基于量测信号扰动的 dfig 变流器控制参数辨识方法-金宇清.pdf
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1、基于量测信号扰动的DFIG变流器控制参数辨识方法金宇清,鞠平,刘伟航,潘学萍(河海大学能源与电气学院,江苏省南京市2 1 0 0 9 8 )摘要:双馈感应发电机( D F I G )的变流控制器模型是整个机组模型中的关键部分。变流控制器的参数众多且内外环比例积分( P I )控制器之间存在级联,常规辨识方法或遇到参数可辨识性问题,或工程实现难度较大。文中提出一种以“分步辨识、交互迭代”为特点,基于二次侧量测信号扰动的控制器参数辨识方法。该方法分别在变流控制器中各P I控制器输入端所用的量测信号上施加扰动,从而突出某个P I控制器在特定量测信号扰动下的作用,并将该P I控制器的可测量控制目标作为
2、观测变量,进而重点辨识其参数。对于存在级联的两个P I控制器,先对后一级P I控制器所用量测信号施加扰动,同时屏蔽前一级P I控制器所用量测信号的变化,从而可实现两个级联P I控制器参数的解耦辨识。该方法可以使变流控制器中每个P I控制器的两个参数在特定的量测信号扰动下被单独辨识,有效保证了参数的可辨识性;而对于全部待辨识参数,可通过多轮交互迭代辨识进一步提高整体辨识精度。关键词:风力发电;双馈感应发电机;变流器;控制器;参数辨识收稿日期: 2 0 1 5 - 0 3 - 1 3 ;修回日期: 2 0 1 5 - 1 0 - 0 9 。上网日期: 2 0 1 5 - 1 2 - 0 3 。国家
3、自然科学基金资助项目( 5 1 4 0 7 0 5 9 , 5 1 1 9 0 1 0 2 ,5 1 1 3 7 0 0 2 ) 。0引言对于含大规模风电的电力系统,要制定出合理的规划建设方案和可靠的运行调控措施,就必须有准确的风电模型来对系统进行仿真分析。 I E E EP o w e r a n d E n e r g y S o c i e t y和美国W e s t e r nE l e c t r i c i t y C o o r d i n a t i n g C o u n c i l已相继成立了工作组 1 - 2 ,采用实际风电场的量测数据对单台风力发电机( W T G )的
4、模型 3 - 6 或风电场的等效模型进行校核 7 - 1 0 。现有仿真软件中的W T G模型及参数主要来自个别技术实力较强的W T G生产厂家。但是,实际电网中安装的W T G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。对于这些机组,就需要进行参数辨识。目前关于W T G机械和电气参数辨识的研究较多,如文献 1 1 论证了风力机参数的可辨识性,并提出了参数取值的数值计算方法;文献 1 2 对双馈感应发电机( D F I G )的机械子系统进行了建模;文献 1 3 研究了电动变桨系统的详细模型;文献 1 4 提出了采用风速波动作为激励信号,辨识W
5、 T G轴系参数的方法;文献 1 5 分析了机端电压跌落扰动下D F I G中电气参数的可辨识性和需要重点辨识的参数,文献 1 6 - 1 7 研究了D F I G稳态和暂态电气参数的辨识方法;文献 1 8 - 1 9 研究了直驱永磁同步发电机中发电机参数的辨识方法。文献 2 0 根据D F I G中机械部分和电气部分的激励及响应在时间尺度上的显著差异,提出了一种“分块交叉”的辨识策略。文献 2 1 设计了一种风电机组并网测试系统,可以较为方便地在一次侧制造电压跌落等扰动,也可用于D F I G模型参数的辨识。但是,目前关于D F I G控制器参数辨识的研究较少。 D F I G中的控制器包括
6、桨距角控制器、变流控制器、 C r o w b a r投切控制器等。对于桨距角控制器、 C r o w b a r投切控制器等,由于其结构较为简单、功能相对独立、输入输出量的关系清晰,因此参数辨识难度不大。而对于变流器的控制器,典型模型中包含5个比例积分( P I )控制器,且内外环P I控制器之间存在级联情况 2 2 ,因此其参数辨识较为困难。文献 2 3 分析了D F I G变流器的典型控制器模型中1 0个参数的可区分性,指出在机端电压跌落扰动下灵敏度较大的控制器参数有3个,但其中2个不可唯一辨识。文献 2 4 使用了一种简化的D F I G模型,其中控制器参数被简化为4个,可以根据机端电
7、压扰动进行辨识,但是该模型仅适用于机电暂态仿真。还有研究机构通过改造控制器软硬件以测量各个P I控制器的输入输出,从而逐个实现P I控制63第40卷第8期2016年4月25日V o l .4 0 N o .8 A p r .2 5 , 2 0 1 6D O I : 1 0 .7 5 0 0 / A E P S 2 0 1 5 0 3 1 3 0 0 3h t t p : / / w w w .a e p s - i n f o .c o m器的参数测试。但是,此方法通常需要生产厂家的配合才能实施,难以推广应用。本文在D F I G变流器的典型控制器模型基础上,提出了一种在二次侧的电压、电流、转
8、速等各种量测信号上分步施加扰动来辨识控制器参数的新方法。该方法根据控制器中各个P I控制器之间的信号传递关系,选择合适的量测信号施加扰动,必要时屏蔽另一些量测信号的变化,从而突出某个P I控制器在特定量测信号扰动下的作用,进而重点辨识该P I控制器的参数。利用不同参数对于不同激励的灵敏度差异来进行分步辨识的方法已成功应用于同步发电机参数的辨识 2 5 ,本文方法在达到该目的的同时,还解决了控制器参数的可辨识性问题。最后再通过一种交互迭代辨识的方法有效提高了控制器参数的辨识精度。1DFIG变流器的典型控制参数D F I G变流器由转子侧逆变器、直流电容、网侧整流器组成,相应的控制器分为转子侧控制
9、器、网侧控制器 2 2 。 D F I G机组的结构见附录A图A 1 ;其变流器的控制框图见附录A图A 2和图A 3 ,其中Kp为P I控制器的比例系数,Ki为P I控制器的积分系数。转子侧控制器的参数包括:有功功率控制器的Kp 1 ,Ki 1 ,转子侧电流控制器的Kp 2 ,Ki 2 ,机端电压控制器的Kp 3 ,Ki 3 ;网侧控制器的参数包括:电容电压控制器的Kp 4 ,Ki 4 ,网侧电流控制器的Kp 5 ,Ki 5 。2控制器参数的辨识策略2.1控制器参数辨识的总体思路由于控制器参数共有1 0个,且存在P I控制器级联的情况(参数不可唯一辨识 2 3 ) ,因此,在传统的一次侧短路故
10、障这类单一扰动下无法同时辨识所有参数。所以,必须制造多种扰动,并且只辨识与某扰动强相关的部分参数,再通过“分步辨识、交互迭代”的辨识策略来获得所有参数。1 )扰动源的选择:考虑到各个P I控制器都以电压、电流、转速的量测值作为输入信号,故在不同量测信号上施加扰动必然可以达到触发对应P I控制器动作的目的,并且可以通过一些屏蔽措施单独制造某个量测量的扰动,从而突出与该量测量相关控制器的作用以利于参数辨识。2 )观测信号的选择:出于“分步辨识”的需要,观测信号应是被触发P I控制器的可测量控制对象。例如:转子侧有功功率控制器的直接输出是转子q轴电流的目标值,但其不易测量;而该控制器的作用直接影响D
11、 F I G机组的有功功率输出,而有功功率易于测量。因此在辨识该控制器的参数时,应该选择D F I G机组输出的有功功率为观测量。3 )对于存在级联的两个P I控制器, “分步辨识”的方法如下:先对后一级P I控制器所用量测信号施加扰动,同时屏蔽前一级P I控制器所用量测信号的变化,这样就可以解耦前后两个P I控制器的控制参数,先辨识出后一级P I控制器的参数,再对前一级P I控制器的参数进行辨识,从而解决参数的可辨识性问题。4 )进行“交互迭代”辨识: “分步辨识”策略是在某一量测信号扰动下辨识对应P I控制器的参数,如果其他P I控制器的参数偏离真值,则辨识结果必定存在误差。通过多轮“交互
12、迭代”辨识,可以使辨识结果逐步逼近真值,有效提高辨识精度。2.2量测扰动的实现方法及参数灵敏度对比测试不同量测扰动下各参数灵敏度的仿真系统如图1所示。仿真系统搭建于M A T L A B 2 0 1 3 b中,系统中所有元件均取自M A T L A B自带的W i n dF a r m ( D F I G P h a s o r M o d e l ) D e m o ,元件参数均取默认值。30 km110 kV/25 kV2 500 MVA1 km25 kV/575 kVDFIG(1.5 MW)110 kVL2L1d图1仿真测试系统结构Fig.1Structureofsimulationsy
13、stem某一个控制器参数Kj对动态响应的灵敏度按如下步骤计算 2 3 。1 )将Kj的数值增大Kj,仿真得到观测量Y的变化轨迹y(k) 。2 )将Kj的数值减少Kj,仿真得到观测量Y的变化轨迹y(k) 。3 )然后根据下式计算Kj的轨迹灵敏度Sj:Sj=1nnk=1y(k)-y(k)2y0 KjKj0( 1 )式中:y0为Kj取原值Kj0时观测量Y对应的稳态值;n为观测量的采样点个数;本文中Kj取为1 0 %Kj0 。文献 2 3 推导了参数灵敏度曲线与参数可辨识性的关系,指出如果若干参数的灵敏度曲线同时过零点,则这些参数相关,不可区分。本文将采用该方法来判别控制器参数的可辨识性。2.2.1传
14、统一次侧短路故障下的参数灵敏度当采用传统的一次侧短路故障时,如在图1所示系统的线路L 2中央d点设置一个三相短路,则73金宇清,等基于量测信号扰动的D F I G变流器控制参数辨识方法在此扰动下变流控制器1 0个参数对于D F I G的有功功率PD F I G和无功功率QD F I G的灵敏度曲线见附录A图A 4 ,灵敏度大小见附录A表A 1 。从可辨识性上看,附录A图A 5和图A 6分别表明以PD F I G为观测量时,Kp 1 ,Kp 3和Ki 1 ,Ki 4不可区分;附录A图A 7表明以QD F I G为观测量时,Ki 1 ,Ki 4 ,Ki 5不可区分。从辨识难易度上看,在一次侧短路扰
15、动下,转子侧控制器参数和网侧电容电压控制器比例系数的灵敏度较大且数量级相当,不利于这些参数的区分辨识;而网侧控制器其余参数的灵敏度又相对太小,难以在这一扰动下进行辨识。此外,对于单独设置控制器参考值阶跃这类扰动,由于变流控制器内外环之间的级联结构,其同样无法解决参数的可辨识性问题。2.2.2量测信号扰动的实施方式1 )转子电流量测扰动且屏蔽机端电压量测变化在转子侧变流控制器中,机端电压控制器和转子侧电流控制器之间存在级联。转子电流量测量的扰动可以引起转子侧电流控制器响应;屏蔽机端电压量测变化可以保持机端电压控制器输入量为零,从而屏蔽了机端电压控制器参数对D F I G动态响应的影响。以下将该组
16、扰动称为“量测扰动A ” ,观测量宜选择D F I G的无功功率响应QD F I G 。实现转子电流量测扰动的电路如图2所示,这是一个并联分流电路,图中电流表代表了D F I G的电流测量回路、 T A表示电流互感器。该电路可以实现电流量测值的下跌。实现屏蔽电压量测信号变化的电路如图3所示。TA*KA图2对交流电流量测信号施加扰动的原理图Fig.2CircuitformakingdisturbanceonACcurrentmeasurementsignalEEA/D DSP D/AUU图3屏蔽电压量测信号变化的电路原理图Fig.3Circuitforshieldingchangeofvolta
17、gemeasurementsignal首先在扰动施加前,由数字信号处理器( D S P )控制A / D转换器采集稳态时的机端电压波形U,并由D S P控制D / A转换器及放大电路连续复制出该波形U ,在转子电流量测信号扰动期间,由D S P切换模拟开关将具有稳态波形的U输送给D F I G的量测回路。2 )机端电压量测信号扰动对于级联的机端电压控制器和转子侧电流控制器,可以将量测扰动A中辨识出的电流控制器参数Kp 2 ,Ki 2 作为已知量,再单独对机端电压量测信号施加一个扰动,就可以辨识机端电压控制器的参数。实现机端电压量测信号扰动的电路如图4所示,这是一个串联分压电路,图中电压表代表了
18、D F I G的电压测量回路、 T V表示电压互感器。以下将该组扰动称为“量测扰动B ” ,观测量宜选择D F I G的无功功率响应QD F I G 。TVVP*K图4对交流电压量测信号施加扰动的原理图Fig.4CircuitformakingdisturbanceonACvoltagemeasurementsignal3 )转子转速量测信号扰动转子侧有功功率控制器的控制参考值Pr e f是根据D F I G的转子转速r查询最大功率点跟踪( M P P T )特性曲线自动生成的。如果在r的量测信号上施加扰动,就可以改变Pr e f的数值,从而激发有功功率控制器的动作。由于与其级联的转子侧电流控
19、制器参数已经在量测扰动A中辨识得到,此时单独辨识有功功率控制器的参数已不存在可辨识性问题。真实的转子转速难以实现突变,但其量测信号可以。转子转速r的量测信号是一个脉冲序列,脉冲的间隔用来计算转速。实现转速量测信号扰动的电路如图5所示。EEDSP;DEDED/A图5对转速量测信号施加扰动的原理图Fig.5CircuitformakingdisturbanceonrotationspeedmeasurementsignalD S P首先对真实的转速脉冲计数,获得实际的转速,再根据拟施加的转速信号扰动幅度计算出虚拟脉冲的间隔,并通过D / A转换器和放大电路产生包含转速量测扰动的虚拟转速信号,最后由
20、D S P切换模拟开关将虚拟转速信号输送给D F I G的量测回路。以下将该组扰动称为“量测扰动C ” ,观测量宜选择D F I G的有功功率响应PD F I G 。832 0 1 6 , 4 0 ( 8 )学术研究h t t p : / / w w w .a e p s - i n f o .c o m4 )网侧电流量测扰动且屏蔽电容电压量测变化在网侧变流控制器中,电容电压控制器和网侧电流控制器是级联的。因此,在网侧电流量测信号上施加扰动,同时屏蔽电容电压量测变化,就可以单独激发网侧电流控制器的动作,从而可以单独辨识其参数。以下将该组扰动称为“量测扰动D ” ,观测量宜选择变流器并网侧的无功
21、功率响应QG R I D ,而不是D F I G机组整体输出的无功功率QD F I G 。实现网侧电流量测信号扰动的电路同图2 ,屏蔽电容电压量测信号变化的电路同图3 。5 )直流电容电压量测信号扰动在量测扰动D中获得网侧电流控制器参数后,只需在直流电容电压uD C的量测信号上施加扰动,就可以触发电容电压控制器的动作。实现uD C量测信号扰动的电路类似于图4所示的高值电阻分压电路。以下将该组扰动称为“量测扰动E ” ,观测量宜选择直流电容电压的真实值uD C 。2.2.3不同量测信号扰动下的参数灵敏度根据表1所示的扰动方式对量测扰动A至E进行测试,这些扰动都是小幅度、短暂的,目的是避免触及变流
22、器电压或电流极限而导致参数辨识失败。需要特别指出的是,在实施量测扰动D时,可设定网侧q轴电流参考值为0 .1 ,以避免常规设定为0时式( 1 )中y0 = 0而出现除以零的情况。表1不同量测扰动的施加形式Table1Modalityofdifferentmeasurementsignaldisturbances量测扰动扰动幅度持续时间/ m s观测量观测时间/ m sA 5 % 2 0QD F I G 2 5 0B 5 % 5 0QD F I G 2 5 0C 0 .0 5 (标幺值) 1 0 0PD F I G 2 5 0D 5 % 5 0QG R I D 1 0 0E 5 % 5 0uD
23、C 1 0 0受篇幅所限,图6仅给出了量测扰动A下的参数灵敏度曲线,量测扰动B至E下的灵敏度曲线见附录A图A 8至图A 1 5 。表2列出了各种量测扰动下的参数灵敏度数值。0t/sKp1; Ki1; Kp2; Ki2; Kp3Ki3; Kp4; Ki4; Kp5; Ki5QDFIG+%-0.2-0.100.10.20.05 010 0.15 0.20 0.25图6量测扰动A下的参数灵敏度曲线Fig.6SensitivitytrajectoryofparametersundermeasurementsignaldisturbanceA表2不同量测扰动下的参数灵敏度Table2Sensitivit
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