恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案

NXP管管 · 发表于 2024-9-12 09:05:41

恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案

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
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