一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法技术方案

一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法，本发明专利技术涉及风电偏航系统PI控制器整定方法。本发明专利技术根据转速指令和反馈转速，在线识别偏航系统转速调节模型，得到系统的传递函数。依据该模型，搭建仿真系统，采用控制误差的最小平方优化函数整定方法，结合信赖域迭代算法，搜索使控制误差最小的PI参数，从而完成偏航控制系统PI控制器参数的整定。该方法特点为，该方法不需要知道偏航系统的准确模型，特别适用于时变参数系统；算法通过迭代递推得到，可在线实现对控制器参数的整定。该方法适用于多种类型的风电机组，得到的整定结果，用于PLC等系统对风电机组的偏航系统进行控制，实用性强。本发明专利技术应用于风电机组的偏航系统控制领域。

Angle PI controller tuning method for wind power yaw system

The invention relates to an angle PI controller setting method for a wind power yaw system. The invention relates to a tuning method of a PI controller for a wind power yaw system. The speed regulation model of the yaw system is identified on the basis of the rotation speed command and the feedback speed, and the transfer function of the system is obtained. On the basis of this model, the simulation system, the control error of the least square optimization tuning method based on trust region algorithm, search the minimum control error of PI parameters, thus completing the yaw control system of PI controller parameters. The method is characterized by that the method does not need to know the accurate model of the yaw system, and is especially suitable for time-varying parameter systems. The algorithm is implemented recursively and can be used to tune the parameters of the controller on-line. The method is applicable to many types of wind turbines, and the tuning result is applied to the yaw system of the wind turbines, such as PLC, etc., and the practicability is strong. The invention is applied to the yaw system control field of a wind turbine.

【技术实现步骤摘要】
一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法
本专利技术涉及用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法。
技术介绍
风电机组中，偏航系统是其重要组成部分。叶轮需要迎向风吹来的方向以获得最佳风能，而改变叶轮及航仓方向，正是通过偏航系统实现的。偏航系统控制的好坏，将影响着风能利用效率和偏航动作的可靠性。偏航控制系统的性能，主要体现在静态和动态两个方面。静态上，要求提高对风精度，动态上，要求能够及时跟踪风向的变化。前者的难题是如何克服风向仪检测不准的影响，这也是目前偏航系统研究比较集中的部分，往往通过搜索的方法提高精度。后者主要体现在风向快速变化的场合，要求提高系统动态性能，但单纯提高系统动态性能，往往会影响系统的稳定性，使得系统振荡，造成载荷变化，支架颤动。为了使得系统工作稳定，控制器的调整过程较慢，而且往往根据现场试验进行各种控制参数的设置。这种方式成本低，技术难度小，已经获得了较多的实际应用，但在风向变化频繁的场合效率较低，偏航装置调整不及时，将浪费风力，增加损耗。实际工程中，偏航控制系统调整过程主要通过PLC进行简单的PI控制实现，包括外环角度PI控制和内环转速PI控制，其中外环角度PI控制器对系统角度跟踪性能影响较大，因此本专利技术只研究外环角度PI控制器参数整定方法。PI控制器参数整定时往往由现场调试人员根据现场实际运行情况和调试人员的经验进行设置。为了提高稳定性，往往参数选取的较为保守，偏航系统的动态性能较差，不利于风向快速变化场合。此外，风电机组长时间工作，其传动轴参数具有时变性，工作一段时间后，原来的控制参数可能不合适，需要进行不断维护，增加了后期费用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是实现偏航系统角度PI控制器的在线整定，通过在线辨识的方法，获得偏航转速控制系统的自回归模型，利用该模型，研究不同控制参数下，偏航角度与目标值的差异，以差异的平方和最小为优化条件，搜索最优PI控制器参数。本专利技术所需参数均为风电机组常规监测参数，无需安装新的传感器，仅需增加相应软件即可。本专利技术原理分为两部分：偏航转速控制系统线性回归模型在线辨识，基于最小平方和优化函数的PI控制器整定方法。(1)偏航转速控制系统线性回归模型的在线辨识偏航控制系统的结构图如图1所示。其中θ*为机舱角度指令，一般通过风向仪检测加上一些补偿算法给出。θ为机舱实际检测角度。指令角度和实际角度之差通过角度PI控制器，得到偏航系统的转速指令ω*。ω*减去偏航机构实际反馈转速ω，二者之差送入转速PIS控制器，得到转矩指令T*，转矩指令通过驱动机构，作用到传动机构。由于驱动机构产生转矩的响应速度很快，此过程近似用一低通滤波器实现，即K3/(1+T0s)。最终得到的转矩T作用于负载传动系统，Jm为其转动惯量，D为其摩擦阻尼。实际风电偏航控制系统中，角度控制器PI和转速控制器PIS是由风电设备集成商开发的，而产生转矩的装置，如伺服驱动器，则通常由第三方提供，其等效模型一般无法直接得到。同时，一般Jm和D也是未知的，且具有时变特性，运行一段时间后参数可能发生偏移。因此，框图中B部分结构是未知的，给PI控制器的设计带来困难，如果能够辨识该模型，则可对PI控制器进行优化设计。为了不增加传感器，这里不选择偏航系统转矩信息作为观测量，而采用偏航转速，即以ω*为输入量，ω为输出量，对包含转速控制系统的模型F进行辨识。在辨识出F后，可对偏航角度控制器PI进行整定。由于偏航角度θ的控制是外环，它决定了整个偏航系统的主要性能，因此仅对其整定是可行的。偏航系统中F部分模型辨识方法为：1)建立带控制量的线性回归模型。对于单输入单输出系统(SISO)，输出y与输入u之间的关系可用线性回归模型表述为y(k)＝a1y(k-1)+a2y(k-2)+…+anay(k-na)+b1u(k-1)+b2u(k-2)+…+bnby(k-nb)(1)对于偏航系统，输出量y即为ω，输入量u即为ω*。k,k-1,k-2,…,代表各采样时刻。如果能够辨识a＝(a1，a2，…，ana)，b＝(b1，b2，…，bnb)参数，即可辨识模型F。2)参数辨识线性回归模型的辨识方法较多，这里采用利于计算机在线实现的最小二乘递推辨识算法。对于式(1)，写成矩阵形式为其中，是数据向量，λ是模型参数向量，即λ＝[a1,...,ana,b1,...,bnb]T则递推最小二乘法迭代步骤为：最终可得到是模型参数向量λ，即式(1)中a，b各参数的值，这样图1中的F部分模型已辨识得到。(2)基于最小平方和优化函数的PI控制器整定方法辨识得到模型F后，即可对控制器PI的参数进行整定。这里采用的整定方法是误差的最小平方和优化函数方法。由于已经辨识出模型F的结构，可用辨识模型近似替代实际模型对控制器进行优化。对于整个控制系统而言，优化后的控制器会使得偏航系统的角度与指令角度误差最小，即f＝∫e2dt(4)其中，e＝θ*-θ。在相同输入角度激励下，如果PI控制器参数不同，得到的输出响应也不同，通过遍历搜索的办法，能够找到满足使式(4)最小的的参数。为了加快搜索过程，这里采用信赖域寻优算法。假设要设计的控制器参数为x＝[KpKi]，寻优范围为LB≤x≤UB，LB和UB值根据实际情况人为设定。参数x通过不断迭代实现，xk+1＝xk+dk(5)dk应小于当前信赖域半径。由于难以直接从式(4)获得二者关系，考虑用其二次逼近模型q(d)近似代替f，如果沿着dk方向qk的值减小，则按(5)更新参数，同时保留信赖域，否则，不更新参数，信赖域缩小。这样，通过不断迭代更新，x可收敛，此时式(4)的值具有局部最小值。选取多个初始点，得到对应收敛后的参数，最终选取使(4)最小的参数。专利技术效果：偏航系统中需要一种能够自动在线整定角度PI控制器参数的偏航系统控制方法，它能够自动获取机组的运行特征，以此优化控制器参数，提高对角位移指令的响应速度和精度。本专利技术通过对偏航传动系统的线性回归模型的在线辨识，获取机组运行特征，即其传递函数，然后通过寻优算法，得到控制误差最小的PI控制器参数，并实时更新控制器参数，提高风电机组的智能化水平。经本专利技术方法整定后，PI控制器具有更良好的静动态特性。本专利技术要解决的技术问题是实现偏航系统PI控制器的在线整定，通过在线辨识的方法，获得偏航转速控制系统的自回归模型，以其自回归模型为参考，研究不同输入下，系统输出与目标值的差异，以差异的平方和最小为优化条件，搜索最优PI控制器参数。本专利技术所需参数均为风电机组常规监测参数，无需安装新的传感器，仅需增加相应软件即可。附图说明图1为偏航系统控制结构图；图2为本专利技术的偏航系统线性回归模型辨识图；图3为本专利技术的基于信赖域的PI参数寻优方法图；图4为线性回归模型转速模拟结果与实际转速的比较图；图5为整定前后角位移控制效果比较图。具体实施方式结合附图和实施例，对本专利技术方法的原理、实现及效果作详细阐述。本专利技术提出的基于系统线性回归模型辨识的PI控制器整定方法。首先，通过辨识，得到偏航系统的自回归模型。需要注意的是模型阶次，即确定式(1)中na和nb值得大小。考虑如图1所示偏航系统，转速控制系统(F)的传递函数为，因此模型阶次为3，即取na＝nb＝3对系统进行辨识。具体实施时，以间隔采样周期Ts本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法，其特征在于，所述风电偏航系统PI控制器整定方法包括以下步骤：步骤一：建立偏航转速控制系统的线性回归模型；步骤二：根据步骤一建立的线性回归模型，通过最小二乘递推迭代算法，获得线性回归模型参数，辨识偏航转速控制系统；步骤三：根据步骤二得到的辨识模型，采用最小平方和优化函数法，得到偏航角度控制误差最小的角度PI控制器参数，完成PI控制器的整定。

【技术特征摘要】
1.一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法，其特征在于，所述风电偏航系统PI控制器整定方法包括以下步骤：步骤一：建立偏航转速控制系统的线性回归模型；步骤二：根据步骤一建立的线性回归模型，通过最小二乘递推迭代算法，获得线性回归模型参数，辨识偏航转速控制系统；步骤三：根据步骤二得到的辨识模型，采用最小平方和优化函数法，得到偏航角度控制误差最小的角度PI控制器参数，完成PI控制器的整定。2.根据权利要求1所述的一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法，其特征在于，所述步骤一中建立偏航传动系统带控制量的线性回归模型的具体过程为：y(k)＝a1y(k-1)+a2y(k-2)+…+anay(k-na)+b1u(k-1)+b2u(k-2)+…+bnby(k-nb)(1)输出量y即为偏航系统实际角频率ω，输入量u即为其参考指令ω*；k,k-1,k-2,…,分别代表当前和过去时间的采样，a＝(a1，a2，…，ana)，b＝(b1，b2，…，bnb)为线性回归模型参数。3.根据权利要求1或2所述的一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法，其特征在于，所述步骤二中通过最小二乘递推迭代算法，辨识线性回归模型参数的具体过程为：采用利于计算机在线实现的最小二乘递推辨识算法，将公式(1)写成矩阵形式为：其中是数据向量，λ是模型参数向量；λ＝[a1,...,ana,b1,...,...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣峰，马昭胜，徐殿国，杨华，张学广，苏勋文，高亚春，于芃，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网山东省电力公司电力科学研究院，许继集团有限公司，哈尔滨工业大学，集美大学，
类型：发明
国别省市：北京,11