基于规则的实时最大功率点跟踪（MPPT）方法的设计与实验验证，用于风力驱动的水泵系统

《Scientific Reports》：Design and experimental validation of a rule-based real-time MPPT for wind-powered water pumping

　　

摘要

独立的风力水力泵送系统在风速快速变化的情况下会出现显著的功率波动，这导致能量提取效率降低，且当采用传统的固定步长最大功率点跟踪（MPPT）方法时，跟踪性能也会下降。本文提出了一种基于规则的自主MPPT策略，该策略将监控规则层与传统的扰动观察（P&O）算法相结合，根据实时功率变化、转子转速偏差以及风速瞬态条件动态调节扰动步长和方向。此外，还引入了二阶扩展状态观测器（ESO）以增强抗干扰能力和动态稳定性。该方法的创新之处在于无需训练数据集、人工智能模型或基于种群的优化算法即可实现自主MPPT操作，同时保持了较低的计算复杂度，适用于实时应用。所提出的控制器在LabVIEW–SPEEDGOAT测试平台上的快速控制（TRC）平台上进行了实现，并通过一个基于500瓦永磁同步发电机（PMSG）的独立风力水力泵送系统在模拟风速为5–8米/秒的条件下进行了实验验证。实验结果表明，与传统固定步长P&O MPPT相比，在相同的运行条件下，该控制器具有更快的收敛速度、更小的稳态振荡以及更好的跟踪稳定性。所提出的控制器的MPPT跟踪效率达到了83–87%，而传统P&O方法的效率为72–75%，因此在动态风速条件下提高了约15%。实验结果证明，这种低复杂度的基于规则的MPPT方法为独立水力泵送应用中的可靠风能提取提供了一种有效且实用的解决方案。