基于太陽能的小功率不間斷電源設(shè)計(jì)

王秋妍，王 凱，王道平，趙 媛

（火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025）

0 引 言

隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的出現(xiàn)，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。很多重要場所如醫(yī)院、銀行、網(wǎng)絡(luò)通信等，每天需要處理大量重要數(shù)據(jù)，如果供電不穩(wěn)定或突然中斷，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失而造成巨大損失，因此對(duì)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(chǔ)能裝置的高性能電源，與其他供電電源互補(bǔ)，可以解決現(xiàn)有電力電壓不穩(wěn)、受干擾等諸多問題，目前已在各工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2018 年10 月，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)呼吁，世界各國采取適當(dāng)措施將升溫控制在1.5 ℃之內(nèi)[1]。2021 年3 月5 日，在國務(wù)院政府工作報(bào)告中提出，要扎扎實(shí)實(shí)做好“碳達(dá)峰”“碳中和”的各項(xiàng)工作。為此，開發(fā)利用可替代的再生能源和綠色能源，成為實(shí)現(xiàn)“節(jié)能提效”的有效途徑。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到21 世紀(jì)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(fā)電。由此可見，太陽能光伏開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略地位。隨著UPS 技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電在UPS 中的應(yīng)用也日益廣泛[2]。

文章研究的一款基于太陽能發(fā)電的小功率不間斷電源可根據(jù)市電的工作狀況，實(shí)現(xiàn)市電和太陽能電源的自動(dòng)切換，保證負(fù)載不間斷工作。當(dāng)市電正常時(shí)，經(jīng)過AC/DC可以轉(zhuǎn)換為直流電，再由DC/AC 逆變?yōu)榻涣麟姡瑸樨?fù)載提供高質(zhì)量電源；當(dāng)控制電路檢測到市電故障信號(hào)時(shí)，可以自動(dòng)切換到太陽能電池，保障不間斷供電，從而實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全可靠和節(jié)能環(huán)保。

1 不間斷電源

據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）統(tǒng)計(jì)，由電源引起的設(shè)備故障率高達(dá)45%[3]。一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)使用數(shù)月以后，其數(shù)據(jù)產(chǎn)生的價(jià)值已經(jīng)超過了硬件功能，對(duì)于精密的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信設(shè)備，不允許電力間斷。因此，UPS 是保障電源可靠性和經(jīng)濟(jì)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(shè)備，指當(dāng)主供電出現(xiàn)問題后，仍然可以為負(fù)載提供電源的系統(tǒng)或設(shè)備。典型的UPS 系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 不間斷電源系統(tǒng)

當(dāng)市電正常時(shí)，UPS 將市電變換成直流電，再利用逆變電路輸出交流電，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電力，同時(shí)為儲(chǔ)能裝置（蓄電池）充電。當(dāng)市電故障時(shí)，由UPS 將蓄電池直流電變換為交流電，不間斷地為負(fù)載供電。隨著人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)不斷提升，在UPS系統(tǒng)中已經(jīng)普遍采用了可持續(xù)發(fā)展新能源，將其存儲(chǔ)在電池、超級(jí)電容器或飛輪中，能夠近乎瞬時(shí)地為輸入電源提供中斷保護(hù)。這也是該類系統(tǒng)與輔助電源、應(yīng)急電源以及備用發(fā)電機(jī)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(lián)連接在市電與負(fù)載之間，僅作為后背電源。這種UPS的工作過程為：市電正常時(shí)逆變器不工作，給負(fù)載供電的同時(shí)為蓄電池儲(chǔ)能；當(dāng)市電故障時(shí)，蓄電池電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，繼續(xù)為負(fù)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(gè)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。這種方式下逆變器一直處于在線狀態(tài)，當(dāng)市電故障時(shí)將自動(dòng)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(qiáng)，轉(zhuǎn)換時(shí)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(zhuǎn)換開關(guān)。市電正常時(shí)，經(jīng)過整流、濾波、逆變后為負(fù)載供電，同時(shí)由充電電路為蓄電池充電，更多情況下，蓄電池還有光伏、風(fēng)力等輔助電源。當(dāng)市電故障時(shí)，電池保持輸出穩(wěn)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(tǒng)

2.1 總體框圖

文章設(shè)計(jì)的不間斷電源系統(tǒng)主要包括整流濾波電路、DC/DC 電路、逆變電路、太陽能光伏發(fā)電電路、控制電路以及負(fù)載。系統(tǒng)根據(jù)市電工作狀況控制太陽能光伏電源接入，確保負(fù)載不間斷正常工作，系統(tǒng)框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

正常情況下，220 V、50 Hz 市電經(jīng)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(shí)利用逆變專用芯片正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路，實(shí)現(xiàn)DC/AC 變換，進(jìn)而為負(fù)載供電。當(dāng)市電故障時(shí)，控制電路自動(dòng)切換至太陽能光伏電池，經(jīng)過主回路DC/DC 和逆變電路為負(fù)載提供不間斷電源。為了提高光伏發(fā)電的效率，本設(shè)計(jì)采用最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)為電池儲(chǔ)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(jīng)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(gè)整流二極管的平均電阻R=0.5 Ω。根據(jù)電路參數(shù)和指標(biāo)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(tài)工作電流為10 mA，輸出電壓為12 ～60 V 的連續(xù)可調(diào)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(gè)10A10（10 A/1 000 V）工頻二極管D5、D6反接設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)市電和電池的自動(dòng)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(diǎn)。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(jīng)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(dāng)市電正常工作時(shí)，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?qū)ǎ珼5反向截止，市電為負(fù)載提供電能。如果某一時(shí)刻市電發(fā)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(shí)D6反向截止，D5正向?qū)?，系統(tǒng)自動(dòng)切換為太陽能電池供電?？梢?，該控制電路利用二極管的單向?qū)ㄌ匦酝瓿墒须姾吞柲芄夥姵氐淖詣?dòng)切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷供電。由于僅采用二極管實(shí)現(xiàn)電源切換，使得控制電路具有高可靠、低成本的特點(diǎn)。

2.4 太陽能光伏發(fā)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(fā)電系統(tǒng)，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(huán)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(tài)，提高轉(zhuǎn)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(diào)，輸出電流為2 A，具有輸入反接和輸出反流保護(hù)功能，能夠自動(dòng)檢測電池的實(shí)時(shí)電壓。當(dāng)電池電壓小于一定值時(shí)，控制器能夠自動(dòng)斷開負(fù)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(huì)自動(dòng)斷開負(fù)載，保護(hù)電池和負(fù)載。

2.5 逆變及反饋電路

采用由EG8010 芯片和IR2110S 驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成的EGS002 驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)H 逆變橋，構(gòu)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(fā)生器芯片[5]。SPWM波經(jīng)過隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器IR2110S，驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通電阻RDS(on)為40 mΩ，滿足設(shè)計(jì)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(hào)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出的目的。本設(shè)計(jì)由電阻和電容組成反饋采樣電路，可通過電位器調(diào)節(jié)輸出電壓。其工作原理為：當(dāng)輸出電壓超過閾值時(shí)，采樣電壓隨之升高，EG8010 調(diào)節(jié)SPWM 波占空比，使之減小，從而降低輸出電壓；當(dāng)輸出電壓低于閾值時(shí)，VFB 端口電壓降低，調(diào)節(jié)SPWM 波占空比增大，輸出電壓隨之升高?？梢姡答侂娐吠ㄟ^采樣輸出電壓控制SPWM 的占空比，達(dá)到穩(wěn)定逆變器輸出電壓的目的。逆變器實(shí)物如圖4 所示。

圖4 逆變器實(shí)物

采用EGS002 驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生SPWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)是由IRFP260N 功率MOS 管構(gòu)成的全橋逆變電路，設(shè)計(jì)反饋采樣電路穩(wěn)定輸出電壓，實(shí)現(xiàn)逆變功能。該逆變系統(tǒng)輸入46 V 的直流電，輸出為24 V、3 W、50 Hz 的交流電。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文主要對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓、電流、功率以及波形進(jìn)行測試。系統(tǒng)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(shí)系統(tǒng)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?？梢?，工作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)比較穩(wěn)定且性能良好。此外，系統(tǒng)部分輸出測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 小功率不間斷電源系統(tǒng)輸出參數(shù)

從表1 可見，在市電和太陽能光伏發(fā)電2 種電源切換前后，負(fù)載工作電流在0.12 ～0.14 A 范圍內(nèi)，負(fù)載工作電壓在24.2 ～24.7 V 范圍內(nèi)，功率在3.0 ～3.3 W 范圍內(nèi)，系統(tǒng)輸出相對(duì)穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，文章設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)經(jīng)過測試能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷電源功能，且滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款基于太陽能的小功率不間斷電源，市電正常時(shí)經(jīng)過整流濾波、DC/DC 和逆變電路為負(fù)載提供更加穩(wěn)定的交流電，當(dāng)控制電路檢測到市電出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換至太陽能光伏電池供電，為系統(tǒng)提供不間斷電源，從而保證負(fù)載不間斷正常運(yùn)行。通過系統(tǒng)測試波形和測量數(shù)據(jù)，說明系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)UPS 功能，而且性能良好，具有一定的理論參考價(jià)值和實(shí)踐意義。