CN112165115B - 一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置，首先，通过建立机侧系统(包括发电机和机侧变流器)直流端口的理论阻抗和测量阻抗，利用最小二乘法辨识得到机侧变流器的控制器参数。然后，建立直驱发电机组网侧交流端口的整体理论阻抗，并将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入，通过与测量阻抗的比较，利用最小二乘法辨识得到网侧变流器的控制器参数。本发明利用交、直流端口阻抗频率特性实现直驱风电机组机侧变流器和网侧变流器不同带宽控制环节控制参数的精确辨识，且能够保证直驱风电机组端口宽频阻抗特性的一致性，适用于具有多带宽控制环节的风电机组参数辨识，具有实用性强、实现方便、辨识精确等优点。

Description

一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地说，涉及一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置
背景技术
在能源资源短缺以及环境污染不断严重的背景下，风能作为可再生能源重要的一部分越来越引起人们的重视。目前，我国风电总装机容量世界第一，已成为我国第三大主力电源。随着陆上风电开发日趋饱和，海上风电将成为未来风力发电的主要发展方向。业内普遍认为，陆上风电机组将以双馈机型为主，海上风电机组将以直驱全功率机型为主。
直驱风电机组采用背靠背全功率变流器作为发电机与电网的接口装备，对风电机组的动态特性起决定性影响。直驱风电机组包含机侧变流器和网侧变流器，机、网侧变流器均含有复杂的控制结构。为研究风电机组/风电场并网的动态特性，往往需要建立风电机组的详细模型，包括仿真模型和数学模型，因此需要知道风电机组所采用的控制策略和控制参数。然而，风机制造商因商业保密，一般不会公开其所采用的具体控制策略和控制参数，即存在黑/灰箱问题，这给风电机组的准确建模提出了挑战。为解决该问题，相关学者开展了风电机组的参数辨识研究。目前，已有研究多集中在电气参数辨识方面，如发电机的参数辨识等，部分文献研究了风电变流器控制参数的辨识，但多采用时域辨识方法，仅能较准确地辨识单一参数，而对具有多带宽控制环节的控制系统参数辨识精度不高。此外，少数文献提出控制器参数的频域辨识方法，但所提方法基于控制器的解耦模型，导致控制器内环参数的辨识精度偏低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，包括以下步骤：
基于直驱风电机组的发电机与机侧变流器及其控制，建立机侧变流器直流端口理论阻抗；
在机侧变流器直流端口注入扰动电压，测量机侧变流器直流端口阻抗；
给定机侧变流器的控制器参数初始值，构建损失函数，使得测量得到的直流端口阻抗与直流端口理论阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得机侧变流器的控制器参数；
建立直驱风电机组的网侧变流器交流端口整体理论正序阻抗，并将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入此正序阻抗中；
在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，测量网侧变流器交流端口正序阻抗；
给定网侧变流器的控制器参数初始值，构建损失函数，使得测量得到的交流端口正序阻抗与代入了机侧变流器控制器参数的交流端口整体理论正序阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得网侧变流器的控制器参数。
优选地，所述机侧变流器的控制器参数包括：转矩外环的比例和积分系数以及电流内环的比例和积分系数。
优选地，所述网侧变流器的控制器参数包括：直流电压外环的比例和积分系数、无功功率外环的比例和积分系数、电流内环的比例和积分系数以及锁相环的比例和积分系数。
优选地，所述建立机侧变流器直流端口理论阻抗模型的方法，包括：
建立发电机的交流端口阻抗
Figure GDA0003667947870000021
为：
Figure GDA0003667947870000022
式中，Rs为定子电阻；Lsd,Lsq分别为同步发电机定子d轴和q轴自感；ωr0为发电机稳态时的电气转速；
建立机侧变流器的交、直流三端口模型为：
Figure GDA0003667947870000023
式中，
Figure GDA0003667947870000024
和
Figure GDA0003667947870000025
和
Figure GDA0003667947870000026
分别是机侧变流器交流端口dq电压和电流，
Figure GDA0003667947870000027
和
Figure GDA0003667947870000028
分别是机侧变流器直流端口电压和电流；系数矩阵中的四个元素如下：
Figure GDA0003667947870000031
式中，Htor(s),Hc(s)分别为转矩外环和电流内环的传递函数，ψm为体磁链，np为极对数，Ucd0,Ucq0,Icd0，Icq0分别为逆变器出口dq轴稳态电压与电流，Pc0为发电机输出的有功功率，Vdc0为直流端口稳态电压。
根据同步发电机和机侧变流器端口互联的电压电流约束条件，得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc(s)为：
Figure GDA0003667947870000032
Zdc(s)＝1/Ydc(s) (4)
优选地，所述在机侧变流器直流端口注入扰动电压，测量机侧变流器直流端口阻抗的方法，包括：
在机侧变流器直流端口注入谐波扰动电压，通过FFT分析提取谐波电压Δudc和谐波电流Δidc，计算得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc为：
Figure GDA0003667947870000033
优选地，所述获得机侧变流器的控制器参数的方法，包括：
根据风电机组控制器参数一般设计方法计算得到机侧变流器控制器参数，作为机侧变流器控制器参数的初始值
Figure GDA0003667947870000034
其中，
Figure GDA0003667947870000035
分别为机侧变流器电流内环的比例、积分常数和转矩外环的比例积分常数；
在直驱风电机组的系统电气参数已知的情况下，代入控制器参数初始值，计算得到直驱风电机组直流侧阻抗Zdc(f1,f2,...,fn)，其中，f1,f2,...,fn代表n个不同的频率；
根据扫频得到的测量阻抗数据
Figure GDA0003667947870000041
构建损失函数
Figure GDA0003667947870000042
如果损失函数大于给定的极小值ξ，则根据设定的步长更新初始值为
Figure GDA0003667947870000043
求得此更新初始值下的直驱风电机组机侧变流器直流侧阻抗Z′dc(f1,f2,...,fn)，以此为基础进一步更新此初始值下损失函数的大小，重复此步骤，得到使损失函数最小下的控制器参数
Figure GDA0003667947870000044
即为最终获得的机侧变流器的控制器参数。
优选地，所述建立网侧变流器交流端口整体理论正序阻抗模型的方法，包括：
建立网侧变流器交、直流三端口模型为：
Figure GDA0003667947870000045
式中，
Figure GDA0003667947870000046
分别为网侧变流器并网点处的dq轴电压，
Figure GDA0003667947870000047
分别为网侧变流器输出端口的dq轴电流，
Figure GDA0003667947870000048
分别为网侧变流器直流电口的电压和电流，系数矩阵中的四个元素如下：
Figure GDA0003667947870000049
其中：
Figure GDA00036679478700000410
Figure GDA00036679478700000411
Figure GDA0003667947870000051
Figure GDA0003667947870000052
式中，Ucd0,Ucq0,Icd0，Icq0分别为逆变器出口dq轴稳态电压与电流，Hpq(s)是无功功率外环的传递函数，Hdc(s)是直流电压外环的传递函数，Hc为电流内环的传递函数，Vdc0是网侧变流器直流端口稳态电压Hpll(s)是PLL的传递函数，Upccd0为PCC点的d轴稳态电压，Rf,Lf是滤波器的电阻和电感；
根据网侧变流器的端口电压电流约束条件以及机侧变流器直流端口阻抗，得到网侧变流器交流端口的dq阻抗
Figure GDA0003667947870000053
为：
Figure GDA0003667947870000054
式中，Ccap是直流侧电容值；
Figure GDA0003667947870000055
将dq阻抗转换为改进序阻抗
Figure GDA0003667947870000056
为：
Figure GDA0003667947870000057
式中：
Figure GDA0003667947870000058
其中，其中j为虚数单位。
进一步地，将改进序阻抗
Figure GDA0003667947870000059
转换为单输入-单输出正序阻抗Zp(s)为：
Figure GDA00036679478700000510
将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入上述得到的正序阻抗，其方法为：
将辨识出的机侧变流器控制器参数
Figure GDA00036679478700000511
代入上式中的正序阻抗Zp(s)，使得正序阻抗Zp(s)中的未知变量仅含有待辨识的网侧变流器控制器参数。
优选地，所述在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，测量网侧变流器交流端口正序阻抗的方法，包括：
在网侧变流器交流端口注入三相扰动电压，通过FFT分析提取正序扰动电压分量Δup和正序扰动电流分量Δip，计算得到网侧变流器交流端口正序阻抗Zp为：
Figure GDA0003667947870000061
优选地，所述获得网侧变流器的控制器参数的方法，包括：
根据风电机组控制器参数一般设计方法，结合获得的机侧变流器控制器参数，计算得到网侧变流器控制器参数，作为网侧变流器控制器参数的初始值
Figure GDA0003667947870000062
其中，
Figure GDA0003667947870000063
分别为电流内环的比例、积分常数，
Figure GDA0003667947870000064
为直流电压外环的比例、积分常数，
Figure GDA0003667947870000065
分别为功率外环的比例、积分常数，
Figure GDA0003667947870000066
为PLL的比例、积分常数；
在直驱风电机组的系统电气参数已知的情况下，代入控制器参数初始值，计算得到直驱风电机组网侧变流器交流侧正序阻抗Zp(f1,f2,...,fn)，其中，f1,f2,...,fn代表n个不同的频率；
根据扫频得到的测量正序阻抗
Figure GDA0003667947870000067
构建损失函数
Figure GDA0003667947870000068
如果损失函数大于给定的极小值ξ，则根据设定的步长更新初始值为
Figure GDA0003667947870000069
求得此更新初始值下的直驱风电机组网侧变流器交流侧正序阻抗Z′p(f1,f2,...,fn)，以此为基础进一步更新此初始值下损失函数的大小，重复此步骤，得到使损失函数最小下的控制器参数
Figure GDA00036679478700000610
即为最终获得的网侧变流器的控制器参数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识装置，包括：直流端口阻抗建立模块、直流端口阻抗扫频模块、机侧变流器控制器参数辨识模块、交流端口阻抗建立模块、交流端口扫频模块、网侧变流器控制器参数辨识模块；其中：
所述直流端口阻抗建立模块，基于直驱风电机组的发电机与机侧变流器及其控制，用于建立机侧变流器直流端口的理论阻抗；
所述直流端口阻抗扫频模块，在机侧变流器直流端口注入扰动电压，用于测量机侧变流器直流端口阻抗；
所述机侧变流器控制器参数辨识模块，采用非线性最小二乘法，将直流端口理论阻抗与测量阻抗做差，使得差的平方和最小，用于辨识获得机侧变流器控制器参数；
所述交流端口阻抗建立模块，代入用于建立网侧变流器交流端口的理论正序阻抗，将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入此正序阻抗；
所述交流端口扫频模块，在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，用于测量网侧变流器交流端口的正序阻抗；
所述网侧变流器控制器参数辨识模块，采用非线性最小二乘法，将交流端口理论正序阻抗与测量正序阻抗做差，使得差的平方和最小，用于辨识获得网侧变流器控制器参数。
根据本发明的第三个方面，提供了一种直驱风电机组，采用上述任一项所述的参数辨识方法对其灰箱参数进行辨识，获得机侧变流器的控制器参数和网侧变流器的控制器参数。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：
本发明提供的直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置，基于风电机组端口测量阻抗数据进行辨识，具有较强的工程实用价值，且算法简单，易于实现。
本发明提供的直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置，所提辨识方法适用于具有不同带宽控制环节的控制系统参数辨识，且辨识精度高，所辨识参数能够保证系统端口宽频阻抗特性的一致性，为风电并网的宽频振荡问题研究提供准确的模型基础。
实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例中永磁直驱风电机组的拓扑结构示意图；
图2为本发明一优选实施例中机侧变流器控制系统框图；
图3为本发明一优选实施例中网侧变流器控制系统框图；
图4为本发明一优选实施例中直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法的流程图；
图5为本发明一优选实施例中直驱风电机组灰箱模型的参数辨识装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
本发明一实施例提供了一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，该方法虑发电机与机侧变流器及其控制，建立机侧变流器的直流端口理论阻抗模型；然后，在永磁直驱风电机组机侧变流器直流侧端口注入小扰动电压，测得直流端口的阻抗；根据风电机组控制器参数一般设计方法，给定机侧变流器控制器参数合适的初始值，并构建损失函数，使直流端口测量阻抗和理论阻抗在各频率点的阻抗差值的平方和最小，使用非线性最小二乘法寻优，最终辨识出机侧变流器控制器参数。接着，将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入，建立永磁直驱风电机组交流端口整体dq阻抗理论模型,并利用dq阻抗与正序阻抗之间的转换关系，将dq阻抗转换成正序阻抗；在网侧变流器交流测端口注入三相小扰动电压，测得交流端口的正序阻抗；根据风电机组控制器参数一般设计方法，给定网侧变流器控制器参数合适的初值，并构建损失函数，使交流端口测量正序阻抗与理论正序阻抗在各个频率点的阻抗差值的平方和最小，使用非线性最小二乘法寻优，最终辨识出网侧变流器控制器参数。
具体地，本实施例提供的方法，包括以下步骤：
步骤S1：考虑发电机与机侧变流器及其控制(即转矩外环和电流内环控制)，建立机侧变流器的直流端口理论阻抗模型。
步骤S2：在直驱风电机组机侧变流器直流端口注入小扰动电压，测量其直流端口阻抗。
步骤S3：给定机侧变流器控制器参数初始值，构建损失函数，使得机侧变流器直流端口测量阻抗与理论阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得机侧变流器的控制器参数。
步骤S4：建立直驱风电机组的网侧变流器交流端口整体理论正序阻抗，并将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入该正序阻抗中；
步骤S5：在直驱风电机组网侧变流器交流端口注入三相正序小扰动电压，测量其交流端口正序阻抗。
步骤S6：给定网侧变流器控制器参数初始值，构建损失函数，使得交流端口测量正序阻抗与代入了机侧变流器控制器参数的理论正序阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得网侧变流器的控制器参数。
作为一优选实施例，所述机侧变流器的控制器参数包括：转矩外环的比例和积分系数以及电流内环的比例和积分系数。
作为一优选实施例，所述网侧变流器的控制器参数包括：直流电压外环的比例和积分系数、无功功率外环的比例和积分系数、电流内环的比例和积分系数以及锁相环的比例和积分系数。
作为一优选实施例，所述建立机侧变流器直流端口理论阻抗模型的方法，包括：
建立发电机的交流端口阻抗
Figure GDA0003667947870000091
为：
Figure GDA0003667947870000092
式中Rs为定子电阻；Lsd,Lsq分别为同步发电机定子d轴和q轴自感；ωr0为发电机稳态时的电气转速；
建立机侧变流器的交、直流三端口模型为：
Figure GDA0003667947870000093
式中，
Figure GDA0003667947870000094
和
Figure GDA0003667947870000095
和
Figure GDA0003667947870000096
分别是机侧变流器交流端口dq电压和电流，
Figure GDA0003667947870000097
和
Figure GDA0003667947870000098
分别是机侧变流器直流端口电压和电流；系数矩阵中的四个元素如下：
Figure GDA0003667947870000099
式中，Htor(s),Hc(s)分别为转矩外环和电流内环的传递函数，ψm为体磁链，np为极对数，Ucd0,Ucq0,Icd0，Icq0分别为逆变器出口dq轴稳态电压与电流，Pc0为发电机输出的有功功率，Vdc0为直流端口稳态电压；
根据同步发电机和机侧变流器端口互联的电压电流约束条件，得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc(s)为：
Figure GDA0003667947870000101
Zdc(s)＝1/Ydc(s) (4)
作为一优选实施例，所述在机侧变流器直流端口注入扰动电压，测量机侧变流器直流端口阻抗的方法，包括：
在机侧变流器直流端口注入谐波扰动电压，通过FFT分析提取谐波电压Δudc和谐波电流Δidc，计算得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc为：
Figure GDA0003667947870000102
作为一优选实施例，所述获得机侧变流器的控制器参数的方法，包括：
根据风电机组控制器参数一般设计方法计算得到机侧变流器控制器参数，作为机侧变流器控制器参数的初始值
Figure GDA0003667947870000103
其中
Figure GDA0003667947870000104
分别为机侧变流器电流内环的比例、积分常数和转矩外环的比例积分常数；在直驱风电机组的系统电气参数已知的情况下，代入控制器参数初始值，计算得到直驱风电机组直流侧阻抗Zdc(f1,f2,...,fn)，其中f1,f2,...,fn代表n个不同的频率；
根据扫频得到的测量阻抗数据
Figure GDA0003667947870000105
构建损失函数
Figure GDA0003667947870000106
如果损失函数大于给定的极小值ξ(即为一设定的阈值)，则根据设定的步长更新初始值为
Figure GDA0003667947870000107
求得此更新初始值下的直驱风电机组机侧变流器直流侧阻抗Z′dc(f1,f2,...,fn)，以此为基础进一步更新此初始值下损失函数的大小，重复此步骤，得到使损失函数最小下的控制器参数
Figure GDA0003667947870000108
即为最终获得的机侧变流器的控制器参数。
作为一优选实施例，所述建立网侧变流器交流端口整体理论正序阻抗模型的方法，包括：
建立网侧变流器交、直流三端口模型为：
Figure GDA0003667947870000109
式中，
Figure GDA00036679478700001010
和
Figure GDA00036679478700001011
和
Figure GDA00036679478700001012
分别是网侧变流器交流端口dq电压和电流，
Figure GDA00036679478700001013
和
Figure GDA00036679478700001014
分别是网侧变流器直流端口电压和电流；系数矩阵中的四个元素如下：
Figure GDA0003667947870000111
其中：
Figure GDA0003667947870000112
Figure GDA0003667947870000113
Figure GDA0003667947870000114
Figure GDA0003667947870000115
式中，Ucd0,Ucq0,Icd0，Icq0分别为逆变器出口dq轴稳态电压与电流，Hpq(s)是无功功率外环的传递函数，Hdc(s)是直流电压外环的传递函数，Hc为电流内环的传递函数，Vdc0为直流端口稳态电压，Hpll(s)是PLL的传递函数，Upccd0为并网点的d轴稳态电压，Rf,Lf是滤波器的电阻和电感；
根据网侧变流器的端口电压电流约束条件以及机侧变流器直流端口阻抗，得到网侧变流器交流端口的dq阻抗
Figure GDA0003667947870000116
为：
Figure GDA0003667947870000117
式中，Ccap是直流侧电容值；
Figure GDA0003667947870000118
将dq阻抗转换为改进序阻抗
Figure GDA0003667947870000119
为：
Figure GDA0003667947870000121
式中：
Figure GDA0003667947870000122
其中，Vdc0为直流端口稳态电压；
进一步地，将改进序阻抗
Figure GDA0003667947870000123
转换为单输入-单输出正序阻抗Zp(s)为：
Figure GDA0003667947870000124
将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入上述得到的正序阻抗，其方法为：
将辨识出的机侧变流器控制器参数
Figure GDA0003667947870000125
代入上式中的正序阻抗Zp(s)，使得正序阻抗Zp(s)中的未知变量仅含有待辨识的网侧变流器控制器参数。
作为一优选实施例，所述在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，测量网侧变流器交流端口正序阻抗的方法，包括：
在网侧变流器交流端口注入三相扰动电压，通过FFT分析提取正序扰动电压分量Δup和正序扰动电流分量Δip，计算得到网侧变流器交流端口正序阻抗Zp为：
Figure GDA0003667947870000126
作为一优选实施例，所述获得网侧变流器的控制器参数的方法，包括：
根据风电机组控制器参数一般设计方法，结合获得的机侧变流器控制器参数，计算得到网侧变流器控制器参数，作为网侧变流器控制器参数的初始值
Figure GDA0003667947870000127
其中
Figure GDA0003667947870000128
分别为电流内环的比例、积分常数，
Figure GDA0003667947870000129
为直流电压外环的比例、积分常数，
Figure GDA00036679478700001210
分别为功率外环的比例、积分常数，
Figure GDA00036679478700001211
为PLL的比例、积分常数；在直驱风电机组的系统电气参数已知的情况下，代入控制器参数初始值，计算得到直驱风电机组网侧变流器交流侧正序阻抗Zp(f1,f2,...,fn)，其中f1,f2,...,fn代表n个不同的频率；
根据扫频得到的测量正序阻抗
Figure GDA00036679478700001212
构建损失函数
Figure GDA00036679478700001213
如果损失函数大于给定的极小值ξ(即为一设定的阈值)，则根据设定的步长更新初始值为
Figure GDA00036679478700001214
求得此更新初始值下的直驱风电机组网侧变流器交流侧正序阻抗Z′p(f1,f2,...,fn)，以此为基础进一步更新此初始值下损失函数的大小，重复此步骤，得到使损失函数最小下的控制器参数
Figure GDA0003667947870000131
即为最终获得的网侧变流器的控制器参数。
本发明另一实施例提供了一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识装置，用于实现本发明上述实施例所提供的直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，包括：直流端口阻抗建立模块、直流端口阻抗扫频模块、机侧变流器控制器参数辨识模块、交流端口阻抗建立模块、交流端口扫频模块、网侧变流器控制器参数辨识模块；其中，
所述直流端口阻抗建立模块，基于直驱风电机组的发电机与机侧变流器及其控制(即转矩外环和电流内环控制)，用于建立机侧变流器直流端口的理论阻抗，需考虑其具体的控制结构；
所述直流端口阻抗扫频模块，在机侧变流器直流端口注入扰动电压，用于测量机侧变流器直流端口阻抗；
所述机侧变流器控制器参数辨识模块采用非线性最小二乘法，将直流端口理论阻抗与测量阻抗做差，使得差的平方和最小，可辨识出机侧变流器控制器参数；
所述交流端口阻抗建立模块，用于建立网侧变流器交流端口的理论正序阻抗，并将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入此正序阻抗，需考虑其具体的控制结构；
所述交流端口扫频模块，在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，用于测量网侧变流器交流端口的正序阻抗。
所述网侧变流器控制器参数辨识模块采用非线性最小二乘法，将交流端口理论正序阻抗与测量正序阻抗做差，使得差的平方和最小，可辨识出网侧变流器控制器参数。
本发明第三个实施例提供了一种直驱风电机组，采用本发明上述实施例中任一项所述的参数辨识方法对其灰箱参数进行辨识，获得机侧变流器的控制器参数和网侧变流器的控制器参数。
下面结合附图以及具体应用实例，对本发明上述实施例所提供的技术方案进一步详细描述如下。
具体实例1：
本具体实例中，基于永磁直驱风电机组机，交流电网电压为690V/50Hz，风电场PCC点电压为690V/50Hz，永磁同步发电机，额定功率为2MW。机侧变流器控制系统转矩给定值为-1.6e6N，网侧变流器控制系统直流电压给定值为1120V。
如图1所示，本具体实例中，永磁直驱风场由以下几个部分构成，包括：永磁直驱风力发电机，机侧变流器，直流侧电容，网侧变流器，滤波电感以及交流电网。
如图2所示，控制结构为转矩外环、电流内环的双闭环控制结构，外环控制转矩，Tor*是转矩参考值，Tor是转矩反馈值，两者之差经外环PI调节器(PI_Tor模块)送入机侧变流器电流内环，并作为电流内环q轴的给定值
Figure GDA0003667947870000141
电流内环q轴给定值
Figure GDA0003667947870000142
与反馈值
Figure GDA0003667947870000143
之差并加上发电机定子q轴电压
Figure GDA0003667947870000144
作为SPWM的q轴驱动信号；机侧变流器电流内环d轴参考值
Figure GDA0003667947870000145
设置为零，
Figure GDA0003667947870000146
与d轴电流反馈值
Figure GDA0003667947870000147
之差并加上发电机定子d轴电压
Figure GDA0003667947870000148
作为SPWM的d轴驱动信号。SPWM的d轴与q轴驱动信号通过转子位置角θr的dq/abc的坐标变换为三相驱动信号，驱动IGBT的开通。
如图3(a)和(b)所示，(a)中控制结构为直流电压外环/无功功率外环、电流内环的双闭环控制结构，d轴外环控制直流端口的电压，Udc*是直流电压参考值，Udc是直流电压反馈值，两者之差经外环PI调节器(PI_Udc模块)送入网侧变流器电流内环，并作为电流内环d轴的给定值
Figure GDA0003667947870000149
电流内环d轴给定值
Figure GDA00036679478700001410
与反馈值
Figure GDA00036679478700001411
之差并加上电网电压前馈量
Figure GDA00036679478700001412
和交叉耦合分量
Figure GDA00036679478700001413
作为SPWM的d轴驱动信号,其中
Figure GDA00036679478700001414
为PCC点的d轴电压分量，ω为同步角频率，Lf为滤波电感；q轴外环控制逆变器输出的的无功功率，Q*是无功功率参考值，Q是无功功率反馈值，两者之差经外环PI调节器(PI_PQ模块)送入网侧变流器电流内环，并作为电流内环q轴的给定值
Figure GDA00036679478700001415
电流内环q轴给定值
Figure GDA00036679478700001416
与反馈值
Figure GDA00036679478700001417
之差并加上电压前馈量
Figure GDA00036679478700001418
和交叉耦合分量
Figure GDA00036679478700001419
作为SPWM的q轴驱动信号,其中
Figure GDA00036679478700001420
为PCC点的q轴电压分量；(b)中给出了电网电压定向的原理，
Figure GDA00036679478700001421
是电网三相电压，经过abc/dq变换得到电网电压的dq轴分量
Figure GDA00036679478700001422
和
Figure GDA00036679478700001423
经过锁相环PI调节器PI_PLL后加上电网角频率w并经过积分环节即可得到电网位置角θg。SPWM的dq轴驱动信号即可经过电网位置角θg的dq/abc的坐标变换变换为三相驱动信号，驱动IGBT的开通。如图4所示，本具体实例中，所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，包括如下步骤：
S1：考虑发电机与机侧变流器及其控制，建立机侧变流器的直流端口理论阻抗模型。
S2：在永磁直驱风电机组机侧变流器直流端口注入小扰动电压，测量其直流端口阻抗。
S3：给定机侧变流器控制器参数初始值，构建损失函数，使得机侧变流器直流端口测量阻抗与理论阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得机侧变流器的控制器参数。
S4：建立永磁直驱风电机组交流端口整体理论阻抗模型，并将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入该阻抗模型。
S5：在永磁直驱风电机组交流端口注入三相正序小扰动电压，测量其交流端口正序阻抗。
S6：给定网侧变流器控制器参数初始值，构建损失函数，使得交流端口测量正序阻抗与理论正序阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得网侧变流器的控制器参数。
如图5所示，本具体实例中，直驱风电机组灰箱模型的参数辨识装置，包括如下模块：
直流端口阻抗建立模块：用于建立机侧变流器直流端口的理论阻抗，需考虑其具体的控制结构；
直流端口阻抗扫频模块：用于测量机侧变流器直流端口阻抗；
机侧变流器控制器参数辨识模块：采用非线性最小二乘法，将直流端口理论阻抗与测量阻抗做差，使得差的平方和最小，可辨识出机侧变流器控制器参数；
交流端口阻抗建立模块：用于建立网侧变流器交流端口的理论正序阻抗，需考虑其具体的控制结构；
交流端口扫频模块：用于测量网侧变流器交流端口的正序阻抗；
网侧变流器控制器参数辨识模块：采用非线性最小二乘法，将交流端口理论正序阻抗与测量正序阻抗做差，使得差的平方和最小，可辨识出网侧变流器控制器参数。
如表1所示，在本具体实例中，对永磁直驱风电机组机侧变流器控制器参数进行参数辨识，给出了机侧变流器控制器参数的辨识结果，可以看到，电流内环控制器比例和积分系数的误差均在1％以内，而转矩外环控制器比例和积分系数的误差较大，原因主要有两个：(1)转矩外环控制器的比例和积分系数太小，导致辨识出的结果相对误差较大；(2)转矩外环对阻抗特性的灵敏度较低，导致参数的可辨识性较差。但辨识出的结果最大偏差为23％，辨识精度在可接受范围内。
表1机侧变流器控制器参数辨识结果
Figure GDA0003667947870000151
如表2所示，在本具体实例中，对永磁直驱风电机组网侧变流器控制器参数进行参数辨识，给出了网侧变流器控制器参数的辨识结果，可以看到，辨识的8个控制器参数中，有一个最大误差为4.7％，其余均小于2％，辨识精度较高。
表2网侧变流器控制器参数辨识结果
Figure GDA0003667947870000161
由此可见，本发明上述实施例提供的直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置，通过端口阻抗特性分步辨识机侧变流器和网侧变流器的控制器参数，使得端口理论阻抗与测量阻抗的频域特性完全一致，实现了直驱风电机组不同控制环节控制器参数的精确辨识，辨识过程操作简便、算法简单。
本发明上述实施例提供的直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法及装置，考虑了风电机组内部详细拓扑及各个组成元件，包括永磁同步发电机、机侧变流器及其控制、直流侧电容、网侧变流器及其控制、网侧滤波器等。首先，通过建立机侧系统(包括发电机和机侧变流器)直流端口的理论阻抗和测量阻抗，利用最小二乘法辨识得到机侧变流器的控制器参数。然后，将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入，通过建立直驱发电机组网侧交流端口的整体理论阻抗和测量阻抗，利用最小二乘法辨识得到网侧变流器的控制器参数。本发明上述实施例提供的方法及装置，利用交、直流端口阻抗频率特性实现直驱风电机组机侧变流器和网侧变流器不同带宽控制环节控制参数的精确辨识，且能够保证直驱风电机组端口宽频阻抗特性的一致性，适用于具有多带宽控制环节的风电机组参数辨识，具有实用性强、实现方便、辨识精确等优点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于直驱风电机组的发电机与机侧变流器及其控制，建立机侧变流器直流端口理论阻抗；
在机侧变流器直流端口注入扰动电压，测量机侧变流器直流端口阻抗；
给定机侧变流器的控制器参数初始值，构建损失函数，使得测量得到的直流端口阻抗与直流端口理论阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得机侧变流器的控制器参数；
建立直驱风电机组的网侧变流器交流端口整体理论正序阻抗，并将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入此正序阻抗中；
在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，测量网侧变流器交流端口正序阻抗；
给定网侧变流器的控制器参数初始值，构建损失函数，使得测量得到的交流端口正序阻抗与代入了机侧变流器控制器参数的交流端口整体理论正序阻抗在各个频率点处的阻抗差值的平方和最小，通过非线性最小二乘算法辨识获得网侧变流器的控制器参数。
2.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于：所述机侧变流器的控制器参数包括：
转矩外环的比例和积分系数以及电流内环的比例和积分系数；
所述网侧变流器的控制器参数包括：
直流电压外环的比例和积分系数、无功功率外环的比例和积分系数、电流内环的比例和积分系数以及锁相环的比例和积分系数。
3.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于，所述建立机侧变流器直流端口理论阻抗的方法，包括：
建立发电机的交流端口阻抗
Figure FDA0003682829610000011
为：
Figure FDA0003682829610000012
式中，Rs为定子电阻；Lsd,Lsq分别为同步发电机定子d轴和q轴自感；ωr0为发电机稳态时的电气转速；
建立机侧变流器的交、直流三端口模型为：
Figure FDA0003682829610000021
式中，
Figure FDA0003682829610000022
和
Figure FDA0003682829610000023
和
Figure FDA0003682829610000024
分别是机侧变流器交流端口dq电压和电流，
Figure FDA0003682829610000025
和
Figure FDA0003682829610000026
分别是机侧变流器直流端口电压和电流；系数矩阵中的四个元素如下：
Figure FDA0003682829610000027
式中，Htor(s),Hc(s)分别为转矩外环和电流内环的传递函数，ψm为体磁链，np为极对数，Ucd0,Ucq0,Icd0，Icq0分别为逆变器出口dq轴稳态电压与电流，Pc0为发电机输出的有功功率，Vdc0为直流端口稳态电压；
根据同步发电机和机侧变流器端口互联的电压电流约束条件，得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc(s)为：
Figure FDA0003682829610000028
Zdc(s)＝1/Ydc(s) (4)
其中，
Figure FDA0003682829610000029
为发电机交流端口导纳。
4.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于，所述在机侧变流器直流端口注入扰动电压，测量机侧变流器直流端口阻抗的方法，包括：
在机侧变流器直流端口注入谐波扰动电压，通过FFT分析提取谐波电压Δudc和谐波电流Δidc，计算得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc为：
Figure FDA0003682829610000031
5.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于，所述获得机侧变流器的控制器参数的方法，包括：
根据风电机组控制器参数设计方法计算得到机侧变流器控制器参数，作为机侧变流器控制器参数的初始值
Figure FDA0003682829610000032
其中，
Figure FDA0003682829610000033
分别为机侧变流器电流内环的比例、积分常数和转矩外环的比例、积分常数；
在直驱风电机组的系统电气参数已知的情况下，代入控制器参数初始值，计算得到直驱风电机组直流侧阻抗Zdc(f1,f2,...,fn)，其中，f1,f2,...,fn代表n个不同的频率；
根据扫频得到的测量阻抗数据
Figure FDA0003682829610000034
构建损失函数
Figure FDA0003682829610000035
如果损失函数大于给定的极小值ξ，则根据设定的步长更新初始值为
Figure FDA0003682829610000036
求得此更新初始值下的直驱风电机组机侧变流器直流侧阻抗Z′dc(f1,f2,...,fn)，以此为基础进一步更新此初始值下损失函数的大小，重复此步骤，得到使损失函数最小下的控制器参数
Figure FDA0003682829610000037
即为最终获得的机侧变流器的控制器参数。
6.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于，所述建立网侧变流器交流端口整体理论正序阻抗的方法，包括：
建立网侧变流器交、直流三端口模型为：
Figure FDA0003682829610000038
式中，
Figure FDA0003682829610000039
分别为网侧变流器并网点处的dq轴电压，
Figure FDA00036828296100000310
分别为网侧变流器输出端口的dq轴电流，
Figure FDA00036828296100000311
分别为网侧变流器直流端口的电压和电流，系数矩阵中的四个元素如下：
Figure FDA0003682829610000041
其中：
Figure FDA0003682829610000042
Figure FDA0003682829610000043
Figure FDA0003682829610000044
Figure FDA0003682829610000045
式中，Ucd0,Ucq0,Icd0，Icq0分别为逆变器出口dq轴稳态电压与电流，Hpq(s)是无功功率外环的传递函数，Hdc(s)是直流电压外环的传递函数，Hc为电流内环的传递函数，Vdc0是网侧变流器直流端口稳态电压，Hpll(s)是PLL的传递函数，Upccd0为并网点的d轴稳态电压，Rf,Lf是滤波器的电阻和电感；Pc0为发电机发出的有功功率；
根据网侧变流器的端口电压电流约束条件以及机侧变流器直流端口阻抗，得到网侧变流器交流端口的dq阻抗
Figure FDA0003682829610000046
为：
Figure FDA0003682829610000047
式中，Ccap是直流侧电容值，Ydc(s)为机侧变流器直流端口导纳；
Figure FDA0003682829610000048
将dq阻抗转换为改进序阻抗
Figure FDA0003682829610000049
为：
Figure FDA0003682829610000051
式中：
Figure FDA0003682829610000052
其中，j为虚数单位；
将改进序阻抗
Figure FDA0003682829610000053
转换为单输入-单输出正序阻抗Zp(s)为：
Figure FDA0003682829610000054
将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入上述得到的正序阻抗，其方法为：
将辨识出的机侧变流器控制器参数
Figure FDA0003682829610000055
代入上式中的正序阻抗Zp(s)，使得正序阻抗Zp(s)中的未知变量仅含有待辨识的网侧变流器控制器参数。
7.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于，所述在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，测量网侧变流器交流端口正序阻抗的方法，包括：
在网侧变流器交流端口注入三相扰动电压，通过FFT分析提取正序扰动电压分量Δup和正序扰动电流分量Δip，计算得到网侧变流器交流端口正序阻抗Zp为：
Figure FDA0003682829610000056
8.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识方法，其特征在于，所述获得网侧变流器的控制器参数的方法，包括：
根据风电机组控制器参数设计方法，结合获得的机侧变流器控制器参数，计算得到网侧变流器控制器参数，作为网侧变流器控制器参数的初始值
Figure FDA0003682829610000057
其中，
Figure FDA0003682829610000058
分别为电流内环的比例、积分常数，
Figure FDA0003682829610000059
为直流电压外环的比例、积分常数，
Figure FDA00036828296100000510
分别为功率外环的比例、积分常数，
Figure FDA00036828296100000511
为PLL的比例、积分常数；
在直驱风电机组的系统电气参数已知的情况下，代入控制器参数初始值，计算得到直驱风电机组网侧变流器交流侧正序阻抗Zp(f1,f2,...,fn)，f1,f2,...,fn代表n个不同的频率；
根据扫频得到的测量正序阻抗
Figure FDA0003682829610000061
构建损失函数
Figure FDA0003682829610000062
如果损失函数大于给定的极小值ξ，则根据设定的步长更新初始值为
Figure FDA0003682829610000063
求得此更新初始值下的直驱风电机组网侧变流器交流侧正序阻抗Z′p(f1,f2,...,fn)，以此为基础进一步更新此初始值下损失函数的大小，重复此步骤，得到使损失函数最小下的控制器参数
Figure FDA0003682829610000064
即为最终获得的网侧变流器的控制器参数。
9.一种直驱风电机组灰箱模型的参数辨识装置，其特征在于，包括：直流端口阻抗建立模块、直流端口阻抗扫频模块、机侧变流器控制器参数辨识模块、交流端口阻抗建立模块、交流端口扫频模块、网侧变流器控制器参数辨识模块；其中：
所述直流端口阻抗建立模块，基于直驱风电机组的发电机与机侧变流器及其控制，用于建立机侧变流器直流端口的理论阻抗；
所述直流端口阻抗扫频模块，在机侧变流器直流端口注入扰动电压，用于测量机侧变流器直流端口阻抗；
所述机侧变流器控制器参数辨识模块，采用非线性最小二乘法，将直流端口理论阻抗与测量阻抗做差，使得差的平方和最小，用于辨识获得机侧变流器控制器参数；
所述交流端口阻抗建立模块，代入用于建立网侧变流器交流端口的理论正序阻抗，并将辨识得到的机侧变流器控制器参数代入此正序阻抗；
所述交流端口扫频模块，在网侧变流器交流端口注入三相正序扰动电压，用于测量网侧变流器交流端口的正序阻抗；
所述网侧变流器控制器参数辨识模块，采用非线性最小二乘法，将交流端口理论正序阻抗与测量正序阻抗做差，使得差的平方和最小，用于辨识获得网侧变流器控制器参数。
10.一种直驱风电机组，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的参数辨识方法对其灰箱参数进行辨识，获得机侧变流器的控制器参数和网侧变流器的控制器参数。
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