一種用于風電偏航系統的角度PI控制器整定方法與流程

本發明涉及用于風電偏航系統的角度PI控制器整定方法。

背景技術：

風電機組中，偏航系統是其重要組成部分。葉輪需要迎向風吹來的方向以獲得最佳風能，而改變葉輪及航倉方向，正是通過偏航系統實現的。

偏航系統控制的好壞，將影響著風能利用效率和偏航動作的可靠性。偏航控制系統的性能，主要體現在靜態和動態兩個方面。靜態上，要求提高對風精度，動態上，要求能夠及時跟蹤風向的變化。前者的難題是如何克服風向儀檢測不準的影響，這也是目前偏航系統研究比較集中的部分，往往通過搜索的方法提高精度。后者主要體現在風向快速變化的場合，要求提高系統動態性能，但單純提高系統動態性能，往往會影響系統的穩定性，使得系統振蕩，造成載荷變化，支架顫動。為了使得系統工作穩定，控制器的調整過程較慢，而且往往根據現場試驗進行各種控制參數的設置。這種方式成本低，技術難度小，已經獲得了較多的實際應用，但在風向變化頻繁的場合效率較低，偏航裝置調整不及時，將浪費風力，增加損耗。

實際工程中，偏航控制系統調整過程主要通過PLC進行簡單的PI控制實現，包括外環角度PI控制和內環轉速PI控制，其中外環角度PI控制器對系統角度跟蹤性能影響較大，因此本發明只研究外環角度PI控制器參數整定方法。PI控制器參數整定時往往由現場調試人員根據現場實際運行情況和調試人員的經驗進行設置。為了提高穩定性，往往參數選取的較為保守，偏航系統的動態性能較差，不利于風向快速變化場合。此外，風電機組長時間工作，其傳動軸參數具有時變性，工作一段時間后，原來的控制參數可能不合適，需要進行不斷維護，增加了后期費用。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是實現偏航系統角度PI控制器的在線整定，通過在線辨識的方法，獲得偏航轉速控制系統的自回歸模型，利用該模型，研究不同控制參數下，偏航角度與目標值的差異，以差異的平方和最小為優化條件，搜索最優PI控制器參數。本發明所需參數均為風電機組常規監測參數，無需安裝新的傳感器，僅需增加相應軟件即可。

本發明原理分為兩部分：偏航轉速控制系統線性回歸模型在線辨識，基于最小平方和優化函數的PI控制器整定方法。

(1)偏航轉速控制系統線性回歸模型的在線辨識

偏航控制系統的結構圖如圖1所示。其中θ*為機艙角度指令，一般通過風向儀檢測加上一些補償算法給出。θ為機艙實際檢測角度。指令角度和實際角度之差通過角度PI控制器，得到偏航系統的轉速指令ω*。ω*減去偏航機構實際反饋轉速ω，二者之差送入轉速PIS控制器，得到轉矩指令T*，轉矩指令通過驅動機構，作用到傳動機構。由于驅動機構產生轉矩的響應速度很快，此過程近似用一低通濾波器實現，即K₃/(1+T₀s)。最終得到的轉矩T作用于負載傳動系統，J_m為其轉動慣量，D為其摩擦阻尼。

實際風電偏航控制系統中，角度控制器PI和轉速控制器PIS是由風電設備集成商開發的，而產生轉矩的裝置，如伺服驅動器，則通常由第三方提供，其等效模型一般無法直接得到。同時，一般J_m和D也是未知的，且具有時變特性，運行一段時間后參數可能發生偏移。因此，框圖中B部分結構是未知的，給PI控制器的設計帶來困難，如果能夠辨識該模型，則可對PI控制器進行優化設計。

為了不增加傳感器，這里不選擇偏航系統轉矩信息作為觀測量，而采用偏航轉速，即以ω*為輸入量，ω為輸出量，對包含轉速控制系統的模型F進行辨識。在辨識出F后，可對偏航角度控制器PI進行整定。由于偏航角度θ的控制是外環，它決定了整個偏航系統的主要性能，因此僅對其整定是可行的。

偏航系統中F部分模型辨識方法為：

1)建立帶控制量的線性回歸模型。

對于單輸入單輸出系統(SISO)，輸出y與輸入u之間的關系可用線性回歸模型表述為

y(k)＝a₁y(k-1)+a₂y(k-2)+…+a_nay(k-n_a)+b₁u(k-1)+b₂u(k-2)+…+b_nby(k-n_b)

(1)

對于偏航系統，輸出量y即為ω，輸入量u即為ω*。k,k-1,k-2,…,代表各采樣時刻。如果能夠辨識a＝(a₁，a₂，…，a_na)，b＝(b₁，b₂，…，b_nb)參數，即可辨識模型F。

2)參數辨識

線性回歸模型的辨識方法較多，這里采用利于計算機在線實現的最小二乘遞推辨識算法。對于式(1)，寫成矩陣形式為

其中，是數據向量，λ是模型參數向量，即

λ＝[a₁,...,a_na,b₁,...,b_nb]^T

則遞推最小二乘法迭代步驟為：

最終可得到是模型參數向量λ，即式(1)中a，b各參數的值，這樣圖1中的F部分模型已辨識得到。

(2)基于最小平方和優化函數的PI控制器整定方法

辨識得到模型F后，即可對控制器PI的參數進行整定。這里采用的整定方法是誤差的最小平方和優化函數方法。由于已經辨識出模型F的結構，可用辨識模型近似替代實際模型對控制器進行優化。對于整個控制系統而言，優化后的控制器會使得偏航系統的角度與指令角度誤差最小，即

f＝∫e²dt (4)

其中，e＝θ*-θ。在相同輸入角度激勵下，如果PI控制器參數不同，得到的輸出響應也不同，通過遍歷搜索的辦法，能夠找到滿足使式(4)最小的的參數。為了加快搜索過程，這里采用信賴域尋優算法。

假設要設計的控制器參數為x＝[Kp Ki]，尋優范圍為LB≤x≤UB，LB和UB值根據實際情況人為設定。參數x通過不斷迭代實現，

x^k+1＝x^k+d^k (5)

d^k應小于當前信賴域半徑。由于難以直接從式(4)獲得二者關系，考慮用其二次逼近模型q(d)近似代替f，

如果沿著d^k方向q^k的值減小，則按(5)更新參數，同時保留信賴域，否則，不更新參數，信賴域縮小。

這樣，通過不斷迭代更新，x可收斂，此時式(4)的值具有局部最小值。選取多個初始點，得到對應收斂后的參數，最終選取使(4)最小的參數。

發明效果：

偏航系統中需要一種能夠自動在線整定角度PI控制器參數的偏航系統控制方法，它能夠自動獲取機組的運行特征，以此優化控制器參數，提高對角位移指令的響應速度和精度。本發明通過對偏航傳動系統的線性回歸模型的在線辨識，獲取機組運行特征，即其傳遞函數，然后通過尋優算法，得到控制誤差最小的PI控制器參數，并實時更新控制器參數，提高風電機組的智能化水平。經本發明方法整定后，PI控制器具有更良好的靜動態特性。

本發明要解決的技術問題是實現偏航系統PI控制器的在線整定，通過在線辨識的方法，獲得偏航轉速控制系統的自回歸模型，以其自回歸模型為參考，研究不同輸入下，系統輸出與目標值的差異，以差異的平方和最小為優化條件，搜索最優PI控制器參數。本發明所需參數均為風電機組常規監測參數，無需安裝新的傳感器，僅需增加相應軟件即可。

附圖說明

圖1為偏航系統控制結構圖；

圖2為本發明的偏航系統線性回歸模型辨識圖；

圖3為本發明的基于信賴域的PI參數尋優方法圖；

圖4為線性回歸模型轉速模擬結果與實際轉速的比較圖；

圖5為整定前后角位移控制效果比較圖。

具體實施方式

結合附圖和實施例，對本發明方法的原理、實現及效果作詳細闡述。本發明提出的基于系統線性回歸模型辨識的PI控制器整定方法。

首先，通過辨識，得到偏航系統的自回歸模型。需要注意的是模型階次，即確定式(1)中na和nb值得大小。考慮如圖1所示偏航系統，轉速控制系統(F)的傳遞函數為，

因此模型階次為3，即取na＝nb＝3對系統進行辨識。具體實施時，以間隔采樣周期Ts，獲取角位移閉環輸出值，即參考角速度ω*，并通過轉速觀測器得到偏航系統的實際角速度ω，以ω*為輸入量，ω為輸出量，通過式(3)進行迭代操作，最終獲取式(1)中的a，b參數，即得到辨識模型。該過程如圖2所示。

其次，根據辨識模型，建立完整的如結構圖1所示的偏航系統模型。模擬角位移指令θ^*，送入該模型，在不同角度控制器PI參數下，將得到不同輸出θ。按信賴域收斂算法，在當前PI參數x^k下，按式(5)改變參數值，對模型通過軟件編程進行仿真，并得到當前參數下由式(4)描述的誤差。根據誤差值，調整當前信賴域，最終當信賴域半徑足夠小時得到當前的最優點。該過程如圖3所示。

最后，根據搜索到的最佳PI參數，將其固化到控制設備如PLC中，實現參數的在線自動更新。

線性回歸模型識別效果如圖4所示，通過辨識模型得到的角速度曲線和實際角速度曲線非常接近。圖5反映了正定前后PI控制器角位移跟蹤控制的差異，經整定后，PI控制器具有更良好的靜動態特性。