of these structures is examined,analyzing the reference systems and the various techniques in order to drive them. Chapter 4, presents the static compensator (STATCOM) along with its control circuits.In addition, the mathematical and dynamic model is developed, forming equations where the simulation of the next chapter is based. In chapter 5,there is a simulation of STATCOM's function (in MATLAB software) and various diagrams are presented showing different variables during its operation.Main purpose of this section is the presentation of the control theory,highlighting the use of PI controllers which adjust the system's parameteres and realize the transition from the older structures used in Electrical Power Systems ,such us mechanical switching. In chapter 6,we present some ideas in terms of future survey as a result of our dealing with the certain thesis