专利名称：基于fpga的太阳能光伏并网逆变控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体地说，涉及一种基于FPGA的太阳能光 伏并网逆变控制系统。
背景技术：
随着能源危机的加重，世界各国都在积极发展新能源，太阳能作为一种清洁、无污 染和可再生性的新能源，受到世界各国的重视。光伏发电是开发利用太阳能的一个重要的 方向。国内外，政府的政策支持和消费者对绿色电力的偏爱使得光伏能源市场正在快速的 扩张，美国的“百万屋顶计划”、日本的“阳光计划”、德国的“ 10万屋顶发电计划，，都取得了 重大进展，英国通过立法要求可再生能源发电必须占到电力的一定比例。我国近年来也已 开始进行试点和示范，光伏发电产业取得了长足的发展。伴随着光伏发电产业的蓬勃发展，光伏发电系统并网发电是现在的发展趋势。但 是光伏发电能量密度低、稳定性差和调节能力差，因此如何解决光伏并网发电调度性差的 问题成为目前的研究热点。解决光伏发电调度性的关键在于如何准确快速的预测光伏并网逆变系统的输出 功率。目前国内在该方面的研究主要是针对大中型的光伏电站，根据历史数据和简单的日 模型预测光伏并网逆变系统的输出功率。上述方法运算量大，难于在常见的控制芯片上实 现。本系统采用基于BP神经网络的功率预测算法，一方面，将在FPGA上实现的基于卡 尔曼滤波与演化建模结合的气候预测方法的气候预测结果作为输入，大大减少了功率预测 的计算量；另一方面，充分考虑了气象因素及系统当前的运行效率，从而使得功率预测值更 为准确。该方法计算量小，易于在常见控制芯片上实现。
发明内容
本发明的目的是在于提供基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，实现对户 用光伏并网逆变系统的发电功率进行预测以及与电网调度中心的通信，增强户用光伏发电 的可调度性。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，包括信号检测电路、控制电路、 通信电路、并网电路和驱动电路，信号检测电路、通信电路、并网电路的控制信号输入端以 及驱动电路的输入端分别与控制电路连接，控制系统的通信电路与电网调度中心连接，并 网电路的两端分别连接逆变器的低通滤波电路和电网，驱动电路的输出端与逆变器的逆变 直流升压电路和逆变电路的控制信号输入端连接。所述信号检测电路包括传感器、前端调理电路、模拟开关ADG704和模数转换芯片 ADS8364，传感器与前端调理电路连接，前端调理电路输出端通过模拟开关与数模转换芯片 的输入通道连接，在此，前端调理电路是由运算放大器AD620组成的滤波放大电路。
所述控制电路采用Xilinx高性能Virtex-5系列现场可编程逻辑器件)(C5VLX110T 作为主处理芯片，并在该芯片上使用硬件描述语言VerilogHDL实现控制算法和基于BP神 经网络的功率预测算法。所述通信电路包括物理层网络芯片M88E1111和Halo HFJ11-1G01ERJ-45， M88E1111的数据接收管脚RXDO RXD7与控制电路的数据接收端口连接，M88E1111的数据 发送管脚T)(D0 T)(D7与控制电路的数据发送端口连接，M88E1111的控制管脚与控制电路 的通信控制端口连接，M88E1111通过RJ-45与电网调度网络连接，实现TCP/IP通信协议下 的网络通信。所述并网电路包括双向晶闸管和光耦隔离器，三个双向晶闸管输入端分别与逆变 器的a相、b相、c相连接，输出端依次与电网的a相、b相、c相连接，双向晶闸管的控制端 通过光耦隔离器6N137与控制电路的并网控制信号输出端口连接。所述驱动电路包括驱动芯片和光耦隔离器，驱动芯片的输入端经过光耦隔离器与 控制电路的PWM输出端口连接，输出端与逆变器的开关器件控制端连接。本发明的特点是1.实现对户用光伏逆变并网发电系统的发电功率预测本系统采用基于BP神经网络的功率预测算法，该算法将信号检测电路采集的t时 刻的光照强度和温度、逆变系统t时刻的并网电压和并网电流、天气类型、气候预测的t+1 时刻的光照强度和温度、电池板的额定功率作为输入，充分考虑了气象因素及系统当前的 运行效率，从而使得功率预测值更为准确。电网调度部门可以根据预测结果，统筹安排常规 电源和光伏发电的协调配合，及时调整调度计划，合理安排电网运行方式，提高电力系统运 行的安全性和稳定性，降低电力系统的运行成本，充分利用太阳能资源。2.实现与电网调度中心的通信相比于传统的光伏逆变器控制系统，由于本系统的通讯电路实现光伏发电系统与 电网调度中心的通信，将系统的功率预测值实时传输给电网调度中心，作为电网调度的参 考。电网调度中心可以远程控制发电系统并网，从而减少户用光伏发电装置接入不当对电 网的不利影响，增强光伏发电的可调度性。3.基于BP神经网络的功率预测算法片上化实现本发明所述的功率预测算法，在FPGA上分模块采用硬件描述语言Verilog HDL实 现，提高了算法的运行速度。本发明采用上述技术方案后，基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统能够实 现预测并网逆变系统的发电功率，并实现与电网调度中心的实时通信。户用光伏发电系统 的可调度性得到了很大的提高。
下面结合附图给出的实施例，对本发明的技术内容作进一步的说明。图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的信号检测示意图；图3为本发明的信号检测电路原理图；图4为本发明的控制电路结构示意图5为本发明的电路连接示意图；图6为基于BP神经网络的功率预测模型具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本 发明作进一步的详细说明。参照图1所示，一种基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统包括信号检测电路 101、控制电路102、通信电路103、并网电路104和驱动电路105，信号检测电路101、通信电 路103、并网电路104以及驱动电路105分别与控制电路102连接，并在控制电路控制下协
调工作。参照图2所示，信号检测电路101在控制电路102的控制下，实时采集光照强度、 温度、光伏电池板输出电流、并网电压、并网电流和电网电压。通信电路103将功率预测值 发送给电网调度中心并接收远程控制指令。并网电路104在并网控制信号S7 S12控制下， 实现光伏逆变系统的并网发电。驱动电路105将％ ％放大驱动相应的开关器件，其中， S0控制DC/DC升压电路开关器件的导通关断，实现将光伏电池输出电压升压至400V。S1 S6为控制电路102输出的6路PWM波形，控制DC/AC逆变电路的6个开关器件实现逆变。参照图3所示，具体实现上，信号检测电路101包括有传感器(光照强度传感器、 温度传感器、直流电流传感器、交流电流传感器和交流电压传感器)、模拟开关ADG704、前 端调理电路和模数转换芯片ADS8364。其中，前端调理电路是由运算放大器AD620组成的滤 波放大电路。传感器与前端调理电路连接，前端调理电路输出端通过ADG704与ADS8364的 输入通道连接，ADS8364的数据输出管脚与控制电路102的ADC数据读端口连接，ADS8364 的控制管脚与控制电路102的ADC控制端口连接，详细的管脚连接如图3所示。参照图4所示，控制电路102是系统的核心，包括可编程逻辑门阵列(Virtex-5系 列)(C5VLX110T)、时钟电路、电源电路、复位电路、JTAG接口、程序存储芯片XCF32、日历芯片 DS1302、异步串行通信电路、扩展的SRAM、扩展的FLASH、GPIO扩展接口。其中，GPIO扩展 接口包括PWM输出端口、并网控制信号输出端口、通道选择控制端口、ADC控制端口、ADC数 据读端口、通信控制端口、数据接收端口和数据发送端口，上述端口经电平转换电路与FPGA 芯片进行连接。参照图5所示，信号检测电路101的模拟开关ADG704在通道选择信号cs控制下 同步采样6路信号，控制电路102控制模数转换芯片ADS8364对6路信号进行AD转换，并 实时读取AD转换的结果。通信电路103包括物理层网络芯片M88E1111和Halo HFJ11-1G01ERJ-45， M88E1111的数据接收管脚RXDO RXD7与控制电路102的数据接收端口连接，M88E1111的 数据发送管脚T)(D0 T)(D7与控制电路102的数据发送端口连接，M88E1111的控制管脚与 控制电路102的通信控制端口连接，M88E1111通过RJ-45与电网调度网络连接，实现TCP/ IP通信协议下的网络通信。并网电路104采用三个双向晶闸管实现软并网，三个双向晶闸管输入端分别与逆 变器的a相、b相、c相连接，输出端依次与电网的a相、b相、c相连接。双向晶闸管的控制 端通过光耦隔离器6N137与控制电路102的并网控制信号输出端口相连。并网控制信号s7 S12控制并网电路的三个双向晶闸管实现光伏逆变系统并网和脱网。需要说明的是，系 统并网算法采用了基于电压前馈的瞬时电流控制算法。驱动电路105由光耦隔离器6附37和IGBT驱动芯片6SD106E组成。驱动芯片 6SD106E的输入端经光耦隔离器件与控制电路102的PWM输出端口相连接，输出端与逆变器 的开关器件的控制端相连。需要说明的是，系统的控制对象是由太阳能电池板106、逆变直流升压电路107、 逆变电路108、低通滤波电路109和电网110组成的光伏并网发电系统。其中逆变直流升压 电路107采用典型的Boost升压电路结构，逆变电路108采用全桥电压型逆变结构，逆变电 路控制算法采用电压空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)，低通滤波电路109采用LC低通滤波
ο系统采用的基于BP神经网络的功率预测算法为3层网络结构，网络节点数为 7-16-1，隐层节点数可调整。输入层激活函数为线性函数，隐层激活函为双曲正切S型函 数，输出层激活函数为对数S型函数。输入参数进行归一化处理，归一化公式如式(1)所示。
权利要求
1.一种基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，包括信号检测电路(101)、控制电 路(102)、通信电路(103)、并网电路(104)和驱动电路(105)，其特征在于，信号检测电路 (101)、通信电路(103)、并网电路(104)的控制信号输入端以及驱动电路(105)的输入端分 别与控制电路(102)连接，控制系统的通信电路(103)与电网调度中心(111)连接，并网电 路(104)的两端分别连接逆变器的低通滤波电路(109)和电网(110)，驱动电路(105)的输 出端与逆变器的逆变直流升压电路(107)和逆变电路(108)的控制信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，其特征在于 所述信号检测电路(101)包括传感器、前端调理电路、模拟开关ADG704和模数转换芯片 ADS8364，传感器与前端调理电路连接，前端调理电路输出端通过模拟开关与数模转换芯片 的输入通道连接，在此，前端调理电路是由运算放大器AD620组成的滤波放大电路。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，其特征在于所 述控制电路(10 采用Xilinx高性能Virtex-5系列现场可编程逻辑器件)(C5VLX110T作 为主处理芯片，并在该芯片上使用硬件描述语言Verilog HDL实现控制算法和基于BP神经 网络的功率预测算法。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，其特征在于所 述通信电路(103)包括物理层网络芯片M88E1111和HaloHFJll-IGOlE RJ_45，M88E1111的 数据接收管脚R )0 RXD7与控制电路(102)的数据接收端口连接，M88E1111的数据发送 管脚T)(D0 T)(D7与控制电路(102)的数据发送端口连接，M88E1111的控制管脚与控制电 路(102)的通信控制端口连接，M88E1111通过RJ-45与电网调度网络连接，实现TCP/IP通 信协议下的网络通信。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，其特征在于所 述并网电路(104)包括双向晶闸管和光耦隔离器，三个双向晶闸管输入端分别与逆变器的 a相、b相、c相连接，输出端依次与电网的a相、b相、c相连接，双向晶闸管的控制端通过光 耦隔离器6N137与控制电路(102)的并网控制信号输出端口连接。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，其特征在于所 述驱动电路(105)包括驱动芯片和光耦隔离器，驱动芯片的输入端经过光耦隔离器与控制 电路(10 的PWM输出端口连接，输出端与逆变器的开关器件控制端连接。
全文摘要
本发明公开了一种基于FPGA的太阳能光伏并网逆变控制系统，它能够控制户用光伏逆变系统实现并网发电，预测系统发电功率，实现与电网调度中心之间的实时通信。该系统包括信号检测电路、控制电路、通信电路、并网电路和驱动电路。信号检测电路、通信电路、并网电路以及驱动电路分别与控制电路连接，并在控制电路控制下协调工作。该系统利用基于BP神经网络的功率预测算法，来预测户用光伏逆变系统的发电功率，并将预测结果实时发送给电网调度中心。电网调度中心可以根据预测结果合理安排光伏发电和常规电源的运行方式，减少户用光伏发电装置接入不当对电网的不利影响，增强光伏发电的可调度性。
文档编号H02J3/38GK102142693SQ201110057738
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者庄健, 张子光, 杨清宇, 葛思擘, 邢志勐 申请人:西安交通大学