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基于Nelder-Mead直接搜索MPPT的太阳能光伏水泵系统感应电机驱动
A Direct Search Nelder Mead MPPT Based Induction Motor Drive for Solar PV Water Pumping System
| 作者 | Swetha Kudlur Thyagaraju · Barry Venugopal Reddy · Rohit Kumar Jain |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | MPPT |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 太阳能光伏水泵系统 最大功率点跟踪 Nelder - Mead算法 积分滑模控制器 系统性能 |
语言:
中文摘要
本文介绍了一种用于太阳能光伏水泵系统(WPS)最大功率点跟踪(MPPT)的Nelder - Mead(NM)优化方法。NM方法包含四个主要操作,即反射、扩展、收缩和缩小。这些操作有助于所有粒子迅速收敛到全局最大功率点(GMPP),且稳态振荡可忽略不计。一个与感应电机驱动器集成的水泵系统通过采用三相电压源逆变器的标量控制方法运行。为了调节直流母线电压,提出了一种鲁棒控制方法,即积分滑模控制器(ISMC)。此外,引入了一个平滑函数来解决与ISMC相关的抖振幅度问题。所提出的系统使用MATLAB进行建模和仿真,随后进行实验验证。此外,通过与传统方法进行比较,证实了该算法的有效性。所提出的NM算法收敛效率达到99.85%,平均跟踪时间为0.23秒。所引入的控制方法有助于提高系统性能,特别是在动态遮荫条件下。
English Abstract
This paper introduces a Nelder-Mead (NM) optimization approach for maximum power point tracking (MPPT) in solar photovoltaic water pumping systems (WPS). The NM method comprises four main operations, namely reflection, expansion, contraction, and shrinkage. These operations assist all particles rapidly converge toward a global maximum power point (GMPP) with negligible steady-state oscillation. A water pumping system, integrated with an induction motor drive, is operated through a scalar control method employing a three-phase voltage source inverter. To regulate the DC-link voltage, a robust control method, specifically the integral sliding mode controller (ISMC), is proposed. Furthermore, a smooth function is introduced to address the concern of chattering magnitude associated with the ISMC. The proposed system is both modeled and simulated using MATLAB followed by experimental validation. Additionally, the effectiveness of the algorithm is confirmed through comparisons with conventional methods. The proposed NM algorithm demonstrates a convergence efficiency of 99.85%, with an average tracking time of 0.23 s. The introduced control methods contribute to improvement in system performance, particularly under dynamic shading conditions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源光伏水泵系统及逆变器产品线角度分析,该论文提出的Nelder-Mead优化算法在最大功率点跟踪(MPPT)领域展现出显著的技术价值。该算法通过反射、扩展、收缩和收缩四种操作实现快速收敛,追踪效率达99.85%,平均响应时间仅0.23秒,相比传统方法在动态遮阴条件下表现出更优的稳态性能和更小的功率振荡。
对于阳光电源的光伏水泵逆变器产品,该技术具有直接应用价值。当前公司的光伏扬水系统已在农业灌溉、荒漠治理等场景广泛部署,但复杂光照条件下的MPPT性能仍有优化空间。NM算法在局部遮阴工况下的全局最优搜索能力,可有效提升系统在多峰值功率曲线下的能量提取效率,这对提高产品竞争力具有实际意义。论文中引入的积分滑模控制器(ISMC)用于直流母线电压调节,其抗扰动特性与阳光电源在电机驱动控制领域的技术积累高度契合。
技术成熟度方面,该方案已完成MATLAB仿真和实验验证,但从工程化角度仍需关注几个挑战:一是NM算法的计算复杂度对低成本DSP/MCU平台的适配性;二是在极端环境温度下算法参数的自适应调整;三是与现有产品控制架构的兼容性。
建议将该算法纳入公司光伏水泵控制器的技术储备,优先在高端产品线进行试点验证,特别是针对山地、沙漠等复杂光照场景的应用。同时可探索将该优化思想扩展至储能系统的能量管理和组串式逆变器的多路MPPT控制中,形成技术协同效应。