SOLAR ENERGY IN DISTRIBUTED GENERATION AND GRID-CONNECTED PROBLEM
THESIS CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Energy System SOLAR ENERGY IN DISTRIBUTED GENERATION AND GRID-CONNECTED PROBLEM Instructor: Prof Assoc Nguyen Huu Phuc Student: Vo Nguyen Qui Tu Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Main parts CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP Solar Energy Control single-phase inverter TMS320F2812 DSP Experimental results Conclusions and Future Works PFIEV Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Solar Energy Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 How solar cell work CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV (‐) + + N‐type silicon + + + + + + + + + + + + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ (+) P‐N junction P‐type silicon DC current Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Characteristics of a solar cell CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP (V mpp • PFIEV ,I mpp ) : Maximum Power Point ShortShort-circuit current Isc ≈ 20 mA cm → 40 mA cm • Open circuit voltage V = 0.6V → 0.7V oc (I-V) and (P-V) characteristics for a solar cell • PV lightlight-toto-electricity efficiency:10% to 15% Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Effects of temperature and insolation levels on silicons solar cell CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Definitions CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • One silicon solar cell produces 0.5 volt • 36 cell connected together have enough voltage to charge 12 volt batteries and runs pump and motors • Can connect modules togethers to get any power configuration Photovoltaic cells, modules, panels and arrays Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Grid-connected PV system CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Operate in parallel with and interconnected with the electric utility grid • Power Conditioner Unit/ inverter Converts the DC power produced by the PV array into AC power consistent with the voltage and power quality requirements of the utility grid Automatically stops supplying power to the grid when the utility grid is not energized Diagram of grid-connected photovoltaic system Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Grid-connected PV system CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • A bibi-directional interface is made between the PV system AC output circuits and the electric utility network Either supply on-site electrical loads, or to back-feed the grid when the PV system output is greater than the on-site load demand When the electrical loads are greater than the PV system output, the loads is received from the electric utility Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Stand-alone PV system CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Operate independent of the electric utility grid • designed and sized to supply certain DC and/or AC electrical loads Direct-coupled PV system Diagram of stand-alone PV system with battery storage powering DC and AC loads Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Control single-phase PV inverter Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Inverter CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Convert battery or PV array DC power to AC power for use with conventional utilityutility-powered appliances Single-phase inveter Three-phase inverter Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Inverter control schemes CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Pulse Width Modulation Techniques Sinusoidal PWM Space Vector Modulation (SVPWM) • Why Use PWM Techniques Single-phase inverter output voltage To control inverter output frequency (fundamental) To control inverter output voltage (fundamental) To minimize harmonic distortion Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Space Vector Modulation CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Reference vector • PhasePhase-neutral voltage v s = 2Ve jωt = 2Ve jα * Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Space Vector Modulation CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP • PFIEV Dwell Times Caculation ⎧ 2V sin(π − α ) ⎪T1 = aTs = 3Ts V DC ⎪ ⎪⎪ 2V sin(α ) 00 ≤ α ≤ π ⎨T2 = bTs = 3Ts VDC ⎪ ⎪T0 = Ts − T1 − T2 ⎪ ⎪⎩ ( Switching sequence ) Total number of switchings: Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Space Vector Modulation CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Switching sequence in six sector Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Control single-phase inverter by Space Vector Modulation CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • SingleSingle-phase inverter ouput voltage has larger amplitude than phase voltage leading corresponding phase voltage by 30 degrees Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Simulation results in Matlab CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Single-phase inverter output voltage waveform Fourier analysis (50 Hz) f1 =50Hz, f pwm =5kHz, ma =0.646, Ts =0.2ms Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 LC Filter CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP Second-order LC Filter Voltage Vo = Vi PFIEV Magnitude Bode plot for second order LC Filter ratio Cut-off 1 = ⎛ ⎞ − ω LC + j ω L + 1 + jω L ⎜ ⎟ jωC ZL ⎝ ZL ⎠ frequency f = 1/(2π LC ) Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV TMS320F2812 DSP Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 10 TMS320F2812 DSP CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Most Powerful Control 3232-Bit DSP Enhanced on-chip peripherals for flexible, control specific designs High-performance DSP controller allows most efficient control techniques Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 TMS320F2812 DSP CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • 3232-bit DSP Core 150 MIPS performance 32x32 bit MAC Fast interrupt service time • Control Peripherals Up to 16 independent PWM channels 16-channel ADC 12-bit GPIO • Communications Up to SCIs Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 11 TMS320F2812 DSP CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Event Manager Block Diagram (EVA, EVB) SVPWM Block Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 TMS320F2812 DSP CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Generation of SVPWM output with Event Manager Symmetric SVPWM Waveforms (sector I) (SVRDIR=0) Symmetric SVPWM Waveforms (sector VI) (SVRDIR=1) Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 12 Code Composer Studio v3.1 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP Project files PFIEV Editor window Program code is C language and/or Assembly Message window Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Program flowchart CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 13 System control of single-phase inverter CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Interface control system CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Input: frequency and amplitude of singlesingle-phase inverter output • Control: supply power to load or stop © Minister of Natural Resources Canada 2001 – 2004 14 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Experimental Results Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Experimental Results CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Buffer circuit Optocoupler isolation MOSFET gate driver Single-phase inveter sources Rectifier System control Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 15 Experimental Results CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV TMS320F2812 DSP Control circuit Load voltage High-frequency transformer LC Filter System is running Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Experimental Results CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Parameters DC Voltage Load Voltage Ratio of transformer 24 V 110 V RMS 12.6 LC Filter L=0.59 mH C=3.3 uF Load (lamp + inductor) R = 1.25 kΩ kΩ L = 0.13 H Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 16 Experimental Results CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Load voltage waveform fpwm= 5kHz Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Experimental Results CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Load voltage waveform fpwm=10kHz Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 17 Experimental Results CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Load voltage waveform fpwm=15kHz Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Conclusions and Future Works Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 18 Conclusions CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • This thesis has studied photovoltaic cell technologies, PV systems structure • Completed control both the frequency and the first harmonic magnitude of singlesingle-phase inverter output voltage • Load voltage has sinusoidal waveform behind LC filter Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Future research works CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • For gridgrid-connected PV system applications: explore closedclosedloop control with estimated and monitored fast and accurated enough grid voltage and frequency, and synchronized the current with the grid voltage Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 19 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 20 ... Switching sequence in six sector Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007 Control single-phase inverter by Space Vector Modulation CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • SingleSingle-phase... KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP PFIEV • Input: frequency and amplitude of singlesingle-phase inverter output • Control: supply power to load or stop © Minister of Natural Resources Canada 2001... Completed control both the frequency and the first harmonic magnitude of singlesingle-phase inverter output voltage • Load voltage has sinusoidal waveform behind LC filter Khoa Điện-Điện Tử 2002