最大功率點追蹤技術中國專利申請狀況分析

摘 要：伴隨著最近幾年國內外光伏產業的迅猛發展，光伏發電相關技術的研究取得了巨大的進展。在光伏發電系統中，快速準確地進行最大功率點追蹤（MPPT）有利于光伏功率的充分利用。文章對光伏領域最大功率點追蹤技術的中國專利申請的時間分布、申請人分布等進行了統計分析，并重點對MPPT技術領域分支和技術發展路線進行梳理，從而為該技術領域的科研人員、申請人以及審查員提供參考。

關鍵詞：光伏發電；最大功率點追蹤；MPPT；專利申請

1 概述

工業革命以來，煤炭、石油、天然氣一直是作為人類經濟社會發展的三大常規化石能源，但環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、用之不竭的優點，正在成為世界能源體系中的重要組成部分。進入21世紀以來，太陽能光伏產業在國內外取得了迅猛發展，光伏發電相關技術的研究也隨之取得了巨大的進展。

MPPT技術是光伏發電系統中的關鍵技術之一。如圖1、2所示，在一定的光照強度、環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，被稱為最大功率點[1]。在光伏發電系統中，快速準確地進行最大功率點追蹤，有利于光伏功率的充分利用。文章將對最大功率點追蹤技術的相關中國專利申請的時間分布、申請人分布進行統計分析、并重點對MPPT技術領域分支和技術發展路線進行梳理。

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據庫CNABS中以分類號加關鍵詞的方式進行相關專利的檢索。分類號采用IPC分類號G05F1/67，關鍵詞包括：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。

根據統計，MPPT技術領域在1997年之前的專利申請量一直為零；1997-2015年的MPPT技術領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，但數量較少；從2008-2012年，與MPPT技術相關的中國專利申請量開始快速增加。這說明最近幾年，國內外關于MPPT技術的研究比較充分，申請人逐步認識到了MPPT技術的重要作用，這與最近幾年全球光伏產業的迅猛發展趨勢是相符的。

2.2 專利申請量的申請人分布

根據統計，與MPPT技術有關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：浙江工業大學（14件），河海大學（10件）、上海康威特吉能源技術有限公司（8件）、通用電氣公司（8件）、三洋電機株式會社（7件）。MPPT技術中國專利申請的申請人類型分布如圖4所示。

圖4 MPPT技術中國專利申請的申請人類型分布

3 MPPT技術控制方法的分支及發展

3.1 經典MPPT控制方法

最早出現的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曲線上最大功率點電壓幾乎分布在一個固定電壓值的兩側。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）、增量電導法（IncCond）[2]。擾動觀察法方法簡單，但會導致輸出在最大功率點附近振蕩，造成一定的功率損失，并且當環境變化劇烈時有可能導致跟蹤失敗。增量電導法控制相對精確、跟蹤速度較快，基本可以消除在最大功率點振蕩現象，與擾動觀察法相比，存在跟蹤速度與跟蹤精度矛盾的問題。其他常規的MPPT控制方法還包括：模糊控制法、間歇掃描法、神經網絡控制法[1]。

3.2 改進的MPPT控制方法

3.2.1 常規MPPT控制方法的改進。在常規的各種MPPT控制方法研究比較充分的基礎上，開始出現常規MPPT控制方法的改進，比如變步長的MPPT控制方法。申請號為201210091965的中國專利申請公開了一種變步長的擾動觀察法來實現最大功率點追蹤，其構思在于，以常規的擾動觀察法為基礎，結合PID算法中的控制表達式，以太陽能電池的特性曲線圖中的斜率dP/dU為參數，計算出合適的擾動步長，達到快速跟蹤最大功率點以及使最大功率點附近無震蕩的效果，并且增加了太陽能電池的使用效率；另外，申請號為201110054048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，提高了最大功率點跟蹤的速度和穩定精度，降低了系統振蕩，能快速穩定地跟蹤光復電池的最大輸出功率，滿足系統最大功率跟蹤的要求。

3.2.2 兩種或多種MPPT控制方法的結合。在常規的MPPT控制方法和對常規MPPT控制方法進行改進的基礎上，最近幾年，開始出現采用兩種或多種控制方法的結合來實現最大功率點的追蹤。比如，申請號為201210066262的中國專利申請采用了恒定電壓跟蹤法和電導增量法相結合的控制方法來實現最大功率點追蹤；申請號為201310689155的中國專利申請采用了短路電流法和變步長電導增量法相結合的控制方法來實現最大功率點追蹤；申請號為201210266263中國專利申請采用了短路電流法和變步長電導增量法相結合的控制方法來實現最大功率點追蹤，將這兩種方法結合起來，其優勢在于不僅能夠快速地跟蹤到最大功率點，還能降低穩態時系統振蕩所帶來的能量損失。

3.2.3 復雜條件下的MPPT控制方法。從最大功率點追蹤技術的發展路線來看，無論是在理論研究還是在技術應用方面，大多是基于即擾動觀察法、電導增量法等常規MPPT控制方法。這些方法主要適應于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，可能導致多功率極值的出現[1]。為了解決在部分陰影遮擋情況下，傳統MPPT控制方法失效的問題，目前，關于多峰值的MPPT技術開始大量出現，比較典型中國專利申請號為201010223784、201310059760、201410033831。

4 結束語

目前，對MPPT技術的評估尚無統一的標準，各種MPPT技術的控制方法都存在各自的優缺點。如何將各種最大功率點追蹤技術進行有機結合、取長補短，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技術仍具有很大的研究價值和發展空間，相信在未來幾年，MPPT技術領域的中國專利申請量會繼續以較快速度增長。

參考文獻

[1]趙爭鳴，等.太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

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

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