风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识方法及装置与流程

1.本公开涉及风力发电技术领域，更具体地，本公开涉及一种风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识方法及装置。


背景技术：

2.风力发电机组在正常运行过程中，尤其是在正常发电工况下，主要是通过调整桨距角来实现对机组的气动性能的控制，从而捕捉风能进行发电。在启停机的过程中，需要通过开桨和收桨的动作配合机组实现不同工作点的切换和对机组的安全保护。变桨执行机构是风力发电机组控制系统极为重要的组成部分，其动态响应特性直接影响机组的发电量、载荷强度和系统安全。
3.由于变桨执行机构在生产加工及安装过程中不可避免地引入一些误差，实际运行的系统响应通常会和设计值之间存在一些偏差，所以机组需要具备对变桨执行机构进行实时状态监控的能力，及时发现异常的状态参数并进行故障预警处理，以防止由于变桨执行机构故障引起的发电量损失，甚至是机组的安全隐患。
4.目前广泛采用的变桨执行机构的系统辨识方法为时域激励辨识法，即通过在一定风况下和在桨距角预设范围内引入不同幅值和频率的正弦和阶跃的控制信号，观察实际桨距角的动态响应以进行变桨执行机构状态参数的人工辨识。但上述辨识方法包括以下局限性：(1)对风况有一定要求，(2)对将被辨识的桨距角有一定的角度范围限制，(3)辨识结果的好坏在一定程度上依赖于工程师的经验，(4)辨识操作需要在停机操作后进行，而停机会引入一定程度的发电量损失，以及(5)受激励信号限制，无法引申作为线上的自主辨识方法，不具有可持续性。


技术实现要素：

5.本公开的示例性实施例提供了一种风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识方法及装置，至少解决上述技术问题和上文未提及的其它技术问题，并且提供下述的有益效果。
6.本公开的一方面在于提供一种风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识方法，所述方法可以包括：以特定采样周期获取特定时间段内变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值；通过对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的传递函数的参数；并且利用所述参数执行变桨执行机构的在线状态辨识。
7.在所述方法中，在所述传递函数为一阶传递函数的情况下，获得传递函数的参数的步骤可以包括：通过基于一阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得针对变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的一阶传递函数的时间常数。
8.在所述方法中，获得所述时间常数的步骤可以包括：通过基于一阶传递函数对获
取的桨距角给定值和桨距角测量值进行变换来构造关于所述时间常数的函数；并且根据所述时间常数的函数来拟合所述时间常数。
9.可选地，获得所述时间常数的步骤可以包括：确定时间常数的取值范围；按照预定步长遍历所述取值范围内的时间常数；针对确定的辨识准确度指标，从所述取值范围中选取辨识准确度指标最高的时间常数。
10.在所述方法中，在所述传递函数为二阶传递函数的情况下，获得传递函数的参数的步骤可以包括：通过基于二阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得针对变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的二阶传递函数的频率和阻尼比。
11.在所述方法中，在对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算之前，所述方法还可以包括：对获取的桨距角给定值进行延时补偿。
12.在所述方法中，在对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算之前，所述方法还可以包括：基于风力发电机组的工作状态和数据记录的有效性来确定数据筛选条件；并且从获取的桨距角给定值和桨距角测量值中删除不满足所述数据筛选条件的数据。
13.本公开的另一方面在于提供一种风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识系统，所述系统可以包括：变桨执行机构，用于执行变桨操作；以及控制器，可以被配置为：以特定采样周期获取特定时间段内变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值；通过对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的传递函数的参数；并且利用所述参数执行变桨执行机构的在线状态辨识。
14.本公开的另一方面在于提供一种风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识装置，所述装置可以包括：数据采集模块，用于以特定采样周期获取特定时间段内变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值；以及数据处理模块，用于通过对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的传递函数的参数，并且利用所述参数执行变桨执行机构的在线状态辨识。
15.根据本公开的另一示例性实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序被处理器执行时实现如上所述的风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识方法。
16.根据本公开的另一示例性实施例，提供一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质和处理器，其特征在于，当处理器运行计算机程序时执行如上所述的风力发电机组的变桨执行机构在线状态辨识方法。
17.以上描述的方法、系统和装置基于正常运行的桨距角数据进行自主系统辨识，避免了时域激励辨识方法需要停机辨识而引入的发电量损失，同时避免了人工辨识引入的不确定性，提高了辨识的精度，也降低了人工辨识的人力物力成本，并且扩大了可适用于辨识的桨距角范围和工况，也为实现长期线上辨识、为系统进行健康监测、故障预警提供了可能。
18.此外，将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
19.通过结合附图，从实施例的下面描述中，本公开这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
20.图1是根据本公开的示例性实施例的变桨执行机构在线状态辨识方法的流程图；
21.图2是根据本公开的示例性实施例的变桨执行机构在线状态辨识系统的框图；
22.图3是根据本公开的示例性实施例的变桨执行机构在线状态辨识装置的框图；
23.图4是根据本公开的示例性实施例的场级变桨执行机构在线状态辨识系统的拓扑图。
具体实施方式
24.提供参照附图的以下描述以帮助对由权利要求及其等同物限定的本公开的实施例的全面理解。包括各种特定细节以帮助理解，但这些细节仅被视为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对描述于此的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简洁，省略对公知的功能和结构的描述。
25.本公开的风力发电机组变桨执行机构的在线状态辨识方法可以作为程序被嵌入到单个风力发电机组的控制器进行实时的在线状态辨识，也可以设置在场端或云端进行离线的状态辨识操作，并且不需要引入额外的硬件装置。
26.在下文中，根据本公开的各种实施例，将参照附图对本公开的设备以及方法进行描述。
27.图1是根据本公开的示例性实施例的变桨执行机构在线状态辨识方法的流程图。
28.参照图1，在步骤s101，以特定采样周期获取特定时间段内变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值。例如，可以在风力发电机组正常运行状态下，以20ms的采样周期获取在某一10分钟内变桨执行机构的桨距角给定值和风力发电机组叶片的测量时序值。然而，上述采样周期和特定时间段仅是示例性的，可以根据实际需求而变化。
29.由于本公开要求在数据测量时间段内有充足的变桨动作来进行桨距角给定值(例如作为输入数据)和桨距角测量值(例如作为输出数据)之间的对比，才能获得变桨执行机构状态参数的辨识，例如，启停机过程中或小风扭矩控制段的数据都不适合进行变桨执行机构的系统辨识。此外，软硬件故障等因素导致现场测量数据偶尔会发生记录错误的情况，对应的数据显然也不适用于进行系统辨识。因此，在获得桨距角给定值和测量值后，可以对获得的桨距角给定值和测量值进行数据筛选。
30.作为示例，首先可以基于风力发电机组的工作状态和数据记录的有效性来确定数据筛选条件，然后从获取的桨距角给定值和桨距角测量值中删除不满足数据筛选条件的数据。以6mw机组为例，通过对桨距角的统计值与辨识结果稳定性和准确性之间的关系进行数据分析，得到以下数据筛选条件和对应的数据筛选条件确定原则。
31.数据筛选条件筛选条件确定原则桨距角最小值>-1.5
°
保证机组处于变桨工作段的满发状态桨距角最大值≤80
°
排除启停机状态数据桨距角跨度>0.1
°
保持充足的变桨动作输入输出数据间的mse<1排除数据记录错误情况
32.其中，输入输出数据间的mse可以由表示，mse表示均方误差，n为一组数据中的数据点个数，u
i
为在时间点i时的桨距角给定值，为三支叶片在时间点i时的桨距角测量值的平均值。然而，上述示例仅是示例性的，针对不同机组的特性，数据筛选条件中的具体数值可以根据数据分析结果进行适应性调整。在确定了数据筛选条件后，可以根据数据筛选条件从获得的数据中删除不满足数据筛选条件的桨距角数据。
33.此外，由于从控制器给出变桨指令到实际执行过程中会有通讯延迟，也可能存在机械结构引起的响应延时，所以可以对桨距角给定值进行延时补偿。例如，延时补偿时间可以根据理论计算获得，例如，为采样周期的若干倍。延时补偿时间还可以通过简单的实验测量获得，即给定一个阶跃信号，观察响应动作发生时间滞后于给定时间多少，从而获得延时补偿时间。延时时间通常由通讯方式和协议决定，不会发生变化，因此可以在一次实验得到延时参数后，将延时时间作为常数。然而，上述示例仅是示例性的，本公开不限于此。
34.在步骤s102，通过对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的传递函数的参数。
35.在使用一阶传递函数进行计算的情况下，可以通过基于一阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行数学计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的一阶传递函数的时间常数。具体地，可以将桨距角给定值作为一阶传递函数的输入值，将桨距角测量值作为一阶传递函数的输出值，通过基于一阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行数学变换来构造关于时间常数的函数，然后根据时间常数的函数来拟合时间常数。
36.作为示例，假设变桨执行机构输入输出数据的传递函数为一阶滞后传递函数，如下等式(1)所示：
[0037][0038]
其中，y(s)表示桨距角测量值(即输出值)，u(s)表示桨距角给定值(即输入值)，k为增益，可以默认为1，θ表示由于通讯延时引入的延时时间，通常为固定值，可以根据上述方法计算获得，因此需要辨识的参数只有时间常数τ。
[0039]
对筛选后的数据进行延时补偿后，上述传递函数(1)可以简化为等式(2)：
[0040][0041]
将简化后的传递函数(2)进行时域转化可以得到等式(3)：
[0042][0043]
进一步对等式(3)进行数学变换可以得到等式(4)、(5)和(6)：
[0044][0045][0046]
[0047]
通过上述变换，可以将时间常数辨识问题转化为线性回归问题，例如，可以采用最小二乘法进行解析求解，即得到等式(7)和(8)：
[0048]
y＝xβ ∈
ꢀꢀꢀ
(7)
[0049][0050]
其中，
[0051]
y＝dy
[0052]
x＝u-y
[0053][0054]
其中，x作为自变量，y作为因变量，β为未知的定常系数，∈为符合正态分布假设的随机误差，一般是测量误差，dt为采样周期，固定不变，则时间常数τ可以从以上最小二乘法所得的斜率估计中计算得到。
[0055]
可选地，还可以采用暴风算法进行时间常数的拟合。具体地，确定时间常数的取值范围，按照预定步长遍历确定的取值范围内的时间常数，然后针对确定的辨识准确度指标，从所述取值范围中选取辨识准确度指标最高的时间常数。
[0056]
作为示例，可以依据时间常数τ的设计值预先判断出合理的辨识范围(即取值范围)，例如(0,1]秒。针对预先确定的取值范围，以一定步长进行遍历，其中，步长的选取可以综合考虑采样频率和计算资源，例如，对于工业中常用的50hz的采样频率，可以选取0.01秒作为遍历步长。最终选取辨识准确度指标最高的参数估计值作为辨识结果。关于辨识准确度指标的选取，可以选取均方误差作为辨识准确度指标，即将辨识得到的时间常数带入到传递函数中，结合变桨给定信号反推变桨响应，利用拟合的变桨响应和实际的变桨位置时序信号求取均方误差。该均方误差描述了辨识的传递函数与系统实际响应的匹配误差，误差越小表明辨识结果准确性越高，即对系统响应的描述性越强。
[0057]
在使用二阶传递函数进行计算的情况下，可以通过基于二阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的二阶传递函数的频率和阻尼比参数。在针对二阶传递函数进行上述数学变换时，当转化到时域后，二阶传递函数参数的函数为非线性函数，因此，需要采用非线性优化算法对参数进行求解，从而花费相对较多的计算资源。相对于一阶传递函数，通过二阶传递函数参数对变桨执行机构进行在线辨识更加准确，但是在线辨识效率要低于一阶传递函数参数。
[0058]
在步骤s103，利用获得的传递函数的参数执行变桨执行机构的在线状态辨识。例如，可以根据拟合的时间常数来辨识变桨执行机构响应给定变化的快慢程度，即时间常数越小，表示变桨执行机构响应越快，反之亦然。
[0059]
可以将拟合的辨识参数(例如时间常数、阻尼比)代回到相应的传递函数中来获得对于桨距角位置的拟合曲线，然后与实际的测量曲线对比，比较两者之间的偏差，这样可以衡量辨识结果的准确程度。
[0060]
图2是根据本公开的示例性实施例的变桨执行机构在线状态辨识系统的框图。
[0061]
参照图2，辨识系统200可以包括变桨执行机构201和控制器202。在本公开中，控制
器202可以由风力发电机组的主控控制器或者变桨控制器实现，然而本公开不限于此。
[0062]
控制器202可以以特定采样周期获取特定时间段内变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值，通过对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的传递函数的参数，然后利用获得的参数执行变桨执行机构的在线状态辨识。
[0063]
此外，在对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行数学计算之前，控制器202可以使用根据风力发电机组的工作状态和数据记录的有效性所确定的数据筛选条件，从获取的桨距角给定值和桨距角测量值中删除不满足所述数据筛选条件的数据，然后对筛选后的桨距角给定值进行延时补偿。这样，可以更加准确地获得辨识参数。数据筛选条件的确定主要考虑因素包括风力发电机组的工作状态(或变桨动作的丰富性)、数据记录的有效性以及筛选条件的合理性。针对不同机组的特性，数据筛选条件中的具体数值可以根据数据分析结果进行适当调整。
[0064]
作为示例，控制器202可以使用一阶传递函数来获得时间常数作为辨识参数。具体地，控制器202可以通过基于一阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行数学变换来构造关于变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的一阶传递函数的时间常数的函数，然后根据该时间常数的函数来拟合出时间常数。例如，在筛选后的桨距角给定值和测量值进行如上所述的数学变换和延时补偿后，控制器202可以通过最小二乘法对时间常数散点图拟合斜率，即可得到变桨执行机构一阶传递函数的时间常数。
[0065]
可选地，控制器202可以利用暴风算法按照预定步长遍历预定取值范围内的时间常数，然后针对确定的辨识准确度指标，从该取值范围中选取辨识准确度指标最高的时间常数。
[0066]
此外，控制器202可以使用二阶传递函数来获得频率和阻尼比作为辨识参数。具体地，控制器202可以通过基于二阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得针对变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的二阶传递函数的频率和阻尼比。
[0067]
控制器202可以利用拟合的辨识参数来执行变桨执行机构的在线状态辨识。例如，控制器202可以根据拟合的时间常数来辨识变桨执行机构响应给定变化的快慢程度。
[0068]
图3是根据本公开的示例性实施例的变桨执行机构在线状态辨识装置的框图。
[0069]
参照图3，辨识装置300可以包括数据采集模块301和数据处理模块302。辨识装置300中的每个模块可以由一个或多个模块来实现，并且对应模块的名称可根据模块的类型而变化。在各种实施例中，可以省略辨识装置300中的一些模块，或者还可包括另外的模块。此外，根据本公开的各种实施例的模块/元件可以被组合以形成单个实体，并且因此可等效地执行相应模块/元件在组合之前的功能。
[0070]
数据采集模块301可以以特定采样周期获取特定时间段内变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值。
[0071]
数据处理模块302通过对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的传递函数的参数，然后利用获得的参数执行变桨执行机构的在线状态辨识。
[0072]
此外，在对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行数学计算之前，数据处理模
块302可以使用根据风力发电机组的工作状态和数据记录的有效性所确定的数据筛选条件，从获取的桨距角给定值和桨距角测量值中删除不满足所述数据筛选条件的数据，然后对筛选后的桨距角给定值进行延时补偿。这样，可以更加准确地获得辨识参数。数据筛选条件的确定主要考虑因素包括风力发电机组的工作状态(或变桨动作的丰富性)、数据记录的有效性以及筛选条件的合理性。针对不同机组的特性，数据筛选条件中的具体数值可以根据数据分析结果进行适当调整。
[0073]
作为示例，数据处理模块302可以使用一阶传递函数来获得时间常数作为辨识参数。具体地，数据处理模块302可以通过基于一阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行数学变换来构造关于变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的一阶传递函数的时间常数的函数，然后根据该时间常数的函数来拟合出时间常数。例如，在筛选后的桨距角给定值和测量值进行如上所述的数学变换和延时补偿后，数据处理模块302可以通过最小二乘法对时间常数散点图拟合斜率，即可得到变桨执行机构一阶传递函数的时间常数。
[0074]
可选地，数据处理模块302可以利用暴风算法按照预定步长遍历预定取值范围内的时间常数，然后针对确定的辨识准确度指标，从该取值范围中选取辨识准确度指标最高的时间常数。
[0075]
此外，数据处理模块302可以使用二阶传递函数来获得频率和阻尼比作为辨识参数。具体地，数据处理模块302可以通过基于二阶传递函数对获取的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得针对变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的二阶传递函数的频率和阻尼比。
[0076]
数据处理模块302可以利用拟合的辨识参数来执行变桨执行机构的在线状态辨识。例如，数据处理模块302可以根据拟合的时间常数来辨识变桨执行机构响应给定变化的快慢程度。
[0077]
图4是根据本公开的示例性实施例的场级变桨执行机构在线状态辨识系统的拓扑图。
[0078]
本公开的风力发电机组变桨执行机构的在线状态辨识方法可以作为程序被嵌入到单个风力发电机组的控制器进行实时的在线状态辨识，也可以设置在场端或云端进行离线的状态辨识操作。
[0079]
参照图4，假设风电场中存在三个风力发电机组400，可以使用场级控制器401来执行对风电场中的每个风力发电机组变桨执行机构的在线状态辨识。
[0080]
场级控制器401可以以特定采样周期获取特定时间段内风电场中的每个变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值，分别对获取的每个变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值进行计算来获得每个变桨执行机构的桨距角给定值和桨距角测量值之间的传递函数的参数，然后利用获得的辨识参数相应地对每个变桨执行机构执行在线状态辨识。
[0081]
本技术领域技术人员可以理解，本公开包括涉及用于执行本公开中所述操作/步骤中的一项或多项的设备。这些设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者
存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、cd-rom、和磁光盘)、rom(read-only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随即存储器)、eprom(erasable programmable read-only memory，可擦写可编程只读存储器)、eeprom(electrically erasable programmable read-only memory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片。也就是，可读介质包括由设备(例如，计算机)以能够读的形式存储或传输信息的任何介质。
[0082]
本公开仅利用桨距角给定值和叶片的桨距角测量值信息，经过简单地数据变换计算即可获得风力发电机组变桨执行机构传递函数的辨识参数，不需要外加设备，方便快捷，同时具有辨识精度高、无发电量损失、节省人力成本、便于批量化投入和作为线上系统健康监测的手段等优势。
[0083]
虽然本公开是参照其示例性的实施例被显示和描述的，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对其形式和细节进行各种改变。