集成PID控制器的增强型自适应扰动观察法在复杂可重复辐照条件下实现光伏系统快速全局最大功率点跟踪

本综述提出一种结合比例-积分-微分（PID）控制器的增强型自适应扰动观察（EAP&O-PID）算法，通过动态边界条件解决传统最大功率点跟踪（MPPT）技术在局部遮阴（PSC）条件下的全局最大功率（GMP）追踪难题。该方案在MATLAB/Simulink和NI PXIe-1071硬件在环（HIL）平台上验证显示，其功率转换效率达99.7%，跟踪时间仅0.004秒，能量采集值达10.5 W·s，显著提升光伏系统在动态环境中的响应速度与稳定性。

　　

亮点（Highlight）

• 本研究引入了一种用于光伏系统在均匀条件和局部遮阴（PSC）下的快速间接或闭环全局最大功率点跟踪（GMPPT）算法，即结合比例-积分-微分（PID）控制器的增强型自适应扰动观察法（EAP&O-PID）。该集成显著加速跟踪收敛，抑制稳态振荡，并通过动态边界条件解决发散问题，改进了[46][47]的工作。

• 识别局部遮阴条件（PSC）并快速搜索全局最大功率（GMP），从而通过减少检测和扫描过程中的测量点提高系统效率。

• 另一关键方面是，开路电压（V_oc）和辐照数据无需使用辐照和温度传感器即可持续更新，大幅降低全局最大功率点跟踪（GMPPT）部署的成本和复杂性。

• 在所有局部遮阴（PS）条件下测试的模拟结果达到了最高性能，平均绝对误差（MAE）为20.3%，均方根误差（RMSE）为75.4%，平均相对误差（RE）为95%，成功率（SR）为96%。实验结果显示，在所有局部遮阴（PS）条件下，平均效率和跟踪时间分别提高了99.62%和0.04%。这些结果与其他方法相比最为有效。

系统概述（Overview of the System）

图1显示了用于评估所提方法有效性的装置。光伏电源由三个串联面板组成，每个面板配备两个旁路二极管。这些旁路二极管通过允许电流绕过被遮阴的电池来减轻局部遮阴的影响。直流升压转换器确保直流负载在高于全局最大功率（GMP）的电压下运行。直流升压转换器将光伏发电机的电压提升至所需水平。

PID控制器设计（PID Controller Design）

• 1) Q参数化方法

闭环传递函数T₀(s)如图7所示。该回路可通过公式(17)确定。标称对象模型（图1所示的光伏系统和直流升压转换器）表示为G_vd(s)，控制器传递函数表示为C(s)，控制参考表示为v_MPP(s)，控制信号表示为d(s)，对象输出或控制因子表示为v_g(s)[48]。

由于T₀(s)与C(s)的关系是...

模拟结果（Simulation Results）

用于评估所提出的增强型自适应扰动观察法结合比例-积分-微分控制器（EAP&O-PID）的光伏太阳能系统如图15所示。光伏模块和升压转换器的电气参数由表3表征。仅更改MATLAB函数框以测试各种方法。模拟选择了六种不同的局部遮阴条件（PSC）场景01、02、03、04、05和06。全局最大功率点（GMPP）位于这些设计的功率-电压（P–V）曲线上的特定位置。

性能分析（Performance analysis）

光伏系统在开环（OL）调节下的稳定时间（ST）通过先前指示的值确定为T_(ST-OL)=928.38毫秒。随着比例-积分-微分（PID）调节器（闭环（CL）控制）的加入，系统动态得到增强，变为T_(ST-CL)=213.17微秒。这意味着在计算V_ref处的电流之前，该方法应首先通过等待至少213.17微秒来验证光伏系统是否成功达到V_ref。之后，新的V_ref被...

硬件在环（HIL）的实验分析（Experimental analyses of the HIL）

硬件在环（HIL）实验的目的是验证所提算法的有效性和可行性。广泛使用的硬件在环（HIL）测试框架是为复杂的实时方案开发和精确验证而创建的。硬件在环（HIL）设置和为本项目创建的实际平台如图32所示。实时仿真器（NI-PXIe）用于光伏系统和直流升压转换器的开发。全局最大功率点跟踪（GMPPT）技术通过数字信号处理器（DSP）实现。数字信号处理器（DSP）使用...

结论（Conclusion）

本研究提出了一种新颖有效的方法EAP&O-PID，用于在均匀和局部遮阴（PS）环境下提高光伏系统性能。主要创新在于利用快速间接全局最大功率点跟踪（GMPPT）方法，通过比例-积分-微分（PID）控制器的设计与集成实现。比例-积分-微分（PID）控制器通过提供比早期技术快四倍的改进，显著加快了系统响应。本文全面描述了EAP&O-PID，它包含两个关键部分。基于...