光伏发电中MPPT控制算法的专利技术分析
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摘要：隨着国际化传统能源危机日益严重，很多国家都在大力发展新能源，太阳能作为一种可再生自然能源，其开发利用逐渐成为新型能源研究的热点。在光伏发电系统中，如何精确快速的进行最大功率点跟踪（MPPT）是该领域研究的重点，本文系统分析了历年来MPPT算法的专利技术发展，形成光伏发电中MPPT控制算法的技术发展脉络，为后续MPPT的研究提供有效帮助。
关键词：光伏;MPPT;专利;发展脉络
1 引言
最大功率点跟踪的过程实质上是一个寻优的过程，即通过控制太阳能电池端的电压来控制最大功率的输出;在此过程中，如何判断是否处于最大功率点，是跟踪原理技术的重中之重。主流控制方法主要包括恒定电压控制法、扰动观察法、导纳增量法、模糊控制法等[1]。而之后，大体上都是对上述控制算法的改进以及多种控制算法的结合;随着MPPT技术的进一步发展，局部阴影影响情况下光伏阵列的最大功率点跟踪策略变得尤其突出，2010年以后提出大量方法来解决局部阴影下出现的“双峰”问题。纵观MPPT控制算法的发展过程，现通过对历年来MPPT算法的专利申请，结合图1对三种主流控制算法的发展脉络进行梳理。
2 MPPT算法的技术发展脉络
2.1恒定电压法
恒定电压法根据太阳能电池在不同的日照强度和一定的温度下最大功率点电压Vmpp基本不变的原理，把光伏电池输出电压控制在某一电压值，使光伏电池输出最大功率。恒电压法控制简单，成本低。采用恒定电压法的专利申请有：US4580090A、JP2005073321A、WO2010110383A1等。
但是，恒定电压法实现精度较差，最大功率点变化适应性较差。研究人员通过与其他算法进行结合以克服上述缺点，一般光伏系统启动时通常利用开路电压法快速跟踪到最大功率点附近，再以开路电压法跟踪到的功率点为起始点进行小范围内的扰动观察法或者电导增量法跟踪。恒定电压法结合扰动观察法的专利申请有CN102665314A、CN103645768A等;恒定电压法结合电导增量法的专利申请有CN102111088A、CN203133654U、CN103207639A等。
2.2扰动观察法
扰动观察法是目前实现最大功率点跟踪常用的方法，通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。其原理是先扰动输出电压值，然后测其功率变化，与扰动之前的功率值进行比较，如果功率值增加，则表明扰动方向正确，继续朝向同一方向扰动，如果扰动后功率值小于扰动前的值，则往相反的方向扰动。采用扰动观察法的典型专利有JPH07234733A、EP2672632A1、KR101223611B、CN101577434A等。
在扰动观察法中，步长的选取要兼顾系统在环境因素、负载等发生改变情况下的动态响应速度及在最大功率点处的功率的控制精度。如果选取的扰动步长较大，光伏阵列对外界环境变化响应速度比较快，但会使光伏阵列在最大功率点附近产生较大的功率振荡;扰动步长较小时，减弱了最大功率点附近的功率振荡，但会导致光伏发电系统对外界环境因素变化的响应速度变慢。针对步长的选取对扰动观察法的重要性，很快出现并迅速发展了变步长扰动观察法，如专利US2007236187A1、CN101599724A、CN200910181624。根据不同的改变步长的方法又衍生出区间段变步长的扰动观察法（CN102193561A等）、二分法变步长扰动观察法（CN102684559A等）、自适应变步长扰动观察法（CN102809980A等）。
2.3电导增量法
电导增量法通过施加扰动电压量调节输出功率，其利用测得的电压、电流值进行计算，得出当前工作点在功率-电压曲线上的斜率，以此作为下一步扰动的方向依据。当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列模块工作在最大功率点。采用电导增量法作为MPPT算法的典型专利申请有WO2005112551A2、CN101499666A、US2013051092A1。
电导增量法控制效果好，稳定度高，当外部环境变化时系统能平稳的追踪其变化，与太阳能电池的参数无关。但当光照的变化量超过临界值时，会引起电导增量法的误判，并且步长影响控制速度和精度，因此也出现了变步长电导增量法，如专利CN200710028135，根据改变步长方式的不同可以分为区间段变步长，如CN101694676A、CN102403928A、US2012268087A1、WO2014039631A1，和自适应变步长的电导增量法，如：US2013257155A1、CN103488239A、US2013249295A1。
2.4局部阴影下的MPPT控制算法
光伏阵列容易受到周围建筑物、树木、云层等产生的阴影（局部阴影）的影响，使得光伏阵列的输出特性发生改变，P-V曲线不再是简单的单峰曲线，而是含有多个局域最大峰值[2]。多峰值的出现可能会使上述常用的MPPT算法失效，找不到真正的最大功率点。对此，研究人员开始研究局部阴影下的MPPT算法。已有的控制方法如Fibonacci搜索法、传统粒子群搜索算法等，都较好地弥补了传统MPPT算法在多峰值上的不足，但是算法规律固定，不能灵活的避免局部极值或保证搜索精度[3]。此时，出现了传统MPPT控制算法与局部阴影下MPPT方法的结合来实现局部阴影下的最大功率点跟踪。申请号CN201110337989采用人工鱼群算法与扰动观察法相结合;申请号CN201410186475基于粒子群优化算法实现的三点协同变步长扰动观测进行局部搜索;申请号CN201510867811当光伏阵列受均匀光照时，采用电导增量法进行最大功率跟踪;当光伏阵列由均匀光照变为局部遮挡时，通过构建的负载线函数，结合电导增量法，能够快速定位出各个局部最大功率点，从而实现全局最大功率点跟踪。
3总结
通过对光伏发电中MPPT控制算法的专利技术分析可知，如何将各种MPPT控制方法进行有机结合、取长补短，使其能更好满足现场实际需求，是今后光伏阵列最大功率点跟踪控制的研究方向。随着太阳能等可再生资源利用的蓬勃发展，光伏阵列最大功率点跟踪技术的实现方法的简化以及跟踪速度和跟踪精度的提供是将来必然的发展趋势。
参考文献
[1] 徐明亮，唐玉兰，徐德云.在线扰动优化光伏MPPT模糊控制器[J].计算机工程与应用，2012，48（1）：216-218.
[2] 吕昌睿，李国杰.局部阴影最大功率点MPPT算法研究[J].电力科学与工程，2012，28（5）.
[3] 孙成立，朱孝立，赵春柳.局部阴影遮蔽下光伏阵列MPPT算法的研究综述[J].电脑知识与技术，2014，10（17）.
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