專利名稱：基于fpga的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種基于FPGA的太陽能光 伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著能源危機的加重，世界各國都在積極發(fā)展新能源，太陽能作為一種清潔、無污 染和可再生性的新能源，受到世界各國的重視。光伏發(fā)電是開發(fā)利用太陽能的一個重要的 方向。國內(nèi)外，政府的政策支持和消費者對綠色電力的偏愛使得光伏能源市場正在快速的 擴張，美國的“百萬屋頂計劃”、日本的“陽光計劃”、德國的“ 10萬屋頂發(fā)電計劃，，都取得了 重大進展，英國通過立法要求可再生能源發(fā)電必須占到電力的一定比例。我國近年來也已 開始進行試點和示范，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展。伴隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。但 是光伏發(fā)電能量密度低、穩(wěn)定性差和調(diào)節(jié)能力差，因此如何解決光伏并網(wǎng)發(fā)電調(diào)度性差的 問題成為目前的研究熱點。解決光伏發(fā)電調(diào)度性的關(guān)鍵在于如何準確快速的預(yù)測光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的輸出 功率。目前國內(nèi)在該方面的研究主要是針對大中型的光伏電站，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和簡單的日 模型預(yù)測光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的輸出功率。上述方法運算量大，難于在常見的控制芯片上實 現(xiàn)。本系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測算法，一方面，將在FPGA上實現(xiàn)的基于卡 爾曼濾波與演化建模結(jié)合的氣候預(yù)測方法的氣候預(yù)測結(jié)果作為輸入，大大減少了功率預(yù)測 的計算量；另一方面，充分考慮了氣象因素及系統(tǒng)當(dāng)前的運行效率，從而使得功率預(yù)測值更 為準確。該方法計算量小，易于在常見控制芯片上實現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對戶 用光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的發(fā)電功率進行預(yù)測以及與電網(wǎng)調(diào)度中心的通信，增強戶用光伏發(fā)電 的可調(diào)度性。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，包括信號檢測電路、控制電路、 通信電路、并網(wǎng)電路和驅(qū)動電路，信號檢測電路、通信電路、并網(wǎng)電路的控制信號輸入端以 及驅(qū)動電路的輸入端分別與控制電路連接，控制系統(tǒng)的通信電路與電網(wǎng)調(diào)度中心連接，并 網(wǎng)電路的兩端分別連接逆變器的低通濾波電路和電網(wǎng)，驅(qū)動電路的輸出端與逆變器的逆變 直流升壓電路和逆變電路的控制信號輸入端連接。所述信號檢測電路包括傳感器、前端調(diào)理電路、模擬開關(guān)ADG704和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADS8364，傳感器與前端調(diào)理電路連接，前端調(diào)理電路輸出端通過模擬開關(guān)與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 的輸入通道連接，在此，前端調(diào)理電路是由運算放大器AD620組成的濾波放大電路。
所述控制電路采用Xilinx高性能Virtex-5系列現(xiàn)場可編程邏輯器件)(C5VLX110T 作為主處理芯片，并在該芯片上使用硬件描述語言VerilogHDL實現(xiàn)控制算法和基于BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測算法。所述通信電路包括物理層網(wǎng)絡(luò)芯片M88E1111和Halo HFJ11-1G01ERJ-45， M88E1111的數(shù)據(jù)接收管腳RXDO RXD7與控制電路的數(shù)據(jù)接收端口連接，M88E1111的數(shù)據(jù) 發(fā)送管腳T)(D0 T)(D7與控制電路的數(shù)據(jù)發(fā)送端口連接，M88E1111的控制管腳與控制電路 的通信控制端口連接，M88E1111通過RJ-45與電網(wǎng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)TCP/IP通信協(xié)議下 的網(wǎng)絡(luò)通信。所述并網(wǎng)電路包括雙向晶閘管和光耦隔離器，三個雙向晶閘管輸入端分別與逆變 器的a相、b相、c相連接，輸出端依次與電網(wǎng)的a相、b相、c相連接，雙向晶閘管的控制端 通過光耦隔離器6N137與控制電路的并網(wǎng)控制信號輸出端口連接。所述驅(qū)動電路包括驅(qū)動芯片和光耦隔離器，驅(qū)動芯片的輸入端經(jīng)過光耦隔離器與 控制電路的PWM輸出端口連接，輸出端與逆變器的開關(guān)器件控制端連接。本發(fā)明的特點是1.實現(xiàn)對戶用光伏逆變并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率預(yù)測本系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測算法，該算法將信號檢測電路采集的t時 刻的光照強度和溫度、逆變系統(tǒng)t時刻的并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流、天氣類型、氣候預(yù)測的t+1 時刻的光照強度和溫度、電池板的額定功率作為輸入，充分考慮了氣象因素及系統(tǒng)當(dāng)前的 運行效率，從而使得功率預(yù)測值更為準確。電網(wǎng)調(diào)度部門可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果，統(tǒng)籌安排常規(guī) 電源和光伏發(fā)電的協(xié)調(diào)配合，及時調(diào)整調(diào)度計劃，合理安排電網(wǎng)運行方式，提高電力系統(tǒng)運 行的安全性和穩(wěn)定性，降低電力系統(tǒng)的運行成本，充分利用太陽能資源。2.實現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度中心的通信相比于傳統(tǒng)的光伏逆變器控制系統(tǒng)，由于本系統(tǒng)的通訊電路實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與 電網(wǎng)調(diào)度中心的通信，將系統(tǒng)的功率預(yù)測值實時傳輸給電網(wǎng)調(diào)度中心，作為電網(wǎng)調(diào)度的參 考。電網(wǎng)調(diào)度中心可以遠程控制發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)，從而減少戶用光伏發(fā)電裝置接入不當(dāng)對電 網(wǎng)的不利影響，增強光伏發(fā)電的可調(diào)度性。3.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測算法片上化實現(xiàn)本發(fā)明所述的功率預(yù)測算法，在FPGA上分模塊采用硬件描述語言Verilog HDL實 現(xiàn)，提高了算法的運行速度。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)能夠?qū)?現(xiàn)預(yù)測并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的發(fā)電功率，并實現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度中心的實時通信。戶用光伏發(fā)電系統(tǒng) 的可調(diào)度性得到了很大的提高。
下面結(jié)合附圖給出的實施例，對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進一步的說明。圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的信號檢測示意圖；圖3為本發(fā)明的信號檢測電路原理圖；圖4為本發(fā)明的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明的電路連接示意圖；圖6為基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測模型具體實施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實施方式對本 發(fā)明作進一步的詳細說明。參照圖1所示，一種基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)包括信號檢測電路 101、控制電路102、通信電路103、并網(wǎng)電路104和驅(qū)動電路105，信號檢測電路101、通信電 路103、并網(wǎng)電路104以及驅(qū)動電路105分別與控制電路102連接，并在控制電路控制下協(xié)
調(diào)工作。參照圖2所示，信號檢測電路101在控制電路102的控制下，實時采集光照強度、 溫度、光伏電池板輸出電流、并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓。通信電路103將功率預(yù)測值 發(fā)送給電網(wǎng)調(diào)度中心并接收遠程控制指令。并網(wǎng)電路104在并網(wǎng)控制信號S7 S12控制下， 實現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電。驅(qū)動電路105將％ ％放大驅(qū)動相應(yīng)的開關(guān)器件，其中， S0控制DC/DC升壓電路開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷，實現(xiàn)將光伏電池輸出電壓升壓至400V。S1 S6為控制電路102輸出的6路PWM波形，控制DC/AC逆變電路的6個開關(guān)器件實現(xiàn)逆變。參照圖3所示，具體實現(xiàn)上，信號檢測電路101包括有傳感器(光照強度傳感器、 溫度傳感器、直流電流傳感器、交流電流傳感器和交流電壓傳感器)、模擬開關(guān)ADG704、前 端調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。其中，前端調(diào)理電路是由運算放大器AD620組成的濾 波放大電路。傳感器與前端調(diào)理電路連接，前端調(diào)理電路輸出端通過ADG704與ADS8364的 輸入通道連接，ADS8364的數(shù)據(jù)輸出管腳與控制電路102的ADC數(shù)據(jù)讀端口連接，ADS8364 的控制管腳與控制電路102的ADC控制端口連接，詳細的管腳連接如圖3所示。參照圖4所示，控制電路102是系統(tǒng)的核心，包括可編程邏輯門陣列(Virtex-5系 列)(C5VLX110T)、時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、JTAG接口、程序存儲芯片XCF32、日歷芯片 DS1302、異步串行通信電路、擴展的SRAM、擴展的FLASH、GPIO擴展接口。其中，GPIO擴展 接口包括PWM輸出端口、并網(wǎng)控制信號輸出端口、通道選擇控制端口、ADC控制端口、ADC數(shù) 據(jù)讀端口、通信控制端口、數(shù)據(jù)接收端口和數(shù)據(jù)發(fā)送端口，上述端口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路與FPGA 芯片進行連接。參照圖5所示，信號檢測電路101的模擬開關(guān)ADG704在通道選擇信號cs控制下 同步采樣6路信號，控制電路102控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364對6路信號進行AD轉(zhuǎn)換，并 實時讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果。通信電路103包括物理層網(wǎng)絡(luò)芯片M88E1111和Halo HFJ11-1G01ERJ-45， M88E1111的數(shù)據(jù)接收管腳RXDO RXD7與控制電路102的數(shù)據(jù)接收端口連接，M88E1111的 數(shù)據(jù)發(fā)送管腳T)(D0 T)(D7與控制電路102的數(shù)據(jù)發(fā)送端口連接，M88E1111的控制管腳與 控制電路102的通信控制端口連接，M88E1111通過RJ-45與電網(wǎng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)TCP/ IP通信協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)通信。并網(wǎng)電路104采用三個雙向晶閘管實現(xiàn)軟并網(wǎng)，三個雙向晶閘管輸入端分別與逆 變器的a相、b相、c相連接，輸出端依次與電網(wǎng)的a相、b相、c相連接。雙向晶閘管的控制 端通過光耦隔離器6N137與控制電路102的并網(wǎng)控制信號輸出端口相連。并網(wǎng)控制信號s7 S12控制并網(wǎng)電路的三個雙向晶閘管實現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)并網(wǎng)和脫網(wǎng)。需要說明的是，系 統(tǒng)并網(wǎng)算法采用了基于電壓前饋的瞬時電流控制算法。驅(qū)動電路105由光耦隔離器6附37和IGBT驅(qū)動芯片6SD106E組成。驅(qū)動芯片 6SD106E的輸入端經(jīng)光耦隔離器件與控制電路102的PWM輸出端口相連接，輸出端與逆變器 的開關(guān)器件的控制端相連。需要說明的是，系統(tǒng)的控制對象是由太陽能電池板106、逆變直流升壓電路107、 逆變電路108、低通濾波電路109和電網(wǎng)110組成的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其中逆變直流升壓 電路107采用典型的Boost升壓電路結(jié)構(gòu)，逆變電路108采用全橋電壓型逆變結(jié)構(gòu)，逆變電 路控制算法采用電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)，低通濾波電路109采用LC低通濾波
ο系統(tǒng)采用的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測算法為3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為 7-16-1，隱層節(jié)點數(shù)可調(diào)整。輸入層激活函數(shù)為線性函數(shù)，隱層激活函為雙曲正切S型函 數(shù)，輸出層激活函數(shù)為對數(shù)S型函數(shù)。輸入?yún)?shù)進行歸一化處理，歸一化公式如式(1)所示。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，包括信號檢測電路(101)、控制電 路(102)、通信電路(103)、并網(wǎng)電路(104)和驅(qū)動電路(105)，其特征在于，信號檢測電路 (101)、通信電路(103)、并網(wǎng)電路(104)的控制信號輸入端以及驅(qū)動電路(105)的輸入端分 別與控制電路(102)連接，控制系統(tǒng)的通信電路(103)與電網(wǎng)調(diào)度中心(111)連接，并網(wǎng)電 路(104)的兩端分別連接逆變器的低通濾波電路(109)和電網(wǎng)(110)，驅(qū)動電路(105)的輸 出端與逆變器的逆變直流升壓電路(107)和逆變電路(108)的控制信號輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，其特征在于 所述信號檢測電路(101)包括傳感器、前端調(diào)理電路、模擬開關(guān)ADG704和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADS8364，傳感器與前端調(diào)理電路連接，前端調(diào)理電路輸出端通過模擬開關(guān)與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 的輸入通道連接，在此，前端調(diào)理電路是由運算放大器AD620組成的濾波放大電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，其特征在于所 述控制電路(10 采用Xilinx高性能Virtex-5系列現(xiàn)場可編程邏輯器件)(C5VLX110T作 為主處理芯片，并在該芯片上使用硬件描述語言Verilog HDL實現(xiàn)控制算法和基于BP神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，其特征在于所 述通信電路(103)包括物理層網(wǎng)絡(luò)芯片M88E1111和HaloHFJll-IGOlE RJ_45，M88E1111的 數(shù)據(jù)接收管腳R )0 RXD7與控制電路(102)的數(shù)據(jù)接收端口連接，M88E1111的數(shù)據(jù)發(fā)送 管腳T)(D0 T)(D7與控制電路(102)的數(shù)據(jù)發(fā)送端口連接，M88E1111的控制管腳與控制電 路(102)的通信控制端口連接，M88E1111通過RJ-45與電網(wǎng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)TCP/IP通 信協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，其特征在于所 述并網(wǎng)電路(104)包括雙向晶閘管和光耦隔離器，三個雙向晶閘管輸入端分別與逆變器的 a相、b相、c相連接，輸出端依次與電網(wǎng)的a相、b相、c相連接，雙向晶閘管的控制端通過光 耦隔離器6N137與控制電路(102)的并網(wǎng)控制信號輸出端口連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，其特征在于所 述驅(qū)動電路(105)包括驅(qū)動芯片和光耦隔離器，驅(qū)動芯片的輸入端經(jīng)過光耦隔離器與控制 電路(10 的PWM輸出端口連接，輸出端與逆變器的開關(guān)器件控制端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPGA的太陽能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，它能夠控制戶用光伏逆變系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，預(yù)測系統(tǒng)發(fā)電功率，實現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度中心之間的實時通信。該系統(tǒng)包括信號檢測電路、控制電路、通信電路、并網(wǎng)電路和驅(qū)動電路。信號檢測電路、通信電路、并網(wǎng)電路以及驅(qū)動電路分別與控制電路連接，并在控制電路控制下協(xié)調(diào)工作。該系統(tǒng)利用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測算法，來預(yù)測戶用光伏逆變系統(tǒng)的發(fā)電功率，并將預(yù)測結(jié)果實時發(fā)送給電網(wǎng)調(diào)度中心。電網(wǎng)調(diào)度中心可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果合理安排光伏發(fā)電和常規(guī)電源的運行方式，減少戶用光伏發(fā)電裝置接入不當(dāng)對電網(wǎng)的不利影響，增強光伏發(fā)電的可調(diào)度性。
文檔編號H02J3/38GK102142693SQ201110057738
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者莊健, 張子光, 楊清宇, 葛思擘, 邢志勐 申請人:西安交通大學(xué)