Báo cáo khoa học Nghiên cứu, thiết kế chế tạo micro inverter ứng dụng cho một số sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.21 MB, 113 trang )
BỘ CÔNG THƢƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2012
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MICRO INVERTER
ỨNG DỤNG CHO MỘT SỐ SẢN PHẨM SỬ DỤNG NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI
HÀ NỘI- 02/2013
Cơ quan chủ trì
Chủ nhiệm đề tài
TS. Ngô Văn Sỹ
DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
STT
Họ và tên
Học hàm, học vị, chuyên môn
Cơ quan công tác
1
Ngô Văn Sỹ
Tiến sỹ, ĐTVT
VIELINA
2
Đoàn Văn Long
Thạc sỹ, TĐH
VIELINA
3
Huỳnh Tấn Long
Kỹ sƣ, TĐH
VIELINA
4
Nguyễn Trí Dũng
Kỹ sƣ, ĐTVT
VIELINA
5
Nguyễn Thế Trƣờng
Kỹ sƣ, CNTT
VIELINA
LỜI NÓI ĐẦU
Viê
̣
c nghiên cư
́
u sư
̉
du
̣
ng năng lươ
̣
ng mă
̣
t trơ
̀
i nga
̀
y ca
̀
ng đươ
̣
c quan tâm va
̀
la
̀
hươ
́
ng
quan tro
̣
ng trong kế hoa
̣
ch pha
́
t triê
̉
n năng lươ
̣
ng của nước ta. Tuy tiềm năng ứng dụng
điện mặt trời trong tương lai tại Việt Nam là rất lớn nhưng hầu hết các dự án về năng
lượng điện mặt trời ở nước ta chỉ triển khai tập trung tại các hải đảo, vùng sâu, vùng xa
không có lưới điện quốc gia. Vì vậy bộ biến đổi pin mặt trời ở đây chỉ là loại không kết
nối lưới (off-grid). Hiện nay một số nước ở châu Âu, Mỹ đã triển khai lưới điện thông
minh (smart grid) và với chính sách năng lượng tái tạo cho phép các bộ solar inverter
được kết nối lưới (grid connected solar inverter) với giá bán được trợ giá. Đây là mô
hình áp dụng rất tiềm năng ở nước ta trong tương lai. Hầu hết các loại solar inverter
thương mại hiện nay là kiểu tập trung (central inverter) có công suất lớn, nhưng gần đây
thị trường xuất hiện một thế hệ mới kiểu công suất nhỏ gọi là micro-inverter. Ưu điểm
chính của nó so với loại loại tập trung là: khi có một số nhỏ panels bị che khuất ánh
sáng mặt trời (do thời tiết hay yếu tố bên ngoài tác động), hay không đồng bộ khi lắp
đặt thì không làm giảm công suất đầu ra một tỉ lệ lớn như đối với loại tập trung. Mỗi
micro-inverter đảm bảo được công suất tối ưu nhờ thực hiện bám theo công suất đỉnh
(MPPT) cho mỗi panel. Loại micro-inverter rất thích hợp đầu từ cho các hộ dân cư cần
công suất điện mặt trời nhỏ trong điều kiện khoảng không gian gia nhỏ hẹp, dễ bị che
lấp ánh sáng. Thị trường của sản phẩm này là loại M215 của Enphase Energy đang rất
ưu chuộng tại Bắc Mỹ và năm 2011 được hợp tác với Siemens để phát triển cho thị
trường châu Âu. Hiện nay ở Việt Nam Siemens chưa bán sản phẩm này.
Vì vậy đề tài “nghiên cứu, thiết kế chế tạo micro inverter ứng dụng cho một số sản
phẩm sử dụng năng lượng mặt trời” tại Việt Nam có tính thiết thực cao cung cấp nhu
cầu cho các đối tượng hộ gia đình, góp phần làm giảm áp lực ngân sách đầu tư mở rộng
nguồn điện, khuyến khích người dân đầu tư điện mặt trời bán cho nhà nước khi dư thừa.
Đà nẵng, tháng 12 năm 2012
Chủ nhiệm đề tài
Ngô Văn Sỹ
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :i
Mục Lục
1
u, kh t b bing mt tri (PV solar inverter) 1
1.1.
1
1.1.1. n mt tri 1
1.1.2. Nhit mt tri 2
1.2. Pin mt tri 2
1.2.1. m 2
1.2.2. Hiu n 2
1.2.3.
a pin mt tri 3
1.2.4. a pin mt Tri. 5
1.3. H thnn mt tri 11
1.4. n mt tri 11
1.5. n mt tri ti Vit Nam 13
1.5.1. Tin mt tri Vit Nam 13
1.5.2. Nhng d n mt tri Vit Nam 14
15
a h thng Micro Inverter 15
2.1.
15
2.1.1.
. 15
2.1.2.
-inverter. 16
2.1.3.
m c
-inverter so v 16
2.2.
-inverter. 17
2.2.1.
18
2.2.2.
(Filter) 25
2.2.3.
-DC converter 27
35
Thit k ng phng lc h thng Micro-inverter 35
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :ii
3.1. n 35
3.2. Thit k mng lc b micro-inverter 37
3.2.1. Thit k mch lc LCL 38
3.2.2. Thit k b ngh 42
3.2.3. Thit k b t chiu 43
3.3. ng h th 45
48
THIT K MU KHIN 48
4.1. u thit k 48
4.2. Thit k tng quan h thng 48
4.3. Thit k chi tii 50
4.3.1. u khin 50
4.3.2. M 52
4.3.3. Mn s 56
4.3.4. Mosfet driver 56
4.3.5. Mch ngun 57
60
u khin 60
5.1. Thuu khin b mico-inverter 60
5.2. nh 61
5.2.1. H s ly c nh 63
5.2.2. t 64
5.2.3. Thui 64
5.2.4. Thun d 65
5.2.5. La chn thu 67
5.3. B u khi 67
5.4. u khing b n 71
5.5. u khii 75
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :iii
77
77
6.1. V u ca h thng 77
6.2. Chun Modbus 77
6.2.1. 77
6.2.2.
78
6.2.3.
. 79
6.3.
. 80
6.3.1. ZigBee 80
6.3.2. Thit k truyn Zigbee 82
83
KT QU THC NGHIM 83
7.1 Kt qu thc nghim vi 3 solar panels (3x110Wp)+ Acqui (24V, 35Ah) +
Microinveter 83
7.2 Kt qu thc nghim vi 2 solar panels (2x110Wp)+ Microinveter (ni trc tip
87
7.3 Th nghim hiu sut bi 88
7.4 Th nghi 89
7.5 Kt lun v kt qu thc nghim 89
91
KT LUN 91
*. Nn c n 2 91
92
PH LC 93
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :iv
Danh sách hình vẽ
-1: Cu tn ca mt tm pin mt tri. 2
1-2 :
. 3
-3: Cu to ca tm pin mt tri. 4
-4 : Hong ca pin mt tri. 4
- a pin mt tri. 5
-6 : S ph thua pin mt tr bc x ca mt tri 7
-7:S ph thua pin mt tr ca pin. 8
-t ci. 9
-1 A central solar inverter 15
-2 solar micro-inverter. 16
- micro-inverter 18
2-3.
, + R +
19
2-4
20
-5 Bi
20
-u bi rc. 23
-u bi rng cc. 24
H2-8. (a).
. (b). 26
2-9:
27
2-10.
28
2-11
28
2-12.
30
2-13 :
/DC trong CCM. 31
2-14:
/DC trong CCM 32
- n. 35
- 37
- micro-inverter 37
-4: m lc LCL. 38
-ng tn s ca b lc thit k c. 41
h 3-6 : D lc. 41
-7: B nghu. 42
-n b t chiu. 43
-i vi ti thun tr. 46
3-u ra vi ti RL ni tip 47
-u ra vi ti RLC ni tip. 47
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :v
thng micro-inverter chuyi pin mt tri kt ni mng 49
- khi tng th b micro-inverter. 50
4-2 Biu di a dsPIC33FJ16GS504 51
- 53
-4: Mt chiu. 53
-5 : Mu. 54
-6: M 55
-7: mn chuyn tr 56
- 57
-9: Mu khin MOSFET. 57
- kh-ADJ. 58
- kt ni LM2576HV-ADJ 58
- thuu khin b mico-inverter. 60
kh cha b Solar micro-inverter 61
--A ca tn u kin kim th chun. 62
--A ca tn u kin ho 62
-3: Thu d 66
--V cu kin che ph mt phn. 66
-5: B boost inverter. 68
- khu khin b 69
- ca b boost. 70
- ca b boost vi b u khin PID. 71
-9 : Ca b nght pha. 72
- khi b PLL s dng trong b micro-inverter. 74
-ng t i. 75
- ng t i. 75
-13 : b lc LCL. 76
- khu khii. 76
6-2:
-
78
6-3:
80
- 4: Cktmng 81
6-5:
81
-6: Cng mesh 82
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :vi
Danh sách các thuật ngữ viết tắt
MPPT (Maximum Power Point tnh
PV (Photovoltaic)n
PLL (Phase Locked Loop)a.
PLC (power line communication): truyi ba
PWM u bi rng xung
SM (Smart grid):
SMI (Solar Micro-inverter): b chuyn i pin mt tri kiu nh
SMPS (switch mode power supply): ngun chuyn mch kiu xung
Wp (Watt peak)nh
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :1
inverter)
1.1.
ng Mt Trng cc x n t xu Mt Tri,
cng vi mt phn nh ng ct h
tip tn khi phn ng ht
Tri hng 5 t a.
ng bc x n t ca Mt Tri tp trung t y. Mi
t Tri gi
ng mt trt ngung quan tru khi
ng h s
t, c mi mding Mt Tr
ng khong 1.400 joule trong m
t s dng ngu rt sng d
ng mt tr sn xu mi ch thc s
cui th k yu nhc nhing mt tri, nh
sa mc. T c khng hong th gi
ng mt trc bin
phong trong viu ng dng mt tri. ng dng
mt tri ph bin hin mt trt mt tri.
1.1.1.
n mt tri bing mt tr
nn.Hic sn xun t ng mt tri.
Chuyi trc tit tr d
tm pin mt tri ( c s dng nhiu
trong vic sn xun nh ng cho
hoc ching.
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :2
Chuyp bo nhi cao bng mt h thn
chii t gia nhic truyng cho
ng d sn xun vn.
1.1.2.
ng mt trc ng d ng
m thu nhit, hoc nng bo tt tri.
1.2.
Ma l to b micro inverter ng dng cho h thng pin mt tri,
a tng mt tri.
1.2.1.
Pin mt tr sn xu n
ng cg mt tru t
s s ng sn xun.
c gi u n.
-1
1.2.2.
Hiu n t hin - ng t n t c
i vt cht sau khi hp th ng t bc x n t. Hiu ng quang
u ng Hertz, do nhc Heinrich
Hertz
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :3
1-2 :
.
: khi b mt ca mt tm kim loi c chiu bi bc x n t tn
s p (lt tn s ng i kim loi n t s
hp th ng t photon chuyn tn t t do e
-
ng th l trn to
ra n (gn t b bt ra khi b mt ca tm
kim lou n t
ra nu tn s ca bc x nh n s ng bn t c
cung c ng cn thi t ra khi th (g ). n t
ng ca bc x n t c gn t. mt s cht
c chii tn s n s n t t ra
khi b mt vi , tr n t t n t dn)
chuya khi vt dn t n trong (external
photoelectric effect). Hiu n s i v t dn ca vt
di hiu u ng quang dn.
1.2.3.
a) Cấu tạo
Pin mt tru t n g
ti mt rng. Mn loi N (Ch
dn Si pha tp cht P) cc m truyn qua, lp
i ln loi P (Chn Si pha tp cht B).
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :4
t pin mt trt s n cc, lp ph
chng phn x i cho thy cu tn ca mt tm pin
mt tri:
-3
b) Nguyên tắc hoạt động
Khi hai2 l ch v m t dn
(tn t s khu n n sang p, l trng
khuc li t n p sang n. S khun n
p tii diong
min ting t n n sang p (Utx s
n s khup tc ct dn qua lp ti
Khi chip ti-n, cn t - l trc t i
ng cng ti gia tc v i din tt
s-4). Sn ph thun
cht chn, nhi lp ti i.
-
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :5
Ln p-t diode, ch n t d trng dn
n v ng.
Nn bng mt hi
theo chiu t n p qua ti v n n.
1.2.4.
a) Sơ đồ tương đương.
c chiu u ta na mt ting m
dt Trn I
ph
c ht pin mt Tr
th
Lp tit ch
n tr lp tii hn
c gc tp tii
n tr
sh
(shun).
n chy trong m
n cn tr cn tr
Rs ni tip trong m n tr trong ca pin mt Tri).
y, mt pin mt Trc chi
-
T d c nhc tr
Von Ampe ca pin mt tru:
( 1.1 )
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :6
I
ph
: n (A/m2).
I
d
: ).
I
s
:
n : c ga s ng ph thu
nghpin mt Tri. G ly n = 1;
R
s
: n tr ni tin tr trong) ca pin mt Tr
R
sh
: n tr s
q : n t (C);
n tr
sh
rt l b qua s hng cui trong biu
thc (1-ampe ca pin mt Tri cho bi biu thng
-5m quan tr
n mch I
sc
.
Th h mch V
oc
.
t ci Pin mt Tri P
M
.
b) Dòng ngắn mạch I
sc
n mch I
sc
n trong mch ca pin mt Trn mch
c cn th mch a pin bng V = 0. t
V = 0 u th
(1.2)
u kin chii tu n tr ni
tip R
s
b
d
sc
= I
ph
=
t h s t ly u kin mch I
sc
ca pin
mt Tri t l thun v bc x chi-6, cho thc
a pin mt Tri ph thu chii pin mt Tri tinh
th Si, I
sc
bc x ti E
0
T = 25
O
ng ch ng n c t t ci
bc x
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :7
-
c) Điện áp hở mạch V
OC
Th h mch V
OC
n th a pin mt tri h
(1.1
gi thit R
sh
rt lc biu thnh V
OC
ph
>> I
s
(1.3)
Trong biu thc ca V
OC
ta th thu mc tip (tha
s T c biu th
S
S
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :8
t tc t gia tc bi
ng ti ca pin mt Tr
S
(1.4)
Vi:
Trong biu thc (1 mt ti - n, g
th
ht dc
tt trong lp ti
0
= g
th
c g s
u thu thc V
OC
p-n
g
-
- h
+
S thu s
t g
0
u su
ph
0
gn t E
g
OC
i
n I
ph
bc x chi
Kt qu h mch V
OC
bc x chi
gim tuy ca pin mt tri vt tri tinh th Si,
khi nhi ng t 20
0
n 100
0
OC
gim khong 2 mV/
0
ng 0,03mA/cm
2
.
0
-7, cho thy s ph thuc
-A ca pin mt tri tinh th t -40
0
n +60
0
C.
-7:
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :9
d) Điểm làm việc cực đại
a pin mt Tri vi m bc x cho
nhi nh. Nc ca pin mt Trc ni vi t
m ct nhau ca pin mt Tr
ca ti trong t c ca pin mt Tri. Nu t n ca
mt pin mt Trt tn tr Ohm thung
thc t i vi tr
-8nh lung ht pin mt
tri cp cho ti ch ph thu n tr R.
Trong t t pin mt Tri cp cho ti R bng di nht
gii hn b cc. V
c s h n ti m
R=R
OPT
t t c ng vt
c-8m tia pin mt
Tr
ng hypecbol).
-
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :10
cn tr ti t
OPT
nh t nh
lut Ohm:
(1.5)
u ki bc x c ta thy:
Nn tr ti nh, R << R
OPT
, pin mt trc trong min
n gn bn mch I
SC
.
Nn tr ti R ln, R >> R
OPT
, pin mt Trc trong min PS vi
hin th gng th h mch V
OC
.
Ta thy rng pin mt Tri ch u qu khi t
cn R
OPT
c bc
i vi mt m c x mt Tr
cc theo tha pin mt
Trch chuyc ra khc ti
nh t ra ci ca pin mt tru ki bc
x nhu kin th nghim chun ( STC :
bc x 1000W/m
2
25
0
C.
n ch nh
u ki u kin hong thc
t.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Hiu sut chuy l ph
tc ni vi t
(1.6)
Vi:
E (W/m2) bc x ti.
: di mt ca pin.
Tha s l s git ci vi ta th mch h V
OC
ngn mch I
SC
.
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :11
(1.7)
n mch I
SC
, th mch h V
OC
sut ci P
max
nh t Ampe.
1.3.
H thn mt tri t h thng bao gm pin mt tri,
t b ngh u phi
chp cho ph ti. Hin nay h thn mt tri
i ch thn mt tri n thn mt tri
c lp.
- H thn mt tri ni: t chiu t t trc
bin i n xoay chiu c mng i
nghi c s dng ph bin ,
Nht Bm ca loi ngu
tr n chim t tr
thng phi c c bo ng phc t ng.
- H thn mt trc l pin mt tr c bii
n xoay chiu cung cp trc ti tc lp ho c
dn thit. H th
nhn, hoc s dng gia
Trong mt h th n mt tr c lp hay n u cn ph
ngh bin mt chiu t m pin mt trn xoay chi
s c tu n xoay chi
u thit k b micro-inverter vi ch
ngh hoc c hai h thn mt trc li.
1.4.
T i n ra hi
ng mt trn mt trc tit bc.
T nhng ng dng nh Vin nhng chi
mt tri ti v ng mt tri ca Mt gp
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :12
nhng chic bng mt tri i
Phi, ti nhng b n mt tr Bangladesh, hay nhng trang tri
n mt tri r c.
i thc th gii gn sn xut
t ng mt tri t lt m c
n 50% ln sn xut ra t ng mt tr, bng
mt na nhu ca c c ta.
t ln mt tri n mc
nh nhng n lc v n, h tr c bi
bi tr n t ng mt tri.
sut l l t lt
n mt tri t 16GW, ch mt t xp x
40GW.
Trong m ti 75% s n t ng mt tri. Trung
Qumt th ng mi ni nh s p sn xut
pin mt tri u
t l Ba khu vc sn xun mt tr
ca th gii t Bn, Trung Qu
c M.
ng hi gin,
n mt tr ng vt cho mt
Theo kh a PVR Partners () mt ph
sut lt m thng ln t 500kWp tr
Nh nhng n l cu sui 40% theo kt qu
ca NREL), hay t 16-i pin tinh th ng
lc ln mt tri nh gim v
dia pin mt tri.
D n nht th gii v ti sa mc Sahara vt
100GW, cung cp cho nhu cng c ki
i s tham gia ca 12 t gii v d n 555
t USD. (
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :13
Mt s d n mt tr gii
m d
c
CS(MWp)
1
N n mt tri Sarnia PV
Canada
97
2010
2
n mt tri Montalto di Castro
84
2010
3
Solarpark Finsterwalde I,II,III
c
80
2010
4
n mt tri Rovigo
71
2010
5
n mt tri Parque Fotovoltaico
Nha
60
2008
6
n mt tri Solarpark
c
54
2009
7
n mt tri Solarpark Lieberose
c
53
2009
8
n mt tri Copper Mountain
Solar Facility
M
48
2010
9
n mt tri Parque
FotovoltaicoPuertollano
Nha
48
2008
10
nmttri Moura
B
Nha
46
2008
Bng 1 n mt tri ln nht th gi
(Ngun: Denis Lenardic, pvresources.com/Solarserver)
1.5.
1.5.1.
Vit Nam thuc x mt tr gii, vi s gi nng
d
ng t1600-2600gi
,
p x 5kwh/m
2
/
khu vt ln v ng mt trc bii khu vc min Trung
n Nam. Tu s dt
b chy bng mt tri t ln, k c khu v
khu vt tri v thay th cho thu n nh khi hanh
ng d tr i qu cung cp
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :14
Ngay t nh 80-90 ca th k XX, Vi ng
c v o do mt s tham gia.
t u, ng dn ch dng
thc nh lt t n phc chuyn
ngh sn xut vi Hi tho v hot
cu ng dng mi & o Vi
ng d c mt s ngun u ng dng
pin mt tri cung cng
n; nhit mt tri ch y sn xuc st
c mm, sy sn ph nghip, v.v Hin nay, Vic hin
mt s d ng mng k ho
trin ng dnng mo do th gi.
n mt trng ci
n.
1.5.2.
Tuy tin mt tri Vit ln
mt tri hi n mt tri Vit Nam ch y
l t th nghi n mt tri
thn mt trc lp cung cn qu
th n mt tr
bi k
- D n mt tr Qung Nam vi 166 tm pin mt
tri tt 28 kWp.
- i ngh Quc gia M t 154KW.
- D ng Trch, B Trch, Qut 11kWp.
- H thn mt tri cung cn cho qung Sa.
nh nhng d n mt trc lp k thn mt tri ni
u xut hin Vi thn mt tr
t 12kW. D i m
y s hiu qu c
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :15
I
2.1.
(DC)
,
,
.
2 :
(central inverter)
-inverter.
2.1.1.
.
ra
,
.
g
,
.
,
-islanding.
-1 A central solar inverter
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo micro inverter- Đề tài cấp Bộ 2012
Trang :16
2.1.2.
-inverter.
-
. nhiu
-
. ,
.
-2 solar micro-inverter.
2.1.3.
micro-
Micro-
.
,
t ,
ng l ,
,
a. C t ni kiu central inverter
gm nhiu panel solar mc ni tip, song
i vi mt inverter duy nht
i
n
i
n
b. C ci tin ca central inverter bng
m bt s cells cho mi inverter.
i
n
c. Ct ni kiu micro-inverter:
mi inverter ch kt ni duy nht mt
