一种用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法与流程

本发明涉及用于风电偏航系统的角度PI控制器整定方法。

背景技术：

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，因此本发明只研究外环角度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。

技术实现要素：

本发明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。本发明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。

本发明原理分为两部分：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，J_m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J_m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)+…+a_nay(k-n_a)+b₁u(k-1)+b₂u(k-2)+…+b_nby(k-n_b)

(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，…，a_na)，b＝(b₁，b₂，…，b_nb)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,...,a_na,b₁,...,b_nb]^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＝[Kp Ki]，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，

x^k+1＝x^k+d^k (5)

d^k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d^k方向q^k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。

发明效果：

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。本发明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。经本发明方法整定后，PI控制器具有更良好的静动态特性。

本发明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。本发明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为本发明的偏航系统线性回归模型辨识图；

图3为本发明的基于信赖域的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，对本发明方法的原理、实现及效果作详细阐述。本发明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，获取角位移闭环输出值，即参考角速度ω*，并通过转速观测器得到偏航系统的实际角速度ω，以ω*为输入量，ω为输出量，通过式(3)进行迭代操作，最终获取式(1)中的a，b参数，即得到辨识模型。该过程如图2所示。

其次，根据辨识模型，建立完整的如结构图1所示的偏航系统模型。模拟角位移指令θ^*，送入该模型，在不同角度控制器PI参数下，将得到不同输出θ。按信赖域收敛算法，在当前PI参数x^k下，按式(5)改变参数值，对模型通过软件编程进行仿真，并得到当前参数下由式(4)描述的误差。根据误差值，调整当前信赖域，最终当信赖域半径足够小时得到当前的最优点。该过程如图3所示。

最后，根据搜索到的最佳PI参数，将其固化到控制设备如PLC中，实现参数的在线自动更新。

线性回归模型识别效果如图4所示，通过辨识模型得到的角速度曲线和实际角速度曲线非常接近。图5反映了正定前后PI控制器角位移跟踪控制的差异，经整定后，PI控制器具有更良好的静动态特性。