最大功率点跟踪技术的专利布局研究

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  摘 要:本文从最大功率点跟踪的主要技术出发,分析各种跟踪算法及相应的专利申请情况,为企业、高校及科研院所提供了指导性意见,相关从业人员可以从特定方向进行专利布局或专利挖掘,有助于对最大功率点跟踪技术进行专利布局,可以促进整个光伏行业的研究及发展。
  关键词:最大功率点跟踪;专利分析;专利布局
  1、绪论
  今年来,光伏发电产业呈现出蓬勃的发展势头,该技术领域的创新活动日益活跃,相关的技术成果大量涌现。最大功率点跟踪技术在光伏系统中起着重要的作用。通过跟踪最大功率点,可实现PV阵列的输出功率最大化。在积极进行光伏发电系统研究的同时,进行最大功率点跟踪技术的专利检索和布局分析十分有必要。
  2、最大功率点跟踪技术概述
  光伏系统的最大功率点随日光照射而变化,为了获得最大效率,必须使用最大功率点跟踪算法,以在不同的工作点向负载提供最佳的可用 PV 输出功率。MPPT算法有很多种,下面列举几种常用的MPPT算法:
  扰动观察法:采样光伏阵列运行时的电压、电流值并计算功率,在下一个控制周期使光伏阵列运行电压在给定电压的基础之上增加或减少一个步长作为扰动量,采样扰动后数据并计算其功率,将该功率与扰动前功率值相比,若大于则沿此方向继续扰动,反之向相反的方向扰动。
  增量电导法:根据电流、电压瞬时值与电导变化率之间的关系,判断系统运行工作点位于最大功率点右侧、左侧或位于最大功率点处,根据此减少参考电压量、增大参考电压量或保持参考电压量不变,以实现最大功率点的追踪。
  神经网络法:神经网络具有三层: 输入层,隐藏层和输出层。每层中的节点数量各不相同,并且取决于用户。PV 阵列开路电压Voc和短路电流Isc 用作输入变量。输出通常由几个参考信号之一或用于驱动功率转换器的占空比信号表示。隐藏层用于实现MPP。系统的性能在很大程度上取决于最初对神经网络的训练程度。
  模糊逻辑控制法:模糊控制法为一种常用的人工智能方法,以自动控制技术和模糊推理为基础针对非线性系统具有广泛的使用价值。由于光伏发电系统收光照、温度和负载特性的影响以及光伏电池的非线性特性,故使得模糊控制针对光伏系统具有良好的效果。
  3、从专利角度对最大功率点跟踪技术进行分析
  针对国家知识产权局在2019年12月31日之前收到的最大功率点跟踪技术的相关专利申请,通过筛选分析,预判最大功率点跟踪技术的专利前景。
  3.1专利申请分布情况
  通过检索发现,在2009年以前,最大功率点跟踪技术的相关专利申请量较少,处于起步阶段,而在2009年以后,该方向的专利申请呈现出快速增长的趋势,同时外国光伏领域的快速发展,也进一步的促进了国内专利申请量的整体上升。
  通过检索及筛选专利文献发现,国内科研院校围绕最大功率点跟踪算法控制的研究较多,其中申请量靠前的高校包括:清华大学、湖南大学、上海交通大学、天津理工大学、东南大学、华南理工大学、中南大学、华北电力大学等。该领域个人申请相对较少,国内科研院校已成为该领域专利申请的主体。
  结合前文中分析的最大功率点跟踪技术的四种主要方法,检索得到各个算法对应的专利申请量,其中扰动观察法、增量电导法、神经网络法、模糊逻辑控制法的数量分别为299、280、30、60。
  扰动观察法及增量电导法是最大功率点跟踪领域发展较早且已经较为成熟的技术,在专利申请方面,基于这两种算法的专利申请也是最多的,说明前人已经做了很多工作,现有技术文件较多,从这两种方向布局专利申请,获得专利授权的几率较低。
  基于神经网络法和基于模糊逻辑控制法的最大功率点跟踪技术的专利申请数量较少,相关技术人员可从这两个方面进行专利挖掘和专利布局,获得专利授权的可能性也较大。
  3.2主要申请人技术分析
  若要從神经网络法模糊逻辑控制法这两方面布局最大功率点跟踪技术的专利,就需了解这两个方向的重点专利及已授权的专利情况,这也能为从业人员提供一定的技术支持。
  基于神经网络法的最大功率点跟踪技术的重点专利及技术方案节选如下:苏州大学的授权专利通过在线径向基函数神经网络软模型来预测最大功率点(MPP)所在的占空比,依据预测与实际MPP占空比之间的欧几里得距离来判断是否更新模型,基于OLSSM的MPPT增强了实时跟踪性能;兰州理工大学的授权专利通过跟踪风力发电系统,计算并检测dPw/dω值的变化,若dPw/dω=0,即风力发电系统达到最大功率,用BP神经网络预测风速值并计算风速的变化量,跟踪光伏发电系统,计算并检测dPs/dU0值的变化,若dPs/dU0=0,光伏发电系统达到最大功率。湖北工业大学的授权专利基于神经网络寻优算法确认输出最大功率点处电压值,并进行后续的最大功率点跟踪。
  基于模糊逻辑控制法的最大功率点跟踪技术的重点专利及技术方案节选如下:华中科技大学的授权专利将误差e(k)和误差变换Δe(k)作为模糊控制器的输入,模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法,以输出功率能快速到达给定值为目标,建立模糊控制规则,实现最大功率点跟踪;上海岩芯电子科技有限公司的授权专利通过扫描光伏组件输出曲线,计算获得局部最大功率点电流和伏安曲线斜率,将局部最大功率点电流和伏安曲线斜率输入模糊控制器,由模糊控制器判断是否出现热斑,若出现热斑,则光伏组件开路;若未出现热斑,则光伏组件工作于全局最大功率点;中国科学院广州能源研究所的授权专利采用光伏电压变化量ΔV和功率变化量ΔP作为模糊控制器的输入,输出光伏组件电压控制目标值变化量Δvref;在最大功率点,当电压ΔV和功率ΔP均为零时,输出Δvref为零;国家电网公司的授权专利通过模糊控制器判断输入功率增量dP及上一采样时刻存储的电压步长Vstep_last,实现自适应地控制电导增量法步长Vstep,同时采用带直通比的SVPWM的调制方式,发明了Z源逆变器整体控制方法;苏州市职业大学的授权专利在光照度反馈和温度反馈控制模式下,将光照度/温度反馈值的误差信号作为变论域模糊控制的论域调节因子,提高智能控制的响应速度和跟踪控制精度。
  4、结语
  本文以CNABS 数据库中收录的专利为样本,分析了我国最大功率点跟踪技术专利申请的主要方向及整体状况,为相关技术人员进行专利布局提供了参考。通过分析发现,光伏领域的公司还没有针对最大功率点跟踪技术进行有效的专利布局,而为了更好的促进行业发展及研究,笔者建议相关公司可以根据实际情况进行相应的专利布局。在进行专利布局时,应深入了解现有技术,了解现有技术中已经广泛使用的最大功率点跟踪算法,通过了解现有技术,可以更好的促进专利研究及探索。通过分析主要申请人的专利技术,相关从业人员可以准确预测未来技术发展方向,并在此基础上申请核心技术专利。同时应注意避开低价值专利申请,避免重复研究,提高专利布局的有效性。相关行业从业人员可考虑从神经网络法及模糊逻辑控制法这两个角度进行最大功率点跟踪领域的专利布局,对这两个技术方向进一步深入研究和挖掘,由点及面,拓宽专利申请的维度和广度。通过对技术进行深入研究,以及对专利申请进行合理布局,有助于推动整个光伏领域技术的发展。
  参考文献:
  [1] 王璐. 光伏发电最大功率点跟踪技术需加强专利布局[N]. 中国知识产权报,2016-12-07(007).
  作者简介:
  王佳玉,1990.10女,国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,审查员。
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