CN112459964B - 一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法 - Google Patents

一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法，针对风力机采取桨距角调节方式实现限功率控制的过程中，由于积分饱和作用导致PI变桨控制器性能下降的现象，提出了一种抗积分饱和的自适应桨距角控制方法，在考虑变桨执行机构的惯性、速率限制特点的基础上，通过桨距角参考指令和实际指令的差值对PI控制器的积分时间常数进行自适应调整，实现风力机PI变桨控制器的抗积分饱和运行，有效避免了风速剧烈波动时控制器性能下降的问题。本发明提出了适用于风力机变桨***的抗积分饱和方法，改进了风速剧烈波动时风力机PI变桨控制器的控制性能，可以减弱风轮转速的波动程度，能够减小变桨机构的动作幅度，缓解变桨***的机械疲劳。

Description

一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制 方法
技术领域
本发明属于风力机控制领域，特别是一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法。
背景技术
积分饱和，是指执行器的执行能力受到物理限制，例如幅值限制或速率限制时，若PI控制器输出的参考指令超出了执行器的执行能力进入饱和状态，则由于积分项变化的缓慢性会导致参考指令在较长时间处于饱和状态而不能被执行器完全响应，进而使得控制器性能下降的现象。
目前可应用于风机变桨控制的抗饱和方法主要有两类，第一类是设计控制器时就考虑饱和约束，这类方法称为“一步法”，主要包括积分分离法、遇限削弱积分法以及变速积分法。这类方法的特点是原理直观，实现简单，但在控制器设计阶段就考虑饱和这一非线性约束，增加了设计难度，且这类方法对风力机变桨执行器结构参数等先验知识的依赖性较强。为解决这一问题，第二类抗饱和方法也被应用于风机变桨控制，这类方法称为“补偿法”，即先不考虑饱和约束进行线性控制器设计，然后设计***的抗饱和补偿控制器，这使得整个控制器设计更为简便，***的鲁棒性更好。然而，现有“补偿法”应用于风力机变桨时存在以下问题：
(1)对风机变桨机构的惯性考虑不足。补偿控制器的输入会受到执行机构惯性的影响，导致未发生饱和时也会产生补偿信号从而对主控制器的指令造成干扰；
(2)对风机变桨机构速率限制的特点考虑不足。风机变桨机构在上调和下调桨距角的过程中都存在幅值和速率限制，针对单一调节方向的“补偿法”不能起到较好的抗饱和效果；
(3)对风机变桨机构发生饱和时的饱和程度考虑不足。不同程度的饱和需要的补偿量也不同，固定的补偿系数难以适应随饱和程度变化的抗饱和需求。
基于上述情况，目前迫切需要对第二类抗饱和方法“补偿法”进行改进，需要消除风机变桨机构的惯性以及速率限制特点对抗饱和的影响，并给出有效可行的补偿系数取值规则使得补偿控制器表现出更好的抗饱和性能。但在现有技术中尚无相关描述。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法。
实现本发明目的技术解决方案为：一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法，包括以下步骤：
步骤1，利用最小二乘法对风力机变桨执行机构的惯性环节进行参数辨识，依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，从而消除变桨执行机构的惯性环节对补偿法抗积分饱和的影响；
步骤2，设置风力机PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′的初始值；
步骤3，根据实时运行数据，判断增加惯性环节后桨距角参考指令修正值βd′和对应的实际指令βr的差值Δβ是否为0，若是，执行步骤4；否则执行步骤5；
步骤4，令补偿系数ka＝0，即PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′保持为原积分时间常数ki不变，执行步骤8；
步骤5，判断桨距角参考指令修正值βd′和实际指令βr的差值Δβ的正负号，若Δβ＞0，则执行步骤6，否则执行步骤7；
步骤6，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≥0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤7，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≤0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤8，判断本次搜索之后风力机运行是否结束，若未结束，则返回步骤3继续运行；否则，结束运行。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明对风力机变桨执行机构惯性的考虑更为完善，避免了执行机构惯性对抗饱和性能的不利影响；2)本发明根据风机变桨机构的速率限制特点和不同饱和程度，给出了适用于风机的自适应参数取值规则，使得变桨控制器对不同的风况具有更好的适应性；3)本发明所用的数据都是方便测量的运行数据，而非风机内部的结构参数，增强了该控制策略对不同类型风机的适应性；4)本发明所用算法简单、有效，能够起到较好的转速调节效果，具有较强的可靠性和工程实用性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法的流程图。
图2为本发明实施例中对本发明有效性验证的仿真结果示意图，其中，
图2(a)为本发明的具体实施例中采用的湍流风速波形图；
图2(b)为原PI控制、改进前与改进后补偿法的电磁功率仿真对比图；
图2(c)为具体实施例中原PI控制、改进前与改进后补偿法的转速仿真对比图；
图2(d)为原PI控制、改进前与改进后补偿法的桨距角仿真对比图。
具体实施方式
本发明提供一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法，包括以下步骤：
步骤1，利用最小二乘法对风力机变桨执行机构的惯性环节进行参数辨识，依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，从而消除变桨执行机构的惯性环节对补偿法抗积分饱和的影响，具体包含以下步骤：
步骤1-1、获取所研究风力机的桨距角参考指令βd和实际指令βr的历史运行数据，计算实际指令βr中变化率和最大变桨速率βrated，进行用于参数辨识的有效数据筛选：即选定βr中变化率没有达到最大变桨速率βrated的时间序列，筛选出所选定时间序列对应的风机数据，用作惯性环节的参数辨识；
所述实际指令βr的变化率是将βr的变化量除以时间得到，最大变桨速率βrated为实际指令βr的变化率中的最大值。
步骤1-2、依据筛选出的风机数据，利用最小二乘法进行计算变桨机构惯性环节
Figure BDA0002764150960000041
的参数，式中，s为拉普拉斯算子，τ为惯性时间常数，K为惯性环节增益，计算得到惯性时间常数τ和惯性环节增益参数K；
步骤1-3、依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，得到用于抗积分饱和的桨距角参考指令修正值βd′，计算公式为：
Figure BDA0002764150960000042
步骤2，设置风力机PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′的初始值；
步骤3，根据实时运行数据，判断增加惯性环节后桨距角参考指令修正值βd′和对应的实际指令βr的差值Δβ是否为0，若是，执行步骤4；否则执行步骤5；
步骤4，令补偿系数ka＝0，即PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′保持为原积分时间常数ki不变，执行步骤8；
步骤5，判断桨距角参考指令修正值βd′和实际指令βr的差值Δβ的正负号，若Δβ＞0，则执行步骤6，否则执行步骤7；
步骤6，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≥0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′，具体搜索的公式为：
Figure BDA0002764150960000043
式中，k为发生饱和以后的采样次数，γ为调整系数，ka(k)为补偿系数ka的第k次取值，Δka(k)为补偿系数ka的第k次变化量，Δβ(k-1)为βd′-βr的第k-1次采样值，Δβav(k-1)为Δβ的平均值βav的第k-1次变化量，其计算公式为：
Figure BDA0002764150960000044
为实现抗积分饱和应保证ki′≤ki，即若Δβ＞0则需保证ka(k)≥0，在搜索过程中当ka(k)≤0时令ka(k)＝0。
步骤7，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≤0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′，具体搜索的公式为：
Figure BDA0002764150960000051
式中，k为发生饱和以后的采样次数，γ为调整系数，ka(k)为补偿系数ka的第k次取值，Δka(k)为补偿系数ka的第k次变化量，Δβ(k-1)为βd′-βr的第k-1次采样值，Δβav(k-1)为Δβ的平均值βav的第k-1次变化量，其计算公式为：
Figure BDA0002764150960000052
为实现抗饱和应保证ki′≤ki，即若Δβ＜0则需保证ka(k)≤0，在搜索过程当ka(k)≥0时令ka(k)＝0。
步骤8，判断本次搜索之后风力机运行是否结束，若未结束，则返回步骤3继续运行；否则，结束运行。
一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制***，包括：
参数辨识模块，用于对风力机变桨执行机构的惯性环节进行参数辨识，得到惯性环节
Figure BDA0002764150960000053
中的惯性时间常数τ和惯性环节增益K的值；
增加惯性模块：依据参数辨识结果为桨距角参考指令βd的采样过程增加相同的惯性环节，以便后续得到桨距角参考指令修正值βd′；
数据处理模块，通过计算桨距角参考指令修正值βd′和实际指令βr的差值Δβ是否为0，并依据结果的不同计算不同的补偿系数ka。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤1，利用最小二乘法对风力机变桨执行机构的惯性环节进行参数辨识，依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，从而消除变桨执行机构的惯性环节对补偿法抗积分饱和的影响；
步骤2，设置风力机PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′的初始值；
步骤3，根据实时运行数据，判断增加惯性环节后桨距角参考指令修正值βd′和对应的实际指令βr的差值Δβ是否为0，若是，执行步骤4；否则执行步骤5；
步骤4，令补偿系数ka＝0，即PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′保持为原积分时间常数ki不变，执行步骤8；
步骤5，判断桨距角参考指令修正值βd′和实际指令βr的差值Δβ的正负号，若Δβ＞0，则执行步骤6，否则执行步骤7；
步骤6，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≥0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤7，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≤0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤8，判断本次搜索之后风力机运行是否结束，若未结束，则返回步骤3继续运行；否则，结束运行。
一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
步骤1，利用最小二乘法对风力机变桨执行机构的惯性环节进行参数辨识，依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，从而消除变桨执行机构的惯性环节对补偿法抗积分饱和的影响；
步骤2，设置风力机PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′的初始值；
步骤3，根据实时运行数据，判断增加惯性环节后桨距角参考指令修正值βd′和对应的实际指令βr的差值Δβ是否为0，若是，执行步骤4；否则执行步骤5；
步骤4，令补偿系数ka＝0，即PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′保持为原积分时间常数ki不变，执行步骤8；
步骤5，判断桨距角参考指令修正值βd′和实际指令βr的差值Δβ的正负号，若Δβ＞0，则执行步骤6，否则执行步骤7；
步骤6，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≥0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤7，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≤0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤8，判断本次搜索之后风力机运行是否结束，若未结束，则返回步骤3继续运行；否则，结束运行。
本发明通过改进现有针对积分饱和问题的补偿法，有效抑制了风速剧烈波动时风力机PI变桨控制器性能下降的问题，可以减弱风轮转速的波动程度，同时能够减小变桨机构的动作幅度，缓解变桨***的机械疲劳。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例
本实施例对本发明提出的考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法进行验证，具体内容如下：
风力机模型采用美国国家能源部可再生能源实验室(National RenewableEnergy Laboratory，NREL)开发的1.5MW试验机型，具体参数见表1。
表1 NREL 1.5MW风力机基本参数
Figure BDA0002764150960000081
首先，利用TurbSim(NREL提供的开源湍流风速模拟软件)生成一条时长为300s、平均风速为12m/s的风速序列。湍流风速模型由Kaimal谱模型产生，湍流等级为A，积分尺度为150m。
然后，设置仿真时间为300s，仿真步长为0.04s，风力机电磁功率设置为0.6MW，PI参数设置为kp＝80，ki＝1.0，改进前补偿法的补偿系数设置为ka＝0.3，改进后补偿法的自适应调整系数设为y＝0.01。对不考虑风机惯性、补偿系数ka保持恒定的改进前补偿法，与考虑风机惯性、补偿系数ka根据风机运行状态自适应调整的改进后补偿法进行抗饱和效果的仿真实验对比。
为了量化评价本发明的应用效果，针对改进前后补偿法的抗饱和效果提出两种评价指标：
(1)平均转速偏差Δωav。用于衡量本发明的改进补偿法对风力机限功率运行时转速波动的抑制效果，计算方式如下所示：
Figure BDA0002764150960000082
其中N为仿真时长内所有采样点的数目，ωr(i)为第i个采样点的实际风轮转速，ωrated为额定风轮转速。
(2)变桨幅度βtotal。用于衡量本发明的改进补偿法对风力机限功率运行时变桨动作量的改进效果，计算方式如下所示，
Figure BDA0002764150960000091
其中，N为仿真时长内所有采样点的数目，βr(i)为第i个采样点的实际桨距角。
所提出的两种量化评价指标的仿真结果见表2。改进后，平均转速偏差Δωav由16.6769rpm降至12.3268rpm，变桨幅度βtotal由526.1139°降至452.4469°。由表中数据可得，两种补偿法都提升了原PI控制器的性能。相对于改进前的补偿法，改进后的补偿法在平均转速偏差Δωav和变桨幅度βtotal两个方面都有更加明显的性能提升。通过上述实例，验证了本发明所提改进补偿法的有效性和实用性。
表2原PI控制、改进前补偿法与改进后补偿法的控制性能对比
Figure BDA0002764150960000092
为直观地体现改进后补偿法的控制效果，利用图2(a)、图2(b)、图2(c)以及图2(d)对原PI控制以及改进前补偿法、改进后补偿法的仿真结果进行展示。图2(a)为仿真所用的湍流风速。图2(b)为原PI控制以及改进前补偿法、改进后补偿法的风力机实际电磁功率曲线，可以看出改进方法也可保证风力机实现恒功率输出。
图2(c)为风力机实际风轮转速曲线，图2(d)为风力机实际桨距角曲线。由图2(c)和图2(d)可以看出，当风速变化剧烈导致变桨控制器发生饱和时，相对于改进前补偿法，改进后补偿法风轮转速的超调量减小，转速波动程度减弱，桨距角变化更为平缓。
综上，本发明基于对风力机变桨控制器积分饱和特点的分析，通过消除风力机变桨机构惯性以及速率限制特点对抗积分饱和的影响，同时基于风力机变桨机理给定了补偿系数的自适应取值方法，实现了风力机PI变桨控制器较好的抗饱和效果，在抑制转速波动以及减小变桨动作量两个方面改进了控制器性能。

Claims (7)

1.一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用最小二乘法对风力机变桨执行机构的惯性环节进行参数辨识，依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，从而消除变桨执行机构的惯性环节对补偿法抗积分饱和的影响，具体为：
步骤1-1、获取所研究风力机的桨距角参考指令βd和实际指令βr的历史运行数据，计算实际指令βr中变化率和最大变桨速率βrated，进行用于参数辨识的有效数据筛选：即选定βr中变化率没有达到最大变桨速率βrated的时间序列，筛选出所选定时间序列对应的风机数据，用作惯性环节的参数辨识；
步骤1-2、依据筛选出的风机数据，利用最小二乘法进行计算变桨机构惯性环节
Figure FDA0003246271970000011
的参数，式中，s为拉普拉斯算子，τ为惯性时间常数，K为惯性环节增益，计算得到惯性时间常数τ和惯性环节增益参数K；
步骤1-3、依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，得到用于抗积分饱和的桨距角参考指令修正值βd′，计算公式为：
Figure FDA0003246271970000012
步骤2，设置风力机PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′的初始值；
步骤3，根据实时运行数据，判断增加惯性环节后桨距角参考指令修正值βd′和对应的实际指令βr的差值Δβ是否为0，若是，执行步骤4；否则执行步骤5；
步骤4，令补偿系数ka＝0，即PI变桨控制器的等效积分时间常数ki′保持为原积分时间常数ki不变，执行步骤8；
步骤5，判断桨距角参考指令修正值βd′和实际指令βr的差值Δβ的正负号，若Δβ＞0，则执行步骤6，否则执行步骤7；
步骤6，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≥0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤7，根据桨距角参考指令修正值βd′与实际指令βr之间的差值Δβ进行补偿系数ka的搜索过程，在搜索过程中保证ka≤0，同时相应改变风机运行时控制器的等效积分时间常数ki′；
步骤8，判断本次搜索之后风力机运行是否结束，若未结束，则返回步骤3继续运行；否则，结束运行。
2.根据权利要求1所述的考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法，其特征在于，步骤6中补偿系数ka的搜索过程计算公式为：
Figure FDA0003246271970000021
式中，k为发生饱和以后的采样次数，γ为调整系数，ka(k)为补偿系数ka的第k次取值，Δka(k)为补偿系数ka的第k次变化量，Δβ(k-1)为βd′-βr的第k-1次采样值，Δβav(k-1)为Δβ的平均值βav的第k-1次变化量，其计算公式为：
Figure FDA0003246271970000022
为实现抗积分饱和应保证ki′≤ki，即若Δβ＞0则需保证ka(k)≥0，在搜索过程中当ka(k)≤0时令ka(k)＝0。
3.根据权利要求1所述的考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法，其特征在于，所属步骤7中补偿系数ka的搜索过程计算公式为：
Figure FDA0003246271970000023
式中，k为发生饱和以后的采样次数，γ为调整系数，ka(k)为补偿系数ka的第k次取值，Δka(k)为补偿系数ka的第k次变化量，Δβ(k-1)为βd′-βr的第k-1次采样值，Δβav(k-1)为Δβ的平均值βav的第k-1次变化量，其计算公式为：
Figure FDA0003246271970000031
为实现抗饱和应保证ki′≤ki，即若Δβ＜0则需保证ka(k)≤0，在搜索过程当ka(k)≥0时令ka(k)＝0。
4.根据权利要求1所述的考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制方法，其特征在于，所述步骤1-1中的实际指令βr的变化率是将βr的变化量除以时间得到，最大变桨速率βrated为实际指令βr的变化率中的最大值。
5.一种考虑风力机变桨控制器积分饱和的自适应桨距角控制***，其特征在于，包括：
参数辨识模块，用于对风力机变桨执行机构的惯性环节进行参数辨识，得到惯性环节
Figure FDA0003246271970000032
中的惯性时间常数τ和惯性环节增益K的值，具体为：
获取所研究风力机的桨距角参考指令βd和实际指令βr的历史运行数据，计算实际指令βr中变化率和最大变桨速率βrated，进行用于参数辨识的有效数据筛选：即选定βr中变化率没有达到最大变桨速率βrated的时间序列，筛选出所选定时间序列对应的风机数据，用作惯性环节的参数辨识；
依据筛选出的风机数据，利用最小二乘法进行计算变桨机构惯性环节
Figure FDA0003246271970000033
的参数，式中，s为拉普拉斯算子，τ为惯性时间常数，K为惯性环节增益，计算得到惯性时间常数τ和惯性环节增益参数K；
依据参数辨识结果为桨距角参考指令的采样过程增加相同的惯性环节，得到用于抗积分饱和的桨距角参考指令修正值βd′，计算公式为：
Figure FDA0003246271970000034
增加惯性模块：依据参数辨识结果为桨距角参考指令βd的采样过程增加相同的惯性环节，以便后续得到桨距角参考指令修正值βd′；
数据处理模块，通过计算桨距角参考指令修正值βd′和实际指令βr的差值Δβ是否为0，并依据结果的不同计算不同的补偿系数ka。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
7.一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述的方法的步骤。
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