Development of an intelligent microgrid management system for the reliability and security of distribution power networks incorporating high penetration of renewable energy sources

The increased penetration of Renewable Energy Sources (RES) is necessary, but brings many challenges to the operation of the electricity distribution grid. The role of microgrids seems to be important towards this grid transformation. Microgrids are defined as a part of the distribution grid that comprises Distributed Energy Resources (DER) units, Storage units and controllable loads and aims in self-regulating voltage, frequency and internal power flow.The contribution of this dissertation is the introduction of a new control topology for microgrids, its structural parts and its control algorithm (in LABView-embedded MATLAB script). The advantages of this topology are highlighted through experimental comparison to other topologies in the market. Then, the necessary changes are implemented in order to ensure compatibility of the control topology to existing Building Automation Systems (BAS). The experimental testing shows increased power supply reliability when integrating BAS to microgrids for demand-side management. The next step includes the incorporation of predictive models such as Fuzzy Cognitive Maps to part of the microgrid’s control algorithm. Then, the microgrid topology is simulated in PSCAD environment and the expandability of the simulated model is tested successfully. The connection and cooperation of the simulated model to other, bigger microgrid models shows also great interest.More original parts of the dissertation are: –A new and more effective method for the determination of the batteries’ State of Charge (SoC),–The development of a new technique for controlling the active power of PV plants, using relays on the PV arrays and controlling them by the algorithm.Finally, the implementation of all the above methods on the experimental microgrid, points out the improvement of the power supply reliability and the possibility to enable ancillary services for DERsΗ αυξανόμενη διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών (ΑΠΕ) αν και επιβεβλημένη, δημιουργεί προβλήματα στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Σημαντικό ρόλο στο μελλοντικό δίκτυο διανομής θα παίξει το μικροδίκτυο, που μπορεί να οριστεί ως ένα δίκτυο διανομής που περιλαμβάνει μονάδες διανεμημένης παραγωγής, μονάδες αποθήκευσης και ελεγχόμενα φορτία και που ρυθμίζει την τάση, τη συχνότητα και την εσωτερική ροή ισχύος, αυτόνομα.Κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής, προτάθηκε μια νέα τοπολογία ευφυούς μικροδικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, οι δομικές της μονάδες και ο αντίστοιχος αλγόριθμος ελέγχου, ο οποίος αναπτύχθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB και λειτουργεί σε περιβάλλον LabVIEW. Στόχος της προτεινόμενης τοπολογίας και του αλγόριθμου ελέγχου είναι να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματά τους έναντι άλλων. Στη συνέχεια της διατριβής, πραγματοποιήθηκαν οι απαραίτητες τροποποιήσεις των υποδομών και του αναπτυχθέντος αλγορίθμου ώστε αυτή να καταστεί διαδραστική με υπάρχουσες τεχνολογίες αυτομάτου ελέγχου κτιρίων (ΚΝΧ). Η εφαρμογή τους σε πειραματικό επίπεδο καταδεικνύει την αύξηση της αξιοπιστίας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να προσδώσει η ενσωμάτωση τέτοιων τεχνολογιών διαχείρισης της ζήτησης (demand-side management). Ακολούθως, δοκιμάστηκε ο έλεγχος του έξυπνου δικτύου με έναν αλγόριθμο που εφαρμόζει κατάλληλα μοντέλα πρόβλεψης όπως οι ασαφείς γνωστικοί χάρτες (Fuzzy Cognitive Maps). Στη συνέχεια, το προτεινόμενο μικροδίκτυο προσομοιώθηκε σε περιβάλλον PS CAD και δοκιμάστηκε με επιτυχία η επεκτασιμότητα η λειτουργικότητα και αξιοπιστία τόσο των στοιχείων του, όσο και του αλγόριθμου ελέγχου. Ενδιαφέρον τέλος παρουσιάζει η σύνδεση του προτεινόμενου προσομοιωμένου μικροδικτύου με άλλα μεγαλύτερα, επίσης προσομοιωμένα, δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας.Στη συνεισφορά και τα πρωτότυπα θέματα της διδακτορικής διατριβής μπορούν να προστεθούν: –μια νέα και πιο αποτελεσματική μέθοδος προσδιορισμού του επιπέδου φόρτισης των μπαταριών (State of Charge – SoC), με την οποία βελτιώνεται η διαχείριση των φορτίων και –η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου ελέγχου της ενεργού ισχύος εξόδου των Φ/Β συστημάτων, που συνίσταται στην τοποθέτηση ηλεκτρονόμου (ρελέ) στις συστοιχίες τους και τον έλεγχο των ηλεκτρονόμων από τον αναπτυχθέντα αλγόριθμο. Τέλος, με την ολοκλήρωση και την εφαρμογή του συνόλου των ενοτήτων της διατριβής, διαπιστώθηκαν η βελτίωση του επιπέδου της αξιοπιστίας στην παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, και η δυνατότητά του μικροδικτύου να εξασφαλίζει στις μονάδες διανεμημένης παραγωγής και στην πλευρά της ζήτησης, την παροχή επικουρικών υπηρεσιών

Hybrid polymer matrix systems with micro- and nano- carbon fillers: composition, dynamic behavior and applications

A systematic study of the changes in the final properties and dynamics of polymer nanocompositematerials with regard to the structure, morphology, size and content of the inclusions and the fillers’surface modification as well. The polymeric matrix used was a thermosetting epoxy resin (ER),produced by in situ polymerization in the presence of triethylenetetramine (TETA) as a curing agent,thus avoiding additional steps of solvents’ use and removal. Carbon nanoparticles of different shapeand structure (form) and fly ash were used as inclusions, as well as inorganic fillers added into thepolymeric matrix.The mobility of a polymer interfacial layer, a few nanometers near the surface of inclusions is differentfrom that for a pure polymer. The study of carbon-filled ER samples of different structures as adispersed phase, allowed the study of the influence of the fillers morphology on the molecular matrixmobility. The dynamic coexistence, including interfacial constraints and free volume changes, leads toa varying balance of factors depending on many factors, influencing accordingly the dynamical andgeneral behavior of the materials.Surface treatment of carbon based fillers and fly ash with organosilane agent has been found toimprove the interface and strength of the interaction. The strong interaction improves the fillerdispersion and facilitate the transfer of dynamic loads from matrix to filler, leading to an increase of themodulus of elasticity. Surface treatment reduces the particle agglomeration and aggregation. Residualtraces of filler matter around the filler particulates in the case of the modified fly ash filler have beenobserved.Hybrid composites were examined for the synergy of the inclusions within the matrix. Data fromspectroscopic techniques showed complete incorporation of hybrid systems into the matrix, in theabsence of indications for characteristic nanostructure absorbances. Proper exfoliation into individualsheets of particular fillers lead to amorphous hybrid nanocomposites exhibiting adequate dispersionwithin the matrix.The overall dielectric behavior and the electromagnetic shielding mechanism of hybrid complexesdemonstrated that combined addition of modified phylosilicate montmorillonite (CL30B, 2D-structure)into the matrix led to more efficient damping of electromagnetic waves compared to that possible uponincoroporation of amino-modified nanotubes (1D-structure) alone. Further, the change in conductivity inhybrid composites, ER/CL30B/mMWCNTs and ER/CL30B/CB, confirms synergy effects between fillersand the contribution of particle shape and size to the final properties.To test the use of nanocomposites and hybrid composites for various environmental and technologicalapplications, the attained physicochemical properties are considered on the basis of a "useful workingrange" (UWR) assessment index; the latter index focuses on the temperature range that allows fornearly fixed ( 20%) properties and allows for the evaluation of the potential of the prepared materialsfor practical, state-of-the-art applications.Οι μεταβολές στις τελικές ιδιότητες και η δυναμική συμπεριφορά νανοσύνθετων και υβριδικών πολυμερικών υλικών μελετώνται συστηματικά σε σχέση με τη δομή, τη μορφολογία, το μέγεθος και την περιεκτικότητα, καθώς και την επιφανειακή τροποποίηση των εγκλεισμάτων. Ως πολυμερική μήτρα χρησιμοποιήθηκε θερμοσκληρυνόμενη εποξειδική ρητίνη (ER), με την μέθοδο επί τόπου (in-situ)πολυμερισμού παρουσία τριαιθυλενοτετραμίνης (ΤΕΤΑ) ως σκληρυντή, αποφεύγοντας επιπρόσθετα στάδια χρήσης και απομάκρυνσης διαλυτών. Ως εγκλείσματα χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια άνθρακα, διαφορετικής νανοδιάστασης, και ανόργανης φύσης πληρωτές (π.χ. οργανο-τροποποιημένη ιπτάμενη τέφρα) σε διάφορες περιεκτικότητες.Η μοριακή κινητικότητα σε ένα διεπιφανειακό στρώμα πολυμερούς, με πάχος λίγα νανόμετρα, κοντά στην επιφάνεια των εγκλεισμάτων, είναι διαφοροποιημένη σε σχέση με το καθαρό πολυμερές. Η μελέτη δοκιμίων ER με διασπορές άνθρακα ποικιλίας νανοδιαστάσεων, έδωσε τη δυνατότητα μελέτης της επίδρασης της μορφολογίας των πληρωτών στη κινητικότητα του πλέγματος. Η δυναμική συνύπαρξη, διεπιφανειακών περιορισμών και μεταβολής ελεύθερου όγκου, οδηγεί σε σημείο ισορροπίας ποικίλα εξαρτώμενο από πολλούς παράγοντες, επηρεάζοντας αναλόγως την δυναμομηχανική και γενικότερη συμπεριφορά αυτών.Τεκμηριώνεται η επίδραση της επιφανειακής τροποποίησης, όπως και της διασποράς στις ιδιότητες του συνθέτου. Αυξημένη συμβατότητα μήτρας – τροποποιημένου πληρωτή επιβεβαιώνει η μορφολογική εξέταση των δοκιμίων. Η ισχυρότερη αλληλεπίδραση διαφοροποιεί τη δυναμική της διεπιφάνειας καταλήγοντας, σε καλύτερη διασπορά και ίχνη του πληρωτή στην επιφάνεια του θραύσματος. Το γεγονός παραπέμπει στη δημιουργία ενδιάμεσης φάσης, με τα ελεύθερα άκρα των μακρομορίων του πλέγματος να δεσμεύονται συμπλεκόμενα με τον τροποποιητή, διευκολύνοντας την μεταφορά δυναμικών φορτίων του πλέγματος προς τα σωματίδια και αντιστρόφως, με αποτέλεσμα αύξηση του μέτρου ελαστικότητας του υλικού.Τα υβριδικά συστήματα μελετήθηκαν για τη συνέργεια των εγκλεισμάτων εντός του πλέγματος.Φασματοσκοπικά δεδομένα, υποδεικνύουν πλήρη ενσωμάτωση υβριδικών συστημάτων στη μήτρα, με απουσία χαρακτηριστικών απορροφήσεων των νανοδομών. Τελικά, παράγονται με αποφυλλοποίηση σε μεμονωμένα φύλλα, άμορφα υβριδικά νανοσύνθετα ικανοποιητικής διασποράς. Η συνολική διηλεκτρική συμπεριφορά σε μικροκύματα και ο μηχανισμός ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης, των υβριδικών σύνθετων απέδειξε ότι, συνδυασμένη προσθήκη τροποποιημένου φυλλοπυριτικού μοντμοριλλονίτη (CL30B, 2D-δομής), εντός του πλέγματος της εποξειδικής μήτρας,βελτιώνει την αποτελεσματικότητα των αμινο-τροποποιημένων νανοσωλήνων (1D-δομής) στην απόσβεση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η μεταβολή της αγωγιμότητας στα συστήματαER/CL30B/mMWCNTs και ER/CL30B/CB, επιβεβαιώνει φαινόμενα συνέργειας μεταξύ των πληρωτών και επίδραση της διαφορετικής νανοδιάστασης στις τελικές ιδιότητες.Επισήμανση επίσης, λόγω συνεργικής δράσης, αποτελεί η σύγκριση της συμπεριφοράς υβριδικών συστημάτων ίδιας αναλογίας περιεκτικοτήτων σε πληρωτές άνθρακα επιφέροντας μεγαλύτερη μείωση μέτρου αποθήκευσης (Ε’) και σημαντικότερη αύξηση θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg), στο σύστημα ER/omGO/mMWCNTs παρουσία φυλλόμορφων (2D)/ραβδόμορφους (1D), σε σύγκριση με τοER/omGO/CB φυλλόμορφων (2D)/νανοσωματίδια (3D).Για έλεγχο της δυνατότητας χρήσης νανοσύνθετων και υβριδικών σύνθετων σε διάφορες περιβαλλοντικές και τεχνολογικές εφαρμογές προτείνεται ένας συγκριτικός δείκτης αξιολόγησης, με τον όρο «χρήσιμο εύρος εργασίας» (useful working range, UWR), που επικεντρώνεται στο εύρος της θερμοκρασιακής περιοχής σταθερής συμπεριφοράς (μέγιστης μεταβολής ~20%), προσδιορίζοντας τις δυνατότητες αξιοποίησης σε πρακτικές εφαρμογές προηγμένης τεχνολογίας

A detailed study of α-relaxation in epoxy/carbon nanoparticles composites using computational analysis

Nanocomposites were fabricated based on diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA), cured with triethylenetetramine (TETA) and filled with: a) high conductivity carbon black (CB) and b) amino-functionalized multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs). The full dynamic mechanical analysis (DMA) spectra, obtained for the thermomechanical characterization of the partially cured DGEBA/TETA/CB and water saturated DGEBA/TETA/MWCNT composites, reveal a complex behaviour as the α-relaxation appears to consist of more than one individual peaks. By employing some basic calculations along with an optimization procedure, which utilizes the pseudo-Voigt profile function, the experimental data have been successfully analyzed. In fact, additional values of sub-glass transition temperature (Ti) corresponding to subrelaxation mechanisms were introduced besides the dominant process. Thus, the physical sense of multiple networks in the composites is investigated and the glass transition temperature Tg is more precisely determined, as the DMA α-relaxation peaks can be reconstructed by the accumulation of individual peaks. Additionally, a novel term, the index of the network homogeneity (IH), is proposed to effectively characterize the degree of statistical perfection of the network

Integrated management of hydroponic wastewater for complete water recycle and cyanobacteria cultivation using an electric conductivity-based tool

This work presents an integrated management process for hydroponic wastewater (HWW) reuse, by developing an electric conductivity-based tool that calculates recycled nutrient solutions' enrichment requirements and indicates their proper treatment. Treatment includes advanced methods and Synechococcus elongatus PCC 7942 (S7942) cyanobacteria cultivation for the removal/recovery and utilization of nutrients contained in HWW. The results showed that HWW can be utilized as substrate for S7942 cultivation. Increasing initial substrate nitrate‑nitrogen concentration from 389 ± 3 mg L−1 to 2132 ± 17 mg L−1 increases nitrogen assimilation from 0.131 mgNO3-N mgVSS−1 to 0.163 mgNO3-N mgVSS−1. Similarly, increasing initial substrate phosphate-phosphorous concentration from 8.4 ± 0.2 mg L−1 to 138.2 ± 5.0 mg L−1 increases phosphorous assimilation from 0.022 mgPO4 mgVSS−1 to 0.133 mgPO4 mgVSS−1. The advanced ion exchange treatment had efficiency >98 %. Adsorption with activated carbon and nanomaterials showed selective removal of nitrates, phosphates, calcium and magnesium. Sonication further increased nanomaterials' selectivity. © 2022 Elsevier Lt

Intelligent and Real-Time Detection and Classification Algorithm for Recycled Materials Using Convolutional Neural Networks

In recent years, the production of municipal solid waste has constantly been increasing. Recycling is becoming more and more important, as it is the only way that we can have a clean and sustainable environment. Recycling, however, is a process that is not fully automated; large volumes of waste materials need to be processed manually. New and novel techniques have to be implemented in order to manage the increased volume of waste materials at recycling factories. In this paper, we propose a novel methodology that can identify common waste materials as they are being processed on a moving belt in waste collection facilities. An efficient waste material detection and classification system is proposed, which can be used in real integrated solid waste management systems. This system is based on a convolutional neural network and is trained using a custom dataset of images, taken on site from actual moving belts in waste collection facilities. The experimental results indicate that the proposed system can outperform existing algorithms found in the literature in real-world conditions, with 92.43% accuracy

Distributed Generation Control Using Ripple Signaling and a Multiprotocol Communication Embedded Device

Remotely performing real-time distributed generation control and a demand response is a basic aspect of the grid ancillary services provided by grid operators, both the transmission grid operators (TSOs) and distribution grid operators (DNOs), in order to ensure that voltage, frequency and power loads of the grid remain within safe limits. The stochastic production of electrical power to the grid from the distributed generators (DGs) from renewable energy sources (RES) in conjunction with the newly appeared stochastic demand consumers (i.e., electric vehicles) hardens the efforts of the DNOs to keep the grid’s operation within safe limits and prevent cascading blackouts while staying in compliance with the SAIDI and SAIFI indices during repair and maintenance operations. Also taking into consideration the aging of the existing grid infrastructure, and making it more prone to failure year by year, it is yet of great significance for the DNOs to have access to real-time feedback from the grid’s infrastructure—which is fast, has low-cost upgrade interventions, is easily deployed on the field and has a fast response potential—in order to be able to perform real-time grid management (RTGM). In this article, we present the development and deployment of a control system for DG units, with the potential to be installed easily to TSO’s and DNO’s substations, RES plants and consumers (i.e., charging stations of electric vehicles). This system supports a hybrid control mechanism, either via ripple signaling or through a network, with the latter providing real-time communication capabilities. The system can be easily installed on the electric components of the grid and can act as a gateway between the different vendors communication protocols of the installed electrical equipment. More specifically, a commercially available, low-cost board (Raspberry Pi) and a ripple control receiver are installed at the substation of a PV plant. The board communicates in real-time with a remote server (decision center) via a 5G modem and with the PV plants inverters via the Modbus protocol, which acquires energy production data and controls the output power of each inverter, while one of its digital inputs can be triggered by the ripple control receiver. The ripple control receiver receives on-demand signals with the HEDNO, triggering the digital input on the board. When the input is triggered, the board performs a predefined control command (i.e., lower the inverter’s power output to 50%). The board can also receive control commands directly from the remote server. The remote server receives real-time feedback of the acquired inverter data, the control signals from the ripple control receiver and the state and outcome of each performed control command