21世纪以来，能源危机和环境污染正逐渐成为困扰世界各国的两大难题。为了现代社会的可持续发展，可再生能源的开发与利用正越来越被人类所重视，其中，太阳能作为一种广泛分布的清洁可再生能源具有很好的应用前景。UPS作为一种能够持续、稳定提供高质量、高可靠性电源的重要设备，现已广泛应用于：家庭、工业、通讯、国防、医院、广播电视、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备等领域。本文介绍的基于MPPT控制技术的离网太阳能UPS不仅能够将新能源得以利用，更能将其转化为高可靠性的交流电源，以供各种行业、各种设备使用。

1.太阳能UPS的系统结构：

太阳能UPS的系统结构主要分为基于MPPT控制技术的太阳能充电板、蓄电池组、市电充电模块、逆变模块和功率因素校正模块，其各个部分的功能介绍如下：

（1） 基于MPPT控制技术的太能充电板：MPPT（Maximum Power Point Tracking），即最大功率点跟踪，能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高输出电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出，采用TI28034芯片，高效的MPPT运算方案，使太阳能板的利用率高达99%，其输出电压为24V/48V/72V，输出电流50A，以作为逆变模块的能量输入。

（2） 蓄电池组：一般为铅酸电池，其作用为将MPPT控制器和市电充电模块的输出能量储存起来，待市电丢失和太阳能不足时供给逆变模块使用。

（3） 市电充电模块：当没有太阳能时，为蓄电池组提供能量。

（4） 逆变模块：将MPPT控制器输出的24V/48V/72V的直流电压或蓄电池组的电压转换为高质量的220V的交流电压，以供客户负载使用。

（5） 功率因素校正模块：所谓功率因数校正，就是改善电流波形，使其尽量与电压波形一致，令负载呈现出电阻性负载的特性，功率因数将接近于1。故在整流后加入一级DC/DC的功率因数校正器（PFC），借由主动开关的动作将输入电流修正为与电压波形相似的正弦波，以达到提高功率因数目的。

2.太阳能UPS系统的工作原理：

 2.1本节先简单介绍几个模块的工作原理，然后再介绍系统的工作原理

（1） MPPT控制器：MPPT本质上是一个寻优过程。其硬件电路为一BUCK电路，通过扰动法，将太阳能光板从开路电压V慢慢调至略高于电池V1，并记录在这一过程中各个电压点的输出功率，确定输出功率峰值点的电压。搜索完采用爬山法，控制电压向峰值功率点移动，最终系统会在最大功率点附近工作。

（2） 上述模块中，功率因素校正模块、蓄电池组、市电充电模块、逆变模块构成UPS，
其整体方框图及工作原理如下：

当市电正常时，输入市电一方面经输入滤波器、交流/直流升压变换器、逆变器、输出滤波器输出给负载；另一方面经输入滤波器、充电器给电池充电；当市电异常时，电池电压经直流/直流升压变换器、逆变器、输出滤波器输出给负载；当UPS异常时，输入市电直接经旁路输出给负载。

2.2上面介绍了太阳能UPS系统2个主要部分的工作原理，现结合以上2点及下面整机示意图对太阳能UPS系统的工作原理阐述如下：

定义如下参数：市电输入功率Pin，负载功率Pout，太阳能提供的最大功率Pmax，电池放电功率Pbat。

2.2.1当市电正常，电池正常，太阳能正常，太阳能UPS工作在市电模式下

（1） 如果负载功率Pout小于太阳能提供的最大功率Pmax，那么太阳能提供的能量经过MPPT控制--- DC-DC升压----DC-AC逆变，最后供给负载使用，另一部分能量通过二极管D1给电池充电。如果此时电池已经到浮充电压，那么MPPT控制器将控制太阳能的最大功率Pmax，使其等于负载功率Pout。

（2） 如果负载功率Pout大于太阳能提供的最大功率Pmax，那么太阳能提供最大功率Pmax，能量经过MPPT控制--- DC/DC升压----DC/AC逆变，负载另一部分所需的能量由市电经过AC/DC---DC/AC供给。

2.2.2当市电异常，电池正常，太阳能正常，太阳能UPS工作在电池模式下

（1） 如果负载功率Pout小于太阳能提供的最大功率Pmax，那么太阳能提供的能量经过MPPT控制--- DC-DC升压----DC-AC逆变，最后供给负载使用，另一部分能量通过二极管D1给电池充电。如果此时电池已经到浮充电压，那么MPPT控制器将控制太阳能的最大功率Pmax，使其等于负载功率Pout。

（2） 如果负载功率Pout大于太阳能提供的最大功率Pmax，那么太阳能提供最大功率Pmax，能量经过MPPT控制--- DC/DC升压----DC/AC逆变供给负载，负载另一部分所需的能量由BAT经过---Q1---DC/DC升压----DC/AC逆变提供给负载。

2.2.3当市电正常，电池正常，太阳能异常，太阳能UPS工作在市电模式下，此时负载所需的能量全部由市电经过AC/DC---DC/AC供给。

2.2.4当市电异常，电池正常，太阳能异常，太阳能UPS工作在电池模式下，此时负载所需的能量全部由BAT经过---Q1---DC/DC升压----DC/AC逆变提供给负载。

3.太阳能UPS与太阳能逆变器的比较

目前，市场上常见的太阳能电源设备有太阳能离并网逆变器和太阳能离网逆变器，与之相比，太阳能UPS有其独特自身优点，也有其不足的地方，其对比如下：

1.与离并网逆变器（工作原理：市电正常时，运行在并网模式，逆变器对电网馈电。市电异常时，断开市电，通过电池逆变对负载供电）的比较：

缺点：

（1 ） PV 效率略低一些，太阳能UPS要经过PV 充电器，DC-DC升压，DC-AC逆变环节，而离并网逆变器只需DC-DC升压，DC-AC逆变环节。

（2 ） PV 利用率在负载不足且电池充饱时会低一些，此时，MPPT控制器会脱离MPPT控制，进入输出恒压控制。

优点：

（1） 不受政策法规影响，对电网无影响亦不受电网影响。

（2） 市电范围广，离并网逆变器支持184-264V，太阳能UPS支持110V-285V，且110V输入时，如果PV功率大于一半负载，太阳能UPS都能工作在市电模式。

（3） 输出电压稳定，误差仅1%，离并网逆变器跟随市电电压。

（4） 市电模式电池模式转换不存在转换时间。

（5） 工作在市电模式时输入性能好，功率因数接近1，电流谐波小于8%。而离并网逆变器则取决于负载，功率因数通常0.7，电流谐波30%左右。

2.和太阳能离网逆变器比较，其缺点与太阳能离并网逆变器一样，现将其优点比较如下：

（1） 输出电压稳定，误差仅1%。离网逆变器输出电压跟随市电电压。

（2） 工作在市电模式时输入性能好，功率因数接近1，电流谐波小于8%。而离并网逆变器则取决于负载，功率因数通常0.7，电流谐波30%左右。

（3）  电池不会频繁充放电，能有效增加电池使用寿命。

（4）  市电模式电池模式转换不存在转换时间。

4. 结束语：

相比传统的UPS只有电池和市电能量提供，太阳能UPS新增加一种新能源——太阳能的注入方式，而且其优先使用太阳能的工作方式配合MPPT控制技术将太阳能的利用率达到最大化。相比于太阳能逆变器，太阳能UPS在市电模式下多了一级功率因素校正功能，其高质量的纯正弦波输出是一般逆变器无法达到的，这对于一些对输入电压精度要求很高的设备尤为重要。另外，其配备主动运转功能，早晨日出后，太阳辐射强度逐步加强，太阳能电池板的输出也随之增大，当到达UPS任务所需的输出功率后，UPS即主动开机运转，因此，便免去了人工操作的繁琐性。以上功能特点便决定太阳能UPS是一个市场前景的产品，相信随着新能源的开发与利用正越来越被人类所重视，太阳能UPS将会在各种领域扮演着重要的角色。（御风）