專利名稱：基于fpga的太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種基于FPGA的太陽(yáng)能光 伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的加重，世界各國(guó)都在積極發(fā)展新能源，太陽(yáng)能作為一種清潔、無(wú)污 染和可再生性的新能源，受到世界各國(guó)的重視。光伏發(fā)電是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的一個(gè)重要的 方向。國(guó)內(nèi)外，政府的政策支持和消費(fèi)者對(duì)綠色電力的偏愛(ài)使得光伏能源市場(chǎng)正在快速的 擴(kuò)張，美國(guó)的“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”、日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”、德國(guó)的“ 10萬(wàn)屋頂發(fā)電計(jì)劃，，都取得了 重大進(jìn)展，英國(guó)通過(guò)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(guó)近年來(lái)也已 開(kāi)始進(jìn)行試點(diǎn)和示范，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)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(shì)。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(wèn)題成為目前的研究熱點(diǎn)。解決光伏發(fā)電調(diào)度性的關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確快速的預(yù)測(cè)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的輸出 功率。目前國(guó)內(nèi)在該方面的研究主要是針對(duì)大中型的光伏電站，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)單的日 模型預(yù)測(cè)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的輸出功率。上述方法運(yùn)算量大，難于在常見(jiàn)的控制芯片上實(shí) 現(xiàn)。本系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測(cè)算法，一方面，將在FPGA上實(shí)現(xiàn)的基于卡 爾曼濾波與演化建模結(jié)合的氣候預(yù)測(cè)方法的氣候預(yù)測(cè)結(jié)果作為輸入，大大減少了功率預(yù)測(cè) 的計(jì)算量；另一方面，充分考慮了氣象因素及系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行效率，從而使得功率預(yù)測(cè)值更 為準(zhǔn)確。該方法計(jì)算量小，易于在常見(jiàn)控制芯片上實(shí)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(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)戶 用光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)以及與電網(wǎng)調(diào)度中心的通信，增強(qiáng)戶用光伏發(fā)電 的可調(diào)度性。為了實(shí)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(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，包括信號(hào)檢測(cè)電路、控制電路、 通信電路、并網(wǎng)電路和驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)檢測(cè)電路、通信電路、并網(wǎng)電路的控制信號(hào)輸入端以 及驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)輸入端連接。所述信號(hào)檢測(cè)電路包括傳感器、前端調(diào)理電路、模擬開(kāi)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(guò)模擬開(kāi)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(yùn)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(chǎng)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(yǔ)言VerilogHDL實(shí)現(xiàn)控制算法和基于BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測(cè)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(guò)RJ-45與電網(wǎng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)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(gè)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(guò)光耦隔離器6N137與控制電路的并網(wǎng)控制信號(hào)輸出端口連接。所述驅(qū)動(dòng)電路包括驅(qū)動(dòng)芯片和光耦隔離器，驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)器件控制端連接。本發(fā)明的特點(diǎn)是1.實(shí)現(xiàn)對(duì)戶用光伏逆變并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率預(yù)測(cè)本系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測(cè)算法，該算法將信號(hào)檢測(cè)電路采集的t時(shí) 刻的光照強(qiáng)度和溫度、逆變系統(tǒng)t時(shí)刻的并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流、天氣類(lèi)型、氣候預(yù)測(cè)的t+1 時(shí)刻的光照強(qiáng)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(yùn)行效率，從而使得功率預(yù)測(cè)值更為準(zhǔn)確。電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)可以根據(jù)預(yù)測(cè)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(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，提高電力系統(tǒng)運(yùn) 行的安全性和穩(wěn)定性，降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本，充分利用太陽(yáng)能資源。2.實(shí)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(shí)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(cè)值實(shí)時(shí)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(yuǎn)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(duì)電 網(wǎng)的不利影響，增強(qiáng)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(cè)算法片上化實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的功率預(yù)測(cè)算法，在FPGA上分模塊采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL實(shí) 現(xiàn)，提高了算法的運(yùn)行速度。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，基于FPGA的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)能夠?qū)?現(xiàn)預(yù)測(cè)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的發(fā)電功率，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度中心的實(shí)時(shí)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(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步的說(shuō)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(hào)檢測(cè)示意圖；圖3為本發(fā)明的信號(hào)檢測(cè)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(cè)模型具體實(shí)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(shí)施方式對(duì)本 發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D1所示，一種基于FPGA的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)包括信號(hào)檢測(cè)電路 101、控制電路102、通信電路103、并網(wǎng)電路104和驅(qū)動(dòng)電路105，信號(hào)檢測(cè)電路101、通信電 路103、并網(wǎng)電路104以及驅(qū)動(dòng)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?qǐng)D2所示，信號(hào)檢測(cè)電路101在控制電路102的控制下，實(shí)時(shí)采集光照強(qiáng)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(cè)值 發(fā)送給電網(wǎng)調(diào)度中心并接收遠(yuǎn)程控制指令。并網(wǎng)電路104在并網(wǎng)控制信號(hào)S7 S12控制下， 實(shí)現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電。驅(qū)動(dòng)電路105將％ ％放大驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件，其中， S0控制DC/DC升壓電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷，實(shí)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(gè)開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)逆變。參照?qǐng)D3所示，具體實(shí)現(xiàn)上，信號(hào)檢測(cè)電路101包括有傳感器(光照強(qiáng)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(kāi)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(yùn)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(guò)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(xì)的管腳連接如圖3所示。參照?qǐng)D4所示，控制電路102是系統(tǒng)的核心，包括可編程邏輯門(mén)陣列(Virtex-5系 列)(C5VLX110T)、時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、JTAG接口、程序存儲(chǔ)芯片XCF32、日歷芯片 DS1302、異步串行通信電路、擴(kuò)展的SRAM、擴(kuò)展的FLASH、GPIO擴(kuò)展接口。其中，GPIO擴(kuò)展 接口包括PWM輸出端口、并網(wǎng)控制信號(hào)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(jìn)行連接。參照?qǐng)D5所示，信號(hào)檢測(cè)電路101的模擬開(kāi)關(guān)ADG704在通道選擇信號(hào)cs控制下 同步采樣6路信號(hào)，控制電路102控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364對(duì)6路信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并 實(shí)時(shí)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(guò)RJ-45與電網(wǎng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)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(gè)雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，三個(gè)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(guò)光耦隔離器6N137與控制電路102的并網(wǎng)控制信號(hào)輸出端口相連。并網(wǎng)控制信號(hào)s7 S12控制并網(wǎng)電路的三個(gè)雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)并網(wǎng)和脫網(wǎng)。需要說(shuō)明的是，系 統(tǒng)并網(wǎng)算法采用了基于電壓前饋的瞬時(shí)電流控制算法。驅(qū)動(dòng)電路105由光耦隔離器6附37和IGBT驅(qū)動(dòng)芯片6SD106E組成。驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)器件的控制端相連。需要說(shuō)明的是，系統(tǒng)的控制對(duì)象是由太陽(yáng)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(cè)算法為3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 7-16-1，隱層節(jié)點(diǎn)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(duì)數(shù)S型函數(shù)。輸入?yún)?shù)進(jìn)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(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，包括信號(hào)檢測(cè)電路(101)、控制電 路(102)、通信電路(103)、并網(wǎng)電路(104)和驅(qū)動(dòng)電路(105)，其特征在于，信號(hào)檢測(cè)電路 (101)、通信電路(103)、并網(wǎng)電路(104)的控制信號(hào)輸入端以及驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，其特征在于 所述信號(hào)檢測(cè)電路(101)包括傳感器、前端調(diào)理電路、模擬開(kāi)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(guò)模擬開(kāi)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(yùn)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(yáng)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(chǎng)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(yǔ)言Verilog HDL實(shí)現(xiàn)控制算法和基于BP神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測(cè)算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的太陽(yáng)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(guò)RJ-45與電網(wǎng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)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(yáng)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(gè)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(guò)光 耦隔離器6N137與控制電路(102)的并網(wǎng)控制信號(hào)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(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，其特征在于所 述驅(qū)動(dòng)電路(105)包括驅(qū)動(dòng)芯片和光耦隔離器，驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)器件控制端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于FPGA的太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，預(yù)測(cè)系統(tǒng)發(fā)電功率，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度中心之間的實(shí)時(shí)通信。該系統(tǒng)包括信號(hào)檢測(cè)電路、控制電路、通信電路、并網(wǎng)電路和驅(qū)動(dòng)電路。信號(hào)檢測(cè)電路、通信電路、并網(wǎng)電路以及驅(qū)動(dòng)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(cè)算法，來(lái)預(yù)測(cè)戶用光伏逆變系統(tǒng)的發(fā)電功率，并將預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)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(cè)結(jié)果合理安排光伏發(fā)電和常規(guī)電源的運(yùn)行方式，減少戶用光伏發(fā)電裝置接入不當(dāng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響，增強(qiáng)光伏發(fā)電的可調(diào)度性。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102142693SQ201110057738
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西安交通大學(xué)