光伏供电下的UPS 系统设计

司家睿，陈斐煜，田佳辰

（东南大学，江苏南京 211100）

在现实生活中，某些机构对于电能的稳定性要求极高，如银行、医院等[1]。因此，这些机构需要有相应的装置在常规供电被切断时临时为其中的用电设备供电，UPS在线不间断电源由此诞生[2]。UPS设备曾使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，然而由于体积、噪声较大，逐渐更迭为使用蓄电池来作为电源。

目前，新能源技术正在蓬勃发展，并被用于电力系统的各个领域。传统UPS 设备存在给蓄电池充电时电能损耗的问题，故有必要设计结合新能源技术的UPS 系统，提高UPS 系统的高效性、节能性，使其适应电力设备发展潮流[3]。本系统使用光伏元件向蓄电池供电，实现了绿色能源在UPS 设备中的应用。

该论文介绍光伏供电下UPS 系统的构成、系统的控制逻辑及参数的分析算法，并对系统的稳定性进行了分析与总结。

1 核心部件电路设计分析

1.1 电路整体架构

所设计的系统拟实现低电压等级的有效值输出（50 V），故各分支电路参数应与之相适应。

220 V 单相交流电经过整流、直流变换、逆变器等环节得到50 Hz 正弦输出供给负载用电。

图1 给出系统工作的流程框图及使用到的电路拓扑。

图1 系统框图

1.2 变压与整流设计

将自耦变压器与隔离变压器级联并接入220 V单相交流市电，产生50 V 以内单相交流电，经过经典单相全波整流电路以及4 700 μF/100 V 电容滤波实现整流[4]。不同于半波整流的是，全波整流的效率更高，可以减小整体电路的损耗，使系统效率升高。

无电容滤波时，起始导电角δ=0°，导通角θ=180°，整流桥输出Ud=0.9U2。设R为后级等效电阻，在ωRC由零增加至无穷大时，δ由0°增至90°，θ由180°减至0°，Ud由0.9U2增至1.414U2。

由于不能准确计算后级等效电阻R，经过实验，得出整流桥输出Ud≈1.3U2。

图2 给出了单相全波整流电路的拓扑结构。

图2 单相全波整流电路

1.3 光伏元件、蓄电池选型及电路设计

蓄电池组由4 节串联的BA225030 构成，实验得正常工作时端电压UB=21 V；光伏元件使用多晶硅APM18P5W27X27，峰值电压为8.75 V，峰值电流为0.57 A。

由于光伏元件输出不稳定，而蓄电池要求恒流充电，故采用一个电流型BOOST 实现光伏元件对蓄电池的恒流充电；由于蓄电池输出电压不是标准直流，故采用一个整流电路使蓄电池接入电网的电压是标准直流。

显然，BOOST 电路不能同时有两个输入电压，故蓄电池与BOOST 之间使用一继电器相连接，实现输入电压来源的切换。

当电网供电时，光伏元件向蓄电池提供电能；当电网供电切断时，蓄电池释放电能维持用电设备工作。

1.4 直流变换电路设计

1.4.1 升降压电路比例计算

根据以上设计，变压整流后的直流电压为：

为使电网供电模式下和蓄电池供电模式下BOOST 电路输入电压相差不大，BUCK 电路输出电压应近似等于蓄电池电压，故BUCK 电路增益为：

BOOST电路输出电压为逆变器输入电压，考虑损耗，对于逆变器，有URMS≈0.95Uin，故BOOST 电路增益为：

初始占空比为：

此外，在逆变器输出端进行电压有效值采样，通过PID 调整控制BOOST 电路占空比的变化。

1.4.2 降压电路及其参数计算

降压电路采用经典的BUCK 拓扑，由微控制器输出PWM 波，PWM 波的占空比为33%，将输入电压缩小3 倍后供给后级电路，使交流输入在30～50 V 范围内时均可以在BOOST 电路输入端得到合适的电压，便于后级电路升压到指定值。

BUCK 电路在CCM 工作模式下负载电流连续，带负载能力强。所以使其工作在CCM 工作模式，此时Uo=UDCD，D为占空比且D=0.33。开关频率高，会增大电路损耗；开关频率低，会增大输出电压脉动幅度。为减小损耗，应在MOSFET 允许的频率范围内选取较低的开关频率。取开关频率为30 kHz，临界电感值为：

为使其工作在CCM 模式下，选取1 mH 电感，铁芯材料为铁硅铝，在30 kHz 下不易饱和。

1.4.3 升压电路及其参数计算

升压电路采用典型的BOOST 拓扑，由微控制器输出PWM 波，同时在逆变器输出端进行有效值采样，闭环调节BOOST 输出电压，使输出电压稳定在50 V 有效值。

取开关频率为30 kHz，计算电感值得：

为使电感工作在CCM 模式下，选取1 mH 电感。

1.5 逆变器设计

逆变主拓扑采用全桥结构。由微控制器输出的SPWM波，经过IR2110驱动芯片驱动后可直接驱动4个MOSFET 管CSD19535组成的H 桥逆变电路。TI公司的CSD19535场效应晶体管可在功率转换应用中最大限度地降低损耗；采用IR2100驱动芯片通过外部自举电路可同时驱动高低端MOSFET，无需外部提供独立电源，使电路简单化，同时可以程控死区，便于调节[5-10]。

主拓扑中H 桥输出接LC 滤波电路。对于逆变器LC 的选择如下：

其中，ρ一般取额定负载的0.4～0.8 倍，fc一般取开关频率的0.04～0.1 倍。代入系统参数，取电感为1 mH，CBB 电容为4.7 μF。通过LC 滤波器参数可计算出截止频率为：

可以滤除输出正弦波中的高次谐波，同时不对基波起衰减作用。输出两端口再分别对地接容值为1 μF 的CBB 电容对地滤波，使输出正弦波失真度尽可能地低。

全桥有源逆变器的拓扑结构如图3 所示。

图3 逆变器拓扑结构

2 系统软件设计分析

2.1 输出电压、电流有效值的采样

输出电压有效值由AD637 芯片输入至单片机ADC。观察到AD637 芯片输出电压经过滤波后仍带有毛刺，在处理ADC 采样值时使用了数字滤波，并进行了平均值队列处理，具体流程如下：

建立一个数组，该数组的每个成员为一个采样周期内ADC 值的平均值。在每个采样周期结束时，抛弃数组中最旧的单元，将该采样周期内的平均值作为新的单元存放在数组中。该数组的平均值可视为采样周期内输出电压的平均值，即正弦信号直流分量。由该平均值可进一步计算输出电压的有效值。

该处理方法的优势为，增加了采样点个数的同时，没有扩大采样周期，可以使得输出有效值的测量更为精准、快速。

输出电流通过霍尔传感器模块转化为交流电压信号，处理方式同上。

2.2 逆变器输出电压恒压控制

逆变器输出电压主要受到逆变器输入电压和SPWM 信号控制。考虑到SPWM 信号的稳定程度对输出波形失真度影响较大，采用控制逆变器输入电压的策略。

交流供电时，逆变器的输入电压由交流市电经过隔离变压器、整流桥、BUCK 电路降压、BOOST 电路升压得到；蓄电池供电时，直流电通过BOOST 电路接至逆变器。可单独控制BUCK 电路或BOOST 电路或同时控制。由于BOOST 电路存在于两个回路中，故单独闭环控制BOOST 电路更为简洁、可靠。

逆变器输出电压设定值为50 V 有效值，与采样得到的输出电压有效值进入PID 控制器，PID 控制器的输出作为BOOST 电路占空比，调整BOOST 电路输出电压，最终使得逆变器输出电压趋于有效值。

2.3 继电器控制

交流供电时，继电器保持常开状态。在交流电断开时，应立即使继电器闭合，切换至直流供电。当检测到系统的输入电压发生阶跃性下降（由30～50 V突变至0 V）时，控制单片机引脚输出一个逻辑高电平至NPN 型三极管基级，通过驱动电路使得继电器闭合，从而切换至蓄电池供电。

图4 给出了继电器的驱动电路。

图4 继电器驱动电路

2.4 过流、过压保护

单片机实时检测输入电压、输出电流，当检测到输入电压过大或输出电流过大时，进行过压/过流保护。此时禁用所有PWM 通道，使得所有MOSFET 关断，切断回路，防止过压/过流带来的损害[11-12]。

3 系统功能验证及分析

3.1 系统输出稳定性测试

1）交流供电，U1=50 V，输出交流电流Io=1 A 时，控制输出交流电压Uo=50 V，频率f=50 Hz。表1给出输出稳定性测试结果。

表1 稳定性测试

2）Io在0.1～1 A 范围变化，测定负载调整率；U1在30～50 V 范围变化，测定电压调整率。表2 给出了负载调整率测试结果，式（11）给出了计算式，表3 给出了电压调整率测试结果，电压调整率如式（12）所示。

表2 负载调整率的测试结果

表3 电压调整率的测试结果

3）系统输出电压失真度测试。表4 给出失真度测试结果。

表4 失真度的测试结果

3.2 系统动态响应性能测试

将交流电压侧切断，系统应在短时间内切换至蓄电池供电，对此响应时间进行测试[13-16]。表5 给出动态响应性能测试结果。

表5 动态响应性能测试

3.3 系统效率分析

该系统主要解决了蓄电池充电损耗，但在各级变换电路中仍存在系统损耗。表6 给出效率分析结果。

表6 系统效率分析

3.4 系统整体性能分析

根据国家标准GB/T 14715-2017，单相UPS 设备负载调整率SI＜10%，电压调整率SU＜10%，输出电压失真度THD ＜5%，开关切换时间T＜100 ms，该系统均满足要求[17-19]。

由于采用光伏供电，故蓄电池充电损耗可以不计，使系统效率升高；光伏供电也提高了系统的节能性。输出电压的低负载调整率表明系统具有较强的带负载能力；低失真度的输出波形给负载提供了较好的工作状态。

4 结论

光伏供电下的UPS 系统[20-22]填补了新能源技术在UPS 设备中的空白，减少了蓄电池的充电损耗，使UPS 设备更节能、对环境更友好。

该系统通过电路参数、控制策略的设计，实现了特定电压等级下光伏供电不间断的功能。实验结果表明，系统具有精度高、稳定性强的特点，可以应用于线性设备的持续供电。

系统受限于器件参数，只能在相对低电压等级下工作，输出电压具有幅值限制，不能满足所有用电设备的需求；且系统中其他变换电路还存在一定损耗，仍有进一步提升电源效率的空间。