一种风力发电机组控制器参数辨识与整定方法

摘要

本发明公开了属于风力发电机组控制技术领域的一种风力发电机组控制器参数辨识与整定方法。该方法利用Bladed软件模型线性化结合模型降阶算法建立了适用于参数整定的机组线性化模型，然后根据风场风速分布概率进行控制器PI参数最优整定与综合计算，并基于Bladed软件参数辨识结果计算了最优转速-转矩控制的增益系数和自适应变桨距控制中的增益因子；本发明根据机组设备参数建立的Bladed仿真模型进行最大风能利用系数、最佳叶尖速比和最优桨距角等相关参数的辨识，对实现机组最大风能捕获控制提供了重要的先决条件；实现了自适应变桨距控制，增强了普通PI变桨控制器的鲁棒性。为控制器设计与优化提供指导，具有很强的实用与参考价值。

主权项

一种风力发电机组控制器参数辨识与整定方法，其特征在于，针对风力发电机组控制器参数在设计和优化过程中不易计算与整定的问题，利用Bladed软件模型线性化结合模型降阶算法建立了适用于参数整定的机组线性化模型，然后结合风场风速分布概率进行了控制器PI参数最优整定与综合计算，并基于Bladed软件参数辨识结果计算了转矩控制的最优增益系数及自适应桨距控制的增益因子等参数；所述风力发电机组控制器参数辨识与整定方法具体步骤如下：步骤1：基于Bladed的风电机组模型线性化根据机组设备参数由Bladed建立风电机组模型，使用Bladed软件模型线性化进行模型计算，然后通过Matlab软件对计算结果进行转换处理，得到各风速点用于桨距控制器PI参数整定的桨距‑转速传递函数模型和用于转矩控制器PI参数整定的转矩‑转速传递函数模型；步骤2：线性化模型降阶处理对转矩‑转速模型和桨距‑转速模型采用最小二乘拟合法降阶为一阶惯性时延环节模型；步骤3：转矩控制器PI参数整定1)利用Bladed软件辨识机组转速稳定在临界值ω_s＝(S1+S4)/2时的风速v_s，其中，S1为机组最小转速，S4为机组最大转速；2)根据风场风速分布概率密度按照下式计算切入风速区间[v_in,v_s]的风速概率P_in与额定风速区间[v_s,v_e]的风速概率P_e：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{in}}={\int }_{v_{\mathrm{in}}}^{v_s}f\left(v\right)\mathrm{dv}\\ P_e={\int }_{v_s}^{v_e}f\left(v\right)\mathrm{dv}\end{array}\right.$其中，v_in为切入风速,v_e为额定风速，f(v)为风速分布概率密度函数；3)根据切入风速点模型和额定风速点模型分别进行最优PI参数整定，得到PI参数[Kp_in,Ti_in]和[Kp_e,Ti_e]；4)对[Kp_in,Ti_in]和[Kp_e,Ti_e]按照下式进行综合计算，得到转矩控制器的最终PI参数[Kp_Q,Ti_Q]：$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Kp}}_Q={\mathrm{Kp}}_{\mathrm{in}}·w_1+{\mathrm{Kp}}_e·w_2\\ {\mathrm{Ti}}_Q={\mathrm{Ti}}_{\mathrm{in}}·w_1+{\mathrm{Ti}}_e·w_2\\ w_1=\frac{P_{\mathrm{in}}}{{\int }_{v_{\mathrm{in}}}^{v_e}f\left(v\right)\mathrm{dv}}\\ w_2=\frac{P_e}{{\int }_{v_{\mathrm{in}}}^{v_e}f\left(v\right)\mathrm{dv}}\end{array}\right.$其中，w₁、w₂为计算权值；步骤4：桨距控制器PI参数整定1)将[v_e,v_out]的风速范围分成m个风速区间：[v_e,v₁],[v₁,v₂],[v₂,v₃],…[v_m‑1,v_out]，其中，v_out为切出风速；2)根据风速分布概率密度曲线，计算每个区间的风速概率P_i：$P_i={\int }_{v_{i-1}}^{v_i}f\left(v\right)\mathrm{dv}$其中，f(v)为风速分布概率密度函数；3)基于每个风速区间中点的桨距‑转速模型，进行最优整定得到一组PI参数[Kp_i,Ti_i]；4)将整定得到的各PI参数[Kp_i,Ti_i]按照下式进行综合计算，即可得到桨距控制器最终PI参数[Kp_β,Ti_β]：$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Kp}}_{\beta }=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\mathrm{Kp}}_i·w_i\\ {\mathrm{Ti}}_{\beta }=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\mathrm{Ti}}_i·w_i\\ w_i=\frac{P_i}{{\int }_{v_e}^{v_{\mathrm{out}}}f\left(v\right)\mathrm{dv}}\end{array}\right.$其中，w_i为计算权值；步骤5：判定系统内部稳定性对由步骤3和步骤4整定得到的闭环转矩和桨距PI控制系统进行内部稳定性判定；步骤6：最优转速‑转矩控制器参数辨识与计算利用Bladed分别辨识最优桨距角、最大风能利用系数和最佳叶尖速比，然后利用辨识参数计算最优增益系数；步骤7：自适应变桨控制参数设置1)利用Bladed软件辨识出额定风速以上各个风速区间中点的桨距角稳态值β_i；2)将步骤4整定的PI参数及桨距角辨识结果制成如表3所示的自适应变桨控制参数表格；表3  自适应变桨距控制PI参数表3)计算增益因子补入表3中，根据表中增益因子随桨距角变化实现自适应变桨控制。