JP2006136054A

JP2006136054A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2006136054A
Application number: JP2004319321A
Authority: JP
Inventors: Satoru Fujita; 悟藤田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】交流電源の異常時に、交流電源と並列インバータとの間の横流電流の発生を回避し、負荷への供給電圧を歪ませずに系統連系用の交流スイッチを速やかに遮断する。
【解決手段】交流電源１と負荷４との間に接続され、交流スイッチ２と直列トランス３の１次巻線とからなる直列回路と、負荷４に対して交流電源１と並列に接続されて負荷４に交流電力を供給可能な並列インバータ１０と、その直流部に接続された蓄電池３０と、直流部を介してインバータ１０との間で電力を授受し交流側が直列トランス３の２次巻線に接続された直列インバータ２０とを有し、交流電源１の異常時に、負荷への供給電圧を一定に保つように並列インバータ１０を電圧制御する第１の電圧制御ブロック１２と、遮断指令が与えられる交流スイッチ２を逆バイアスする電圧を直列トランス３の１次巻線に発生させるべくインバータ２０を電圧制御する第２の電圧制御ブロック２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統に接続された第１，第２の直流／交流変換器を有する直並列補償方式の無停電電源装置に関し、詳しくは、電力系統の交流電源と負荷との間に接続され、かつ、前記直流／交流変換器を電力系統に連系している交流スイッチを、交流電源の異常時に確実に遮断するための技術に関するものである。

電力系統に連系され、半導体スイッチング素子により構成された電力変換器により負荷に電力を供給する無停電電源装置は従来からよく知られているが、特に、電源装置の高効率化や低価格化を目的として構成されたものに、例えば後述する特許文献１に開示された直並列補償方式の無停電電源装置がある。

図６は、この特許文献１に記載された無停電電源装置を概略的に示した構成図である。
この無停電電源装置は、電力系統の交流電源１’及び負荷４に対して並列に接続される第１の直流／交流変換器（以下、並列インバータという）１０と、交流電源１’と負荷４との間に半導体スイッチング素子からなる交流スイッチ（連系スイッチ）２及び直列トランス３を介して直列に接続される第２の直流／交流変換器（以下、直列インバータという）２０と、両インバータ１０，２０に共通の直流部に接続される電力貯蔵手段としての蓄電池３０とを備えている。

交流電源１’の正常時には、交流電源１’から交流スイッチ２、直列トランス３の１次巻線を介して負荷４に交流電力が供給される一方で、並列インバータ１０が蓄電池３０の充電制御を行なうと共に、直列インバータ２０は、その出力電圧を直列トランス３を介して交流電源電圧に加算することにより、電源装置の出力電圧Ｖ_ｏｕｔが指令値に一致するように制御を行う。また、入力力率を１にする目的で、負荷４の無効電力を並列インバータ１０が供給する場合もある。
交流電源１’の停電等による異常発生時には、交流スイッチ２を遮断し、並列インバータ１０が蓄電池３０の直流電力を交流電力に変換して負荷４に供給すると共に、直列インバータ２０の運転を停止させる。
なお、図６において、Ｉ_ｉｎは電源装置の入力電流、Ｉ_ｏｕｔは出力電流、Ｖ_ｉｎは入力電圧、Ｖ_ｏｕｔは出力電圧、Ｉ_ｓｉｎｖは直列インバータ２０の交流出力電流、Ｖ_ｄは蓄電池３０の直流電圧である。

図７は、図６における並列インバータ１０の制御ブロック図を示している。
交流電源正常時には、電流制御ブロック１１により以下の制御を行う。まず、蓄電池３０の電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊と電圧検出値Ｖ_ｄとの偏差を自動電圧調節器ＡＶＲ_１に入力し、並列インバータ１０により蓄電池３０を充電するための充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊を算出する。次に、この充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊はリミッタＬＩＭに入力され、許容範囲内となるように制限された出力電流指令値Ｉ_ｉｎｖ ^＊として出力される。この電流指令値Ｉ_ｉｎｖ ^＊と並列インバータ１０の出力電流検出値Ｉ_ｉｎｖとの偏差を自動電流調節器ＡＣＲ_１に入力し、その結果得られた制御信号（変調率指令）によりＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行って並列インバータ１０のスイッチング素子を駆動する。

また、入力力率を１として運転する場合には、負荷電流検出値Ｉ_ｏｕｔから有効成分抽出器ＰＥにより負荷４の有効電流Ｉ_ｐを抽出し、負荷電流検出値Ｉ_ｏｕｔからこのＩ_ｐを差し引いて無効電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を算出する。無効電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を前述の充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊に加算することにより、並列インバータ１０は充電電流及び無効電流を蓄電池３０及び負荷４にそれぞれ供給可能となり、入力力率は１に制御される。

一方、交流電源異常時には、電圧制御ブロック（便宜的に第１の電圧制御ブロックという）１２において、出力電圧指令値Ｖ_ｏｕｔ ^＊と出力電圧検出値Ｖ_ｏｕｔとの偏差を自動電圧調節器ＡＶＲ_２に入力し、その出力である制御信号（変調率指令）によりＰＷＭ制御を行って並列インバータ１０のスイッチング素子を駆動する。これにより、並列インバータ１０を定電圧源として動作させて負荷４への供給電圧を指令値Ｖ_ｏｕｔ ^＊に保つ。
なお、図７において、１３は電源異常判定信号により切り替えられる切替スイッチである。
このように、並列インバータ１０では、電源正常時に電流制御を行い、電源異常時に電圧制御を行っている。

次に、図８は、図６における直列インバータ２０の制御ブロック図であり、交流電源正常時の動作は以下の通りである。
すなわち、出力電圧補償制御ブロック２１において、電源装置の出力電圧指令値Ｖ_ｏｕｔ ^＊と出力電圧検出値Ｖ_ｏｕｔとの偏差を自動調節器ＡＶＲ_３に入力し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを指令値に一致させるための制御信号を得る。この制御信号には電源装置の入力電圧Ｖ_ｉｎが含まれているため、図８に示す如く入力電圧Ｖ_ｉｎを前記制御信号から差し引くことにより直列インバータ２０のＰＷＭ制御信号を得る。なお、前述したように、交流電源異常時には直列インバータ２０の運転を停止させる。

上述した直並列補償方式においては、交流電源１’の異常を検出すると交流スイッチ２が遮断されると共に、並列インバータ１０は、蓄電池３０への充電を行う充電制御から、負荷４への電力供給を継続させる交流電力出力制御に切り替わり、負荷４への出力電圧を一定にするように制御が行われる。
このとき、交流スイッチ２が自己消弧能力を持たないサイリスタ等で構成されていると、交流スイッチ２の遮断指令すなわちゲートオフ指令が与えられても、サイリスタの残留電流が逆極性になるまで短絡状態が継続してしまう。

交流電源電圧の低下による電源異常の場合には、並列インバータ１０の出力電圧がサイリスタの残留電流を抑制する方向に働く。つまり、交流電源電圧が低下した場合は並列インバータ１０の出力電圧が入力電圧Ｖ_ｉｎよりも高くなるので、交流スイッチ６に逆バイアス電圧が印加されて残留電流が打ち消されることになり、交流スイッチ２をオフすることに特別の困難性はない。

しかし逆に、交流電源電圧の上昇による電源異常や、三相電源系統における電圧不均衡等を生じた場合には、並列インバータ１０の出力電圧が系統電圧よりも低下するので、遮断指令を与えてから交流スイッチ２を完全に遮断するまでに長時間を要することになる。
つまり、並列インバータ１０の出力電圧が入力電圧Ｖ_ｉｎよりも低くなるから、並列インバータ１０の出力電圧によって交流スイッチ２に流れる電流を打ち消すことができなくなり、入力電圧Ｖ_ｉｎと並列インバータ１０の出力電圧の位相、振幅の関係によっては過大な横流の発生につながる恐れがある。

この問題を解決するため、特許文献２のように、交流スイッチ２の電流を抑制する方向に並列インバータの出力電圧に逆バイアス電圧を印加する方法が提案されている。

特許第３０８２８４９号公報（段落［０００７］〜［００１６］、図１、図２等）特開２００３−８７９９９号公報（段落［００２７］〜［００３６］、図１、図４等）

しかしながら、特許文献２に記載された方法によると、交流スイッチ２が遮断されるまでの間は、負荷４には本来供給するべき交流電圧に対して逆バイアス電圧が加算されることになり、負荷４への供給電圧に電圧歪みが発生してしまうという問題がある。
そこで本発明の解決課題は、交流電源の異常時に、交流電源と並列インバータとの間の横流電流の発生を回避すると共に、負荷への供給電圧を歪ませることなく交流スイッチを速やかに遮断するようにした無停電電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、電力系統の交流電源と負荷との間に接続され、自己消弧能力を持たない半導体スイッチング素子により構成された交流スイッチと直列トランスの１次巻線とからなる直列回路と、
前記負荷に対して交流電源と並列に接続されて前記負荷に交流電力を供給可能な第１の直流／交流変換器と、
第１の直流／交流変換器の直流部に接続された蓄電池等の電力貯蔵手段と、
前記直流部を介して第１の直流／交流変換器との間で電力を授受すると共に、交流側が前記直列トランスの２次巻線に接続された第２の直流／交流変換器と、
を備えた無停電電源装置において、
前記交流電源の異常時に、前記負荷への供給電圧を一定に保つように第１の直流／交流変換器を電圧制御する第１の電圧制御ブロックと、遮断指令が与えられる前記交流スイッチを逆バイアスする電圧を前記１次巻線に発生させるように第２の直流／交流変換器を電圧制御する第２の電圧制御ブロックと、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、
前記交流電源の異常時に、前記負荷への供給電圧を一定に保つように第１の直流／交流変換器を電圧制御する第１の電圧制御ブロックと、前記２次巻線に流れる電流をゼロにするように第２の直流／交流変換器を電流制御する電流制御ブロックと、を備えたものである。

なお、請求項１，２の何れの発明においても、交流電源の正常時には、交流電源から交流スイッチを介して負荷に交流電力を供給すると共に、第１の直流／交流変換器は電力貯蔵手段の充電制御を行い、第２の直流／交流変換器は電源装置の出力電圧がその指令値に一致するように直列トランスを介して出力電圧補償制御を行う。

本発明によれば、交流電源異常時に、第２の直流／交流変換器により、交流スイッチの残留電流を打ち消す方向の電圧を直列トランスの１次側に発生させる電圧制御、または、前記残留電流をゼロとするような電流制御を行わせることで、交流スイッチとして自己消弧能力を持たない半導体スイッチング素子を使用した場合にも、確実かつ迅速に交流スイッチを遮断することができる。これにより、横流電流の発生を回避し、しかも負荷への供給電圧の歪みを低減することが可能である。
また、本発明においては、第１の直流／交流変換器の動作により、交流電源異常時にも負荷に一定の交流電圧を供給することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態にかかる直列インバータの制御ブロック図を示しており、図８と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。

この実施形態が図８の従来技術と異なるのは、第２の直流／交流変換器としての直列インバータの制御ブロックに、交流電源異常時に交流スイッチを確実に遮断させる電圧を発生するための電圧制御ブロック（便宜的に第２の電圧制御ブロックという）２２を追加したことである。
すなわち、図８と同様に構成された出力電圧補償制御ブロック２１による制御信号と、電源装置の入力電流Ｖ_ｉｎを定数倍器Ｋによりゲイン倍する（ゲインもＫとする）第２の電圧制御ブロック２２による制御信号との何れか一方が、切替スイッチ２４を介してＰＷＭ制御手段２９に入力されるように構成されている。ここで、出力電圧補償制御ブロック２１は交流電源正常時に使用し、第２の電圧制御ブロック２２は交流電源異常時に使用する。
なお、第１の直流／交流変換器としての並列インバータの制御ブロックは図７と同様である。

図２は、この実施形態の制御ブロックによって制御される単相の無停電電源装置を示しており、１は電力系統の単相交流電源、２はサイリスタ等の自己消弧能力を持たない半導体スイッチング素子からなる交流スイッチ、３は１次巻線が交流スイッチ２の一端と負荷４の一端との間に直列に接続され、２次巻線が下記の直列インバータ２０の交流出力端子間に接続された直列トランス、４は交流電力が供給される負荷、１０は第１の直流／交流変換器としての並列インバータ、２０は第２の直流／交流変換器としての直列インバータ、３０は両インバータ１０，２０に共通する直流部に接続された電力貯蔵手段としての蓄電池、１５，２５はフィルタリアクトル、１６，２６はフィルタコンデンサである。

次に、この実施形態の動作を、図１の制御ブロックを中心に説明する。
交流電源１の正常時は、従来と同等の制御、つまり、交流電源１により負荷４に交流電力を供給する一方で、並列インバータ１０は図７に示した電流制御ブロック１１により蓄電池３０の充電制御を行い、直列インバータ２０は、図１の出力電圧補償制御ブロック２１により出力電圧検出値Ｖ_ｏｕｔが出力電圧指令値Ｖ_ｏｕｔ ^＊に一致するように制御を行う。

交流電源１の異常時には、図２の交流スイッチ２に遮断指令が与えられる。また、並列インバータ１０は交流電源１に代わって、図７の第１の電圧制御ブロック１２により、出力電圧検出値Ｖ_ｏｕｔを出力電圧指令値Ｖ_ｏｕｔ ^＊に一致させる定電圧源としての動作を開始する。

これと同時に、図１の第２の電圧制御ブロック２２により、直列インバータ２０が電圧制御を開始する。すなわち、入力電流Ｉ_ｉｎ、つまり交流スイッチ２を構成するサイリスタの残留電流Ｉ_ｉｎを、負荷４から交流電源１に流れる向きを正方向として検出し、定数倍器Ｋによりゲイン倍した制御信号を電圧指令としてＰＷＭ制御手段２９に入力する。その結果、直列インバータ２０の出力電圧（直列トランス３の２次巻線電圧）ΔＶ_２は前記電圧指令に応じた電圧となり、この電圧ΔＶ_２によって直列トランス３の１次巻線には交流スイッチ２に流れる残留電流Ｉ_ｉｎを抑制する方向の逆バイアスの電圧ΔＶ_１が印加される。このため、交流スイッチ２の残留電流Ｉ_ｉｎがなくなるように制御が行われる。

以上の動作により、交流スイッチ２は確実かつ迅速に遮断されることになる。直列トランス３の１次巻線に発生する電圧ΔＶ_１は負荷４に一切関与しない電圧であり、負荷４に本来印加されるべき電圧に対して逆バイアスとならず、並列インバータ１０は従来と変わらずに負荷４に同じ交流電力を供給することになる。言い換えれば、並列インバータ１０が交流スイッチ２を迅速に遮断するためだけに特別な制御を行う必要がなくなり、また、無停電電源装置の主回路内に新たな回路部品を追加する必要もない。

次に、図３は本発明の第２実施形態にかかる直列インバータ２０の制御ブロック図である。図１の第１実施形態との相違点は、交流電源１の異常時に交流スイッチ２を迅速に遮断するため、直列インバータ２０に流れる電流（直列トランス３の２次巻線電流）Ｉ_ｓｉｎｖをゼロにする電流制御ブロック２３を、第１実施形態における第２の電圧制御ブロック２２に代えて設けたことにある。

図４は、第２実施形態の制御ブロックによって制御される単相の無停電電源装置であり、図２と同様の構成である。
交流電源１の正常時には、第１実施形態と同様に、交流電源１により負荷４に交流電力を供給する一方で、並列インバータ１０は図７の電流制御ブロック１１により蓄電池３０の充電制御を行い、直列インバータ２０は、図３の出力電圧補償制御ブロック２１により出力電圧検出値Ｖ_ｏｕｔが出力電圧指令値Ｖ_ｏｕｔ ^＊に一致するように制御を行う。

交流電源１の異常時には、図４の交流スイッチ２に遮断指令が与えられる。また、並列インバータ１０は交流電源１に代わって、図７の第１の電圧制御ブロック１２により、出力電圧検出値Ｖ_ｏｕｔを出力電圧指令値Ｖ_ｏｕｔ ^＊に一致させるように定電圧源としての動作を開始する。

これと同時に、図３に示した直列インバータ２０の電流制御ブロック２３が動作を開始する。すなわち直列インバータ２０の電流指令値をゼロとし、この電流指令値（Ｉ_ｓｉｎｖ ^＊＝０）と直列インバータ２０の出力電流検出値Ｉ_ｓｉｎｖとの偏差を自動電流調節器ＡＣＲ_２に入力し、その結果得られた制御信号（変調率指令）をＰＷＭ制御手段２９に入力して直列インバータ２０を動作させる。
このように直列トランス３の２次巻線電流Ｉ_ｓｉｎｖを電流指令値に従ってゼロに制御することにより、交流スイッチ２に流れる残留電流（直列トランス３の１次巻線電流）Ｉ_ｉｎはゼロになり、交流スイッチ２は確実に遮断されることになる。
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、並列インバータ１０によって従来と変わらず負荷４へ同じ交流電力を供給することができる。

なお、図５は本発明の第３実施形態を示すもので、前述した第１または第２実施形態は図５に示すような三相の無停電電源装置にも適用可能である。
この図５において、１Ａは三相交流電源、２Ａは交流スイッチ、３Ａは直列トランス、４Ａは負荷、１０Ａは第１の直流／交流変換器としての並列インバータ、２０Ａは第２の直流／交流変換器としての直列インバータ、３０は蓄電池、１５Ａ，２５Ａはフィルタリアクトル、１６Ａ，２６Ａはフィルタコンデンサであり、並列インバータ１０Ａの制御ブロックとしては前述した図７の制御ブロックを用い、直列インバータ２０Ａの制御ブロックとしては前述した図１または図３の制御ブロックを用いることができる。交流電源１Ａの正常時、異常時における動作は各実施形態と基本的に同一であるから、詳述は省略する。

本発明の第１実施形態にかかる直列インバータの制御ブロック図である。第１実施形態が適用される単相の無停電電源装置の構成図である。本発明の第２実施形態にかかる直列インバータの制御ブロック図である。第２実施形態が適用される単相の無停電電源装置の構成図である。本発明の第３実施形態が適用される三相の無停電電源装置の構成図である。従来技術を示す構成図である。図６における並列インバータの制御ブロック図である。図６における直列インバータの制御ブロック図である。

符号の説明

１：単相交流電源
１Ａ：三相交流電源
２，２Ａ：交流スイッチ
３，３Ａ：直列トランス
４，４Ａ：負荷
１０，１０Ａ：並列インバータ
１１：電流制御ブロック
１２：電圧制御ブロック
１５，１５Ａ，２５，２５Ａ：フィルタリアクトル
１６，１６Ａ，２６，２６Ａ：フィルタコンデンサ
２０，２０Ａ：直列インバータ
２１：出力電圧補償制御ブロック
２２：電圧制御ブロック
２３：電流制御ブロック
２４：切替スイッチ
２９：ＰＷＭ制御手段
３０：蓄電池
ＡＶＲ_１，ＡＶＲ_２，ＡＶＲ_３：自動電圧調節器
ＡＣＲ_１，ＡＣＲ_２：自動電流調節器
ＰＥ：有効成分抽出器
ＬＩＭ：リミッタ
Ｋ：定数倍器（ゲイン）

Claims

電力系統の交流電源と負荷との間に接続され、自己消弧能力を持たない半導体スイッチング素子により構成された交流スイッチと直列トランスの１次巻線とからなる直列回路と、
前記負荷に対して交流電源と並列に接続されて前記負荷に交流電力を供給可能な第１の直流／交流変換器と、
第１の直流／交流変換器の直流部に接続された電力貯蔵手段と、
前記直流部を介して第１の直流／交流変換器との間で電力を授受すると共に、交流側が前記直列トランスの２次巻線に接続された第２の直流／交流変換器と、
を備えた無停電電源装置において、
前記交流電源の異常時に、前記負荷への供給電圧を一定に保つように第１の直流／交流変換器を電圧制御する第１の電圧制御ブロックと、遮断指令が与えられる前記交流スイッチを逆バイアスする電圧を前記１次巻線に発生させるように第２の直流／交流変換器を電圧制御する第２の電圧制御ブロックと、
を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
電力系統の交流電源と負荷との間に接続され、自己消弧能力を持たない半導体スイッチング素子により構成された交流スイッチと直列トランスの１次巻線とからなる直列回路と、
前記負荷に対して交流電源と並列に接続されて前記負荷に交流電力を供給可能な第１の直流／交流変換器と、
第１の直流／交流変換器の直流部に接続された電力貯蔵手段と、
前記直流部を介して第１の直流／交流変換器との間で電力を授受すると共に、交流側が前記直列トランスの２次巻線に接続された第２の直流／交流変換器と、
を備えた無停電電源装置において、
前記交流電源の異常時に、前記負荷への供給電圧を一定に保つように第１の直流／交流変換器を電圧制御する第１の電圧制御ブロックと、前記２次巻線に流れる電流をゼロにするように第２の直流／交流変換器を電流制御する電流制御ブロックと、
を備えたことを特徴とする無停電電源装置。