CN111725840B - 一种直驱风电机组控制器参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱风电机组控制器参数辨识方法，其在直驱风电机组功率控制模型的基础上，进行了一定的模型简化并推导出其功率响应的时域数学模型，提出了基于该模型的控制参数辨识方法。本发明方法对辨识初值要求低，对较大范围内的辨识初值均能实现快速、准确的辨识，不需要多轮迭代搜索参数；本发明通过两轮辨识对控制内环和控制外环的参数均能实现高准确度的辨识，且辨识依据的测试数据获取方法简单，方法在实际工程应用中可操作性高。

Description

一种直驱风电机组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，具体涉及一种直驱风电机组控制器参数辨识方法。

背景技术

随着近年来风力发电技术不断发展，风电渗透率不断提高，风力发电对电力系统动态性能的影响越来越重要，为了分析大规模风电接入对电网的影响，有必要建立准确的风电机组系统模型。由于风力机系统的网侧变流器与电网相连，控制着风力机系统与电网之间的功率转换，因此网侧变流器的建模在风力机系统建模中尤为重要；然而，在实际风电场中，风力机系统中并网侧变流器的控制模型通常为灰箱或黑箱。因此，大多数控制器参数未知或不准确，难以建立准确的模型，采用基于实测数据的参数辨识方法是获得精确控制器参数的有效方法之一。

参数辨识方法主要包括频域辨识法和时域辨识法两类；M.Hasni等人在文献[Estimation of synchronous machine parameter by standstill frequency responsetests,2008 IEEE International Conference on Industrial Technology,Chengdu,2008,pp.1-6.]中针对同步电动机的参数识别提出了一种频域辨识方法，将伪随机信号叠加在输入参考信号上，分析输入输出信号的自功率谱和互功率谱。潘雪萍等人在文献[双馈风电机组网侧控制器参数辨识的频域方法[J].电网技术,2015,39(03):634-638.]和文献[解耦辨识双馈风电机组转子侧控制器参数的频域方法[J].电力系统自动化,2015,39(20):19-25+108.]中通过频域辨识方法分别辨识了双馈风电机组网侧控制器的PI参数和机侧控制器的PI参数。频域辨识方法在很多情况下对参数辨识是有效的，但并不适用于实际工程应用中的直驱风电机组控制参数辨识，因为在实际工程应用中，风电机组已在风电场中安装运行，这使得频域辨识方法难以实现。

时域辨识方法更加符合实际工程应用的需求，目前应用于电机系统参数辨识的时域辨识方法多用于辨识电机的电气参数，但由于时域辨识方法高度依赖于其数学模型，用于电机电气参数辨识的方法并不适用于数学模型完全不同的电机控制参数辨识中。在电机控制参数辨识领域，J.Rose等人在文献[Estimating wind turbine parameters andquantifying their effects on dynamic behavior,2008 IEEE Power and EnergySociety General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the21st Century,Pittsburgh,PA,2008,pp.1-7.]中采用基于双闭环数学模型的电压扰动和风速扰动对双馈风力发电机系统的控制器参数进行辨识，该辨识方法为直驱风机功率控制双闭环模型的辨识提供了参考，但是如果双闭环控制的任一环节发生变化，这种辨识方法就不适用了，必须提出一种新的参数辨识方法来应用于新的双闭环控制；此外，该辨识方法中需要合适的初值进行辨识，而且对内环控制参数的辨识不够准确。

因此，现有的辨识方法无法满足直驱风电机组控制参数辨识的需求，需要提出一种新的辨识方法。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种直驱风电机组控制器参数辨识方法，根据功率指令扰动下的功率响应数据能够辨识直驱风电机组的功率控制参数，对功率外环和电流内环的控制参数均能实现准确的辨识，且能够承受较大范围的辨识初值，辨识方法简单，实际工程应用可操作性强。

一种直驱风电机组控制器参数辨识方法，所述直驱风电机组整个系统由直驱风机、机侧变流器、直流电容、网侧变流器、网侧滤波电感、变压器依次连接组成并接入电网，所述控制器参数辨识方法包括如下步骤：

(1)根据系统功率控制的原理和特点简化控制器模型，将其简化为网侧变流器的功率-电流双闭环控制模型；

(2)根据所述功率-电流双闭环控制模型推导出系统功率响应的频域模型；

(3)进而根据所述频域模型推导出系统功率响应的时域模型，作为后续参数辨识依托的数学模型；

(4)对网侧变流器的有功功率指令和无功功率指令分别施加扰动，以系统有功功率和无功功率响应作为观测量对所述时域模型进行参数辨识，从而得到网侧变流器的控制参数。

进一步地，所述步骤(1)中简化控制器模型的依据为：直驱风电机组通过网侧变流器输出功率，当直流电容足够大时，直流母线电压保持不变，机侧变流器的控制并不影响网侧变流器，分析直驱风电机组的功率控制可仅分析网侧变流器的功率控制模型。

进一步地，所述步骤(2)中推导得到的频域模型表达式如下：

其中：P(s)为系统有功功率频域信号，Q(s)为系统无功功率频域信号，s为拉普拉斯算子，P^*和Q^*分别为网侧变流器的有功功率指令值和无功功率指令值，u_d为系统输出电压的d轴分量，k_pd1和k_id1分别为网侧变流器d轴内环PI控制器的比例系数和积分系数，k_pd2和k_id2分别为网侧变流器d轴外环PI控制器的比例系数和积分系数，k_pq1和k_iq1分别为网侧变流器q轴内环PI控制器的比例系数和积分系数，k_pq2和k_iq2分别为网侧变流器q轴外环PI控制器的比例系数和积分系数，L_d2＝k_pd1k_pd2/L，L_d1＝(k_pd1k_id2+k_pd2k_id1)/L，L_d0＝k_id1k_id2/L，L_q2＝k_pq1k_pq2/L，L_q1＝(k_pq1k_iq2+l_pq2k_iq1)/L，L_q0＝k_iq1k_iq2/L，L为网侧滤波电感的电感值。

进一步地，所述步骤(3)中推导得到的时域模型表达式如下：

其中：P(t)为系统有功功率时域信号，Q(t)为系统无功功率时域信号，t为时刻，s_d1～s_d3以及s_q1～s_q3均为中间变量。

进一步地，所述中间变量s_d1～s_d3的表达式如下：

其中：k_d＝u_d，i为虚数单位。

进一步地，所述中间变量s_q1～S_q3的表达式如下：

其中：k_q＝-u_d，i为虚数单位。

进一步地，所述步骤(4)中的参数辨识过程具体分两轮进行：

第一轮：对系统有功功率和无功功率的时域响应曲线进行均匀采样，根据采样值运用参数辨识算法对时域模型进行参数辨识，得到网侧变流器的外环控制参数；

第二轮：对系统有功功率和无功功率时域响应曲线中近似阶跃的曲线段进行单独采样，将第一轮辨识得到的外环控制参数作为已知量代入时域模型中，进而根据第二轮采样值运用参数辨识算法对时域模型进行参数辨识，得到网侧变流器的内环控制参数。近似阶跃的曲线段所占整个响应过程的时间比重极小在第一轮辨识度的均匀采样中往往被忽略，但由于其反应了极短时间内的功率响应，较慢的外环控制基本未发生作用，更能体现内环控制参数的特征。

进一步地，所述参数辨识算法采用阻尼最小二乘法，辨识初值范围选取真实值的50％～200％。

本发明是在直驱风电机组功率控制简化模型的基础上，提出了一种时域的控制参数辨识方法，该方法对辨识初值要求低，对较大范围内的辨识初值均能实现快速、准确的辨识，不需要多轮迭代搜索参数；本发明通过两轮辨识对控制内环和控制外环的参数均能实现高准确度的辨识，且辨识依据的测试数据获取方法简单，方法在实际工程应用中可操作性高。

本发明所提出的系统参数辨识思想，不仅可以应用于直驱风电机组网侧变流器控制参数的辨识，还可以对其他双闭环控制模型的参数辨识有参考意义，如双馈风电机组机侧变流器功率控制参数的辨识，其控制思想有较广泛的适用性。

附图说明

图1为直驱风电机组系统的并网拓扑结构示意图。

图2为网侧变流器的功率控制模型结构示意图。

图3为本发明控制器参数辨识的流程示意图。

图4(a)为P_ref＝0.2(pu)，Q_ref＝-0.15(pu)，L＝1mH工况下辨识值和实际值对应的功率响应曲线对比图。

图4(b)为P_ref＝0.3(pu)，Q_ref＝-0.2(pu)，L＝1mH工况下辨识值和实际值对应的功率响应曲线对比图。

图4(c)为P_ref＝0.2(pu)，Q_ref＝-0.15(pu)，L＝0.5mH工况下辨识值和实际值对应的功率响应曲线对比图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示为直驱风电机组的并网拓扑，图中C为直流电容，L为网侧滤波电感，直驱风电机组经过机侧变流器、直流电容、网侧变流器、网侧滤波电感和变压器接入电网。对直驱风电机组的控制通过对机侧变流器的控制和网侧变流器的控制实现，转子侧逆变器通过控制转子电流进而调节转子电压，实现功率的解耦控制，网侧逆变器采用网侧电压定向维持直流电压恒定并调节机组的无功功率输出。本发明对该直驱风电机组的控制参数进行辨识，包括以下步骤：

(1)根据直驱风电机组功率控制的原理和特点简化控制器模型。

直驱风电机组的并网运行中主要关注的是直驱风电机组的功率控制，需要风电机组根据风电场的自动发电控制和自动电压控制指令来调整自身的有功功率和无功功率输出来满足电网需求。由于直驱风电机组和电网的功率交换通过网侧变流器进行，而当直流电容足够大时直流母线电压保持不变，机侧变流器的控制并不对网侧变流器造成影响，因此可将直驱风电机组控制模型简化为直驱风电机组网侧变流器的功率-电流双闭环控制模型，该控制模型结构如图2所示，其中i_d、i_q为输出电流的d、q轴分量，

为d、q轴的参考电流，P、Q为输出有功和无功功率，P^*、Q^*为有功和无功功率参考值；，k_pd1、k_id1、k_pd2、k_id2为d轴内外环的比例增益和积分增益，k_pq1、k_iq1、k_pq2、k_iq2为q轴内外环的比例增益和积分增益，s为拉式变换算子，L为网侧滤波电感的电感值。

(2)根据图2所示的控制结构可得功率外环和电流内环的频域模型：

结合dq坐标系下的电压方程：

可得d轴和q轴对应的传递函数：

从而可以得到功率响应的频域模型：

其中：L_d2＝k_pd1k_pd2/L，L_d1＝(k_pd1k_id2+k_pd2k_id1)/L，L_d0＝k_id1k_id2/L，q轴的相关系数和d轴类似。

对功率响应的频域模型进行拉式变换可以得到功率响应的时域模型：

其中：d、q轴参数除了k_d＝u_d，k_q＝-u_d外的参数均相似，该时域模型是本发明中时域参数辨识方法依托的数学模型。

(3)以直驱风电机组的有功功率和无功功率响应作为观测量运用参数辨识算法辨识网侧变流器控制参数，其具体过程如图3所示：

首先施加扰动，分别对有功功率、无功功率指令施加阶跃扰动，例如设置P_ref在1s处发生从0～0.2(标幺值)的跳变、Q_ref在1.5s处发生从0～0.15s(标幺值)的跳变，而后测量有功功率和无功功率的响应曲线，测量范围为从P_ref、Q_ref发生跳变时刻起到电流到达稳定值时刻为止。

最后根据响应数据进行控制参数的辨识，即通过有功功率响应数据辨识d轴控制参数，通过无功功率响应数据辨识q轴控制参数，辨识算法采用阻尼最小二乘法，该算法是基于典型最小二乘法的优化算法，引入阻尼系数λ来结合高斯-牛顿法和最速下降法这两种典型最小二乘法的优势，能在保证收敛速度的同时保证迭代精度，对初值要求宽泛。本实例中选取的辨识初值范围为真值的[50％,200％]，对该范围的初值均能实现快速收敛和精确迭代，辨识的步骤分为两轮：

第一轮参数辨识对有功功率和无功功率响应的曲线进行第一轮采样，根据采样值进行第一轮辨识，辨识结果如表1所示；第一轮辨识中能够准确辨识功率外环的控制参数，但对于内环控制参数的辨识准确度不高，因此将外环辨识结果作为已知量，在此基础上进行下一轮辨识，修正内环控制参数。

表1：第一轮参数辨识结果

第二轮参数辨识对功率响应近似突变段进行讨论，近似突变段位于响应曲线的起始段，由于近似突变段占整个响应过程的时间比重极小，在之前采样点的选取中往往被忽略，而这一段曲线由于体现的是极短时间内的功率响应，较慢的外环控制基本未发生作用，更能体现内环控制参数的特征。

因此对有功功率和无功功率响应的曲线的近似突变段进行单独采样，根据采样值进行第二轮辨识，辨识结果如表2所示，表2中内环参数的辨识误差显著减小，通过第二轮辨识能够得到较为准确的电流内环的控制参数。通过两轮参数辨识对内环控制参数和外环控制参数均能实现较高精度的辨识，参数辨识误差可以控制在约5％。

表2：第二轮参数辨识结果

以下我们通过不同工况下的仿真对比验证了本发明方法的有效性，对不同功率参考值和网侧滤波电感下的辨识结果进行了分析，以辨识结果作为控制参数进行仿真，将仿真得到的功率响应和实际响应进行对比，如图4(a)～图4(c)所示，在不同工况下辨识值对应的功率响应曲线和真实值对应的功率响应曲线均高度重合，证实了本发明方法的有效性。

综上所述，本发明在直驱风电机组功率控制简化模型的基础上，提出了一种时域的控制参数辨识方法，该方法对辨识初值要求低，对较大范围内的辨识初值均能实现快速、准确的辨识，不需要多轮迭代搜索参数；本发明通过两轮辨识对控制内环和控制外环的参数均能实现高准确度的辨识，且辨识依据的测试数据获取方法简单，方法在实际工程应用中可操作性高。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直驱风电机组控制器参数辨识方法，所述直驱风电机组整个系统由直驱风机、机侧变流器、直流电容、网侧变流器、网侧滤波电感、变压器依次连接组成并接入电网，其特征在于：所述控制器参数辨识方法包括如下步骤：

(1)根据系统功率控制的原理和特点简化控制器模型，将其简化为网侧变流器的功率-电流双闭环控制模型；

(2)根据所述功率-电流双闭环控制模型推导出系统功率响应的频域模型；

(3)进而根据所述频域模型推导出系统功率响应的时域模型，作为后续参数辨识依托的数学模型；

(4)对网侧变流器的有功功率指令和无功功率指令分别施加扰动，以系统有功功率和无功功率响应作为观测量对所述时域模型进行参数辨识，从而得到网侧变流器的控制参数。

2.根据权利要求1所述的直驱风电机组控制器参数辨识方法，其特征在于：所述步骤(1)中简化控制器模型的依据为：直驱风电机组通过网侧变流器输出功率，当直流电容足够大时，直流母线电压保持不变，机侧变流器的控制并不影响网侧变流器，分析直驱风电机组的功率控制可仅分析网侧变流器的功率控制模型。

3.根据权利要求1所述的直驱风电机组控制器参数辨识方法，其特征在于：所述步骤(2)中推导得到的频域模型表达式如下：

其中：P(s)为系统有功功率频域信号，Q(s)为系统无功功率频域信号，s为拉普拉斯算子，P^*和Q^*分别为网侧变流器的有功功率指令值和无功功率指令值，u_d为系统输出电压的d轴分量，k_pd1和k_id1分别为网侧变流器d轴内环PI控制器的比例系数和积分系数，k_pd2和k_id2分别为网侧变流器d轴外环PI控制器的比例系数和积分系数，k_pq1和k_iq1分别为网侧变流器q轴内环PI控制器的比例系数和积分系数，k_pq2和k_iq2分别为网侧变流器q轴外环PI控制器的比例系数和积分系数，L_d2＝k_pd1k_pd2/L，L_d1＝(k_pd1k_id2+k_pd2k_id1)/L，L_d0＝k_id1k_id2/L，L_q2＝k_pq1k_pq2/L，L_q1＝(k_pq1k_iq2+k_pq2k_iq1)/L，L_q0＝k_iq1k_iq2/L，L为网侧滤波电感的电感值。

4.根据权利要求3所述的直驱风电机组控制器参数辨识方法，其特征在于：所述步骤(3)中推导得到的时域模型表达式如下：

其中：P(t)为系统有功功率时域信号，Q(t)为系统无功功率时域信号，t为时刻，s_d1～s_d3以及s_q1～s_q3均为中间变量；

所述中间变量s_d1～s_d3的表达式如下：

所述中间变量s_q1～s_q3的表达式如下：

其中：k_d＝u_d，k_q＝-u_d，i为虚数单位。

5.根据权利要求1所述的直驱风电机组控制器参数辨识方法，其特征在于：所述步骤(4)中的参数辨识过程具体分两轮进行：

第一轮：对系统有功功率和无功功率的时域响应曲线进行均匀采样，根据采样值运用参数辨识算法对时域模型进行参数辨识，得到网侧变流器的外环控制参数；

第二轮：对系统有功功率和无功功率时域响应曲线中近似阶跃的曲线段进行单独采样，将第一轮辨识得到的外环控制参数作为已知量代入时域模型中，进而根据第二轮采样值运用参数辨识算法对时域模型进行参数辨识，得到网侧变流器的内环控制参数。

6.根据权利要求5所述的直驱风电机组控制器参数辨识方法，其特征在于：所述参数辨识算法采用阻尼最小二乘法，辨识初值范围选取真实值的50％～200％。

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