概述

在不断增长的能源需求以及持续变化的气候条件下，能源消费结构正加速向低碳化发展，可再生能源在整个能源中的占比不断提高。太阳能是一种优质的可再生能源，可以通过光伏电池将光能转化为电能。在转化的过程中，为了提升能量的利用率，需要给光伏电池配置功率优化器，从而实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT），因此，也可以称之为MPPT控制器。下面将会对恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案进行介绍。

光伏相关原理介绍

硅基太阳能电池是目前市场上主流的光伏电池产品，其中的有效结构是P-N结，当太阳光照射P-N结时，由于光生伏打效应，产生光电子-空穴对，在P-N结内建电场的作用下形成光生电场，从而实现光能到电能的转换。根据光伏电池的原理进行模型简化，可以得到如下模型：

图1. 光伏电池简化模型

需要说明的是：

• IL是光伏电池受到光照后产生的光电流；

• 由于光电流相对于P-N结正向偏置，因此在向负载输出时有一部分电流会流经P-N结，等效为电流ID；

• 由于光伏电池自身的缺陷，有一部分电流会在内部消耗掉，等效为并联电阻Rp；

• 由于光伏电池连接处以及线路上会产生一定的损耗，可以将其等效为串联电阻Rs。

通过对光伏电池的模型进行分析，可以得到它的I-V特性曲线以及P-V特性曲线，如下图所示：       

图2. 光伏电池特性曲线

说明如下：

• 光伏电池在最大功率点Pmpp时的输出功率最大；

• I-V曲线与纵轴的交点是光伏电池的短路电流Isc，当负载短路时，测得的输出电流即为短路电流；

• I-V/P-V曲线与横轴的交点是光伏电池的开路电压Voc，当负载开路时，测得的输出电压即为开路电压；

光伏电池的输出特性主要受到光照强度和温度的影响，光照强度主要影响光伏电池的短路电流，温度主要影响光伏电池的开路电压。

在温度为25℃，不同的光强条件下，光伏电池的P-V特性曲线如图所示，最大功率随光强的增大而增大。

图3. 光伏电池不同光强条件下的P-V特性曲线

在光强为1000W/m2­，不同的温度条件下，光伏电池的P-V特性曲线如图所示，最大功率随温度的升高而减小。

图4. 光伏电池不同温度条件下的P-V特性曲线

在实际应用中，由于外界条件的变化，光伏电池无法始终工作在最大功率点，从而产生能量的浪费。通过DC/DC电路以及MPPT算法，可以动态改变输出状态，使得光伏电池始终工作在最大功率点附近，从而实现能量的高效利用。

MPPT的主流控制算法主要包括比例系数法（如开路电压比例系数法、短路电流比例系数法等）、扰动观察法（Perturb and Observe, P&O）和电导增量法（Incremental Conductance，INC）等。

在本方案中，使用扰动观察法实现了MPPT控制。

光伏电池的P-V特性曲线是以最大功率点为峰值的单一峰值函数，在扰动观察法中，通过周期性地施加扰动，使得光伏电池的工作点在P-V特性曲线上移动，根据光伏电池输出电压变化（ΔV）和光伏电池输出功率变化（ΔP）的情况判断正确的电压变化方向，使得光伏电池的工作点逐渐向最大功率点移动，并在最大功率点附近工作，从而实现MPPT控制。

图5. 扰动观察法原理

在曲线的左段，当工作点朝着最大功率点移动时，ΔP>0，ΔV>0，此时需要继续增大输出电压，直到ΔP<0；

在曲线的右段，当工作点朝着最大功率点移动时，ΔP>0，ΔV<0，此时需要继续减小输出电压，直到ΔP<0。

由以上分析可知：①若ΔP>0，ΔV>0，需要增大光伏电池输出电压；②若ΔP<0，ΔV>0，需要减小光伏电池输出电压；③若ΔP>0，ΔV<0，需要减小光伏电池输出电压；④若ΔP<0，ΔV<0，需要增大光伏电池输出电压。因此，可以直接通过判断ΔP*ΔV的符号来进行输出电压的控制，若ΔP*ΔV>0，增大控制电压，若ΔP*ΔV<0，减小控制电压，算法流程图如下图所示：

图6. 扰动观察法流程图

恩智浦光伏MPPT控制方案分析

在光伏系统中，根据光伏系统是否接入电网，可以分为离网型光伏系统和并网型光伏系统。MPPT控制器作为系统的前端部分，对光伏电池转换的电能进行预处理，提升能量的利用率，并使用电池作为储能设备，将多余的电能储存起来。本方案以离网型光伏系统为研究对象进行设计，输出端可以连接电池和直流负载。

a) 离网型光伏系统

b) 并网型光伏系统

图7. 光伏系统框结构图

下图是恩智浦光伏MPPT方案的系统框图：

图8. 恩智浦光伏MPPT方案系统框图

方案组成：

• 主控MCU: LPC5536*；

- 基于Cortex-M33内核

- 主频最高150MHz

- 256 KB 的片上flash及128KB的片上SRAM

- 2x 16位ADC模块，最高2Msps采样率，每个ADC模块支持最多8差分或者16单端通道

- 2x FlexPWM模块，每个FlexPWM模块有4个子模块，每个子模块可用于控制一个半桥

- 其他丰富的外设以及GPIO

- 提供HVQFN48，HTQFP64以及HLQFP100等多种封装

* Other recommended products:

• 光伏板；

系统的能源输入，通过辅助电源为系统供电

• 电压及电流采样电路；

采集Boost电路的输入及输出端的电压电流信息，为MPPT控制提供所需参数。电压采样通过分压电阻得到，电流采样通过采样电阻以及电流采样放大器得到，最终均输入到LPC5536的ADC模块进行采集

• Boost电路；

实现MPPT控制的核心部分。经MPPT算法计算后转化为PWM占空比，通过栅极驱动器驱动Boost电路中的MOSFET，实现对光伏电池输出的控制

• 充电芯片；

管理24V电池的充电过程，可以通过LPC5536实现开关控制以及充电电流控制

• 24V电池；

储能系统常用的电池包，用于存储光伏电池转化的电能，并为直流负载提供电源

• 按键及LCD；

按键和LCD分别作为人机交互的输入和界面显示，方便用户进行系统参数的设置以及观察系统的运行状态

小结

本文介绍了光伏的相关原理和恩智浦光伏MPPT方案，敬请留待下一篇介绍该方案的硬件设计部分。

近年来，分布式光伏市场表现异常活跃，如何在面积受限的情况下提升发电效率与安全性是开启分布式光伏发电实现差异化竞争的关键所在。在光伏发电系统中，当光照不均匀、被遮挡时，或者因光伏组件特性不一致时导致的电流失配问题，发电效率会被严重降低。为减少这种短板效应，业内普遍采用分布式光伏功率优化器来提高转换效率。

什么是功率优化器？

功率优化器是一种光伏直流输入/输出的组件级别DC/DC转换器。一至两块光伏组件连接一个具有最大功率点跟踪功能(MPPT，Maximum Power Point Tracking)的功率优化器，一般安装在组件背板位置，可根据组件串联的需要，将光伏电流串联并接入汇流箱或光伏逆变器中，实现组件级别的控制。功率优化器的推广使用可以充分利用屋顶资源，挽回发电量损失，一般可提升5%～25%的电能产出，实现组件级快速关断，保障运行安全，同时还可监控与运维光伏组件，及时发现和预防异常问题。

极海推出的功率优化器应用方案，主控采用APM32F407系列MCU实现，通过ADC模块获取光伏输入/输出的电压、电流。光伏输入电压、电流主要用于实现MPPT算法、控制系统环路、以及辅助软件保护。MPPT算法获取最大功率点的电压后，通过输出占空比由环路控制来实现最大功率点电压的实时追踪。MCU的高级定时器模块可按照要求输出特定占空比的PWM波形来控制电路，实现功率优化器的功能，同时通过其通讯接口还可与外界进行数据交互和接收调度。

APM32F407功率优化器方案实现框图

APM32F407功率优化器方案优势：

■ 32位Arm® Cortex®-M4 内核，最高主频168MHz，支持MPPT算法及DC/DC环路控制；

■ 内置 3 个12位高精度ADC，每个ADC 多达21个外部通道，支持 DMA，满足功率优化器2通道电压跟2通道电流采集需求；

■ 2 个可以提供 7 通道 PWM 输出的 16位高级定时器 TMR1、TMR8，支持死区生成和刹车输入等功能，满足功率优化器4个开关器件的控制需求；刹车输入可在紧急情况下快速停机保护器件免受损坏；

■ 4 个 USART通讯接口，满足电池以及上层系统的交互需求；

■ Flash容量最高为1MB，SRAM容量最高为192KB，满足程序存储和运算要求，有冗余便于程序扩展；

■ 4KB 备份寄存器可以灵活保存控制参数，无需外部EEPROM。

在新能源赛道，极海APM32系列工业级MCU在性能、功耗、外设及封装等方面表现出极大的灵活性与应用创新。APM32F407工业级高性能MCU，不仅具有新能源复杂应用所需的高运算与高安全，而且可提供简化复杂设计的各种方法。

为向市场提供全方位的产品服务，极海针对不同的客户与需求，提供多种新能源产品细分应用方案，帮助客户实现更多不同功能需求。同时，极海APM32系列MCU也将持续迭代升级产品性能与应用拓展。