In recent decades, climate change has become one of the most crucial challenges for humanity. Climate change has a direct correlation with global warming, caused mainly by the green house gas emissions (GHG). The Environmental Protection Agency in the U.S. (EPA) attributes carbon dioxide to account for approximately 82\% of the GHG emissions. Unfortunately, the energy sector is the main producer of carbon dioxide, with China and the U.S. as the highest emitters. Therefore, there is a strong (positive) correlation between energy production, global warming, and climate change. Stringent carbon emissions reduction targets have been established in order to reduce the impacts of GHG. Achieving these emissions reduction goals will require implementation of policies like as cap-and-trade and carbon taxes, together with transformation of the electricity grid into a smarter system with high green energy penetration. However, the consideration of policies solely in view of carbon emissions reduction may adversely impact other market outcomes such as electricity prices and consumption. In this dissertation, a two-layer mathematical-statistical framework is presented, that serves to develop carbon policies to reduce emissions level while minimizing the negative impacts on other market outcomes. The bottom layer of the two layer model comprises a bi-level optimization problem. The top layer comprises a statistical model and a Pareto analysis. Two related but different problems are studied under this methodology. The first problem looks into the design of cap-and-trade policies for deregulated electricity markets that satisfy the interest of different market constituents. Via the second problem, it is demonstrated how the framework can be used to obtain levels of carbon emissions reduction while minimizing the negative impact on electricity demand and maximizing green penetration from microgrids. In the aforementioned studies, forecasts for electricity prices and production cost are considered. This, this dissertation also presents anew forecast model that can be easily integrated in the two-layer framework. It is demonstrated in this dissertation that the proposed framework can be utilized by policy-makers, power companies, consumers, and market regulators in developing emissions policy decisions, bidding strategies, market regulations, and electricity dispatch strategies.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός μικροδικτύου, που αποτελείται από μία φωτοβολταϊκή και μία αιολική μονάδα που τροφοδοτούν ένα ωμικο-επαγωγικό φορτίο και είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης. Το φωτοβολταϊκό σύστημα περιλαμβάνει έναν αντιστροφέα και έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή που ανυψώνει την τάση και παράλληλα είναι ανιχνευτής του σημείου μέγιστης ισχύος, ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς του συστήματος. Το αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG) και ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη. Στις εξόδους των μετατροπέων χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα φίλτρα RL με στόχο την μείωση του αρμονικού περιεχομένου των τάσεων και των ρευμάτων εξόδου. Έγινε προσπάθεια να εφαρμοστεί μια στρατηγική ελέγχου, ώστε να ελεγχθούν κατάλληλα τα συστήματα με σκοπό την επίτευξη μέγιστης παραγωγής ισχύος. Τέλος, υλοποιήθηκε το παραπάνω σύστημα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και έγινε προσομοίωση για διάφορες μεταβολές στην ακτινοβολία, την ταχύτητα του ανέμου και το φορτίο. Σκοπός ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς της δεδομένης στρατηγικής ελέγχου που εφαρμόστηκε και η εξαγωγή συμπερασμάτων. Στο πρώτο κεφάλαιο ορίζεται η κατανεμημένη παραγωγή μέσω της διαφοροποίησής της από την κεντρικοποιημένη και παρουσιάζονται οι λόγοι της πρόσφατης επανεμφάνισής της. Επίσης, αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών και τέλος εισάγεται η έννοια του μικροδικτύου και τα βασικά χαρακτηριστικά του. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις μονάδες παραγωγής ενός μικροδικτύου και τις διαθέσιμες τεχνολογίες. Δίνεται έμφαση στις ανεμογενήτριες, τα φωτοβολταϊκά και συστήματα συμπαραγωγής αναλύοντας τα τεχνικά χαρακτηριστικά και την αρχή λειτουργίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο ορίζονται οι μονάδες μετατροπής ενέργειας, δηλαδή οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Εξετάζονται οι διάφορες κατηγοριοποιήσεις αυτών και αναφέρονται τα διάφορα είδη των ημιαγωγών ισχύος από τα οποία αποτελούνται. Τέλος, αναλύονται οι τύποι των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιήθηκαν στο υπό μελέτη σύστημα. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται η εξαγωγή των μαθηματικών εξισώσεων που περιγράφουν το σύστημα καθώς και αναλυτική περιγραφή των τεχνικών και μεθοδων που χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο δίνονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης υπό τη μορφή διαγραμμάτων καθώς και τα συμπεράσματα της μελέτης. / In the current thesis an analysis and modeling of a microgrid is conducted. The microgrid consists of one photovoltaic and one wind unit which are feeding an R-L load and are connected in a common node to the grid. The photovoltaic system includes an inverter and a Dc to Dc converter that elevates the voltage and at the same time is a maximum power point tracker. The variable speed wind turbin uses a permanent magnet synchronous generator (PMSG) and a system of two full scale, back to back converters. Proper RL filters were used in the outputs of the converters in order to reduce the harmonic content of the voltage and current output. An attempt was made to implement a control strategy in order to control the system appropriately with the aim of achieving production of maximum power. Finally, this particular system was implemented in a Matlab/Simulink environment and simulated for various changes in radiation, wind speed and load. The aim was to study the behavior of the given control strategy applied and to come to a conclusion. In the first chapter the distributed generation is defined through its diversification from the centralized one and the reasons for its recent revival are presented. In addition, the advantages and disadvantages of these are analyzed, and finally the concept of microgrid is introduced along with its main characteristics. In the second chapter a reference of the production units of a microgrid and the available technologies is made. Emphasis is placed on wind turbines, photovoltaic and cogeneration systems by analyzing their technical features and their principal of operation. In the third chapter there is the specification of the energy conversion units, namely the electronic power converters. Their various classifications are examined and the different types of power semiconductors of which they consist are mentioned. Finally, there is an analysis of the types of converters used in the system being tested. In the fourth chapter the extraction of the mathematical equations that describe the system is made, along with a detailed description of the techniques and methods used for its control. Finally, in the fifth chapter the results of the simulation are provided in the form of diagrams along with the conclusions of the study.

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

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της λειτουργίας και τη δημιουργία ενός μικροδικτύου, στο χώρο του Κτηρίου Βαρέων Ηλεκτρολόγων του Πανεπιστημίου Πατρών. Επιπρόσθετα, πραγματεύεται την κατασκευή ενός εξομοιωτή φορτίου μιας απαιτητικής από άποψης ενέργειας κατοικίας. 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 για την εξομοίωση της ενεργειακής ζήτησης μιας μονοκατοικίας. Η διάταξη, για την υλοποίηση του αυτοματισμού, διαθέτει έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (ΠΛΕ). Ο προγραμματισμός του ΠΛΕ και η εξομοίωση της λειτουργίας των οικιακών συσκευών υπήρξε το κύριο αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Μετά την ολοκλήρωσή της θα είναι δυνατή η σύνδεσή της σε ένα μικροδίκτυο με σκοπούς τη βελτιστοποίηση της απόδοσής του καθώς και τη μελέτη της συμπεριφοράς κατά τη λειτουργία του. Η εκπόνηση της εργασίας έγινε σε συνεργασία με τους συναδέλφους Ψαρά Βασίλειο και Μπιλιανό Σωτήριο. Αρχικά παρουσιάζεται το ενεργειακό πρόβλημα, το οποίο εκ φύσεως οδηγεί στην ανεύρεση νέων πηγών ενέργειας. Εν συνεχεία αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και η παρούσα κατάσταση όσον αφορά τη χρησιμοποίησή τους. Εν συνεχεία παραθέτουμε τον ορισμό καθώς και τις συνήθεις συνιστώσες ενός μικροδικτύου, αναλύοντας θεωρητικά τις κυριότερες μονάδες παραγωγής, μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, παραθέτουμε μια καταγραφή καθώς και μια ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων του υπάρχοντος μικροδικτύου. Με σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας του, την αξιολόγηση των δυνατοτήτων του και την εκτίμηση της παρούσας κατάστασής του, παρουσιάζονται μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με διάφορα φορτία και εξάγονται κάποια σημαντικά συμπεράσματα. Στη συνέχεια, παραθέτουμε το προφίλ (κατανομή μέσα στην ημέρα) και το μέγεθος μιας τυπικής ηλεκτρικής ενεργειακής κατανάλωσης, μιας μονοκατοικίας. Έχοντας την τυπική οικιακή κατανάλωση ως δεδομένο, έγινε η επιλογή του τρόπου εξομοίωσής της σε εργαστηριακό περιβάλλον, χρησιμοποιώντας κατάλληλα παθητικά στοιχεία R-L. Τέλος, παρουσιάζουμε την ενεργειακή κατανάλωση του εξομοιωτή, για μια ολόκληρη εβδομάδα, όπως αυτή καταγράφηκε, κατά τη σύνδεσή του στο δημόσιο δίκτυο και εξάγουμε συμπεράσματα για τη λειτουργία του. / The current thesis deals with the study of the operation, as well as the construction of a typical microgrid. Furthermore, the thesis deals with the construction of a resistive-inductive load that emulates the energy consumption of a household. This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The outer purpose of this study is the construction a resistive-inductive load that simulates the energy consumption of a household. The device uses a programmable logic controller (PLC) in order to implement the necessary automation. The main subject of this current thesis was the programming of the PLC and the emulation of the daily operation of electrical devices of a household. Once completed, it will be possible to connect this load emulator to a microgrid so as to optimize its performance and study its operational behavior. This whole thesis was fulfilled through continuous cooperation with colleagues Mpilianos Sotirios and Psaras Vasileios. Initially, the energy problem is presented, a fact that naturally leads to the finding of new energy sources. In addition, the advantages and disadvantages of renewable energy sources are discussed as well as the current state regarding their utilization. Afterwards, the definition and the common components of a microgrid are presented through theoretical analysis of all the related units (energy production, conversion and storage units). Moreover, every installed unit of an existing microgrid in the laboratory is mentioned and analyzed. Aiming to study its operation, evaluate its capabilities and estimate its present state, measurements with varying loads are cited. . The profile and size of a typical energy consumption of a household are presented. Given that, the final choice of the emulation method in laboratory environment was made, using appropriate passive elements (resistors, inductors). Finally, the energy consumption of the load emulator is presented, as it was recorded through the connection to the utility grid, and certain conclusions concerning its operation are made.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη ενός μοντέλου κυψέλης καυσίμου (Fuel Cell), το οποίο θα αποτελέσει το βασικό στοιχείο της διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας από ένα σταθμό με τέτοιες κυψέλες που θα τροφοδοτεί ένα μικροδίκτυο. Η μελέτη θα περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη σύνδεση σε ένα δίκτυο. Συγκεκριμένα, θα περιλαμβάνει τον ανυψωτή τάσης (boost converter) ο οποίος είναι υπεύθυνος για την ανύψωση της συνεχούς τάσης εξόδου της στοίβας κυψελών καυσίμου, τον αντιστροφέα (inverter) ο οποίος θα μετατρέπει την συνεχή τάση εξόδου του ανυψωτή σε εναλλασσόμενη με το επιθυμητό πλάτος και συχνότητα, και τέλος θα περιλαμβάνει το σύστημα ελέγχου το οποίο θα προσπαθεί να ικανοποιεί τις ενεργειακές ανάγκες κάθε φορτίου ρυθμίζοντας κατάλληλα τις παραμέτρους των προηγούμενων μερών. / The currnet diploma thesis deal with the development of a PEM fuel cell, which will be the basic component of a distributed power system connected to a microgrid. This study will contain all the necessary components for a connection to the main grid. There will be boost converter to boost the output voltage of the fuel cell stack, an inverter to convert the dc voltage to ac-voltage with specific voltage amplitude and frequency. Moreover, there will be a control system which will be able to fulfill all the power requirements of the loads, regulating the parameters of the previous components.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη των μικροδικτύων. Δίνεται ο ορισμός τους, αναλύονται τα δομικά τους μέρη καθώς και η λειτουργία τους. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής πραγματοποιείται μελέτη εγκατάστασης ενός μικροδικτύου ενώ αναλύεται και εξετάζεται, με πειραματικές μετρήσεις, η λειτουργία ενός ήδη εγκατεστημένου μικροδικτύου στο Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. 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 δημιουργία ενός μικροδικτύου στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Στην παρούσα εργασία έγινε η απαιτούμενη βιβλιογραφική αναζήτηση και η μελέτη του μικροδικτύου, που κατά κύριο λόγο εστιάστηκε στη μελέτη εγκατάστασης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Επίσης παρουσιάζεται το μοντέλο προσομοίωσης για των φωτοβολταϊκών πλαισίων και εν γένει της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αρχικά παρουσιάσαμε τα κύρια μέρη που αποτελούν ένα μικροδίκτυο. Εξετάσαμε τις μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης καθώς και τις μονάδες που έχουν τον πιο σημαντικό ρόλο σε ένα μικροδίκτυο: τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Ακόμη μελετήθηκαν οι αρχές λειτουργίας των μικροδικτύων και η συμπεριφορά τους υπό διαφορετικές συνθήκες σύνδεσης. Στη συνέχεια μελετήθηκε ένα ήδη εγκατεστημένο μικροδίκτυο στο Κ.Α.Π.Ε ώστε να αποκτηθεί μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα των λειτουργιών και των δυνατοτήτων των μικροδικτύων. Στο συγκεκριμένο μικροδίκτυο πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας και κατανόηση των παραμέτρων και λειτουργικών του χαρακτηριστικών Το επόμενο βήμα ήταν η ηλεκτρολογική μελέτη και η μελέτη εφαρμογής για το μικροδίκτυο που στοχεύουμε να εγκατασταθεί στο εργαστήριο. Η μελέτη περιορίστηκε στην εγκατάσταση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και των συσσωρευτών με τις αντίστοιχες μονάδες ηλεκτρικής μετατροπής ενέργειας. Τέλος η φωτοβολταϊκή συστοιχία προσομοιώθηκε στο περιβάλλον του Matlab/Simulink / This thesis deals with the study of Microgrids. We define them, analyzed their structure and function. In this thesis a study of a microgrid installation is carried out. An already established Microgid at the Centre for Renewable Energy is analyzed and a comparison with experimental results is made to confirm its operation. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The aim is to create a Microgrid in Electromechanical Energy Conversion Laboratory. In this study the required literature search and study of Microgrids was completed, which primarily focused on the design of the installation of the photovoltaic array. It also shows the model simulation of photovoltaic modules and overall photovoltaic array. At the beginnibg we presente the main components that make up a microgrid. We examined the production and storage facilities as well as the units that have the most important role in a Microgrid: the electronic power inverters. Yet studied the operating principles of the Microgrid and their behavior under different link conditions. Then we studied a previously established microgrid in order to gain a more complete picture of the functions and capabilities of a Microgrid. In this microgrid measurements were performed to confirm the proper operation and understanding of the parameters and operating characteristics The next step was the electrical design and application study for a microgrid planned to be installed in the laboratory. The study was limited to the installation of the photovoltaic generator and batteries to their respective units of electrical energy conversion. Finally, the photovoltaic array was simulated in the environment of Matlab / Simulink

Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια για την περιγραφή των νέων μοντέλων δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας που αναμένεται να δώσουν λύσεις στα διάφορα προβλήματα που έχουν κάνει την εμφάνιση τους λόγω της συνεχούς αύξησης στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Βασισμένα στην αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, τα ΜικροΔίκτυα και κατ’ επέκταση τα Έξυπνα Δίκτυα θεωρούνται οι αντικαταστάτες του παραδοσιακού κεντρικά ελεγχόμενου ηλεκτρικού δικτύου, κάνοντας χρήση των πλεονεκτημάτων της Διεσπαρμένης Παραγωγής. Έπειτα από την αναφορά στο σημαντικό ρόλο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, περιγράφονται αναλυτικά οι έννοιες της Διεσπαρμένης Παραγωγής, του ΜικροΔικτύου και του Έξυπνου Δικτύου. Οι νέοι αυτοί όροι έχουν ήδη αρχίσει να εισέρχονται στην πραγματικότητα του ηλεκτρικού δικτύου, καθώς υπάρχουν ήδη χρονοδιαγράμματα που επιβάλουν την επιτακτική χρήση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας από τα κράτη, σε μια προσπάθεια να μειωθούν οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου. Οι συνεχώς εξελισσόμενες τεχνολογίες που σχετίζονται με τα νέα πρότυπα του ηλεκτρικού δικτύου παρουσιάζονται επίσης. Είναι πολύ σημαντικό οι τεχνολογίες αυτές να αναπτυχθούν όσο το δυνατόν περισσότερο, ώστε να συμβάλλουν στην άμεση, αποδοτική και οικονομικά ωφέλιμη χρήση της Διεσπαρμένης Παραγωγής και την ομαλή και ασφαλή μετάβαση προς τα Έξυπνα Δίκτυα. Στη συνέχεια γίνεται περιγραφή κάποιων μεθόδων ελέγχου των ΜικροΔικτύων και των βασικών μονάδων που το απαρτίζουν. Παρουσιάζονται η λειτουργία του ΜικροΔικτύου όταν λειτουργεί σε απομόνωση από το υπόλοιπο βασικό δίκτυο και σε σύνδεση με αυτό, καθώς οι επιπτώσεις προγραμματισμένων και μη αποσυνδέσεων από τον βασικό κορμό του δικτύου. Τέλος, βασικό κομμάτι της εργασίας αυτής αποτελεί η προσομοίωση κάποιων βασικών μονάδων του ΜικροΔικτύου, και πιο συγκεκριμένα του Μικροστροβίλου και του Ολοκληρωμένου Συστήματος Κυψελών Καυσίμου Στερεού Οξειδίου. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών παρουσιάζονται και αναλύονται για την αξιολόγηση της χρήσης τους και της σπουδαιότητάς τους σε συγκεκριμένες εφαρμογές. / In the present work we make an effort to describe the new models of electric networks that are expected to give solutions in the various problems that have made their appearance due to the continuous increase in the demand of electric energy. Based in the exploitation of Renewable Sources of Energy, MicroGrids, and as a result the SmartGrids are considered to be the substitutes of traditional central-controlled electric network, making use of the advantages of Distributed Generation. After the quick reference of the important role of Renewable Sources of Energy, the terms of Distributed Generation, MicroGrid and SmartGrid are described analytically . This new terms have already begun to enter the reality of the electric network, as timetables that impose the imperative use of Renewable Sources of Energy already exist,in an effort decrease the emissions of greenhouse gases.The continuously evolving technologies that are related with the new models of electric network are also presented. It is very important that these technologies are developed as much as possible, so that they contribute in a direct, efficient and economically beneficial use of Distributed Generation and the smooth and sure transition towards the SmartGrids. Afterwards we describe certain methods of control of MicroGrids and basic units that compose them. The operation of MicroGrid when it functions in isolation from the basic network and in connection with this is described.Finally, the simulations of certain basic units of Microgrids are described, focusing on Micorturbine and Solid Oxide Fuel Cell system. The results of these simulations are presented and analyzed for the evaluation of their use and their importance in certainapplications.

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.

A constituição de sistemas híbridos como alternativa ao fornecimento de energia da concessionária, gerando energia própria e operando de forma isolada ou interconectada ao sistema de distribuição, tem originado estudos e implementações em nível industrial, comercial e mais recentemente residencial. A principal discussão que surge são as análises das vantagens técnicas e econômicas pela opção desse tipo de instalação. Neste trabalho, é apresentado um estudo complementar às pesquisas realizadas, onde é projetado um sistema híbrido contendo aerogeradores, painéis fotovoltaicos, processo de eletrólise, célula a combustível, microturbina a gás e geradores diesel. Esse sistema é simulado e comparado técnica e economicamente a um sistema que contém apenas geradores diesel. O sistema híbrido proposto possui uma microrrede conectada a um típico sistema de distribuição mas com um limite de demanda contratada que impede a satisfação de todas as necessidades energéticas da instalação apenas com a energia da concessionária. Procura-se avaliar os impactos técnicos e econômicos do atendimento da demanda por eletricidade através deste sistema híbrido além de executar-se a otimização, via PSO, do dimensionamento deste sistema, que utiliza uma ordem de despacho para gerenciar as mini unidades geradoras de energia. Foi utilizado o software TRNSYS devido a sua característica de permitir estimar a potência e energia produzidas no intervalo de um ano com detalhamento horário de cada recurso, considerando estimativas reais e localizadas para a disponibilidade dos recursos eólicos e fotovoltaicos. / The designing of hybrid systems as an alternative to power supply from power utility, generating their own energy in operating islanded or grid-tie to the power utility, has resulted in studies and implementations in industrial, commercial and residential level recently. The main discussion that arises is the analysis of the technical and economical advantages for this type of solution. This work presents a complementary study to the researches conducted nowadays, which is designed a hybrid system containing wind turbines, photovoltaic panels, electrolysis process, fuel cell, gas micro turbine and diesel generators. This system was simulated and was compared technically and economically to a system with only diesel gensets. The proposed hybrid system has a microrrede connected to a typical distribution system with a limited power demand value that prevents the satisfaction of all energy needs of the installation only with the utility power. This study evaluates the technical and economical impacts to meeting electric power consumption through this hybrid system and optimize using PSO, the design of this system that uses a dispatch order to manage the mini power generation units. The TRNSYS software was used due to its feature of allowing estimate the electric power and electric energy produced in one year apart with hourly details of each feature, considering actual estimates and localized availability of wind and photovoltaic resources.

abstract: An increase in the number of inverter-interfaced photovoltaic (PV) generators on existing distribution feeders affects the design, operation, and control of the distri- bution systems. Existing distribution system analysis tools are capable of supporting only snapshot and quasi-static analyses. Capturing the dynamic effects of the PV generators during the variation in the distribution system states is necessary when studying the effects of controller bandwidths, multiple voltage correction devices, and anti-islanding. This work explores the use of dynamic phasors and differential algebraic equations (DAE) for impact analysis of the PV generators on the existing distribution feeders. The voltage unbalance induced by PV generators can aggravate the existing unbalance due to load mismatch. An increased phase unbalance significantly adds to the neutral currents, excessive neutral to ground voltages and violate the standards for unbalance factor. The objective of this study is to analyze and quantify the impacts of unbalanced PV installations on a distribution feeder. Additionally, a power electronic converter solution is proposed to mitigate the identified impacts and validate the solution's effectiveness through detailed simulations in OpenDSS. The benefits associated with the use of energy storage systems for electric- utility-related applications are also studied. This research provides a generalized framework for strategic deployment of a lithium-ion based energy storage system to increase their benefits in a distribution feeder. A significant amount of work has been performed for a detailed characterization of the life cycle costs of an energy storage system. The objectives include - reduction of the substation transformer losses, reduction of the life cycle cost for an energy storage system, and accommodate the PV variability. The distribution feeder laterals in the distribution feeder with relatively high PV generation as compared to the load can be operated as microgrids to achieve reliability, power quality and economic benefits. However, the renewable resources are intermittent and stochastic in nature. A novel approach for sizing and scheduling the energy storage system and microtrubine is proposed for reliable operation of microgrids. The size and schedule of the energy storage system and microturbine are determined using Benders' decomposition, considering the PV generation as a stochastic resource. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2015