CN115956331A - 不间断电源装置 - Google Patents

Abstract

双向斩波器(5)有选择地执行将由变换器(3)生成的直流电力的一部分向蓄电装置(22)积蓄的充电动作和将蓄电装置(22)的直流电力向逆变器(8)供给的放电动作。控制电路对双向斩波器(5)进行控制，以在电力系统(20)停电时执行放电动作。控制电路在电力系统(20)健全时，基于由频率检测器检测到的系统频率对双向斩波器(5)进行控制。控制电路对双向斩波器(5)进行控制，以对应于系统频率的上升而执行充电动作，对应于系统频率的下降而执行放电动作。

Description

不间断电源装置

技术领域

本发明涉及不间断电源装置。

背景技术

近年来，为了使大规模数据中心的运行持续，不间断电源装置的大容量化正在进展。在大容量的不间断电源装置中，作为停电补偿用的后备(backup)电源而采用大容量的蓄电装置。作为这样的蓄电装置，例如使用大容量的锂离子电池。

另一方面，在连接不间断电源装置的电力系统中，近年来在可再生能量的导入进展下，连接着许多以太阳能发电装置为代表的分散型电源(例如，参照日本特开2019－161939号公报(专利文献1))。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2019－161939号公报

发明内容

发明要解决的课题

在电力系统中，在发电电力与需求电力(负载耗电)均衡的情况下，系统频率被保持为一定。如果发生发电电力与需求电力的不均衡，则发生系统频率的变动。如果系统频率变动，则不仅给需求户的电气设备的运转带来影响，还有可能引起电力系统的停电。

另一方面，分散型电源的输出较大地受气象条件、时段及季节等的环境因素左右。因此，随着在电力系统中分散型电源的导入比率变高，发电电力的变动变大，担心系统频率的变动增大。

上述的不间断电源装置构成为，为了电力系统的停电补偿而使用积蓄在蓄电装置中的直流电力。因此，在电力系统健全时不使用蓄电装置的直流电力，很难说有效利用了大容量的蓄电装置。

本发明是为了解决这样的问题而做出的，本发明的目的是提供一种能够补偿电力系统的频率变动的不间断电源装置。

用来解决课题的手段

有关本发明的一技术方案的不间断电源装置具备：电力变换装置，连接在电力系统及负载之间；频率检测器，检测电力系统上的交流电压的频率即系统频率；以及控制装置，对电力变换装置进行控制。电力变换装置包括变换器、逆变器和双向斩波器。变换器将从电力系统供给的交流电力变换为直流电力。逆变器将从变换器或蓄电装置供给的直流电力变换为交流电力，向负载供给。双向斩波器有选择地执行将由变换器生成的直流电力的一部分向蓄电装置积蓄的充电动作和将蓄电装置的直流电力向逆变器供给的放电动作。控制装置包括对双向斩波器进行控制的控制电路。控制电路在电力系统停电时，对双向斩波器进行控制以执行放电动作。控制电路在电力系统健全时，基于检测到的系统频率对双向斩波器进行控制。控制电路对双向斩波器进行控制，以对应于系统频率的上升而执行充电动作，并且对应于系统频率的下降而执行放电动作。

发明效果

根据本发明，能够提供能够补偿电力系统的频率变动的不间断电源装置。

附图说明

图1是表示应用了有关本实施方式的不间断电源装置的电力系统的构成例的图。

图2是表示有关本实施方式的不间断电源装置的构成例的电路框图。

图3是表示控制装置的硬件构成例的框图。

图4是说明频率变化量的图。

图5是概念性地表示由不间断电源装置进行的频率补偿的图。

图6是概念性地表示由不间断电源装置进行的频率补偿的图。

图7是表示双向斩波器的构成的电路图。

图8是表示控制电路的构成的框图。

图9是表示图8所示的频率补偿部、充电控制部及放电控制部的构成例的框图。

图10是用来说明对电池的SOC设定的判定值的图。

图11是表示图8所示的PWM控制部的构成例的框图。

图12是用来说明双向斩波器的动作的流程图。

图13是表示应用了有关本实施方式的不间断电源装置的电力系统的变更例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。另外，以下对图中的相同或对应部分赋予相同的标号，原则上不重复其说明。

图1是表示应用了有关本实施方式的不间断电源装置(UPS：UninterruptiblePower Supply)的电力系统的构成例的图。

如图1所示，有关本实施方式的UPS100被连接在包括商用交流电源21及送电线24的电力系统20上。在送电线24上，连接着用来将分散型电源26接入电网的PCS(电力调节器)25。

分散型电源26将自然能变换为直流电力。自然能例如是太阳光、风力、潮汐力、地热等，也被称作可再生能源。PCS25同步于送电线24的交流电压而动作，将由分散型电源26生成的直流电力变换为交流电力Pd并向送电线24供给。

UPS100连接在送电线24与负载23之间，受从电力系统20供给的系统频率f的交流电力驱动。UPS100具备电力变换装置1、控制装置31及频率检测器30。

电力变换装置1受控制装置31控制，在从电力系统20正常地供给交流电力的情况下(电力系统20健全时)，使用从电力系统20供给的交流电力Ps，生成系统频率f的交流电力并向负载23供给。电力变换装置1还将交流电力的Ps的一部分变换为直流电力并积蓄到电池22中。

当发生了电力系统20的停电时，电力变换装置1将电池22的直流电力变换为系统频率f的交流电力并向负载23供给。电池22对应于“蓄电装置”的一实施例。在电池22中例如使用锂离子电池。

频率检测器30根据送电线24上的交流电压波形检测作为该电压的频率的系统频率f，将表示其检测值的信号向控制装置31给出。

图2是表示有关本实施方式的UPS100的构成例的电路框图。如图2所示，UPS100具备电流检测器2、6、9、变换器(converter)3、直流线路L1～L3、电容器C1、C2、11、控制电路4、7、14、双向斩波器5、逆变器(inverter)8、电抗器10及电磁接触器12、13。变换器3、直流线路L1～L3、电容器C1、C2、11、双向斩波器5、逆变器8、电抗器10及电磁接触器12、13构成电力变换装置1(图1)。控制电路4、7、14构成控制装置31(图1)。

UPS100被从电力系统20供给的系统频率f的交流电力驱动。从电力系统20供给的交流输入电压Vi的瞬时值由控制电路4、7检测。电流检测器2检测从电力系统20流到变换器3中的交流输入电流Ii，将表示其检测值的信号Iif向控制电路4给出。

变换器3受控制电路4控制，在电力系统20健全时，将交流电力变换为直流电力并向直流线路L1、L2、L3输出。在从电力系统20的交流电力的供给被停止的情况下(电力系统20停电时)，变换器3的运转被停止。

变换器3在电力系统20健全时，基于从电力系统20供给的交流电压Vi生成3电平的直流电压Vdc1、Vdc2、Vdc3，将直流电压Vdc1～Vdc3分别向直流线路L1～L3输出。直流电压Vdc1是正电压，直流电压Vdc2是负电压，直流电压Vdc3是接地电压(0V)。VDC1＝Vdc1－Vdc3，VDC2＝Vdc3－Vdc2，VDC1＝VDC2。如果设Vdc1－Vdc2＝VDC，则VDC1+VDC2＝VDC。

电容器C1连接在直流线路L1、L3间，使直流线路L1、L3间的直流电压VDC1平滑化。电容器C2连接在直流线路L3、L2间，使直流线路L2、L3间的直流电压VDC2平滑化。直流线路L1、L2间的直流电压VDC的瞬时值由控制电路4检测。

控制电路4基于交流输入电压Vi的检测值检测是否发生了电力系统20的停电。在电力系统20健全时，控制电路4基于交流输入电压Vi、交流输入电流Ii及直流电压VDC对变换器3进行控制，以使直流电压VDC成为规定的参照直流电压VDCr(例如660V)。在电力系统20停电时，控制电路4使变换器3的运转停止。

直流线路L1、L2、L3与逆变器8连接，并且与双向斩波器5的高电压侧节点5a、5b、5c分别连接。双向斩波器5的低电压侧节点5d、5e分别与电池22的正极及负极连接。电池22积蓄直流电力。

双向斩波器5受控制电路7控制。双向斩波器5在电力系统20健全时，将由变换器3生成的直流电力积蓄到电池22中。在发生了电力系统20停电时，双向斩波器5将电池22的直流电力经由直流线路L1～L3向逆变器8供给。双向斩波器5构成为，能够有选择地执行将直流电力积蓄到电池22中的充电动作和将电池22的直流电力向逆变器8供给的放电动作。

直流线路L1、L3间的直流电压VDC的瞬时值由控制电路7检测。也可以将直流线路L1、L3间的直流电压VDC1的瞬时值与直流线路L3、L2间的直流电压VDC2的瞬时值相加，求出直流线路L1、L2间的直流电压VDC的瞬时值。

电流检测器6检测流到双向斩波器5的低电压侧节点5d与电池22的正极之间的直流电流Ib，将表示其检测值的信号Ibf向控制电路7给出。电池22的端子间电压(以下也称作“电池电压”)VB的瞬时值由控制电路7检测。

控制电路7基于直流电压VDC、直流电流Ib、电池电压VB及系统频率f，对双向斩波器5进行控制。控制电路7基于交流输入电压Vi的检测值，检测是否发生了电力系统20的停电。

控制电路7在电力系统20健全时，对双向斩波器5进行控制，以使由变换器3生成的直流电力被积蓄在电池22中，并且电池电压VB成为规定的参照直流电压VBr(例如480V)。此外，控制电路7根据发生了电力系统20的停电，对双向斩波器5进行控制，以使电池22的直流电力被供给到逆变器8中，直流线路L1、L2间的直流电压VDC成为规定的参照直流电压VDCr(例如660V)。

逆变器8受控制电路14控制，将从变换器3或双向斩波器5经由直流线路L1～L3供给的直流电力变换为系统频率f的交流电力，根据发生了商用交流电源21的停电，将从电池22经由双向斩波器5供给的直流电力变换为交流电力。逆变器8的交流输出电压能够控制为希望的值。

此时，逆变器8基于直流线路L1～L3的直流电压Vdc1～Vdc3，生成交流输出电压Vo。控制电路14基于交流输出电压Vo及交流输出电流Io，对逆变器8进行控制，以使交流输出电压Vo成为规定的参照交流电压Vor。

逆变器8的输出节点与电抗器10的第1端子连接，电抗器10的第2端子(节点N1)经由电磁接触器12与负载23连接。电容器11连接在节点N1与直流线路L3之间。负载23的接地端子23a与直流线路L3连接。

电抗器10及电容器11构成低通滤波器，使由逆变器8生成的系统频率f的交流电力穿过负载23，防止由逆变器8产生的开关频率的信号穿过负载23。

电流检测器9检测逆变器8的输出电流Io的瞬时值，将表示其检测值的信号Iof向控制电路14给出。流动到节点N1中的交流输出电压Vo的瞬时值由控制电路14检测。控制电路14基于交流输出电压Vo及交流输出电流Io对逆变器8进行控制，以使交流输出电压Vo成为规定的参照交流电压Vor。

电磁接触器12在将由逆变器8生成的交流电力向负载23供给的逆变器供电模式时被开启，在将来自电力系统20的交流电力向负载23供给的旁路(bypass)供电模式时被关闭。

电磁接触器13连接在电力系统20与负载23之间，在逆变器供电模式时被关闭，在旁路供电模式时被开启。此外，在逆变器供电模式时，在逆变器8故障了的情况下，电磁接触器13被开启并且电磁接触器12被关闭，来自电力系统20的交流电力向负载23供给。

图3是表示控制装置31的硬件构成例的框图。代表性地，控制装置31可以由预先存储有规定的程序的微型计算机构成。

在图3的例子中，控制装置31包括CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)200、存储器202和输入输出(I/O)电路204。CPU200、存储器202及I/O电路204能够经由总线206相互进行数据的收发。在存储器202的一部分区域中保存有程序，通过CPU200执行该程序，能够实现后述的各种功能。I/O电路204在与控制装置31的外部之间输入输出信号及数据。

或者，与图3的例子不同，关于控制装置31的至少一部分，可以使用FPGA(FieldProgrammable Gate Array：现场可编程门阵列)或ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit：专用集成电路)等的电路构成。此外，关于控制装置31的至少一部分，也可以由模拟电路构成。

回到图1，在电力系统20中，在发电电力与需求电力(负载耗电)均衡的情况下，系统频率f被保持为一定频率(以下，也称作“基准频率fr”)。基准频率fr例如是与作为标称值的50[Hz]或60[Hz]对应的设定值。

但是，如果发生发电电力与需求电力的不均衡，则发生系统频率f的变动。具体而言，如果发电电力变得比需求电力大(即，如果成为发电过多)，则系统频率f上升。如果发电电力变得比需求电力小(即，如果成为需求过多)，则系统频率f下降。由于系统频率f变动，不仅给需求户的电气设备的运转带来影响，还有可能引起电力系统20的停电。

对于电力系统20，除了来自商用交流电源21的电力以外，还从PCS25供给交流电力Pd。但是，分散型电源26的输出受环境因素较大地左右。例如，在分散型电源26是太阳能发电装置或风力发电装置的情况下，根据气候等的气象条件、时段及季节等而输出变动。因此，随着分散型电源26的导入比率变高，电力系统20中的发电电力的变动变大。

另外，在发电站中使用的涡轮发电机具有要维持频率的力(惯性力)，但分散型电源26不具有惯性力。因此，如果分散型电源26的导入比率变高，则不能通过涡轮发电机的惯性力对频率变动进行补偿，导致电力系统20的停电的可能性变高。

图4是说明表示系统频率f的变化的频率变化量Δf的图。

在图4的纵轴上，将频率变化量Δf以频率上升方向为正方向、以频率下降方向为负方向而表示。频率变化量Δf可以作为当前的系统频率f相对于基准频率fr的偏差来计算。在图4的横轴上，将表示需求电力与发电电力的差的差电力ΔP以需求电力高于发电电力的需求过多为正值、以发电电力高于需求电力的发电过多为负值而表示(ΔP＝需求电力－发电电力)。

如图4所示，当ΔP＝0时，即需求电力与发电电力均衡时，为Δf＝0。在需求过多(ΔP>0)的情况下为Δf<0，在发电过多(ΔP<0)的情况下为Δf>0。

在图4的例子中，Δf和ΔP具有比例关系。表示该比例关系的直线的斜率由电力系统20的特性决定。在图4的例子中直线的斜率是一定的，但根据电力系统的特性，有直线的斜率对应于ΔP的大小而变化的情况。

在电力系统20为需求过多(ΔP>0)的情况下，通过将发电电力增加与ΔP相应的量或将需求电力减少与ΔP相应的量而成为ΔP＝0，结果能够设为Δf＝0。另一方面，在电力系统20为发电过多(ΔP<0)的情况下，通过将发电电力减少与ΔP相应的量或将需求电力增加与ΔP相应的量而成为ΔP＝0，结果能够设为Δf＝0。

在图1所示的电力系统20中，UPS100在电力系统20健全时，使用从电力系统20供给的交流电力Ps生成系统频率f的交流电力并向负载23供给，并且将交流电力Ps的一部分变换为直流电力并积蓄到电池22中。在发生了电力系统20停电时，UPS100使用积蓄在电池22中的直流电力生成系统频率f的交流电力并向负载23供给。

这样，UPS100构成为，为了电力系统20的停电补偿而使用积蓄在电池22中的直流电力。因此，在电力系统20健全时不使用电池22的直流电力，很难说有效利用了电池22。

对于这样的课题，有关本实施方式的UPS100构成为，在电力系统20健全时，利用电池22补偿系统频率f的变动。具体而言，UPS100通过对应于电力系统20中的发电电力的变动而调整需求电力以成为ΔP＝0，来补偿系统频率f的变动。图5及图6是概念性地表示由UPS100进行的频率补偿的图。

在图5中，表示了电力系统20为需求过多(ΔP>0)的情况下的频率补偿。图5中的箭头表示从电力系统20向UPS100供给的电力Ps和从电池22向UPS100供给的电力Pb。即，UPS100向负载23供给将电力Ps与电力Pb相加的电力。

另外，在以下的说明中，设直流电流Ib从电池22的正极朝向双向斩波器5的低电压侧节点5d流动的方向为正方向，设使电池22的直流电力放电的情况下的电力(放电电力)Pb为正值。另一方面，设直流电流Ib从双向斩波器5的低电压侧节点5d朝向电池22的正极流动的方向为负方向，设使直流电力向电池22充电的情况下的电力(充电电力)Pb为负值。

如图4所示，在电力系统20为需求过多(ΔP>0)的情况下，由于系统频率f下降，所以为频率变化量Δf<0。在此情况下，如果能够减少与对应于频率变化量Δf的差电力ΔP相应的需求电力，则能够将需求过多消除，补偿系统频率f的下降。

所以，UPS100使双向斩波器5动作，以从电池22放电与差电力ΔP相应的电力Pb。通过使电池22的放电电力Pb等于差电力ΔP，能够将从电力系统20向UPS100供给的电力Ps减小与差电力ΔP相应的量。结果，电力系统20的需求电力减少与差电力ΔP相应的量而与发电电力均衡，所以系统频率f的下降被补偿。

在图6中表示电力系统20为发电过多(ΔP<0)的情况下的频率补偿。图6中的箭头表示从电力系统20向UPS100供给的电力Ps和从UPS100向电池22供给的电力(充电电力)Pb。即，对于负载23供给从电力Ps减去电力Pb后的电力。

如图4所示，在电力系统20为发电过多(ΔP<0)的情况下，由于系统频率f上升，所以为频率变化量Δf>0。在此情况下，如果能够增加与差电力ΔP相应的量的需求电力，则能够将发电过多消除，将系统频率f的上升补偿。

所以，UPS100使双向斩波器5动作，以将与差电力ΔP相应的量的电力Pb充电到电池22中。通过使电池22的充电电力Pb等于差电力ΔP，能够将从电力系统20向UPS100供给的电力Ps增加与差电力ΔP相应的量。结果，电力系统20的需求电力增加与差电力ΔP相应的量而与发电电力均衡，所以系统频率f的上升被补偿。

这样，有关本实施方式的UPS100构成为，在电力系统20健全时，通过对电池22充电直流电力、或使直流电力从电池22放电，来调整从电力系统20向UPS100供给的电力Ps，由此来调整电力系统20的需求电力。因而，UPS100通过对应于根据频率变化量Δf计算出的差电力ΔP使电池22充电或放电，来调整电力系统20的需求电力，由此能够使需求电力与发电电力均衡而补偿系统频率f的变动。

以下，对由有关本实施方式的UPS100进行的频率补偿详细地进行说明。频率补偿主要由双向斩波器5及控制电路7实现。

图7是表示双向斩波器5的构成的电路图。

如图7所示，双向斩波器5包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)Q1～Q4、二极管D1～D4、电抗器X1、X2及电容器C11、C12。

IGBTQ1的集电极与高电压侧节点5a连接，其发射极经由电抗器X1与低电压侧节点5d连接，并且与IGBTQ2的集电极连接。IGBTQ2的发射极与高电压侧节点5c连接，与IGBTQ3的集电极连接。IGBTQ3的发射极经由电抗器X2与低电压侧节点5e连接，并且与IGBTQ4的集电极连接。IGBTQ4的发射极与高电压侧节点5b连接。

二极管D1～D4分别与IGBTQ1～Q4反向并联地连接。电容器C11被连接在高电压侧节点5a、5c间，使高电压侧节点5a、5c间的直流电压VDC1稳定化。电容器C12被连接在高电压侧节点5c、5b间，使高电压侧节点5c、5b间的直流电压VDC2稳定化。

IGBTQ1及IGBTQ4在电力系统20健全时，对应于电力系统20成为发电过多(ΔP<0)而以规定频率导通及断开，将由变换器3生成的直流电力积蓄到电池22中。在电力系统20为发电过多时，IGBTQ2、Q3被固定为断开状态。

IGBTQ1、Q4受来自控制电路7的栅极信号S1控制。栅极信号S1以规定频率交替地被设为H(逻辑高)电平及L(逻辑低)电平。如果栅极信号S1被设为H电平则IGBTQ1、Q4导通，如果栅极信号S1被设为L电平则IGBTQ1、Q4断开。

如果IGBTQ1、Q4被导通，则在从直流线路L1经由IGBTQ1、电抗器X1、电池22、电抗器X2及IGBTQ4到直流线路L2的路径中流过电流Ib，如果电池22被充电，则在电抗器X1、X2中积蓄电磁能量。

如果IGBTQ1、Q4被断开，则从电抗器X1的第1端子(电池22侧的端子)经由电池22、电抗器X2及二极管D3、D2到电抗器X1的第2端子的路径中流过电流，将电池22充电，并且电抗器X1、X2的电磁能量被释放。

栅极信号S1被设为H电平的时间(脉冲宽度)与1周期的比被称作占空比。通过调整栅极信号S1的占空比，能够将电池电压VB调整为规定的参照直流电压VBr。或者，通过调整栅极信号S1的占空比，能够将被充电到电池22中的直流电力(充电电力)Pb调整为规定的参照直流电力Pbr。直流线路L1、L2间的直流电压VDC＝VDC1+VDC2被降压并被施加在电池22上，成为VB<VDC。

IGBTQ2及IGBTQ3在电力系统20健全时，对应于电力系统20成为需求过多(ΔP>0)或发生了电力系统20的停电，以规定频率被导通及断开，将电池22的直流电力向逆变器8供给。在电力系统20为需求过多时或在电力系统20停电时，IGBTQ1、Q4被固定为断开状态。

IGBTQ2、Q3受来自控制电路7的栅极信号S2控制。栅极信号S2以规定频率交替地被设为H电平及L电平。如果栅极信号S2被设为H电平，则IGBTQ2、Q3导通，如果栅极信号S2被设为L电平，则IGBTQ2、Q3断开。

如果IGBTQ2、Q3被导通，则从电池22的正极经由电抗器X1、IGBTQ2、Q3及电抗器X2向电池22的负极流过电流，电磁能量被积蓄到电抗器X1、X2中。如果IGBTQ2、Q3被断开，则从电抗器X1流到IGBTQ2中的电流被从电抗器X1转流到二极管D1中，经由电容器C11、C12、二极管D4及电抗器X2流动到电池22的负极，将电容器C11、C12充电，并且电抗器X1、X2的电磁能量被释放。

栅极信号S2被设为H电平的时间(脉冲宽度)与1周期的比被称作占空比。通过调整栅极信号S2的占空比，能够将直流线路L1、L2间的直流电压VDC＝VDC1+VDC2调整为规定的参照直流电压VDCr。或者，通过调整栅极信号S2的占空比，能够将从电池22放电的直流电力(放电电力)Pb调整为规定的参照直流电力Pbr。电池电压VB被升压而被施加在直流线路L1、L2间，成为VB<VDC。

图8是表示控制电路7的构成的框图。

如图8所示，控制电路7包括电压检测器32、34、36、频率补偿部70、充电控制部72、放电控制部74、SOC(State Of Charge：充电状态)计算部76、停电检测器78及PWM(PulseWidth Modulation：脉宽调制)控制部80。

频率补偿部70使用由频率检测器30检测到的系统频率f，计算表示系统频率f的变化(上升或下降)的频率变化量Δf。频率补偿部70通过参照预先取得的电力系统20的特性(参照图4)，基于频率变化量Δf，计算表示电力系统20中的需求电力与发电电力的差的差电力ΔP。频率补偿部70生成用来对直流电流Ib进行控制以将与计算出的差电力ΔP相应的量的直流电力Pb对电池22充电或放电的电流指令值Ib*。电流指令值Ib*被输入PWM控制部80。

电压检测器32检测电池22的端子间电压(电池电压)VB，输出表示检测值的信号VBf。电压检测器34检测直流线路L1、L2间的直流电压VDC，输出表示检测值的信号VDCf。电压检测器36检测交流输入电压Vi，输出表示检测值的信号Vif。

充电控制部72生成作为电池电压VB的目标电压的参照直流电压VBr。充电控制部72基于由电压检测器32的输出信号VBf表示的电池电压VB，生成电压指令值VB*，以使电池电压VB成为参照直流电压VBr。电压指令值VB*被输入PWM控制部80。

放电控制部74生成作为直流线路L1、L2间的直流电压VDC的目标电压的参照直流电压VDCr。放电控制部74基于由电压检测器34的输出信号VDCf表示的直流电压VDC，生成电压指令值VDC*以使直流电压VDC成为参照直流电压VDCr。电压指令值VDC*被输入PWM控制部80。

SOC计算部76使用电池电压VB的检测值及/或直流电流Ib的检测值，计算电池22的SOC。电池22的SOC是表示电池22的蓄电量的值，例如用电池22的当前的蓄电量相对于满充电容量的百分率表示。关于SOC的计算方法，可以采用使用直流电流Ib的累计值(integrated value)的方法、使用表示电池22的开路电压(OCV：Open Circuit Voltage)与SOC的关系的OCV－SOC曲线的方法等公知的方法。表示SOC的计算值的信号SOCf被输入PWM控制部80。

停电检测器78基于由电压检测器36得到的交流输入电压Vi的检测值，检测是否发生了电力系统20的停电，输出表示检测结果的信号DET。在交流输入电压Vi是预先设定的正常范围内的情况下，停电检测器78判定为电力系统20是健全的，输出L电平的信号DET。在交流输入电压Vi比正常范围低的情况下，停电检测器78判定为发生了电力系统20的停电，输出H电平的信号DET。停电检测器78的输出信号DET被提供给PWM控制部80。

图9是表示图8所示的频率补偿部70、充电控制部72及放电控制部74的构成例的框图。

如图9所示，频率补偿部70具有减法器40、46、乘法器42、除法器44及电流控制部48。减法器40通过从由频率检测器30得到的系统频率f的检测值减去系统频率的基准值(基准频率)fr来计算频率变化量Δf。减法器40对应于“频率变化计算部”的一实施例。

基准频率fr例如是与作为标称值的50[Hz]或60[Hz]对应的设定值。在系统频率f上升时，频率变化量Δf具有正极性(Δf>0)，在系统频率f的下降时，频率变化量Δf具有负极性(Δf<0)。另外，频率变化量Δf的计算方法并不限定于上述的例子。只要能够表示系统频率的上升及下降，包括极性(正/负)的定义的变更，能够通过任意的方法计算频率变化量Δf。

乘法器42通过对频率变化量Δf乘以补偿增益K来计算差电力ΔP。补偿增益K可以基于预先取得的电力系统20的特性(参照图4)来决定。在图4的例子中，由于Δf和ΔP具有比例关系，所以能够基于具有该比例关系的直线的斜率来决定补偿增益K。乘法器42对应于“运算部”的一实施例。

另外，Δf与ΔP的关系按照电力系统而不同，并不限定于图4所示那样的比例关系。例如，有时成为具有ΔP的大小越大则Δf的变化率变得越大的趋势的非线性的关系。在这样的情况下，通过参照该非线性的关系，能够基于频率变化量Δf计算差电力ΔP。

除法器44通过将差电力ΔP除以由电压检测器32的输出信号VBf表示的电池电压VB，计算作为直流电流Ib的目标电流的参照直流电流Ibr。

减法器46求出参照直流电流Ibr与由电流检测器6的输出信号Ibf表示的直流电流Ib的偏差ΔIb＝Ibr－Ib。电流控制部48将与偏差ΔIb成比例的值和偏差ΔIb的积分值相加，生成电流指令值Ib*。

充电控制部72包括参照电压生成部50、减法器52及电压控制部54。参照电压生成部50生成作为电池电压VB的目标电压的参照直流电压VBr。例如，参照电压生成部50对应于在电池22的OCV－SOC曲线中SOC为规定的阈值Sth时的OCV而设定参照直流电压VBr。

减法器52求出参照直流电压VBr与由电压检测器32的输出信号VBf表示的电池电压VB的偏差ΔVB＝VBr－VB。电压控制部54将与偏差ΔVB成比例的值和偏差ΔVB的积分值相加，生成电压指令值VB*。

充电控制部72包括参照电压生成部60、减法器62及电压控制部64。参照电压生成部60生成作为直流线路L1、L2间的直流电压VDC的目标电压的参照直流电压VDCr。减法器62求出参照直流电压VDCr与由电压检测器34的输出信号VDCf表示的直流电压VDC的偏差ΔVDC＝VDCr－VDC。电压控制部64将与偏差ΔVDC成比例的值和偏差ΔVDC的积分值相加，生成电压指令值VDC*。

PWM控制部80基于停电检测器78的输出信号DET、SOC计算部76的输出信号SOCf及频率变化量Δf，选择来自频率补偿部70的电流指令值Ib*、来自充电控制部72的电压指令值VB*及来自放电控制部74的电压指令值VDC*中的某1个。PWM控制部80基于所选择的指令值与规定频率的载波信号CW的比较结果，生成栅极信号S1、S2。

具体而言，PWM控制部80在停电检测器78的输出信号DET是H电平的情况下(电力系统20停电时)，选择来自放电控制部74的电压指令值VDC*。PWM控制部80基于电压指令值VDC*与载波信号CW的比较结果生成栅极信号S2，并将栅极信号S1固定为L电平。

另一方面，PWM控制部80在停电检测器78的输出信号DET是L电平的情况下(电力系统20健全时)，根据由频率变化量Δf及SOC计算部76的输出信号SOCf表示的电池22的SOC，选择电流指令值Ib*、电压指令值VB*及电压指令值VDC*中的某1个。

这里，在UPS100中，为了兼顾作为电力系统20的停电时的后备电源的本来的功能(停电补偿功能)和上述的频率补偿功能，在电池22的SOC中设定了作为用来进行电池22的充电及放电以及频率补偿的目标的判定值Smin、Smax、Sth。图10是用来说明对电池22的SOC设定的判定值的图。SOC＝0％对应于电池22的空状态，SOC＝100％对应于电池22的满充电状态。

如图10所示，在SOC中，设定有为了防止过充电而禁止电池22的充电的禁止区域和用来防止过放电的禁止电池22的放电的禁止区域。SOC的控制范围具有基于这些禁止区域设定的上限值Smax及下限值Smin。如果成为SOC>Smax，则电池22的充电被禁止，如果成为SOC<Smin，则电池22的放电被禁止。

在该SOC的控制范围内，电池22的充电量被用阈值Sth划分为后备用充电量和频率补偿用充电量。停电补偿用充电量是在发生了电力系统20的停电时为了从电池22对负载23以规定时间以上持续供给电力所需要的充电量。为了实现对于负载23的停电补偿，在电力系统20健全时需要维持SOC≥Sth。

频率补偿用充电量是为了补偿系统频率f的下降而从电池22放电直流电力、或为了补偿系统频率f的上升而向电池22充电直流电力所使用的充电量。在Sth≤SOC≤Smax的范围内执行频率补偿功能。如果成为SOC<Sth，则禁止用于频率补偿的电池22的放电。由此，能保住对于负载23的停电补偿。此外，如果成为SOC>Smax，则禁止用于频率补偿的电池22的充电。

PWM控制部80将由SOC计算部76的输出信号SOCf表示的电池22的SOC与判定值Smin、Smax、Smin比较，基于比较结果及频率变化量Δf，选择电流指令值Ib*、电压指令值VB*及电压指令值VDC*中的某1个。

图11是表示图8所示的PWM控制部80的构成例的框图。如图11所示，PWM控制部80包括三角波发生器81、比较器82～85、选择器86、信号输出电路87及乘法器88。

三角波发生器81生成规定频率的载波信号CW。载波信号CW例如是三角波信号。乘法器88使载波信号CW的极性反转。

比较器82将来自充电控制部72(图8)的电压指令值VB*与载波信号CW的高低比较，输出表示比较结果的PWM信号φ1A。在VB*>CW的情况下，PWM信号φ1A被设为H电平，在VB*<CW的情况下，PWM信号φ1A被设为L电平。

比较器83将来自放电控制部74(图8)的电压指令值VDC*与载波信号CW的高低比较，输出表示比较结果的PWM信号φ2A。在VDC*>CW的情况下PWM信号φ2A被设为H电平，在VDC*<CW的情况下PWM信号φ2A被设为L电平。

比较器84将来自频率补偿部70(图8)的电流指令值Ib*与载波信号CW的高低比较，输出表示比较结果的PWM信号φ2B。在Ib*>CW的情况下，PWM信号φ2B被设为H电平，在Ib*<CW的情况下，PWM信号φ2B被设为L电平。比较器84在电流指令值Ib*为正值的情况下(电池22放电时)，生成PWM信号φ2B。

比较器85将来自频率补偿部70(图8)的电流指令值Ib*与极性反转后的载波信号CW的高低比较，输出表示比较结果的PWM信号φ1B。在Ib*>CW的情况下，PWM信号φ1B被设为H电平，在Ib*<CW的情况下，PWM信号φ1B被设为L电平。比较器85在电流指令值Ib*为负值的情况下(电池22充电时)，生成PWM信号φ1B。

选择器86基于停电检测器78(图8)的输出信号DET、SOC计算部76(图8)的输出信号SOCf及频率变化量Δf，选择PWM信号φ1A、φ2A、φ1B、φ2B中的某1个。

具体而言，选择器86在停电检测器78的输出信号DET是H电平的情况下(电力系统20停电时)，选择PWM信号φ2A，将所选择的PWM信号φ2A作为PWM信号φ2向信号输出电路87给出。

在停电检测器78的输出信号DET是L电平(电力系统20健全时)，电池22的SOC小于阈值Sth的情况下，选择器86选择PWM信号φ1A，将所选择的PWM信号φ1A作为PWM信号φ1向信号输出电路87给出。

在停电检测器78的输出信号DET是L电平(电力系统20健全时)、电池22的SOC是阈值Sth以上的情况下，选择器86根据频率变化量Δf，选择PWM信号φ1B、φ2B的某个。具体而言，在Δf>0的情况下，选择器86选择PWM信号φ1B，将所选择的PWM信号φ1B作为PWM信号φ1向信号输出电路87给出。在Δf<0的情况下，选择器86选择PWM信号φ2B，将所选择的PWM信号φ2B作为PWM信号φ2向信号输出电路87给出。

信号输出电路87基于从选择器86给出的PWM信号φ1、φ2，生成栅极信号S1、S2。具体而言，信号输出电路87在从选择器86提供了PWM信号φ1的情况下，对PWM信号φ1施以放大及电平变换处理，生成与PWM信号φ1相同波形的栅极信号S1，向双向斩波器5的IGBTQ1、Q4的栅极提供。在此情况下，信号输出电路87将栅极信号S2固定为L电平。

由此，在(1)电力系统20健全时、SOC<Sth的情况下，或在(2)电力系统20健全时、SOC≥Sth并且Δf>0(发电过多)的情况下，由该栅极信号S1将双向斩波器5的IGBTQ1、Q4导通及断开，将直流线路L1、L2间的直流电压VDC降压，向电池22供给。

信号输出电路87在从选择器86提供了PWM信号φ2的情况下，对PWM信号φ2施以放大及电平变换处理，生成与PWM信号φ2相同波形的栅极信号S2，向双向斩波器5的IGBTQ2、Q3的栅极给出。在此情况下，信号输出电路87将栅极信号S1固定为L电平。

由此，在(3)电力系统20停电时，或在(4)电力系统20健全时、SOC≥Sth并且Δf<0(需求过多)的情况下，通过该栅极信号S2将双向斩波器5的IGBTQ2、Q3导通及断开，将电池电压VB升压，经由直流线路L1、L2向逆变器8供给。

图12是用来说明由控制电路7进行的双向斩波器5的动作的流程图。图12的流程图在UPS100的动作时由控制电路7反复执行。

如图12所示，控制电路7通过步骤(以下，仅表述为“S”)01，基于由电压检测器36得到的交流输入电压Vi的检测值，判定是否发生了电力系统20的停电。在交流输入电压Vi是正常范围内的情况下，S01被判定为否，在交流输入电压Vi比正常范围低的情况下，S01被判定为是。

在发生了电力系统20的停电的情况下(S01的判定为是时)，控制电路7通过S02，将电池22的SOC与控制范围的下限值Smin比较。

在SOC≥Smin的情况下(S02的判定为是时)，控制电路7前进到S03，对双向斩波器5进行控制，以从电池22放电直流电力。在S03中，控制电路7生成电压指令值VDC*，以使直流线路L1、L2间的直流电压VDC成为参照直流电压VDCr。并且，控制电路7通过具有与基于电压指令值VDC*生成的PWM信号φ2A相同波形的栅极信号S2使双向斩波器5的IGBTQ2、Q3导通及断开。由此，电池22的直流电力Pb被双向斩波器5向逆变器8供给，被变换为交流电力而向负载23供给。

在电池22的放电中，控制电路7通过S04，将电池22的SOC与下限值Smin比较。如果是SOC≥Smin(S04的判定为是时)，则继续由S03进行的电池22的放电。如果成为SOC<Smin(S04的判定为否时)，则控制电路7通过S05，将双向斩波器5的运转停止，由此将电池22的放电停止。

回到S01，在电力系统20是健全的情况下(S01的判定为否时)，控制电路7前进到S06，将电池22的SOC与阈值Sth比较。

在SOC<Sth的情况下(S06的判定为否时)，控制电路7前进到S07，对双向斩波器5进行控制以向电池22充电直流电力。在S07中，控制电路7生成电压指令值VB*，以使电池电压VB成为参照直流电压VBr。并且，控制电路7通过具有与基于电压指令值VB*生成的PWM信号φ1A相同波形的栅极信号S1使双向斩波器5的IGBTQ1、Q4导通及断开。由此，由变换器3生成的直流电力的一部分被双向斩波器5积蓄到电池22中。

在电池22的充电中，控制电路7通过S08，将电池22的SOC与阈值Sth比较。如果是SOC<Sth(S08的判定为否时)，则继续S07的电池22的充电。如果成为SOC≥Sth(S08的判定为是时)，则控制电路7通过S09，通过使双向斩波器5的运转停止而将电池22的充电停止。

回到S06，在SOC≥Sth的情况下(S06的判定为是时)，控制电路7通过S10判定频率变化量Δf的极性。

在Δf<0的情况下(S10的判定为是时)，控制电路7判定为电力系统20是需求过多。在此情况下，控制电路7在S11中，基于频率变化量Δf计算差电力ΔP，对双向斩波器5进行控制，以从电池22放电与计算出的差电力ΔP相应的量的直流电力Pb(参照图5)。

在S11中，控制电路7生成电流指令值Ib*，以使直流电流Ib成为根据差电力ΔP计算的参照直流电流Ibr。并且，控制电路7通过具有与基于电流指令值Ib*生成的PWM信号φ2B相同波形的栅极信号S2使双向斩波器5的IGBTQ2、Q3导通及断开。由此，相当于差电力ΔP的直流电力Pb被从电池22放电而向逆变器8供给，被变换为交流电力而向负载23供给。通过从电池22放电与差电力ΔP相应的量的直流电力Pb，从电力系统20向UPS1供给的交流电力Ps减少与差电力ΔP相应的量。结果，在电力系统20中需求过多被消除，系统频率f的下降被补偿。

回到S10，在Δf>0的情况下(S10的判定为否时)，控制电路7判定为电力系统20是发电过多。在此情况下，控制电路7在S12中基于频率变化量Δf计算差电力ΔP，对双向斩波器5进行控制，以将相应于计算出的差电力ΔP的量的直流电力Pb向电池22充电(参照图6)。

在S12中，控制电路7生成电流指令值Ib*，以使直流电流Ib成为根据差电力ΔP计算出的参照直流电流Ibr。并且，控制电路7通过具有与基于电流指令值Ib*生成的PWM信号φ1B相同波形的栅极信号S1使双向斩波器5的IGBTQ1、Q4导通及断开。由此，相当于差电力ΔP的直流电力Pb向电池22供给。通过与差电力ΔP相应的量的直流电力Pb被积蓄到电池22中，从电力系统20向UPS1供给的交流电力Ps增加与差电力ΔP相应的量。结果，在电力系统20中发电过多被消除，系统频率f的上升被补偿。

在S11、S12的频率补偿的执行中，控制电路7通过S13，判定电池22的SOC是否为Sth以上且Smax以下。在SOC<Sth的情况下或SOC>Smax的情况下(S13的判定为否时)，控制电路7通过S14，将用于频率补偿的处理停止。

如以上说明，有关本实施方式的UPS通过在电力系统20健全时进行电池22的充电或放电，能够调整电力系统20的需求电力。由此，在通过分散型电源26的输出变动等发生了发电电力与需求电力的不均衡的情况下，能够利用停电补偿用的电池22将系统频率的变动补偿。

[变更例]

在上述的实施方式中，对连接着1台UPS的电力系统20的频率补偿方法进行了说明，但如图13所示，在连接着多台UPS的电力系统中也能够应用有关本实施方式的频率补偿方法。

例如，在大规模数据中心中，通过将多台UPS并联地连接而实现了大容量且具备冗余性的UPS系统。在这样的UPS系统中，通过对各UPS应用有关本实施方式的UPS100，即使1台UPS为了补偿系统频率的变动而能够提供的容量是几百kVA，也能够用多台UPS整体提供大容量的容量。由此，在随着分散型电源26的导入扩大，系统频率的变动变大的情况下，也能够在UPS系统整体中补偿系统频率的变动。

此次公开的实施方式在全部的方面都是例示，而不应被认为是限制性的。本发明的技术范围不是由上述的说明而是由权利要求书表示，意味着包含与权利要求书等价的意义及范围内的全部变更。

标号说明

1电力变换装置；2、6、9电流检测器、3变换器、4控制电路；5双向斩波器；8逆变器；10、X1、X2电抗器；11、C1、C2电容器；12、13电磁接触器；20电力系统；21商用交流电源；22电池(蓄电装置)；23负载；24送电线；25PCS；26分散型电源；30频率检测器；31控制装置；32、34、36电压检测器；40、46、52、62减法器；42、88乘法器；44除法器；48电流控制部；50、60参照电压生成部；54、64电压控制部；70频率补偿部；72充电控制部；74放电控制部；76SOC计算部；78停电检测器；80PWM控制部；82～85比较器；86选择器；87信号输出电路；100UPS；200CPU；202存储器；204I/O电路；206总线；L1～L3直流线路；Q1～Q4 IGBT；D1～D4二极管。

Claims (6)

1.一种不间断电源装置，其特征在于，

具备：

电力变换装置，连接在电力系统及负载之间；

频率检测器，检测上述电力系统上的交流电压的频率即系统频率；以及

控制装置，对上述电力变换装置进行控制；

上述电力变换装置包括：

变换器，将从上述电力系统供给的交流电力变换为直流电力；

逆变器，将从上述变换器或蓄电装置供给的直流电力变换为交流电力，向上述负载供给；以及

双向斩波器，有选择地执行将由上述变换器生成的直流电力的一部分向上述蓄电装置积蓄的充电动作和将上述蓄电装置的直流电力向上述逆变器供给的放电动作；

上述控制装置包括控制电路，该控制电路在上述电力系统停电时，对上述双向斩波器进行控制以执行上述放电动作，在上述电力系统健全时，基于检测到的上述系统频率对上述双向斩波器进行控制；

上述控制电路对上述双向斩波器进行控制，以对应于上述系统频率的上升而执行上述充电动作，并且对应于上述系统频率的下降而执行上述放电动作。

2.如权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于，

上述控制电路包括：

频率变化计算部，计算上述系统频率的变化量；

运算部，通过参照预先取得的上述电力系统的发电电力与需求电力的差即差电力和上述变化量的关系，基于计算出的上述变化量计算上述差电力；以及

控制部，按照计算出的上述差电力，对上述充电动作及上述放电动作进行控制；

在上述变化量为表示上述系统频率的上升的极性的情况下，上述控制部对上述充电动作进行控制，以将与上述差电力相当的直流电力向上述蓄电装置积蓄，

在上述变化量为表示上述系统频率的下降的极性的情况下，上述控制部对上述放电动作进行控制，以从上述蓄电装置供给与上述差电力相当的直流电力。

3.如权利要求2所述的不间断电源装置，其特征在于，

上述控制电路还包括计算上述蓄电装置的蓄电量的蓄电量计算部；

上述控制部在计算出的上述蓄电量为阈值以上的情况下，按照上述差电力对上述充电动作及上述放电动作进行控制。

4.如权利要求3所述的不间断电源装置，其特征在于，

上述控制部在按照上述差电力进行上述放电动作的执行过程中，在上述蓄电量小于上述阈值的情况下，将上述放电动作停止。

5.如权利要求3所述的不间断电源装置，其特征在于，

上述控制部在按照上述差电力进行上述充电动作的执行过程中，在上述蓄电量超过了上限值的情况下，将上述充电动作停止。

6.如权利要求3所述的不间断电源装置，其特征在于，

上述控制部在上述电力系统健全时，在计算出的上述蓄电量小于上述阈值的情况下，对上述充电动作进行控制，以使上述蓄电量成为上述阈值以上。

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