CN112901414A - 一种风力发电机组变桨系统辨识方法 - Google Patents

一种风力发电机组变桨系统辨识方法 Download PDF

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CN112901414A CN202110117608.2A CN202110117608A CN112901414A CN 112901414 A CN112901414 A CN 112901414A CN 202110117608 A CN202110117608 A CN 202110117608A CN 112901414 A CN112901414 A CN 112901414A
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王瑞良
姬超超
孙勇
杨翀
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Zhejiang Windey Co Ltd
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Zhejiang Windey Co Ltd
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组变桨系统辨识方法，将变桨系统建模为二阶系统，根据现场采样输入时间值和对应系统输出桨距角，通过最小二乘法求解最优参数建立优化目标，基于牛顿法拟合参数闭环验证优化目标小于限定值，得到模拟桨距角传递函数；采用二阶系统建立变桨系统模型，适应变桨系统动态变化；采用牛顿法求解变桨系统参数，提高变桨系统辨识精度，辨识快速；闭环设计，输出系统控制稳定。

Description

一种风力发电机组变桨系统辨识方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组变桨系统辨识方法。
背景技术
变桨系统作为大型风电机组控制系统的核心部件之一，对机组的安全、稳定、高效的运行至关重要。稳定的变桨控制已经成为当前发电机组控制研究的难点与热点。变桨系统的实际性能直接影响到控制效果，变响应过慢可能会触发机组变桨角度跟踪误差，响应超调则会增加机组载荷。因此，有必要对实际机组的变桨系统进行辨识，完成机组的闭环设计。
通常情况下，变桨系统作为典型的位置伺服控制系统，由外部电源、备用电源、感应电机、减速齿轮箱、驱动器、控制器和传感器组成。当外部电源供电故障时，备用电源投入使用，为变桨驱动器供电，以确保桨叶能够紧急顺桨。变桨控制接收风电机组住控制器的指令，以及传感器测量的电流、速度和位置信号，经分析运算后给出变桨电机的速度或位置信号。减速齿轮箱将电机的高速、小转矩转为桨叶的低速、大运动。通常情况下，变桨系统建模为一阶系统或者复杂的机理模型。一阶系统存在模型较为简单，难以适应变桨系统动态变化，而复杂的机理模型辨识难度较高的问题。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法”，其公告号CN111852763A，包括包括对风机桨叶机械结构进行分析，建立了描述桨距角调整动态过程的动力学方程；建立变桨系统非线性模型后，引入系统执行器故障；基于桨距角跟踪，引入速率函数，获得转换误差，从而设计控制器；用设计的控制器控制风力发电机变桨系统。本发明采用PID控制器方法，通过建立包含扰动与系统不确定性的变桨系统模型，引入速率函数，所设计的控制器增益自动自适应更新，可以有效地处理未知的执行器故障、建模不确定性和外部干扰，而不需要进行故障检测和隔离过程，消除执行器故障的影响，能保证在各种工况下降低风机载荷，维持风机功率稳定。但是存在控制方法较简单，难以适应变桨系统动态变化，影响变桨系统的控制效果，造成变相应过慢或者变相应超调的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的风力发电机变桨系统的模型过于简单导致无法适应变桨系统动态变化或者模型过于复杂难以辨识的问题，提供一种适应变桨系统动态变化、识别快速、控制稳定的风力发电机组变桨系统辨识方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种风力发电机组变桨系统辨识方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：将变桨系统建模为二阶系统，如下：
Figure BDA0002921298850000021
步骤S2：将变桨系统建模转化到频域，系统传递函数建模如下:
Figure BDA0002921298850000022
其中，ε为变桨系统的阻尼比，w为变桨系统无阻尼震荡频率；
通常情况下，阻尼比越小，系统超调越严重；w越大，系统响应越快。
步骤S3：给定变桨系统一阶跃输入C(t)，则变桨系统的响应满足如下关系:
Figure BDA0002921298850000023
其中，r为桨距角，t为输入时间，θ＝arccosε，
Figure BDA0002921298850000024
变桨系统建模采用二阶系统，适应变桨系统动态变化，能够快速辨识并且可以跨平台应用，应用价值极高。
作为优选，求解传递函数参数ε、w的方法为：确定变桨系统阻尼比ε，根据现场实际采样的输入时间与对应系统输出桨距角(t1,r1)、(t2,r2)、(t3,r3)…(tm,rm),建立如下优化目标Q：
Figure BDA0002921298850000025
Q满足小于限定值时的w为最优参数。
作为优选，所述获取最优参数的w、ε值的方法为牛顿法，步骤如下：
步骤S3.1:基于牛顿法计算ΔωΔε：
Figure BDA0002921298850000026
其中，
Figure BDA0002921298850000027
θ为所要拟合的参数，为w、ε；
步骤S3.2:更新拟合参数θk+1＝θk-Δθ；
步骤S3.3:将更新的拟合参数w、ε代入式
Figure BDA0002921298850000028
判断Q是否满足小于限定值，若满足则终止计算，若不满足阈值则θcurent代入步骤S3.1并重复步骤S3.1～S3.3。
作为优选，还包括系统超调量，所述系统超调量Mp和变桨系统阻尼比满足如下关系：
Figure BDA0002921298850000031
作为优选，所述限定值不大于e-2。
作为优选，所述变桨系统阻尼比不小于0.4，不大于0.9。超调量
Figure BDA0002921298850000032
满足0.15％～25.3％。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)采用二阶系统建立变桨系统模型，适应变桨系统动态变化；(2)采用牛顿法求解变桨系统参数，提高变桨系统辨识精度，识别快速；(3)闭环设计，输出系统控制稳定。
附图说明
图1是本发明一实施例变桨系统1°阶跃响应时示意图。
图2是本发明一实施例1°变桨响应辨识示意图。
图3是本发明一实施例-1°变桨响应辨识示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
如图1～2所示一种快速辨识变桨系统的方法，步骤S1：将变桨系统建模为二阶系统，
Figure BDA0002921298850000033
步骤S2：将变桨系统建模转化到频域，系统传递函数建模如下：
Figure BDA0002921298850000034
步骤S3：如图1所示给定阶跃响应为
Figure BDA0002921298850000035
即1°时现场给定桨距角波形(3)，现场采集桨距角波形(1)，机组响应起始时间晚于给定变桨系统1°阶跃响应的起始时间，表明现场机组响应有一定的时间滞后，变桨系统有一定的通讯延时。
变桨系统的响应如下满足如下关系:
Figure BDA0002921298850000036
其中，θ＝arccosε，
Figure BDA0002921298850000037
系统超调量Mp和变桨系统阻尼比满足如下关系：
Figure BDA0002921298850000038
结合实际情况，将阻尼比ε取值为0.4-0.9，超调量Mp为0.15％-25.3％。
根据现场实际采样的输入时间与对应系统输出桨距角(t1,r1)、(t2,r2)、(t3,r3)…(tm,rm),基于最小二乘法优化变桨系统响应参数w，建立如下优化目标Q：
Figure BDA0002921298850000041
对变桨系统进行拟合获得使Q满足小于限定值e-2时的w为最优参数。
获取最优参数的w、ε值的方法为牛顿法，步骤如下：
步骤S3.1：给定范围内初始值ε0ω0，基于牛顿法，计算ΔωΔε；
Figure BDA0002921298850000042
其中，
Figure BDA0002921298850000043
θ为所要拟合的参数，为ωε。
步骤S3.2:更新拟合参数，θk+1＝θk-Δθ；
步骤S3.3:将更新的拟合参数w、ε代入式
Figure BDA0002921298850000044
判断Q是否满足小于e-2，若满足则终止计算，若不满足阈值则将θcurent代入步骤S3.1,并重复步骤S3.1～S3.2。闭环控制，输出系统控制稳定。
所拟合得到的桨距角仿真传递函数如下
Figure BDA0002921298850000045
如图2所示现场采集桨距角1与传递函数仿真桨距角2拟合精度度高，适应变桨系统动态变化，提高变桨系统辨识精度。
实施例2：
图1和图3所示一种快速辨识变桨系统的方法，步骤S1：将变桨系统建模为二阶系统，
Figure BDA0002921298850000046
步骤S2：将变桨系统建模转化到频域，系统传递函数建模如下：
Figure BDA0002921298850000047
步骤S3：如图3所示给定阶跃响应为
Figure BDA0002921298850000048
即-1°时现场给定桨距角波形3，现场采集桨距角1，机组响应起始时间晚于给定变桨系统1°阶跃响应的起始时间，表明现场机组响应有一定的时间滞后，变桨系统有一定的通讯延时。
变桨系统的响应如下满足如下关系:
Figure BDA0002921298850000051
其中，θ＝arccosε，
Figure BDA0002921298850000052
系统超调量Mp和变桨系统阻尼比满足如下关系：
Figure BDA0002921298850000053
结合实际情况，首先确定阻尼比，阻尼比ε取值为0.4-0.9，超调量Mp为0.15％-25.3％。
根据现场实际采样的输入时间与对应系统输出桨距角(t1,r1)、(t2,r2)、(t3,r3)…(tm,rm),基于最小二乘法优化变桨系统响应参数w，建立如下优化目标Q：
Figure BDA0002921298850000054
获得使Q满足小于e-2的w值为最优参数；
获取最优参数的w、ε值的方法为牛顿法，步骤如下：
步骤S3.1：给定范围内初始值ε0ω0，基于牛顿法，计算ΔωΔε；
Figure BDA0002921298850000055
其中，
Figure BDA0002921298850000056
θ为所要拟合的参数，为ωε。
步骤S3.2:更新拟合参数，θk+1＝θk-Δθ；
步骤S3.3:将更新的拟合参数w、ε代入式
Figure BDA0002921298850000057
判断Q是否满足小于e-2，若满足则终止计算，若不满足阈值则将θcurent代入步骤S3.1,并重复步骤S3.1～S3.2。闭环控制，输出系统控制稳定。
如图3所示现场采集桨距角1与传递函数仿真桨距角2拟合精度度高，适应变桨系统动态变化，提高变桨系统辨识精度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了桨距角、阻尼比等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种风力发电机组变桨系统辨识方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：将变桨系统建模为二阶系统，如下：
Figure FDA0002921298840000011
步骤S2：将变桨系统建模转化到频域，系统传递函数建模如下:
Figure FDA0002921298840000012
其中，ε为变桨系统的阻尼比，w为变桨系统无阻尼震荡频率；
步骤S3：给定变桨系统阶跃输入C(t)，则变桨系统的响应满足如下关系:
Figure FDA0002921298840000013
其中，r为桨距角，t为输入时间，θ＝arccosε，
Figure FDA0002921298840000014
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组变桨系统辨识方法，其特征在于，求解传递函数参数ε、w的方法为：确定变桨系统阻尼比ε，根据现场实际采样的输入时间与对应系统输出桨距角(t1,r1)、(t2,r2)、(t3,r3)…(tm,rm),建立如下优化目标Q：
Figure FDA0002921298840000015
Q满足小于限定值时的w为最优参数。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组变桨系统辨识方法，其特征在于，所述获取最优参数的w、ε值的方法为牛顿法，步骤如下：
步骤S3.1:基于牛顿法计算ΔwΔε：
Figure FDA0002921298840000016
其中，
Figure FDA0002921298840000017
θ为所要拟合的参数即w、ε；
步骤S3.2:更新拟合参数θk+1＝θk-Δθ；
步骤S3.3:将更新的拟合参数w、ε代入式
Figure FDA0002921298840000021
判断Q是否满足小于限定值，若满足则终止计算，Q不小于限定值则将θcurent代入步骤S3.1并重复步骤S3.1～S3.3。
4.根据权利要求1或2所述的一种风力发电机组变桨系统辨识方法，其特征在于，还包括系统超调量，所述系统超调量Mp和变桨系统阻尼比满足如下关系：
Figure FDA0002921298840000022
5.根据权利要求2所述的一种风力发电机组变桨系统辨识方法，其特征在于，所述限定值不大于e-2。
6.根据权利要求1-3任一条权利要求所述的一种风力发电机组变桨系统辨识方法，其特征在于，所述变桨系统阻尼比不小于0.4，不大于0.9。
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WO2023092783A1 (zh) * 2021-11-23 2023-06-01 南瑞集团有限公司 一种可抑制多扰动因素的风机模糊自适应变桨距控制方法

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