基于太陽能的小功率不間斷電源設計

王秋妍，王 凱，王道平，趙 媛

（火箭軍工程大學，陜西 西安 710025）

0 引 言

隨著信息化、網絡化、智能化的出現，云計算和大數據呈現快速發展趨勢。很多重要場所如醫院、銀行、網絡通信等，每天需要處理大量重要數據，如果供電不穩定或突然中斷，可能會導致數據丟失而造成巨大損失，因此對這些場所的供電可靠性要求較高。不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）是一種含有儲能裝置的高性能電源，與其他供電電源互補，可以解決現有電力電壓不穩、受干擾等諸多問題，目前已在各工業領域得到廣泛應用。

2018 年10 月，聯合國政府間氣候變化專門委員會呼吁，世界各國采取適當措施將升溫控制在1.5 ℃之內[1]。2021 年3 月5 日，在國務院政府工作報告中提出，要扎扎實實做好“碳達峰”“碳中和”的各項工作。為此，開發利用可替代的再生能源和綠色能源，成為實現“節能提效”的有效途徑。根據《可再生能源中長期發展規劃》，到21 世紀末，全球80%以上都為可再生能源，而其中60%以上都是核能或光伏發電。由此可見，太陽能光伏開發具有重要的戰略地位。隨著UPS 技術的發展，太陽能光伏發電在UPS 中的應用也日益廣泛[2]。

文章研究的一款基于太陽能發電的小功率不間斷電源可根據市電的工作狀況，實現市電和太陽能電源的自動切換，保證負載不間斷工作。當市電正常時，經過AC/DC可以轉換為直流電，再由DC/AC 逆變為交流電，為負載提供高質量電源；當控制電路檢測到市電故障信號時，可以自動切換到太陽能電池，保障不間斷供電，從而實現電源系統的安全可靠和節能環保。

1 不間斷電源

據互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）統計，由電源引起的設備故障率高達45%[3]。一臺普通計算機使用數月以后，其數據產生的價值已經超過了硬件功能，對于精密的網絡設備和通信設備，不允許電力間斷。因此，UPS 是保障電源可靠性和經濟效益的重要手段。

1.1 不間斷電源的組成

不間斷電源特指交流不間斷電源設備，指當主供電出現問題后，仍然可以為負載提供電源的系統或設備。典型的UPS 系統框架如圖1 所示。

圖1 不間斷電源系統

當市電正常時，UPS 將市電變換成直流電，再利用逆變電路輸出交流電，為負載提供穩定的電力，同時為儲能裝置（蓄電池）充電。當市電故障時，由UPS 將蓄電池直流電變換為交流電，不間斷地為負載供電。隨著人們的節能環保意識不斷提升，在UPS系統中已經普遍采用了可持續發展新能源，將其存儲在電池、超級電容器或飛輪中，能夠近乎瞬時地為輸入電源提供中斷保護。這也是該類系統與輔助電源、應急電源以及備用發電機的不同之處。

1.2 不間斷電源的種類

UPS 按工作原理分為以下3 類。

（1）離線式UPS 在工程中最常用，此類UPS 逆變器一般并聯連接在市電與負載之間，僅作為后背電源。這種UPS的工作過程為：市電正常時逆變器不工作，給負載供電的同時為蓄電池儲能；當市電故障時，蓄電池電能經逆變器轉換為交流電，繼續為負載供電。

（2）在線交互式UPS 類似于離線式，只是在市電供電回路中增加一個自動電壓調節器。這種方式下逆變器一直處于在線狀態，當市電故障時將自動切換到蓄電池供電。在線交互式UPS 性能完善，抗干擾能力較強，轉換時間短，能夠不間斷輸出交流電。

（3）在線式UPS 的電池始終連接到逆變器，因此不需要電源轉換開關。市電正常時，經過整流、濾波、逆變后為負載供電，同時由充電電路為蓄電池充電，更多情況下，蓄電池還有光伏、風力等輔助電源。當市電故障時，電池保持輸出穩定不變。在線式UPS與離線式UPS 不同之處在于，主電源是逆變器而不是市電，成本較高。

2 基于太陽能的小功率不間斷電源系統

2.1 總體框圖

文章設計的不間斷電源系統主要包括整流濾波電路、DC/DC 電路、逆變電路、太陽能光伏發電電路、控制電路以及負載。系統根據市電工作狀況控制太陽能光伏電源接入，確保負載不間斷正常工作，系統框架如圖2 所示。

圖2 系統總體框架

正常情況下，220 V、50 Hz 市電經過變壓器降壓、整流濾波電路以及DC/DC 變換器為電路提供輔助電源和逆變母線電壓，同時利用逆變專用芯片正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波驅動全橋逆變電路，實現DC/AC 變換，進而為負載供電。當市電故障時，控制電路自動切換至太陽能光伏電池，經過主回路DC/DC 和逆變電路為負載提供不間斷電源。為了提高光伏發電的效率，本設計采用最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術為電池儲能。

2.2 降壓整流電路

利用降壓變壓器將220 V 交流電降為36 V，經過整流和濾波電路，將交流電變換為直流電。選用1N4007 整流二極管，每個整流二極管的平均電阻R=0.5 Ω。根據電路參數和指標選用1 000 μF、80 V的濾波電容，并選取輸入電壓為直流 10 ～60 V，電流為10 A，靜態工作電流為10 mA，輸出電壓為12 ～60 V 的連續可調的非隔離DC/DC 升壓模塊，將電壓升高至46 V，為逆變電路供電。

2.3 控制電路

利用2 個10A10（10 A/1 000 V）工頻二極管D5、D6反接設計實現市電和電池的自動切換。10A10 二極管正向電流為10 A，正向電壓為1 V，浪涌電流為600 A，具有低正向壓降、低反向漏電流以及高正向浪涌電流等特點。電源切換控制電路如圖3 所示。

圖3 基于二極管的控制電路原理

如圖3 所示，市電經整流濾波輸出約50 V 的直流電，太陽能光伏電池充滿情況下的電壓為24 V。當市電正常工作時，整流濾波電路的輸出電壓高于太陽能光伏電池的電壓，D6正向導通，D5反向截止，市電為負載提供電能。如果某一時刻市電發生故障，整流濾波電路的輸出電壓將低于太陽能光伏電池電壓，此時D6反向截止，D5正向導通，系統自動切換為太陽能電池供電。可見，該控制電路利用二極管的單向導通特性完成市電和太陽能光伏電池的自動切換，實現系統的不間斷供電。由于僅采用二極管實現電源切換，使得控制電路具有高可靠、低成本的特點。

2.4 太陽能光伏發電電路

選用12 V、5 W 的太陽能板與太陽能控制器組成太陽能光伏發電系統，選擇24 V 一字型2 600 mAh的鋰電池。由于太陽能光伏陣列受表面溫度、太陽輻照度等環境因素的影響較大，且輸出具有非線性特性，為了使太陽能陣列一直保持在最大輸出工作狀態，提高轉換效率，文章選擇奧德利最大功率跟蹤太陽能充電控制器[4]。

該控制器輸入直流8 ～28 V，輸出直流5 ～26 V可調，輸出電流為2 A，具有輸入反接和輸出反流保護功能，能夠自動檢測電池的實時電壓。當電池電壓小于一定值時，控制器能夠自動斷開負載，防止電池過度放電；如果檢測到電路溫度、電壓過高，控制器也會自動斷開負載，保護電池和負載。

2.5 逆變及反饋電路

采用由EG8010 芯片和IR2110S 驅動芯片構成的EGS002 驅動板，驅動H 逆變橋，構成單相全橋逆變器。EG8010 是一款高精度、失真和諧波都很小的50 Hz 或60 Hz 的SPWM 波逆變發生器芯片[5]。SPWM波經過隔離式柵極驅動器IR2110S，驅動由MOS 管組成H 逆變橋，完成直流到交流的變換。

文章全橋逆變電路的輸入為46 V、1 A 的直流電，考慮到漏極、源極能夠承受的最大電壓UDS、尖峰電流Id及裕量，選擇IRFP260N 型MOS 管。其UDS為200 V，Id為50 A，導通電阻RDS(on)為40 mΩ，滿足設計要求。

EG8010 芯片的虛擬功能總線（Virtual Function Bus，VFB）端口可以通過采樣反饋電壓信號，實現穩定輸出的目的。本設計由電阻和電容組成反饋采樣電路，可通過電位器調節輸出電壓。其工作原理為：當輸出電壓超過閾值時，采樣電壓隨之升高，EG8010 調節SPWM 波占空比，使之減小，從而降低輸出電壓；當輸出電壓低于閾值時，VFB 端口電壓降低，調節SPWM 波占空比增大，輸出電壓隨之升高。可見，反饋電路通過采樣輸出電壓控制SPWM 的占空比，達到穩定逆變器輸出電壓的目的。逆變器實物如圖4 所示。

圖4 逆變器實物

采用EGS002 驅動板產生SPWM 驅動信號，驅動是由IRFP260N 功率MOS 管構成的全橋逆變電路，設計反饋采樣電路穩定輸出電壓，實現逆變功能。該逆變系統輸入46 V 的直流電，輸出為24 V、3 W、50 Hz 的交流電。

3 實驗結果與分析

本文主要對系統的輸出電壓、電流、功率以及波形進行測試。系統在市電正常的情況下，輸出波形如圖5（a）所示；在市電故障切換至太陽能光伏供電的情況下，輸出波形如圖5（b）所示。

圖5 不同電源供電時系統輸出波形

從圖5 的輸出波形可見，在市電正常和市電故障的情況下，均能得到較為純正的正弦交流電，輸出電壓為（24±0.01）V，頻率為（50±0.05）Hz。可見，工作時整個系統比較穩定且性能良好。此外，系統部分輸出測量數據如表1 所示。

表1 小功率不間斷電源系統輸出參數

從表1 可見，在市電和太陽能光伏發電2 種電源切換前后，負載工作電流在0.12 ～0.14 A 范圍內，負載工作電壓在24.2 ～24.7 V 范圍內，功率在3.0 ～3.3 W 范圍內，系統輸出相對穩定，滿足設計要求。

綜上所述，文章設計的電源系統經過測試能夠實現不間斷電源功能，且滿足設計指標。

4 結 論

本文設計了一款基于太陽能的小功率不間斷電源，市電正常時經過整流濾波、DC/DC 和逆變電路為負載提供更加穩定的交流電，當控制電路檢測到市電出現故障時，自動切換至太陽能光伏電池供電，為系統提供不間斷電源，從而保證負載不間斷正常運行。通過系統測試波形和測量數據，說明系統不僅能實現UPS 功能，而且性能良好，具有一定的理論參考價值和實踐意義。