基于三閉環(huán)控制的風電變槳系統(tǒng)仿真模型的構建案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u85181.1三閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構和優(yōu)點 1137271.2風電變槳系統(tǒng)仿真模型的構建 2250632.風電變槳系統(tǒng)系數(shù)的仿真分析 328242..1風電變槳系統(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)的結構和優(yōu)點三閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構就是由位置環(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，使實際位置調節(jié)到給定位置附近。［17］位置環(huán)作用的情況下，所有的三個環(huán)都在工作所以此時運算量最多，動態(tài)響應時間也最長。速度環(huán)，就是在光電傳感器和電機編碼器的作用下將處理過的信號進行PID反饋控制，他環(huán)內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)這兩個部分，總而言之就是無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)全部在伺服驅動系統(tǒng)的內部進展工作，其功能是將輸出電流近似跟隨設定電流，電流環(huán)工作模式狀態(tài)下，計算量是最小的，與此同時動態(tài)響應也是最快的。［18］風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的三閉環(huán)控制結構模型如圖2.所示。圖2.風電變槳系統(tǒng)的三閉環(huán)控制結構模型圖三閉環(huán)控制采用的控制方法是PID反饋控制法，它的一些特點是算法比較簡單、魯棒性好和穩(wěn)定性高。［19］與簡單閉環(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)對精度的要求。除此之外，三閉環(huán)變槳系統(tǒng)在工作起動過程中有如下三個優(yōu)點，首先是具有飽和非線性控制的特點，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)，從而使得整個起動過程不可以簡單的線性分析，需要對其先分段在進行分析。第二個優(yōu)點是三閉環(huán)控制系統(tǒng)具有位置超調的特點。最后它還具有準時間最優(yōu)控制的優(yōu)點，也就是在理想條件的前提下滿足最短時間的控制。1.2風電變槳系統(tǒng)仿真模型的構建風電發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的具體作用就是采用三閉環(huán)控制系統(tǒng)進行調節(jié)。它主要由三個環(huán)構成，三個環(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際值的偏差作為控制系統(tǒng)的輸入，控制系統(tǒng)通過偏差值信號對實際位置進行調節(jié)，從而使位置實際給定值近似和位置給定值保持一致。具有電流環(huán)內環(huán)的三閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真圖如圖5所示。圖5風力變槳系統(tǒng)仿真圖三閉環(huán)控制風力變槳系統(tǒng)的模型中需要對同步脈沖觸發(fā)器進行封裝，六脈沖觸發(fā)器和同步電源封裝后的內部封裝如圖6所示。圖6同步脈沖觸發(fā)器內部封裝圖同步觸發(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變成線電壓。與圖5的仿真電路圖結合，構建出總體的仿真模型。2風電變槳系統(tǒng)系數(shù)的仿真分析2..1風電變槳系統(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°，其他變量選取默認值，B、C相設置與A相相同只是首相互相相差120°。晶閘管整流橋的緩沖內阻設為、內電阻的值設定為，內電抗為0，“PowerElectronicdevice”選擇“Thyristors”。直流電機的電壓參數(shù)值為,電感參數(shù)值為,勵磁電阻為，電樞電感為0.012H，電樞電阻為，勵磁繞組和電樞繞組互感參數(shù)值均設定為，電動機轉動慣量取,額定負載轉矩T1=100N.m。給定環(huán)節(jié)的參數(shù)設置130°,限幅器的上下限設置為[97,0]，平波電抗器的電感值L=9e-3H。位置反饋系數(shù)設定為，速度反饋系數(shù)設定為，電流反饋系數(shù)設定為。三閉環(huán)調節(jié)器的參數(shù)給定如下：位置環(huán)(APR)：限幅設置[25,-25]。速度環(huán)(ASR)：限幅設置[130,-130]。電流環(huán)(ACR)：限幅設置[130,-130]。2..2控制特性仿真分析系統(tǒng)模型建立完成后，對參數(shù)設定再進行仿真，圖8、圖9和圖10分別為三閉環(huán)控制的風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的仿真輸出的位置波形圖、轉速波形圖和電流波形圖。圖8位置波形圖圖9轉速波形圖圖10電流波形圖由仿真結果可知，在變槳系統(tǒng)起動時，電流和轉速快速達到最大值，變槳系統(tǒng)的槳距角以最大加速度快速上升。當達到給定值時，電流和轉速開始下降經(jīng)過一定震蕩后，槳距角達到額定值，此時因為空載運行，電流和轉速降低近似為0。約0.56S時，突加負載，槳距角、轉速和電流發(fā)生波動，達到穩(wěn)態(tài)后，槳距角基本回到系統(tǒng)給定值（基本無靜差），轉速與實際的轉速相同，電流與實際的負載電流一致。在變槳的整個過程中位置調節(jié)器經(jīng)歷了三個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，此時速度環(huán)和電流環(huán)快速進入飽和狀態(tài)，位置環(huán)不飽和。第二階段為恒流升速階段，此時，位置曲線呈線性增長，這一階段位置調節(jié)器恒處于飽和階段，位置環(huán)相當于開環(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速受限狀態(tài)時的快速啟動，此時運用了飽和非線性控制的方法，以保證滿足準時間最優(yōu)控制。第三個階段是位置調節(jié)階段，當位置達到給定值時，位置環(huán)的輸入偏差為0，但是因為其輸出在積分控制的作用下，仍可以維持在限幅值附件，從而電機仍在加速，所以位置波形曲線出現(xiàn)超調。位置出現(xiàn)超調后，位置環(huán)輸入偏差變成負值，速度環(huán)和電流環(huán)開始脫離飽和狀態(tài)，從而確保速度和電流保持恒定。在三閉環(huán)控制的風電變槳系統(tǒng)中，位置環(huán)的作用是對槳距角進行準確的位置跟隨并使之穩(wěn)態(tài)無靜差。速度環(huán)的功能是對轉速進行抗干擾調節(jié)。速度環(huán)的環(huán)內輸出也就是電流環(huán)的輸入。電流環(huán)的功能是進行電流跟隨，可以及時的阻止電壓波動和進行過電流保護。系統(tǒng)起動時，位置環(huán)不起作用，速度環(huán)和電流環(huán)發(fā)揮