摘 要

随着国家生态文明战略的不断推进，人们对电力清洁能源的呼声越来越大，太阳能光伏发电也有着广阔的发展前景。数据中心作为互联网世界中极为重要的基础设施，其电力保证是维持互联网企业正常提供服务的重要保证，因此UPS系统在数据中心的建设中广泛使用。但同时，数据中心是一个高耗能的设施，为了实现绿色可持续的发展，现在的数据中心广泛利用各种自然条件降低能耗。

本文就是设计一个基于光伏充电的UPS系统并建立其仿真模型。论文首先介绍了UPS系统和光伏系统各自的工作原理。从UPS电路的拓扑结构和各电力电子部分的控制策略说明了UPS系统的原理，从光伏电池的原理及数学模型和MPPT最大功率传输的原理及控制方法说明了光伏系统的基本原理。随后借助Matlab中的Simulink仿真工具分别进行了UPS系统的设计及光伏系统的设计。UPS系统使用的是双变换在线式UPS拓扑结构，整流器使用单相不控整流电路，逆变器控制策略采用的是电压电流双闭环PWM控制。光伏系统分别使用了扰动观察法和电导增量法进行了模型搭建以及仿真，通过分析波形及其它仿真结果，验证了实验模型的可行性。最后将UPS系统与光伏系统相结合，设计了基于光伏充电的UPS系统，通过加入实际情况中可能出现的各种扰动进行仿真验证，UPS系统输出电压波动在电网和光伏输出的扰动下波动较小，实验结果基本达成了设计目标。

关键词：不间断电源，光伏充电，Simulink仿真，逆变器，MPPT算法

Abstract

With the continuous advancement of the national ecological civilization strategy, people's calls for clean energy power are growing louder, and solar photovoltaic power generation also has broad development prospects. The data center is an extremely important infrastructure in the Internet world. Its power guarantee is an important guarantee for maintaining the normal service provided by Internet companies. Therefore, the UPS system is widely used in the construction of data centers. But at the same time, the data center is a high-energy-consuming facility. In order to achieve green and sustainable development, the current data center widely uses various natural conditions to reduce energy consumption.

This article is to design a UPS system based on photovoltaic charging and establish its simulation model. The thesis first introduced the respective working principles of UPS system and photovoltaic system. The topology of the UPS circuit and the control strategy of each power electronic part illustrate the principle of the UPS system. The principle and control method of the photovoltaic cell and the mathematical model of the MPPT maximum power transmission explain the basic principles of the photovoltaic system. Then, the Simulink simulation tool in Matlab was used to design the UPS system and the photovoltaic system. The UPS system uses a double conversion online UPS topology, the rectifier uses a single-phase uncontrolled rectifier circuit, and the inverter control strategy uses voltage and current double closed-loop PWM control. The photovoltaic system uses the disturbance observation method and the conductance increment method for model building and simulation, and the feasibility of the experimental model is verified by analyzing the waveform and other simulation results. Finally, the UPS system is combined with the photovoltaic system, and a UPS system based on photovoltaic charging is designed. The simulation is verified by adding various disturbances that may occur in the actual situation. The output voltage fluctuation of the UPS system is small under the disturbance of the grid and photovoltaic output. The experimental results basically reached the design goal.

Key words: UPS, Photovoltaic charging, Simulink simulation, Inverter, MPPT algorithm

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 最大功率点跟踪技术 2

1.2.2 逆变器及其控制技术 2

1.2.3 基于光伏充电UPS系统发展现状 3

1.3研究内容 3

1.4研究目标 3

第2章 UPS系统控制策略 4

2.1 各种类型的UPS拓扑 4

2.2 UPS拓扑结构选择 5

2.3 逆变器控制策略 6

2.4 充放电器控制策略 7

2.5 本章小结 8

第3章 光伏系统MPPT原理 9

3.1 光伏电池原理 9

3.2 光伏电池数学模型 9

3.3 MPPT原理 11

3.4 MPPT控制方法 12

3.4.1 恒定电压法 12

3.4.2 扰动观察法 12

3.4.3 电导增量法 13

3.4.4 MPPT算法选择 14

3.5 本章小结 15

第4章 UPS系统设计与建模 16

4.1 整流器设计 16

4.2 逆变器设计 17

4.2.1 基于电压瞬时值PID的控制策略 17

4.2.2 基于电压电流双闭环的控制策略 18

4.3 充放电器设计 19

4.4 UPS系统集成设计 22

4.5 本章小结 24

第5章 光伏系统设计与建模 25

5.1 光伏模块仿真分析 25

5.2 MPPT算法仿真分析 27

5.2.1 扰动观察法电路仿真 27

5.2.1 电导增量法电路仿真 30

5.3 本章小结 32

第6章 基于光伏充电的UPS系统仿真分析 33

6.1 总体设计思路 33

6.2 运行及仿真验证 34

6.2.1 仅市电突然掉电 35

6.2.2 仅光照突然中断 36

6.2.3 光照中断后市电掉电 37

6.3 本章小结 38

第7章 总结与展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

UPS即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件、稳压稳频输出的电源保护设备。UPS控制的目的是调节逆变器的输出电压，以确保闭环稳定性和性能免受负载变化和干扰^[1]。

最早期的UPS是20世纪60年代基于旋转发电式的动态UPS，利用机械惯性储能以及电动机、发电机的能量传输机制以提供短时间的不间断电源^[2]。动态UPS体积庞大，造价贵，噪声巨大，不易于维护和使用。随着电子技术的不断发展，电力二极管，晶闸管、晶体管相继问世，出现了工频UPS，工频UPS使用蓄电池储能。较之动态UPS，工频UPS体积变小，备电时间由动态UPS的秒级上升到小时级，并且还可以优化后端设备的电能质量，但由于频率太低需要电力变压器造成了体积和质量的肿大。20世纪90年代后期出现了高频和全IGBT化的UPS。由于功率的提升，较之工频UPS，它的体积缩小了50%，除此之外，它的效率更高，对电网的谐波污染减小，大都采用了全数字化的高集成化设计，在维护性方面也有较大改进^[3]。而如今，模块化设计的高频UPS正占据当前的UPS市场，它的可靠性有了很大的提高，并且支持热插拔，可在线维护及扩容，由于模块可拆卸，更有益于UPS的安装和运输。随着电源技术的不断完善发展，未来的UPS电源只会越来越小，会有更小的体积、更小的噪音、更小的能耗。