光伏發電中MPPT控制算法的專利技術分析

高輝輝　李慧

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

關鍵詞：光伏;MPPT;專利;發展脈絡

1 引言

最大功率點跟蹤的過程實質上是一個尋優的過程，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，是跟蹤原理技術的重中之重。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以及多種控制算法的結合;隨著MPPT技術的進一步發展，局部陰影影響情況下光伏陣列的最大功率點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的“雙峰”問題。縱觀MPPT控制算法的發展過程，現通過對歷年來MPPT算法的專利申請，結合圖1對三種主流控制算法的發展脈絡進行梳理。

2 MPPT算法的技術發展脈絡

2.1恒定電壓法

恒定電壓法根據太陽能電池在不同的日照強度和一定的溫度下最大功率點電壓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，恒定電壓法實現精度較差，最大功率點變化適應性較差。研究人員通過與其他算法進行結合以克服上述缺點，一般光伏系統啟動時通常利用開路電壓法快速跟蹤到最大功率點附近，再以開路電壓法跟蹤到的功率點為起始點進行小范圍內的擾動觀察法或者電導增量法跟蹤。恒定電壓法結合擾動觀察法的專利申請有CN102665314A、CN103645768A等;恒定電壓法結合電導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現最大功率點跟蹤常用的方法，通過不斷擾動太陽能光伏系統的工作點來尋找最大功率點的方向。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行比較，如果功率值增加，則表明擾動方向正確，繼續朝向同一方向擾動，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在環境因素、負載等發生改變情況下的動態響應速度及在最大功率點處的功率的控制精度。如果選取的擾動步長較大，光伏陣列對外界環境變化響應速度比較快，但會使光伏陣列在最大功率點附近產生較大的功率振蕩;擾動步長較小時，減弱了最大功率點附近的功率振蕩，但會導致光伏發電系統對外界環境因素變化的響應速度變慢。針對步長的選取對擾動觀察法的重要性，很快出現并迅速發展了變步長擾動觀察法，如專利US2007236187A1、CN101599724A、CN200910181624。根據不同的改變步長的方法又衍生出區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）、自適應變步長擾動觀察法（CN102809980A等）。

2.3電導增量法

電導增量法通過施加擾動電壓量調節輸出功率，其利用測得的電壓、電流值進行計算，得出當前工作點在功率-電壓曲線上的斜率，以此作為下一步擾動的方向依據。當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時，光伏陣列模塊工作在最大功率點。采用電導增量法作為MPPT算法的典型專利申請有WO2005112551A2、CN101499666A、US2013051092A1。

電導增量法控制效果好，穩定度高，當外部環境變化時系統能平穩的追蹤其變化，與太陽能電池的參數無關。但當光照的變化量超過臨界值時，會引起電導增量法的誤判，并且步長影響控制速度和精度，因此也出現了變步長電導增量法，如專利CN200710028135，根據改變步長方式的不同可以分為區間段變步長，如CN101694676A、CN102403928A、US2012268087A1、WO2014039631A1，和自適應變步長的電導增量法，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、云層等產生的陰影（局部陰影）的影響，使得光伏陣列的輸出特性發生改變，P-V曲線不再是簡單的單峰曲線，而是含有多個局域最大峰值^[2]。多峰值的出現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。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、傳統粒子群搜索算法等，都較好地彌補了傳統MPPT算法在多峰值上的不足，但是算法規律固定，不能靈活的避免局部極值或保證搜索精度^[3]。此時，出現了傳統MPPT控制算法與局部陰影下MPPT方法的結合來實現局部陰影下的最大功率點跟蹤。申請號CN201110337989采用人工魚群算法與擾動觀察法相結合;申請號CN201410186475基于粒子群優化算法實現的三點協同變步長擾動觀測進行局部搜索;申請號CN201510867811當光伏陣列受均勻光照時，采用電導增量法進行最大功率跟蹤;當光伏陣列由均勻光照變為局部遮擋時，通過構建的負載線函數，結合電導增量法，能夠快速定位出各個局部最大功率點，從而實現全局最大功率點跟蹤。

3總結

通過對光伏發電中MPPT控制算法的專利技術分析可知，如何將各種MPPT控制方法進行有機結合、取長補短，使其能更好滿足現場實際需求，是今后光伏陣列最大功率點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展，光伏陣列最大功率點跟蹤技術的實現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展趨勢。

參考文獻

[1] 徐明亮，唐玉蘭，徐德云.在線擾動優化光伏MPPT模糊控制器[J].計算機工程與應用，2012，48（1）：216-218.

[2] 呂昌睿，李國杰.局部陰影最大功率點MPPT算法研究[J].電力科學與工程，2012，28（5）.

[3] 孫成立，朱孝立，趙春柳.局部陰影遮蔽下光伏陣列MPPT算法的研究綜述[J].電腦知識與技術，2014，10（17）.