本發(fā)明涉及風力發(fā)電系統(tǒng)控制，具體涉及一種基于固定時間收斂的永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)無模型積分滑模mppt控制方法。

背景技術：

1、風能作為一種清潔能源，被各國廣泛用于解決能源短缺問題。但而風力發(fā)電系統(tǒng)存在內(nèi)部參數(shù)攝動，外部擾動等問題，并且風速具有易變性，隨機性和不可預知等特點，會使系統(tǒng)對風能的利用效率降低，如何最大程度地利用風能，降低風速變化對系統(tǒng)帶來的負面影響，提高系統(tǒng)的魯棒性，是研究風電系統(tǒng)最大功率跟蹤(maximum?power?pointtracking，mppt)控制的意義。

2、采用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(direct-permanent?magnet?synchronousgenerators,d-pmsg)的風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，取消了齒輪箱，降低了維護成本，提高了運行可靠性，因此在整個風能領域更具有優(yōu)勢。但是風力發(fā)電系統(tǒng)存在非線性、內(nèi)部參數(shù)攝動、外部擾動等問題，對于額定風速以下為實現(xiàn)最大功率跟蹤采用的傳統(tǒng)策略，如爬山法、葉尖速比法都難以實現(xiàn)對最大功率點的快速跟蹤和高精度控制。

3、鑒于此，越來越多的智能控制方法被應用在風力發(fā)電系統(tǒng)中如：pi控制、滑?？刂?、模糊控制等。但由于系統(tǒng)的非線性特征，傳統(tǒng)pi控制在保證風電系統(tǒng)動態(tài)性能和魯棒性方面表現(xiàn)出明顯的不足?；？刂埔蕾囉谙到y(tǒng)模型的準確性，當風電系統(tǒng)建模不精確或存在不確定性時，滑?？刂频男阅軙艿斤@著影響。模糊控制在風電系統(tǒng)狀態(tài)變化劇烈的情況下，控制的性能可能會下降，且模糊控制理論缺乏系統(tǒng)性和通用性的分析工具，難以對控制系統(tǒng)進行嚴格的數(shù)學分析和性能保證。

技術實現(xiàn)思路

1、基于上述分析，針對直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)存在的電機參數(shù)攝動、內(nèi)外部擾動等問題。本發(fā)明提出了一種基于固定時間收斂的永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)無模型積分滑模mppt控制方法，此方法基于永磁同步電機pmsg轉(zhuǎn)速環(huán)的新型超局部模型，將無模型控制(model-free?control，mfc)與固定時間積分滑模控制(fixed-time?integral?slidingmodecontrol,ftismc)結(jié)合，從而設計無模型固定時間積分滑?？刂破?。通過該控制器能夠削弱滑模抖振并提高響應速度。為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，本發(fā)明設計了一種擴展擾動觀測器(extended?disturbance?observer,edo)用于估計未知部分，并將其前饋補償至控制器中。該控制方法提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，能更有效的實現(xiàn)最大功率跟蹤，提高發(fā)電效率。

2、本發(fā)明采取的技術方案為：

3、基于固定時間收斂的永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)無模型積分滑模mppt控制方法，其特征在于包括以下步驟：

4、步驟1：構(gòu)建永磁同步電機轉(zhuǎn)速環(huán)的新型超局部模型；

5、步驟2：基于步驟1構(gòu)建的永磁同步電機轉(zhuǎn)速環(huán)的新型超局部模型，結(jié)合固定時間理論，設計無模型固定時間積分滑?？刂破鳎_保系統(tǒng)狀態(tài)固定時間內(nèi)收斂，利用lyapunov函數(shù)證明了該控制器的收斂性；

6、步驟3：設計擴展擾動觀測器，對永磁同步電機轉(zhuǎn)速環(huán)的新型超局部模型中的未知擾動在線估計，并以前饋補償?shù)姆绞窖a償給無模型固定時間積分滑?？刂破?。

7、所述步驟1中，永磁同步電機pmsg轉(zhuǎn)速環(huán)狀態(tài)方程描述為：

8、

9、式(5)中，ωm為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；j為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量；tm為風力機的氣動轉(zhuǎn)矩；np為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)；ψf為永磁體的磁鏈；iq為定子電流q軸分量；bm為粘性摩擦系數(shù)。

10、考慮到實際運行中電機受到內(nèi)部電磁參數(shù)攝動、系統(tǒng)不確定性和外界干擾等因素的影響，式(5)可寫為：

11、

12、上式中：b0、ψf0、j0分別為粘性摩擦系數(shù)、永磁體磁鏈、轉(zhuǎn)動慣量的標稱值；fω表示速度環(huán)的集總擾動；△b、△ψf、△j分別為粘性摩擦系數(shù)、永磁體磁鏈、轉(zhuǎn)動慣量的變化量；tm為風力機的氣動轉(zhuǎn)矩；ωm′為轉(zhuǎn)速的一階導數(shù)。

13、建立永磁同步電機pmsg新型超局部模型，對于單輸入和單輸出的控制系統(tǒng)，其新型超局部模型為：

14、

15、式(8)中，x為控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量；為狀態(tài)變量的一階導數(shù)；y為系統(tǒng)輸出；u為控制輸入；α為待設計的iq增益；β為待設計的ωe增益；f為系統(tǒng)未知部分，包含直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)不確定、系統(tǒng)干擾等未知部分。

16、根據(jù)式(6)與式(8)，建立旋轉(zhuǎn)坐標系下永磁同步電機pmsg轉(zhuǎn)速環(huán)的新型超局部模型，如式(9)所示：

17、

18、一般情況下，通過比較電機狀態(tài)方程和永磁同步電機pmsg轉(zhuǎn)速環(huán)的新型超局部模型，得到α＝-3npψf0/2j0、β＝-b0/j0；α和β取值可以是不精確的值,因參數(shù)選取帶來的誤差部分已視為了f的一部分,f不需要電機的準確參數(shù)就可以保持控制性能，做到無模型控制。

19、所述步驟2中，設計無模型固定時間積分滑?？刂破饔糜谵D(zhuǎn)速環(huán)，狀態(tài)誤差為控制目標，其中為給定機械角速度，利用lyapunov函數(shù)穩(wěn)定判據(jù)證明無模型固定時間積分滑模控制器穩(wěn)定性，具體如下：

20、直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速誤差方程為：

21、

22、式中,為發(fā)電機的參考轉(zhuǎn)速即最佳轉(zhuǎn)速。

23、設計的滑模面為：

24、

25、式中，s為積分滑模面；k1為滑模系數(shù)；k2為滑模系數(shù)；k3為滑模系數(shù)；為函數(shù)項；為函數(shù)項；γ1為代設計的參數(shù)；γ2為代設計的參數(shù)；

26、且siga(x)＝|x|asign(x),k1>0,k2>0,k3≥0.5,0.5<γ1<1,γ2>1。

27、引理1：設一階非線性不等式滿足如下條件：

28、

29、式中，為函數(shù)v(x)的一階導數(shù)；γ為大于零的常數(shù)；χ為大于零的常數(shù)；m、n表示次冪；且γ>0，χ>0，m>1，0<n<1；v(x)m為v(x)的m次冪；v(x)n為v(x)的n次冪；v(0)為v(x)的初始狀態(tài)；v0為初值；則對于任意初值v(x(t0))，v(x)將在一個上界時間內(nèi)收斂到平衡點，且收斂時間滿足公式：

30、

31、對于轉(zhuǎn)速誤差方程式(10)，選擇式(11)積分滑模面，當直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)進入積分滑模面后，將在上界時間內(nèi)收斂到零。

32、當直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)進入積分滑模面后，由滑模等值原理可知為積分滑模面s的一階導數(shù)；

33、由式(11)得到：

34、

35、選取v1＝1/2e2為lyapunov函數(shù)，v1為李雅普諾夫函數(shù)；

36、對v1求導得到：

37、

38、式(15)中，為李雅普諾夫函數(shù)的一階導數(shù)；α1、α2為常數(shù)項；

39、根據(jù)引理1，證明了跟蹤誤差e將在固定時間內(nèi)收斂到零，且收斂時間的上界為：

40、

41、對式(11)求導，并將狀態(tài)方程式(9)代入，得到等效控制項ueq為：

42、

43、為使直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)快速達到并保持在滑模面上，設計切換控制率usw：

44、

45、式(18)中，d為代設計的參數(shù)sign(s)為符號函數(shù)；g1為代設計的參數(shù)；g2為代設計的參數(shù)；y為代設計的參數(shù)；為函數(shù)項；函數(shù)項；

46、基于(17)和(18)，將固定時間積分滑?？刂破鱢tismc設計為：

47、u＝ueq+usw(19)；

48、式(19)中，u為固定時間積分滑?？刂破鞯目刂坡?；若ωm由式(19)所提出的固定時間積分滑模控制器ftismc控制，則轉(zhuǎn)速跟蹤誤差e將在上界時間內(nèi)收斂到滑模面s＝0上

49、證明：選取lyapunov函數(shù)為v2＝1/2s2，v2為李雅普諾夫函數(shù)；

50、對v2求導可得：

51、

52、其中，為李雅普諾夫函數(shù)的一階導數(shù)；為參考轉(zhuǎn)速的一階導數(shù)；為函數(shù)項；為函數(shù)項；為v2的次冪；為v2的次冪；

53、因此，基于引理1，e將在固定時間內(nèi)到達并保持在s＝0上，且上界收斂時間為：

54、

55、總的控制律，如式(22)所示：

56、

57、式(22)中，定子電流q軸分量的參考值；

58、所述步驟3中，設計擴展擾動觀測器觀測直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中的未知擾動f，并將觀測值前饋給無模型固定時間滑?？刂破?；具體如下：

59、令狀態(tài)變量x1＝ωm，輸出y＝ωm，由式(9)可得：

60、

61、式(23)中，為狀態(tài)變量的一階導數(shù)；x1為狀態(tài)變量；y為系統(tǒng)輸出；a、b為參數(shù)；定義系統(tǒng)新的狀態(tài)變量x2，并記重新對系統(tǒng)進行構(gòu)造，得到新的狀態(tài)空間方程為:

62、

63、式(24)中，x2為未知擾動；為未知擾動的一階導數(shù)；

64、以此構(gòu)造系統(tǒng)式(34)的擴張擾動觀測器為:

65、

66、式(25)中：η1為代設計的參數(shù)；η2為代設計的參數(shù)；σ、η1、η2>0。為發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速ωm的估計值，為未知總擾動f的估計值。采用該擴張擾動觀測器，可實現(xiàn)

67、本發(fā)明一種基于固定時間收斂的永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)無模型積分滑模mppt控制方法，技術效如下：

68、針對傳統(tǒng)pi控制器在永磁直驅(qū)風力發(fā)電機中進行最大功率跟蹤時響應速度慢、追蹤精度低等問題，提出一種無模型固定時間積分滑?？刂品椒?。首先，構(gòu)建了永磁同步電機轉(zhuǎn)速環(huán)的新型超局部模型，再結(jié)合固定時間理論設計無模型固定時間積分滑模控制器，確保系統(tǒng)狀態(tài)固定時間內(nèi)收斂，并有效減小抖振。其次，設計擴張擾動觀測器實時精準估計新型超局部模型中的未知擾動并通過前饋補償?shù)姆绞窖a償給控制器，削弱未知擾動對系統(tǒng)帶來的不利影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，實現(xiàn)在風速突變情況下快速實現(xiàn)最大功率跟蹤