一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法
【专利摘要】本发明提出了一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。所述方法针对DFIG变流器的控制器，根据各个控制器之间的信号传递关系，以分步辨识的方法，分别在各控制器输入端所用的量测信号上施加扰动，以突出该控制器在该量测信号扰动下的作用，从而辨识该控制器的参数；对于存在级联的两个控制器，先对后一级控制器所用量测信号施加扰动，同时屏蔽前一级控制器所用量测信号的变化以实现前后两个控制器参数的解耦，从而可以在不改造控制器电路的情况下实现各个PI控制器参数的单独辨识；通过多轮迭代辨识的方法，消除了参数辨识精度的问题。
【专利说明】一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机控制【技术领域】，尤其是涉及一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。
【背景技术】
[0002]具有显著随机性和间歇性特点的风力发电已经成为一些电力系统的重要电源。对于这些电网，要制定出合理的规划建设方案和可靠的运行调控措施，就必须要有准确的风电模型来对电网进行仿真分析。现有仿真软件中的风力发电机(Wind Turbine Generator,WTG)模型及参数主要来自个别技术实力较强的WTG生产厂家。但是，实际电网中安装的WTG的品牌和型号众多，大多数厂家出于测试技术不足或知识产权保护等原因，没有提供准确的模型和参数。对于这部分机组的模型，可以通过参数辨识的方法获得。目前关于WTG机械和电气参数辨识的方法很多，但是关于WTG控制器参数辨识的方法极少。
[0003]双馈感应发电机(Doubly-fed Induction Generator, DFIG)的控制器包括桨距角控制器、变流器控制器、Crowbar投切控制器等。对于桨距角控制器、Crowbar投切控制器等，由于其结构较为简单、输入输出量的关系清晰，因此参数辨识并不困难。而对于变流器的控制器，典型模型中包含5个比列积分控制器(PI控制器)，且内外环PI控制器之间存在级联情况，常规的采用外部扰动的辨识方法会遇到参数可辨识性问题。如果能够在WTG生产厂家的配合下改造控制器电路，引出每个PI控制器的输入输出端，则可以逐个地对PI控制器的参数进行辨识，但是此方法只有在生产厂家给予配合的情况下才能实施，难以推广使用。
[0004]由于DFIG变流器的控制器模型是整个机组模型中的关键部分，因此准确辨识变流器控制器的参数对于提高DFIG机组模型以及DFIG风电场模型的精度都有决定性的作用。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出了一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0007]一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，所述双馈感应发电机中，发电机转子绕组依次通过转子侧变流器、直流侧电容、网侧变流器与电网相连，从而实现交流励磁；所述转子侧变流器由转子侧控制器控制，所述网侧变流器由网侧控制器控制；所述转子侧控制器包含转子侧有功功率控制器、转子侧无功功率控制器、转子侧电流控制器，所述网侧控制器包含网侧电容电压控制器、网侧电流控制器；上述5个控制器都是PI控制器，总共10个待辨识参数；所述参数辨识方法，其步骤如下:
[0008]步骤A，按分步辨识的步骤对控制器参数进行第I轮辨识；所述分步辨识的步骤，具体过程如下:[0009]步骤A-1，对转子电流量测信号施加扰动，且屏蔽机端电压量测变化，以DFIG无功功率响应为观测量，辨识转子侧电流控制器的参数；所述机端电压是DFIG定子电压；
[0010]步骤A-2，对机端电压量测信号施加扰动，以DFIG无功功率响应为观测量，并将步骤A-1中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧无功功率控制器的参数；
[0011]步骤A-3，对转子转速量测信号施加扰动，以DFIG有功功率响应为观测量，并将步骤A-1和步骤A-2中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧有功功率控制器的参数；
[0012]步骤A-4对网侧电流量测信号施加扰动，且屏蔽电容电压量测变化，以网侧变流器输出无功功率为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2和步骤A-3中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电流控制器的参数；
[0013]步骤A-5，对直流侧电容电压量测信号施加扰动，以直流侧电容电压为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2、步骤A-3和步骤A-4中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电容电压控制器的参数。
[0014]步骤B，以上一轮辨识得到的参数为基准，缩小下一轮辨识的参数搜索范围；并将上一轮辨识的结果作为寻优搜索位置代入下一轮辨识中；
[0015]步骤C，按分步辨识的步骤进行参数的下一轮辨识；
[0016]步骤D，如果前后两轮辨识得到的参数之差小于设定值，则结束辨识过程，否则回到步骤B继续辨识。
[0017]步骤B中，所述缩小下一轮辨识的参数搜索范围，具体描述如下:以上一轮辨识结果s为基准，本轮参数搜索区间为[s_s/2i，s+s/2i]，其中i为上一轮迭代的轮数。
[0018]步骤D中，所述设定值为上一轮辨识所得参数值的2%。
[0019]本发明的有益效果是:本发明提出了一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法。所述方法针对DFIG变流器的控制器，根据各个控制器之间的信号传递关系，以分步辨识的方法，分别在各控制器输入端所用的量测信号上施加扰动，以突出该控制器在该量测信号扰动下的作用，从而辨识该控制器的参数；对于存在级联的两个控制器，先对后一级控制器所用量测信号施加扰动，同时屏蔽前一级控制器所用量测信号的变化，从而实现前后两个控制器参数的解耦；通过多轮迭代辨识的方法，消除了参数辨识精度的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是DFIG风力发电机的结构示意图。
[0021]图2是DFIG变流器的转子侧控制器框图。
[0022]图3是DFIG变流器的电网侧控制器框图。
[0023]图4是仿真测试系统的结构图。
[0024]图5是对交流电流量测信号施加扰动的原理图。
[0025]图6是屏蔽量测信号变化的电路原理图。
[0026]图7是对交流电压量测信号施加扰动的原理图。
[0027]图8是对转速量测信号施加扰动的原理图。
[0028]图9是对直流电压量测信号施加扰动的原理图。[0029]图10是本发明提出的基于量测信号扰动的控制器参数分步、迭代辨识总体流程。【具体实施方式】
[0030]下面结合附图，对本发明提出的一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法进行详细说明:
[0031]如图1所示的DFIG风力发电机的结构示意图，图中所述Vwind代表风速，Tffl代表风力机输出的机械功率，β代表风力机叶片的桨距角，Tsh代表传动系统输出给DFIG转子的机械功率，《r代表DFIG转子转速，ir代表转子绕组中的电流，ir称为转子电流，Vr代表转子励磁电压，Vdc代表直流侧电容的电压，Vnc ref是人工设定的直流侧电容电压目标值，Vg和ig是网侧变流器的输出电压和电流，Vs和is代表DFIG定子的电压和电流，Vs称为机端电压，vs—是人工设定的机端电压目标值。图中所述椭圆形虚线代表测量位置，带箭头的虚线代表控制器的输入输出关系。图中所述DFIG机组转子绕组通过转子侧变流器、直流侧电容、网侧变流器与电网相连，从而实现交流励磁；所述转子侧变流器由转子侧控制器控制，所述网侧变流器由网侧控制器控制；所述转子侧控制器包含转子侧有功功率控制器、转子侧无功功率控制器、转子侧电流控制器，所述网侧控制器包含网侧电容电压控制器、网侧电流控制器。
[0032]上述5个控制器都是PI控制器，总共10个待辨识参数；考虑到各个PI控制器都以电压、或电流、或转速的量测值作为输入信号，并根据各个PI控制器之间的信号传递关系，在各PI控制器输入端所用的量测信号上施加扰动，就可以突出某个PI控制器在特定量测信号扰动下的作用，从而有利于重点辨识该PI控制器的参数，达到分步辨识的目的。对于参数辨识时使用的观测信号，应该选取被触发PI控制器的控制对象，从而可以使控制器参数的可观性最强。对于存在级联的两个PI控制器，先对后一级PI控制器所用量测信号施加扰动，同时屏蔽前一级PI控制器所用量测信号的变化，从而实现前后两个PI控制器参数的解耦。对于非辨识参数偏离真值影响待辨识参数辨识精度的问题，可以通过多轮迭代辨识的方法消除。
[0033]转子侧控制器的典型结构如图2所示。对于有功功率控制器，其输入端的Pref是有功功率控制参考值，其数值根据发电机转速查询预先设定的最大功率跟踪(MPPT)特性曲线获得；ps是DFIG定子输出有功功率的量测值，其数值根据Vs和is计算获得；P,ef与Ps的差值是有功功率控制器的输入量，输出量是转子电流控制目标值的q轴分量iid。对于无功功率控制器，其输入量是vs—与Vs的差值，输出量是转子电流控制目标值的d轴分量μ。对于转子侧电流控制器，其输入端的4和是实际转子电流L的d轴分量和q轴分量，其与对应控制目标值的差值是转子侧电流控制器的输入量，ids和iqs是定子电流is的d轴分量和q轴分量，Lrr是DFIG转子绕组的电感，Lm是DFIG励磁绕组的电感，ω s是同步转速(由Vs的频率计算获得)，转子侧电流控制器的最终输出量是转子电压 ' 的d轴分量和q轴分量Kpl和Kil分别为有功功率控制器的比例和积分系数，Kp2和Ki2分别为转子侧电流控制器的比例和积分系数，Kp3和Ki3分别为无功功率控制器的比例和积分系数，这6个是转子侧控制器中需要辨识的参数。
[0034]网侧控制器的典型结构如图3所示。对于电容电压控制器，其输入量是％。>和Vdc的差值，输出量是网侧变流器输出电流控制目标值的d轴分量idg—%。Iqg ref是网侧变流器输出电流控制目标值的q轴分量，通常设为O。对于网侧电流控制器，输入端的idg和iqg是实际网侧变流器输出电流ig的d轴分量和q轴分量，其与对应控制目标值的差值是网侧电流控制器的输入量，Xlg为变流器并网变压器的电抗，网侧电流控制器的最终输出量是网侧变流器电压Vg的d轴分量Vdg和q轴分量vqg。Kp4和Ki4分别为电容电压控制器的比例和积分系数，Kp5和Ki5分别为网侧电流控制器的比例和积分系数，这4个是网侧控制器中需要辨识的参数。
[0035]仿真系统如图4所示，即一台DFIG直接并网。该仿真系统搭建于Matlab2012b软件中，系统中所有兀件均取自Matlab自带的Wind Farm(DFIG Phasor Model)Demo,兀件参数均取默认值。
[0036]下面首先对如何设置量测信号的扰动进行说明。在说明中涉及到观测量的选择时用到了参数灵敏度这一指标。某一个控制器参数&对动态响应的灵敏度按如下步骤计算:(1)将kj的数值增大Δ Kj仿真得到观测量Y的变化轨迹y (k)；⑵将&的数值减少Δ Kj,仿真得到观测量Y的变化轨迹y, (k) ； (3)然后根据公式(1)计算Kj的轨迹灵敏度Sj。
[0037]
【权利要求】
1.一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，所述双馈感应发电机中，发电机转子绕组通过转子侧变流器、直流侧电容、网侧变流器与电网相连，从而实现交流励磁；所述转子侧变流器由转子侧控制器控制，所述网侧变流器由网侧控制器控制；所述转子侧控制器包含转子侧有功功率控制器、转子侧无功功率控制器、转子侧电流控制器，所述网侧控制器包含网侧电容电压控制器、网侧电流控制器；上述5个控制器都是PI控制器，总共10个待辨识参数；其特征在于，所述参数辨识方法，其步骤如下: 步骤A，按分步辨识的步骤对控制器参数进行第I轮辨识；所述分步辨识的步骤，具体过程如下: 步骤A-1，对转子电流量测信号施加扰动，且屏蔽机端电压量测变化，以DFIG无功功率响应为观测量，辨识转子侧电流控制器的参数； 步骤A-2，对机端电压量测信号施加扰动，以DFIG无功功率响应为观测量，并将步骤A-1中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧无功功率控制器的参数； 步骤A-3，对转子转速量测信号施加扰动，以DFIG有功功率响应为观测量，并将步骤A-1和步骤A-2中得到的控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识转子侧有功功率控制器的参数； 步骤A-4对网侧电流量测信号施加扰动，且屏蔽电容电压量测变化，以网侧变流器输出无功功率为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2和步骤A-3中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电流控制器的参数； 步骤A-5，对直流侧电容电压量测信号施加扰动，以直流侧电容电压为观测量，并将步骤A-1、步骤A-2、步骤A-3和步骤A-4中分别得到的各控制器参数作为已知量代入DFIG模型，辨识网侧电容电压控制器的参数； 步骤B，以上一轮辨识得到的参数为基准，缩小下一轮辨识的参数搜索范围；并将上一轮辨识的结果作为寻优搜索位置代入下一轮辨识中； 步骤C，按分步辨识的步骤进行参数的下一轮辨识； 步骤D，如果前后两轮辨识得到的参数之差小于设定值，则结束辨识过程，否则回到步骤B继续辨识。
2.根据权利要求1所述的一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，其特征在于，步骤B中，所述缩小下一轮辨识的参数搜索范围，具体描述如下:以上一轮辨识结果s为基准，本轮参数搜索区间为[s_s/2i，s+s/2i]，其中i为上一轮迭代的轮数。
3.根据权利要求1所述的一种双馈感应发电机控制器参数辨识方法，其特征在于，步骤D中，所述设定值为上一轮辨识所得参数值的2%。
【文档编号】H02P21/14GK103701389SQ201310681312
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】金宇清, 鞠平, 刘伟航, 潘学萍, 吴峰, 秦川 申请人:河海大学