乘光伏和储能东风，看GD32如何逐“光”而行
迎接双碳目标下的可再生能源新浪潮，GD32为“光伏+储能”行业持续爆发注入创新源动力。
近几年来，太阳能光伏和储能市场异常火爆。据欧洲光伏产业协会发布的《全球市场展望---太阳能2022-2026》报告显示，2019~2021年全球新增光伏装机量分别为117.6GW、139.2GW和167.8GW，其中2020年同比增长19%，2021年同比增长21%。该协会预计今年全球新增光伏装机量将达228.5GW，比去年增长36%。
全球光伏年度新增装机量规模及预测
（数据来源：欧洲光伏产业协会）
与传统能源发电相比，太阳能光伏发电具有间歇性、波动性和随机性的特点，通过配置储能以改善用电质量，维持电网稳定，已经基本成为行业内的共识。随着光伏发电的持续发展，以及渗透率稳步提升，户用光储一体化成为各国户用光伏发电发展的主流方向。据统计，2021年全球家庭储能装机规模为6.6GWh，相比2020年增长了46%，预计今年有望达到9.4GWh。
光伏逆变器与储能变流器之间技术相似，在系统中的作用也相似。GD32 MCU已被广泛应用于光伏逆变和储能领域，包括逆变控制、数据监控、通讯传输、人机交互（HMI）、拉弧检测快速关断、效能优化、BMS监测保护、光伏配件等在内的多种应用场景。
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逆变器的市场趋势及产品分类
逆变器作为光伏发电系统的核心设备，伴随着全球光伏产业的发展，呈现出快速增长的趋势。据Wood Mackenzie统计，全球光伏逆变器出货量从2015年的59.7GW，上升至2020年的185.1GW，年复合增长率达到25.40%。
全球光伏逆变器出货量（单位：GW）
（数据来源：Wood Mackenzie）
根据技术路线的不同，逆变器主要可分为三种，即集中式逆变器、组串式逆变器，及微型逆变器。
集中式逆变器
输出功率大，单机容量500KW以上，技术成熟，主要应用在集中式光伏发电系统。
组串式逆变器
单机容量一般在200KW以下，包含并网组串式逆变器和储能组串式逆变器两个小类，具有功率密度高，安装维护简单，可满足户内、户外等不同应用环境要求的特点，可应用于规模较小的电站，也可用于地形复杂的大型地面电站。
微型逆变器
单机容量一般在5KW以下，具有高功率密度、安装维护简单、可自动适应复杂电网环境、延长发电时间，同时还内置了防雷及高精度漏电流保护，具备储能接口和多种通讯方式，广泛应用于住宅屋顶、庭院等户用光伏发电系统。
目前，市场主要以集中式逆变器和组串式逆变器为主。据公开数据显示，2021年，光伏逆变器市场中，组串式逆变器占了69.6%，集中式逆变器占比为27.7%，微型逆变器约占2.7%。近年来，随着世界各国对光伏发电的重视度提高，例如出台相关政策鼓励安装民用屋顶光伏系统，以及分布式装机需求旺盛，微型逆变器的市场渗透率正呈现出高增长趋势，预计2025年将提升至14%。
储能逆变器则集成了光伏并网发电+储能电站的功能，在电能富余时将电能存储，电能不足时将存储的电能逆变后向电网输出，平衡昼夜及不同季节的用电差异，起到削峰填谷的作用。
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GD32 MCU 如何逐“光”而行
逆变器在光伏系统，发挥着交/直流转换、功率控制、并/离网切换等重要功能。MCU是逆变器中不可或缺的关键部件，而MPPT（最大功率点跟踪）是光伏发电效率最大化的关键技术。
MPPT相当于逆变器的大脑，是一个自动寻优的过程，能够实时侦测光伏组件的发电电压，并追踪最高电压电流值，使逆变器能在不同的日照和温度环境下跟踪最大功率点，确保光伏阵列输出功率最大化。
主控MCU硬件处理性能和软件算法共同决定了MPPT的工作效率，同时也是决定光伏逆变器发电量的关键因素。硬件效率主要由采样电路的精度，MPPT电压范围，MPPT路数决定；软件效率主要是由控制算法来决定。因此为了满足光伏逆变器高效率、高可靠性要求，主控MCU需要配备多路高精度ADC用于采集电压和电流信号、高精度定时器用于输出PWM控制及频率捕获功能、并支持硬件乘除法器、浮点运算、三角函数加速器等模块高效运行控制算法。
串型逆变器典型框架图
（图源：Green Power Systems）
GD32F47x/42x系列MCU可凭借主频高达240MHz的Arm® Cortex®-M4内核，大容量存储优势，可以高效地处理逆变器的复杂控制算法。多达两组能够输出三相互补PWM波形的高级定时器、3个高达2.6MHz采样率的12位高速ADC，更有助于精准测量面板的电压和电流，满足逆变器驱动电路所需的高精度控制要求。
除了逆变主控，MCU还可用于逆变器内部的通信监控和HMI等模块。GD32F47x/F42x系列MCU提供了丰富的通讯接口，包括多达8路USART/UART、6路SPI、3路I2C、2路CAN总线、以太网MAC，USB2.0全速和高速通信接口，并集成了TFT LCD控制器和硬件图形加速器IPA。可以满足逆变电路的过温、过压、欠压等监控保护，以及与外界通讯、数据采集和传输、人机交互等更多智能化控制的需求。
相对于储能逆变器，并网逆变器对MCU的性能要求略低，人机交互界面要求也相对更简单，GD32F3系列MCU即可满足需求。这是大部分工程师都非常熟悉的基于Arm® Cortex®-M4的经典主流型MCU产品，提供最高120MHz主频，大容量存储，多路高级定时器和高精度的ADC，液晶屏接口以及丰富的通讯接口。在逆变器的监控模块、采集并传输微型逆变器运行数据的DTU、BMS模块等诸多场景中可以看到GD32F3系列MCU被光伏行业头部客户采用。
而对于近年增长势头明显的微型逆变器，以及单向并网光伏逆变器来说，之前主要采用DSP来实现正弦波逆变器控制，如今在供货保障和降本增效的要求下，不少逆变器厂商开始采用高性能MCU替代DSP，兆易创新的GD32E5系列MCU提供了成功案例和参考方案。
GD32E5系列MCU具备了传统DSP控制器的功能特性，采用主频高达180MHz的Arm® Cortex®-M33内核，内置硬件乘/除法器，并提供完整的DSP指令集和单精度浮点运算单元，配备硬件三角函数加速器，以增强的计算能力实现数字信号处理和开关电源控制，替换传统DSP。此外，GD32E5内置90ps超高精度定时器（SHRTimer）及5个独立的计数器，可以产生5组2路带死区互补输出的PWM控制信号，可与其它外设进行联动产生正弦波逆变需要的高频波形。
此外，兆易创新正在积极推进超高性能MCU产品布局，以Arm® Cortex®-M7内核提供800MHz以上的处理能力支持更高的变频特性，不断丰富适用于光伏储能系统的MCU产品组合。
自去年以来，光伏和储能市场的增速达到了100%以上，今年预计仍然会翻倍增长，特别在欧洲市场，由于电价高企，居民对新能源的需求旺盛。也正是由于光伏和储能市场的高度景气，持续提升了MCU的出货量。
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拓展光伏配件应用新"蓝海"
在光伏和储能系统中，除了核心的逆变器，在周边配件中也能找到多样化的MCU应用场景。多种光伏配件解决方案都已成为GD32的用武之地。
关断器
安装于光伏板上的可实现光伏组件关断的装置，紧急情况下可以使光伏板的输出电压快速下降到安全电压以下，从而消除光伏系统阵列中存在的直流高压，避免直流拉弧、击穿空气引发火灾，保障人身安全。
GD32E230系列MCU具备高性价比、低功耗、ADC采样分辨率高、外设接口丰富等优势，通过电力载波的方式进行通信，可以实现快速关断功能。按照关断器和组件1:1的比例，未来关断器需求量也将会越来越大。
优化器
安装在光伏组件与逆变器之间，采取预测电流与电压技术，保障光伏组件始终处于最优工作状态，主要解决组件被遮挡、朝向不一致导致失配从而大幅降低光伏发电量的问题。能够实时采集光伏组件的发电数据（如电量、电压、电流、温度），并具备组件级关断和管理功能，提升安全保障。目前全球各大逆变器龙头企业都已在产品中配备了智能光伏优化器。
GD32E5系列高性能MCU可替代DSP，运行MPPT算法实现模块的最大功率跟踪，并实现数据采集、通讯监控和快速关断功能。
汇流箱
可以减少大型光伏并网发电系统中光伏组件与逆变器之间的连接线，具有可靠易维护的特点。GD32F303系列MCU可用于智能汇流箱中的监控盒，实现光伏组件的电流电压诊断，拉弧检测，以及RS-485或者无线组网功能。能够保障光伏系统在维护、检查时易于切断电路，当光伏系统发生故障时减小停电的范围。
当前，逆变器和储能市场的变化正在推动光伏行业的下一波增长。未来的智能逆变器将会集成更多高端技术，比如AI算法的融合可以让逆变器更智能主动地运行系统诊断功能，减少维护需求。逆变器也可以与其他设备通过网络连接到云，为用户提供更多的数字化、智能化和可视化的家庭能源管理服务。光储充一体化的综合能源系统正向环保、便捷、安全等方面逐步展开，可以实现光伏发电、充电运营及配电增容等多重收益。作为核心元件之一，随着兆易创新GD32 MCU的覆盖增强，将持续助力光伏和储能市场的迅猛发展。
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