概述

在不斷增長的能源需求以及持續變化的氣候條件下，能源消費結構正加速向低碳化發展，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。

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：

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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。

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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。

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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，可以動態改變輸出狀態，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（IncrementalConductance，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。

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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：

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圖6. 擾動觀察法流程圖

恩智浦光伏MPPT控制方案分析

在光伏系統中，根據光伏系統是否接入電網，可以分為離網型光伏系統和并網型光伏系統。MPPT控制器作為系統的前端部分，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為研究對象進行設計，輸出端可以連接電池和直流負載。

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a) 離網型光伏系統

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b) 并網型光伏系統

圖7. 光伏系統框結構圖

下圖是恩智浦光伏MPPT方案的系統框圖：

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圖8. 恩智浦光伏MPPT方案系統框圖

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 recommendedproducts:

光伏板；

系統的能源輸入，通過輔助電源為系統供電

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，方便用戶進行系統參數的設置以及觀察系統的運行狀態

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。

審核編輯：劉清