CN110838725A - 一种风电场闭环pi控制器参数整定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明基于风电场有功功率闭环PI控制结构，针对该PI控制器，提出一种场站功率快速跟踪、稳定抑制扰动的PI控制器参数整定方法及装置。该方法对每一台机组进行分析，基于给定的输入信号以及相应的输出信号进行辨识，得到比较理想的单机模型，该单机模型基于迭代计算的近似策略来估计风场级有功功率动态模型，选择单个风力发电机系统(WTGS)单元作为风电场的等效模型；基于等效模型分离风电场不可建模扰动，并对扰动利用快速傅立叶变换，寻找扰动的截止频率；利用给定阻尼比和扰动的截止频率，确定PI控制器参数调试包含时变积分环节的自适应PI控制器，基于该调试后的PI控制器改进风电场的功率跟踪，提高风电场有功功率的动态响应和稳态输出。

Description

一种风电场闭环PI控制器参数整定方法及装置

技术领域

本发明设计属于风力发电系统领域，特别是涉及一种基于等值建模与扰动分析的风电场闭环PI控制器参数整定方法及装置。

背景技术

随着能源市场的不断的发展，越来越多的新能源得到重视，其中风能因其环境特性而迅速发展。随着风力发电技术的不断发展，对于风机以及风电场的控制也有了越来越高的要求。对风机的控制策略是在额定风速以下尽可能的从自然风中汲取能量，在额定风速以上稳定功率输出在额定功率点。对风电场的控制策略则是将风电场定义为单个风机与电网之间的中间层，风电场从电网调度中心接收功率需求，然后调度所有内部风机，分配其功率设定值，以满足电网功率需求。在过去的几年中，在风电控制领域已经有了许多控制策略，以改善风机负载条件并稳定功率输出。

目前已有的风电场有功功率控制策略大都是开环控制策略，基础的有功控制策略为，根据风电场预测的场级有功可发功率，向上级网调发送可发功率，上级网调在此基础上选择风场为自由发电模式或限电模式，限电模式下给出功率设定值，风场根据设定值与可发功率的比值，等比例的设置场内各机组的功率，实现跟踪目标，这一策略叫做等比分配(PD)。除此以外，处于对降低载荷或是降低跟踪误差的考虑，也有以预测控制为基础的风电场有功功率控制，来实现控制和优化的目标。此外，一些研究从单一的分配控制策略进一步考虑多个风机特性参数来进行风电场的有功功率控制，例如频率、负荷以及跟踪误差等。不同的策略因其考虑的问题和实现形式的不一样，具有不同的结构，但是复杂的技术在现场应用中难以落地实现，现场使用的等比策略有太过简单，在一些复杂情况下并不能得到比较好的控制效果，有待进行改进。

从控制角度来看，现有的风电场控制策略仍有一些领域需要进一步完善。例如在工业领域，风电场功率设定值通常低于其可用功率，这意味着风电场始终拥有提高风电场功率输出和响应的预留容量。在近年的研究中，已有风电场功率闭环控制测量相关的研究开展，通过实时测量风电场输出功率，并与功率设定值作比较，并通过差值反馈与控制，实现对风电场功率跟踪能力的改进。

本发明针对风电场级有功功率闭环控制系统，提出一种PI控制器的参数整定方法及装置，通过针对每台风电机组的功率跟踪特性分析，获得每一台机组的功率跟踪模型，进而以递推计算的方式得到风电场功率跟踪的等值模型，实现对风电场在功率跟踪层面的等值建模；在此基础上，分离不可建模扰动，并针对扰动分析其时频特性。在以上分析的基础上，提出一种PI控制器的整定方法，提高风电场有功功率的动态响应和稳态输出，本发明可以有效的实现风电场的有功功率控制。

发明内容

本发明提出了一种风电场闭环PI控制器参数整定方法及装置，基于时域递归的思想计算出风电场功率跟踪等值模型，并提出基于扰动特性分析的PI控制器参数整定方法，通过设定值的偏差对控制器进行自适应改进。该发明弥补了传统风电场控制策略的不足，以提高风电场有功功率的动态响应和稳态输出。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

(1)一种风电场闭环PI控制器参数整定方法,包括以下步骤：

获取风电场内单台风电机组的单机特性模型；

获取风电场内每一台风电机组的单机特性模型，通过对风电场内风电机组的单机特性模型基于迭代计算的近似策略来获取风电场的有功动态等效模型；

对风电场等效模型进行扰动分析；

根据风电场等效模型的扰动分析计算PI控制器参数；

根据风电场的设定值偏差进行自适应PI控制器改进。

(2)根据(1)所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，通过给定单台风电机组输入值，获取单台风电机组对应于输入值的功率输出信号，并基于输入值与输出信号对单台风力发电系统的功率跟踪特性进行辨识获取该单台风电机组的单机特性模型。

(3)根据(1)至(2)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，输入值覆盖该单台风电机组运行的绝大部分工况点。

(4)根据(1)至(3)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，输入值为一组提前设定的阶梯变换指令的功率值序列。

(5)根据(1)至(4)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，相应的功率输出信号通过在一定的频率下，基于持续输入的输入值，根据香农采样定理进行频率采样获取。

(6)根据(1)至(5)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，得到的单机特性模型为一阶传递函数形式。

(7)根据(1)至(6)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，得到的单机特性模型的一阶传递函数为：

其中：T_i为待辨识的参数。

(8)根据(1)至(7)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，获取风电场内每一风机的单机特性模型之后，根据迭代递归的计算思想实现对风电场的等值建模。

(9)根据(1)至(8)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，统计风电场的风电机组总数为m，并设定未知数a,b,n,i，赋值n＝1,i＝1；

取第i台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给a，即a＝T_i；

取第i+1台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给b，即b＝T_i+1；

对a赋予新的值，其计算公式为：

并检测i与m的关系：

若i<m，则

对n赋予新的值，其计算公式为：

n＝n+1

对i赋予新的值，其计算公式为：

i＝i+1

对b赋予新的值，即b＝T_i+1

对a赋予新的值，其计算公式为：

并继续检测i与m的关系；

若i＝m，则得到风电场的功率跟踪模型：

(10)根据(1)至(9)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，对风电场等效模型进行扰动分析的方法为根据风电场等效模型将自然风湍流等因素造成的功率波动作为扰动从输出中分类出来，对扰动对应的扰动信号进行频域分析。

(11)根据(1)至(10)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，将风电场做为被控对象，对风电场输入设定的功率序列值进行输出功率特性测试，测试输出记为P_tset；对风电场等效模型输入设定的功率序列值进行输出功率特性测试，测试输出记为P_out；将风电场等效模型的功率跟踪误差作为风场扰动对应的扰动信号：

D＝P_test-P_out

其中，D——扰动信号；

P_out——风电场等效模型的输出功率；

P_test——风电场的功率输出值。

将扰动信号D通过快速傅立叶变换(FFT)方法在频域中进行分析，获取扰动信号的频域分布特性：

其中，f(t)——扰动信号D的函数；

F(ω)——f(t)的象函数，即扰动信号D函数的傅里叶变换。

(12)根据(1)至(11)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，以扰动信号D频域分布纵坐标最大值为参考，沿横坐标递增，寻找与其最大值1％的值相等的，或最为接近的小于其1％值得点，记下其横坐标频率，该点记为x；设定PI控制器的待整定参数分别为k_p和k_i，其中k_p为比例系数，k_i为积分系数。

计算积分系数k_i和比例系数公式k_p，公式分别为：

k_i＝a×[x×(1+C)]²

k_p＝2aξ×(1+C)x-1

其中，x——为扰动边界横坐标；

C——为松弛系数；

a——风电场功率跟踪惯性时间常数；

(13)根据(1)至(12)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，风电场设定阻尼比为ξ＝0.05。频率抑制松弛系数为C＝0.2。(14)根据(1)至(13)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，根据风电场的设定值偏差进行自适应PI控制器改进的方法为，分别计算风电场的总装机容量P_Cotal、前一设定周期的风电场功率设定值P_-1、和当前时刻的风电场功率设定值P₀。

计算当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c，计算公式为：

其中，t_base为积分变化时间基准；

与当前时间的最近的设定周期开始时刻为t₀，当前时刻为t，当t-t₀≤t_c时，自适应PI控制器为如下形式：

当t-t_G>t_c时，自适应PI控制器为如下形式：

其中，s为微分算子，是传递函数模型的固有参数。

(15)根据(1)至(14)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其中，t_base的取值一般为60-100左右。

(16)根据(1)至(15)任一项所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法的风电场闭环PI控制器参数整定装置，该装置连接至风电场，其特征在于：

包括数据接口，用于获取给定功率设定值；

采集器，与风电场相连，采集风电场的输出功率值或数据接口的功率设定值；

运算器，与数据接口和控制器相连，获取当前时刻下的功率设定值与前一设定周期的风电场功率设定值求差运算并传递至控制器；

控制器，通过运算器与数据接口相连，与风电场、控制整定器直接相连，获取控制器参数整定所需的数据；

控制器与一控制整定器相连，控制整定器与风电场相连，该控制整定器能够根据风电场的特性分析获取风电场有功等效模型，并基于给定输入值结合对控制器的参数进行整定。

(17)根据(16)所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，所述数据接口模块采用一组设定的阶梯变换指令的方法覆盖风电机组运行的绝大部分工况点。

(18)根据(16)至(17)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，所述控制整定器包括单机分析单元、聚合分析单元、扰动分析单元、整定分析单元，单机分析单元能够根据风电场特性构建单风机特性模型，聚合分析单元根据单风机特性模型递归计算获得风场特性模型，扰动分析单元能够基于风场特性模型分析分析扰动信号特性，整定分析单元能够整定控制器的参数，使其抑制扰动信号。

(19)根据(16)至(18)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，所述单机分析单元根据单台风电机组输入值与输出信号进行功率跟踪辨识获取单机特性模型，该模型传递函数具体为：

其中：T_i为待辨识的参数。

(20)根据(16)至(19)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，所述聚合分析单元获取风电场内每一风机的单机特性模型之后，根据迭代递归的计算思想实现对风电场的等值建模。

(21)根据(16)至(20)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，所述聚合分析单元进行风电场的等值建模方法为：

统计风电场的风电机组总数为m，并设定未知数a,b,n,i，赋值n＝1,i＝1；

取第i台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给a，即a＝T_i；

取第i+1台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给b，即b＝T_i+1；

对a赋予新的值，其计算公式为：

并检测i与m的关系：

若i<m，则

对n赋予新的值，其计算公式为：

n＝n+1

对i赋予新的值，其计算公式为：

i＝i+1

对b赋予新的值，即b＝T_i+1

对a赋予新的值，其计算公式为：

并继续检测i与m的关系；

若i＝m，则得到风电场的功率跟踪模型：

(22)根据(16)至(21)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，所述扰动分析单元根据风电场等效模型将自然风湍流等因素造成的功率波动作为扰动从输出中分类出来，对扰动对应的扰动信号进行频域分析。

(23)根据(16)至(22)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，对扰动对应的扰动信号频域分析的方法为：

将风电场等效模型的功率跟踪误差作为风场扰动对应的扰动信号：

D＝P_test-P_out

其中，D——扰动信号；

P_out——风电场等效模型的输出功率；

P_test——风电场的功率输出值；

将扰动信号D通过快速傅立叶变换(FFT)方法在频域中进行分析，获取扰动信号的频域分布特性：

其中，f(t)——扰动信号D的函数；

F(ω)——f(t)的象函数，即扰动信号D函数的傅里叶变换；

(24)根据(16)至(23)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，所述整定分析单元根据风电场等效模型的扰动分析计算PI控制器参数，设定PI控制器的待整定参数分别为k_p和k_i，其中k_p为比例系数，k_i为积分系数；以扰动信号D频域分布纵坐标最大值为参考，沿横坐标递增，寻找与其最大值1％的值相等的，或最为接近的小于其1％值得点，记下其横坐标频率，该点记为x；计算积分系数k_i和比例系数k_p的公式分别为：

k_i＝a×[x×(1+C)]²

k_p＝2aξ×(1+C)x-1

其中，x——为扰动边界横坐标；

C——为松弛系数；

ξ——为阻尼比

a——风电场功率跟踪惯性时间常数。

(25)根据(16)至(24)任一项所述的风电场闭环PI控制器参数整定装置，其中，控制器进一步包括一自适应调节器，根据运算器的求差结果、风电场基准下的积分变化时间、风电场的装机容量，计算得到风电场当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c。设与当前时间最近的设定周期开始时刻为t₀，当前时刻为t。当t-t₀≤t_c时，采用对扰动信号抑制能力较强的P控制为主，I控制为线性增强的辅助控制模式，如下形式：

当t-t₀>t_c时，采用抑制能力较弱，但是输出效果更为稳定的PI控制模式，如下形式：

所述的风电场闭环PI控制器参数整定方法及装置，通过对单机特性进行分析，基于给定的输入信号以及相应的输出信号进行辨识，得到比较理想的单机模型。根据单台风机特性分析的方法，依次得到风场内所有风机的特性，并基于迭代计算的近似策略来估计风场级有功功率动态模型，选择单个风力发电机系统(WTGS)单元作为风电场的等效模型。在此基础上，分离风电场不可建模扰动，并对扰动利用快速傅立叶变换，寻找扰动的截止频率；利用给定阻尼比和扰动的截止频率，确定PI控制器参数调试包含时变积分环节的自适应PI控制器，基于该调试后的PI控制器改进风电场的功率跟踪，提高风电场有功功率的动态响应和稳态输出，本发明可以有效的实现风电场的有功功率控制。

附图说明

图1为本发明一种风电场闭环PI控制器参数整定装置的示意图。

1—风电场；2—数据接口；3—PI控制器；31—自适应调节器；4—PI控制整定器；41—单机分析单元；42—聚合分析单元；43—扰动分析单元；44—整定分析单元；5—采集器；6—运算器；

图2为本发明一种风电场闭环PI控制器参数整定方法的示意图；

图3为等值建模递归计算流程图。

具体实施方式

以下配合附图及本发明的优选实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

本发明一方面提供一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，请参阅附图1为本发明一种风电场闭环PI控制器参数整定装置的优选实施例，该风电场闭环PI控制器参数整定装置设置在一风电场1中，包括数据接口2，PI控制器3，PI控制整定器4，采集器5，运算器6。

PI控制整定器4与PI控制器3、数据接口2及风电场1相连，PI控制整定器4能够根据风电场1的特性分析获取风电场有功模型，并基于给定输入值对PI控制器3的特性参数进行整定，从而使PI控制器3能够抑制造成的风电场输出波动的扰动信号，该扰动信号可能因自然风湍流、模型误差等造成。优选的，PI控制整定器4进一步包括单机分析单元41、聚合分析单元42、扰动分析单元43、整定分析单元44。PI控制整定器4可以从风电场1获取风电场1的输入值作为给定输入值，亦可以与数据接口2连接，自数据接口2处获取给定功率设定值作为给定输入值。

该数据接口2通过运算器6与PI控制器3相连，通过采集器5与风电场1相连，该数据接口2能够获取电网调控中心或风电场数据库等处对风电场的给定功率设定值。

采集器5与风电场1和数据接口2分别相连，能够从风电场1获取输出功率值上传至电网调控中心，亦可将电网调控中心数据下达至风电场1。

运算器6接收数据接口2提供的不同时刻的给定功率设定值，将当前时刻下的功率设定值与前一设定周期的风电场功率设定值求差运算并传递至PI控制器3的自适应调节器31。

PI控制器3在作用风电场控制前，会先通过PI控制整定器4基于接入的风电场1的特性进行参数整定，能够生成抑制输出功率值因风场扰动波动的信号。PI控制器3通过运算器6与数据接口2连接，同时PI控制器3直接与风电场1连接，PI控制器3接收运算器6提供的当前时刻下的功率设定值与前一设定周期的风电场功率设定值求差运算结果，并结合风电场基准下的积分变化时间、风电场的装机容量，得到当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c，对风电场PI控制器进行自适应改进。优选的，PI控制模块3进一步包括一自适应调节器31，该自适应调节器31根据运算器6的求差结果、风电场基准下的积分变化时间、风电场的装机容量，计算得到风电场当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c。设与当前时间最近的设定周期开始时刻为t₀，当前时刻为t，当t-t₀≤t_c时，采用对扰动信号抑制能力较强的P控制为主，I控制为线性增强的辅助控制模式；如下形式：

当t-t₀>t_c时，采用抑制能力较弱，但是输出效果更为稳定的PI控制模式如下形式：

该风电场闭环PI控制器参数整定装置还可以进一步包括一可视化模块(图中未示)，该可视化模块与本装置中的风电场1，数据接口2，PI控制器3，PI控制整定器4，采集器5，运算器6等一个或多个组件相连，对风电场有功功率控制调试、实施以及运行等各个过程的数据或状态等信息进行展示。

本发明另一方面提供一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，请参阅附图2，包含如下流程：

流程S1，根据单台风电机组特性进行分析，基于给定的功率设定输入信号以及相应的有功输出信号进行特性辨识，得到比较理想的单机功率跟踪特性模型；

流程S2，根据单台风机功率跟踪特性分析的方法，依次得到风场内所有风机的特性，并基于递归计算的策略得到风电场级的有功动态等效模型；

流程S3，根据风电场有功动态模型将自然风湍流、模型误差造成的功率波动以干扰的形式从输出中分类出来，作为扰动信号进行频域特性分析；

流程S4，根据对干扰的频域分析、风电场的有功动态模型对风电场PI控制器参数进行整定；

流程S5，使用自适应改进的PI控制器对风电场进行有功功率PI控制，提高风电场有功功率的动态响应和稳态输出。

以下将结合风电场闭环PI控制器参数整定装置及方法对本发明的具体实施方式进行进一步阐述：

请参阅附图1、附图2及附图3，PI控制整定器4执行流程S1，获取一给定输入值，并从风电场1获取风电场实时数据、风电场特性数据，将给定输入值及风电场特性数据传递给单机分析单元41，对单台风电机组有功动态模型特性进行模拟辨识分析等效，得到比较理想的单机特性模型。在分析过程中，单机分析单元41会根据风场特性数据构建单风机特性数据，并通过模拟或实测方式构建单风机的输入输出关系、传递函数，利用该模拟单风机的输入输出关系、传递函数以及根据风电场实时数据或风电场特性数据获取该单台风电机组的单机特性模型。优选的，给定输入值应覆盖风电机组的运行所有工况点，且为一组提前设定的阶梯变换指令的功率设定值序列。优选的，对应给定输入值的输出功率数据须根据香农采样定理进行频率采样获取。数据设定值输入接口2和可视化模块可以直接与风电场数据库(如风电场SCADA系统数据库)连接，也可以直接与存储有运行数据的本发明装置中的组件连接，亦可通过网络云，有线无线等连接方式获取风电场及本发明各个装置的运行数据。

聚合分析单元42接受单机分析单元41的计算运行结果，执行流程S2，根据风电场内每一台风电机组的理想特性模型，提取每台风电机组模型的惯性时间常数，以递归计算的策略得到风场级的有功动态等效模型。优选的，风电场最接近的风电机组描述的单机特性模型作为风电场的有功动态等效模型。

聚合分析单元42进行风电场等值建模的方法如图3所示，具体为：

统计风电场的风电机组总数为m，并设定未知数a,b,n,i，赋值n＝1,i＝1；

取第i台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给a，即a＝T_i；

取第i+1台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给b，即b＝T_i+1；

对a赋予新的值，其计算公式为：

并检测i与m的关系：

若i<m，则

对n赋予新的值，其计算公式为：

n＝n+1

对i赋予新的值，其计算公式为：

i＝i+1

对b赋予新的值，即b＝T_i+1

对a赋予新的值，其计算公式为：

若i＝m，则得到风电场的功率跟踪模型：

扰动分析单元43单元执行流程S3，将PI控制整定器4获取的给定输入值下风电场的有功动态等效模型输出功率值与实际风电场输出功率值求差得到得到自然风湍流、模型误差等扰动信号，对扰动信号进行分析获取分布特性。优选的，扰动信号通过快速傅立叶变换(FFT)方法在频域中进行分析，获取扰动信号的频域分布特性。

整定分析单元44执行流程S4，基于获得的扰动信号分布特性，风电场的有功动态等效模型，对风电场PI控制器比例和积分参数进行整定计算。

整定后的PI控制器3在风电场1中执行流程S5，对风电场进行有功功率闭环控制，提高风电场有功功率的动态响应和稳态输出。PI控制器3通过运算器6与数据接口2连接，且直接与风电场1连接，运算器6通过数据接口2获取获取风电场不同时刻下的功率设定值，将当前时刻下的功率设定值与前一设定周期的风电场功率设定值求差运算并传递至PI控制器3。PI控制器3结合风电场基准下的积分变化时间、风电场的装机容量，得到当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c，对风电场PI控制器进行自适应改进。从而能够实现输出功率值尽可能的接近给定功率设定值，而不会超过功率设定值，实现效能最大化。PI控制器3进一步包括自适应调节器31，根据运算器6的求差结果、风电场基准下的积分变化时间、风电场的装机容量，计算得到风电场当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c。设与当前时间最近的设定周期开始时刻为t₀，当前时刻为t，当t-t₀≤t_c时，采用对扰动信号抑制能力较强的P控制为主，I控制为线性增强的辅助控制模式；如下形式：

当t-t₀>t_c时，采用抑制能力较弱，但是输出效果更为稳定的PI控制模式如下形式：

下面结合一个包含6台风机，每台风机额定容量为2MW的风电场进行具体实施分析。本发明所述方法包括以下步骤：

在一个实施例中，对S1中单台风机进行特性分析时，可设给定信号为以下形式：

本实施例中，持续作用风机时间设置为1000秒，通过一定的采样频率获得风机的输出信号，进一步对风机进行功率跟踪特性进行辨识，得到第一台风电机组的功率跟踪模型，其中，第一台机组的功率跟踪惯性时间常数T₁＝0.179976402；这里辨识的传递函数模型如下：

模块化的参数辨识通过调用Matlab中提供的ident工具箱来完成，通过辨识来得到模型中的待定系数。

根据S1得到单台风机功率跟踪特性模型后，通过重复步骤S1得到风场的所有单台风机的功率跟踪模型传递函数，得到待分析的六台机组的惯性时间常数分别为：T₁＝0.179976402、T₂＝0.196665062、T₃＝0.224041229、T₄＝0.205308612、T₅＝0.220673865、T₆＝0.242692389。

根据S2基于递归计算方法得到风场的有功动态等效模型，计算流程参阅附图3。

根据待分析风电场中风电机组的个数，得到风电机组个数m＝6。设未知数a,b,n,i，赋n＝1，i＝1。取第i台机组的功率跟踪惯性时间常数T₁，并赋值给a，即a＝0.179976402。取第i+1台机组的功率跟踪惯性时间常数T₂，并赋值给b，即b＝0.196665062。参考公式

进行计算，计算得到的a值为0.1879510019。

检测i与m的关系，此时i＝1，m＝6，i<m，则赋值n＝n+1＝2，i＝i+1＝2，b＝T_i+1＝T₃，参考公式计算a值。

循环执行步骤，直到i＝6，计算得到的a为0.209590378653759，即得到风电场的等效模型的惯性时间常数，因此模型为：

根据S3，可得到风场的扰动信号频域特性。

选择风电场作为被控对象，以等值风电机组的形式，进行风电场功率跟踪特性测试，测试输出记为P_test。

以前一步骤中所采用的风电场功率设定值为输入，计算所得风电机组功率跟踪模型为仿真过程，进行仿真测试，测试输出记为P_out。

分离不可建模功率扰动D。计算公式为：

D＝P_test-P_out

将扰动信号D通过快速傅立叶变换(FFT)方法在频域中进行分析，傅立叶变换为：

以傅立叶变换后所得扰动信号D的频域分布图为基础，扰动信号D频域分布纵坐标最大值为参考，沿横坐标递增，寻找与其最大值1％的值相等的，或最为接近的小于其1％值得点，记下其横坐标频率。该点记为x。对这六台机组分析的结果，x＝2Hz；

根据S4，对先进行风电场的控制器参数进行整定计算。

设PI控制器的待整定参数分别为k_p和k_i，其中k_p为比例系数，k_i为积分系数；

设定控制目标的阻尼比，ξ＝4，设定频率抑制松弛系数，C＝0.2；

参考公式计算积分系数k_i，计算参考如下公式：

k_i＝a×[x×(1+C)]²

代入在以前步骤中得到的各项参数，计算得到k_i＝1.207；

参考公式，计算比例系数k_p，计算参考如下公式：

k_p＝2aξ×(1+C)x-1

代入在以前步骤中得到的各项参数，计算得到k_p＝3.024；

根据S5，对风电场整定后的控制器进行自适应改进。

计算风电场的总装机容量，在本实施例中，P_total＝12MW。取前一设定周期的风电场功率设定值，在本实施例中为8MW，记为P_-1。取当前时刻风电场功率设定值，在本实施例中为10MW，记为P₀。设定积分变化时间基准，记为t_base。对于本风电场，t_base＝60；计算当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c，计算参考如何公式：

计算得到，t_c＝10。

在本实施例中，设与当前时间最近的设定周期开始时刻为t₀，当前时刻为t，当t-t₀≤10时，自适应PI控制器采用对扰动信号抑制能力较强的P控制为主，I控制为线性增强的辅助控制模式，如下形式：

当t-t₀>10时，PI控制器采用抑制能力较弱，但是输出效果更为稳定的PI控制模式，如下形式：

通过执行上述步骤，完成对风电场的控制器参数整定及自适应改进。

综上所述一种风电场闭环PI控制器参数整定方法及装置，通过单台风电机组特性进行分析，基于给定的功率设定输入信号以及相应的有功输出信号进行特性辨识，得到比较理想的单机特性模型；根据单台风机特性分析的方法，依次得到风场内所有风机的特性，并基于迭代计算的近似策略来估计风场级有功功率动态模型，选择单个风力发电机系统(WTGS)单元作为风电场的等效模型；基于等效模型分离风电场不可建模扰动，并对扰动利用快速傅立叶变换，寻找扰动的截止频率；利用给定阻尼比和扰动的截止频率，确定PI控制器参数调试包含时变积分环节的自适应PI控制器，基于该调试后的PI控制器改进风电场的功率跟踪，提高风电场有功功率的动态响应和稳态输出。

上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其他的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (25)

1.一种风电场闭环PI控制器参数整定方法,其特征在于，包括以下步骤：

获取风电场内单台风电机组的单机特性模型；

获取风电场内每一台风电机组的单机特性模型，通过对风电场内风电机组的单机特性模型基于迭代计算的近似策略来获取风电场的有功动态等效模型；

对风电场的有功动态等效模型进行扰动分析；

根据风电场的有功动态等效模型的扰动分析计算PI控制器参数；

根据风电场的设定值偏差进行自适应PI控制器改进。

2.根据权利要求1所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，通过给定单台风电机组输入值，获取单台风电机组对应于输入值的功率输出信号，并基于输入值与输出信号对单台风力发电系统的功率跟踪特性进行辨识获取该单台风电机组的单机特性模型。

3.根据权利要求2所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，输入值覆盖该单台风电机组运行的绝大部分工况点。

4.根据权利要求3所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，输入值为一组提前设定的阶梯变换指令的功率值序列。

5.根据权利要求2所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，相应的功率输出信号通过在一定的频率下，基于持续输入的输入值，根据香农采样定理进行频率采样获取。

6.根据权利要求5所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，得到的单机特性模型为一阶惯性传递函数形式。

7.根据权利要求6所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，得到的单机特性模型的一阶传递函数为：

其中：T_i为待辨识的参数。

8.根据权利要求1所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，获取风电场内每一风机的单机特性模型之后，根据迭代递归的计算思想实现对风电场的等值建模。

9.根据权利要求8所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，风电场的等值建模方法为：

统计风电场的风电机组总数为m，并设定未知数a,b,n,i，赋值n＝1,i＝1；

取第i台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给a，即a＝T_i；

取第i+1台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给b，即b＝T_i+1；

对a赋予新的值，其计算公式为：

并检测i与m的关系：

若i<m，则

对n赋予新的值，其计算公式为：

n＝n+1

对i赋予新的值，其计算公式为：

i＝i+1

对b赋予新的值，即b＝T_i+1

对a赋予新的值，其计算公式为：

并继续检测i与m的关系；

若i＝m，则得到风电场的功率跟踪模型：

10.根据权利要求1所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，对风电场等效模型进行扰动分析的方法为根据风电场等效模型将自然风湍流等因素造成的功率波动作为扰动从输出中分类出来，对扰动对应的扰动信号进行频域分析。

11.根据权利要求10所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，扰动信号频域的分析方法为：

将风电场做为被控对象，对风电场输入设定的功率序列值进行输出功率特性测试，测试输出记为P_tset，对风电场等效模型输入设定的功率序列值进行输出功率特性测试，测试输出记为P_out；

将风电场等效模型的功率跟踪误差作为风场扰动对应的扰动信号：

D＝P_test-P_out

其中，D——扰动信号；

P_out——风电场等效模型的输出功率；

P_test——风电场的功率输出值；

将扰动信号D通过快速傅立叶变换(FFT)方法在频域中进行分析，获取扰动信号的频域分布特性：

其中，f(t)——扰动信号D的函数；

F(ω)——f(t)的象函数，即扰动信号D函数的傅里叶变换。

12.根据权利要求1所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，根据风电场等效模型的扰动分析计算PI控制器参数，设定PI控制器的待整定参数分别为k_p和k_i，其中k_p为比例系数，k_i为积分系数；以扰动信号D频域分布纵坐标最大值为参考，沿横坐标递增，寻找与其最大值1％的值相等的，或最为接近的小于其1％值得点，记下其横坐标频率，该点记为x；计算积分系数k_i和比例系数k_p的公式分别为：

k_i＝a×[x×(1+C)]²

k_p＝2aξ×(1+C)x-1

其中，x——为扰动边界横坐标；

C——为松弛系数；

ξ——为阻尼比

a——风电场功率跟踪惯性时间常数。

13.根据权利要求12所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，风电场阻尼比为ξ＝0.05，频率抑制松弛系数为C＝0.2。

14.根据权利要求1所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，根据风电场的设定值偏差进行自适应PI控制器改进的方法为，分别计算风电场的总装机容量P_total、前一设定周期的风电场功率设定值P_-)、和当前时刻的风电场功率设定值P₀；

计算当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c，计算公式为：

其中，t_ba5e为积分变化时间基准；

与当前时间的最近的设定周期开始时刻为t₀，当前时刻为t，当t-t₀≤t_c时，自适应PI控制器为如下形式：

当t-t₀>t_c时，自适应PI控制器为如下形式：

其中，s为微分算子，是传递函数模型的固有参数。

15.根据权利要求14所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定方法，其特征在于，t_ba5e的取值为60-100。

16.一种执行权利要求1至15任一项的风电场闭环PI控制器参数整定方法的风电场闭环PI控制器参数整定装置，该装置连接至风电场，其特征在于：

包括数据接口，用于获取给定功率设定值；

采集器，与风电场相连，采集风电场的输出功率值或数据接口的功率设定值；

运算器，与数据接口和控制器相连，获取当前时刻下的功率设定值与前一设定周期的风电场功率设定值求差运算并传递至控制器；

控制器，通过运算器与数据接口相连，与风电场、控制整定器直接相连，获取控制器参数整定所需的数据；

控制器与一控制整定器相连，控制整定器与风电场相连，该控制整定器能够根据风电场的特性分析获取风电场有功等效模型，并基于给定输入值结合对控制器的参数进行整定。

17.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述数据接口模块采用一组设定的阶梯变换指令的方法覆盖风电机组运行的绝大部分工况点。

18.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述控制整定器包括单机分析单元、聚合分析单元、扰动分析单元、整定分析单元，单机分析单元能够根据风电场特性构建单风机特性模型，聚合分析单元根据单风机特性模型递归计算获得风场特性模型，扰动分析单元能够基于风场特性模型分析分析扰动信号特性，整定分析单元能够整定控制器的参数，使其抑制扰动信号。

19.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述单机分析单元根据单台风电机组输入值与输出信号进行功率跟踪辨识获取单机特性模型，该模型传递函数具体为：

其中：T_i为待辨识的参数。

20.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述聚合分析单元获取风电场内每一风机的单机特性模型之后，根据迭代递归的计算思想实现对风电场的等值建模。

21.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述聚合分析单元进行风电场等值建模的方法为：

统计风电场的风电机组总数为m，并设定未知数a,b,n,i，赋值n＝1,i＝1；

取第i台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给a，即a＝T_i；

取第i+1台风电机组的功率跟踪模型，将其功率跟踪模型的惯性时间常数赋值给b，即b＝T_i+1；

对a赋予新的值，其计算公式为：

并检测i与m的关系：

若i<m，则

对n赋予新的值，其计算公式为：

n＝n+1

对i赋予新的值，其计算公式为：

i＝i+1

对b赋予新的值，即b＝T_i+)

对a赋予新的值，其计算公式为：

并继续检测i与m的关系；

若i＝m，则得到风电场的功率跟踪模型：

22.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述扰动分析单元根据风电场等效模型将自然风湍流等因素造成的功率波动作为扰动从输出中分类出来，对扰动对应的扰动信号进行频域分析。

23.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述扰动分析单元对扰动对应的扰动信号频域分析的方法为：

将风电场等效模型的功率跟踪误差作为风场扰动对应的扰动信号：

D＝P_test-P_out

其中，D——扰动信号；

P_out——风电场等效模型的输出功率；

P_test——风电场的功率输出值；

将扰动信号D通过快速傅立叶变换(FFT)方法在频域中进行分析，获取扰动信号的频域分布特性：

其中，f(t)——扰动信号D的函数；

F(ω)——f(t)的象函数，即扰动信号D函数的傅里叶变换。

24.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，所述整定分析单元根据风电场等效模型的扰动分析计算PI控制器参数，设定PI控制器的待整定参数分别为k_p和k_i，其中k_p为比例系数，k_i为积分系数；以扰动信号D频域分布纵坐标最大值为参考，沿横坐标递增，寻找与其最大值1％的值相等的，或最为接近的小于其1％值得点，记下其横坐标频率，该点记为x；计算积分系数k_i和比例系数k_p的公式分别为：

k_i＝a×[x×(1+C)]²

k_p＝2aξ×(1+C)x-1

其中，x——为扰动边界横坐标；

C——为松弛系数；

ξ——为阻尼比

a——风电场功率跟踪惯性时间常数。

25.根据权利要求16所述的一种风电场闭环PI控制器参数整定装置，其特征在于，控制器包括一自适应调节器，根据运算器的求差结果、风电场基准下的积分变化时间、风电场的装机容量，计算得到风电场当前设定值变化条件下的积分变化时间t_c。设与当前时间最近的设定周期开始时刻为t₀，当前时刻为t。当t-t₀≤t_c时，采用对扰动信号抑制能力较强的P控制为主，I控制为线性增强的辅助控制模式，如下形式：

当t-t₀>t_c时，采用抑制能力较弱，但是输出效果更为稳定的PI控制模式，如下形式：

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