CN110336372B - 基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，主要由分布式功率变换器、分布式传感器、MEPT控制器、数据隔离采集板、智能控制网关、云端服务器、远程监控终端等组成。本发明所述及的分布式风电智能功率变换器采用了多网络、多平台、多学科交叉式知识融合型技术，具有高效率，模块化，安全可靠，便于安装维护，性价比高等优点，有效地提高了分布式风力发电的安全可靠性以及减轻了工程师和维修人员的工作量。

Description

基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器
技术领域
本发明涉及风力发电、云控制、物联网、计算机应用技术等领域，具体涉及一种基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器。
背景技术
2018年是中国分布式风力发电的元年，与传统大风场集中式风力发电相比，分布式风电的特点是功率小、数量大、分布广泛特别是人口密集区，从而可以充分利用分散的风能资源。鉴于分布式风力发电的特点，对分布式风电的完全提出了航天级别的要求，因此需要更加智能化的分布式风电功率变换器。互联网技术的发展促使更加“智能化”的功率变换器的发展，本发明对传统的功率变换器进行改进，设计一种基于多平台、技术融合型智能功率变换器，对功率变换器进行控制和监测，确保整个风电系统安全可靠和经济运行。
据调查，现有的功率变换器虽在一定程度上提高了“智能化”水平，但仍存在功率变换器结构复杂、远程监控功能不完善、模块化程度低、故障率高等缺点。基于此，针对分布式风力发电功率变换器运行过程中各种电力指标参数以及功率变换器安全状态等综合监测问题，采用多网络互联监控、计算机数据处理、分布式信息传感器、通信和数据存储、云控制、WEB、Android、虚拟仪器(NI)等技术，实现了现场分布式传感器阵列+智能网关+WiFi和GPRS双网络+基于智能监测服务器+WEB网页监测终端+NI(计算机)结构监测终端+手持式监测终端的多平台、技术融合型配电柜综合状态智能网络监测系统。该系统在实际应用中取得较佳功能效果，监测数据对工程师和维护人员有重要参考价值。
发明内容
本发明的目的在于：为了满足分布式风电航天级别的安全性要求，解决传统功率变换器结构复杂、远程监控功能不完善、模块化程度低、故障率高等缺点，针对分布式风力发电功率变换器运行过程中各种电力指标参数以及功率变换器安全状态等综合监测问题，采用多网络互联监控、计算机数据处理、分布式信息传感器、通信和数据存储、云控制、WEB、Android、虚拟仪器(NI)等技术，设计一种多平台、技术融合型智能功率变换器，对功率变换器进行控制和监测，确保整个风电系统安全可靠和经济运行。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
本发明给出的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，包括分布式风电功率变换器、分布式传感器、MEPT控制器、数据隔离采集板、智能控制网关、云端服务器、远程监控终端，所述分布式传感器分散安装至功率变换器周围以及关键元器件处，分布式传感器的信号输出端分别与智能控制网关和MEPT控制器的传感器数据采集输入接口相连；分布式功率变换器中的电气引出接口连接至数据隔离采集板中的变换器电气采集输入接口；数据隔离采集板中的信号隔离输出接口与MEPT控制器中的变换器信号采集输入接口相连，MEPT控制器中的变换器输出控制接口连接至分布式功率变换器中的控制驱动信号输入接口；智能控制网关的SPI通讯接口与MEPT控制器的SPI接口相连，智能控制网关的输出控制接口连接至分布式功率变换器中的控制驱动信号输入接口；智能控制网关经无线WiFi网络方式或GPRS移动网络方式并通过TCP/IP协议远程连接至云端服务器；远程监控终端通过互联网登录云端服务器获取分布式功率变换器实时状态信息以及进行相应控制；分布式风电功率变换器主要由电能输入端子、电能输出接口、三相整流滤波电路、功率变换主电路、隔离驱动电路、输出滤波电路、辅助工作电源电路、若干继电器控制开关电路、金属散热器、散热风扇控制电路、电气引出接口、控制驱动信号输入接口等组成；分布式传感器包括电能传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、风速传感器，各传感器的信号输出端分别连接至智能控制网关的传感器数据采集输入接口；数据隔离采集板包括若干直流电压采集模块、若干直流电流采集模块和风电功率变换器工作状态采集模块，变换器电气采集输入接口、信号隔离输出接口，变换器电气采集输入接口连接至各采集模块的输入端，各采集模块的输出端连接至信号隔离输出接口；MEPT控制器实时控制驱动功率变换器，并实现最大电功率跟踪，且MEPT控制器通过SPI通信协议与智能控制网关交换功率变换器实时工作状态，MEPT控制软件运行在MEPT控制器的主控单元STM32单片机中；智能控制网关包括STM32单片机、无线WIFI模块、GPRS联网模块、传感器数据采集输入接口、输出控制接口、SPI通讯接口，STM32的串口1连接至WiFi模块的串口端，STM32的串口2连接至GPRS联网模块的串口端，STM32的SPI_1数据管脚连接至SPI通讯接口，STM32的输出控制管脚连接至输出控制接口，传感器数据采集输入接口连接至STM32的数据输入管脚，功率变换器远程综合控制软件运行于STM32平台上；云端服务器包括功率变换器WEB服务器、功率变换器数据服务器和MySQL数据库，功率变换器数据服务器完成智能控制网关所提交数据的接收、存储和智能化分析处理，功率变换器相关数据存储在MySQL数据库中，同时功率变换器数据服务器完成与PC监控终端和手机APP监控终端的数据通信，功率变换器WEB服务器共享MySQL数据库中的功率变换器数据并通过HTTP协议将结果呈现给用户网页浏览器端；远程监控终端包括功率变换器WEB网页监控终端、功率变换器PC上位机监控终端、功率变换器手机APP监控终端，三种监控终端完成数据的可视化呈现，并为用户提供便捷式分析、控制功能，云端服务器总体功能软件基于Python开发，PC上位机监测终端基于LabVIEW平台开发，手机APP监测终端基于E4A平台开发，其运行环境是Android系统。
所述分布式功率变换器的电能输入端子连接至继电器开关输入端，继电器开关输出端连接三相整流滤波电路输入端，三相整流滤波电路输出端连接功率变换主电路输入端，功率变换主电路输出端连接输出滤波电路输入端，输出滤波电路输出端连接继电器开关输入端，继电器开关输出端连接电能输出接口，隔离驱动电路输出端连接功率变换主电路中的MOSFET开关管的控制极，辅助工作电源电路为各控制芯片提供工作电源，功率变换器中各待采集电气端子与电气引出接口相连，控制驱动信号输入接口与功率变换器各控制输入端相连；分布式功率变换器主电路采用一种新颖的、高效率的、带变压器隔离型DC/DC升压变换拓扑，该拓扑的特点是，开关管工作在零电流开通(ZCS)、零电压关断(ZVS)状态，两个二极管的开通和关断都处于零电流(ZCS)状态，从而保证功率变换器在原理上达到高效率目标；隔离驱动电路采用A3120光耦合器辅以外接电容、电阻方式，光耦合器的控制端电压为3.3V，输出驱动电压是15V，工作频率是20K HZ；辅助工作电源电路有变压器一次侧工作电源电路和变压器二次侧工作电源电路，这两侧的工作电源是非共地的，都提供15V、5V、3.3V直流电压输出；继电器控制开关电路主要控制功率变换器各模块的接通与断开，继电器采用8080三极管实现线圈的控制驱动；散热风扇控制电路采用继电器作为风机控制开关，整个分布式功率变换器实现MEPT控制的功能软件运行于MEPT控制器中的STM32单片机主控单元中。
所述数据隔离采集板包括若干直流电压采集模块、若干直流电流采集模块、风电功率变换器工作状态采集模块，变换器电气采集输入接口、信号隔离输出接口，变换器电气采集输入接口连接至各采集模块的输入端，各采集模块的输出端连接至信号隔离输出接口；直流电压采集包括发电机输出电压采集、DC_DC输入端电压采集、DC_DC输出端电压采集、蓄电池组充电电压采集；直流电流采集包括发电机输出电流采集、DC_DC输入端电流采集、DC_DC输出端电流采集、负载电流采集、蓄电池组充电电流采集；电压、电流采集电路都采用HCNR 201线性光耦将功率变换器强电端和单片机弱电端隔离；风电功率变换器工作状态采集模块包括继电器开关状态采集、负载接入状态采集、蓄电池充电状态采集、功率变换主电路运行状态采集。
所述分布式传感器包括电能传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、风速传感器，电能传感器监测功率变换器输出电能的各项指标参数，包括电压大小、电流大小、电压纹波大小、功率因数；温度传感器分散安装至功率变换器开关管上、高频变压器上和功率变换器周围，实时监测功率变换器各关键器件的温度情况；湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器分散安装在功率变换器周围；风速传感器和风力机安装在同一高度位置，且和风力机处于同一风向上。
所述MEPT控制器根据数据隔离采集板反馈信息和MEPT滑模控制控制律算法，实时调整输出PWM占空比，间接改变发电机线圈电流iq的大小，从而实现最大电功率跟踪，根据PMSG发电机和风力机的机电耦合方程
Figure GDA0003332904150000041
该机电耦合方程考虑了发电机绕组铜耗转矩Tcop，Tm为风力机的输出转矩，Te为PMSG发电机的输出转矩，Tf为传动摩擦转矩，Tcop为PMSG绕组损耗等效的铜耗转矩，取基于最佳转矩控制的状态变量为
x1＝∫[(Tm-Tf-Tcop)opt-Te]dt
＝∫[Tg-opt-Te]dt
Figure GDA0003332904150000051
其中，Tg-opt＝(Tm-Tf-Tcop)opt为最佳输出转矩给定值，在利用滑模控制器设计方法的基础上，最终推导出MEPT滑模控制律为：
Figure GDA0003332904150000052
其中，ωm为风力机的角速度，np为发电机极对数，ψf为永磁磁链，Ra为发电机三相线圈等效铜耗电阻值，η为切换增益，且η>0；z为幂指数，且0<z<1，hopt为最佳转矩系数，f为机组转轴传动摩擦系数，J为转动惯量，
Figure GDA0003332904150000053
为iq的一阶微分，s为滑模切换函数：s＝βx1+x2，其中系数β>0。
所述智能控制网关由STM32单片机、ESP8266无线WIFI模块、A7_GPRS联网模块、传感器数据采集输入接口、输出控制接口、SPI通讯接口组成，STM32VET6的串口1与ESP8266模块的串口端连接，其串口通信波特率为9600bps，通信协议是AT指令，STM32VET6单片机为控制主机，ESP8266模块为从机；STM32VET6的串口2与A7_GPRS联网模块的串口端连接，串口通信波特率为115200bps，通信协议是AT指令，STM32RCT6单片机为控制主机，A7_GPRS模块为从机；STM32VET6单片机的开发环境是KEIL MDK5，编程代码是C语言，STM32VET6运行μc/os-II操作系统；智能控制网关的整体功能包括：在网络通信故障状态下独立离网运行时，可以独立离线控制功率变换器，包括功率变换器散热控制、除湿通风控制、火灾或烟雾报警时切断相关设备的电气连接、功率变换器出现电压、电流异常或关键器件出现异常时，及时关断相应器件回路；在网络正常情况时，智能控制网关除上述功能外，智能控制网关可将传感器信息，功率变换器运行状态、功率变换器位置信息等通过网络上传至云端服务器；智能控制网关可实时接收云端服务器的控制指令，完成对功率变换器远程实时监控功能。
所述云端服务器由功率变换器WEB服务器、功率变换器数据服务器和MySQL数据库构成，整个云端服务器的各组成部分均部署在同一个主机上，主机的具体配置是：CPU为双核心、内存是4G、操作系统是Ubuntu 16.04 64位，整个服务器基于Python语言开发，功率变换器WEB服务器基于Django框架开发；功率变换器WEB服务器与网页监测终端采用B/S架构搭建，其通信协议是HTTP，功率变换器数据服务器与功率变换器手机APP监控终端和基于功率变换器PC上位机监控终端采用C/S架构，通信协议是TCP/IP；云端服务器功能主要包括：对现场功率变换器数据进行分析、存储和处理，向网页监控终端、PC监控终端和手机APP监控终端提供远程监控信息，同时云端服务器可实时向智能控制网关发送控制命令。
所述远程监控终端由功率变换器WEB网页监控终端、功率变换器PC上位机监控终端和功率变换器手机APP监控终端组成，功率变换器WEB网页基于HTML5+CSS+JS+AJAX技术在PyCharm开发环境中搭建，网页主要由用户首页、登录/注册页、监测控制页构成；功率变换器PC上位机监测终端在LabVIEW 2016平台上搭建；功率变换器手机APP基于E4A平台开发，开发语言是易语言，功率变换器手机APP由智能功率变换器配置和状态窗口以及智能功率变换器电气参数和控制窗口组成；三种监控终端都具有功率变换器状态信息查看、控制、数据报表、历史状态信息、警报提醒等功能。
所述MEPT控制器和智能控制网关在采集电压、电流等传感器信号值时，采用一种高效率、高准确率的滤波方法进行信号滤波，滤波策略是：设某一参数的采样次数为整数N，N>3采样值数据序列为{get(i)}0<i<N+1，i为整数，取去扰因子为整数K，K>1，且(N-2K)>1，先对N个采样值进行从小到大排序处理即：Bubble({get(i)})，0<i<N+1，Bubble()函数对数据系列进行从小到大排序，经过Bubble()函数处理过的采样数据序列为{opt(M)}0<M<N+1，M为整数，剔除系列{opt(M)}中前后各K个采样值得到新的采样值序列{new(s)}0<s<N+1-2K，则最终的采样滤波值OUT为
Figure GDA0003332904150000061
与现有技术相比本发明的优点在于：
(1)分布式风电智能功率变换器结构简单、模块化程度高、性价比高，可维护性强。
(2)分布式风电智能功率变换器效率高、功能完善、远程监测方式灵活多样，智能化程度高。
附图说明
图1为本发明一个实施例系统总体结构组成图。
图2为分布式功率变换器结构组成图。
图3为分布式功变换器主电路DC_DC拓扑图。
图4为主电路DC_DC拓扑调试波形图。
图5为辅助工作电源电路图。
图6为分布式传感器结构组成图。
图7为MEPT控制器结构组成图。
图8数据隔离采集板结构组成图。
图9为数据隔离采集板中的BOOST输出电压采集电路图。
图10为智能控制网关结构组成图。
图11为云端服务器结构组成图。
图12为远程监控终端结构组成图。
具体实施方式
以一种200W分布式风电智能功率变换器为例，结合附图对本发明作进一步说明。
所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器由分布式风电功率变换器、分布式传感器、MEPT控制器、数据隔离采集板、智能控制网关、云端服务器、远程监控终端组成。
参见附图1，分布式风电智能功率变换器由分布式风电功率变换器1、分布式传感器2、MEPT控制器3、数据隔离采集板4、智能控制网关5、云端服务器6、远程监控终端7组成；智能功率变换器总体连接方式是：分布式传感器分散安装至功率变换器周围以及关键元器件处，分布式传感器的信号输出端分别与智能控制网关和MEPT控制器的传感器数据采集输入接口相连；分布式功率变换器中的电气引出接口连接至数据隔离采集板中的变换器电气采集输入接口404；数据隔离采集板中的信号隔离输出接口405与MEPT控制器中的变换器信号采集输入接口303相连，MEPT控制器中的变换器输出控制接口304连接至分布式功率变换器中的控制驱动信号输入接口111；智能控制网关5的SPI通讯接口506与MEPT控制器的SPI接口305相连，智能控制网关的输出控制接口505连接至分布式功率变换器中的控制驱动信号输入接口111；智能控制网关5经无线WiFi网络方式或GPRS移动网络方式并通过TCP/IP协议远程连接至云端服务器6；远程监控终端7通过互联网登录云端服务器6获取分布式功率变换器实时状态信息以及进行相应控制。
参见附图2，分布式风电功率变换器1主要由电能输入端子101、电能输出接口102、三相整流滤波电路103、功率变换主电路104、隔离驱动电路105、输出滤波电路106、辅助工作电源电路107、继电器控制开关电路108、散热风扇控制电路109、电气引出接口110、控制驱动信号输入接口111等组成。电能输入端子101连接至继电器开关108输入端，继电器开关108输出端连接三相整流滤波电路103输入端，三相整流滤波电路103输出端连接功率变换主电路104输入端，功率变换主电路104输出端连接输出滤波电路106输入端，输出滤波电路106输出端连接继电器开关108输入端，继电器开关108输出端连接电能输出接口102，隔离驱动电路105输出端连接功率变换主电路104中的MOSFET开关管的控制极，辅助工作电源电路107为各控制芯片提供工作电源，功率变换器中各待采集电气端子与电气引出接口110相连，控制驱动信号111输入接口与功率变换器各控制输入端相连；分布式功率变换器1主电路采用一种新颖的、高效率的、带变压器隔离型DC/DC升压变换拓扑，该拓扑的特点是，开关管工作在零电流开通(ZCS)、零电压关断(ZVS)状态，两个二极管的开通和关断都处于零电流(ZCS)状态，从而保证功率变换器在原理上达到高效率目标；隔离驱动电路105采用A3120光耦合器辅以外接电容、电阻方式，光耦合器的控制端电压为3.3V，输出驱动电压是15V，工作频率是20K HZ；继电器控制开关电路主要控制功率变换器各模块的接通与断开，继电器采用8080三极管实现线圈的控制驱动；散热风扇控制电路采用继电器作为风机控制开关，整个分布式功率变换器实现MEPT控制的功能软件运行于MEPT控制器中的STM32单片机主控单元中。
参见附图3，分布式风电功率变换器1中功率变换主电路的DC_DC拓扑主要组成结构包括变压器T、N沟道MOSFET开关管S1、电容C1和C2、二极管D1和D2、输出滤波电容Cout。其中电感Lm、Llk1、Llk2分别为变压器的激磁电感、一次侧漏感和二次侧漏感，变压比定义为n＝N2/N1，该拓扑的特点是，开关管S1工作在零电流开通(ZCS)、零电压关断(ZVS)状态，二极管D1和D2的开通和关断都处于零电流(ZCS)状态，因此该功率变换拓扑的损耗小，效率高。
参见附图4，功率变换器在调试过程中，从Vs1、Is1波形图可得开关管S1工作在零电流开通(ZCS)、零电压关断(ZVS)状态，从-Ud1、Id1波形图和-Ud2、Id2波形图可分析得出二极管D1和D2的开通和关断都处于零电流(ZCS)状态，Uout、PWM波形图是PWM占空比为0.5时所对应的输出电压波形。
参见附图5，辅助工作电源电路107有变压器一次侧工作电源电路和变压器二次侧工作电源电路，这两侧的工作电源是非共地的，都提供15V、5V、3.3V直流电压输出，附图5给出变压器一次侧辅助工作电源电路，其中，芯片7815提供15V电压输出，7805芯片提供5V电压输出、AMS1117提供3.3V电压输出。
参见附图6，分布式传感器2包括电能传感器201、温度传感器202、湿度传感器203、烟雾传感器204、火焰传感器205，风速传感器206，其中，电能传感器201监测功率变换器输出电能的各项指标参数，包括电压大小、电流大小、电压纹波大小、功率因数等；温度传感器202分散安装至功率变换器开关管上、高频变压器上和功率变换器周围，实时监测功率变换器各关键器件的温度情况；湿度传感器203、烟雾传感器204、火焰传感器205分散安装在功率变换器周围；风速传感器206和风力机安装在同一高度位置，且和风力机处于同一风向上。
参见附图7，MEPT控制器3由STM32主控单元301、传感器数据采集输入接口302、变换器信号采集输入接口303、变换器输出控制接口304、SPI通讯接口305组成，STM32主控单元301的传感器数据采集管脚连接至传感器数据采集输入接口302，STM32主控单元301的变换器信号采集管脚连接至变换器信号采集输入接口303，STM32主控单元301的输出控制管脚连接至变换器输出控制接口304；MEPT控制器3根据数据隔离采集板4反馈信息和MEPT滑模控制控制律算法，实时调整输出PWM占空比，间接改变发电机线圈电流iq的大小，MEPT控制软件运行在MEPT控制器的主控单元STM32单片机中，从而实现最大电功率跟踪。
所述MEPT控制器根据数据隔离采集板反馈信息和MEPT滑模控制控制律算法，实时调整输出PWM占空比，间接改变发电机线圈电流iq的大小，从而实现最大电功率跟踪，根据PMSG发电机和风力机的机电耦合方程
Figure GDA0003332904150000101
该机电耦合方程考虑了发电机绕组铜耗转矩Tcop，Tm为风力机的输出转矩，Te为PMSG发电机的输出转矩，Tf为传动摩擦转矩，Tcop为PMSG绕组损耗等效的铜耗转矩，取基于最佳转矩控制的状态变量为
x1＝∫[(Tm-Tf-Tcop)opt-Te]dt
＝∫[Tg-opt-Te]dt
Figure GDA0003332904150000102
其中，Tg-opt＝(Tm-Tf-Tcop)opt为最佳输出转矩给定值，在利用滑模控制器设计方法的基础上，最终推导出MEPT滑模控制律为：
Figure GDA0003332904150000103
其中，ωm为风力机的角速度，np为发电机极对数，ψf为永磁磁链，Ra为发电机三相线圈等效铜耗电阻值，η为切换增益，且η>0；z为幂指数，且0<z<1，hopt为最佳转矩系数，f为机组转轴传动摩擦系数，J为转动惯量，
Figure GDA0003332904150000104
为iq的一阶微分，s为滑模切换函数：s＝βx1+x2，其中系数β>0。
参见图8，数据隔离采集板4包括若干直流电压采集模块401、若干直流电流采集模块402、风电功率变换器工作状态采集模块403，变换器电气采集输入接口404、信号隔离输出接口405，变换器电气采集输入接口404连接至各采集模块的输入端，各采集模块的输出端连接至信号隔离输出接口405；直流电压采集包括发电机输出电压采集、DC_DC输入端电压采集、DC_DC输出端电压采集、蓄电池组充电电压采集；直流电流采集包括发电机输出电流采集、DC_DC输入端电流采集、DC_DC输出端电流采集、负载电流采集、蓄电池组充电电流采集；电压、电流采集电路都采用HCNR 201线性光耦将功率变换器强电端和单片机弱电端隔离；风电功率变换器工作状态采集模块包括继电器开关状态采集、负载接入状态采集、蓄电池充电状态采集、功率变换主电路运行状态采集。电压采集模块401的电路如附图9所示，该电路由电位器分压模块、限幅稳压二极管、线性光耦HCNR 201模块和输出限幅电路组成，限幅稳压二极管的稳压值为3.3V，输出限幅电路的电压范围为0V-3.3V，线性光耦HCNR 201模块的输入/输出电压值比为1:1，电流采集电路原理同电压采集模块。
参见附图10，智能控制网关5由STM32主控模块501、ESP8266无线WIFI模块503、A7_GPRS联网模块502、传感器数据采集输入接口504、输出控制接口505、SPI通讯接口组成506，STM32VET6的串口1与ESP8266模块503的串口端连接，其串口通信波特率为9600bps，通信协议是AT指令，STM32VET6单片机为控制主机，ESP8266模块503为从机；STM32VET6的串口2与A7_GPRS联网模块502的串口端连接，串口通信波特率为115200bps，通信协议是AT指令，STM32RCT6单片机为控制主机，A7_GPRS模块为从机；STM32VET6单片机的开发环境是KEILMDK5，编程代码是C语言，STM32VET6运行μc/os-II操作系统；智能控制网关5的整体功能包括：在网络通信故障状态下独立离网运行时，可以独立离线控制功率变换器，包括功率变换器散热控制、除湿通风控制、火灾或烟雾报警时切断相关设备的电气连接、功率变换器出现电压、电流异常或关键器件出现异常时，及时关断相应器件回路；在网络正常情况时，智能控制网关将传感器信息，功率变换器运行状态、功率变换器位置信息等通过网络上传至云端服务器；智能控制网关可实时接收云端服务器的控制指令，完成对功率变换器远程实时监控功能。
参见附图11，云端服务器6由功率变换器WEB服务器601、功率变换器数据服务器602和MySQL数据库603构成，整个云端服务器6的各组成部分均部署在同一个主机上，主机的具体配置是：CPU为双核心、内存是4G、操作系统是Ubuntu 16.04 64位，整个服务器基于Python语言开发，WEB服务器基于Django框架开发。功率变换器WEB服务器601与功率变换器网页监控终端701采用B/S架构搭建，其通信协议是HTTP，功率变换器数据服务器602与功率变换器手机APP监控终端702和功率变换器PC上位机监控终端701采用C/S架构，通信协议是TCP/IP。云端服务器6功能主要包括：对现场功率变换器数据进行分析、存储和处理，向网页监测终端、PC监测终端和手机APP监测终端提供远程监测信息，同时云端服务器可实时向智能控制网关5发送控制命令。
参见附图12，远程监测终端7由功率变换器WEB网页监控终端701、功率变换器PC上位机监控终端702和功率变换器手机APP监控终端703组成，功率变换器WEB网页监控终端701基于HTML5+CSS+JS+AJAX技术在PyCharm开发环境中搭建，网页主要由用户首页、登录/注册页、监测控制页构成功，率变换器PC上位机监控终端702在的LabVIEW 2016平台上搭建；功率变换器手机APP监控终端703基于E4A平台开发，开发语言是易语言，手机APP由智能功率变换器配置和状态窗口以及智能功率变换器电气参数和控制窗口组成；三种监测终端都具有配电柜状态信息查看、控制、数据报表、历史状态信息、警报提醒等功能。
所述MEPT控制器和智能控制网关在采集电压、电流等传感器信号值时，采用一种高效率、高准确率的滤波方法进行信号滤波，滤波策略是：设某一参数的采样次数为整数N，N>3采样值数据序列为{get(i)}0<i<N+1，i为整数，取去扰因子为整数K，K>1，且(N-2K)>1，先对N个采样值进行从小到大排序处理即：Bubble({get(i)})，0<i<N+1，Bubble()函数对数据系列进行从小到大排序，经过Bubble()函数处理过的采样数据序列为{opt(M)}0<M<N+1，M为整数，剔除系列{opt(M)}中前后各K个采样值得到新的采样值序列{new(s)}0<s<N+1-2K，则最终的采样滤波值OUT为
Figure GDA0003332904150000121

Claims (9)

1.基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，包括分布式功率变换器、分布式传感器、MEPT控制器、数据隔离采集板、智能控制网关、云端服务器、远程监控终端，其特征是：所述分布式传感器分散安装至功率变换器周围，分布式传感器的信号输出端分别与智能控制网关和MEPT控制器的传感器数据采集输入接口相连；分布式功率变换器中的电气引出接口连接至数据隔离采集板中的变换器电气采集输入接口；数据隔离采集板中的信号隔离输出接口与MEPT控制器中的变换器信号采集输入接口相连，MEPT控制器中的变换器输出控制接口连接至分布式功率变换器中的控制驱动信号输入接口；智能控制网关的SPI通讯接口与MEPT控制器的SPI接口相连，智能控制网关的输出控制接口连接至分布式功率变换器中的控制驱动信号输入接口；智能控制网关经无线WiFi网络方式或GPRS移动网络方式并通过TCP/IP协议远程连接至云端服务器；远程监控终端通过互联网登录云端服务器获取分布式功率变换器实时状态信息以及进行相应控制；分布式风电功率变换器主要由电能输入端子、电能输出接口、三相整流滤波电路、功率变换主电路、隔离驱动电路、输出滤波电路、辅助工作电源电路、若干继电器控制开关电路、金属散热器、散热风扇控制电路、电气引出接口、控制驱动信号输入接口组成；分布式传感器包括电能传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、风速传感器，各传感器的信号输出端分别连接至智能控制网关的传感器数据采集输入接口；数据隔离采集板包括若干直流电压采集模块、若干直流电流采集模块和风电功率变换器工作状态采集模块，变换器电气采集输入接口、信号隔离输出接口，变换器电气采集输入接口连接至各采集模块的输入端，各采集模块的输出端连接至信号隔离输出接口；MEPT控制器实时控制驱动功率变换器，并实现最大电功率跟踪，且MEPT控制器通过SPI通信协议与智能控制网关交换功率变换器实时工作状态，MEPT控制软件运行在MEPT控制器的主控单元STM32单片机中；智能控制网关包括STM32单片机、无线WIFI模块、GPRS联网模块、传感器数据采集输入接口、输出控制接口、SPI通讯接口，STM32的串口1连接至WiFi模块的串口端，STM32的串口2连接至GPRS联网模块的串口端，STM32的SPI_1数据管脚连接至SPI通讯接口，STM32的输出控制管脚连接至输出控制接口，传感器数据采集输入接口连接至STM32的数据输入管脚，功率变换器远程综合控制软件运行于STM32平台上；云端服务器包括功率变换器WEB服务器、功率变换器数据服务器和MySQL数据库，功率变换器数据服务器完成智能控制网关所提交数据的接收、存储和智能化分析处理，功率变换器相关数据存储在MySQL数据库中，同时功率变换器数据服务器完成与PC监控终端和手机APP监控终端的数据通信，功率变换器WEB服务器共享MySQL数据库中的功率变换器数据并通过HTTP协议将结果呈现给用户网页浏览器端；远程监控终端包括功率变换器WEB网页监控终端、功率变换器PC上位机监控终端、功率变换器手机APP监控终端，三种监控终端完成数据的可视化呈现，并为用户提供便捷式分析、控制功能，云端服务器总体功能软件基于Python开发，PC上位机监测终端基于LabVIEW平台开发，手机APP监测终端基于E4A平台开发，其运行环境是Android系统。
2.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，其特征是：所述分布式功率变换器的电能输入端子连接至继电器开关输入端，继电器开关输出端连接三相整流滤波电路输入端，三相整流滤波电路输出端连接功率变换主电路输入端，功率变换主电路输出端连接输出滤波电路输入端，输出滤波电路输出端连接继电器开关输入端，继电器开关输出端连接电能输出接口，隔离驱动电路输出端连接功率变换主电路中的MOSFET开关管的控制极，辅助工作电源电路为各控制芯片提供工作电源，功率变换器中各待采集电气端子与电气引出接口相连，控制驱动信号输入接口与功率变换器各控制输入端相连；分布式功率变换器主电路采用一种带变压器隔离型DC/DC升压变换拓扑，该拓扑的特点是，开关管工作在零电流开通(ZCS)、零电压关断(ZVS)状态，两个二极管的开通和关断都处于零电流(ZCS)状态，从而保证功率变换器在原理上达到高效率目标；隔离驱动电路采用A3120光耦合器辅以外接电容、电阻方式，光耦合器的控制端电压为3.3V，输出驱动电压是15V，工作频率是20K HZ；辅助工作电源电路有变压器一次侧工作电源电路和变压器二次侧工作电源电路，这两侧的工作电源是非共地的，都提供15V、5V、3.3V直流电压输出；继电器控制开关电路主要控制功率变换器各模块的接通与断开，继电器采用8080三极管实现线圈的控制驱动；散热风扇控制电路采用继电器作为风机控制开关，整个分布式功率变换器实现MEPT控制的功能软件运行于MEPT控制器中的STM32单片机主控单元中。
3.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，其特征是：所述数据隔离采集板包括若干直流电压采集模块、若干直流电流采集模块、风电功率变换器工作状态采集模块，变换器电气采集输入接口、信号隔离输出接口，变换器电气采集输入接口连接至各采集模块的输入端，各采集模块的输出端连接至信号隔离输出接口；直流电压采集包括发电机输出电压采集、DC_DC输入端电压采集、DC_DC输出端电压采集、蓄电池组充电电压采集；直流电流采集包括发电机输出电流采集、DC_DC输入端电流采集、DC_DC输出端电流采集、负载电流采集、蓄电池组充电电流采集；电压、电流采集电路都采用HCNR201线性光耦将功率变换器强电端和单片机弱电端隔离；风电功率变换器工作状态采集模块包括继电器开关状态采集、负载接入状态采集、蓄电池充电状态采集、功率变换主电路运行状态采集。
4.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，其特征是：所述分布式传感器包括电能传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、风速传感器，电能传感器监测功率变换器输出电能的各项指标参数，包括电压大小、电流大小、电压纹波大小、功率因数；温度传感器分散安装至功率变换器开关管上、高频变压器上和功率变换器周围，实时监测功率变换器各关键器件的温度情况；湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器分散安装在功率变换器周围；风速传感器和风力机安装在同一高度位置，且和风力机处于同一风向上。
5.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，其特征是：所述MEPT控制器由STM32主控单元、传感器数据采集输入接口、变换器信号采集输入接口、变换器输出控制接口、SPI通讯接口组成，STM32主控单元的传感器数据采集管脚连接至传感器数据采集输入接口，STM32主控单元的变换器信号采集管脚连接至变换器信号采集输入接口，STM32主控单元的输出控制管脚连接至变换器输出控制接口；MEPT控制器根据数据隔离采集板反馈信息和MEPT滑模控制控制律算法，实时调整输出PWM占空比，间接改变发电机线圈电流iq的大小，从而实现最大电功率跟踪，根据PMSG发电机和风力机的机电耦合方程
Figure FDA0003402917790000041
该机电耦合方程考虑了PMSG绕组损耗等效的铜耗转矩Tcop，Tm为风力机的输出转矩，Te为PMSG发电机的输出转矩，Tf为传动摩擦转矩，Tcop为PMSG绕组损耗等效的铜耗转矩，取基于最佳转矩控制的状态变量为
Figure FDA0003402917790000042
Figure FDA0003402917790000043
其中，Tg-opt＝(Tm-Tf-Tcop)opt为最佳输出转矩给定值，在利用滑模控制器设计方法的基础上，最终推导出MEPT滑模控制律为：
Figure FDA0003402917790000044
其中，ωm为风力机的角速度，np为发电机极对数，ψf为永磁磁链，Ra为发电机三相线圈等效铜耗电阻值，η为切换增益，且η>0；z为幂指数，且0<z<1，hopt为最佳转矩系数，f为机组转轴传动摩擦系数，J为转动惯量，
Figure FDA0003402917790000045
为iq的一阶微分，s为滑模切换函数：s＝βx1+x2，其中系数β>0。
6.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，其特征是：所述智能控制网关由STM32单片机、ESP8266无线WIFI模块、A7_GPRS联网模块、传感器数据采集输入接口、输出控制接口、SPI通讯接口组成，STM32VET6的串口1与ESP8266模块的串口端连接，其串口通信波特率为9600bps，通信协议是AT指令，STM32VET6单片机为控制主机，ESP8266模块为从机；STM32VET6的串口2与A7_GPRS联网模块的串口端连接，串口通信波特率为115200bps，通信协议是AT指令，STM32RCT6单片机为控制主机，A7_GPRS模块为从机；STM32VET6单片机的开发环境是KEIL MDK5，编程代码是C语言，STM32VET6运行μc/os-II操作系统；智能控制网关的整体功能包括：在网络通信故障状态下独立离网运行时，独立离线控制功率变换器，包括功率变换器散热控制、除湿通风控制、火灾或烟雾报警时切断相关设备的电气连接、功率变换器出现电压、电流异常或关键器件出现异常时，及时关断相应器件回路；在网络正常情况时，智能控制网关除上述功能外，智能控制网关将传感器信息，功率变换器运行状态、功率变换器位置信息通过网络上传至云端服务器；智能控制网关可实时接收云端服务器的控制指令，完成对功率变换器远程实时监控功能。
7.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，其特征是：所述云端服务器由功率变换器WEB服务器、功率变换器数据服务器和MySQL数据库构成，整个云端服务器的各组成部分均部署在同一个主机上，主机的具体配置是：CPU为双核心、内存是4G、操作系统是Ubuntu 16.04 64位，整个服务器基于Python语言开发，功率变换器WEB服务器基于Django框架开发；功率变换器WEB服务器与网页监测终端采用B/S架构搭建，其通信协议是HTTP，功率变换器数据服务器与功率变换器手机APP监控终端和基于功率变换器PC上位机监控终端采用C/S架构，通信协议是TCP/IP；云端服务器功能主要包括：对现场功率变换器数据进行分析、存储和处理，向网页监控终端、PC监控终端和手机APP监控终端提供远程监控信息，同时云端服务器实时向智能控制网关发送控制命令。
8.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，其特征是：所述远程监控终端由功率变换器WEB网页监控终端、功率变换器PC上位机监控终端和功率变换器手机APP监控终端组成，功率变换器WEB网页基于HTML5+CSS+JS+AJAX技术在PyCharm开发环境中搭建，网页主要由用户首页、登录/注册页、监测控制页构成；功率变换器PC上位机监测终端在LabVIEW 2016平台上搭建；功率变换器手机APP基于E4A平台开发，开发语言是易语言，功率变换器手机APP由智能功率变换器配置和状态窗口以及智能功率变换器电气参数和控制窗口组成；三种监控终端都具有功率变换器状态信息查看、控制、数据报表、历史状态信息、警报提醒功能。
9.根据权利要求1所述的基于多网络互联监控的分布式风电智能功率变换器，所述MEPT控制器和智能控制网关在采集电压、电流传感器信号值时，采用滤波方法进行信号滤波，滤波策略是：设某一参数的采样次数为整数N，N>3，采样值数据序列为{get(i)}0<i<N+1，i为整数，取去扰因子为整数K，K>1，且(N-2K)>1，先对N个采样值进行从小到大排序处理，即：Bubble({get(i)})，0<i<N+1，Bubble()函数对数据系列进行从小到大排序，经过Bubble()函数处理过的采样数据序列为{opt(M)}0<M<N+1，M为整数，剔除系列{opt(M)}中前后各K个采样值得到新的采样值序列{new(s)}0<s<N+1-2K，则最终的采样滤波值OUT为
Figure FDA0003402917790000061
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Assignee: Nantong suluda Intelligent Manufacturing Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANTONG University

Contract record no.: X2023980052244

Denomination of invention: Distributed wind power intelligent power converter based on multi network interconnection monitoring

Granted publication date: 20220531

License type: Common License

Record date: 20231214

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