最大功率點跟蹤技術的專利布局研究

摘 要：本文從最大功率點跟蹤的主要技術出發，分析各種跟蹤算法及相應的專利申請情況，為企業、高校及科研院所提供了指導性意見，相關從業人員可以從特定方向進行專利布局或專利挖掘，有助于對最大功率點跟蹤技術進行專利布局，可以促進整個光伏行業的研究及發展。

關鍵詞：最大功率點跟蹤;專利分析;專利布局

1、緒論

今年來，光伏發電產業呈現出蓬勃的發展勢頭，該技術領域的創新活動日益活躍，相關的技術成果大量涌現。最大功率點跟蹤技術在光伏系統中起著重要的作用。通過跟蹤最大功率點，可實現PV陣列的輸出功率最大化。在積極進行光伏發電系統研究的同時，進行最大功率點跟蹤技術的專利檢索和布局分析十分有必要。

2、最大功率點跟蹤技術概述

光伏系統的最大功率點隨日光照射而變化，為了獲得最大效率，必須使用最大功率點跟蹤算法，以在不同的工作點向負載提供最佳的可用 PV 輸出功率。MPPT算法有很多種，下面列舉幾種常用的MPPT算法：

擾動觀察法：采樣光伏陣列運行時的電壓、電流值并計算功率，在下一個控制周期使光伏陣列運行電壓在給定電壓的基礎之上增加或減少一個步長作為擾動量，采樣擾動后數據并計算其功率，將該功率與擾動前功率值相比，若大于則沿此方向繼續擾動，反之向相反的方向擾動。

增量電導法：根據電流、電壓瞬時值與電導變化率之間的關系，判斷系統運行工作點位于最大功率點右側、左側或位于最大功率點處，根據此減少參考電壓量、增大參考電壓量或保持參考電壓量不變，以實現最大功率點的追蹤。

神經網絡法：神經網絡具有三層： 輸入層，隱藏層和輸出層。每層中的節點數量各不相同，并且取決于用戶。PV 陣列開路電壓Voc和短路電流Isc 用作輸入變量。輸出通常由幾個參考信號之一或用于驅動功率轉換器的占空比信號表示。隱藏層用于實現MPP。系統的性能在很大程度上取決于最初對神經網絡的訓練程度。

模糊邏輯控制法：模糊控制法為一種常用的人工智能方法，以自動控制技術和模糊推理為基礎針對非線性系統具有廣泛的使用價值。由于光伏發電系統收光照、溫度和負載特性的影響以及光伏電池的非線性特性，故使得模糊控制針對光伏系統具有良好的效果。

3、從專利角度對最大功率點跟蹤技術進行分析

針對國家知識產權局在2019年12月31日之前收到的最大功率點跟蹤技術的相關專利申請，通過篩選分析，預判最大功率點跟蹤技術的專利前景。

3.1專利申請分布情況

通過檢索發現，在2009年以前，最大功率點跟蹤技術的相關專利申請量較少，處于起步階段，而在2009年以后，該方向的專利申請呈現出快速增長的趨勢，同時外國光伏領域的快速發展，也進一步的促進了國內專利申請量的整體上升。

通過檢索及篩選專利文獻發現，國內科研院校圍繞最大功率點跟蹤算法控制的研究較多，其中申請量靠前的高校包括：清華大學、湖南大學、上海交通大學、天津理工大學、東南大學、華南理工大學、中南大學、華北電力大學等。該領域個人申請相對較少，國內科研院校已成為該領域專利申請的主體。

結合前文中分析的最大功率點跟蹤技術的四種主要方法，檢索得到各個算法對應的專利申請量，其中擾動觀察法、增量電導法、神經網絡法、模糊邏輯控制法的數量分別為299、280、30、60。

擾動觀察法及增量電導法是最大功率點跟蹤領域發展較早且已經較為成熟的技術，在專利申請方面，基于這兩種算法的專利申請也是最多的，說明前人已經做了很多工作，現有技術文件較多，從這兩種方向布局專利申請，獲得專利授權的幾率較低。

基于神經網絡法和基于模糊邏輯控制法的最大功率點跟蹤技術的專利申請數量較少，相關技術人員可從這兩個方面進行專利挖掘和專利布局，獲得專利授權的可能性也較大。

3.2主要申請人技術分析

若要從神經網絡法模糊邏輯控制法這兩方面布局最大功率點跟蹤技術的專利，就需了解這兩個方向的重點專利及已授權的專利情況，這也能為從業人員提供一定的技術支持。

基于神經網絡法的最大功率點跟蹤技術的重點專利及技術方案節選如下：蘇州大學的授權專利通過在線徑向基函數神經網絡軟模型來預測最大功率點（MPP）所在的占空比，依據預測與實際MPP占空比之間的歐幾里得距離來判斷是否更新模型，基于OLSSM的MPPT增強了實時跟蹤性能;蘭州理工大學的授權專利通過跟蹤風力發電系統，計算并檢測dPw/dω值的變化，若dPw/dω=0，即風力發電系統達到最大功率，用BP神經網絡預測風速值并計算風速的變化量，跟蹤光伏發電系統，計算并檢測dPs/dU0值的變化，若dPs/dU0=0，光伏發電系統達到最大功率。湖北工業大學的授權專利基于神經網絡尋優算法確認輸出最大功率點處電壓值，并進行后續的最大功率點跟蹤。

基于模糊邏輯控制法的最大功率點跟蹤技術的重點專利及技術方案節選如下：華中科技大學的授權專利將誤差e（k）和誤差變換Δe（k）作為模糊控制器的輸入，模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法，以輸出功率能快速到達給定值為目標，建立模糊控制規則，實現最大功率點跟蹤;上海巖芯電子科技有限公司的授權專利通過掃描光伏組件輸出曲線，計算獲得局部最大功率點電流和伏安曲線斜率，將局部最大功率點電流和伏安曲線斜率輸入模糊控制器，由模糊控制器判斷是否出現熱斑，若出現熱斑，則光伏組件開路;若未出現熱斑，則光伏組件工作于全局最大功率點;中國科學院廣州能源研究所的授權專利采用光伏電壓變化量ΔV和功率變化量ΔP作為模糊控制器的輸入，輸出光伏組件電壓控制目標值變化量Δvref;在最大功率點，當電壓ΔV和功率ΔP均為零時，輸出Δvref為零;國家電網公司的授權專利通過模糊控制器判斷輸入功率增量dP及上一采樣時刻存儲的電壓步長Vstep_last，實現自適應地控制電導增量法步長Vstep，同時采用帶直通比的SVPWM的調制方式，發明了Z源逆變器整體控制方法;蘇州市職業大學的授權專利在光照度反饋和溫度反饋控制模式下，將光照度/溫度反饋值的誤差信號作為變論域模糊控制的論域調節因子，提高智能控制的響應速度和跟蹤控制精度。

4、結語

本文以CNABS 數據庫中收錄的專利為樣本，分析了我國最大功率點跟蹤技術專利申請的主要方向及整體狀況，為相關技術人員進行專利布局提供了參考。通過分析發現，光伏領域的公司還沒有針對最大功率點跟蹤技術進行有效的專利布局，而為了更好的促進行業發展及研究，筆者建議相關公司可以根據實際情況進行相應的專利布局。在進行專利布局時，應深入了解現有技術，了解現有技術中已經廣泛使用的最大功率點跟蹤算法，通過了解現有技術，可以更好的促進專利研究及探索。通過分析主要申請人的專利技術，相關從業人員可以準確預測未來技術發展方向，并在此基礎上申請核心技術專利。同時應注意避開低價值專利申請，避免重復研究，提高專利布局的有效性。相關行業從業人員可考慮從神經網絡法及模糊邏輯控制法這兩個角度進行最大功率點跟蹤領域的專利布局，對這兩個技術方向進一步深入研究和挖掘，由點及面，拓寬專利申請的維度和廣度。通過對技術進行深入研究，以及對專利申請進行合理布局，有助于推動整個光伏領域技術的發展。

參考文獻：

[1] 王璐. 光伏發電最大功率點跟蹤技術需加強專利布局[N]. 中國知識產權報，2016-12-07（007）.

作者簡介：

王佳玉，1990.10女，國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，審查員。