最大功率点追踪技术中国专利申请状况分析

最大功率点追踪技术中国专利申请状况分析1 概述工业革命以来， 煤炭、 石油、 天然气一直是作为人类经济社会发展的三大常规化石能源，但环境污染和能源枯竭迫使人类加紧寻找清洁的、可再生的能源。太阳能由于具备清洁性、可再生性以及取之不尽、用之不竭的优点，正在成为世界能源体系中的重要组成部分。进入21 世纪以来， 太阳能光伏产业在国内外取得了迅猛发展， 光伏发电相关技术的研究也随之取得了巨大的进展。mppt 技术是光伏发电系统中的关键技术之一。如图 1、 2 所示，在一定的光照强度、环境温度和其他因素下，光伏电池可以输出不同的直流电压，但是只有在某一个特定输出电压值时，输出功率才能达到最大值，这时光伏电池工作在该条件下 p-u 曲线的最高点，被称为最大功率点 [1] 。 在光伏发电系统中， 快速准确地进行最大功率点追踪， 有利于光伏功率的充分利用。文章将对最大功率点追踪技术的相关中国专利申请的时间分布、申请人分布进行统计分析、并重点对 mppt 技术领域分支和技术发展路线进行梳理。图 1 光伏电池输出特性随光照的变化曲线图 2 光伏电池输出特性随温度的变化曲线2 mppt 技术中国专利申请概况2.1 专利申请量的年度分布作者在中国专利文摘数据库 cnabs 中以分类号加关键词的方式进行相关专利的检索。分类号采用 ipc 分类号 g05f1/67 ，关键词包括： mppt、最大功率、跟踪、追踪等。截止 2015年 4 月 9 日， 已公开的涉及 mppt 技术的中国专利申请共计 477 件。 由于专利公开存在滞后性，因此并未考虑 2013-2015 年的专利申请。根据统计， mppt 技术领域在 1997 年之前的专利申请量一直为零； 1997-2015 年的 mppt技术领域中国专利申请量随年代的分布情况如图 3 所示。从图中可以看出，从 1997-2007 年的十年期间， 虽然每年都有一定的申请量， 但数量较少； 从 2008-2012 年， 与 mppt 技术相关的中国专利申请量开始快速增加。这说明最近几年，国内外关于 mppt 技术的研究比较充分，申请人逐步认识到了 mppt 技术的重要作用， 这与最近几年全球光伏产业的迅猛发展趋势是相符的。2.2 专利申请量的申请人分布根据统计， 与 mppt 技术有关的中国专利申请的申请人共计 284 个， 其中申请量较大、 排名比较靠前的申请人分别为：浙江工业大学（ 14 件） ，河海大学（ 10 件） 、上海康威特吉能源技术有限公司（ 8 件） 、通用电气公司（ 8 件） 、三洋电机株式会社（ 7 件） 。 mppt 技术中国专利申请的申请人类型分布如图 4 所示。图 4 mppt 技术中国专利申请的申请人类型分布3 mppt 技术控制方法的分支及发展3.1 经典 mppt 控制方法最早出现的 mppt 控制方法是恒定电压跟踪法 （ cvt ） [1] 。 如图 1 所示， 在光伏电池温度一定时，光伏电池的输出 p-u 曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。因此， cvt 控制法的思路即是将光伏电池输出电压控制在该电压处，此时光伏电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。 此外， 比较典型的 mppt 控制方法还包括扰动观察法 （ po） 、增量电导法（ inccond ） [2] 。扰动观察法方法简单，但会导致输出在最大功率点附近振荡，造成一定的功率损失，并且当环境变化剧烈时有可能导致跟踪失败。增量电导法控制相对精确、跟踪速度较快，基本可以消除在最大功率点振荡现象，与扰动观察法相比，存在跟踪速度与跟踪精度矛盾的问题。 其他常规的 mppt 控制方法还包括： 模糊控制法、 间歇扫描法、 神经网络控制法 [1] 。3.2 改进的 mppt 控制方法3.2.1 常规 mppt 控制方法的改进。在常规的各种 mppt 控制方法研究比较充分的基础上，开始出现常规 mppt 控制方法的改进， 比如变步长的 mppt 控制方法。 申请号为 201210091965 的中国专利申请公开了一种变步长的扰动观察法来实现最大功率点追踪，其构思在于，以常规的扰动观察法为基础，结合 pid 算法中的控制表达式，以太阳能电池的特性曲线图中的斜率 dp/du为参数，计算出合适的扰动步长，达到快速跟踪最大功率点以及使最大功率点附近无震荡的效果， 并且增加了太阳能电池的使用效率； 另外， 申请号为 201110054048 的中国专利申请公开了基于二分法的思想，采用变步长跟踪光伏电池的最大功率点，提高了最大功率点跟踪的速度和稳定精度，降低了系统振荡，能快速稳定地跟踪光复电池的最大输出功率，满足系统最大功率跟踪的要求。3.2.2 两种或多种 mppt 控制方法的结合。 在常规的 mppt 控制方法和对常规 mppt 控制方法进行改进的基础上，最近几年，开始出现采用两种或多种控制方法的结合来实现最大功率点的追踪。比如， 申请号为 201210066262 的中国专利申请采用了恒定电压跟踪法和电导增量法相结合的控制方法来实现最大功率点追踪； 申请号为 201310689155 的中国专利申请采用了短路电流法和变步长电导增量法相结合的控制方法来实现最大功率点追踪； 申请号为 201210266263 中国专利申请采用了短路电流法和变步长电导增量法相结合的控制方法来实现最大功率点追踪，将这两种方法结合起来，其优势在于不仅能够快速地跟踪到最大功率点，还能降低稳态时系统振荡所带来的能量损失。3.2.3 复杂条件下的 mppt 控制方法。 从最大功率点追踪技术的发展路线来看， 无论是在理论研究还是在技术应用方面， 大多是基于即扰动观察法、 电导增量法等常规 mppt 控制方法。 这些方法主要适应于 p-u 曲线上寻找单个峰值的情况，然而，光伏电池在被局部遮挡或特性不一致的情况下，可能导致多功率极值的出现 [1] 。为了解决在部分阴影遮挡情况下，传统 mppt 控制方法失效的问题， 目前， 关于多峰值的 mppt 技术开始大量出现， 比较典型中国专利申请号为201010223784、 201310059760、 201410033831。4 结束语目前，对 mppt 技术的评估尚无统一的标准，各种 mppt 技术的控制方法都存在各自的优缺点。 如何将各种最大功率点追踪技术进行有机结合、 取长补短， 使其更好地满足市场需求，是今后光伏阵列最大功率追踪控制的研究方向。 未来的 mppt 技术仍具有很大的研究价值和发展空间，相信在未来几年， mppt 技术领域的中国专利申请量会继续以较快速度增长。