JP2005229662A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無停電電源装置の過負荷耐量を高められるようにする。
【解決手段】交流電源４の電圧が正常な場合にはスイッチ６を閉じ、蓄電器３に電力を供給するように変換器１を制御し、交流電源４の電圧が許容電圧範囲を逸脱した場合にはスイッチ６を開き、負荷５に印加する電圧が所定値となるよう変換器１を制御し、交流電源４電圧の正常時に無停電電源装置の出力電流が所定値を逸脱した場合（過負荷状態）には、入力電流が許容値以下となるように、蓄電器３から変換器１を介して負荷５に電力を供給するよう変換器１を制御する。つまり、過負荷電流を入力電源４とこれに並列に接続される並列接続変換器１とで分担することにより、過負荷耐量を向上させる。
【選択図】図５

Description

この発明は、過負荷耐量を上げることが可能な無停電電源装置に関する。

無停電電源装置の高効率化や低価格化を図るものとして、例えば非特許文献１や特許文献１に開示されているものがある。
図５に非特許文献１に記載のパラレルプロセッシング方式の概要を示す。
これは、入力電源４が正常なときは、入力電源４または負荷５に並列に接続される変換器（並列接続変換器）１が蓄電池３の充電制御を行ない、入力電源４が停電したときはスイッチ６を開放して、変換器１が蓄電池３の直流電力を交流に変換して負荷５に電力を供給する。また、入力力率を１にする目的で、負荷５の無効電力を変換器１が供給する場合もある。

図６に特許文献１に記載の並列補償方式の例を示す。
これは、入力電源４または負荷５に並列に接続される第１の変換器１と、入力電源４と負荷５との間に直列に接続される第２の変換器２とを備え、第１の変換器１にはパラレルプロセッシング方式と同様の機能を持たせ、第２の変換器２には出力電圧Ｖｏｕｔを所定値となるように制御する機能を持たせるものである。

電気学会技術報告第５９６号「無停電電源システム（ＵＰＳ）の動向」新型電源システム調査専門委員会，１９９６年７月発行，Ｎｏ．ＩＳＳＮ ０９１９−９１９５，第１３頁３．３．１項参照 特許第３０８２８４９号公報（第６−７頁，図１）

上述のような無停電電源装置では、その出力可能な電流は、入力電流Ｉｉｎの許容値と並列接続された変換器１の許容値Ｉｉｎｖの和となるが、入力電源４が正常な場合には、並列接続変換器は充電電流または充電電流と負荷５の無効電流のみを出力するよう制御するため、基本的に入力電源４が負荷５に電力を供給することになる。したがって、無停電電源装置の過負荷耐量は入力電流Ｉｉｎの許容値によって決まってしまう。また、蓄電池３の充電制御のみ行なっている場合、並列接続変換器は、通常時（バッテリが満充電状態）で数％の利用率となっているので、過負荷耐量は無停電電源装置の出力可能な電流に対して低くなってしまうという問題がある。
したがって、この発明の課題は、無停電電源装置の過負荷耐量を高くすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
前記交流電源の電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて、前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するように前記変換器を制御し、前記交流電源の電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記変換器を制御し、
交流電源の電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から変換器を介して負荷に電力を供給するよう変換器を制御することを特徴とする。

請求項２の発明では、直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて、前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するとともに、入力電源が力率が１となるように無効電力を供給するように前記変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記変換器を制御し、
交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から変換器を介して負荷に電力を供給するよう変換器を制御することを特徴とする。

請求項３の発明では、直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて、前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するとともに、入力電源が力率が１となるように無効電力を供給するように前記変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記変換器を制御し、
交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力力率１を維持しつつ入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から変換器を介して負荷に電力を供給するよう変換器を制御することを特徴とする。

請求項４の発明では、直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器と、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値になるように第２の変換器を制御するとともに、第２の変換器および前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するように前記第１の変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記第１の変換器を制御し、
交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から第１の変換器を介して負荷に電力を供給するよう第１の変換器を制御することを特徴とする。

請求項５の発明では、直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器と、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値になるように第２の変換器を制御するとともに、第２の変換器および前記直流電力貯蔵装置に電力を供給し、かつ、入力電源が力率１となるように無効電力を供給するように前記第１の変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記第１の変換器を制御し、
交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から第１の変換器を介して負荷に電力を供給するよう第１の変換器を制御することを特徴とする。

請求項６の発明では、直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器と、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値になるように第２の変換器を制御するとともに、第２の変換器および前記直流電力貯蔵装置に電力を供給し、かつ、入力電源が力率１となるように無効電力を供給するように前記第１の変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記第１の変換器を制御し、
交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力力率１を維持しつつ入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から第１の変換器を介して負荷に電力を供給するよう第１の変換器を制御することを特徴とする。

この発明によれば、過負荷電流を入力電源とこれに並列に接続される並列接続変換器とで分担することにより、許容可能な過負荷耐量は無停電電源装置の出力可能な入力電流許容値と上記並列接続変換器の許容値の和とし、過負荷耐量を上げられるようにする。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。図１を説明する前に、図７を参照して従来の制御概要につき説明する。なお、図７（ａ）は変換器（並列ＩＮＶ）１の制御回路例を示す。
すなわち、直流電力貯蔵装置としての蓄電池３の電圧指令値Ｖｄ^*と検出値Ｖｄの偏差を電圧調節器（ＡＶＲ）１４に入力し、必要な充電電流指令Ｉｂ^*を算出する。次に、この結果が変換器１の許容電流以内になるように設定したリミッタ（ＬＩＭ３）１６に入力し、その出力を変換器１の出力電流指令Ｉｉｎｖ^*とする。この電流指令と変換器１の出力電流検出値Ｉｉｎｖとの偏差を電流調節器（ＡＣＲ）１８に入力し、これから得られた制御信号（λ指令）により変換器１を動作させる。

また、入力力率１運転をする場合は、負荷電流検出値ＩＬから有効成分抽出回路１９により負荷の有効電流成分Ｉ_Pを抽出し、負荷電流検出値ＩＬから有効電流成分Ｉ_Pを差し引くことにより、無効電流指令Ｉｑ^*を算出する。この値を上記の充電電流指令Ｉｂ^*に加算することにより、変換器１は充電電流と無効電流を負荷に供給し、入力は力率１となる。
図７（ｂ）に第２の変換器（並列ＩＮＶ）２の制御回路を示す。ここでは、設定された出力電圧指令Ｖｏｕｔ^*と出力電圧検出値Ｖｏｕｔとの偏差をＡＶＲ２２に入力し、出力電圧を所定の値にするための制御信号を得る。この信号には入力電圧が含まれているため、入力電圧Ｖｉを上記制御信号から差し引くことにより、変換器２の制御信号として動作させる。

図１にこの発明の実施の形態を示す。これは、図７（ａ）のような構成に対し点線で囲った回路を付加したもので、充電電流指令Ｉｂ^*に対し無効電流指令Ｉｑ^*を加算する代わりに、一定の入力電流許容値ＩｉｎＬＩＭと負荷電流ＩＬとの偏差を、入力が正極性のときのみ入力値を通過させるリミッタ（ＬＩＭ１）２４に入力し、上記Ｉｂ^*に加算するものである。
図２は以上のように制御した場合の入力電流Ｉｉｎと変換器１の出力電流Ｉｉｎｖの関係を説明する説明図で、過負荷許容レベルがＩＬ１からＩＬ２に上がった様子を示す。つまり、負荷電流ＩＬが入力電流許容値ＩｉｎＬＩＭ以下であれば、負荷電流ＩＬとその許容値ＩｉｎＬＩＭとの偏差は負極性となり、変換器１の出力電流指令は充電電流指令Ｉｂ^*のみとなり、負荷電流ＩＬは入力電源４から供給される。

これに対し、負荷電流ＩＬが入力電流許容値を上回ると、両者の偏差は正極性に転じるため、充電電流指令Ｉｂ^*に加算される。その結果、入力電流許容値ＩｉｎＬＩＭを上回る電流分は、蓄電池３から変換器１を介して負荷５に供給される。さらに、負荷電流ＩＬが増加すると変換器１の負担分が増加し、変換器１の出力電流許容値に到達すると、再び入力電流Ｉｉｎが増加しこれを検出して装置は停止する。
この方式は、並列接続変換器のみを対象とするため、図５，６のようなパラレルプロセッシング方式，直並列補償方式のいずれにも適用することができる。

図３にこの発明の別の実施の形態を示し、図７（ａ）のような構成に対し点線で囲った回路を付加したものである。すなわち、入力電流許容値ＩｉｎＬＩＭに対する入力電流の偏差を積分型調節器２５に入力し、その出力信号が正極性のときはゼロリミッタ、負極性のときは−１００％リミッタとするリミッタ２６に入力する。さらに、リミッタ２６通過後の調節器出力に１００％を加算する。つまりリミッタ２６から出力される信号Ｇｐは、入力電流Ｉｉｎが入力電流許容値内であれば１００％を継続し、入力電流許容値を上回ると０％方向に減衰する。このように算出される信号Ｇｐを負荷電流ＩＬから抽出した有効成分に掛け合わせることにより、過負荷時に負荷電流の有効成分Ｉｐが変換器１から出力されることになる。

図４は以上のように制御した場合の入力電流Ｉｉｎと変換器１の出力電流Ｉｉｎｖの関係を説明する説明図で、過負荷許容レベルがＩＬ１からＩＬ２に上がった様子を示す。つまり、変換器１は入力力率１を実現するため、負荷電流ＩＬから有効成分Ｉｐを減算することにより無効電流成分Ｉｑを抽出し、この値を指令値として動作している。そして、負荷電流ＩＬが入力電流許容値ＩｉｎＬＩＭ以下であれば、追加の点線回路の出力Ｇｐは１００％となり、入力電源４は負荷電流の有効成分のみを供給し、変換器１は無効成分を供給する。

入力電流が入力電流許容値を上回ると、点線回路の出力Ｇｐは０％方向に推移するため、無効電流で決まる電流指令値に有効成分が加算される。その結果、入力電流許容値を上回る負荷の有効電流成分は、蓄電池３から変換器１を介して負荷５に供給される。さらに、入力電流が増加すると変換器１の負担分が増加し、変換器１の出力電流許容値に到達すると、再び入力電流が増加しこれを検出して装置は停止する。
この方式も、並列接続変換器のみを対象とするため、図５，６のようなパラレルプロセッシング方式，直並列補償方式のいずれにも適用可能である。

この発明の実施の形態を示すブロック図 図１のような制御をする場合の入力電流および並列変換器の出力電流の関係を説明する説明図 この発明の別の実施の形態を示すブロック図 図３のような制御をする場合の入力電流および並列変換器の出力電流の関係を説明する説明図 無停電電源装置の第１の従来例を示す構成図 無停電電源装置の第２の従来例を示す構成図 図５，６の制御回路の従来例を示すブロック図

符号の説明

１…第１の変換器（並列ＩＮＶ）、２…第２の変換器（直列ＩＮＶ）、３…蓄電池、４…入力電源、５…負荷、６…スイッチ、１４，２２…電圧調節器（ＡＶＲ）、１６，２４，２６…リミッタ（ＬＩＭ）、１８…電流調節器（ＡＣＲ）、１９…有効成分抽出回路、２５…積分型調節器。

Claims (6)

1. 直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
   前記交流電源の電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて、前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するように前記変換器を制御し、前記交流電源の電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記変換器を制御し、
   交流電源の電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から変換器を介して負荷に電力を供給するよう変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置。
2. 直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
   前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて、前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するとともに、入力電源が力率が１となるように無効電力を供給するように前記変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記変換器を制御し、
   交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から変換器を介して負荷に電力を供給するよう変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置。
3. 直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
   前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて、前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するとともに、入力電源が力率が１となるように無効電力を供給するように前記変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記変換器を制御し、
   交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力力率１を維持しつつ入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から変換器を介して負荷に電力を供給するよう変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置。
4. 直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器と、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
   前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値になるように第２の変換器を制御するとともに、第２の変換器および前記直流電力貯蔵装置に電力を供給するように前記第１の変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記第１の変換器を制御し、
   交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から第１の変換器を介して負荷に電力を供給するよう第１の変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置。
5. 直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器と、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
   前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値になるように第２の変換器を制御するとともに、第２の変換器および前記直流電力貯蔵装置に電力を供給し、かつ、入力電源が力率１となるように無効電力を供給するように前記第１の変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記第１の変換器を制御し、
   交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から第１の変換器を介して負荷に電力を供給するよう第１の変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置。
6. 直流電力貯蔵装置と、負荷に並列に接続され順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源に接続されてその開閉を行なうスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器と、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電流を検出する入力電流検出手段と、出力電流を検出する出力電流検出手段と、変換器の出力電流を検出する変換器出力電流検出手段とを備え、
   前記交流電源電圧が正常なときは前記スイッチを閉じて前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値になるように第２の変換器を制御するとともに、第２の変換器および前記直流電力貯蔵装置に電力を供給し、かつ、入力電源が力率１となるように無効電力を供給するように前記第１の変換器を制御し、前記交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときは前記スイッチを開き、前記負荷に印加する交流電圧が所定の値になるように前記第１の変換器を制御し、
   交流電源電圧が正常時に無停電電源装置の出力電流が所定の値を逸脱した（過負荷状態）ときは、入力力率１を維持しつつ入力電流が許容値以下となるように、直流電力貯蔵装置から第１の変換器を介して負荷に電力を供給するよう第１の変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置。
   
   

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