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(IncrementalConductance,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 recommendedproducts:
光伏板;
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。
审核编辑:刘清
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原文标题:恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案,技术大咖们看过来!
文章出处:【微信号:NXP_SMART_HARDWARE,微信公众号:恩智浦MCU加油站】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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