概述

在不斷增長(zhǎng)的能源需求以及持續(xù)變化的氣候條件下，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正加速向低碳化發(fā)展，可再生能源在整個(gè)能源中的占比不斷提高。太陽(yáng)能是一種優(yōu)質(zhì)的可再生能源，可以通過(guò)光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能。在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，為了提升能量的利用率，需要給光伏電池配置功率優(yōu)化器，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT），因此，也可以稱(chēng)之為MPPT控制器。下面將會(huì)對(duì)恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案進(jìn)行介紹。

光伏相關(guān)原理介紹

硅基太陽(yáng)能電池是目前市場(chǎng)上主流的光伏電池產(chǎn)品，其中的有效結(jié)構(gòu)是P-N結(jié)，當(dāng)太陽(yáng)光照射P-N結(jié)時(shí)，由于光生伏打效應(yīng)，產(chǎn)生光電子-空穴對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下形成光生電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)光伏電池的原理進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，可以得到如下模型：

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圖1. 光伏電池簡(jiǎn)化模型

需要說(shuō)明的是：

IL是光伏電池受到光照后產(chǎn)生的光電流；

由于光電流相對(duì)于P-N結(jié)正向偏置，因此在向負(fù)載輸出時(shí)有一部分電流會(huì)流經(jīng)P-N結(jié)，等效為電流ID；

由于光伏電池自身的缺陷，有一部分電流會(huì)在內(nèi)部消耗掉，等效為并聯(lián)電阻Rp；

由于光伏電池連接處以及線(xiàn)路上會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，可以將其等效為串聯(lián)電阻Rs。

通過(guò)對(duì)光伏電池的模型進(jìn)行分析，可以得到它的I-V特性曲線(xiàn)以及P-V特性曲線(xiàn)，如下圖所示：

圖2. 光伏電池特性曲線(xiàn) 說(shuō)明如下：

光伏電池在最大功率點(diǎn)Pmpp時(shí)的輸出功率最大；

I-V曲線(xiàn)與縱軸的交點(diǎn)是光伏電池的短路電流Isc，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，測(cè)得的輸出電流即為短路電流；

I-V/P-V曲線(xiàn)與橫軸的交點(diǎn)是光伏電池的開(kāi)路電壓Voc，當(dāng)負(fù)載開(kāi)路時(shí)，測(cè)得的輸出電壓即為開(kāi)路電壓；

光伏電池的輸出特性主要受到光照強(qiáng)度和溫度的影響，光照強(qiáng)度主要影響光伏電池的短路電流，溫度主要影響光伏電池的開(kāi)路電壓。

在溫度為25℃，不同的光強(qiáng)條件下，光伏電池的P-V特性曲線(xiàn)如圖所示，最大功率隨光強(qiáng)的增大而增大。

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圖3. 光伏電池不同光強(qiáng)條件下的P-V特性曲線(xiàn)

在光強(qiáng)為1000W/m2-，不同的溫度條件下，光伏電池的P-V特性曲線(xiàn)如圖所示，最大功率隨溫度的升高而減小。

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圖4. 光伏電池不同溫度條件下的P-V特性曲線(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，由于外界條件的變化，光伏電池?zé)o法始終工作在最大功率點(diǎn)，從而產(chǎn)生能量的浪費(fèi)。通過(guò)DC/DC電路以及MPPT算法，可以動(dòng)態(tài)改變輸出狀態(tài)，使得光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。

MPPT的主流控制算法主要包括比例系數(shù)法（如開(kāi)路電壓比例系數(shù)法、短路電流比例系數(shù)法等）、擾動(dòng)觀(guān)察法（Perturb and Observe, P&O）和電導(dǎo)增量法（IncrementalConductance，INC）等。

在本方案中，使用擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現(xiàn)了MPPT控制。

光伏電池的P-V特性曲線(xiàn)是以最大功率點(diǎn)為峰值的單一峰值函數(shù)，在擾動(dòng)觀(guān)察法中，通過(guò)周期性地施加擾動(dòng)，使得光伏電池的工作點(diǎn)在P-V特性曲線(xiàn)上移動(dòng)，根據(jù)光伏電池輸出電壓變化（ΔV）和光伏電池輸出功率變化（ΔP）的情況判斷正確的電壓變化方向，使得光伏電池的工作點(diǎn)逐漸向最大功率點(diǎn)移動(dòng)，并在最大功率點(diǎn)附近工作，從而實(shí)現(xiàn)MPPT控制。

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圖5. 擾動(dòng)觀(guān)察法原理

在曲線(xiàn)的左段，當(dāng)工作點(diǎn)朝著最大功率點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，ΔP>0，ΔV>0，此時(shí)需要繼續(xù)增大輸出電壓，直到ΔP<0；

在曲線(xiàn)的右段，當(dāng)工作點(diǎn)朝著最大功率點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，ΔP>0，ΔV<0，此時(shí)需要繼續(xù)減小輸出電壓，直到ΔP<0。

由以上分析可知：

①若ΔP>0，ΔV>0，需要增大光伏電池輸出電壓；

②若ΔP<0，ΔV>0，需要減小光伏電池輸出電壓；

③若ΔP>0，ΔV<0，需要減小光伏電池輸出電壓；

④若ΔP<0，ΔV<0，需要增大光伏電池輸出電壓。

因此，可以直接通過(guò)判斷ΔP*ΔV的符號(hào)來(lái)進(jìn)行輸出電壓的控制，若ΔP*ΔV>0，增大控制電壓，若ΔP*ΔV<0，減小控制電壓，算法流程圖如下圖所示：

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圖6. 擾動(dòng)觀(guān)察法流程圖

恩智浦光伏MPPT控制方案分析

在光伏系統(tǒng)中，根據(jù)光伏系統(tǒng)是否接入電網(wǎng)，可以分為離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)。MPPT控制器作為系統(tǒng)的前端部分，對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換的電能進(jìn)行預(yù)處理，提升能量的利用率，并使用電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。本方案以離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出端可以連接電池和直流負(fù)載。

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a) 離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)

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b) 并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)

圖7. 光伏系統(tǒng)框結(jié)構(gòu)圖

下圖是恩智浦光伏MPPT方案的系統(tǒng)框圖：

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圖8. 恩智浦光伏MPPT方案系統(tǒng)框圖

方案組成：

主控MCU: LPC5536*；

- 基于Cortex-M33內(nèi)核

- 主頻最高150MHz

- 256 KB 的片上flash及128KB的片上SRAM

- 2x 16位ADC模塊，最高2Msps采樣率，每個(gè)ADC模塊支持最多8差分或者16單端通道

- 2x FlexPWM模塊，每個(gè)FlexPWM模塊有4個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊可用于控制一個(gè)半橋

- 其他豐富的外設(shè)以及GPIO

- 提供HVQFN48，HTQFP64以及HLQFP100等多種封裝

* Other recommendedproducts:

光伏板；

系統(tǒng)的能源輸入，通過(guò)輔助電源為系統(tǒng)供電

電壓及電流采樣電路；

采集Boost電路的輸入及輸出端的電壓電流信息，為MPPT控制提供所需參數(shù)。電壓采樣通過(guò)分壓電阻得到，電流采樣通過(guò)采樣電阻以及電流采樣放大器得到，最終均輸入到LPC5536的ADC模塊進(jìn)行采集

Boost電路；

實(shí)現(xiàn)MPPT控制的核心部分。經(jīng)MPPT算法計(jì)算后轉(zhuǎn)化為PWM占空比，通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)Boost電路中的MOSFET，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池輸出的控制

充電芯片；

管理24V電池的充電過(guò)程，可以通過(guò)LPC5536實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制以及充電電流控制

24V電池；

儲(chǔ)能系統(tǒng)常用的電池包，用于存儲(chǔ)光伏電池轉(zhuǎn)化的電能，并為直流負(fù)載提供電源

按鍵及LCD；

按鍵和LCD分別作為人機(jī)交互的輸入和界面顯示，方便用戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置以及觀(guān)察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

小結(jié)

本文介紹了光伏的相關(guān)原理和恩智浦光伏MPPT方案，敬請(qǐng)留待下一篇介紹該方案的硬件設(shè)計(jì)部分。

審核編輯：劉清