CN112653184B - 风力发电装备黑箱模型的辨识方法、装置、终端及介质 - Google Patents

风力发电装备黑箱模型的辨识方法、装置、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风力发电装备黑箱模型的辨识方法及装置，包括：辨识机侧变流器的控制方式，将网侧变流器断开，并将直流侧电容用直流电压源代替，在直流端口注入扰动电压，扫频测量机侧变流器直流端口的阻抗，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据灵敏度在高频段的大小，判断机侧变流器采用的控制方式。然后，辨识网侧变流器的控制方式，将机侧变流器用恒功率源或恒直流电流源替代，并在网侧变流器交流端口注入扰动电压，扫频测量网侧变流器交流端口的阻抗，根据该阻抗幅值在基频处有无谐振峰判断网侧变流器采用的控制方式。本发明利用端口阻抗频率特性实现风力发电机组典型控制方式的辨识，具有可操作性强、实现方便等优点。

Description

风力发电装备黑箱模型的辨识方法、装置、终端及介质
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种风力发电装备黑箱模型的辨识方法、装置、终端及介质。
背景技术
在全球能源资源逐渐短缺以及环境问题日益严峻的背景下，各国不断寻求绿色清洁的可再生能源作为应对环境问题的解决措施，尤其是风能，各国尤为重视。中国风力资源丰富，近些年来风电装机容量几乎呈指数级增长，我国风电总装机容量世界第一，风电已成为我国第三大主力电源。
双馈风电机组和永磁直驱风电机组作为风电场中的常用机组，其动态特性一直是风电并网稳定性研究的热点。而变流器直接决定了双馈风电机组和永磁直驱风电机组的动态特性，为建立变流器的仿真模型和数学模型，必须知道变流器所采用的控制策略和控制参数。而风机厂家因技术保密，一般不会公开变流器所采用的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带来了不便。为解决该问题，国内学者展开了大量的研究，然而已有文献多是集中在风电机组电气参数以及控制器参数的辨识，即解决了灰箱问题，但是对控制策略的辨识即黑箱问题研究甚少。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种风力发电装备黑箱模型的辨识方法及、装置、终端及介质。
本据本发明的一个方面，提供了一种风力发电装备黑箱模型的辨识方法，包括：
断开网侧变流器，并采用直流电压源代替直流侧电容，扫频测量机侧变流器直流端口阻抗，调整机侧变流器外环比例系数，扫频得到另外一组机侧变流器直流端口阻抗；
基于所述机侧变流器直流端口阻抗，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据高频处灵敏度大小判断机侧变流器采用的控制方式；
将机侧变流器采用恒功率源或恒直流电流源替代，扫频测量网侧变流器交流端口阻抗；
基于所述网侧变流器交流端口阻抗，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，完成对黑箱模型的辨识。
优选地，所述机侧变流器控制方式包括：
双馈风电机组机侧变流器采用有功功率/无功功率控制或转矩/无功功率控制；
永磁直驱风电机组机侧变流器采用转矩控制或转速控制；
所述网侧变流器控制方式包括：
双馈风电机组和永磁直驱风电机组网侧变流器均采用直流电压/无功功率控制或直流电压/交流电压控制。
优选地，所述断开网侧变流器，并采用直流电压源代替直流侧电容，扫频测量机侧变流器直流端口阻抗，调整外环控制器比例系数，扫频得到另外一组机侧变流器直流端口阻抗，包括：
断开网侧变流器，并用直流电压源代替直流侧电容；在永磁直驱风电机组和/或双馈风电机组的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Δudc1和谐波电流Δidc1，计算得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc1：
Figure BDA0002835695640000021
微调机侧变流器外环比例系数，并在永磁直驱风电机组和/或双馈风电机组的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Δudc2和谐波电流Δidc2，计算得到另一组机侧变流器直流端口阻抗Zdc2为：
Figure BDA0002835695640000022
优选地，所述基于所述机侧变流器直流端口阻抗，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据高频处灵敏度大小判断机侧变流器采用的控制方式，包括：
引入灵敏度作为指标，设某一控制器参数θ的幅值灵敏度SM(θ，f)和相位灵敏度SP(θ，f)定义为：
Figure BDA0002835695640000023
式中，θ泛指待辨识控制器参数，||表示取模值，Δθ表示待辨识控制器参数的参数偏差量，Z代表阻抗，f表示频率，j表示虚数；
基于式(3)计算机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度SM(kp，f)为：
Figure BDA0002835695640000031
式中，kp表示机侧变流器外环比例系数，Δkp表示外环比例系数的偏差量，Zdc1和Zdc2分别代表机侧变流器直流端口阻抗；
利用参数归一化方法消除不同控制结构下控制器参数数量级差异大于设定阈值时的影响，并定义归一化后的机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度
Figure BDA0002835695640000032
为：
Figure BDA0002835695640000033
式中，
Figure BDA0002835695640000034
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最大值；
Figure BDA0002835695640000035
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最小值；
根据灵敏度在高频以上的灵敏度的大小，判断机侧变流器采用的控制方式，其中：
对于双馈风电机组：
机侧变流器采用有功功率/无功功率控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000036
机侧变流器采用转矩/有功功率控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000037
对于永磁直驱风电机组：
机侧变流器采用转矩控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000038
机侧变流器采用转速控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000039
优选地，所述设定阈值为101。
优选地，所述将机侧变流器采用恒功率源或恒直流电流源替代，扫频测量网侧变流器交流端口阻抗，包括：
将机侧变流器用恒功率源或恒直流电流源替代，在双馈风电机组和/活永磁直驱风电机组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侧正序阻抗Zp为：
Figure BDA00028356956400000310
优选地，所述基于所述网侧变流器交流端口阻抗，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，包括：
基于扫频测量得到的网侧变流器交流端口阻抗数据，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，如果存在谐振峰值，则判断网侧变流器采用直流电压/无功功率的控制方式，如果不存在谐振峰值，则判断网侧变流器采用直流电压/交流电压的控制方式；其中：
利用参数归一化方法消除端口阻抗变化率数量级差异大于设定阈值时的影响，并定义归一化后各频率点处的阻抗数据Zp *(f)为：
Figure BDA0002835695640000041
式中，Zpmax为网侧变流器交流端口阻抗数据的最大值，Zpmin为网侧变流器交流端口阻抗数据的最小值；
对于双馈风电机组和永磁同步风电机组：
网侧变流器采用直流电压/无功功率控制方式的条件为：
Zp *(f)＞0.95，f＝49Hz or 51Hz (25)
网侧变流器采用直流电压/交流电压控制方式的条件为：
Zp *(f)＜0.95，f＝49Hz and51Hz (26)
式中，f为频率。
优选地，所述设定阈值为101。
根据本发明的另一个方面，提供了一种风力发电装备黑箱模型的辨识装置，包括：
机侧变流器阻抗测量模块，该模块用于扫频测量机侧变流器直流端口的阻抗；
机侧变流器灵敏度计算模块，该模块用于计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度；
机侧变流器控制结构辨识模块，该模块基于外环比例系数的灵敏度分析，辨识机侧变流器采用的控制方式；
网侧变流器阻抗测量模块，该模块用于扫频测量网侧变流器交流端口的阻抗；
网侧变流器阻抗检测模块，该模块用于检测网侧变流器交流端口正序在基频处有无谐振峰值；
网侧变流器控制结构辨识模块，该模块基于对阻抗谐振峰值的检测，辨识网侧变流器采用的控制方式。
根据本发明的第三个方面，提供了一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述任一项所述的方法。
根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行上述任一项所述的方法。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
本发明提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法及、装置、终端及介质，基于风电机组交、直流端口实测阻抗数据对机侧变流器和网侧变流器的控制方式进行黑箱辨识，具有很强的工程实用价值，且算法简单，易于实现。
本发明提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法及、装置、终端及介质，适用于具有不同带宽控制环节的控制方式辨识，辨识精度高。
本发明提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法及、装置、终端及介质，基于端口阻抗频率特性研究适用于具有多带宽控制环节的风电机组黑箱辨识问题，实现风力发电机组典型控制方式的辨识。
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为本发明一实施例中风力发电装备黑箱模型的辨识方法流程图；
图2为本发明一优选实施例中提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法流程图；
图3为本发明一优选实施例中永磁直驱风电机组结构示意图；
图4为本发明一优选实施例中机侧变流器典型控制系统框图；其中，(a)为转矩控制，(b)为转速控制；
图5为本发明一优选实施例中网侧变流器典型控制系统框图；其中，(a)为直流电压/无功功率控制，(b)为直流电压/交流电压控制；
图6为本发明一优选实施例中机侧变流器外环比例系数在各频段灵敏度归一化后的曲线；
图7为本发明一优选实施例中网侧变流器交流端口正序阻抗归一化后的曲线；
图8为本发明一个实施例中风力发电装备黑箱模型的辨识装置的组成模块示意图。
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。
图1为本发明一实施例中风力发电装备黑箱模型的辨识方法的流程图。
如图1所示，该实施例提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，可以包括以下步骤：
S100，断开网侧变流器，并采用直流电压源代替直流侧电容，扫频测量机侧变流器直流端口阻抗，调整机侧变流器外环比例系数，扫频得到另外一组机侧变流器直流端口阻抗；
S200，基于所述机侧变流器直流端口阻抗，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据高频处灵敏度大小判断机侧变流器采用的控制方式；
S300，将机侧变流器采用恒功率源或恒直流电流源替代，扫频测量网侧变流器交流端口阻抗；
S400，基于所述网侧变流器交流端口阻抗，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，完成对黑箱模型的辨识。
在该实施例中，所述机侧变流器控制方式，可以包括：
双馈风电机组机侧变流器采用有功功率/无功功率控制或转矩/无功功率控制；其中，符号“/”表示“和”；
永磁直驱风电机组机侧变流器采用转矩控制或转速控制；
所述网侧变流器控制方式包括：
双馈风电机组和永磁直驱风电机组网侧变流器均采用直流电压/无功功率控制或直流电压/交流电压控制；其中，符号“/”表示“和”。
在该实施例的S100中，所述断开网侧变流器，并采用直流电压源代替直流侧电容，扫频测量机侧变流器直流端口阻抗，调整外环控制器比例系数，扫频得到另外一组机侧变流器直流端口阻抗，可以包括如下步骤：
S101，断开网侧变流器，并用直流电压源代替直流侧电容；在永磁直驱风电机组和/或双馈风电机组的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Δudcl和谐波电流Δidc1，计算得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc1：
Figure BDA0002835695640000061
S102，微调机侧变流器外环比例系数，并在永磁直驱风电机组和/或双馈风电机组的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Δudc2和谐波电流Δidc2，计算得到另一组机侧变流器直流端口阻抗Zdc2为：
Figure BDA0002835695640000071
在该实施例的S200中，所述基于所述机侧变流器直流端口阻抗，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据高频处灵敏度大小判断机侧变流器采用的控制方式，可以包括如下步骤：
S201，引入灵敏度作为指标，设某一控制器参数θ的幅值灵敏度SM(θ，f)和相位灵敏度SP(θ，f)定义为：
Figure BDA0002835695640000072
式中，θ泛指待辨识控制器参数，||表示取模值，Δθ表示待辨识控制器参数的参数偏差量，Z代表阻抗，f表示频率，j表示虚数；
S202，基于式(3)计算机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度SM(kp，f)为：
Figure BDA0002835695640000073
式中，kp表示机侧变流器外环比例系数，Δkp表示外环比例系数的偏差量，Zdtc1和Zdc分别代表机侧变流器直流端口阻抗；
S203，利用参数归一化方法消除不同控制结构下控制器参数数量级差异较大(例如大于设定阈值101)的影响，并定义归一化后的机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度
Figure BDA0002835695640000074
为：
Figure BDA0002835695640000075
式中，
Figure BDA0002835695640000076
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最大值；
Figure BDA0002835695640000077
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最小值；
S204，根据灵敏度在高频以上的灵敏度的大小，判断机侧变流器采用的控制方式，其中：
对于双馈风电机组：
机侧变流器采用有功功率/无功功率控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000081
机侧变流器采用转矩/有功功率控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000082
对于永磁直驱风电机组：
机侧变流器采用转矩控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000083
机侧变流器采用转速控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000084
在该实施例的S300中，所述将机侧变流器采用恒功率源或恒直流电流源替代，扫频测量网侧变流器交流端口阻抗，可以包括如下步骤：
将机侧变流器用恒功率源或恒直流电流源替代，在双馈风电机组和/活永磁直驱风电机组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侧正序阻抗Zp为：
Figure BDA0002835695640000085
在该实施例的S400中，基于网侧变流器交流端口阻抗，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，包括：
基于扫频测量得到的网侧变流器交流端口阻抗数据，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，如果存在谐振峰值，则判断网侧变流器采用直流电压/无功功率的控制方式，如果不存在谐振峰值，则判断网侧变流器采用直流电压/交流电压的控制方式。其中：
利用参数归一化方法消除端口阻抗变化率数量级差异较大(例如大于设定阈值101)的影响，并定义归一化后各频率点处的阻抗数据Zp *(f)为：
Figure BDA0002835695640000086
式中，Zpmax为网侧变流器交流端口阻抗数据的最大值，Zpmin为网侧变流器交流端口阻抗数据的最小值；
对于双馈风电机组和永磁同步风电机组：
网侧变流器采用直流电压/无功功率控制方式的条件为：
Zp *(f)＞0.95，f＝49Hz or 51Hz (38)
网侧变流器采用直流电压/交流电压控制方式的条件为：
Zp *(f)＜0.95，f＝49Hz and 51Hz (39)
式中，f为频率。
图2为本发明一优选实施例中风力发电装备黑箱模型的辨识方法的流程图。
如图2所示，该优选实施例提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，可以包括以下步骤：
步骤1，断开网侧变流器，并用直流电压源代替直流侧电容，扫频测量机侧变流器直流端口阻抗；微调外环控制器比例系数，扫频得到另外一组直流端口阻抗。
步骤2，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据高频处灵敏度大小判断机侧变流器采用的控制方式。
步骤3，将机侧变流器用恒功率源替代，扫频测量网侧变流器交流端口阻抗；
步骤4，检测阻抗曲线基频处有无谐振峰，据此判断网侧变流器采用的控制方式。
作为一优选实施例，所述步骤1包括：
断开网侧变流器，并用直流电压源代替直流侧电容。在永磁直驱风电机组/双馈风电机组的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Δudel和谐波电流Δidc1，计算得到直驱风电机组直流端口阻抗
Figure BDA0002835695640000091
微调机侧变流器外环比例系数，并在永磁直驱风电机组/双馈风电机组的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Δudc2和谐波电流Δidc2，计算得到直驱风电机组直流端口阻抗
Figure BDA0002835695640000092
作为一优选实施例，所述步骤2包括：
引入灵敏度作为指标，某参数θ的幅值灵敏度和相位灵敏度定义为：
Figure BDA0002835695640000093
式中，θ泛指待辨识PI参数，||表示取模值，Δθ表示待辨识参数参数偏差量，Z代表阻抗。
因此基于灵敏度的定义可以计算机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度：
Figure BDA0002835695640000101
式中kp表示机侧变流器外环的比例系数，Δkp表示外环比例系数的偏差量
利用参数归一化方法消除不同控制结构下控制器参数数量级差异较大的影响，并定义归一化后的机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度为：
Figure BDA0002835695640000102
式中
Figure BDA0002835695640000103
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最大值；
Figure BDA0002835695640000104
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最小值。
根据灵敏度在高频(1000Hz)以上的灵敏度的大小，判断机侧变流器采用的控制方式：
对于双馈风电机组，机侧变流器有两种典型的控制方式：有功功率/无功功率控制和转矩/无功功率控制，对这两种控制方式进行辨识。
机侧变流器采用有功功率/无功功率控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000105
机侧变流器采用转矩/有功功率控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000106
对于永磁直驱风电机组，机侧变流器有两种典型的控制方式：转矩控制和转速控制，对这两种控制方式进行辨识。
机侧变流器采用转矩控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000107
机侧变流器采用转速控制的条件为：
Figure BDA0002835695640000108
作为一优选实施例，所述步骤3包括：
将机侧变流器用恒功率源(或恒直流电流源)替代，在双馈风电机组/永磁直驱风电机组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，可计算得到永磁直驱风电机组交流侧正序阻抗
Figure BDA0002835695640000109
作为一优选实施例，所述步骤4，进一步包括：
利用参数归一化方法，可消除端口阻抗变化率数量级差异较大的影响，并定义归一化后各频率点处的阻抗数据为：
Figure BDA0002835695640000111
式中Zpmax为网侧变流器交流端口阻抗数据的最大值，Zpmin为网侧变流器交流端口阻抗数据的最小值。
对于双馈风电机组和永磁同步风电机组，网侧变流器结构与控制方式相同，有两种典型的控制方式：直流电压/无功功率控制和直流电压/交流电压控制，对这两种控制方式进行辨识。
网侧变流器采用直流电压/无功功率控制方式的条件为：
Zp *(f)＞0.95，f＝49Hz or 51Hz (51)
网侧变流器采用直流电压/交流电压控制方式的条件为：
Zp *(f)＜0.95，f＝49Hz and 51Hz (52)
下面结合一具体应用实例，对本发明上述实施例提供的技术方案进一步详细描述如下。
在该具体应用实例中，交流电网电压为690V/50Hz，风电场PCC点电压为690V/50Hz，永磁同步风力发电机，额定功率为2MW。机侧变流器控制系统采用转矩控制或者转速控制方式，网侧变流器控制系统采用直流电压/无功功率控制方式或者直流电压/交流电压控制方式。
如图3所示，本具体应用实例中，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4中(a)和(b)所示，机侧变流器采用恒转矩控制，控制风电机组输出电磁转矩不变；或者机侧变流器采用恒转速控制，控制永磁同步电机转速不变；控制结构为转矩/转速外环、电流内环的双闭环控制结构，外环控制转矩或者转速，Te，ref/wr，ref是转矩/转速参考值，Te/wr是转矩/转速反馈值，两者之差经外环PI调节器送入机侧变流器电流内环，并作为电流内环q轴的给定值iqs，ref，电流内环q轴给定值iqs，ref与反馈值iqs之差经过PI调节器并加上电压前馈量和解耦量ωrLdids+ωrψr作为作为SPWM的q轴驱动信号，其中ωr为转子的电角速度，Ld为定子d轴电感，ψr为永磁体磁链；机侧变流器电流内环d轴参考值ids，ref设置为零，ids，ref与d轴电流反馈值ids之差并加上电压前馈量和解耦量-ωrLqiqs，作为SPWM的d轴驱动信号，其中Lq为定子q轴电感，。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5中(a)和(b)所示，网侧变流器采用恒直流电压/无功功率控制，控制直流侧电压恒定以及变流器向电网输送的无功功率；或者网侧变流器采用直流电压/交流电压控制，控制直流侧电压恒定以及PCC点处的电压恒定。图中控制结构为直流电压外环/无功功率外环或者直流电压/交流电压外环、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，ref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调节器送入网侧变流器电流内环，并作为电流内环d轴的给定值idf，ref，电流内环d轴给定值idf，ref与反馈值iqf之差并加上电网电压前馈量和解耦合分量udg-ωgLgiqf作为SPWM的d轴驱动信号，其中udg是电网电压的d轴分量，ωg是电网角频率，Lg是滤波电感；q轴外环控制逆变器输出的的无功功率或者PCC点处的电压，Qref是无功功率参考值/uac，ref是PCC点处的电压参考值，Q/uac是无功功率/PCC点处的电压反馈值，两者之差经外环PI调节器送入网侧变流器电流内环，并作为电流内环q轴的给定值iqf，ref，电流内环q轴给定值iqf，ref与反馈值iqf之差并加上电压前馈量和解耦分量ωgLgidf作为SPWM的q轴驱动信号；SPWM的d轴与q轴驱动信号通过电网电压位置角θg的dq/abc的坐标变换为三相驱动信号，驱动IGBT的开通。
如图6所示，本具体应用实例中，对永磁直驱风电机组机侧变流器控制器方式进行辨识，给出了机侧变流器控制器外环比例系数在各频率点处归一化后的灵敏度大小，可以看到蓝色虚线在100Hz处的灵敏度大小为0.8235，且当频率大于1000Hz时，其灵敏度大于0.8235，满足公式(8)中的条件，辨识为转矩控制方式，与实际相符。红色实线在100Hz处的灵敏度大小为0.0049，且当频率大于1000Hz时，其灵敏度大于0.0049，满足公式(9)中的条件，辨识为转速控制方式，与实际相符。
如图7所示，本具体应用实例中，对永磁直驱风电机组网侧变流器控制器方式进行辨识，给出了网侧变流器端口阻抗归一化后的数值，可以看到蓝色实线在基频附近，即49Hz与51Hz处，阻抗归一化后的数值分别为0.8087和1，满足公式(12)中的条件，辨识为直流电压/无功功率控制方式，与实际相符。红色虚线在基频附近，即49Hz与51Hz处，阻抗归一化后的数值分别为0.1435和0.143，满足公式(12)中的条件，辨识为直流电压/交流电压控制方式，与实际相符。
由此可见，本发明上述实施例提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，通过端口实测阻抗分步辨识机侧变流器和网侧变流器的控制方式，实现了直驱风电机组黑箱变灰箱的过程。
本发明另一实施例提供了一种风力发电装备黑箱模型的辨识装置，该装置用于实现本发明上述实施例中任一项所述的风力发电装备黑箱模型的辨识方法。
如图8所示，该实施例提供的风力发电装备黑箱模型的辨识装置，可以包括：机侧变流器直阻抗测量模块、机侧变流器灵敏度计算模块、机侧变流器控制结构辨识模块、网侧变流器阻抗测量模块、网侧变流器阻抗检测模块以及网侧变流器控制结构辨识模块。
其中：
所述机侧变流器阻抗测量模块，用于扫频测量机侧变流器直流端口的阻抗；
所述机侧变流器灵敏度计算模块，用于计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度；
所述机侧变流器控制结构辨识模块，基于外环比例系数的灵敏度分析，辨识机侧变流器采用的控制方式；
所述网侧变流器阻抗测量模块，用于扫频测量网侧变流器交流端口的阻抗；
所述网侧变流器阻抗检测模块，用于检测网侧变流器交流端口正序在基频处有无谐振峰值；
所述网侧变流器控制结构辨识模块，基于对阻抗谐振峰值的检测，辨识网侧变流器采用的控制方式。
本发明第三个实施例提供了一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行本发明上述实施例中任一项所述的方法。
可选地，存储器，用于存储程序；存储器，可以包括易失性存储器(英文：volatilememory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)，如静态随机存取存储器(英文：static random-access memory，缩写：SRAM)，双倍数据率同步动态随机存取存储器(英文：Double DataRate Synchronous Dynamic RandomAccess Memory，缩写：DDRSDRAM)等；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)。存储器用于存储计算机程序(如实现上述方法的应用程序、功能模块等)、计算机指令等，上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。
处理器和存储器可以是独立结构，也可以是集成在一起的集成结构。当处理器和存储器是独立结构时，存储器、处理器可以通过总线耦合连接。
本发明第四个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行本发明上述实施例中任一项所述的方法。
本发明上述实施例提供的风力发电装备黑箱模型的辨识方法、装置、终端及介质，首先辨识机侧变流器控制方式，将网侧变流器断开，并将直流侧电容用直流电压源代替，在直流端口注入扰动电压，扫频测量端口阻抗，接着计算外环比例系数的灵敏度，根据灵敏度在高频段的大小，判断机侧变流器采用的控制方式。然后辨识网侧变流器控制方式，将机侧变流器用恒功率源替代，并在网侧变流器交流端口注入扰动电压，扫频测量端口阻抗，接着基频处阻抗有无谐振峰，根据基频处阻抗有无谐振峰判断网侧变流器采用的控制方式。本发明上述实施例基于风电机组交、直流端口实测阻抗数据对机侧变流器和网侧变流器的控制方式进行黑箱辨识，具有很强的工程实用价值，且算法简单，易于实现，适用于具有不同带宽控制环节的控制方式辨识，辨识精度高；基于端口阻抗频率特性研究适用于具有多带宽控制环节的风电机组黑箱辨识问题，实现风力发电机组典型控制方式的辨识。
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照方法的技术方案实现系统的组成，即，方法中的实施例可理解为构建系统的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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)

1.一种风力发电装备黑箱模型的辨识方法，其特征在于，包括：
断开网侧变流器，并采用直流电压源代替直流侧电容，扫频测量机侧变流器直流端口阻抗，调整机侧变流器外环比例系数，扫频得到另外一组机侧变流器直流端口阻抗；
基于所述机侧变流器直流端口阻抗，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据高频处灵敏度大小判断机侧变流器采用的控制方式；
引入灵敏度作为指标，设某一控制器参数θ的幅值灵敏度SM(θ,f)和相位灵敏度SP(θ,f)定义为：
Figure FDA0003995599090000011
式中，θ泛指待辨识控制器参数，||表示取模值，Δθ表示待辨识控制器参数的参数偏差量，Z代表阻抗，f表示频率，j表示虚数；
基于式(4)计算机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度SM(kp,f)为：
Figure FDA0003995599090000012
式中，kp表示机侧变流器外环比例系数，Δkp表示外环比例系数的偏差量，Zdc1和Zdc2分别代表机侧变流器直流端口阻抗；
将机侧变流器采用恒功率源或恒直流电流源替代，扫频测量网侧变流器交流端口阻抗；
基于所述网侧变流器交流端口阻抗，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，完成对黑箱模型的辨识。
2.根据权利要求1所述的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，其特征在于，所述机侧变流器控制方式包括：
双馈风电机组机侧变流器采用有功功率/无功功率控制或转矩/无功功率控制；
永磁直驱风电机组机侧变流器采用转矩控制或转速控制；
所述网侧变流器控制方式包括：
双馈风电机组和永磁直驱风电机组网侧变流器均采用直流电压/无功功率控制或直流电压/交流电压控制。
3.根据权利要求1所述的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，其特征在于，所述断开网侧变流器，并采用直流电压源代替直流侧电容，扫频测量机侧变流器直流端口阻抗，调整外环控制器比例系数，扫频得到另外一组机侧变流器直流端口阻抗，包括：
断开网侧变流器，并用直流电压源代替直流侧电容；在永磁直驱风电机组和/或双馈风电机组的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Δudc1和谐波电流Δidc1，计算得到机侧变流器直流端口阻抗Zdc1：
Figure FDA0003995599090000021
微调机侧变流器外环比例系数，并在永磁直驱风电机组和/或双馈风电机组的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Δudc2和谐波电流Δidc2，计算得到另一组机侧变流器直流端口阻抗Zdc2为：
Figure FDA0003995599090000022
4.根据权利要求1所述的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，其特征在于，所述基于所述机侧变流器直流端口阻抗，计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度，根据高频处灵敏度大小判断机侧变流器采用的控制方式，包括：
利用参数归一化方法消除不同控制结构下控制器参数数量级差异大于设定阈值时的影响，并定义归一化后的机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度
Figure FDA0003995599090000023
为：
Figure FDA0003995599090000024
式中，
Figure FDA0003995599090000025
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最大值；
Figure FDA0003995599090000026
表示所有频率下，机侧变流器外环比例系数幅值灵敏度的最小值；
根据灵敏度在高频以上的灵敏度的大小，判断机侧变流器采用的控制方式，其中：
对于双馈风电机组：
机侧变流器采用有功功率/无功功率控制的条件为：
Figure FDA0003995599090000027
机侧变流器采用转矩/有功功率控制的条件为：
Figure FDA0003995599090000028
对于永磁直驱风电机组：
机侧变流器采用转矩控制的条件为：
Figure FDA0003995599090000031
机侧变流器采用转速控制的条件为：
Figure FDA0003995599090000032
5.根据权利要求1所述的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，其特征在于，所述将机侧变流器采用恒功率源或恒直流电流源替代，扫频测量网侧变流器交流端口阻抗，包括：
将机侧变流器用恒功率源或恒直流电流源替代，在双馈风电机组和/或永磁直驱风电机组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侧正序阻抗Zp为：
Figure FDA0003995599090000033
6.根据权利要求1所述的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，其特征在于，所述基于所述网侧变流器交流端口阻抗，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，包括：
基于扫频得到的网侧变流器交流端口阻抗数据，检测基频处阻抗幅值有无谐振峰值，据此判断网侧变流器采用的控制方式，如果存在谐振峰值，则判断网侧变流器采用直流电压/无功功率的控制方式，如果不存在谐振峰值，则判断网侧变流器采用直流电压/交流电压的控制方式；其中：
利用参数归一化方法消除端口阻抗变化率数量级差异大于设定阈值时的影响，并定义归一化后各频率点处的阻抗数据Zp *(f)为：
Figure FDA0003995599090000034
式中，Zpmax为网侧变流器交流端口阻抗数据的最大值，Zpmin为网侧变流器交流端口阻抗数据的最小值；
对于双馈风电机组和永磁同步风电机组：
网侧变流器采用直流电压/无功功率控制方式的条件为：
Zp *(f)＞0.95,f＝49Hz or51Hz (12)
网侧变流器采用直流电压/交流电压控制方式的条件为：
Zp *(f)＜0.95,f＝49Hz or 51Hz (13)
式中，f为频率。
7.根据权利要求4或6所述的风力发电装备黑箱模型的辨识方法，其特征在于，所述设定阈值为10的一次方。
8.一种风力发电装备黑箱模型的辨识装置，其特征在于，包括：
机侧变流器阻抗测量模块，该模块用于扫频测量机侧变流器直流端口的阻抗；
机侧变流器灵敏度计算模块，该模块用于计算机侧变流器外环比例系数的灵敏度；
机侧变流器控制结构辨识模块，该模块基于外环比例系数的灵敏度分析，辨识机侧变流器采用的控制方式；引入灵敏度作为指标，设某一控制器参数θ的幅值灵敏度SM(θ,f)和相位灵敏度SP(θ,f)定义为：
Figure FDA0003995599090000041
式中，θ泛指待辨识控制器参数，||表示取模值，Δθ表示待辨识控制器参数的参数偏差量，Z代表阻抗，f表示频率，j表示虚数；
基于式(4)计算机侧变流器外环比例系数的幅值灵敏度SM(kp,f)为：
Figure FDA0003995599090000042
式中，kp表示机侧变流器外环比例系数，Δkp表示外环比例系数的偏差量，Zdc1和Zdc2分别代表机侧变流器直流端口阻抗；
网侧变流器阻抗测量模块，该模块用于扫频测量网侧变流器交流端口的阻抗；
网侧变流器阻抗检测模块，该模块用于检测网侧变流器交流端口正序在基频处有无谐振峰值；
网侧变流器控制结构辨识模块，该模块基于对阻抗谐振峰值的检测，辨识网侧变流器采用的控制方式。
9.一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时可用于执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
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