CN103701389A - 一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。所述方法针对DFIG变流器的控制器，根据各个控制器之间的信号传递关系，以分步辨识的方法，分别在各控制器输入端所用的量测信号上施加扰动，以突出该控制器在该量测信号扰动下的作用，从而辨识该控制器的参数；对于存在级联的两个控制器，先对后一级控制器所用量测信号施加扰动，同时屏蔽前一级控制器所用量测信号的变化以实现前后两个控制器参数的解耦，从而可以在不改造控制器电路的情况下实现各个PI控制器参数的单独辨识；通过多轮迭代辨识的方法，消除了参数辨识精度的问题。

Description

一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，尤其是涉及一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。

背景技术

具有显著随机性和间歇性特点的风力发电已经成为一些电力系统的重要电源。对于这些电网，要制定出合理的规划建设方案和可靠的运行调控措施，就必须要有准确的风电模型来对电网进行仿真分析。现有仿真软件中的风力发电机（Wind Turbine Generator，WTG）模型及参数主要来自个别技术实力较强的WTG生产厂家。但是，实际电网中安装的WTG的品牌和型号众多，大多数厂家出于测试技术不足或知识产权保护等原因，没有提供准确的模型和参数。对于这部分机组的模型，可以通过参数辨识的方法获得。目前关于WTG机械和电气参数辨识的方法很多，但是关于WTG控制器参数辨识的方法极少。

双馈感应发电机（Doubly-fed Induction Generator，DFIG）的控制器包括桨距角控制器、变流器控制器、Crowbar投切控制器等。对于桨距角控制器、Crowbar投切控制器等，由于其结构较为简单、输入输出量的关系清晰，因此参数辨识并不困难。而对于变流器的控制器，典型模型中包含5个比列积分控制器（PI控制器），且内外环PI控制器之间存在级联情况，常规的采用外部扰动的辨识方法会遇到参数可辨识性问题。如果能够在WTG生产厂家的配合下改造控制器电路，引出每个PI控制器的输入输出端，则可以逐个地对PI控制器的参数进行辨识，但是此方法只有在生产厂家给予配合的情况下才能实施，难以推广使用。

由于DFIG变流器的控制器模型是整个机组模型中的关键部分，因此准确辨识变流器控制器的参数对于提高DFIG机组模型以及DFIG风电场模型的精度都有决定性的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出了一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，所述双馈感应发电机中，发电机转子绕组依次通过转子侧变流器、直流侧电容、网侧变流器与电网相连，从而实现交流励磁；所述转子侧变流器由转子侧控制器控制，所述网侧变流器由网侧控制器控制；所述转子侧控制器包含转子侧有功功率控制器、转子侧无功功率控制器、转子侧电流控制器，所述网侧控制器包含网侧电容电压控制器、网侧电流控制器；上述5个控制器都是PI控制器，总共10个待辨识参数；所述参数辨识方法，其步骤如下：

步骤A，按分步辨识的步骤对控制器参数进行第1轮辨识；所述分步辨识的步骤，具体过程如下：

步骤A-1，对转子电流量测信号施加扰动，且屏蔽机端电压量测变化，以DFIG无功功率响应为观测量，辨识转子侧电流控制器的参数；所述机端电压是DFIG定子电压；

步骤A-2，对机端电压量测信号施加扰动，以DFIG无功功率响应为观测量，并将步骤A-1中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧无功功率控制器的参数；

步骤A-3，对转子转速量测信号施加扰动，以DFIG有功功率响应为观测量，并将步骤A-1和步骤A-2中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧有功功率控制器的参数；

步骤A-4对网侧电流量测信号施加扰动，且屏蔽电容电压量测变化，以网侧变流器输出无功功率为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2和步骤A-3中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电流控制器的参数；

步骤A-5，对直流侧电容电压量测信号施加扰动，以直流侧电容电压为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2、步骤A-3和步骤A-4中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电容电压控制器的参数。

步骤B，以上一轮辨识得到的参数为基准，缩小下一轮辨识的参数搜索范围；并将上一轮辨识的结果作为寻优搜索位置代入下一轮辨识中；

步骤C，按分步辨识的步骤进行参数的下一轮辨识；

步骤D，如果前后两轮辨识得到的参数之差小于设定值，则结束辨识过程，否则回到步骤B继续辨识。

步骤B中，所述缩小下一轮辨识的参数搜索范围，具体描述如下：以上一轮辨识结果s为基准，本轮参数搜索区间为[s-s/2i,s+s/2i]，其中i为上一轮迭代的轮数。

步骤D中，所述设定值为上一轮辨识所得参数值的2%。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。所述方法针对DFIG变流器的控制器，根据各个控制器之间的信号传递关系，以分步辨识的方法，分别在各控制器输入端所用的量测信号上施加扰动，以突出该控制器在该量测信号扰动下的作用，从而辨识该控制器的参数；对于存在级联的两个控制器，先对后一级控制器所用量测信号施加扰动，同时屏蔽前一级控制器所用量测信号的变化，从而实现前后两个控制器参数的解耦；通过多轮迭代辨识的方法，消除了参数辨识精度的问题。

附图说明

图1是DFIG风力发电机的结构示意图。

图2是DFIG变流器的转子侧控制器框图。

图3是DFIG变流器的电网侧控制器框图。

图4是仿真测试系统的结构图。

图5是对交流电流量测信号施加扰动的原理图。

图6是屏蔽量测信号变化的电路原理图。

图7是对交流电压量测信号施加扰动的原理图。

图8是对转速量测信号施加扰动的原理图。

图9是对直流电压量测信号施加扰动的原理图。

图10是本发明提出的基于量测信号扰动的控制器参数分步、迭代辨识总体流程。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法进行详细说明：

如图1所示的DFIG风力发电机的结构示意图，图中所述V_wind代表风速，T_m代表风力机输出的机械功率，β代表风力机叶片的桨距角，T_sh代表传动系统输出给DFIG转子的机械功率，ω_r代表DFIG转子转速，i_r代表转子绕组中的电流，i_r称为转子电流，v_r代表转子励磁电压，V_DC代表直流侧电容的电压，V_{DC_ref}是人工设定的直流侧电容电压目标值，v_g和i_g是网侧变流器的输出电压和电流，v_s和i_s代表DFIG定子的电压和电流，v_s称为机端电压，v_{s_ref}是人工设定的机端电压目标值。图中所述椭圆形虚线代表测量位置，带箭头的虚线代表控制器的输入输出关系。图中所述DFIG机组转子绕组通过转子侧变流器、直流侧电容、网侧变流器与电网相连，从而实现交流励磁；所述转子侧变流器由转子侧控制器控制，所述网侧变流器由网侧控制器控制；所述转子侧控制器包含转子侧有功功率控制器、转子侧无功功率控制器、转子侧电流控制器，所述网侧控制器包含网侧电容电压控制器、网侧电流控制器。

上述5个控制器都是PI控制器，总共10个待辨识参数；考虑到各个PI控制器都以电压、或电流、或转速的量测值作为输入信号，并根据各个PI控制器之间的信号传递关系，在各PI控制器输入端所用的量测信号上施加扰动，就可以突出某个PI控制器在特定量测信号扰动下的作用，从而有利于重点辨识该PI控制器的参数，达到分步辨识的目的。对于参数辨识时使用的观测信号，应该选取被触发PI控制器的控制对象，从而可以使控制器参数的可观性最强。对于存在级联的两个PI控制器，先对后一级PI控制器所用量测信号施加扰动，同时屏蔽前一级PI控制器所用量测信号的变化，从而实现前后两个PI控制器参数的解耦。对于非辨识参数偏离真值影响待辨识参数辨识精度的问题，可以通过多轮迭代辨识的方法消除。

转子侧控制器的典型结构如图2所示。对于有功功率控制器，其输入端的P_ref是有功功率控制参考值，其数值根据发电机转速ω_r查询预先设定的最大功率跟踪（MPPT）特性曲线获得；P_s是DFIG定子输出有功功率的量测值，其数值根据v_s和i_s计算获得；P_ref与P_s的差值是有功功率控制器的输入量，输出量是转子电流控制目标值的q轴分量i_{qr_ref}。对于无功功率控制器，其输入量是v_{s_ref}与v_s的差值，输出量是转子电流控制目标值的d轴分量i_{dr_ref}。对于转子侧电流控制器，其输入端的i_dr和i_qr是实际转子电流i_r的d轴分量和q轴分量，其与对应控制目标值的差值是转子侧电流控制器的输入量，i_ds和i_qs是定子电流i_s的d轴分量和q轴分量，L_rr是DFIG转子绕组的电感，L_m是DFIG励磁绕组的电感，ω_s是同步转速（由v_s的频率计算获得），转子侧电流控制器的最终输出量是转子电压v_r的d轴分量v_dr和q轴分量v_qr。K_p1和K_i1分别为有功功率控制器的比例和积分系数，K_p2和K_i2分别为转子侧电流控制器的比例和积分系数，K_p3和K_i3分别为无功功率控制器的比例和积分系数，这6个是转子侧控制器中需要辨识的参数。

网侧控制器的典型结构如图3所示。对于电容电压控制器，其输入量是V_{DC_ref}和V_DC的差值，输出量是网侧变流器输出电流控制目标值的d轴分量i_{dg_ref}。i_{qg_ref}是网侧变流器输出电流控制目标值的q轴分量,通常设为0。对于网侧电流控制器，输入端的i_dg和i_qg是实际网侧变流器输出电流i_g的d轴分量和q轴分量，其与对应控制目标值的差值是网侧电流控制器的输入量，X_Tg为变流器并网变压器的电抗，网侧电流控制器的最终输出量是网侧变流器电压v_g的d轴分量v_dg和q轴分量v_qg。K_p4和K_i4分别为电容电压控制器的比例和积分系数，K_p5和K_i5分别为网侧电流控制器的比例和积分系数，这4个是网侧控制器中需要辨识的参数。

仿真系统如图4所示，即一台DFIG直接并网。该仿真系统搭建于Matlab2012b软件中，系统中所有元件均取自Matlab自带的Wind Farm(DFIG PhasorModel)Demo，元件参数均取默认值。

下面首先对如何设置量测信号的扰动进行说明。在说明中涉及到观测量的选择时用到了参数灵敏度这一指标。某一个控制器参数K_j对动态响应的灵敏度按如下步骤计算：（1)将K_j的数值增大ΔK_j，仿真得到观测量Y的变化轨迹y(k)；(2)将K_j的数值减少ΔK_j，仿真得到观测量Y的变化轨迹y′(k)；(3)然后根据公式(1)计算K_j的轨迹灵敏度S_j。

$S_j=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{[y\left(k\right)-y^{\′}\left(k\right)]/y_0}{2\mathrm{\Δ}{K}_j/K_{j0}}---\left(1\right)$

式中y₀为K_j取原值K_j0时观测量Y对应的稳态值，n为观测量的采样点个数，本发明中ΔK_j=10%K_j0。

1.量测信号扰动的具体设置方法

（1）转子电流量测扰动且屏蔽机端电压量测变化

实现转子电流量测信号扰动的电路如图5所示，这是一个简单的并联分流电路，图中电流表代表了DFIG的电流测量回路。实现屏蔽电压量测信号变化的电路如图6所示。首先在扰动施加前，由数字信号处理器DSP控制A/D转换器采集稳态时的机端电压波形V，并由DSP控制D/A转换器及放大电路连续复制出该波形V′，在转子电流量测信号扰动期间，由DSP切换模拟开关，从而将具有稳态波形的V′输送给DFIG的量测回路。对转子电流量测信号制造一个5%跌幅的扰动，观测时间共0.3秒，各控制器参数在该扰动下的灵敏度如表1所示，其中P_DFIG表示DFIG的有功功率响应，Q_DFIG表示DFIG的无功功率响应。可以看到，通过屏蔽机端电压量测信号的变化，顺利地将转子侧无功功率控制器参数[K_p1,K_i1]的灵敏度降低到万分之一以下。在该扰动下，转子侧电流控制器参数[K_p2,K_i2]的灵敏度特别突出，以无功功率响应为观测量时优势更加明显，非常有利于这两个参数的单独辨识。

表1 转子电流量测扰动且屏蔽机端电压量测变化时各参数的灵敏度

（2）机端电压量测信号扰动

实现机端电压量测信号扰动的电路如图7所示，这是一个简单的串联分压电路，图中电压表代表了DFIG的电压测量回路。对机端电压量测信号施加一个5%跌幅的扰动，观测时间共0.3秒，各控制器参数在该扰动下的灵敏度如表2所示。级联的无功功率控制器和转子侧电流控制器实现的是对DFIG输出无功功率的调节，因此它们的参数对无功功率响应的灵敏度最大，应选择Q_DFIG为观测变量。如果选择P_DFIG为观测量，则有功功率控制器的参数也会交织在其中，不利于参数辨识。，由于[K_p2,K_i2]已经在量测扰动（1）中辨识得到，因此可以在端电压量测信号扰动下单独辨识无功功率控制器的参数[K_p1,K_i1]。

表2 机端电压量测扰动时各参数的灵敏度

（3）转子转速量测信号扰动

转子转速ω_r的量测信号是一个脉冲序列，脉冲的间隔用来计算转速。实现转速量测信号扰动的电路如图8所示，DSP首先对真实的转速脉冲计数，获得实际的转速，再根据拟施加的转速信号扰动幅度计算出虚拟脉冲的间隔，并通过D/A转换器和放大电路产生包含转速扰动的虚拟转速信号，最后由DSP切换模拟开关将虚拟转速信号输送给DFIG的量测回路。施加一个速度降低5%的转速信号扰动，持续时间0.1秒，观测时间共0.5秒，各控制器参数在该扰动下的灵敏度如表3所示。从中可以看到，如果以Q_DFIG为观测量，参数交织情况严重；而以P_DFIG为观测量，则级联的有功功率控制器和转子侧电流控制器的参数的灵敏度非常突出。由于[K_p2,K_i2]已经在量测扰动（1）中辨识得到，因此可以在转速量测信号扰动下单独辨识有功功率控制器的参数[K_p3,K_i3]。

表3 转速量测扰动时各参数的灵敏度

（4）网侧电流量测扰动且屏蔽电容电压量测变化

实现网侧电流量测信号扰动的电路同图5，屏蔽电容电压量测信号变化的电路同图6。在施加扰动前设定i_{qg_ref}为0.1，避免设定为0时公式(1)中y₀=0而导致出现除以零的情况。对网侧电流量测信号制造一个5%跌幅的扰动，观测时间共0.1秒，各控制器参数在该扰动下的灵敏度如表4所示，其中P_Grid表示网侧变流器的有功功率响应，Q_Grid表示网侧变流器的无功功率响应。从表中可以看到屏蔽电容电压量测变化后，电容电压控制器的作用也被屏蔽；由于网侧电流控制器同时调节网侧变流器输出的有功、无功，因此其参数[K_p5,K_i5]对P_Grid和Q_Grid的灵敏度相当，对Q_Grid的灵敏度稍大。

表4 网侧电流量测扰动时各参数的灵敏度

（5）直流侧电容电压量测信号扰动

实现直流侧电容电压量测信号扰动的电路如图9所示，这是一个简单的串联分压电路。对直流侧电容电压量测信号制造一个5%跌幅的扰动，观测时间共0.3秒。由于电容电压控制器和网侧电流控制器级联回路主要通过调节网侧变流器的有功功率来实现对直流侧电容电压的调节，因此选择了P_Grid和V_DC作为观测量进行比较，各控制器参数在该扰动下的灵敏度如表5所示。可以看到，如果选P_Grid作为观测量，则[K_p5,K_i5]的灵敏度并不突出，而以V_DC为观测量时，[K_p5,K_i5]的主导作用相对比较明显。

表5 网侧电流量测扰动时各参数的灵敏度

2.控制器参数分步辨识、多轮迭代的具体实施方法

本发明提出的基于量测信号扰动的控制器参数分步、迭代辨识总体流程如图10所示。该流程中将迭代终止条件设定为前后两轮迭代结果之间的偏差不超过2%（该数值可以根据不同的精度要求修改）。当迭代辨识满足该终止条件时，表明非辨识参数精度问题对待辨识参数辨识结果的影响已经基本消除，或者降低到了工程上可以接受的范围。辨识算法使用标准粒子群算法（PSO），粒子数量设置为20个，迭代次数上限为50次，惯性权重从0.9～0.45按迭代次数递减，学习因子C₁=C₂=2。

测试系统依然如图4所示，待辨识参数的真值以及参数的搜索范围如表6所列。参数的搜索范围略小于该参数能够使DFIG从零初始状态顺利进入稳态运行的取值范围，是在对所有参数逐个进行测试后获得的。可以看到各个参数的搜索范围都较大，有助于验证方法的有效性。

表6 控制器参数真值及其搜索范围

参数	真值	搜索范围	参数	真值	搜索范围
						Kp1	1.25	0.1～5	Ki1	300	10～700
Kp2	0.3	0.1～2.4	Ki2	8	0.1～32
						Kp3	1	0.1～4	Ki3	100	10～200
Kp4	0.002	0.0001～0.02	Ki4	0.05	0.1～0.5
						Kp5	1	0.1～1.1	Ki5	100	10～400

根据图10所示的辨识流程，首先在各个参数的搜索范围内随机生成一组参数的初值，如表7中第2列所示。对比表6中各个参数的真值，可以看到这组随机初值的偏差很大，可以用来模拟控制器参数完全未知的场景。

表7 控制器参数迭代辨识结果（按辨识次序排列）

每一轮辨识的次序如图10所示，其中每一轮迭代后修改参数搜索范围的方法举例说明如下：若第1轮辨识得到某个参数的寻优结果是0.6，则取N=1表示为第1轮迭代辨识，新的参数搜索范围下限就是0.6-0.6*(50%/N)=0.3、新的搜索上限就是0.6+0.6*(50%/N)=0.9；经过第2轮辨识后，若该参数的搜索结果是0.62，则取N=2表示为第2轮迭代辨识，新的参数搜索范围下限就是0.62-0.62*(50%/N)=0.465、新的搜索上限就是0.62+0.62*(50%/N)=0.775。后续迭代中参数搜索范围的修改方法相同。

各个控制器参数经过第1轮辨识后就已经有不错的精度，其中仅有[K_p3,K_i3]与真值的误差大于5%。从表3的灵敏度数据中可以看到，采用转速量测信号扰动辨识有功功率控制器参数[K_p3,K_i3]时，电容电压控制器中参数K_p4的灵敏度大约是K_p3的1/8，K_i3的1/6，而K_p4初值偏离真值近3倍，有可能造成了[K_p3,K_i3]的辨识误差。电容电压控制器的参数[K_p4,K_i4]经过第1轮辨识后已经接近真值，因此在第2轮辨识时，有功功率控制器参数[K_p3,K_i3]的辨识精度也得到了很大的提高。这表明了“迭代辨识”对于提高参数辨识精度所起到的积极作用。由于[K_p3,K_i3]在第2轮参数中得到的结果较第1轮辨识结果的变化达到[6.084%,8.344%]超过了偏差小于2.0%而停止迭代的标准，因此进行了第3轮辨识。第3轮辨识后满足迭代终止条件，此时各个参数的取值已经非常接近真值，如表7最后一列所示，最大误差也未达到0.5%，表明了本专利所提出方法的有效性。

Claims (3)

1.一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，所述双馈感应发电机中，发电机转子绕组通过转子侧变流器、直流侧电容、网侧变流器与电网相连，从而实现交流励磁；所述转子侧变流器由转子侧控制器控制，所述网侧变流器由网侧控制器控制；所述转子侧控制器包含转子侧有功功率控制器、转子侧无功功率控制器、转子侧电流控制器，所述网侧控制器包含网侧电容电压控制器、网侧电流控制器；上述5个控制器都是PI控制器，总共10个待辨识参数；其特征在于，所述参数辨识方法，其步骤如下：

步骤A，按分步辨识的步骤对控制器参数进行第1轮辨识；所述分步辨识的步骤，具体过程如下：

步骤A-1，对转子电流量测信号施加扰动，且屏蔽机端电压量测变化，以DFIG无功功率响应为观测量，辨识转子侧电流控制器的参数；

步骤A-2，对机端电压量测信号施加扰动，以DFIG无功功率响应为观测量，并将步骤A-1中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧无功功率控制器的参数；

步骤A-3，对转子转速量测信号施加扰动，以DFIG有功功率响应为观测量，并将步骤A-1和步骤A-2中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧有功功率控制器的参数；

步骤A-4对网侧电流量测信号施加扰动，且屏蔽电容电压量测变化，以网侧变流器输出无功功率为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2和步骤A-3中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电流控制器的参数；

步骤A-5，对直流侧电容电压量测信号施加扰动，以直流侧电容电压为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2、步骤A-3和步骤A-4中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电容电压控制器的参数；

步骤B，以上一轮辨识得到的参数为基准，缩小下一轮辨识的参数搜索范围；并将上一轮辨识的结果作为寻优搜索位置代入下一轮辨识中；

步骤C，按分步辨识的步骤进行参数的下一轮辨识；

步骤D，如果前后两轮辨识得到的参数之差小于设定值，则结束辨识过程，否则回到步骤B继续辨识。

2.根据权利要求1所述的一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，其特征在于，步骤B中，所述缩小下一轮辨识的参数搜索范围，具体描述如下：以上一轮辨识结果s为基准，本轮参数搜索区间为[s-s/2i,s+s/2i]，其中i为上一轮迭代的轮数。

3.根据权利要求1所述的一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，其特征在于，步骤D中，所述设定值为上一轮辨识所得参数值的2%。

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