基于三閉環(huán)控制的風(fēng)電變槳系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u85181.1三閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn) 1137271.2風(fēng)電變槳系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建 2250632.風(fēng)電變槳系統(tǒng)系數(shù)的仿真分析 328242..1風(fēng)電變槳系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)整定 320222..2控制特性仿真分析 31.1三閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)三閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是由位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)組成。位置環(huán)作為最外環(huán)，它的輸出就是電流環(huán)的輸入，其作用就是穩(wěn)定的跟隨位置給定，使實(shí)際位置調(diào)節(jié)到給定位置附近。［17］位置環(huán)作用的情況下，所有的三個(gè)環(huán)都在工作所以此時(shí)運(yùn)算量最多，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間也最長(zhǎng)。速度環(huán)，就是在光電傳感器和電機(jī)編碼器的作用下將處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行PID反饋控制，他環(huán)內(nèi)的輸出可以作為電流環(huán)的輸入。速度環(huán)控制包含了電流環(huán)和速度環(huán)這兩個(gè)部分，總而言之就是無(wú)論在哪一種模式狀態(tài)下，電流環(huán)均參與了工作。電流環(huán)是控制系統(tǒng)作用的基本，電流環(huán)全部在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部進(jìn)展工作，其功能是將輸出電流近似跟隨設(shè)定電流，電流環(huán)工作模式狀態(tài)下，計(jì)算量是最小的，與此同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)也是最快的。［18］風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)模型如圖2.所示。圖2.風(fēng)電變槳系統(tǒng)的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)模型圖三閉環(huán)控制采用的控制方法是PID反饋控制法，它的一些特點(diǎn)是算法比較簡(jiǎn)單、魯棒性好和穩(wěn)定性高。［19］與簡(jiǎn)單閉環(huán)控制和雙閉環(huán)控制相比，三閉環(huán)控制控制精度更高，更加滿足伺服系統(tǒng)對(duì)精度的要求。除此之外，三閉環(huán)變槳系統(tǒng)在工作起動(dòng)過(guò)程中有如下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先是具有飽和非線性控制的特點(diǎn)，它可以根據(jù)APR在不同階段的不同狀態(tài)表現(xiàn)成完全有差別的線性系統(tǒng)，從而使得整個(gè)起動(dòng)過(guò)程不可以簡(jiǎn)單的線性分析，需要對(duì)其先分段在進(jìn)行分析。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是三閉環(huán)控制系統(tǒng)具有位置超調(diào)的特點(diǎn)。最后它還具有準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制的優(yōu)點(diǎn)，也就是在理想條件的前提下滿足最短時(shí)間的控制。1.2風(fēng)電變槳系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建風(fēng)電發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的具體作用就是采用三閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。它主要由三個(gè)環(huán)構(gòu)成，三個(gè)環(huán)分別為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，三環(huán)都采用PI控制。［20］槳距角的給定值和實(shí)際值的偏差作為控制系統(tǒng)的輸入，控制系統(tǒng)通過(guò)偏差值信號(hào)對(duì)實(shí)際位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使位置實(shí)際給定值近似和位置給定值保持一致。具有電流環(huán)內(nèi)環(huán)的三閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真圖如圖5所示。圖5風(fēng)力變槳系統(tǒng)仿真圖三閉環(huán)控制風(fēng)力變槳系統(tǒng)的模型中需要對(duì)同步脈沖觸發(fā)器進(jìn)行封裝，六脈沖觸發(fā)器和同步電源封裝后的內(nèi)部封裝如圖6所示。圖6同步脈沖觸發(fā)器內(nèi)部封裝圖同步觸發(fā)脈沖器由六脈沖觸發(fā)器和同步電源構(gòu)成。六脈沖觸發(fā)器工作所需的電壓為三相同步線電壓，而同步電源的功能就是將三相交流源的相電壓轉(zhuǎn)變成線電壓。與圖5的仿真電路圖結(jié)合，構(gòu)建出總體的仿真模型。2風(fēng)電變槳系統(tǒng)系數(shù)的仿真分析2..1風(fēng)電變槳系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)整定三相交流電源峰值為220V，頻率50hz，首相為0°，其他變量選取默認(rèn)值，B、C相設(shè)置與A相相同只是首相互相相差120°。晶閘管整流橋的緩沖內(nèi)阻設(shè)為、內(nèi)電阻的值設(shè)定為，內(nèi)電抗為0，“PowerElectronicdevice”選擇“Thyristors”。直流電機(jī)的電壓參數(shù)值為,電感參數(shù)值為,勵(lì)磁電阻為，電樞電感為0.012H，電樞電阻為，勵(lì)磁繞組和電樞繞組互感參數(shù)值均設(shè)定為，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取,額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1=100N.m。給定環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置130°,限幅器的上下限設(shè)置為[97,0]，平波電抗器的電感值L=9e-3H。位置反饋系數(shù)設(shè)定為，速度反饋系數(shù)設(shè)定為，電流反饋系數(shù)設(shè)定為。三閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)給定如下：位置環(huán)(APR)：限幅設(shè)置[25,-25]。速度環(huán)(ASR)：限幅設(shè)置[130,-130]。電流環(huán)(ACR)：限幅設(shè)置[130,-130]。2..2控制特性仿真分析系統(tǒng)模型建立完成后，對(duì)參數(shù)設(shè)定再進(jìn)行仿真，圖8、圖9和圖10分別為三閉環(huán)控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的仿真輸出的位置波形圖、轉(zhuǎn)速波形圖和電流波形圖。圖8位置波形圖圖9轉(zhuǎn)速波形圖圖10電流波形圖由仿真結(jié)果可知，在變槳系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，電流和轉(zhuǎn)速快速達(dá)到最大值，變槳系統(tǒng)的槳距角以最大加速度快速上升。當(dāng)達(dá)到給定值時(shí)，電流和轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降經(jīng)過(guò)一定震蕩后，槳距角達(dá)到額定值，此時(shí)因?yàn)榭蛰d運(yùn)行，電流和轉(zhuǎn)速降低近似為0。約0.56S時(shí)，突加負(fù)載，槳距角、轉(zhuǎn)速和電流發(fā)生波動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，槳距角基本回到系統(tǒng)給定值（基本無(wú)靜差），轉(zhuǎn)速與實(shí)際的轉(zhuǎn)速相同，電流與實(shí)際的負(fù)載電流一致。在變槳的整個(gè)過(guò)程中位置調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了三個(gè)階段分別是不飽和階段、飽和階段、退保和階段。第一階段為電流上升階段，此時(shí)速度環(huán)和電流環(huán)快速進(jìn)入飽和狀態(tài)，位置環(huán)不飽和。第二階段為恒流升速階段，此時(shí)，位置曲線呈線性增長(zhǎng)，這一階段位置調(diào)節(jié)器恒處于飽和階段，位置環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)。這一階段為三閉環(huán)控制的主要階段，他基本上完成了處于電流和轉(zhuǎn)速受限狀態(tài)時(shí)的快速啟動(dòng)，此時(shí)運(yùn)用了飽和非線性控制的方法，以保證滿足準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。第三個(gè)階段是位置調(diào)節(jié)階段，當(dāng)位置達(dá)到給定值時(shí)，位置環(huán)的輸入偏差為0，但是因?yàn)槠漭敵鲈诜e分控制的作用下，仍可以維持在限幅值附件，從而電機(jī)仍在加速，所以位置波形曲線出現(xiàn)超調(diào)。位置出現(xiàn)超調(diào)后，位置環(huán)輸入偏差變成負(fù)值，速度環(huán)和電流環(huán)開(kāi)始脫離飽和狀態(tài)，從而確保速度和電流保持恒定。在三閉環(huán)控制的風(fēng)電變槳系統(tǒng)中，位置環(huán)的作用是對(duì)槳距角進(jìn)行準(zhǔn)確的位置跟隨并使之穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。速度環(huán)的功能是對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行抗干擾調(diào)節(jié)。速度環(huán)的環(huán)內(nèi)輸出也就是電流環(huán)的輸入。電流環(huán)的功能是進(jìn)行電流跟隨，可以及時(shí)的阻止電壓波動(dòng)和進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，位置環(huán)不起作用，速度環(huán)和電流環(huán)發(fā)揮