最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)中國專利申請狀況分析

摘 要：伴隨著最近幾年國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究取得了巨大的進(jìn)展。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）有利于光伏功率的充分利用。文章對光伏領(lǐng)域最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)的中國專利申請的時間分布、申請人分布等進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并重點(diǎn)對MPPT技術(shù)領(lǐng)域分支和技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理，從而為該技術(shù)領(lǐng)域的科研人員、申請人以及審查員提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)追蹤；MPPT；專利申請

1 概述

工業(yè)革命以來，煤炭、石油、天然氣一直是作為人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的三大常規(guī)化石能源，但環(huán)境污染和能源枯竭迫使人類加緊尋找清潔的、可再生的能源。太陽能由于具備清潔性、可再生性以及取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，正在成為世界能源體系中的重要組成部分。進(jìn)入21世紀(jì)以來，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外取得了迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究也隨之取得了巨大的進(jìn)展。

MPPT技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。如圖1、2所示，在一定的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和其他因素下，光伏電池可以輸出不同的直流電壓，但是只有在某一個特定輸出電壓值時，輸出功率才能達(dá)到最大值，這時光伏電池工作在該條件下P-U曲線的最高點(diǎn)，被稱為最大功率點(diǎn)[1]。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，有利于光伏功率的充分利用。文章將對最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)的相關(guān)中國專利申請的時間分布、申請人分布進(jìn)行統(tǒng)計分析、并重點(diǎn)對MPPT技術(shù)領(lǐng)域分支和技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理。

圖1 光伏電池輸出特性隨光照的變化曲線

圖2 光伏電池輸出特性隨溫度的變化曲線

2 MPPT技術(shù)中國專利申請概況

2.1 專利申請量的年度分布

作者在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫CNABS中以分類號加關(guān)鍵詞的方式進(jìn)行相關(guān)專利的檢索。分類號采用IPC分類號G05F1/67，關(guān)鍵詞包括：MPPT、最大功率、跟蹤、追蹤等。截止2015年4月9日，已公開的涉及MPPT技術(shù)的中國專利申請共計477件。由于專利公開存在滯后性，因此并未考慮2013-2015年的專利申請。

根據(jù)統(tǒng)計，MPPT技術(shù)領(lǐng)域在1997年之前的專利申請量一直為零；1997-2015年的MPPT技術(shù)領(lǐng)域中國專利申請量隨年代的分布情況如圖3所示。從圖中可以看出，從1997-2007年的十年期間，雖然每年都有一定的申請量，但數(shù)量較少；從2008-2012年，與MPPT技術(shù)相關(guān)的中國專利申請量開始快速增加。這說明最近幾年，國內(nèi)外關(guān)于MPPT技術(shù)的研究比較充分，申請人逐步認(rèn)識到了MPPT技術(shù)的重要作用，這與最近幾年全球光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展趨勢是相符的。

2.2 專利申請量的申請人分布

根據(jù)統(tǒng)計，與MPPT技術(shù)有關(guān)的中國專利申請的申請人共計284個，其中申請量較大、排名比較靠前的申請人分別為：浙江工業(yè)大學(xué)（14件），河海大學(xué)（10件）、上海康威特吉能源技術(shù)有限公司（8件）、通用電氣公司（8件）、三洋電機(jī)株式會社（7件）。MPPT技術(shù)中國專利申請的申請人類型分布如圖4所示。

圖4 MPPT技術(shù)中國專利申請的申請人類型分布

3 MPPT技術(shù)控制方法的分支及發(fā)展

3.1 經(jīng)典MPPT控制方法

最早出現(xiàn)的MPPT控制方法是恒定電壓跟蹤法（CVT）[1]。如圖1所示，在光伏電池溫度一定時，光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點(diǎn)電壓幾乎分布在一個固定電壓值的兩側(cè)。因此，CVT控制法的思路即是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處，此時光伏電池在整個工作過程中將近似工作在最大功率點(diǎn)處。此外，比較典型的MPPT控制方法還包括擾動觀察法（P&O）、增量電導(dǎo)法（IncCond）[2]。擾動觀察法方法簡單，但會導(dǎo)致輸出在最大功率點(diǎn)附近振蕩，造成一定的功率損失，并且當(dāng)環(huán)境變化劇烈時有可能導(dǎo)致跟蹤失敗。增量電導(dǎo)法控制相對精確、跟蹤速度較快，基本可以消除在最大功率點(diǎn)振蕩現(xiàn)象，與擾動觀察法相比，存在跟蹤速度與跟蹤精度矛盾的問題。其他常規(guī)的MPPT控制方法還包括：模糊控制法、間歇掃描法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法[1]。

3.2 改進(jìn)的MPPT控制方法

3.2.1 常規(guī)MPPT控制方法的改進(jìn)。在常規(guī)的各種MPPT控制方法研究比較充分的基礎(chǔ)上，開始出現(xiàn)常規(guī)MPPT控制方法的改進(jìn)，比如變步長的MPPT控制方法。申請?zhí)枮?01210091965的中國專利申請公開了一種變步長的擾動觀察法來實現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，其構(gòu)思在于，以常規(guī)的擾動觀察法為基礎(chǔ)，結(jié)合PID算法中的控制表達(dá)式，以太陽能電池的特性曲線圖中的斜率dP/dU為參數(shù)，計算出合適的擾動步長，達(dá)到快速跟蹤最大功率點(diǎn)以及使最大功率點(diǎn)附近無震蕩的效果，并且增加了太陽能電池的使用效率；另外，申請?zhí)枮?01110054048的中國專利申請公開了基于二分法的思想，采用變步長跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，提高了最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和穩(wěn)定精度，降低了系統(tǒng)振蕩，能快速穩(wěn)定地跟蹤光復(fù)電池的最大輸出功率，滿足系統(tǒng)最大功率跟蹤的要求。

3.2.2 兩種或多種MPPT控制方法的結(jié)合。在常規(guī)的MPPT控制方法和對常規(guī)MPPT控制方法進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，最近幾年，開始出現(xiàn)采用兩種或多種控制方法的結(jié)合來實現(xiàn)最大功率點(diǎn)的追蹤。比如，申請?zhí)枮?01210066262的中國專利申請采用了恒定電壓跟蹤法和電導(dǎo)增量法相結(jié)合的控制方法來實現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤；申請?zhí)枮?01310689155的中國專利申請采用了短路電流法和變步長電導(dǎo)增量法相結(jié)合的控制方法來實現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤；申請?zhí)枮?01210266263中國專利申請采用了短路電流法和變步長電導(dǎo)增量法相結(jié)合的控制方法來實現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，將這兩種方法結(jié)合起來，其優(yōu)勢在于不僅能夠快速地跟蹤到最大功率點(diǎn)，還能降低穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)振蕩所帶來的能量損失。

3.2.3 復(fù)雜條件下的MPPT控制方法。從最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)的發(fā)展路線來看，無論是在理論研究還是在技術(shù)應(yīng)用方面，大多是基于即擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等常規(guī)MPPT控制方法。這些方法主要適應(yīng)于P-U曲線上尋找單個峰值的情況，然而，光伏電池在被局部遮擋或特性不一致的情況下，可能導(dǎo)致多功率極值的出現(xiàn)[1]。為了解決在部分陰影遮擋情況下，傳統(tǒng)MPPT控制方法失效的問題，目前，關(guān)于多峰值的MPPT技術(shù)開始大量出現(xiàn)，比較典型中國專利申請?zhí)枮?01010223784、201310059760、201410033831。

4 結(jié)束語

目前，對MPPT技術(shù)的評估尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種MPPT技術(shù)的控制方法都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。如何將各種最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合、取長補(bǔ)短，使其更好地滿足市場需求，是今后光伏陣列最大功率追蹤控制的研究方向。未來的MPPT技術(shù)仍具有很大的研究價值和發(fā)展空間，相信在未來幾年，MPPT技術(shù)領(lǐng)域的中國專利申請量會繼續(xù)以較快速度增長。

參考文獻(xiàn)

[1]趙爭鳴，等.太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]朱拓斐，陳國定.光伏發(fā)電系統(tǒng)中MPPT控制方法綜述[J].電源技術(shù)，2011，10：（35）.

作者簡介：孟令鵬（1987-），男，漢族，碩士研究生，主要從事MPPT技術(shù)的研究及專利審查工作。