概述
在不斷增長(cháng)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(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)光伏電池將光能轉化為電能。在轉化的過(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)現最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT),因此,也可以稱(chēng)之為MPPT控制器。下面將會(huì )對恩智浦基于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,其中的有效結構是P-N結,當太陽(yáng)光照射P-N結時(shí),由于光生伏打效應,產(chǎn)生光電子-空穴對,在P-N結內建電場(chǎng)的作用下形成光生電場(chǎng),從而實(shí)現光能到電能的轉換。根據光伏電池的原理進(jìn)行模型簡(jiǎn)化,可以得到如下模型:
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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;
由于光電流相對于P-N結正向偏置,因此在向負載輸出時(shí)有一部分電流會(huì )流經(jīng)P-N結,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(xiàn)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)對光伏電池的模型進(jìn)行分析,可以得到它的I-V特性曲線(xiàn)以及P-V特性曲線(xiàn),如下圖所示:
圖2. 光伏電池特性曲線(xiàn) 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(xiàn)與縱軸的交點(diǎn)是光伏電池的短路電流Isc,當負載短路時(shí),測得的輸出電流即為短路電流;
I-V/P-V曲線(xiàn)與橫軸的交點(diǎn)是光伏電池的開(kāi)路電壓Voc,當負載開(kāi)路時(shí),測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(kāi)路電壓。
在溫度為25℃,不同的光強條件下,光伏電池的P-V特性曲線(xiàn)如圖所示,最大功率隨光強的增大而增大。
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圖3. 光伏電池不同光強條件下的P-V特性曲線(xiàn)
在光強為1000W/m2-,不同的溫度條件下,光伏電池的P-V特性曲線(xiàn)如圖所示,最大功率隨溫度的升高而減小。
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圖4. 光伏電池不同溫度條件下的P-V特性曲線(xiàn)
在實(shí)際應用中,由于外界條件的變化,光伏電池無(wú)法始終工作在最大功率點(diǎn),從而產(chǎn)生能量的浪費。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)現能量的高效利用。
MPPT的主流控制算法主要包括比例系數法(如開(kāi)路電壓比例系數法、短路電流比例系數法等)、擾動(dòng)觀(guān)察法(Perturb and Observe, P&O)和電導增量法(IncrementalConductance,INC)等。
在本方案中,使用擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現了MPPT控制。
光伏電池的P-V特性曲線(xiàn)是以最大功率點(diǎn)為峰值的單一峰值函數,在擾動(dòng)觀(guān)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(xiàn)上移動(dòng),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(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MPPT控制。
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圖5. 擾動(dòng)觀(guān)察法原理
在曲線(xiàn)的左段,當工作點(diǎn)朝著(zhù)最大功率點(diǎn)移動(dòng)時(shí),ΔP>0,ΔV>0,此時(shí)需要繼續增大輸出電壓,直到ΔP<0;
在曲線(xiàn)的右段,當工作點(diǎn)朝著(zhù)最大功率點(diǎn)移動(dòng)時(shí),ΔP>0,ΔV<0,此時(shí)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(guò)判斷ΔP*ΔV的符號來(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:
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圖6. 擾動(dòng)觀(guān)察法流程圖
恩智浦光伏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(wǎng),可以分為離網(wǎng)型光伏系統和并網(wǎng)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(jìn)行預處理,提升能量的利用率,并使用電池作為儲能設備,將多余的電能儲存起來(lái)。本方案以離網(wǎng)型光伏系統為研究對象進(jìn)行設計,輸出端可以連接電池和直流負載。
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a) 離網(wǎng)型光伏系統
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b) 并網(wǎng)型光伏系統
圖7. 光伏系統框結構圖
下圖是恩智浦光伏MPPT方案的系統框圖:
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圖8. 恩智浦光伏MPPT方案系統框圖
方案組成:
主控MCU: LPC5536*;
- 基于Cortex-M33內核
- 主頻最高150MHz
- 256 KB 的片上flash及128KB的片上SRAM
- 2x 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
- 2x 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
- 其他豐富的外設以及GPIO
- 提供HVQFN48,HTQFP64以及HLQFP100等多種封裝
* Other recommendedproducts:
光伏板;
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。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MPPT控制的核心部分。經(jīng)MPPT算法計算后轉化為PWM占空比,通過(guò)柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)Boost電路中的MOSFET,實(shí)現對光伏電池輸出的控制
充電芯片;
管理24V電池的充電過(guò)程,可以通過(guò)LPC5536實(shí)現開(kāi)關(guān)控制以及充電電流控制
24V電池;
儲能系統常用的電池包,用于存儲光伏電池轉化的電能,并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(hù)進(jìn)行系統參數的設置以及觀(guān)察系統的運行狀態(tài)
小結
本文介紹了光伏的相關(guān)原理和恩智浦光伏MPPT方案,敬請留待下一篇介紹該方案的硬件設計部分。
審核編輯:劉清
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原文標題:恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案,技術(shù)大咖們看過(guò)來(lái)!
文章出處:【微信號:NXP_SMART_HARDWARE,微信公眾號:恩智浦MCU加油站】歡迎添加關(guān)注!文章轉載請注明出處。
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