【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风力发电系统控制，具体涉及一种基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模mppt控制方法。
技术介绍
1、风能作为一种清洁能源，被各国广泛用于解决能源短缺问题。但而风力发电系统存在内部参数摄动，外部扰动等问题，并且风速具有易变性，随机性和不可预知等特点，会使系统对风能的利用效率降低，如何最大程度地利用风能，降低风速变化对系统带来的负面影响，提高系统的鲁棒性，是研究风电系统最大功率跟踪(maximum power pointtracking，mppt)控制的意义。
2、采用直驱永磁同步发电机(direct-permanent magnet synchronousgenerators,d-pmsg)的风能转换系统，取消了齿轮箱，降低了维护成本，提高了运行可靠性，因此在整个风能领域更具有优势。但是风力发电系统存在非线性、内部参数摄动、外部扰动等问题，对于额定风速以下为实现最大功率跟踪采用的传统策略，如爬山法、叶尖速比法都难以实现对最大功率点的快速跟踪和高精度控制。
3、鉴于此，越来越多的智能控制方法被应用在风力发电系统中如：pi控制、滑模控制、模糊控制等。但由于系统的非线性特征，传统pi控制在保证风电系统动态性能和鲁棒性方面表现出明显的不足。滑模控制依赖于系统模型的准确性，当风电系统建模不精确或存在不确定性时，滑模控制的性能会受到显著影响。模糊控制在风电系统状态变化剧烈的情况下，控制的性能可能会下降，且模糊控制理论缺乏系统性和通用性的分析工具，难以对控制系统进行严格的数学分析和性能保证。p>
技术实现思路
1、基于上述分析，针对直驱式永磁同步风力发电系统存在的电机参数摄动、内外部扰动等问题。本专利技术提出了一种基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模mppt控制方法，此方法基于永磁同步电机pmsg转速环的新型超局部模型，将无模型控制(model-free control，mfc)与固定时间积分滑模控制(fixed-time integral slidingmodecontrol,ftismc)结合，从而设计无模型固定时间积分滑模控制器。通过该控制器能够削弱滑模抖振并提高响应速度。为了进一步提高系统的抗干扰能力，本专利技术设计了一种扩展扰动观测器(extended disturbance observer,edo)用于估计未知部分，并将其前馈补偿至控制器中。该控制方法提高了系统的动态性能，能更有效的实现最大功率跟踪，提高发电效率。
2、本专利技术采取的技术方案为：
3、基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模mppt控制方法，其特征在于包括以下步骤：
4、步骤1：构建永磁同步电机转速环的新型超局部模型；
5、步骤2：基于步骤1构建的永磁同步电机转速环的新型超局部模型，结合固定时间理论，设计无模型固定时间积分滑模控制器，确保系统状态固定时间内收敛，利用lyapunov函数证明了该控制器的收敛性；
6、步骤3：设计扩展扰动观测器，对永磁同步电机转速环的新型超局部模型中的未知扰动在线估计，并以前馈补偿的方式补偿给无模型固定时间积分滑模控制器。
7、所述步骤1中，永磁同步电机pmsg转速环状态方程描述为：
8、
9、式(5)中，ωm为发电机转子的转速；j为发电机的转动惯量；tm为风力机的气动转矩；np为发电机转子的极对数；ψf为永磁体的磁链；iq为定子电流q轴分量；bm为粘性摩擦系数。
10、考虑到实际运行中电机受到内部电磁参数摄动、系统不确定性和外界干扰等因素的影响，式(5)可写为：
11、
12、上式中：b0、ψf0、j0分别为粘性摩擦系数、永磁体磁链、转动惯量的标称值；fω表示速度环的集总扰动；△b、△ψf、△j分别为粘性摩擦系数、永磁体磁链、转动惯量的变化量；tm为风力机的气动转矩；ωm′为转速的一阶导数。
13、建立永磁同步电机pmsg新型超局部模型，对于单输入和单输出的控制系统，其新型超局部模型为：
14、
15、式(8)中，x为控制系统的状态变量；为状态变量的一阶导数；y为系统输出；u为控制输入；α为待设计的iq增益；β为待设计的ωe增益；f为系统未知部分，包含直驱永磁风力发电系统参数不确定、系统干扰等未知部分。
16、根据式(6)与式(8)，建立旋转坐标系下永磁同步电机pmsg转速环的新型超局部模型，如式(9)所示：
17、
18、一般情况下，通过比较电机状态方程和永磁同步电机pmsg转速环的新型超局部模型，得到α＝-3npψf0/2j0、β＝-b0/j0；α和β取值可以是不精确的值,因参数选取带来的误差部分已视为了f的一部分,f不需要电机的准确参数就可以保持控制性能，做到无模型控制。
19、所述步骤2中，设计无模型固定时间积分滑模控制器用于转速环，状态误差为控制目标，其中为给定机械角速度，利用lyapunov函数稳定判据证明无模型固定时间积分滑模控制器稳定性，具体如下：
20、直驱永磁风力发电系统的转速误差方程为：
21、
22、式中,为发电机的参考转速即最佳转速。
23、设计的滑模面为：
24、
25、式中，s为积分滑模面；k1为滑模系数；k2为滑模系数；k3为滑模系数；为函数项；为函数项；γ1为代设计的参数；γ2为代设计的参数；
26、且siga(x)＝|x|asign(x),k1>0,k2>0,k3≥0.5,0.5<γ1<1,γ2>1。
27、引理1：设一阶非线性不等式满足如下条件：
28、
29、式中，为函数v(x)的一阶导数；γ为大于零的常数；χ为大于零的常数；m、n表示次幂；且γ>0，χ>0，m>1，0<n<1；v(x)m为v(x)的m次幂；v(x)n为v(x)的n次幂；v(0)为v(x)的初始状态；v0为初值；则对于任意初值v(x(t0))，v(x)将在一个上界时间内收敛到平衡点，且收敛时间满足公式：
30、
31、对于转速误差方程式(10)，选择式(11)积分滑模面，当直驱永磁风力发电系统状态进入积分滑模面后，将在上界时间内收敛到零。
32、当直驱永磁风力发电系统状态进入积分滑模面后，由滑模等值原理可知为积分滑模面s的一阶导数；
33、由式(11)得到：
34、
35、选取v1＝1/2e2为lyapunov函数，v1为李雅普诺夫函数；
36、对v1求导得到：
37、
38、式(15)中，为李雅普诺夫函数的一阶导数；α1、α2为常数项；
39、根据引理1，证明了跟踪误差e将在固定时间内收敛到零，且收敛时间的上界为：
40、
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【技术保护点】
1.基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模MPPT控制方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模MPPT控制方法，其特征在于：所述步骤1中，永磁同步电机PMSG转速环状态方程描述为：
3.根据权利要求1所述基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模MPPT控制方法，其特征在于：所述步骤2中，设计无模型固定时间积分滑模控制器用于转速环，
4.根据权利要求3所述基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模MPPT控制方法，其特征在于：直驱永磁风力发电系统的转速误差方程为：
5.根据权利要求1所述基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模MPPT控制方法，其特征在于：所述步骤3中，设计扩展扰动观测器观测直驱永磁风力发电系统中的未知扰动F，并将观测值前馈给无模型固定时间滑模控制器；具体如下：
【技术特征摘要】
1.基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模mppt控制方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模mppt控制方法，其特征在于：所述步骤1中，永磁同步电机pmsg转速环状态方程描述为：
3.根据权利要求1所述基于固定时间收敛的永磁直驱风电系统无模型积分滑模mppt控制方法，其特征在于：所述步骤2中，设计无模型固定时间积分...
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