基于太阳能的小功率不间断电源设计

王秋妍，王 凯，王道平，赵 媛

（火箭军工程大学，陕西 西安 710025）

0 引 言

随着信息化、网络化、智能化的出现，云计算和大数据呈现快速发展趋势。很多重要场所如医院、银行、网络通信等，每天需要处理大量重要数据，如果供电不稳定或突然中断，可能会导致数据丢失而造成巨大损失，因此对这些场所的供电可靠性要求较高。不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）是一种含有储能装置的高性能电源，与其他供电电源互补，可以解决现有电力电压不稳、受干扰等诸多问题，目前已在各工业领域得到广泛应用。

2018 年10 月，联合国政府间气候变化专门委员会呼吁，世界各国采取适当措施将升温控制在1.5 ℃之内[1]。2021 年3 月5 日，在国务院政府工作报告中提出，要扎扎实实做好“碳达峰”“碳中和”的各项工作。为此，开发利用可替代的再生能源和绿色能源，成为实现“节能提效”的有效途径。根据《可再生能源中长期发展规划》，到21 世纪末，全球80%以上都为可再生能源，而其中60%以上都是核能或光伏发电。由此可见，太阳能光伏开发具有重要的战略地位。随着UPS 技术的发展，太阳能光伏发电在UPS 中的应用也日益广泛[2]。

文章研究的一款基于太阳能发电的小功率不间断电源可根据市电的工作状况，实现市电和太阳能电源的自动切换，保证负载不间断工作。当市电正常时，经过AC/DC可以转换为直流电，再由DC/AC 逆变为交流电，为负载提供高质量电源；当控制电路检测到市电故障信号时，可以自动切换到太阳能电池，保障不间断供电，从而实现电源系统的安全可靠和节能环保。

1 不间断电源

据互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）统计，由电源引起的设备故障率高达45%[3]。一台普通计算机使用数月以后，其数据产生的价值已经超过了硬件功能，对于精密的网络设备和通信设备，不允许电力间断。因此，UPS 是保障电源可靠性和经济效益的重要手段。

1.1 不间断电源的组成

不间断电源特指交流不间断电源设备，指当主供电出现问题后，仍然可以为负载提供电源的系统或设备。典型的UPS 系统框架如图1 所示。

图1 不间断电源系统

当市电正常时，UPS 将市电变换成直流电，再利用逆变电路输出交流电，为负载提供稳定的电力，同时为储能装置（蓄电池）充电。当市电故障时，由UPS 将蓄电池直流电变换为交流电，不间断地为负载供电。随着人们的节能环保意识不断提升，在UPS系统中已经普遍采用了可持续发展新能源，将其存储在电池、超级电容器或飞轮中，能够近乎瞬时地为输入电源提供中断保护。这也是该类系统与辅助电源、应急电源以及备用发电机的不同之处。

1.2 不间断电源的种类

UPS 按工作原理分为以下3 类。

（1）离线式UPS 在工程中最常用，此类UPS 逆变器一般并联连接在市电与负载之间，仅作为后背电源。这种UPS的工作过程为：市电正常时逆变器不工作，给负载供电的同时为蓄电池储能；当市电故障时，蓄电池电能经逆变器转换为交流电，继续为负载供电。

（2）在线交互式UPS 类似于离线式，只是在市电供电回路中增加一个自动电压调节器。这种方式下逆变器一直处于在线状态，当市电故障时将自动切换到蓄电池供电。在线交互式UPS 性能完善，抗干扰能力较强，转换时间短，能够不间断输出交流电。

（3）在线式UPS 的电池始终连接到逆变器，因此不需要电源转换开关。市电正常时，经过整流、滤波、逆变后为负载供电，同时由充电电路为蓄电池充电，更多情况下，蓄电池还有光伏、风力等辅助电源。当市电故障时，电池保持输出稳定不变。在线式UPS与离线式UPS 不同之处在于，主电源是逆变器而不是市电，成本较高。

2 基于太阳能的小功率不间断电源系统

2.1 总体框图

文章设计的不间断电源系统主要包括整流滤波电路、DC/DC 电路、逆变电路、太阳能光伏发电电路、控制电路以及负载。系统根据市电工作状况控制太阳能光伏电源接入，确保负载不间断正常工作，系统框架如图2 所示。

图2 系统总体框架

正常情况下，220 V、50 Hz 市电经过变压器降压、整流滤波电路以及DC/DC 变换器为电路提供辅助电源和逆变母线电压，同时利用逆变专用芯片正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波驱动全桥逆变电路，实现DC/AC 变换，进而为负载供电。当市电故障时，控制电路自动切换至太阳能光伏电池，经过主回路DC/DC 和逆变电路为负载提供不间断电源。为了提高光伏发电的效率，本设计采用最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术为电池储能。

2.2 降压整流电路

利用降压变压器将220 V 交流电降为36 V，经过整流和滤波电路，将交流电变换为直流电。选用1N4007 整流二极管，每个整流二极管的平均电阻R=0.5 Ω。根据电路参数和指标选用1 000 μF、80 V的滤波电容，并选取输入电压为直流 10 ～60 V，电流为10 A，静态工作电流为10 mA，输出电压为12 ～60 V 的连续可调的非隔离DC/DC 升压模块，将电压升高至46 V，为逆变电路供电。

2.3 控制电路

利用2 个10A10（10 A/1 000 V）工频二极管D5、D6反接设计实现市电和电池的自动切换。10A10 二极管正向电流为10 A，正向电压为1 V，浪涌电流为600 A，具有低正向压降、低反向漏电流以及高正向浪涌电流等特点。电源切换控制电路如图3 所示。

图3 基于二极管的控制电路原理

如图3 所示，市电经整流滤波输出约50 V 的直流电，太阳能光伏电池充满情况下的电压为24 V。当市电正常工作时，整流滤波电路的输出电压高于太阳能光伏电池的电压，D6正向导通，D5反向截止，市电为负载提供电能。如果某一时刻市电发生故障，整流滤波电路的输出电压将低于太阳能光伏电池电压，此时D6反向截止，D5正向导通，系统自动切换为太阳能电池供电。可见，该控制电路利用二极管的单向导通特性完成市电和太阳能光伏电池的自动切换，实现系统的不间断供电。由于仅采用二极管实现电源切换，使得控制电路具有高可靠、低成本的特点。

2.4 太阳能光伏发电电路

选用12 V、5 W 的太阳能板与太阳能控制器组成太阳能光伏发电系统，选择24 V 一字型2 600 mAh的锂电池。由于太阳能光伏阵列受表面温度、太阳辐照度等环境因素的影响较大，且输出具有非线性特性，为了使太阳能阵列一直保持在最大输出工作状态，提高转换效率，文章选择奥德利最大功率跟踪太阳能充电控制器[4]。

该控制器输入直流8 ～28 V，输出直流5 ～26 V可调，输出电流为2 A，具有输入反接和输出反流保护功能，能够自动检测电池的实时电压。当电池电压小于一定值时，控制器能够自动断开负载，防止电池过度放电；如果检测到电路温度、电压过高，控制器也会自动断开负载，保护电池和负载。

2.5 逆变及反馈电路

采用由EG8010 芯片和IR2110S 驱动芯片构成的EGS002 驱动板，驱动H 逆变桥，构成单相全桥逆变器。EG8010 是一款高精度、失真和谐波都很小的50 Hz 或60 Hz 的SPWM 波逆变发生器芯片[5]。SPWM波经过隔离式栅极驱动器IR2110S，驱动由MOS 管组成H 逆变桥，完成直流到交流的变换。

文章全桥逆变电路的输入为46 V、1 A 的直流电，考虑到漏极、源极能够承受的最大电压UDS、尖峰电流Id及裕量，选择IRFP260N 型MOS 管。其UDS为200 V，Id为50 A，导通电阻RDS(on)为40 mΩ，满足设计要求。

EG8010 芯片的虚拟功能总线（Virtual Function Bus，VFB）端口可以通过采样反馈电压信号，实现稳定输出的目的。本设计由电阻和电容组成反馈采样电路，可通过电位器调节输出电压。其工作原理为：当输出电压超过阈值时，采样电压随之升高，EG8010 调节SPWM 波占空比，使之减小，从而降低输出电压；当输出电压低于阈值时，VFB 端口电压降低，调节SPWM 波占空比增大，输出电压随之升高。可见，反馈电路通过采样输出电压控制SPWM 的占空比，达到稳定逆变器输出电压的目的。逆变器实物如图4 所示。

图4 逆变器实物

采用EGS002 驱动板产生SPWM 驱动信号，驱动是由IRFP260N 功率MOS 管构成的全桥逆变电路，设计反馈采样电路稳定输出电压，实现逆变功能。该逆变系统输入46 V 的直流电，输出为24 V、3 W、50 Hz 的交流电。

3 实验结果与分析

本文主要对系统的输出电压、电流、功率以及波形进行测试。系统在市电正常的情况下，输出波形如图5（a）所示；在市电故障切换至太阳能光伏供电的情况下，输出波形如图5（b）所示。

图5 不同电源供电时系统输出波形

从图5 的输出波形可见，在市电正常和市电故障的情况下，均能得到较为纯正的正弦交流电，输出电压为（24±0.01）V，频率为（50±0.05）Hz。可见，工作时整个系统比较稳定且性能良好。此外，系统部分输出测量数据如表1 所示。

表1 小功率不间断电源系统输出参数

从表1 可见，在市电和太阳能光伏发电2 种电源切换前后，负载工作电流在0.12 ～0.14 A 范围内，负载工作电压在24.2 ～24.7 V 范围内，功率在3.0 ～3.3 W 范围内，系统输出相对稳定，满足设计要求。

综上所述，文章设计的电源系统经过测试能够实现不间断电源功能，且满足设计指标。

4 结 论

本文设计了一款基于太阳能的小功率不间断电源，市电正常时经过整流滤波、DC/DC 和逆变电路为负载提供更加稳定的交流电，当控制电路检测到市电出现故障时，自动切换至太阳能光伏电池供电，为系统提供不间断电源，从而保证负载不间断正常运行。通过系统测试波形和测量数据，说明系统不仅能实现UPS 功能，而且性能良好，具有一定的理论参考价值和实践意义。