光伏發(fā)電中MPPT控制算法的專利技術(shù)分析

高輝輝　李慧

摘要：隨著國際化傳統(tǒng)能源危機(jī)日益嚴(yán)重，很多國家都在大力發(fā)展新能源，太陽能作為一種可再生自然能源，其開發(fā)利用逐漸成為新型能源研究的熱點(diǎn)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如何精確快速的進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，本文系統(tǒng)分析了歷年來MPPT算法的專利技術(shù)發(fā)展，形成光伏發(fā)電中MPPT控制算法的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，為后續(xù)MPPT的研究提供有效幫助。

關(guān)鍵詞：光伏;MPPT;專利;發(fā)展脈絡(luò)

1 引言

最大功率點(diǎn)跟蹤的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)的過程，即通過控制太陽能電池端的電壓來控制最大功率的輸出;在此過程中，如何判斷是否處于最大功率點(diǎn)，是跟蹤原理技術(shù)的重中之重。主流控制方法主要包括恒定電壓控制法、擾動觀察法、導(dǎo)納增量法、模糊控制法等^[1]。而之后，大體上都是對上述控制算法的改進(jìn)以及多種控制算法的結(jié)合;隨著MPPT技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，局部陰影影響情況下光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤策略變得尤其突出，2010年以后提出大量方法來解決局部陰影下出現(xiàn)的“雙峰”問題?？v觀MPPT控制算法的發(fā)展過程，現(xiàn)通過對歷年來MPPT算法的專利申請，結(jié)合圖1對三種主流控制算法的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理。

2 MPPT算法的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

2.1恒定電壓法

恒定電壓法根據(jù)太陽能電池在不同的日照強(qiáng)度和一定的溫度下最大功率點(diǎn)電壓Vmpp基本不變的原理，把光伏電池輸出電壓控制在某一電壓值，使光伏電池輸出最大功率。恒電壓法控制簡單，成本低。采用恒定電壓法的專利申請有：US4580090A、JP2005073321A、WO2010110383A1等。

但是，恒定電壓法實(shí)現(xiàn)精度較差，最大功率點(diǎn)變化適應(yīng)性較差。研究人員通過與其他算法進(jìn)行結(jié)合以克服上述缺點(diǎn)，一般光伏系統(tǒng)啟動時(shí)通常利用開路電壓法快速跟蹤到最大功率點(diǎn)附近，再以開路電壓法跟蹤到的功率點(diǎn)為起始點(diǎn)進(jìn)行小范圍內(nèi)的擾動觀察法或者電導(dǎo)增量法跟蹤。恒定電壓法結(jié)合擾動觀察法的專利申請有CN102665314A、CN103645768A等;恒定電壓法結(jié)合電導(dǎo)增量法的專利申請有CN102111088A、CN203133654U、CN103207639A等。

2.2擾動觀察法

擾動觀察法是目前實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤常用的方法，通過不斷擾動太陽能光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)來尋找最大功率點(diǎn)的方向。其原理是先擾動輸出電壓值，然后測其功率變化，與擾動之前的功率值進(jìn)行比較，如果功率值增加，則表明擾動方向正確，繼續(xù)朝向同一方向擾動，如果擾動后功率值小于擾動前的值，則往相反的方向擾動。采用擾動觀察法的典型專利有JPH07234733A、EP2672632A1、KR101223611B、CN101577434A等。

在擾動觀察法中，步長的選取要兼顧系統(tǒng)在環(huán)境因素、負(fù)載等發(fā)生改變情況下的動態(tài)響應(yīng)速度及在最大功率點(diǎn)處的功率的控制精度。如果選取的擾動步長較大，光伏陣列對外界環(huán)境變化響應(yīng)速度比較快，但會使光伏陣列在最大功率點(diǎn)附近產(chǎn)生較大的功率振蕩;擾動步長較小時(shí)，減弱了最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩，但會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)對外界環(huán)境因素變化的響應(yīng)速度變慢。針對步長的選取對擾動觀察法的重要性，很快出現(xiàn)并迅速發(fā)展了變步長擾動觀察法，如專利US2007236187A1、CN101599724A、CN200910181624。根據(jù)不同的改變步長的方法又衍生出區(qū)間段變步長的擾動觀察法（CN102193561A等）、二分法變步長擾動觀察法（CN102684559A等）、自適應(yīng)變步長擾動觀察法（CN102809980A等）。

2.3電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法通過施加擾動電壓量調(diào)節(jié)輸出功率，其利用測得的電壓、電流值進(jìn)行計(jì)算，得出當(dāng)前工作點(diǎn)在功率-電壓曲線上的斜率，以此作為下一步擾動的方向依據(jù)。當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，光伏陣列模塊工作在最大功率點(diǎn)。采用電導(dǎo)增量法作為MPPT算法的典型專利申請有WO2005112551A2、CN101499666A、US2013051092A1。

電導(dǎo)增量法控制效果好，穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境變化時(shí)系統(tǒng)能平穩(wěn)的追蹤其變化，與太陽能電池的參數(shù)無關(guān)。但當(dāng)光照的變化量超過臨界值時(shí)，會引起電導(dǎo)增量法的誤判，并且步長影響控制速度和精度，因此也出現(xiàn)了變步長電導(dǎo)增量法，如專利CN200710028135，根據(jù)改變步長方式的不同可以分為區(qū)間段變步長，如CN101694676A、CN102403928A、US2012268087A1、WO2014039631A1，和自適應(yīng)變步長的電導(dǎo)增量法，如：US2013257155A1、CN103488239A、US2013249295A1。

2.4局部陰影下的MPPT控制算法

光伏陣列容易受到周圍建筑物、樹木、云層等產(chǎn)生的陰影（局部陰影）的影響，使得光伏陣列的輸出特性發(fā)生改變，P-V曲線不再是簡單的單峰曲線，而是含有多個(gè)局域最大峰值^[2]。多峰值的出現(xiàn)可能會使上述常用的MPPT算法失效，找不到真正的最大功率點(diǎn)。對此，研究人員開始研究局部陰影下的MPPT算法。已有的控制方法如Fibonacci搜索法、傳統(tǒng)粒子群搜索算法等，都較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)MPPT算法在多峰值上的不足，但是算法規(guī)律固定，不能靈活的避免局部極值或保證搜索精度^[3]。此時(shí)，出現(xiàn)了傳統(tǒng)MPPT控制算法與局部陰影下MPPT方法的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)局部陰影下的最大功率點(diǎn)跟蹤。申請?zhí)朇N201110337989采用人工魚群算法與擾動觀察法相結(jié)合;申請?zhí)朇N201410186475基于粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)的三點(diǎn)協(xié)同變步長擾動觀測進(jìn)行局部搜索;申請?zhí)朇N201510867811當(dāng)光伏陣列受均勻光照時(shí)，采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率跟蹤;當(dāng)光伏陣列由均勻光照變?yōu)榫植空趽鯐r(shí)，通過構(gòu)建的負(fù)載線函數(shù)，結(jié)合電導(dǎo)增量法，能夠快速定位出各個(gè)局部最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)跟蹤。

3總結(jié)

通過對光伏發(fā)電中MPPT控制算法的專利技術(shù)分析可知，如何將各種MPPT控制方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合、取長補(bǔ)短，使其能更好滿足現(xiàn)場實(shí)際需求，是今后光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制的研究方向。隨著太陽能等可再生資源利用的蓬勃發(fā)展，光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法的簡化以及跟蹤速度和跟蹤精度的提供是將來必然的發(fā)展趨勢。

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