基于GUI的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)辨識(shí)軟件設(shè)計(jì)

馬記龍 蘭杰 林淑 王其君 趙偉

摘要：為了更好地辨識(shí)出大型雙饋風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的變頻器、變槳系統(tǒng)參數(shù)，指導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制算法設(shè)計(jì)。在理解系統(tǒng)辨識(shí)原理的基礎(chǔ)上，通過MATLAB GUI設(shè)計(jì)了基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性并專用于風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)辨識(shí)軟件，通過該軟件界面設(shè)計(jì)及程序編寫來詳述設(shè)計(jì)過程，通過該辨識(shí)軟件來進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，辨識(shí)過程清晰明了，可以通過輸出曲線判斷辨識(shí)參數(shù)的合理性。該軟件使用方便，操作直觀，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，也利于準(zhǔn)確地獲取模型參數(shù)，利于工程設(shè)計(jì)，確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)辨識(shí);MATLAB;GUI;風(fēng)力機(jī)

中圖分類號(hào)：TP312 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）31-0085-03

1 背景

隨著化石能源日益稀缺，全球環(huán)境越來越惡化，風(fēng)能作為一種儲(chǔ)量大、分布廣、綠色環(huán)?？稍偕鍧嵞茉?，近年來受到了很多國家和地區(qū)的重視[1-2]。風(fēng)力機(jī)是風(fēng)電機(jī)組吸收和轉(zhuǎn)化風(fēng)能的關(guān)鍵設(shè)備，風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵模型和參數(shù)的精確度，直接影響到風(fēng)機(jī)的性能。因此，為保證風(fēng)電機(jī)組安全、平穩(wěn)、可靠運(yùn)行，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率和品質(zhì)，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命至關(guān)重要。目前國內(nèi)外大量研究資料和文獻(xiàn)成果對(duì)風(fēng)電機(jī)組的性能做了研究[3]。如何保證風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程所設(shè)計(jì)的控制算法的精確性，從眾多實(shí)際風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)中辨識(shí)出精確的變頻器、變槳系統(tǒng)控制參數(shù)成為亟待解決的問題。本文針對(duì)此情況，在深入理解系統(tǒng)辨識(shí)原理的基礎(chǔ)上，通過MATLAB GUI開發(fā)界面設(shè)計(jì)了基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性并專用于風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)辨識(shí)軟件。利用此辨識(shí)軟件，風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)分析者不需要實(shí)時(shí)修改程序代碼，而只用導(dǎo)入風(fēng)場(chǎng)主控采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在界面上進(jìn)行相應(yīng)的操作后通過辨識(shí)控件按鈕來直觀地觀察辨識(shí)結(jié)果，進(jìn)而獲取變頻器、變槳系統(tǒng)的參數(shù)，還可以反復(fù)更改參數(shù)來重新進(jìn)行辨識(shí)以獲取最優(yōu)參數(shù)，以指導(dǎo)風(fēng)力機(jī)控制算法設(shè)計(jì)，確保風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。

2 基本原理

系統(tǒng)辨識(shí)即在已知數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按照一定的準(zhǔn)則下，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)以確定一個(gè)與所測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型[4]。在理解辨識(shí)原理和方法的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性，采用離線辨識(shí)算法[5-6]。離線辨識(shí)算法：通常即指批處理算法，是把已經(jīng)采集到的系統(tǒng)Input & Output數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。即先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)預(yù)處理，待選定好系統(tǒng)辨識(shí)算法后，則通過一次計(jì)算即可獲得所需的模型參數(shù)，待模型確定之后，再通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證，具體流程如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，為準(zhǔn)確把握風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)響應(yīng)特性，需對(duì)變槳系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)工作，以低階（通常為二階）的線性模型代替實(shí)際物理模型[7-8]。變槳系統(tǒng)的模型響應(yīng)特性如下：

[G=1s2ω2+2ξsω+1e-τs] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中：[ω]是自然頻率，[ξ]是阻尼比，[τ]是延遲時(shí)間。

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器響應(yīng)特性，通常用如下模型來代表：

[G=1τs+1e-ds] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：[τ]是時(shí)間常數(shù)，[d]是延遲時(shí)間。

3 基于GUI系統(tǒng)辨識(shí)軟件的實(shí)現(xiàn)

MATLAB中提供的GUIDE（Graphical User Interface Development Environment，圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境）設(shè)計(jì)工具，是專門為用戶提供的快速創(chuàng)建GUI的工具包，用戶操作鼠標(biāo)就可以把需要添加的控件拽到設(shè)計(jì)面板中，通過M語言實(shí)現(xiàn)代碼編寫然后激活GUI中的控件，就能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能[9-11]。

3.1 軟件界面設(shè)計(jì)

啟動(dòng)MATLAB，在命令窗口首先輸入“guide”，然后回車則至GUI開發(fā)環(huán)境，接著新建一個(gè)GUI文件。或者單擊MATLAB主窗口的按鈕，生成的GUIDE快速啟動(dòng)對(duì)話框按鈕。

本文設(shè)計(jì)的GUI控制面板所用控件有：13個(gè)靜態(tài)文本（Static Text）控件、4個(gè)觸控按鈕（Push Button）控件、2個(gè)列表框（Listbox）控件、3個(gè)彈起式菜單（Pop-up Menu）控件、6個(gè)可編輯文本（Edit Text）控件和2個(gè)復(fù)選框（Check Box）控件。

本文先修改控件的“String”“FontSize”和“Tag”三個(gè)屬性。 “String”定義控件的顯示字符?！癋ontSize”定義控件的字體大小?！癟ag”定義控件的一個(gè)標(biāo)識(shí)名稱。且各控件分別對(duì)應(yīng)唯一的標(biāo)識(shí)名稱，這樣在編程時(shí)就能唯一地執(zhí)行跟蹤該控件，并完成相關(guān)的操作。完成設(shè)置后的界面如圖1所示。

將GUI文件命為ex，然后點(diǎn)擊保存。這樣GUI的信息將會(huì)自動(dòng)保存到在ex.fig和ex.m文件中。已生成的M文件則會(huì)控制GUI及其操作響應(yīng)。運(yùn)行GUI所需代碼均此M文件中，可通過ex.m編程來控制控件。

3.2 辨識(shí)程序的編寫

在進(jìn)行程序編寫時(shí)，應(yīng)特別注意：ex.m文件中的主函數(shù)不能修改。本文主要包含如下8個(gè)函數(shù)的編寫：

1）ex_OpeningFcn函數(shù)

ex_OpeningFcn函數(shù)進(jìn)行程序的初始化操作。主要使用set函數(shù)，具體如下：

set （handles.A，’PropertyName’，PropertyValue）;

其中，handles.A指向要進(jìn)行初始化的控件，A：此控件的標(biāo)識(shí)符;PropertyName：句柄中要進(jìn)行初始化所對(duì)應(yīng)的屬性名稱;PropertyValu：具體的初始化值。

如：利用set函數(shù)對(duì)“列表框的值”控件進(jìn)行初始化設(shè)置，具體如下：

set （handles.listbox_variables，'value'，[]）;

在ex_OpeningFcn函數(shù)下，可以用多個(gè)set函數(shù)來對(duì)其進(jìn)行初始化。

2）pushbutton_filename_Callback函數(shù)

pushbutton_filename_Callback函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)一般格式為“.cvs”“.xls/.xlsx”格式。主要代碼為：

[filename pathname] = uigetfile（{'*.xls;*.xlsx;*csv'}，'Pick a file'，newpath）;

3）pushbutton_selection_Callback函數(shù)

pushbutton_filename_Callback函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)變量的選取。

4）listbox_variables_Callback函數(shù)

listbox_variables_Callback函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理表頭并顯示。

5）listbox_scalar_Callback函數(shù)

listbox_scalar_Callback函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)縮放對(duì)比不同曲線。

6）pushbutton_plot_Callback函 數(shù)

pushbutton_plot_Callback 函數(shù)用來繪制被選變量時(shí)域坐標(biāo)下的曲線。

7）pushbutton_psd_Callback函數(shù)

pushbutton_psd_Callback函數(shù)用來繪制被選變量的頻譜分析曲線。

8）pushbutton_id_Callback函數(shù)

pushbutton_id_Callback函數(shù)是“ID”按鈕的回調(diào)函數(shù)。具有如下功能：

①系統(tǒng)辨識(shí)主要代碼

處理數(shù)據(jù)前，先用get函數(shù)來讀取風(fēng)場(chǎng)主控采集輸入的數(shù)據(jù)。代碼如下：

get （handles.A，’PropertyName’）;

其中，A：所獲得數(shù)據(jù)的控件的標(biāo)識(shí)符，handles.A：控件的句柄，PropertyName：要獲得的控件對(duì)應(yīng)的屬性名稱。

例如，用get函數(shù)讀取獲得分子輸入控件，具體如下：

get （handles.edit_numerator，’string’）;

用get函數(shù)讀取獲取分母輸入控件，具體如下：

get （handles.edit_denominator，'string'）;

用get函數(shù)讀取獲得延時(shí)輸入控件，具體如下：

get （handles.edit_IODelay，'string'）;

注意，用get函數(shù)獲得的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)類型上來說實(shí)為字符串，將字符串轉(zhuǎn)化為數(shù)字則需調(diào)用str2num函數(shù)。以分子輸入控件中的數(shù)據(jù)獲取為例，具體如下：

numerator = str2num（numerator）;

同理，獲取分母輸入控件的數(shù)據(jù)代碼如下：

denominator = str2num（denominator）;

利用下列代碼來獲取被控對(duì)象的傳遞函數(shù)：

G = tf（numerator，denominator，'iodelay'，delay*2）;

②繪制曲線

程序主要是將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)快速地導(dǎo)入到系統(tǒng)辨識(shí)軟件中去，就能就快速地得到辨識(shí)結(jié)果，繪制擬合曲線，且可方便的更改辨識(shí)參數(shù)，非常方便地對(duì)比不同參數(shù)下的辨識(shí)效果，亦可反復(fù)地辨識(shí)，從而準(zhǔn)確、快速地找到最符合實(shí)際系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，以便用于風(fēng)機(jī)控制算法參數(shù)設(shè)計(jì)。

所有程序的編寫完成并保存后，運(yùn)行程序即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨識(shí)。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文是基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)場(chǎng)主控采集數(shù)據(jù)的辨識(shí)應(yīng)用實(shí)例，主控采樣數(shù)據(jù)來自風(fēng)機(jī)的變槳階躍響應(yīng)和發(fā)電機(jī)變頻器響應(yīng)。輸入數(shù)據(jù)是發(fā)電機(jī)扭矩給定、發(fā)電機(jī)扭矩反饋、槳葉設(shè)定角度、槳葉1角度、槳葉2角度、槳葉3角度。

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的發(fā)電機(jī)變頻器風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到辨識(shí)軟件如圖2所示，點(diǎn)擊ID控件按鈕進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，辨識(shí)出來的發(fā)電機(jī)扭矩響應(yīng)曲線與發(fā)電機(jī)實(shí)際曲線基本一致，驗(yàn)證了辨識(shí)參數(shù)的正確性。辨識(shí)得到的發(fā)電機(jī)+變頻器的參數(shù)為：[d=0.08，τ=0.06]。

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的變槳階躍數(shù)據(jù)導(dǎo)入到辨識(shí)軟件中如圖4所示，點(diǎn)擊ID控件按鈕進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知，辨識(shí)出來的變槳系統(tǒng)響應(yīng)曲線與實(shí)際變槳系統(tǒng)響應(yīng)曲線基本一致，驗(yàn)證了辨識(shí)參數(shù)的正確性。通過系統(tǒng)辨識(shí)得到的變槳系統(tǒng)參數(shù)為：[ω=10.05，ξ=1，τ=0.1]。

5 結(jié)束語

本文利用MATLAB GUIDE設(shè)計(jì)的基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)辨識(shí)軟件，風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)分析者不需要實(shí)時(shí)修改程序代碼，而只用導(dǎo)入風(fēng)場(chǎng)主控采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在界面上進(jìn)行相應(yīng)的操作后通過辨識(shí)控件按鈕直觀地觀察辨識(shí)結(jié)果，同時(shí)可清晰明了地更改辨識(shí)參數(shù)，再多參數(shù)也可反復(fù)辨識(shí)，非常方便地對(duì)比不同參數(shù)下的辨識(shí)效果，從而準(zhǔn)確、清晰地辨識(shí)出滿足變頻器、變槳系統(tǒng)運(yùn)行要求的參數(shù)，以指導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制算法參數(shù)設(shè)計(jì)，便于工程上的應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-06-20

作者簡(jiǎn)介：馬記龍（1988—），男，四川簡(jiǎn)陽人，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組智能算法設(shè)計(jì)及故障診斷;蘭杰（1985—），男，四川高縣人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制算法設(shè)計(jì)及故障診斷;林淑（1986—），女，四川資中人，工程師，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣設(shè)計(jì)、防雷接地;王其君（1982—），男，四川簡(jiǎn)陽人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷設(shè)計(jì);趙偉（1983—），男，四川眉山人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷設(shè)計(jì)。