基于单纯形法的风力发电机组PI控制器自动调参方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，具体涉及一种基于单纯形法的风力发电机组PI控制器自动调参方法。

背景技术

负反馈控制是风力发电机组重要的控制方法，用来实现自动控制，PID控制器因为其简单、准确和高效，是风力发电机组中最常见的负反馈部件。PID控制器包括比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)，在风力发电机组的转矩环和变桨环中简化为PI控制器。比例单元(P)，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差，比例系数Kp增大，可以加快调节，减少偏差，但是过大的比例系数，使系统的稳定性下降。积分单元(I)，使系统消除稳态误差，提高无差度，时间常数Ti越小，积分作用就越强，但会使系统动态响应变慢。目前风力发电机组的PI控制器调节主要是工程整定法，依靠工程师的经验手动调节，如何进行快速准确地确定PI控制器参数，实现自动调参，以提高调参效率，并将工程师从简单重复的工作中解脱出来，是目前亟待解决的技术问题。

如中国专利CN106054610B，公开日2019年1月25日，一种优化的PI控制器参数工程整定方法，采用遗传算法优化技术，通过仿真获得不同热工过程对应的优化PI控制器参数，并以优化的PI控制器参数作为样本，采用神经网络技术建立PI控制器参数工程整定模型，实现PI控制器参数的工程整定。该方案通过工程整定法进行PI控制器参数调节，存在调参效率较低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前的PI控制器调节存在调参效率较低的技术问题。提出了一种能够快速完成对PI控制器参数的整定，提高调参效率的基于单纯形法的风力发电机组PI控制器自动调参方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于单纯形法的风力发电机组PI控制器自动调参方法，包括如下步骤：

S1：对风力发电机组模型进行线性化处理，将非线性多扰动的模型简化成不同风速下的线性模型；

S2：将模型参数导入自动调参程序；

S3：使用面积法对PI控制器参数进行计算评估；

S4：为面积累积值J添加约束条件，通过单纯形法对面积累积值J进行寻优；

S5：输出PI控制器参数。

一种基于单纯形法的风力发电机组PI控制器自动调参方法，包括：获取风力发电机组线性化处理后得到的转矩环和变桨环模型的线性定常系统系数矩阵作为主要输入数据；设计基于单纯形法的PI控制器参数自动寻优策略程序，通过面积法及目标动态特性设置目标约束，作为寻优策略的输出条件；读取系数矩阵A(t)，B(t)，C(t)，D(t)，采样周期Tc，传动链参数，滤波器，PI控制器参数的初始值Kp，Ti及其对应的步长等数值输入到程序中；输出转矩环和变桨环的合理PI控制器系数。本方法可以自动提供转矩环和变桨环的PI控制参数，具有方法准确简单实用性强的特点。

作为优选，步骤S3中使用面积法对PI控制器参数进行计算评估的过程包括：将系统的阶跃响应曲线与坐标轴和目标值的封闭区间面积进行累积，获得用于衡量系统的动态性能的若干个面积值。这些面积值可以衡量系统的动态性能，包括衡量上升时间、衡量超调量和峰值时间或衡量稳定性和调节时间，一般情况下，累积的面积越小，动态性能越优。

作为优选，步骤S4中面积累积值J的寻优方法包括：

A1：取不在一条直线上的三个点，将三点构成一个单纯形；

A2：计算出三个顶点相应的面积累积值；

A3：将三个面积累积值进行比较，将其中最大的面积累积值标为J

A4：取顶点H关于顶点H的对边所在直线的对称点R，计算对称点R的面积累积值J

A5：将J

压缩取点即在两个顶点所在线段内取点，扩张取点即在两个顶点所在线段的延长线上取点。

作为优选，选择压缩取点或扩张取点的过程包括：

B1：当J

B2：若J

B3：若J

B4：当J

B5：若J

B6：若J

H点到R点的延长线即线段HR在R点那一侧的延长线。

作为优选，通过积分法对累积面积进行计算，计算累积面积的积分方法包括：将累积面积分解成若干个宽度一致的矩形，计算封闭区间内矩形的个数，得到代表系统的动态性能的面积累计值J。计算时与封闭区间边缘接触的矩形的个数可统计一半或忽略不进行统计计算，通过统计的封闭区间内矩形的个数即可获得面积累计值J。

作为优选，每个矩形的宽为步长0.02s，每个矩形的长为系统输出与目标值的差的绝对值。将累积面积分解成宽度一致的矩形，矩形的宽是步长0.02s，长为系统输出与目标值的差的绝对值，计算200s，得到的面积累计值J即可代表系统的动态性能。

作为优选，步骤S5中面积累积值J添加约束条件包括：转矩环要求幅值裕度大于10dB，相角裕度大于40deg，带宽大于0.3rad/s；

变桨环调节的额定附近要求幅值裕度大于3dB，相角裕度大于30deg，带宽大于0.3rad/s；变桨环调节的切出附近要求幅值裕度、相角裕度和带宽按比例放大变桨环调节的额定附近要求。

变桨环调节由于风速跨度过大，设置两套约束标准，额定附近要求幅值裕度(GM)大于3dB，相角裕度(PM)大于30deg，带宽(Freq)大于0.3rad/s，切出附近要求幅值裕度(GM)，相角裕度(PM)以及带宽(Freq)按一定比例放大约束。

本发明的实质性效果是：本发明将风力发电机组线性化处理后得到的转矩环和变桨环模型的线性定常系统系数矩阵作为主要输入数据；设计基于单纯形法的PI控制器参数自动寻优策略程序，通过面积法及目标动态特性设置目标约束，作为寻优策略的输出条件；读取系数矩阵，采样周期Tc，传动链参数，滤波器，PI控制器参数的初始值Kp，Ti及其对应的步长等数值输入到程序中；输出转矩环和变桨环的合理PI控制器系数。本发明应用于风力发电机组研发设计领域，能快速简易地输出机组转矩环和变桨环的PI控制器参数，具有实用性强、调参效率高的特点。

附图说明

图1为本实施例的实施流程示意图；

图2为本实施例的面积法参考图；

图3为本实施例的单纯形法的选点示意图；

图4为本实施例的单纯形法的流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

一种基于单纯形法的风力发电机组PI控制器自动调参方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：对风力发电机组模型进行线性化处理，将非线性多扰动的模型简化成不同风速下的线性模型；

S2：将模型参数导入自动调参程序；

S3：使用面积法对PI控制器参数进行计算评估；

S4：为面积累积值J添加约束条件，通过单纯形法对面积累积值J进行寻优；

S5：输出PI控制器参数。

本实施例的具体实施步骤如下：

对风力发电机组模型进行线性化和后处理，将非线性多扰动的模型简化成不同风速下的线性模型。将特定风速下的模型参数导入自动调参程序中，输入量包括：线性定常系统系数矩阵A(t)，B(t)，C(t)，D(t)，采样周期Tc，输入输出延迟，传动链参数，滤波器，PI控制器参数的初始值Kp，Ki及其对应的步长。

其中转矩环的线性定常系统系数矩阵为9阶，变桨环的线性定常系统系数矩阵为11阶。

PI控制器的传递函数为：

将PI控制器和被控对象的传递函数整合后，进行离散化，方便进行下一步计算。

使用面积法对PI控制器参数进行计算评估，如图2所示，

将系统的阶跃响应曲线与坐标轴和目标值的封闭区间面积进行累积，即图2中的S1、S2、S3、S4和S5，这些面积值可以衡量系统的动态性能，如S1可以衡量上升时间，S2可以衡量超调量和峰值时间，S3、S4和S5可以衡量稳定性和调节时间。一般情况下，累积的面积越小，动态性能越优。

累积面积可以用积分法计算，将其分解成宽度一致的矩形，矩形的宽是步长0.02s，长为系统输出与目标值的差的绝对值，计算200s，得到的面积累积值J即可代表系统的动态性能。

对于J值的寻优采用单纯形法，单纯形法的理论依据是：线性规划问题的可行域是n维向量空间Rn中的多面凸集，其最优值如果存在必在该凸集的某顶点处达到。所谓单纯形就是一定的空间中的最简单图形，n维的单纯形.就是n+1个顶点组成的图形，我们寻优的变量只有Kp、Ki，二维空间即可，单纯形是三角形。

如图3、图4所示，在二维空间内，设有不在一条直线上的三个点H、G、L，三点构成一个单纯形，即三角形，由三个顶点计算出相应的函数值J

若J

若J

若J

若J

若J

在追求J值最优的同时，还要兼顾风力发电机组的性能，因此为J值添加相应的约束。

转矩环要求幅值裕度(GM)大于10dB，相角裕度(PM)大于40deg，带宽(Freq)大于0.3rad/s。

变桨环调节由于风速跨度过大，设置两套约束标准，额定附近要求幅值裕度(GM)大于3dB，相角裕度(PM)大于30deg，带宽(Freq)大于0.3rad/s，切出附近要求幅值裕度(GM)，相角裕度(PM)以及带宽(Freq)按一定比例放大约束。

在以上约束下，通过对J值最小值的寻优，输出合适的PI控制器参数。

以具体的风电机组为参考实例，本发明的操作流程包括：

用Bladed4.8对机组模型进行线性化和后处理，将获得的“.mat”文件放到matlab脚本文件路径下。

在matlab脚本文件中设置传动链参数和转矩环和变桨环的滤波器。

打开PI控制器自动调参程序，将matlab脚本文件路径输入到路径栏，在转矩环中输入线性化点位12(额定的前一个点位)，Kp和Ki的初始值和步长可以保持默认值不变，点击计算，输出Kp为1180，Ki为325。

在变桨环的线性化点位中输入13(额定之后附近点位)，选择“额定”，Kp和Ki的初始值和步长可以保持默认值不变，点击计算，输出Kp为0.0065，Ki为0.00032。

线性化点位中输入31(切出附近点位)，选择“切出”，Kp和Ki的初始值和步长可以保持默认值不变，点击计算，输出Kp为0.0028，Ki为0.00076。

将自动调参结果，带入验证，参数合理，满足机组动态性能。

本实施例将风力发电机组线性化处理后得到的转矩环和变桨环模型的线性定常系统系数矩阵作为主要输入数据；设计基于单纯形法的PI控制器参数自动寻优策略程序，通过面积法及目标动态特性设置目标约束，作为寻优策略的输出条件；读取系数矩阵A(t)，B(t)，C(t)，D(t)，采样周期Tc，传动链参数，滤波器，PI控制器参数的初始值Kp，Ti及其对应的步长等数值输入到程序中；输出转矩环和变桨环的合理PI控制器系数。本实施例可以自动提供转矩环和变桨环的PI控制参数，具有方法准确简单、实用性强和调参效率高的特点。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。