基於 NXP LPC5536 光伏 MPPT 控制方案介紹

前言

        『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。下面將會對基於 NXP LPC5536 的光伏 MPPT 控制方案進行介紹。

光伏相關原理介紹

        矽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，由於光生伏打效應，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後產生的光電流；
• 由於光電流相對於 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；
• 由於光伏電池自身的缺陷，有一部分電流會在內部消耗掉，等效為並聯電阻 Rp；
• 由於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。

圖3. 光伏電池不同光強條件下的 P-V 特性曲線

         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，由於外界條件的變化，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係數法（如開路電壓比例係數法、短路電流比例係數法等）、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，並在最大功率點附近工作，從而實現 MPPT控制。

        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：

圖6. 擾動觀察法流程圖

NXP 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併網型光伏系統。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，並使用電池作為儲能設備，將多餘的電能儲存起來。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。

圖7. 離網型光伏系統

        下圖是 NXP 光伏 MPPT 方案的系統框圖：

        方案組成：

• 主控MCU：LPC5536 是基於 Cortex-M33 內核，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 採樣率，每個 ADC 模塊支持最多 8 差分或者 16 單端通道；2 * FlexPWM 模塊，每個 FlexPWM 模塊有 4 個子模塊，每個子模塊可用於控制一個半橋；其他豐富的外設以及 GPIO；提供 HVQFN48、HTQFP64、HLQFP100 等多種封裝；
• 其他推薦產品：

• 光伏板：系統的能源輸入，通過輔助電源為系統供電；
• 電壓及電流採樣電路：採集 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。電壓採樣通過分壓電阻得到，電流採樣通過採樣電阻以及電流採樣放大器得到，最終均輸入到 LPC5536 的 ADC 模塊進行採集；
• Boost 電路：實現 MPPT 控制的核心部分。經 MPPT 算法計算後轉化為 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；
• 充電晶片：管理 24V 電池的充電過程，也可以通過 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，用於存儲光伏電池轉化的電能，並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；』（注1）

硬體組成

        『按照硬體功能，可以將硬體電路分成下面四個部分：

• 電源電路（POWER）；
• 最大功率點跟蹤電路（MPPT）；
• 單片機控制電路（MCU）；
• 充電控制電路（CHARGE）；

        其中，電源電路為整個系統提供所需的電壓，電源電路框圖如下圖所示，電源有 4 個輸入通道：光伏板、外接電源、Vbus （MPPT OUT 可以通過焊接方式與 Vbus 進行連接）以及電池，通過二極體連接並輸入到 Vin，作為 DC/DC 的輸入。其中，10V 用於柵極驅動，為 MPPT 電路提供驅動信號；3.3V 用於 MCU 相關的電路，通過 BUCK 電路降壓到 5V 然後經 LDO 獲得。

圖10. 電源電路框圖

        其餘三個部分的電路框圖如下圖所示：

        MPPT 電路拓撲結構採用同步 BOOST，通過 PWM 控制柵極驅動器驅動 MOSFET 從而實現最大功率點跟蹤。輸入端接 18V 光伏板，分別通過電流採樣調理電路採集輸入端電壓和電流，並傳入 MCU 的 ADC 完成信號採集；輸出端可以直接連接到負載上，或者通過焊接的方式跨接到 Vbus 上，方便進行調試，輸出端同樣也包含了類似的電壓電流採樣電路。

        充電控制電路使用 SC8802 晶片，支持 1 ~ 6 節鋰電池的充放電，通過控制四開關管 BUCK-BOOST 對充電功率進行調整。MCU 可以通過 GPIO 和 PWM 對充電晶片進行控制，實現充電功能的開關，並控制充電電流。 

        MCU 控制電路主要包括 MCU 最小系統、人機交互相關外設（螢幕和按鍵）以及一些接口，螢幕採用 1.47 英寸的 SPI LCD，通過 3 個按鍵進行控制。另外，板載 LM75B 溫度傳感器，和 MCU 通過一組 I2C 接口進行通訊。SWD 接口用於程序的下載和調試，2 組 UART 接口用於串口調試，4 個預留的 GPIO 用於測試及附加功能。

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

電路測試

圖12. 電路實物圖

        因為 BOOST 是本方案中實現 MPPT 功能的主拓撲，所以 MOSFET 的驅動效果直接影響了最終的控制效果，下面對 BOOST 拓撲中 MOSFET 的驅動波形進行測量。由於 DC/DC 電路很容易產生干擾，需要儘可能減小接地環路的面積，使用示波器的接地彈簧進行測量，低邊 MOSFET 的驅動波形如圖 13(a) 所示，高邊 MOSFET 的驅動波形如圖 4(b) 所示：

圖 13(a). 低邊 MOSFET 驅動波形

小結

        本文介紹了光伏的相關原理和 NXP 光伏 MPPT 方案，聚焦了 MPPT 方案的硬體設計部分，展現了如何通過組件與電路設計實現高效穩定的太陽能轉換系統。後續我們將介紹該方案的軟體設計部分，共同見證這一高效光伏 MPPT 解決方案的完整面貌！』（注2）

參考資料