迎接雙碳目標(biāo)下的可再生能源新浪潮，GD32為“光伏+儲能”行業(yè)持續(xù)爆發(fā)注入創(chuàng)新源動力。

近幾年來，太陽能光伏和儲能市場異常火爆。據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)布的《全球市場展望---太陽能2022-2026》報告顯示，2019~2021年全球新增光伏裝機(jī)量分別為117.6GW、139.2GW和167.8GW，其中2020年同比增長19%，2021年同比增長21%。該協(xié)會預(yù)計今年全球新增光伏裝機(jī)量將達(dá)228.5GW，比去年增長36%。

全球光伏年度新增裝機(jī)量規(guī)模及預(yù)測

（數(shù)據(jù)來源：歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會）

與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比，太陽能光伏發(fā)電具有間歇性、波動性和隨機(jī)性的特點，通過配置儲能以改善用電質(zhì)量，維持電網(wǎng)穩(wěn)定，已經(jīng)基本成為行業(yè)內(nèi)的共識。隨著光伏發(fā)電的持續(xù)發(fā)展，以及滲透率穩(wěn)步提升，戶用光儲一體化成為各國戶用光伏發(fā)電發(fā)展的主流方向。據(jù)統(tǒng)計，2021年全球家庭儲能裝機(jī)規(guī)模為6.6GWh，相比2020年增長了46%，預(yù)計今年有望達(dá)到9.4GWh。

光伏逆變器與儲能變流器之間技術(shù)相似，在系統(tǒng)中的作用也相似。GD32 MCU已被廣泛應(yīng)用于光伏逆變和儲能領(lǐng)域，包括逆變控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通訊傳輸、人機(jī)交互（HMI）、拉弧檢測快速關(guān)斷、效能優(yōu)化、BMS監(jiān)測保護(hù)、光伏配件等在內(nèi)的多種應(yīng)用場景。

1

逆變器的市場趨勢及產(chǎn)品分類

逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，伴隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。據(jù)Wood Mackenzie統(tǒng)計，全球光伏逆變器出貨量從2015年的59.7GW，上升至2020年的185.1GW，年復(fù)合增長率達(dá)到25.40%。

全球光伏逆變器出貨量（單位：GW）

（數(shù)據(jù)來源：Wood Mackenzie）

根據(jù)技術(shù)路線的不同，逆變器主要可分為三種，即集中式逆變器、組串式逆變器，及微型逆變器。

集中式逆變器

輸出功率大，單機(jī)容量500KW以上，技術(shù)成熟，主要應(yīng)用在集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

組串式逆變器

單機(jī)容量一般在200KW以下，包含并網(wǎng)組串式逆變器和儲能組串式逆變器兩個小類，具有功率密度高，安裝維護(hù)簡單，可滿足戶內(nèi)、戶外等不同應(yīng)用環(huán)境要求的特點，可應(yīng)用于規(guī)模較小的電站，也可用于地形復(fù)雜的大型地面電站。

微型逆變器

單機(jī)容量一般在5KW以下，具有高功率密度、安裝維護(hù)簡單、可自動適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境、延長發(fā)電時間，同時還內(nèi)置了防雷及高精度漏電流保護(hù)，具備儲能接口和多種通訊方式，廣泛應(yīng)用于住宅屋頂、庭院等戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)。

目前，市場主要以集中式逆變器和組串式逆變器為主。據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，2021年，光伏逆變器市場中，組串式逆變器占了69.6%，集中式逆變器占比為27.7%，微型逆變器約占2.7%。近年來，隨著世界各國對光伏發(fā)電的重視度提高，例如出臺相關(guān)政策鼓勵安裝民用屋頂光伏系統(tǒng)，以及分布式裝機(jī)需求旺盛，微型逆變器的市場滲透率正呈現(xiàn)出高增長趨勢，預(yù)計2025年將提升至14%。

儲能逆變器則集成了光伏并網(wǎng)發(fā)電+儲能電站的功能，在電能富余時將電能存儲，電能不足時將存儲的電能逆變后向電網(wǎng)輸出，平衡晝夜及不同季節(jié)的用電差異，起到削峰填谷的作用。

2

GD32 MCU 如何逐“光”而行

逆變器在光伏系統(tǒng)，發(fā)揮著交/直流轉(zhuǎn)換、功率控制、并/離網(wǎng)切換等重要功能。MCU是逆變器中不可或缺的關(guān)鍵部件，而MPPT（最大功率點跟蹤）是光伏發(fā)電效率最大化的關(guān)鍵技術(shù)。

MPPT相當(dāng)于逆變器的大腦，是一個自動尋優(yōu)的過程，能夠?qū)崟r偵測光伏組件的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值，使逆變器能在不同的日照和溫度環(huán)境下跟蹤最大功率點，確保光伏陣列輸出功率最大化。

主控MCU硬件處理性能和軟件算法共同決定了MPPT的工作效率，同時也是決定光伏逆變器發(fā)電量的關(guān)鍵因素。硬件效率主要由采樣電路的精度，MPPT電壓范圍，MPPT路數(shù)決定；軟件效率主要是由控制算法來決定。因此為了滿足光伏逆變器高效率、高可靠性要求，主控MCU需要配備多路高精度ADC用于采集電壓和電流信號、高精度定時器用于輸出PWM控制及頻率捕獲功能、并支持硬件乘除法器、浮點運(yùn)算、三角函數(shù)加速器等模塊高效運(yùn)行控制算法。

太陽能逆變器的目的是從太陽能板中提取最大功率，并且將清潔能源饋入電網(wǎng)。為了確保這一點，功率級電壓和電流必須被準(zhǔn)確采樣，并且需要為DC-DC和DC-AC中的電源開關(guān)準(zhǔn)確生成脈寬調(diào)制（PWM）。也就是說，主控MCU必須具有高采樣率的ADC模塊，及高精度的定時器來實現(xiàn)這些功能。

串型逆變器典型框架圖

（圖源：Green Power Systems）

GD32F47x/42x系列MCU可憑借主頻高達(dá)240MHz的Arm Cortex-M4內(nèi)核，大容量存儲優(yōu)勢，可以高效地處理逆變器的復(fù)雜控制算法。多達(dá)兩組能夠輸出三相互補(bǔ)PWM波形的高級定時器、3個高達(dá)2.6MHz采樣率的12位高速ADC，更有助于精準(zhǔn)測量面板的電壓和電流，滿足逆變器驅(qū)動電路所需的高精度控制要求。

除了逆變主控，MCU還可用于逆變器內(nèi)部的通信監(jiān)控和HMI等模塊。GD32F47x/F42x系列MCU提供了豐富的通訊接口，包括多達(dá)8路USART/UART、6路SPI、3路I2C、2路CAN總線、以太網(wǎng)MAC，USB2.0全速和高速通信接口，并集成了TFT LCD控制器和硬件圖形加速器IPA。可以滿足逆變電路的過溫、過壓、欠壓等監(jiān)控保護(hù)，以及與外界通訊、數(shù)據(jù)采集和傳輸、人機(jī)交互等更多智能化控制的需求。

相對于儲能逆變器，并網(wǎng)逆變器對MCU的性能要求略低，人機(jī)交互界面要求也相對更簡單，GD32F3系列MCU即可滿足需求。這是大部分工程師都非常熟悉的基于Arm Cortex-M4的經(jīng)典主流型MCU產(chǎn)品，提供最高120MHz主頻，大容量存儲，多路高級定時器和高精度的ADC，液晶屏接口以及豐富的通訊接口。在逆變器的監(jiān)控模塊、采集并傳輸微型逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)的DTU、BMS模塊等諸多場景中可以看到GD32F3系列MCU被光伏行業(yè)頭部客戶采用。

而對于近年增長勢頭明顯的微型逆變器，以及單向并網(wǎng)光伏逆變器來說，之前主要采用DSP來實現(xiàn)正弦波逆變器控制，如今在供貨保障和降本增效的要求下，不少逆變器廠商開始采用高性能MCU替代DSP，兆易創(chuàng)新的GD32E5系列MCU提供了成功案例和參考方案。

GD32E5系列MCU具備了傳統(tǒng)DSP控制器的功能特性，采用主頻高達(dá)180MHz的Arm Cortex-M33內(nèi)核，內(nèi)置硬件乘/除法器，并提供完整的DSP指令集和單精度浮點運(yùn)算單元，配備硬件三角函數(shù)加速器，以增強(qiáng)的計算能力實現(xiàn)數(shù)字信號處理和開關(guān)電源控制，替換傳統(tǒng)DSP。此外，GD32E5內(nèi)置90ps超高精度定時器（SHRTimer）及5個獨(dú)立的計數(shù)器，可以產(chǎn)生5組2路帶死區(qū)互補(bǔ)輸出的PWM控制信號，可與其它外設(shè)進(jìn)行聯(lián)動產(chǎn)生正弦波逆變需要的高頻波形。

此外，兆易創(chuàng)新正在積極推進(jìn)超高性能MCU產(chǎn)品布局，以Arm Cortex-M7內(nèi)核提供800MHz以上的處理能力支持更高的變頻特性，不斷豐富適用于光伏儲能系統(tǒng)的MCU產(chǎn)品組合。

自去年以來，光伏和儲能市場的增速達(dá)到了100%以上，今年預(yù)計仍然會翻倍增長，特別在歐洲市場，由于電價高企，居民對新能源的需求旺盛。也正是由于光伏和儲能市場的高度景氣，持續(xù)提升了MCU的出貨量。

3

拓展光伏配件應(yīng)用新"藍(lán)海"

在光伏和儲能系統(tǒng)中，除了核心的逆變器，在周邊配件中也能找到多樣化的MCU應(yīng)用場景。多種光伏配件解決方案都已成為GD32的用武之地。

關(guān)斷器

安裝于光伏板上的可實現(xiàn)光伏組件關(guān)斷的裝置，緊急情況下可以使光伏板的輸出電壓快速下降到安全電壓以下，從而消除光伏系統(tǒng)陣列中存在的直流高壓，避免直流拉弧、擊穿空氣引發(fā)火災(zāi)，保障人身安全。

GD32E230系列MCU具備高性價比、低功耗、ADC采樣分辨率高、外設(shè)接口豐富等優(yōu)勢，通過電力載波的方式進(jìn)行通信，可以實現(xiàn)快速關(guān)斷功能。按照關(guān)斷器和組件1:1的比例，未來關(guān)斷器需求量也將會越來越大。

優(yōu)化器

安裝在光伏組件與逆變器之間，采取預(yù)測電流與電壓技術(shù)，保障光伏組件始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)，主要解決組件被遮擋、朝向不一致導(dǎo)致失配從而大幅降低光伏發(fā)電量的問題。能夠?qū)崟r采集光伏組件的發(fā)電數(shù)據(jù)（如電量、電壓、電流、溫度），并具備組件級關(guān)斷和管理功能，提升安全保障。目前全球各大逆變器龍頭企業(yè)都已在產(chǎn)品中配備了智能光伏優(yōu)化器。

GD32E5系列高性能MCU可替代DSP，運(yùn)行MPPT算法實現(xiàn)模塊的最大功率跟蹤，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通訊監(jiān)控和快速關(guān)斷功能。

匯流箱

可以減少大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件與逆變器之間的連接線，具有可靠易維護(hù)的特點。GD32F303系列MCU可用于智能匯流箱中的監(jiān)控盒，實現(xiàn)光伏組件的電流電壓診斷，拉弧檢測，以及RS-485或者無線組網(wǎng)功能。能夠保障光伏系統(tǒng)在維護(hù)、檢查時易于切斷電路，當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時減小停電的范圍。

當(dāng)前，逆變器和儲能市場的變化正在推動光伏行業(yè)的下一波增長。未來的智能逆變器將會集成更多高端技術(shù)，比如AI算法的融合可以讓逆變器更智能主動地運(yùn)行系統(tǒng)診斷功能，減少維護(hù)需求。逆變器也可以與其他設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到云，為用戶提供更多的數(shù)字化、智能化和可視化的家庭能源管理服務(wù)。光儲充一體化的綜合能源系統(tǒng)正向環(huán)保、便捷、安全等方面逐步展開，可以實現(xiàn)光伏發(fā)電、充電運(yùn)營及配電增容等多重收益。作為核心元件之一，隨著兆易創(chuàng)新GD32 MCU的覆蓋增強(qiáng)，將持續(xù)助力光伏和儲能市場的迅猛發(fā)展。

審核編輯 ：李倩