一种风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法

摘要

本发明公开了一种风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，主要包括：对PID控制环节进行测试；对PID调节响应特性进行测试；基于PID控制环节的测试结果和PID调节响应特性的测试结果，进行具体试验。本发明所述风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，可以克服现有技术中测试不方便和测试精度低等缺陷，以实现测试方便和测试精度高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法。

背景技术

随着大规模风电机组和风电场的并网接入，给电网规划和运行都带来了新的挑战。尤其是远离负荷中心区并且容量巨大的风电基地，其运行特性势必对电网的稳定运行构成明显影响。

为了应对挑战，解决风电场并网情况下电网安全稳定经济运行等问题，电网需要实施先进的技术和管理措施，而这些都离不开包含风电机组、风电场的电力系统的仿真研究，离不开风电机组和风电场数学模型以及准确参数的研究。而这些参数的测定需要通过一系列测试的方法来取得。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在测试不方便和测试精度低等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，以实现测试方便和测试精度高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，主要包括：

对PID控制环节进行测试；

对PID调节响应特性进行测试；

基于PID控制环节的测试结果和PID调节响应特性的测试结果，进行具体试验。

进一步地，所述对PID控制环节进行测试的操作，具体包括：

⑴对转矩控制的PID进行测试，即：风机转矩控制环节负责对风电机组有功功率进行控制，环节的输入量为转速偏差，主控制环节为比例与积分的PI控制器的和，PI输出经过一个最大、最小转矩的限幅环节，最终输出量为有功电流给定Id，该输出量给至主变频器，进行有功控制；

⑵对无功控制的PID进行测试，即：风机无功控制环节负责对风电机组的无功功率进行控制，无功功率指令通过一个开环控制逻辑输入给整机模型，该开环逻辑主要是根据当时输出的有功功率和无功功率值进行一定无功的补偿；

⑶对桨矩角控制的PID进行测试，即：风机桨矩角控制环节，负责对风电机组的桨矩角进行控制。

进一步地，在步骤⑶中，所述对风电机组的浆距角进行控制的控制逻辑，为双PI控制逻辑，具体包括：1）转速通道PI控制，2）有功通道PI控制。

进一步地，所述对PID调节响应特性进行测试的操作，具体包括：

⑴利用时域测试法，进行PID调节响应特性测试；

⑵利用频域测试法，进行PID调节响应特性测试。

进一步地，所述利用时域测试法，进行PID调节响应特性测试的操作，具体包括：

步骤1：选取风电机组控制系统中的一个环节，进行分环节时域测量； 

步骤2：改变所测量环节PID之前的输入信号，进行阶跃试验，录取其输出信号，辨识PID各环节参数；

步骤3：改变PID环节参数，可采取不同的参数组合方式，重复步骤2的内容。

进一步地，在步骤1中，所述风电机组控制系统的控制环节，包括功率控制环节、电压或无功控制环节、以及变桨控制环节。

进一步地，所述利用频域测试法，进行PID调节响应特性测试的操作，具体包括：

步骤1：选取风电机组控制系统中的一个环节，进行分环节频域测量； 

步骤2：将白噪声信号加入到PID输入之前，PID输出反馈到频谱仪，逐步加大噪声信号，进行频域测量，记录幅频、相频特性；

步骤3：改变PID环节参数，采取不同的参数组合方式，重复步骤2的内容；

步骤4：将白噪声信号加入到测量环节输入之前，测量环节输出反馈到频谱仪，逐步加大噪声信号，进行频域测量，记录幅频、相频特性；

步骤5：将白噪声信号加入到延迟环节输入之前，延迟环节输出反馈到频谱仪，逐步加大噪声信号，进行频域测量，记录幅频、相频特性。

进一步地，在步骤1中，所述风电机组控制系统的控制环节，包括转矩控制环节、无功控制环节、桨距角控制环节。

进一步地，所述基于PID控制环节的测试结果和PID调节响应特性的测试结果，进行具体试验的操作，具体包括：

⑴对转矩控制的PID进行测试，即：试验时将主PLC的软、硬件进行适当改动，以便于对被测环节施加扰动并方便对环节的输入量PID IN和输出量PID OUT进行采样录波；

⑵对无功控制的PID进行测试，即：试验时将主PLC的软、硬件进行适当改动，以便于对被测环节施加扰动并方便对环节的输入量PID IN和输出量PID OUT进行采样录波；

⑶对桨矩角控制的PID进行测试，即：试验时将主PLC的软、硬件进行适当改动，以便于对被测环节施加扰动并方便对环节的输入量PID IN和输出量PID OUT进行采样录波。

进一步地，所述基于PID控制环节的测试结果和PID调节响应特性的测试结果，进行具体试验的操作，具体还包括典型参数设置，即：

A．转速通道PID测试：

（a）比例环节测试：

试验1：参数设置为T=0，Kp=1，Ki=0；

试验2：参数设置为T=0，Kp=3，Ki=0；

（b）积分环节测试：

试验1：参数设置为T=0，Kp=1，Ki=2；

试验2：参数设置为T=0，Kp=1，Ki=3；

试验3：参数设置为T=0，Kp=5，Ki=2；

（c）一阶惯性环节测试：

试验1：参数设置为T0=25，Kp=1，Ki=0；

试验2：参数设置为T=200，Kp=3，Ki=0；

B．有功通道PID测试：

（a）比例环节测试：

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=0；

试验2：参数设置为Kp=3，Ki=0；

（b）积分环节测试：

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=3；

试验2：参数设置为Kp=10，Ki=3。

本发明各实施例的风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，由于主要包括：对PID控制环节进行测试；对PID调节响应特性进行测试；基于PID控制环节的测试结果和PID调节响应特性的测试结果，进行具体试验；可以得到风电模型的各个关键参数和验证风电机组模型的正确性；从而可以克服现有技术中测试不方便和测试精度低的缺陷，以实现测试方便和测试精度高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法中风电机组转矩控制模型的工作原理框图；

图2为本发明风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法中风电机组励磁电气控制模型的工作原理框图；

图3为本发明风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法中风电机组桨矩角控制模型的工作原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为了分析风力发电对电力系统动态特性的影响，需要建立风力发电机组及风电场的动态数学模型。风力发电机组是一个包含多学科的复杂系统，桨叶的工作原理基于空气动力学，传动系统的工作原理涉及到机械理论，发电机实现机电能量转换，风电控制系统广泛涉及控制理论和电气原理。因此，在完成风力发电机组的动态建模后，进行试验验证是非常必要和有用的。

根据本发明实施例，如图1-图3所示，提供了一种风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，可以应用于风电机组控制系统的建模和调试。该风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，主要针对风电机组控制系统（主PLC）包含的桨矩角控制模型、转矩控制模型、无功功率控制模型这三个控制模型PID进行分环节测试，以校验模型的准确性。 

本实施例的风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，试验属于静态试验范围。试验条件：风电机组静态试验建议在制造厂家试验平台上进行；若在风电场现场进行试验，则需要风电机组各系统调试通过，并且具备相应的信号输入、输出端子，同时在制造厂家人员确认安全的情况下进行。

参见图1-图3，本实施例的风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，主要包括：

1、PID控制环节测试

⑴转矩控制PID测试

风机转矩控制环节负责对风电机组有功功率进行控制，环节的输入量为转速偏差（实测的发动机转速-发电机转速参考值），主控制环节为比例+积分的PI控制器，PI输出经过一个最大、最小转矩的限幅环节，最终输出量为有功电流给定Id，该输出量给至主变频器，进行有功控制，如图1所示。

相关参数及变量说明：

Spe_Fil：滤波后的实测发电机转速；

Spe_ref：转速参考值；

Spe_Err：实测的转速与参考转速的偏差；

KP：转矩控制比例系数；

KI：转矩控制积分系数；

TorMax：最大转矩限制；

TorMin：最小转矩限制；

Id：有功电流给定。

⑵无功控制PID测试

风机无功控制环节负责对风电机组的无功功率进行控制，无功功率指令通过一个开环控制逻辑输入给整机模型，该开环逻辑主要是根据当时输出的有功功率和无功功率值进行一定无功的补偿（对风电机组及箱变需要的无功进行补偿），以保证箱变高压侧的功率因数为1。

这里主要对开环控制逻辑发出的无功指令之后的闭环控制环节进行测试。环节的输入量为无功偏差（实测的无功功率-无功功率参考值），主控制环节为比例+积分的PI控制器，PI输出经过一个无功电流最大、最小限制环节及无功电流变化速度最大、最小限制环节，最终输出量为无功电流给定Iq，该输出量给至主变频器，进行无功控制，如图2所示。

相关参数及变量说明：

QPP：实测的无功功率；

Q_Fil：滤波后的无功功率；

Q_ref：无功功率的参考值；

Q_Err：实测的无功功率与参考无功功率的偏差；

KPQ：无功功率控制环节的比例系数；

KIQ：无功功率控制环节的积分系数；

Iqmax：无功电流最大限制；

Iqmin：无功电流最小限制。

⑶桨矩角控制PID测试

风机桨矩角控制环节负责对风电机组的桨矩角进行控制，为双PI控制逻辑：1）转速通道PI控制，2）有功通道PI控制，如图3所示。

转速通道控制环节的输入量为转速偏差（实测的发动机角速度-发电机角速度参考值），主控制环节为比例+积分的PI控制器。

有功通道控制环节的输入量为有功偏差（有功功率指令值-此时能够发出有功功率的最大值），主控制环节为比例+积分的PI控制器。其中，“此时能够发出有功功率的最大值Pmax”是根据风速等各种条件计算得出的数值。采用Pmax而不是实际有功功率P，是因为实际有功功率比Pmax变化要慢得多，为了控制的快速性，采用Pmax。

转速通道PI环节输出与有功通道PI环节输出叠加后生成一个变浆速度指令，该指令再通过一个带有桨矩角最大、最小限幅环节及桨矩角变化速度最大、最小限幅环节的一阶惯性环节，生成桨矩角指令。该桨矩角指令输出至变浆系统的执行机构，最终实现变浆控制。

相关参数及变量说明：

，滤波后的电机角速度；

，电机角速度的参考值；

，电机角速度参考值与实际电机角速度的偏差；

，角速度偏差的前1采样点的值；

，速度环节的积分系数；

，速度环节的比例系数；

，有功功率的指令值；

，此刻能够发出有功功率的最大值；

，有功功率的指令值与最大值的偏差；

，有功功率偏差的前1个采样点的值；

，桨矩角最小限制（度）；

，桨矩角最大限制（度）。

2、PID调节响应特性测试步骤

⑴时域测试法

步骤1：选取风电机组控制系统（功率控制系统、电压或无功控制系统、变桨控制系统等）其中一个环节，进行分环节时域测量。比例放大倍数测量时，将微分，积分环节退出；积分系数测量时，将比例、微分环节退出；微分系数测量时，将比例、积分环节退出。

步骤2：改变所测量环节（PID）之前的输入信号，进行阶跃试验，录取其输出信号，辨识PID各环节参数。

步骤3：改变PID环节参数，可采取不同的参数组合方式，重复步骤2的内容。

⑵频域测试法

步骤1：选取风电机组控制系统（转矩控制、无功控制、桨距角控制）其中一个环节，进行分环节频域测量。比例放大倍数测量时，将微分，积分环节退出；积分系数测量时，将比例、微分环节退出；微分系数测量时，将比例、积分环节退出。

步骤2：将白噪声信号加入到PID输入之前，PID输出反馈到频谱仪，逐步加大噪声信号，进行频域测量。记录幅频、相频特性。

步骤3：改变PID环节参数，可采取不同的参数组合方式，重复步骤2的内容。

步骤4：将白噪声信号加入到测量环节输入之前，测量环节输出反馈到频谱仪，逐步加大噪声信号，进行频域测量。记录幅频、相频特性。

步骤5：将白噪声信号加入到延迟环节输入之前，延迟环节输出反馈到频谱仪，逐步加大噪声信号，进行频域测量。记录幅频、相频特性。

3、具体试验

⑴转矩控制PID测试

试验时将主PLC的软、硬件进行适当改动，以便于对被测环节施加扰动并方便对环节的输入量（PID IN）和输出量（PID OUT）进行采样录波，具体如表1所示。

表1：主PLC中转矩控制模型软、硬件改动情况

典型参数计算设计：

A．比例环节测试

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=0。

试验2：参数设置为Kp=2，Ki=0。

B．积分环节测试

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=1。

试验2：参数设置为Kp=2，Ki=3。

⑵无功控制PID测试

试验时将主PLC的软、硬件进行适当改动，以便于对被测环节施加扰动并方便对环节的输入量（PID IN）和输出量（PID OUT）进行采样录波，具体如表2所示。

表2：主PLC中无功控制模型软、硬件改动情况

典型参数计算设计：

A．比例环节测试

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=0。

试验2：参数设置为Kp=2，Ki=0。

B．积分环节测试

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=2。

试验2：参数设置为Kp=1，Ki=3。

试验3：参数设置为Kp=5，Ki=3。

⑶桨矩角控制PID测试

试验时将主PLC的软、硬件进行适当改动，以便于对被测环节施加扰动并方便对环节的输入量（PID IN）和输出量（PID OUT）进行采样录波，具体如表3所示。

表3：主PLC中桨矩角控制模型软、硬件改动情况

典型参数计算设计：

A．转速通道PID测试

（a）比例环节测试

试验1：参数设置为T=0，Kp=1，Ki=0。

试验2：参数设置为T=0，Kp=3，Ki=0。

（b）积分环节测试

试验1：参数设置为T=0，Kp=1，Ki=2。

试验2：参数设置为T=0，Kp=1，Ki=3。

试验3：参数设置为T=0，Kp=5，Ki=2。

（c）一阶惯性环节测试

试验1：参数设置为T0=25，Kp=1，Ki=0，

试验2：参数设置为T=200，Kp=3，Ki=0

B．有功通道PID测试

（a）比例环节测试

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=0。

试验2：参数设置为Kp=3，Ki=0。

（b）积分环节测试

试验1：参数设置为Kp=1，Ki=3。

试验2：参数设置为Kp=10，Ki=3。

综上所述，本发明上述各实施例的风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，针对典型双馈机组提出了风电机组\模型参数实测方案，以时域和频域测试方法为理论基础。通过该风电机组控制系统PID环节静态测试及校验方法，可得到风电模型的各个关键参数和验证风电机组模型的正确性。

时域测试法是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的模型结构，得到系统模型的参数。这是一种直接方法，而且比较准确，可以提供系统时域响应的全部信息。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。时域测试法一般用于一、二阶系统的建模和参数测试。在风电机组建模和参数测试中，可以对风电机组各个部件或控制环节进行分解，分别表达为一阶系统或二阶系统。

频域分析以频率为自变量，以各频率分量的信号值 (功率值，能量值等)为因变量进行分析的.频谱分析仪可对信号本身分析、对线性系统非线性失真系数的测量，通过频谱测量确定信号的谐波分量，了解信号的频谱占用情况。由人工逐次改变输入正弦信号的频率，逐点记录对应频率的输出信号幅度而得到幅频特性曲线。该方法测量误差大。频域测试技术扫描信号源为示波器提供扫描信号，最终显示出幅频特性曲线来。由于扫频信号是连续变化的，故扫频测量法无测试频率的断点，该方法操作方便直观。 频域测试技术将多频信号作为测试信号的一种测试方法，采用白噪声信号作为测试信号的一种测试方法。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。