恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術大咖們看過來！
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在不斷增長的能源需求以及持續(xù)變化的氣候條件下，能源消費結構正加速向低碳化發(fā)展，可再生能源在整個能源中的占比不斷提高。太陽能是一種優(yōu)質的可再生能源，可以通過光伏電池將光能轉化為電能。在轉化的過程中，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，從而實現最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT），因此，也可以稱之為MPPT控制器。下面將會對恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案進行介紹。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202409/462954.htm光伏相關原理介紹
硅基太陽能電池是目前市場上主流的光伏電池產品，其中的有效結構是P-N結，當太陽光照射P-N結時，由于光生伏打效應，產生光電子-空穴對，在P-N結內建電場的作用下形成光生電場，從而實現光能到電能的轉換。根據光伏電池的原理進行模型簡化，可以得到如下模型：
圖1. 光伏電池簡化模型
需要說明的是：
■ IL是光伏電池受到光照后產生的光電流；
■ 由于光電流相對于P-N結正向偏置，因此在向負載輸出時有一部分電流會流經P-N結，等效為電流ID；
■ 由于光伏電池自身的缺陷，有一部分電流會在內部消耗掉，等效為并聯電阻Rp；
■ 由于光伏電池連接處以及線路上會產生一定的損耗，可以將其等效為串聯電阻Rs。
通過對光伏電池的模型進行分析，可以得到它的I-V特性曲線以及P-V特性曲線，如下圖所示：
圖2. 光伏電池特性曲線
說明如下：
■ 光伏電池在最大功率點Pmpp時的輸出功率最大；
■ I-V曲線與縱軸的交點是光伏電池的短路電流Isc，當負載短路時，測得的輸出電流即為短路電流；
■ I-V/P-V曲線與橫軸的交點是光伏電池的開路電壓Voc，當負載開路時，測得的輸出電壓即為開路電壓；
光伏電池的輸出特性主要受到光照強度和溫度的影響，光照強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路電壓。
在溫度為25℃，不同的光強條件下，光伏電池的P-V特性曲線如圖所示，最大功率隨光強的增大而增大。
圖3. 光伏電池不同光強條件下的P-V特性曲線
在光強為1000W/m2-，不同的溫度條件下，光伏電池的P-V特性曲線如圖所示，最大功率隨溫度的升高而減小。
圖4. 光伏電池不同溫度條件下的P-V特性曲線
在實際應用中，由于外界條件的變化，光伏電池無法始終工作在最大功率點，從而產生能量的浪費。通過DC/DC電路以及MPPT算法，可以動態(tài)改變輸出狀態(tài)，使得光伏電池始終工作在最大功率點附近，從而實現能量的高效利用。
MPPT的主流控制算法主要包括比例系數法（如開路電壓比例系數法、短路電流比例系數法等）、擾動觀察法（Perturb and Observe, P&O）和電導增量法（Incremental Conductance，INC）等。
在本方案中，使用擾動觀察法實現了MPPT控制。
光伏電池的P-V特性曲線是以最大功率點為峰值的單一峰值函數，在擾動觀察法中，通過周期性地施加擾動，使得光伏電池的工作點在P-V特性曲線上移動，根據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逐漸向最大功率點移動，并在最大功率點附近工作，從而實現MPPT控制。
圖5. 擾動觀察法原理
在曲線的左段，當工作點朝著最大功率點移動時，ΔP>0，ΔV>0，此時需要繼續(xù)增大輸出電壓，直到ΔP<0；
在曲線的右段，當工作點朝著最大功率點移動時，ΔP>0，ΔV<0，此時需要繼續(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，可以直接通過判斷ΔP*ΔV的符號來進行輸出電壓的控制，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：
圖6. 擾動觀察法流程圖
恩智浦光伏MPPT控制方案分析
在光伏系統(tǒng)中，根據光伏系統(tǒng)是否接入電網，可以分為離網型光伏系統(tǒng)和并網型光伏系統(tǒng)。MPPT控制器作為系統(tǒng)的前端部分，對光伏電池轉換的電能進行預處理，提升能量的利用率，并使用電池作為儲能設備，將多余的電能儲存起來。本方案以離網型光伏系統(tǒng)為研究對象進行設計，輸出端可以連接電池和直流負載。
a) 離網型光伏系統(tǒng)
b) 并網型光伏系統(tǒng)
圖7. 光伏系統(tǒng)框結構圖
下圖是恩智浦光伏MPPT方案的系統(tǒng)框圖：
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ADC模塊支持最多8差分或者16單端通道
- 2x FlexPWM模塊，每個FlexPWM模塊有4個子模塊，每個子模塊可用于控制一個半橋
- 其他豐富的外設以及GPIO
- 提供HVQFN48，HTQFP64以及HLQFP100等多種封裝
* Other recommended products:
■ 光伏板；
系統(tǒng)的能源輸入，通過輔助電源為系統(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。電壓采樣通過分壓電阻得到，電流采樣通過采樣電阻以及電流采樣放大器得到，最終均輸入到LPC5536的ADC模塊進行采集
■ Boost電路；
實現MPPT控制的核心部分。經MPPT算法計算后轉化為PWM占空比，通過柵極驅動器驅動Boost電路中的MOSFET，實現對光伏電池輸出的控制
■ 充電芯片；
管理24V電池的充電過程，可以通過LPC5536實現開關控制以及充電電流控制
■ 24V電池；
儲能系統(tǒng)常用的電池包，用于存儲光伏電池轉化的電能，并為直流負載提供電源
■ 按鍵及LCD；
按鍵和LCD分別作為人機交互的輸入和界面顯示，方便用戶進行系統(tǒng)參數的設置以及觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)
小結
本文介紹了光伏的相關原理和恩智浦光伏MPPT方案，敬請留待下一篇介紹該方案的硬件設計部分。
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