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

1

Solar Energy

2

Control single-phase inverter

3

TMS320F2812 DSP

4

Experimental results

5

Conclusions and Future Works

PFIEV

Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007.

1


CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP

PFIEV

1

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.

2


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 2 → 40 mA cm 2

•

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.

3


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.

4


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.

5


CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP

PFIEV

2

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.

6


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.

7


Space Vector Modulation
CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP

•

PFIEV

Dwell Times Caculation

⎧
2V
sin(π 3 − α )
⎪T1 = aTs = 3Ts
V
DC
⎪
⎪⎪
2V
sin(α )

00 ≤ α ≤ π 3
⎨T2 = bTs = 3Ts
VDC
⎪
⎪T0 = Ts − T1 − T2
⎪
⎪⎩

(

Switching sequence

)

Total number of switchings: 4

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.

8

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 3 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.

9

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
1
=
⎛ 1
⎞ 1 − ω 2 LC + j ω L
+ 1
1 + jω L ⎜
⎟
jωC
ZL

⎝ ZL
⎠

frequency

f 0 = 1/(2π LC )
Khoa Điện-Điện Tử 2002 – 2007.

CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP

PFIEV

3

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 2 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

4

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

5

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