CN115528954A - 双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统 - Google Patents

双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统，方法包括：建立双馈风力发电系统闭环传递函数；将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数。本发明通过提高风力发电系统的仿真效率，并利用零极点匹配法消去中间参量，进行控制器参数整定，能够有效提升控制器参数整定的精细化程度，在提高精度的基础上，避免了现有技术中试凑方法耗时过久的问题。

Description

双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统。
背景技术
风力发电系统涉及空气动力子系统、机械传动子系统、电气子系统、控制子系统等多种物理系统，不同子系统之间交互影响，系统动态特性非常复杂。其中，风力发电系统变流器控制系统参数的整定将直接影响控制系统的性能。在风机和电机转子动态交互过程中，传动轴扭振除了会增加传动轴疲劳度，造成齿轮箱等损伤，还可能引起次同步振荡问题与次同步谐波问题。因此，构建考虑传动轴柔性因素的风力发电系统传递函数模型及变换器控制参数整定具有重要价值和意义。目前，对于风力发电控制系统的控制器，在进行控制器参数整定时，一般采用经验法在传统的电磁暂态模型中不断进行调试。然而这种方法耗时较长，准确性较低，效率较低，容易产生误差。此外，也有国内外学者致力于小信号模型研究。通过建立风力发电系统状态空间模型；利用特征值和根轨迹分析方法研究控制参数等对系统稳定性的影响。但上述方法无法从根本上解释系统动态过程形成的物理本质，无法直观反映设备参数与控制器参数变化对系统性能和稳定性的影响。另一方面，风力发电系统变流器控制系统参数整定精细化程度不足，难以根据需求，实现控制器参数定量整定。
因此，提供一种双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统具有较高的实用价值和意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统。
本发明提供一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，包括：
建立双馈风力发电系统闭环传递函数；
将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；
基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；
根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数；
所述双馈风力发电系统闭环传递函数是以电机速度指令或者电机电磁转矩指令为输入量、以实际电机速度为输出量、以风速为扰动量、基于实际电机速度与电机速度指令的差值反馈控制的闭环传递函数；
所述非扰动项的关系函数是指实际电机速度相对于电机速度指令的关系函数，或者实际电机速度相对于实际电机电磁转矩的关系函数。
根据本发明提供的一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，所述建立双馈风力发电系统闭环传递函数的步骤包括：
根据风速计算得到电机速度指令；
根据电机速度指令和实际电机速度的差值，计算得到电机电磁转矩指令；
根据电机电磁转矩指令计算得到d轴转子电流指令和q轴转子电流指令；
根据第一差值和第二差值反馈控制，得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流；所述第一差值是指d轴转子电流指令和上一时刻实际d轴转子电流的差值；所述第二差值是指q轴转子电流指令和上一时刻实际q轴转子电流的差值；
根据实际d轴转子电流和/或实际q轴转子电流，计算得到实际电机电磁转矩；
根据风机转矩曲线计算得到风机机械转矩；所述风机转矩曲线是指风机转矩系数相对于叶尖速比的函数曲线；
根据风机机械转矩和实际电机电磁转矩计算得到实际电机速度，反馈控制形成双馈风力发电系统闭环传递函数。
根据本发明提供的一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，所述根据第一差值和第二差值反馈控制，得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流的步骤包括：
将第一差值和第二差值输入电流控制器，得到电流控制器控制变量；所述电流控制器控制变量与q轴转子电压和d轴转子电压相关；
根据电流控制器控制变量、电压源型变流器调制信号以及直流电压，计算得到q轴转子电压和d轴转子电压；
建立双馈电机转子电压方程，并在忽略初始状态的前提下，对转子电压方程进行拉普拉斯变换，得到d轴转子电流方程和q轴转子电流方程；
根据q轴转子电压、d轴转子电压、d轴转子电流方程以及q轴转子电流方程，计算得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流。
根据本发明提供的一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，所述根据风机转矩曲线计算得到风机机械转矩的步骤包括：
在设定的功率区间或者设定的叶尖速比区间内，利用二项式拟合对风机转矩曲线进行线性化，得到线性转矩函数；
将线性转矩函数代入风机输出机械转矩函数，通过小信号分析线性化后，得到风机机械转矩。
根据本发明提供的一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，所述将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点的步骤包括：
将风速视为扰动量，消去双馈风力发电系统闭环传递函数的中间参量，将实际电机速度表示为扰动项与非扰动项的和；所述扰动项为风速对实际电机速度影响的项；所述非扰动项为实际电机电磁转矩对实际电机速度影响的项；
忽略发电机转子阻尼系数的影响后，近似等效特征传递函数；
基于近似等效后的特征传递函数，根据风机参数，计算特征传递函数的零极点。
根据本发明提供的一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，所述根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数的步骤包括：
将特征传递函数整理为扭转分量和非扭转分量的乘积；
在忽略特征传递函数的扭转分量的基础上，简化双馈风力发电系统闭环传递函数，得到双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数与双馈风力发电系统控制参数间的关系，记为控制参数函数；
确定双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数后，根据控制参数函数计算得到双馈风力发电系统控制参数。
根据本发明提供的一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，所述控制参数函数为：
Figure BDA0003134479600000041
式中，τcl为双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数；K为双馈风力发电系统控制参数。
本发明还提供一种双馈风力发电系统控制参数设置系统，包括闭环传递函数建立模块、零极点计算模块、速度控制器构建模块以及参数设置模块；
所述闭环传递函数建立模块能够建立双馈风力发电系统闭环传递函数；
所述零极点计算模块能够将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；
所述速度控制器构建模块能够基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；
所述参数设置模块能够根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数；
所述双馈风力发电系统闭环传递函数是以电机速度指令或者电机电磁转矩指令为输入量、以实际电机速度为输出量、以风速为扰动量、基于实际电机速度与电机速度指令的差值反馈控制的闭环传递函数；
所述非扰动项的关系函数是指实际电机速度相对于电机速度指令的关系函数，或者实际电机速度相对于实际电机电磁转矩的关系函数。
本发明还提供一种电子设备，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实现如上述任一种所述双馈风力发电系统控制参数设置方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述双馈风力发电系统控制参数设置方法的步骤。
本发明提供的双馈风力发电系统控制参数设置方法和系统，通过建立双馈风力发电系统闭环传递函数，提高风力发电系统的仿真效率，并在高仿真效率的闭环传递函数基础上，利用零极点匹配法消去中间参量，进行控制器参数整定，能够有效提升控制器参数整定的精细化程度，在提高精度的基础上，避免了现有技术中试凑方法耗时过久的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的双馈风力发电系统控制参数设置方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的双馈风力发电系统框图；
图3是本发明实施例提供的电流指令计算-电流控制环-电磁转矩计算环节方框图；
图4是本发明实施例提供的电流指令计算-电流控制环-电磁转矩计算环节非完全表征简化框图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的功率系数CP(λ)曲线示意图；
图7是本发明实施例提供的转矩系数CT(λ)曲线示意图；
图8是本发明实施例提供的从风机机械转矩和电磁转矩到电机电角速度的传递函数方框图；
图9是本发明实施例提供的从风速和电磁转矩到电机电角速度的传递函数方框图；
图10是本发明实施例提供的从风速和电磁转矩到电机电角速度的简化传递函数方框图；
图11是本发明实施例提供的双馈风力发电系统闭环控制框图；
图12是本发明实施例提供的9m/s风速下传递函数模型与非线性模型的速度阶跃响应曲线示意图；
图13是本发明实施例提供的10m/s风速下传递函数模型与非线性模型的速度阶跃响应曲线示意图；
图14是本发明实施例提供的风速曲线示意图；
图15是本发明实施例提供的变风速下传递函数模型与非线性模型的仿真结果示意图；
图16是本发明实施例提供的不同控制参数K的非线性模型速度阶跃响应曲线示意图；
图17是本发明实施例提供的K＝0.2时速度下降的幅度示意图；
图18是本发明实施例提供的K＝0.4时速度下降的幅度示意图；
图19是本发明实施例提供的K＝0.83时速度下降的幅度示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图19描述本发明的双馈风力发电系统控制参数设置方法。
如图1所示，本发明实施例提供一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，包括：
步骤100，建立双馈风力发电系统闭环传递函数；
步骤200，将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；
步骤300，基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；
步骤400，根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数；
所述双馈风力发电系统闭环传递函数是以电机速度指令或者电机电磁转矩指令为输入量、以实际电机速度为输出量、以风速为扰动量、基于实际电机速度与电机速度指令的差值反馈控制的闭环传递函数；
所述非扰动项的关系函数是指实际电机速度相对于电机速度指令的关系函数，或者实际电机速度相对于实际电机电磁转矩的关系函数。
本实施例的有益效果在于：
通过建立双馈风力发电系统闭环传递函数，提高风力发电系统的仿真效率，并在高仿真效率的闭环传递函数基础上，利用零极点匹配法消去中间参量，进行控制器参数整定，能够有效提升控制器参数整定的精细化程度，在提高精度的基础上，避免了现有技术中试凑方法耗时过久的问题。
根据上述实施例，在本实施例中：
所述建立双馈风力发电系统闭环传递函数的步骤包括：
根据风速计算得到电机速度指令；
根据电机速度指令和实际电机速度的差值，计算得到电机电磁转矩指令；
根据电机电磁转矩指令计算得到d轴转子电流指令和q轴转子电流指令；
根据第一差值和第二差值反馈控制，得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流；所述第一差值是指d轴转子电流指令和上一时刻实际d轴转子电流的差值；所述第二差值是指q轴转子电流指令和上一时刻实际q轴转子电流的差值；
根据实际d轴转子电流和/或实际q轴转子电流，计算得到实际电机电磁转矩；
根据风机转矩曲线计算得到风机机械转矩；所述风机转矩曲线是指风机转矩系数相对于叶尖速比的函数曲线；
根据风机机械转矩和实际电机电磁转矩计算得到实际电机速度，反馈控制形成双馈风力发电系统闭环传递函数。
本实施例的有益效果在于：
本实施例建立了双馈风力发电系统的闭环传递函数，为风力发电系统控制器设计提供理论依据，在精确的闭环传递函数的基础上，能够提供更为精细化的控制参数整定。
根据上述任一实施例，在本实施例中：
所述根据第一差值和第二差值反馈控制，得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流的步骤包括：
将第一差值和第二差值输入电流控制器，得到电流控制器控制变量；所述电流控制器控制变量与q轴转子电压和d轴转子电压相关；
根据电流控制器控制变量、电压源型变流器调制信号以及直流电压，计算得到q轴转子电压和d轴转子电压；
建立双馈电机转子电压方程，并在忽略初始状态的前提下，对转子电压方程进行拉普拉斯变换，得到d轴转子电流方程和q轴转子电流方程；
根据q轴转子电压、d轴转子电压、d轴转子电流方程以及q轴转子电流方程，计算得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流。
本实施例的有益效果在于：
本实施例建立了双馈风力发电系统的闭环传递函数，为风力发电系统控制器设计提供理论依据，在精确的闭环传递函数的基础上，能够提供更为精细化的控制参数整定。
根据上述任一实施例，在本实施例中：
所述根据风机转矩曲线计算得到风机机械转矩的步骤包括：
在设定的功率区间或者设定的叶尖速比区间内，利用二项式拟合对风机转矩曲线进行线性化，得到线性转矩函数；
将线性转矩函数代入风机输出机械转矩函数，通过小信号分析线性化后，得到风机机械转矩。
本实施例的有益效果在于：
本实施例利用系统线性化手段，提出了最大功率跟踪(maximum power tracking,MPPT)控制方法下双馈风力发电系统(DFIG-based WECS)传递函数建模方法，并为风力发电系统控制器设计提供理论依据。在实现与传统电磁暂态仿真完全等效的功能前提下，有效的提高仿真效率，并对控制器参数进行精细化整定。
根据上述任一实施例，在本实施例中：
所述将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点的步骤包括：
将风速视为扰动量，消去双馈风力发电系统闭环传递函数的中间参量，将实际电机速度表示为扰动项与非扰动项的和；所述扰动项为风速对实际电机速度影响的项；所述非扰动项为实际电机电磁转矩对实际电机速度影响的项；
忽略发电机转子阻尼系数的影响后，近似等效特征传递函数；
基于近似等效后的特征传递函数，根据风机参数，计算特征传递函数的零极点。
本实施例的有益效果在于：
本实施例通过忽略对精度影响较小的发电机转子阻尼系数，在略微降低模型精度的基础上，极大地简化了参数整定的计算复杂度。
根据上述任一实施例，在本实施例中：
所述根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数的步骤包括：
将特征传递函数整理为扭转分量和非扭转分量的乘积；
在忽略特征传递函数的扭转分量的基础上，简化双馈风力发电系统闭环传递函数，得到双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数与双馈风力发电系统控制参数间的关系，记为控制参数函数；
确定双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数后，根据控制参数函数计算得到双馈风力发电系统控制参数。
本实施例的有益效果在于：
本实施例通过忽略对精度影响较小的扭转分量，在略微降低模型精度的基础上，极大地简化了参数整定的计算复杂度。
根据上述任一实施例，在本实施例中：
所述控制参数函数为：
Figure BDA0003134479600000101
式中，τcl为双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数；K为双馈风力发电系统控制参数。
本实施例的有益效果在于：
通过建立双馈风力发电系统闭环传递函数，提高风力发电系统的仿真效率，并在高仿真效率的闭环传递函数基础上，利用零极点匹配法消去中间参量，进行控制器参数整定，能够有效提升控制器参数整定的精细化程度，在提高精度的基础上，避免了现有技术中试凑方法耗时过久的问题。
根据上述任一实施例，在本实施例中：
本实施例提供一种基于传递函数分析的双馈风力发电系统仿真模型及转子侧控制器设计方法。通过小信号分析法推导出在最大功率追踪(最优叶尖速比控制)下、考虑传动轴柔性因素的DFIG-based WECS传递函数模型。然后在传递函数模型的基础上，应用线性控制理论，通过零极点匹配法实现对控制器参数精细化整定。
本实施例的相关术语中英对照如下。
双馈风力发电系统：doubly-fed induction generator based energyconversion system,DFIG-based WECS；
传递函数：Transfer Function；
小信号分析：small-signal analysis；
双质量块模型：two mass；
速度控制器：speed controller；
最大功率追踪：Maximum power point tracking，MPPT。
本实施例的基础是利用小信号分析方法建立了双馈风力发电系统的传递函数模型，在传统的风力发电系统电磁暂态模型的基础上，采用线性化的方法，推导出由风机、双质量块传动链、电机和变流器构成的传动系统的传递函数方程，从而提高了风力发电系统的仿真效率。传统的控制器参数的整定方法多采用经验法进行不断调试，采用试凑的办法可能达不到良好效果，且调试耗时较大。与传统电磁暂态仿真模型不同的是，本实施例提供的风力发电系统传递函数模型及变换器控制参数整定的方法利用零极点匹配法进行控制器参数的整定，可有效提高系统控制器参数整定的精细化程度。
具体地，本实施例将利用系统线性化手段，提出了最大功率跟踪(maximum powertracking,MPPT)控制方法下双馈风力发电系统(DFIG-based WECS)传递函数建模方法，并为风力发电系统控制器设计提供理论依据。在实现与传统电磁暂态仿真完全等效的功能前提下，有效的提高仿真效率，并对控制器参数进行精细化整定。
总体来说，本实施例的方法如下。
首先，将风力发电系统划分为三个环节(如图2所示)：速度参考值计算-速度控制环节，电流指令计算-电流控制环-电磁转矩计算环节，动力与传动系统。然后，在最大功率点附近，采用二项式拟合对叶尖速比-风机转矩曲线进行线性化，推导出上述三个环节的小信号传递函数方程。通过对三个环节传递函数的组合，构建出可准确反映系统特性的DFIG-based WECS传递函数模型。进一步将传递函数可分解为扭转分量和非扭转分量，分析了系统参数对两种分量及其零极点位置的影响。最后，基于上述分析结果，采用零极点匹配法，提出一种定量的速度控制器参数整定方法。
下面将详细介绍本实施例中的双馈风力发电系统传递函数模型，并在此基础上介绍速度控制器参数整定方法。
1、电流指令计算-电流控制环-电磁转矩计算环节传递函数模型
1.1、电流控制环传递函数
1.1.1、双馈电机电气部分
双馈电机电气部分可通过下述转子电压方程描述：
Figure BDA0003134479600000121
Figure BDA0003134479600000122
其中：
Figure BDA0003134479600000123
式中，Rr转子电阻；Ls，Lr和Lm分别表示定子电感，转子电感和互感；ωslip为电机转差速度；vdr和vqr表示d轴与q轴转子电压；idr和iqr表示d轴与q轴转子电流；σ为电机泄露系数(machine leakage factor)，ims为等效定子励磁电流。在定子磁链定向控制下，ims可通过下述公式计算得到：
Figure BDA0003134479600000124
式中，λs为定子磁通。
在忽略初始状态的前提下，对式(1)和式(2)进行Laplace变换：
Figure BDA0003134479600000125
Figure BDA0003134479600000126
1.1.2、电压源型变流器
双馈风力发电系统的转子侧变流器为三相两电平电压源型变流器(VSC)。转子侧变流器与电机转子相连。转子电压vdr、vqr与调制信号md、mq及直流电压vdc有关：
vdr＝0.5vdcmd (7)
vqr＝0.5vdcmq (8)
1.1.3、电流控制器
电流控制器采用dq解耦控制策略。可引入新的控制变量yd、yq，实现d轴和q轴解耦计算：
yd＝vdr+ωslipσLriqr (9)
Figure BDA0003134479600000131
控制变量yd、yq可分别作为PI控制器Gi,d(s)和Gi,q(s)的输出，而电流的误差是控制器的输入：
yd＝Gi,d(s)(idr_ref-idr) (11)
yq＝Gi,q(s)(iqr_ref-iqr) (12)
PI控制器Gi,d(s)为：
Figure BDA0003134479600000132
采用前馈技术对交叉耦合项进行补偿，根据式(5)、(6)和式(9)至(12)可得到电流控制器的输出md和mq：
Figure BDA0003134479600000133
Figure BDA0003134479600000134
1.1.4、电流控制环
将式(5)、(9)代入式(11)，整理可得：
Figure BDA0003134479600000135
将式(13)代入(16)，可得到下述闭环方程：
Figure BDA0003134479600000141
公式(17)为2阶系统。基于零-极点匹配法，通过设置合适的控制器参数Kd,P、Kd,I，可使式(17)的2阶方程降阶为1阶方程。用式(13)PI控制器的零点消除式(5)传递函数的极点，可得：
Figure BDA0003134479600000142
将式(18)代入(17)，得到：
Figure BDA0003134479600000143
其中：
Figure BDA0003134479600000144
式中，τi为电流控制环的时间常数，该值决定了式(19)所示1阶系统响应的速度。对于电流控制环，τi的取值范围一般在0.5ms到5ms之间。
采用相同的方法，可以得到q轴电流控制环的1阶闭环函数和控制器参数，如下：
Figure BDA0003134479600000145
Figure BDA0003134479600000146
Figure BDA0003134479600000147
1.2、电磁转矩计算与电流指令计算
双馈电机的电磁转矩计算如下：
Figure BDA0003134479600000151
在定子磁链定向控制下，存在下述关系：
λds＝λs (25)
λqs＝Lsiqs+Lmiqr＝0 (26)
将(25)、(26)代入(24)，采用小信号分析进行线性化，得到：
Figure BDA0003134479600000152
Figure BDA0003134479600000153
采用相同的方法对式(26)进行线性化：
Figure BDA0003134479600000154
Figure BDA0003134479600000155
将式(29)代入(27)，可得：
Figure BDA0003134479600000156
式(31)可用于图2所示的电磁转矩计算。
将(30)代入(28)可得到电流指令计算公式：
Figure BDA0003134479600000157
1.3、电流指令计算-电流控制环-电磁转矩计算环节传递函数方框图
基于上述公式，根据图2给出的各个环节连接顺序，可形成图3所示的电流指令计算-电流控制环-电磁转矩计算环节的方框图。
虽然图4所示的方框图与电流控制环传递函数一致，但其包括了电流指令计算、电流控制环、电磁转矩计算环节，为图3的非完全表征框图。
2、风机动力与传动系统传递函数模型
为准确反映传动系统柔性对风力发电系统动态特性的影响，在电力系统暂态分析中，一般采用双质量块模型描述传动系统。将高速轴的柔性等效到低速轴上，将高速轴和齿轮箱视为刚体。
风机动力与传动系统传递函数模型中，Jt和Jg分别为风机与发电机转子的转动惯量，Kls为低速轴刚度系数，Dt，Dls,Dg分别表示风机、低速轴、发电机转子的阻尼系数，ng为齿轮箱变比。
2.1、风机动力系统模型
风机对风能的捕获反映为风作用在桨叶上形成机械转矩：
Figure BDA0003134479600000161
其中：
Figure BDA0003134479600000162
式中Ttur为风机的输出机械转矩，λ为叶尖速比，r为风机桨叶半径，Vw为风速，ωt为风轮转速，CT(λ)为转矩系数，CT(λ)可通过功率系数CP(λ)与叶尖速比λ计算得到：
Figure BDA0003134479600000163
图6和图7分别为GE 1.5MW风机的功率系数CP(λ)与转矩系数CT(λ)曲线，λopt为最优叶尖速比。当风机处于最优叶尖速比时，其输出功率最高。当系统处于某个运行点附近时(如λopt附近)，该段转矩系数曲线可通过2次多项式拟合近似表示：
CT2＝c0+c1λ+c2λ2 (36)
式中，c0，c1，c2分别为2次多项式系数。
将式(34)和式(36)代入(33)，得：
Figure BDA0003134479600000171
采用小信号分析对式(37)进行线性化：
Figure BDA0003134479600000172
整理(38)，得到：
ΔTtur＝(x1Vw+x2ωt)ΔVw+(x2Vw+x3ωt)Δωt (39)
其中：
Figure BDA0003134479600000173
2.2、双质量块传动链模型
双质量块传动链模型可通过下述运动方程描述：
Figure BDA0003134479600000174
Figure BDA0003134479600000175
Tls＝Kls(θt-θls)+Dls(ωt-ωls) (43)
其中：
Figure BDA0003134479600000176
Figure BDA0003134479600000177
式中，Tls和Ths分别为低速轴和高速轴转矩，ωls为低速轴角速度，θt为风机侧转子角度，θls为低速轴角度。
齿轮箱的作用是将转矩减少ng倍，将速度提高ng倍：
Figure BDA0003134479600000178
Figure BDA0003134479600000181
式中，ωr为发电机转子机械角速度，其与电角速度ωe存在如下关系：
Figure BDA0003134479600000182
式中，p为极对数。
基于小信号分析，对式(41)、(42)、(43)进行线性化：
Figure BDA0003134479600000183
Figure BDA0003134479600000184
Figure BDA0003134479600000185
对式(49)-(51)进行Laplace变换并忽略初始状态，可得到下述传递函数：
Figure BDA0003134479600000186
Figure BDA0003134479600000187
Figure BDA0003134479600000188
2.3、风机动力与传动系统传递函数方框图
将(38)代入(49)得到：
Figure BDA0003134479600000189
对式(55)进行Laplace变换并忽略初始状态，整理可得到下述传递函数：
Figure BDA00031344796000001810
其中：
Figure BDA0003134479600000191
变量τω表示风机动力与传动系统的机械延迟时间常数。时间常数τω与式(37)中的拟合系数(或系统所处的工作点位置)有关。
根据式(46)-(48)，(52)-(54)，可得到图8所示的动力与传动系统的传递函数方框图。该方框图的输入信号为风机机械转矩ΔTtur和电机电磁转矩ΔTe，输出为电机电角速度Δωe。
将式(39)和式(56)代入到图6中，可得到图9所示的方框图。该方框图的输入信号为风速ΔVw和电机电磁转矩ΔTe，输出为电机电角速度Δωe。
2.4、扭转分量与非扭转分量
为了进一步研究转矩ΔTe到电角速度Δωe的动态过程，视ΔVw为扰动信号，图9所示的方框图可整理为下述传递函数：
Δωe＝G1(s)ΔTe+G2(s)ΔVw (58)
其中：
Figure BDA0003134479600000192
Figure BDA0003134479600000193
Figure BDA0003134479600000194
Figure BDA0003134479600000195
通常情况下，可以忽略发电机转子阻尼系数Dg的影响。当Dg＝0pu，可用传递函数Gs(s)近似等效传递函数G1(s)：
Figure BDA0003134479600000201
其中：
Figure BDA0003134479600000202
Figure BDA0003134479600000203
传递函数Gs(s)可以整理为两部分乘积：
Gs(s)＝Gs,nontor(s)Gs,tor(s) (66)
其中：
Figure BDA0003134479600000204
Figure BDA0003134479600000205
式中Gs,tor(s)和Gs,nontor(s)分别表示扭转和非扭转分量。从式(67)和(68)可以看出，非扭转分量Gs,nontor(s)与传动轴刚度系数Kls及阻尼系数Dls无关，而扭转分量Gs,tor(s)受到传动轴参数影响。
Gs(s)替换式(58)中的G1(s)，得到：
Δωe≈Gs(s)ΔTe+G2(s)ΔVw (69)
式(69)所示的传递函数可通过图10所示的方框图描述。图10为图9所示方框图的简化版。
3、基于传递函数分析的速度控制器设计
通过Gs(s)，很容易可以得到传递函数的零点与极点。零极点的取值与风机参数有关。此外，可在传递函数Gs(s)的基础上，应用零-极点匹配法设计控制器参数。
3.1、闭环控制框图
根据图2所示风力发电系统三个环节的连接顺序，结合传递函数框图(图4和图10)，可形成系统闭环控制框图，如图11所示。输入信号为电机电角速度指令Δωe,ref，输出电机电角速度，ΔVw为扰动信号。图11中，Gω(s)为速度控制器，速度参考值Δωe,ref根据量测的风速、给定的最优叶尖速比计算得到。
根据式(63)可以计算传递函数Gs(s)的零点与极点。零极点的取值与风机参数有关。传递函数Gs(s)极点的位置决定了动力与传动系统稳定性。传递函数Gs(s)共有三个极点：1个实数极点
Figure BDA0003134479600000211
和2个共轭极点。
3.2、速度控制器设计
基于线性控制理论，通过零极点匹配法，设计速度控制器Gω(s)并进行参数整定：
Figure BDA0003134479600000212
式(63)所示的传递函数Gs(s)的实数极点被式(70)所示的控制器Gω(s)的零点消除。将(65)代入式(70)，Gω(s)可简化为：
Figure BDA0003134479600000213
在式(71)中，还需设置参数K。传递函数Gs(s)由扭转分量Gs,tor(s)和非扭转分量Gs,nontor(s)构成。对于含双质量块传动系统的双馈风力发电系统，刚度系数通常较小，风机的转动惯量与电机的转动惯量差一个数量级。根据已有文献模态分析可知，在这种情况下非扭转分量Gs,nontor(s)为主导分量，决定了系统的主要动态特性。为了简化分析，在通过闭环传递函数设计控制器参数K时，我们忽略了扭转分量Gs,tor(s)的影响。当忽略了传递函数Gs(s)的扭转分量时，图11的闭环传递函数可简化为：
Figure BDA0003134479600000221
由于时间常数τi较小，可忽略
Figure BDA0003134479600000222
的影响，公式(72)描述的2阶系统可进一步简化为1阶系统：
Figure BDA0003134479600000223
此时，闭环传递函数的时间常数可近似为：
Figure BDA0003134479600000224
控制器参数K的取值与期望的系统闭环传递函数时间常数τcl互为倒数。当确定闭环控制时间常数后，可根据式(74)计算控制器参数K。增大系数K可提高速度追踪速度，但是同时会增加传动系统传动轴的压力。
4、测试与验证
本实施例采用3类测试，验证本实施例所提供的传递函数模型及控制器参数设置方法的有效性。首先，分别通过恒风速算例和变风速算例验证传递函数模型的准确性。然后，通过闭环阶跃测试验证控制器参数设置方法的有效性。最后，验证了本实施例所提供的模型和控制器参数设置方法的有效性。
4.1、恒风速工况下的速度指令阶跃测试
为了验证本实施例所提供的传递函数模型可适用于不同风速运行工况，分别在9m/s和10m/s的风速下，对一台DFIG风力发电系统(额定功率为1.5MW，定子额定电压频率为575V/60Hz，最优叶尖速比λopt为7，电流控制环时间常数τi为2ms)进行了速度指令阶跃测试。初始阶段风力发电系统处于稳定工作状态。t＝2s时，系统的参考速度Δωe,ref降低20rad/s。为了对比分析，根据图2在Matlab/Simulink软件建立了风力发电系统详细电磁暂态仿真模型(以下简称非线性模型)，并进行了相同的速度阶跃测试。
4.1.1、9m/s风速下的阶跃测试
图12给出了9m/s风速下，速度控制器参数K＝0.4，传递函数模型与非线性模型的电机电角速度对比结果。其中，实线为传递函数模型的仿真结果，虚线为非线性模型的仿真结果。系统初始运行在稳定状态，发电机转速和转速参考值均为9m/s风速下的理论最佳转速386rad/s。在t＝2s时刻，发电机转速参考值调整为366rad/s。从图12可以看出，传递函数模型的计算结果与非线性模型的仿真结果非常接近。传递函数模型可准确反映发电机转速的动态调节过程。
4.1.2、10m/s风速下的阶跃测试
图13为10m/s风速下，速度控制器参数K＝1，传递函数模型与非线性模型的对比结果。发电机初始转速为429rad/s(风速为10m/s时的最佳转速)。t＝2s时，发电机转速参考值降低30rad/s。由图13可见，传递函数模型与非线性模型的仿真结果无明显差别。进一步验证了本发明构建的传递函数模型的准确性。
4.2、变风速工况测试
接下来在变风速工况下对不同模型的仿真结果进行了对比分析。风速曲线如图14所示。风速的平均值为9m/s。风速曲线根据IEC标准的von Karman频谱获得，其扰动强度为0.12。当在图11的速度指令Δωe,ref前方补充基于最优叶尖速比的速度指令计算环节，可以应用于变风速仿真。图15为平均风速为9m/s的变风速下的传递函数模型与非线性模型仿真结果。从图中可以看出，两种模型的仿真结果高度吻合。
4.3、控制器参数K设置校验
为验证式(71)所示控制器的有效性，本发明根据不同的闭环时间常数τcl和式(74)定量设置控制参数K。本次测试共选择了3组不同的闭环系统时间常数τcl，如表1第一栏所示。当闭环时间常数τcl确定后，可根据式(74)计算出相应的控制器参数K，如表1第二栏所示。
表1不同闭环时间常数τcl对应控制器参数K
Figure BDA0003134479600000241
图16给出了3组不同控制器参数K的采用非线性系统得到的动态响应曲线。从图中可以看出，控制器参数K越大，系统响应速度越快。但与此同时传动轴承受的压力也越大。由于传动轴柔性参数的存在，速度响应中包括了扭转分量，K取值越大，扭转分量产生的扰动幅值越大。
图17、图18、图19分别展示了3组不同的控制器参数下，τcl时刻速度下降的幅度。当K＝0.2时，t＝τcl时刻速度下降的幅度为63.5％。当K＝0.4时，t＝τcl时刻速度下降的幅度为63％。当K＝0.83时，t＝τcl时刻速度下降的幅度为64.5％。这些数值都非常接近理想数值63.2％。验证了本实施例所提供的控制器参数设置方法的有效性。
本实施例的有益效果在于：
传统的控制器参数整定的方法一般是在风力发电系统电磁暂态模型中进行反复调试，每次仿真耗时较长，控制器参数整定的精细化程度不高。本实施例将在传统风力发电系统电磁暂态模型的基础上，利用小信号分析法建立了双馈风力发电系统的传递函数模型。传递函数模型一方面有助于深入地了解系统参数对系统动态行为的影响，另一方面可用于指导转子侧变流器控制器设计与参数整定。
下面对本发明提供的双馈风力发电系统控制参数设置装置进行描述，下文描述的双馈风力发电系统控制参数设置装置与上文描述的双馈风力发电系统控制参数设置方法可相互对应参照。
本发明实施例还提供一种双馈风力发电系统控制参数设置系统，包括闭环传递函数建立模块、零极点计算模块、速度控制器构建模块以及参数设置模块；
所述闭环传递函数建立模块能够建立双馈风力发电系统闭环传递函数；
所述零极点计算模块能够将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；
所述速度控制器构建模块能够基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；
所述参数设置模块能够根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数；
所述双馈风力发电系统闭环传递函数是以电机速度指令或者电机电磁转矩指令为输入量、以实际电机速度为输出量、以风速为扰动量、基于实际电机速度与电机速度指令的差值反馈控制的闭环传递函数；
所述非扰动项的关系函数是指实际电机速度相对于电机速度指令的关系函数，或者实际电机速度相对于实际电机电磁转矩的关系函数。
本实施例的有益效果在于：
通过建立双馈风力发电系统闭环传递函数，提高风力发电系统的仿真效率，并在高仿真效率的闭环传递函数基础上，利用零极点匹配法消去中间参量，进行控制器参数整定，能够有效提升控制器参数整定的精细化程度，在提高精度的基础上，避免了现有技术中试凑方法耗时过久的问题。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行双馈风力发电系统控制参数设置方法，该方法包括：建立双馈风力发电系统闭环传递函数；将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的双馈风力发电系统控制参数设置方法，该方法包括：建立双馈风力发电系统闭环传递函数；将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的双馈风力发电系统控制参数设置方法，该方法包括：建立双馈风力发电系统闭环传递函数；将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁盘、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种双馈风力发电系统控制参数设置方法，其特征在于，包括：
建立双馈风力发电系统闭环传递函数；
将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；
基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；
根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数；
所述双馈风力发电系统闭环传递函数是以电机速度指令或者电机电磁转矩指令为输入量、以实际电机速度为输出量、以风速为扰动量、基于实际电机速度与电机速度指令的差值反馈控制的闭环传递函数；
所述非扰动项的关系函数是指实际电机速度相对于电机速度指令的关系函数，或者实际电机速度相对于实际电机电磁转矩的关系函数。
2.根据权利要求1所述的双馈风力发电系统控制参数设置方法，其特征在于，所述建立双馈风力发电系统闭环传递函数的步骤包括：
根据风速计算得到电机速度指令；
根据电机速度指令和实际电机速度的差值，计算得到电机电磁转矩指令；
根据电机电磁转矩指令计算得到d轴转子电流指令和q轴转子电流指令；
根据第一差值和第二差值反馈控制，得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流；所述第一差值是指d轴转子电流指令和上一时刻实际d轴转子电流的差值；所述第二差值是指q轴转子电流指令和上一时刻实际q轴转子电流的差值；
根据实际d轴转子电流和/或实际q轴转子电流，计算得到实际电机电磁转矩；
根据风机转矩曲线计算得到风机机械转矩；所述风机转矩曲线是指风机转矩系数相对于叶尖速比的函数曲线；
根据风机机械转矩和实际电机电磁转矩计算得到实际电机速度，反馈控制形成双馈风力发电系统闭环传递函数。
3.根据权利要求2所述的双馈风力发电系统控制参数设置方法，其特征在于，所述根据第一差值和第二差值反馈控制，得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流的步骤包括：
将第一差值和第二差值输入电流控制器，得到电流控制器控制变量；所述电流控制器控制变量与q轴转子电压和d轴转子电压相关；
根据电流控制器控制变量、电压源型变流器调制信号以及直流电压，计算得到q轴转子电压和d轴转子电压；
建立双馈电机转子电压方程，并在忽略初始状态的前提下，对转子电压方程进行拉普拉斯变换，得到d轴转子电流方程和q轴转子电流方程；
根据q轴转子电压、d轴转子电压、d轴转子电流方程以及q轴转子电流方程，计算得到实际d轴转子电流和实际q轴转子电流。
4.根据权利要求2所述的双馈风力发电系统控制参数设置方法，其特征在于，所述根据风机转矩曲线计算得到风机机械转矩的步骤包括：
在设定的功率区间或者设定的叶尖速比区间内，利用二项式拟合对风机转矩曲线进行线性化，得到线性转矩函数；
将线性转矩函数代入风机输出机械转矩函数，通过小信号分析线性化后，得到风机机械转矩。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的双馈风力发电系统控制参数设置方法，其特征在于，所述将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点的步骤包括：
将风速视为扰动量，消去双馈风力发电系统闭环传递函数的中间参量，将实际电机速度表示为扰动项与非扰动项的和；所述扰动项为风速对实际电机速度影响的项；所述非扰动项为实际电机电磁转矩对实际电机速度影响的项；
忽略发电机转子阻尼系数的影响后，近似等效特征传递函数；
基于近似等效后的特征传递函数，根据风机参数，计算特征传递函数的零极点。
6.根据权利要求5所述的双馈风力发电系统控制参数设置方法，其特征在于，所述根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数的步骤包括：
将特征传递函数整理为扭转分量和非扭转分量的乘积；
在忽略特征传递函数的扭转分量的基础上，简化双馈风力发电系统闭环传递函数，得到双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数与双馈风力发电系统控制参数间的关系，记为控制参数函数；
确定双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数后，根据控制参数函数计算得到双馈风力发电系统控制参数。
7.根据权利要求6所述的双馈风力发电系统控制参数设置方法，其特征在于，所述控制参数函数为：
Figure FDA0003134479590000031
式中，τcl为双馈风力发电系统闭环传递函数时间常数；K为双馈风力发电系统控制参数。
8.一种双馈风力发电系统控制参数设置系统，其特征在于，包括闭环传递函数建立模块、零极点计算模块、速度控制器构建模块以及参数设置模块；
所述闭环传递函数建立模块能够建立双馈风力发电系统闭环传递函数；
所述零极点计算模块能够将双馈风力发电系统闭环传递函数中，非扰动项的关系函数记为特征传递函数，并根据风机参数，计算特征传递函数的零极点；
所述速度控制器构建模块能够基于零极点匹配法，根据特征传递函数的零极点，构建待整定参数的速度控制器函数；
所述参数设置模块能够根据双馈风力发电系统闭环传递函数，整定速度控制器函数的参数，得到双馈风力发电系统控制参数；
所述双馈风力发电系统闭环传递函数是以电机速度指令或者电机电磁转矩指令为输入量、以实际电机速度为输出量、以风速为扰动量、基于实际电机速度与电机速度指令的差值反馈控制的闭环传递函数；
所述非扰动项的关系函数是指实际电机速度相对于电机速度指令的关系函数，或者实际电机速度相对于实际电机电磁转矩的关系函数。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述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实现如权利要求1至7任一项所述双馈风力发电系统控制参数设置方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述双馈风力发电系统控制参数设置方法的步骤。
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