JP2006149058A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷急変時の電力制御の遅れを防止して逆潮流の発生を防止するようにした直列電圧補償式の無停電電源装置を提供する。
【解決手段】第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５とトランス１と蓄電池３とを備えた直列電圧補償式の無停電電源装置において、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の制御回路は、交流電源電圧の変動分と負荷電流の有効電流成分との積を演算するためのＡＣ／ＤＣ変換器５４、加算器５５、電流検出器５１、有効電流演算器５２及び乗算器５６と、ＤＣ／ＡＣ変換器２５が流すべき有効電流成分を含む電流指令値を生成するための無効電流演算器５３、加算器５７，６０と、前記電流指令値に従ってＤＣ／ＡＣ変換器２５の交流電流を制御するための電流検出器６３、加算器６１、電流調節器６２等を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、商用電源電圧が変動した場合でも負荷に安定した電圧を供給する直列電圧補償式の無停電電源装置に関し、詳しくは、無停電電源装置による電力制御性能を向上させる技術に関するものである。

図２は、直列電圧補償式無停電電源装置の従来技術を示す回路図である。
図２において、商用電源が接続される交流入力端子ｕと交流出力端子Ｕとの間の交流母線には、交流スイッチ４を介してトランス１の二次巻線１ｂが直列に接続され、その一次巻線１ａには、半導体ブリッジ２０，２１からなる直列電圧補償用の第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の交流側端子が接続されている。なお、半導体ブリッジ２０，２１は、環流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を２個直列に接続して構成されている。

第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４には、直流部を共通にした、半導体ブリッジ２２，２３からなる第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５が接続され、その交流側端子はリアクトル６を介して交流出力端子Ｕ，Ｖに接続されている。これらの交流出力端子Ｕ，Ｖの間には、平滑コンデンサ８及び負荷（図示せず）が接続されている。
また、ＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の前記直流部には、電力貯蔵手段としての蓄電池３が接続されている。

上記構成において、交流入力端子ｕ，ｖに加えられる商用電源電圧が変動した場合、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の制御によってトランス１の一次側電圧、ひいては二次側電圧を調節することが可能である。この二次側電圧を商用電源電圧に直列に加えることで電源電圧の変動分を補償し、交流出力端子Ｕ，Ｖに安定した電圧を供給することができる。

ここで、電源電圧の変動が電圧低下であれば、その電圧低下を補償するためにトランス１は電圧を加算する。この状態で交流母線に負荷電流が流れると、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４からトランス１を介して交流母線側に交流電力を注入する。そこで必要となるエネルギーは、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５をコンバータ動作（整流器動作）させることで交流母線から直流部に供給され、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４からトランス１の一次巻線に供給される。
逆に、電源電圧の変動が電圧上昇であれば、その電圧上昇を補償するためトランス１は電圧を減算する。この状態で交流母線に負荷電流が流れると、トランス１を介して第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４により交流電力を吸収し、直流電力に変換する。この直流電力（エネルギー）は、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５をインバータ動作させることで交流電力に変換され、交流母線に回生される。

図３は、このときの各部の電圧波形を示しており、電源電圧の低下期間にはトランス１の二次側電圧を電源電圧に加算し、上昇期間には電源電圧から減算することにより、出力電圧をほぼ一定に保つことができる。

上述した電源電圧補償時における第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の動作は、ＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の直流部の電圧により決定される。
電源電圧の低下時において、トランス１における電圧加算に伴う第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４からの電力放出時には、その電力が前記直流部から一旦放出されるため、直流部の電圧は低下する。このため、直流部の電圧低下を電圧検出器（図示せず）により検出し、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５をコンバータ動作（整流器動作）させて放出分の電力を補っている。
また、電源電圧の上昇時において、トランス１における電力減算に伴う第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４による電力吸収時には、その電力が前記直流部に一旦流入するため、直流部の電圧は上昇する。このため、直流部の電圧上昇を電圧検出器により検出し、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５をインバータ動作させて流入分の電力を交流母線側に回生させている。
このような動作は、例えば特許文献１，２に開示されている。

実用新案登録第２５８６９８４号公報（段落［０００４］，［０００５］，［００１９］，［００２０］、図１等） 特開平１１−２３４９０３号公報（段落［０００３］，［０００４］、図２等）

上述したように、従来の技術において、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の制御は直流部の電圧を検出して間接的に行われている。このため、負荷急変時などにはＤＣ／ＡＣ変換器２５の制御に遅れを生じるという問題があった。
ここで、図４は、商用電源電圧が平常時（電圧及び電力を１００％とする）の１１０％に上昇し、トランス１が１０％の電圧上昇分を吸収するために第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４による吸収電力が−９％となり、その吸収電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５がインバータ動作により交流母線に回生して（回生電力は９％）、負荷の電圧及び電力を１００％に維持している状態を示している。
いま、この状態で負荷が急変し、零となった場合を想定してみる。

このとき、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の電力制御に遅れがあると、その回生電力は、負荷が零であるため商用電源側に供給されることとなり、いわゆる逆潮流となってしまう。この逆潮流は、商用電源側に悪影響を及ぼす場合があることから、一般的には許容されていない。
すなわち、従来の技術では、負荷急変時に第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５による電力制御の遅れが逆潮流を発生させるおそれがあり、これを防止することが課題となっていた。
そこで本発明の解決課題は、上記の電力制御の遅れを防止して逆潮流の発生を未然に防止するようにした直列電圧補償式の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、商用電源が接続された交流入力端子と負荷が接続された交流出力端子との間の交流母線に二次巻線が直列に接続されたトランスと、
このトランスの一次巻線の両端が交流側端子に接続された直列電圧補償用の第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、
第１のＤＣ／ＡＣ変換器と直流部を共通にし、かつ、交流側端子が前記交流母線に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記直流部に接続された電力貯蔵手段と、を備え、
商用電源電圧の変動時に、前記トランスと第１のＤＣ／ＡＣ変換器との間で電力を授受すると共に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で前記電力貯蔵手段及び第２のＤＣ／ＡＣ変換器を介して電力を授受することにより、前記負荷に供給される交流出力電圧を安定化するようにした直列電圧補償式の無停電電源装置において、
第２のＤＣ／ＡＣ変換器の制御回路は、
商用電源電圧の変動分と負荷電流の有効電流成分との積を演算する手段と、
前記の積に基づき、第２のＤＣ／ＡＣ変換器が流すべき有効電流成分を含む電流指令値を生成する手段と、
前記電流指令値に従って第２のＤＣ／ＡＣ変換器の出力電流を制御する手段と、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、前記電流指令値に、前記電力貯蔵手段の電圧を所定値に制御するための電流指令値を含むことを特徴とする。

本発明においては、負荷（無停電電源装置の出力電流）の急変を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の電流指令値に直ちに反映させることにより、第２のＤＣ／ＡＣ変換器の制御遅れに起因する逆潮流の発生を未然に防止して装置の高性能化を図ることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態の構成を示すブロック図である。無停電電源装置の主回路構成は図２と同様であり、３０は入力商用電源、４０は負荷、１は交流母線に接続されたトランス、２４は直列電圧補償用の第１のＤＣ／ＡＣ変換器、２５はＤＣ／ＡＣ変換器２４と直流部が共通であって交流側端子が交流母線に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器、３は前記直流部に接続された電力貯蔵手段としての蓄電池である。

次に、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の制御回路の構成を説明する。なお、図１では、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の制御回路の図示を省略してある。
図１において、５１は交流出力電流（負荷電流）を検出する電流検出器であり、その電流検出値Ｉ_ｏｕｔは有効電流演算器５２に入力されて有効電流成分Ｉ_ｏｕｔ(d)が算出される。また、電流検出値Ｉ_ｏｕｔは無効電流演算器５３に入力されて無効電流成分Ｉ_ｏｕｔ(Q)が算出されるようになっている。

一方、入力商用電源３０の電圧検出値Ｖ_ｉｎはＡＣ／ＤＣ変換器５４によって直流量に変換された後、加算器５５に入力されて電源電圧設定値との偏差ΔＶ_ｉｎが算出される。ここで、電源電圧設定値として入力商用電源３０の定格電圧相当値を設定することで、ΔＶ_ｉｎは定格電圧に対する偏差（電源電圧変動分）となり、この偏差は、トランス１による補償電圧の実効値に相当する。

次いで、乗算器５６では、ΔＶ_ｉｎとＩ_ｏｕｔ(d)とを乗算してＩ(d)が算出される。このＩ(d)は、トランス１による補償電圧（ΔＶ_ｉｎ相当）と、その時、トランス１に流れる電流（Ｉ_ｏｕｔ(d)相当）とによって決定される、トランス１が交流母線に対して注入または吸収するべき電力に相当する。
この電力は、言い換えれば、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５が第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４に供給し、または交流母線に回生するべき電力であり、交流出力電圧を一定値とすれば、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５が流すべき有効電流成分に相当する。

次に、加算器５７では、Ｉ(d)とＩ_ｏｕｔ(Q)とを加算して有効成分及び無効成分からなるＤＣ／ＡＣ変換器２５の電流指令値Ｉ_ｃ’を作成して加算器６０に入力する。
また、電流検出器５９による蓄電池３の電流検出値と直流部の電圧検出値とが入力されている充電調節器５８からの電流指令値Ｉ_ｂも加算器６０に入力され、前記Ｉ_ｃ’とＩ_ｂとの加算値が第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５に対する電流指令値Ｉ_ｃとして出力される。なお、電流指令値Ｉ_ｂは蓄電池３の電圧を所定値に保つために必要とされる電流指令値である。

ＤＣ／ＡＣ変換器２５の出力電流Ｉ_ｉｎｖは電流検出器６３により検出され、前記電流指令値Ｉ_ｃと電流検出値Ｉ_ｉｎｖとの偏差が加算器６１により演算される。電流調節器６２は、この偏差をなくすように、ＤＣ／ＡＣ変換器２５のスイッチング素子をオンオフさせて瞬時電流波形制御を行うものである。

上記の制御により、有効電流演算器５２及び無効電流演算器５３として高速応答の演算器を用いれば、負荷４０の急変に伴う出力電流Ｉ_ｏｕｔの急変を第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の電流指令値Ｉ_ｃに直ちに反映させることができ、出力電流Ｉ_ｏｕｔの値に応じた電流指令値Ｉ_ｃを速やかに生成することでＤＣ／ＡＣ変換器２５の制御遅れに起因する逆潮流の発生を未然に防止することができる。
すなわち、本実施形態では、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の電流指令値Ｉ_ｃに、トランス１による補償電圧相当値ΔＶ_ｉｎと出力電流の有効電流成分Ｉ_ｏｕｔ(d)との積を含ませることにより、負荷急変時におけるＤＣ／ＡＣ変換器２５の交流電流制御の応答性を改善し、逆潮流の発生を防いで無停電電源装置の性能を向上させることができる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 直列電圧補償式無停電電源装置の従来技術を示す回路図である。 図２の動作を説明するための各部の波形図である。 図２における電源電圧上昇時の動作説明図である。

符号の説明

１：トランス
３：蓄電池
２０〜２３：半導体ブリッジ
２４，２５：ＤＣ／ＡＣ変換器
３０：入力商用電源
４０：負荷
５１，５９，６３：電流検出器
５２：有効電流演算器
５３：無効電流演算器
５４：ＡＣ／ＤＣ変換器
５５，５７，６０，６１：加算器
５６：乗算器
５８：充電調節器
６２：電流調節器

Claims (2)

1. 商用電源が接続された交流入力端子と負荷が接続された交流出力端子との間の交流母線に二次巻線が直列に接続されたトランスと、
   このトランスの一次巻線の両端が交流側端子に接続された直列電圧補償用の第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   第１のＤＣ／ＡＣ変換器と直流部を共通にし、かつ、交流側端子が前記交流母線に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   前記直流部に接続された電力貯蔵手段と、を備え、
   商用電源電圧の変動時に、前記トランスと第１のＤＣ／ＡＣ変換器との間で電力を授受すると共に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で前記電力貯蔵手段及び第２のＤＣ／ＡＣ変換器を介して電力を授受することにより、前記負荷に供給される交流出力電圧を安定化するようにした直列電圧補償式の無停電電源装置において、
   第２のＤＣ／ＡＣ変換器の制御回路は、
   商用電源電圧の変動分と負荷電流の有効電流成分との積を演算する手段と、
   前記の積に基づき、第２のＤＣ／ＡＣ変換器が流すべき有効電流成分を含む電流指令値を生成する手段と、
   前記電流指令値に従って第２のＤＣ／ＡＣ変換器の出力電流を制御する手段と、
   を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
2. 請求項１に記載した無停電電源装置において、
   前記電流指令値に、前記電力貯蔵手段の電圧を所定値に制御するための電流指令値を含むことを特徴とする無停電電源装置。

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