CN113255130B - 一种用于风力发电机组控制性能评价的方法及系统 - Google Patents

一种用于风力发电机组控制性能评价的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于风力发电机组控制性能评价的方法及系统，通过指定控制偏差及控制代价，通过计算控制偏差评价指标及控制代价评价指标来评判不同控制增益乃至不同控制算法框架下的控制性能优劣，提高控制增益参数及控制算法框架迭代速度，同时通过对控制偏差及控制代价关系的映射，更快的更直接的表现出不同控制增益不同算法框架的不同控制性能。本发明引用控制偏差及控制代价，克服了传统方式中未对某个控制偏差及某个控制代价关系进行单一映射，无法准确描述其单一控制目标与控制代价的关系，并创新地采用控制偏差评价指标与控制代价评价指标来评判对不同控制增益乃至不同控制算法框架的控制性能，更好的映射其内在关系，提高迭代效率。

Description

一种用于风力发电机组控制性能评价的方法及系统
技术领域
本发明属于风力发电领域，特别涉及一种用于风力发电机组控制性能评价的方法及系统。
背景技术
在风力发电机组设计阶段，整机载荷水平占有非常重要的作用，其直接决定了大部分部件的建造成本。风力发电机组的整机设计载荷与叶片设计及控制器响应有直接的关系。风力发电机组的核心控制策略在不同风速下有不同的控制目标，以额定风速以上区域为例，控制器的核心控制任务为通过变桨控制来保持机组的实际转速在不同风况下尽量靠近额定转速。现有的转速-变桨控制回路一般采用经典的PI/PID设计，以实际转速与额定转速之差作为控制输入，根据PI/PID参数计算相应的变桨角度指令，并下发给变桨执行机构执行变桨动作，通过吸收/释放风能来维持风力发电机转速在额定转速。在此PI/PID参数设计一般依靠经典控制理论的调节方法来实现，然后将其在载荷仿真计算软件中进行全工况计算后得到风力发电机组的发电量及载荷水平。在控制参数调整及实际控制效果之间目前尚缺一套评价方法以快速、准确的衡量控制系统的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于风力发电机组控制性能评价的方法及系统，克服了传统方式中未对某个控制偏差及某个控制代价关系进行单一映射，无法准确描述其单一控制目标与控制代价的关系，更快的更直接的表现出不同控制增益不同算法框架的不同控制性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于风力发电机组控制性能评价的方法，以控制偏差e及控制代价u作为二维判定标准来实现控制性能P的评价；具体过程如下：
确认控制目标；
设置所述控制目标的控制增益k，用控制增益k对风力发电机组的载荷进行仿真计算，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，在T时间段进行定积分得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，T为时间段进行定积分计算得到/>进而得到/>进行多组仿真计算模拟得到不同控制参数对应的控制性能P；
对不同控制增益下的控制偏差指标及控制代价指标进行比较，以较低的控制代价指标得到较低的控制偏差指标作为判定基准，选取其控制增益为在当前控制目标下较优的控制增益。
将发电机转速在额定转速设置为变桨控制的控制目标，设置三组仿真计算模拟具体如下：
将第一组PI/PID参数k1输入到转速-变桨回路控制环，使用参数k1进行风力发电机组的载荷仿真计算，在预设时间内仿真计算，计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e1，对控制偏差e1的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u1，对控制代价u1的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到/>
将第二组PI/PID参数k2输入到转速-变桨回路控制环，使用参数k2进行风力发电机组的载荷仿真计算，在预设时间内进行计算，计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e2，对控制偏差e2的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u2，对控制代价u2的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到/>
将第三组PI/PID参数k3输入到转速-变桨回路控制环，使用参数k3进行风力发电机组的载荷仿真计算，在预设时间内进行计算，计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e3，对控制偏差e3的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到/>
分别得到每一组控制参数对应的控制偏差e与控制代价u的关系，选取控制偏差最小同时控制代价最小作为最终的控制参数。
所述预设时间为10～20分钟。
以转速偏差为控制偏差，以桨距角、发电机转矩代价或偏航角度代价为控制代价；
或以叶根载荷偏差为控制偏差，变桨幅度为控制代价，或以功率偏差为控制偏差，变桨幅度为控制代价。
对风力发电机组的载荷进行仿真计算时采用叶素理论或基于塔架5-10个模态进行仿真计算。
基于转速-转矩控制回路进行评价或基于叶根载荷-变桨控制回路进行评价。
一种用于风力发电机组控制性能评价的系统，包括控制目标选择模块、模拟计算模块以及评价判断模块；
控制目标选择模块用于确认控制目标；
模拟计算模块用于设置所述控制目标的控制增益k，用控制增益k对风力发电机组的载荷进行仿真计算，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，在T时间段进行定积分得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，T为时间段进行定积分计算得到/>进而得到/>进行多组仿真计算模拟得到不同控制参数对应的控制性能P；
评价判断模块用于对不同控制增益下的控制偏差指标及控制代价指标进行比较，以较低的控制代价指标得到较低的控制偏差指标作为判定基准，选取其控制增益为在当前控制目标下较优的控制增益。
一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述用于风力发电机组控制性能评价的方法。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的用于风力发电机组控制性能评价的方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
通过指定控制偏差及控制代价，通过计算控制偏差评价指标及控制代价评价指标来评判不同控制增益乃至不同控制算法框架下的控制性能优劣，提高控制增益参数及控制算法框架迭代速度，同时通过对控制偏差及控制代价关系的映射，更快的更直接的表现出不同控制增益不同算法框架的不同控制性能，本发明引用控制偏差及控制代价，克服了传统方式中未对某个控制偏差及某个控制代价关系进行单一映射，无法准确描述其单一控制目标与控制代价的关系，并创新地采用控制偏差评价指标与控制代价评价指标来评判对不同控制增益乃至不同控制算法框架的控制性能，更好的映射其内在关系，提高迭代效率。
附图说明
图1为本发明实施例风力发电机组控制性能评价的方法流程示意图。
图2为单输入单输出系统(PI)与多输入多输出系统的比较(MIMO)控制框架的性能评价结果。
具体实施方式
风力发电机组的核心控制系统的控制输入一般为转速/机舱加速度/风速等，其控制输出一般为桨距角及发电机转矩。风力发电机组通过桨距角控制及转矩控制在不同风速段对发电机转速进行控制。风力发电机组同时还要经受不同风况，在不同风况下机组的各大部件会经历不同的弯矩。通过桨距角控制可以有效控制在不同风速下不同部件的弯矩。
本实施例以转速-变桨控制回路为例进行说明。
本回路的控制目标为通过变桨控制来使风力发电机的转速维持在额定转速，因此仅仅以控制偏差即发电机实际转速与设定转速之差不能完全判定其控制性能，还需引入其控制代价，由于在载荷仿真过程中的非线性，强耦合及时变系统中不同的控制增益带来的控制偏差及控制代价均不同，因此以控制偏差(e)及控制代价(u)作为二维判定标准来实现控制性能评价(P)，即：
其中k表示不同控制增益，t代表控制周期，T代表时间段。
以下展示在转速-变桨回路中的方法描述。
不同控制增益可调整，将第一组PI/PID参数(记为k1)输入到转速-变桨回路控制环，使用k1参数进行风力发电机组的载荷仿真计算，算例时长10分钟。计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，10分钟为时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，10分钟为时间段进行定积分计算得到/>
将第二组PI/PID参数(记为k2)输入到转速-变桨回路控制环，使用k2参数进行风力发电机组的载荷仿真计算，算例时长10分钟。计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，10分钟为时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，10分钟为时间段进行定积分计算得到/>
将第三组PI/PID参数(记为k3)输入到转速-变桨回路控制环，使用k3参数进行风力发电机组的载荷仿真计算，算例时长10分钟。计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，10分钟为时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，10分钟为时间段进行定积分计算得到/>
以横坐标为纵坐标为/>画出二维曲线图，即可得到控制偏差与控制代价的关系。即/>越小同时/>越小为评价标准，也即控制偏差最小同时控制代价最小为最优的控制参数。
下面结合附图对本发明实施例风力发电机组控制性能评价的方法进行详细阐述。
S11，确认控制目标，以转速-变桨控制回路为例，选取变桨控制发电机转速在额定转速设置为其控制目标。
S12，设置第一组转速-变桨控制回路PI/PID控制增益记为k1，以此作为控制参数进行以t为时间间隔，T为时间段的载荷仿真计算。
S13，选取控制偏差，如在转速-变桨控制回路，选取实际发电机转速与额定转速之差作为控制偏差e1。
S14，选取控制代价，如在转速-变桨控制回路，选取变桨角度作为控制代价u1。
S15，对控制偏差e1进行以t为时间间隔，T为时间段的定积分计算，得到
S6，对控制代价u1进行以t为时间间隔，T为时间段的定积分计算，得到
S21，设置第二组转速-变桨控制回路PI/PID控制增益记为k2，以此作为控制参数进行以t为时间间隔，T为时间段的载荷仿真计算。
S22，选取控制偏差，如在转速-变桨控制回路，选取实际发电机转速与额定转速之差作为控制偏差e2。
S23，选取控制代价，如在转速-变桨控制回路，选取变桨角度作为控制代价u2。
S24，对控制偏差e2进行以t为时间间隔，T为时间段的定积分计算，得到
S25，对控制代价u2进行以t为时间间隔，T为时间段的定积分计算，得到
S31，设置第三组转速-变桨控制回路PI/PID控制增益记为k3，以此作为控制参数进行以t为时间间隔，T为时间段的载荷仿真计算。
S32，选取控制偏差，如在转速-变桨控制回路，选取实际发电机转速与额定转速之差作为控制偏差e3。
S33选取控制代价，如在转速-变桨控制回路，选取变桨角度作为控制代价u3。
S34对控制偏差e3进行以t为时间间隔，T为时间段的定积分计算，得到
S35对控制代价u3进行以t为时间间隔，T为时间段的定积分计算，得到
最后，对所述三组不同控制增益下的控制偏差指标及控制代价指标进行比较，以较低的控制代价指标得到较低的控制偏差指标作为判定基准，选取其控制增益为在当前控制目标下较优的控制增益。
本发明设计了一种方法可以用于风力发电机组控制性能评价的方法，从而可以快速评定不同控制参数及不同控制算法框架其控制偏差与控制代价的关系，创新地采用了控制偏差与控制代价二维评价的方法对控制性能进行评估，从而快速、准确的制定较优的控制参数及控制算法框架用于控制系统的开发。本发明对三套不同控制增益下的控制性能进行评判，同样可以对三种不同的控制算法框架下的同一控制偏差及代价进行评判，同时本控制性能评价方法不仅局限于对控制参数的优化的迭代方法上，还可应用于控制框架的性能评价上，如单输入单输出系统(PI)与多输入多输出系统的比较(MIMO)，如图2所示。
本发明提供一种用于风力发电机组控制性能评价的系统，包括控制目标选择模块、模拟计算模块以及评价判断模块；
控制目标选择模块用于确认控制目标；
模拟计算模块用于设置所述控制目标的控制增益k，用控制增益k对风力发电机组的载荷进行仿真计算，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，在T时间段进行定积分得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，T为时间段进行定积分计算得到/>进而得到/>进行多组仿真计算模拟得到不同控制参数对应的控制性能P；
评价判断模块用于对不同控制增益下的控制偏差指标及控制代价指标进行比较，以较低的控制代价指标得到较低的控制偏差指标作为判定基准，选取其控制增益为在当前控制目标下较优的控制增益。
本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述用于风力发电机组控制性能评价的方法。
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的用于风力发电机组控制性能评价的方法。
所述计算机设备可以采用车载计算机、笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站。
处理器可以是中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现成可编程门阵列(FPGA)。
对于本发明所述存储器，可以是车载计算机、笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、固态硬盘(SSD，Solid State Drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(ReRAM,Resistance Random Access Memory)和动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)。

Claims (8)

1.一种用于风力发电机组控制性能评价的方法，其特征在于，以控制偏差e及控制代价u作为二维判定标准来实现控制性能P的评价；具体过程如下：
确认控制目标；
设置所述控制目标的控制增益k，用控制增益k对风力发电机组的载荷进行仿真计算，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，在T时间段进行定积分得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，T为时间段进行定积分计算得到/>进而得到进行多组仿真计算模拟得到不同控制参数对应的控制性能P；
对不同控制增益下的控制偏差指标及控制代价指标进行比较，以较低的控制代价指标得到较低的控制偏差指标作为判定基准，选取其控制增益为在当前控制目标下较优的控制增益；
以转速偏差为控制偏差，以桨距角、发电机转矩代价或偏航角度代价为控制代价；
或以叶根载荷偏差为控制偏差，变桨幅度为控制代价，或以功率偏差为控制偏差，变桨幅度为控制代价。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组控制性能评价的方法，其特征在于，
将发电机转速在额定转速设置为变桨控制的控制目标，设置三组仿真计算模拟具体如下：
将第一组PI/PID参数k1输入到转速-变桨回路控制环，使用参数k1进行风力发电机组的载荷仿真计算，在预设时间内仿真计算，计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e1，对控制偏差e1的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u1，对控制代价u1的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到/>
将第二组PI/PID参数k2输入到转速-变桨回路控制环，使用参数k2进行风力发电机组的载荷仿真计算，在预设时间内进行计算，计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e2，对控制偏差e2的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u2，对控制代价u2的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到/>
将第三组PI/PID参数k3输入到转速-变桨回路控制环，使用参数k3进行风力发电机组的载荷仿真计算，在预设时间内进行计算，计算结束后，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e3，对控制偏差e3的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，预设时间段进行定积分计算得到/>
分别得到每一组控制参数对应的控制偏差e与控制代价u的关系，选取控制偏差最小同时控制代价最小作为最终的控制参数。
3.根据权利要求2所述的用于风力发电机组控制性能评价的方法，其特征在于，所述预设时间为10～20分钟。
4.根据权利要求1所述的用于风力发电机组控制性能评价的方法，其特征在于，对风力发电机组的载荷进行仿真计算时采用叶素理论或基于塔架5-10个模态进行仿真计算。
5.根据权利要求1所述的用于风力发电机组控制性能评价的方法，其特征在于，基于转速-转矩控制回路进行评价或基于叶根载荷-变桨控制回路进行评价。
6.一种用于风力发电机组控制性能评价的系统，其特征在于，用于实现权利要求1-5任一项所述的方法，包括控制目标选择模块、模拟计算模块以及评价判断模块；
控制目标选择模块用于确认控制目标；
模拟计算模块用于设置所述控制目标的控制增益k，用控制增益k对风力发电机组的载荷进行仿真计算，以实际发电机转速与额定发电机转速之差作为控制偏差e，对控制偏差e的平方以每个控制周期t为间隔，在T时间段进行定积分得到同时以变桨角度作为控制代价u，对控制代价u的平方以每个控制周期t为间隔，T为时间段进行定积分计算得到进而得到/>进行多组仿真计算模拟得到不同控制参数对应的控制性能P；
评价判断模块用于对不同控制增益下的控制偏差指标及控制代价指标进行比较，以较低的控制代价指标得到较低的控制偏差指标作为判定基准，选取其控制增益为在当前控制目标下较优的控制增益。
7.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现权利要求1～5中任一项所述用于风力发电机组控制性能评价的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现如权利要求1～5中任一项所述的用于风力发电机组控制性能评价的方法。
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