高效光伏控制：基于NXP LPC5536的MPPT方案解析

前言

『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，也可以稱之為 MPPT 控制器。下面將會(huì)對(duì)基于 NXP 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：

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 特性曲線以及 P-V 特性曲線，如下圖所示：

圖2. 光伏電池特性曲線

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。

圖3. 光伏電池不同光強(qiáng)條件下的 P-V 特性曲線

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

圖4. 光伏電池不同溫度條件下的 P-V 特性曲線

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)觀察法（Perturb and Observe, P&O）和電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance，INC）等。

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

光伏電池的 P-V 特性曲線是以最大功率點(diǎn)為峰值的單一峰值函數(shù)，在擾動(dòng)觀察法中，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。

圖5. 擾動(dòng)觀察法原理

在曲線的左段，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：

圖6. 擾動(dòng)觀察法流程圖

NXP 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。

圖7. 離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)

圖8. 并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)

下圖是 NXP 光伏 MPPT 方案的系統(tǒng)框圖：

圖9. NXP 光伏 MPPT 方案系統(tǒng)框圖

方案組成：

主控MCU：LPC5536 是基于 Cortex-M33 內(nèi)核，主頻最高 150MHz；256 KB 的片上 Flash 及 128KB 的片上 SRAM；2 * 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；2 * 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、HLQFP100 等多種封裝；

其他推薦產(chǎn)品：

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，也可以通過(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，方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置以及觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；』（注1）

硬件組成

『按照硬件功能，可以將硬件電路分成下面四個(gè)部分：

電源電路（POWER）；

最大功率點(diǎn)跟蹤電路（MPPT）；

單片機(jī)控制電路（MCU）；

充電控制電路（CHARGE）。

其中，電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的電壓，電源電路框圖如下圖所示，電源有 4 個(gè)輸入通道：光伏板、外接電源、Vbus （MPPT OUT 可以通過(guò)焊接方式與 Vbus 進(jìn)行連接）以及電池，通過(guò)二極管連接并輸入到 Vin，作為 DC/DC 的輸入。其中，10V 用于柵極驅(qū)動(dòng)，為 MPPT 電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；3.3V 用于 MCU 相關(guān)的電路，通過(guò) BUCK 電路降壓到 5V 然后經(jīng) LDO 獲得。

圖10. 電源電路框圖

其余三個(gè)部分的電路框圖如下圖所示：

圖11. 其余三個(gè)部分電路框圖

MPPT 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用同步 BOOST，通過(guò) PWM 控制柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) MOSFET 從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。輸入端接 18V 光伏板，分別通過(guò)電流采樣調(diào)理電路采集輸入端電壓和電流，并傳入 MCU 的 ADC 完成信號(hào)采集；輸出端可以直接連接到負(fù)載上，或者通過(guò)焊接的方式跨接到 Vbus 上，方便進(jìn)行調(diào)試，輸出端同樣也包含了類似的電壓電流采樣電路。

充電控制電路使用 SC8802 芯片，支持 1 ~ 6 節(jié)鋰電池的充放電，通過(guò)控制四開(kāi)關(guān)管 BUCK-BOOST 對(duì)充電功率進(jìn)行調(diào)整。MCU 可以通過(guò) GPIO 和 PWM 對(duì)充電芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)充電功能的開(kāi)關(guān)，并控制充電電流。

MCU 控制電路主要包括 MCU 最小系統(tǒng)、人機(jī)交互相關(guān)外設(shè)（屏幕和按鍵）以及一些接口，屏幕采用 1.47 英寸的 SPI LCD，通過(guò) 3 個(gè)按鍵進(jìn)行控制。另外，板載 LM75B 溫度傳感器，和 MCU 通過(guò)一組 I2C 接口進(jìn)行通訊。SWD 接口用于程序的下載和調(diào)試，2 組 UART 接口用于串口調(diào)試，4 個(gè)預(yù)留的 GPIO 用于測(cè)試及附加功能。

將所用到的 MCU 資源進(jìn)行總結(jié)，共使用了 5 * ADC，4 * PWM，1 * SPI，1 * I2C，1 * SWD，2 * UART，11 * I/O，另外預(yù)留了 4 個(gè)接口，可以用作 4 * I/O 或者2 * PWM 和 2 * ADC，具體情況如下表所示：

電路測(cè)試

圖12. 電路實(shí)物圖

因?yàn)?BOOST 是本方案中實(shí)現(xiàn) MPPT 功能的主拓?fù)洌?MOSFET 的驅(qū)動(dòng)效果直接影響了最終的控制效果，下面對(duì) BOOST 拓?fù)渲?MOSFET 的驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行測(cè)量。由于 DC/DC 電路很容易產(chǎn)生干擾，需要盡可能減小接地環(huán)路的面積，使用示波器的接地彈簧進(jìn)行測(cè)量，低邊 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)波形如圖 13(a) 所示，高邊 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)波形如圖 4(b) 所示：

圖 13(a). 低邊 MOSFET 驅(qū)動(dòng)波形

圖 13(b). 高邊 MOSFET 驅(qū)動(dòng)波形

小結(jié)

本文介紹了光伏的相關(guān)原理和 NXP 光伏 MPPT 方案，聚焦了 MPPT 方案的硬件設(shè)計(jì)部分，展現(xiàn)了如何通過(guò)組件與電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。后續(xù)我們將介紹該方案的軟件設(shè)計(jì)部分，共同見(jiàn)證這一高效光伏 MPPT 解決方案的完整面貌！

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