JP2006187089A - 無停電電源装置及び無停電電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流電源異常時の電源切り替え時に、負荷電圧に大きな歪が生じないように、交流スイッチを容易な制御で即時遮断すること。
【解決手段】 電源異常発生時に、この異常を示す電源異常判定信号Ｓ１を、ランプ関数を用いた信号処理部３８で処理し、この処理信号に第１のゲイン設定値Ｇ１を乗算部３９で乗算して自動電圧調節部３１のゲインを可変する。同時に、減算部４２で電源異常判定信号Ｓ１から処理信号を減算した値に、第２のゲイン設定値Ｇ２を乗算部４０で乗算して自動電流調節部３２のゲインを可変する。これらの可変制御によって、電源異常発生直後に電源遮断用の交流スイッチを遮断させる電流制御を行い、その後、負荷電圧Ｖｏｕｔを一定にする制御を有効として、これら制御同士の干渉を抑える。この干渉を抑えることによって、負荷電圧に大きな歪が生じないように交流スイッチを確実かつ迅速に遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電源が給電される負荷装置に当該交流電源の停電時に電源のバックアップ給電を行う無停電電源装置及び無停電電源装置の制御方法に関する。

一般に、無停電電源装置｛ＵＰＳ(Uninterruptible Power System)｝は、半導体電力変換素子により構成された交流／直流相互に電力変換を行う電力変換器を交流電源と負荷装置間に接続することによって、交流電源の停電時に電力変換器から負荷装置に電力を供給するようになっている。
特に、無停電電源装置の高効率化や低価格化を目的として、非特許文献１に記載されているようなパラレルプロセッシング方式を用いた無停電電源装置が考案されている。

図５に、パラレルプロセッシング方式による無停電電源装置の回路図を示す。
図５に示す無停電電源装置は、交流電源１と、この交流電源１からの給電対象である負荷装置２との間に、内部の交流スイッチ３を介して電力変換器である並列インバータ４が接続されて構成されている。また、並列インバータ４には蓄電池５が接続されている。
交流電源１が正常な場合は、並列インバータ４が蓄電池５の充電制御を行い、交流電源１が異常となった場合は、交流スイッチ３が開放されることによって並列インバータ４が蓄電池５の直流電圧Ｖｄを交流電圧Ｖｏｕｔに変換して負荷装置２に電力供給する。また、入力力率を１とする目的で負荷装置２の無効電力を並列インバータ４が供給することもある。

次に、図６に、並列インバータ４の出力電流検出値（以下、インバータ電流とする）Ｉｉｎｖの制御（負荷電流制御）を行う負荷電流制御装置４ａと、負荷電圧制御を行う負荷電圧制御装置４ｂとの構成を示し、その説明を行う。
交流電源１が正常な場合は、負荷電圧制御装置４ｂによって次のような電流制御が行われる。減算部１１によって、蓄電池５の電圧の指令値Ｖｄ＊と、蓄電池５の検出電圧値Ｖｄとの偏差を求め、この偏差を自動電圧調節部１２を介して乗算部１３に入力し、ここで電源電圧Ｖｉｎと乗算することにより並列インバータ４の充電電流指令値Ｉｂ＊を算出する。

次に、その充電電流指令値Ｉｂ＊を加算部１４を介してリミッタ１５に入力する。リミッタ１５は、充電電流指令値Ｉｂ＊を並列インバータ４の許容電流以内に制限するように設定されており、この設定に応じて充電電流指令値Ｉｂ＊を制限し、この制限した値を、並列インバータ４の出力電流指令値Ｉｉｎｖ＊とする。
この出力電流指令値Ｉｉｎｖ＊と並列インバータ４のインバータ電流Ｉｉｎｖとの偏差を減算部１６で求め、この求められた偏差を自動電流調節部１７にて調節した信号を、切替スイッチ１８を介して加算部１９で基準波信号と加算する。そして、その加算にて得られた制御信号（λ指令）に応じて並列インバータ４を動作させる。この動作は、その制御信号が切替スイッチ１８を介してＰＷＭ(Pulse Width Modulation)部２０に入力され、ここでＰＷＭ変調されることによって得られたゲート駆動信号が、並列インバータ４のゲートに入力されることによって行われる。

入力力率１の運転を行う場合は、有効成分抽出部２１によって負荷電流検出値（負荷電流）Ｉｏｕｔから負荷装置２の有効電流Ｉｐを抽出し、この有効電流Ｉｐから負荷電流検出値Ｉｏｕｔを減算部２３にて減算することにより無効電流Ｉｑ＊を算出する。この無効電流Ｉｑ＊を前述のように加算部１４にて充電電流指令値Ｉｂ＊に加算することにより、交流電源１から負荷装置２の有効電流と蓄電池５を充電するための電流、並列インバータ４から負荷装置２の無効電流（と高周波電流）を供給するので入力力率が１となる。

一方で、交流電源１が異常の場合は、電源異常を示す電源異常判定信号Ｓ１が切替スイッチ１８に供給されて当該スイッチ１８が切り替わることにより、負荷電流制御装置４ａから負荷電圧制御装置４ｂに制御が切り替わる。
この切り替えによって、減算部２５にて予め設定された負荷電圧指令値（基準電圧）Ｖｏｕｔ＊と負荷電圧検出値（負荷電圧）Ｖｏｕｔとの偏差を求め、この偏差を自動電圧調節部２６に入力し、ここで負荷電圧検出値Ｖｏｕｔを所定の値にするための制御信号（λ指令）を演算する。そして、その加算にて得られた制御信号に応じて並列インバータ４を動作させる。この動作は、その制御信号に応じてＰＷＭ部２０でのＰＷＭ変調により得られたゲート駆動信号が並列インバータ４のゲートに入力されて行われる。

このようなパラレルプロセッシング方式においては、交流電源１の異常を検出すると、交流スイッチ３には開放信号が供給されて、同時に並列インバータ４が蓄電池５への充電を行う充電制御から、負荷装置２への電力供給を行う交流電力出力制御に切り替わり、負荷電圧検出値Ｖｏｕｔ即ち負荷印加電圧を一定にするように作動する。
この時、交流スイッチ３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３の開放信号、即ちゲートオフ信号が与えられで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１の電圧低下による電源異常の場合、並列インバータ４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１の電源電圧が低下した場合は、並列インバータ４が出力する電圧が電源電圧に対して高くなるので、この場合、交流スイッチ３に流れる電流は打ち消され、交流スイッチ３をオフすることに特別の困難性はない。

逆に、交流電源１の電圧上昇による電源異常や、３相電源系統における電圧不均衡等を生じた場合、並列インバータ４の出力電圧が系統に対して低下するので、交流スイッチ３を遮断するまでに時間を要することになる。つまり、並列インバータ４の出力電圧が電源電圧に対して低くなるので、交流スイッチ３を遮断するまでに時間を要することになる。これは、並列インバータ４の出力電圧が電源電圧に対して低くなるので、並列インバータ４によって交流スイッチ３に流れる電流を打ち消すことができないからである。

この場合、交流電源１の出力電圧と並列インバータ４の出力電圧との位相、振幅の関係によっては、過大な横流電流を発生することにつながる恐れがある。
この不具合を解決するために、特許文献１に、交流スイッチ３の電流を抑制する方向に並列インバータ４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。この提案内容を、図７を参照して説明する。図７は、交流電源異常時の電圧制御を行う負荷電圧制御装置４ｃの構成を示すブロック図である。

負荷電圧検出値Ｖｏｕｔを一定にする指令を生成する自動電圧調節部３１の出力に、入力電流Ｉｉｎを零にする指令を生成する自動電流調節部３２の出力を加算した制御信号（λ指令）によって、並列インバータ４を動作させる。この際、入力電流Ｉｉｎを零にする制御は、例えば信号処理部３４にてモノステーブル関数を用いて一定時間動作させるようにする。
特開平１１−３４１６８６号公報 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朝委員会，１９９６年４月発行，ＮＯ．ＩＳＳＮ０９１９−９１９５，第１３頁 ３．３．１項参照

しかし、従来の無停電電源装置においては、交流電源１の異常が検出されてから交流スイッチ３が遮断されるまでの間は、負荷装置２に本来供給すべき交流電圧指令と、交流電源１と並列インバータ４間の横流電流を抑制するための逆バイアス電圧指令とが干渉し、負荷電圧Ｖｏｕｔに大きな歪が生じる。そこで、特許文献１のように、交流電源１の異常を検出してから、電圧制御に切り替えるまでの期間に入力電流Ｉｉｎを零に制御して交流スイッチ３を遮断する方法も考えられるが、この場合、切り替え時のシーケンスが複雑になるという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、交流電源異常時の電源切り替え時に、負荷電圧に大きな歪が生じないように、交流スイッチを容易な制御で即時遮断することができる無停電電源装置及び無停電電源装置の制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による無停電電源装置は、交流電源と当該交流電源から給電が行なわれる負荷装置との間に接続された半導体素子によるスイッチと、このスイッチを介して交流電源と負荷装置との間に並列接続され、交流電源の正常時に、負荷装置への給電と並行に交流電圧を直流電圧に変換して蓄電池に蓄え、交流電源の異常検出時に、蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換して負荷装置へ給電する変換手段とを有し、該異常検出時に、変換手段の電圧調整手段によって負荷装置に給電される交流電圧を一定とする電圧制御を行うと共に、電流調整手段によってスイッチを遮断するための逆バイアス電圧を発生する電流制御を行う無停電電源装置において、前記異常検出時に、前記電流制御及び前記電圧制御が互いに干渉しないように、前記電流制御が行われたのち前記電圧制御が行われるように、前記電流調整手段及び電圧調整手段のゲインを制御するゲイン制御手段を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電源異常が発生した直後に、スイッチを遮断させる電流制御が行われ、この後、負荷装置への給電電圧を一定にする電圧制御が行われ、それら制御同士の干渉が抑えられるようにした。つまり、交流電源異常時に、半導体素子のスイッチが自己消弧機能を持たないタイプであっても、このスイッチの残留電流を打ち消しながら当該スイッチを遮断する制御を行うことができるので、負荷装置への供給電圧に大きな歪が生じないように、スイッチを確実かつ迅速に遮断することができる。

また、本発明の請求項２による無停電電源装置は、請求項１において、前記ゲイン制御手段は、前記異常検出時に生成される矩形波状の検出信号を、その矩形波の立ち上がりが徐々に立ち上がるように波形処理する信号処理手段と、前記信号処理手段で処理された信号と、前記電圧調整手段のゲインを、前記電圧制御を行うために必要な値とする第１のゲイン設定値とを乗算する第１の乗算手段と、前記検出信号から前記信号処理手段で処理された信号を減算する減算手段と、前記減算手段からの信号と、前記電流調整手段のゲインを、前記電流制御を行うために必要な値とする第２のゲイン設定値とを乗算する第２の乗算手段とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、ゲイン制御手段を、交流電源の異常検出時に生成される検出信号のみを用いて処理する簡単な回路構成で実現することができる。

また、本発明の請求項３による無停電電源装置は、請求項１または２において、前記変換手段は、前記負荷装置への給電と並行に交流電圧を直流電圧に変換して蓄電池に蓄える制御を行う際に、前記負荷装置に流れる電流に含まれる高調波成分及び無効電流を供給する制御を行うことを特徴とする。
この構成によれば、交流電源から負荷装置へ流れる電流を力率１とする構成の無停電電源装置においても、上記請求項１または２に記載した同様の作用効果を得ることができる。

また、本発明の請求項４による無停電電源装置の制御方法は、交流電源と当該交流電源から給電が行なわれる負荷装置との間に接続された半導体素子によるスイッチと、このスイッチを介して交流電源と負荷装置との間に並列接続され、交流電源の正常時に、負荷装置への給電と並行に交流電圧を直流電圧に変換して蓄電池に蓄え、交流電源の異常検出時に、蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換して負荷装置へ給電する変換手段とを有し、変換手段によって、該異常検出時に、負荷装置に給電される交流電圧を一定とする電圧制御を行うと共に、スイッチを遮断するための逆バイアス電圧を発生する電流制御を行う無停電電源装置の制御方法において、前記異常検出時に、前記電流制御及び前記電圧制御が互いに干渉しないように、前記電流制御が行われるように前記電流調整手段のゲインを制御する第１のステップと、前記干渉しないように、前記電流制御が行われるように前記電圧調整手段のゲインを制御する第２のステップとを含むことを特徴とする無停電電源装置の制御方法。

この方法によれば、電源異常が発生した直後に、スイッチを遮断させる電流制御が行われ、この後、負荷装置への給電電圧を一定にする電圧制御が行われ、それら制御同士の干渉が抑えられるようにした。つまり、交流電源異常時に、半導体素子のスイッチが自己消弧機能を持たないタイプであっても、このスイッチの残留電流を打ち消しながら当該スイッチを遮断する制御を行うことができるので、負荷装置への供給電圧に大きな歪が生じないように、スイッチを確実かつ迅速に遮断することができる。

以上説明したように本発明によれば、交流電源異常時の電源切り替え時に、負荷電圧に大きな歪が生じないように、交流スイッチを容易な制御で即時遮断することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の負荷電圧制御装置の構成を示す図である。但し、図１に示す実施の形態において、図７に示した従来例の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
図１に示す負荷電圧制御装置４ｄが、図７に示した従来の負荷電圧制御装置４ｃとの相違点は、自動電圧調節器３１と自動電流調節器３３のゲインを可変制御するようにしたことである。このゲイン制御手段を、信号処理部３８と、乗算部３９，４０と、減算部４２とを備えて構成した。

図２に、本実施の形態の負荷電圧制御装置４ｄを、無停電電源装置を有する単相回路に適用した例を示す。
交流電源１の正常時には従来と同様の制御、つまり、並列インバータ４が蓄電池２の充電制御を行う。異常時には、交流スイッチ３に開放指令が与えられ、並列インバータ４が交流電源に代わり定電圧源としての動作を開始すると同時に、交流スイッチ３に流れる電流Ｉｉｎを零にする制御を行う。

ここでは、負荷電流Ｉｏｕｔと並列インバータ４のインバータ電流Ｉｉｎｖとの差を、自動電流調節部３２に入力し、当該調節部３３の出力を加算部１９にて自動電圧調節器３１からの負荷電圧指令値Ｖｏｕｔ＊と加算する。そして、負荷電流Ｉｏｕｔと並列インバータ４のインバータ電流Ｉｉｎｖとの差を零にすることによって、入力電流Ｉｉｎを検出してそれを０にすることと同等の制御を実現する。

次に、図３を更に参照して自動電圧調節部３１及び自動電流調節部３２のゲインの可変制御処理を説明する。
ここでは、図３に示すように、電源正常を「０」、電源異常を「１」とした電源異常判定信号Ｓ１を、ランプ関数を用いた信号処理部３８に入力する。ランプ関数を用いた信号処理では、電源異常判定信号Ｓ１の時刻ｔ０に示す「０」から「１」への急峻な立ち上がりが、時刻ｔ０〜ｔ１間に示すように徐々に上昇する傾斜状に変化する。なお、ここでは電源異常判定信号Ｓ１の処理にランプ関数を用いたが、一次遅れ要素１／（ｓτ＋１）で処理してもよい。

信号処理部３８の出力信号に、乗算部３９にて、一定である第１のゲイン設定値Ｇ１を掛け、この値に応じて自動電圧調節器３４のゲインを可変する。一方で、減算部４２で電源異常判別信号Ｓ１から信号処理部３８の出力信号を引いた値に、乗算部４０にて、一定である第２のゲイン設定値Ｇ２を掛け、この値に応じて自動電流調節部３２のゲインを可変する。

また、自動電圧調節部３１及び自動電流調節部３２としては、例えば比例要素から構成されるフィードバック制御系が考えられ、計算された各部３１，３３の可変するゲインは、その比例ゲインに相当する。
このように、自動電圧調節部３１及び自動電流調節部３２のゲインを可変制御すると、電源異常が発生して時刻ｔ０〜ｔ１に示すように、電源異常判定信号Ｓ１が「１」となった際は、自動電圧調節部３１のゲインは低い状態から徐々に高くなり、自動電流調節部３２のゲインは第２のゲイン設定値Ｇ２である高い状態から徐々に立ち下がる。そして、時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、自動電圧調節部３１のゲインが高い状態で一定となり、自動電流調節部３２のゲインが低い状態で一定となる。

以上説明したように本実施の形態の無停電電源装置の負荷電圧制御装置４ｄによれば、電源異常が発生した直後に、交流スイッチ３を遮断させる電流制御が行われ、その後は負荷電圧Ｖｏｕｔを一定にする制御が有効となり、それら制御同士の干渉が抑えられるようにした。
つまり、交流電源異常時に、交流スイッチ３の残留電流を打ち消しながら当該交流スイッチ３を遮断する制御を行うことで、自己消弧機能を持たない素子を交流スイッチ３として用いても、負荷電圧に大きな歪が生じないように、交流スイッチ３を確実かつ迅速に遮断することができる。

また、電流／電圧制御の切り替え信号として、電源異常判定信号Ｓ１のみを使用した簡単な制御で構成できる利点がある。
更に、交流電源異常時においても負荷装置２に一定の電圧Ｖｏｕｔを供給することができる。
このような本負荷電圧制御装置４ｄは、図４に示す無停電電源装置を有する三相回路にも適用可能である。図４に示す無停電電源装置は、交流電源１−１と、この交流電源１−１からの給電対象である負荷装置２−１との間に、内部の交流スイッチ３−１を介して電力変換器である並列インバータ４−１が接続されて構成されている。また、並列インバータ４−１には蓄電池５−１が接続されている。

このような構成においても、上記実施の形態で説明した単相回路への適用例と同様に、交流電源異常時に、交流スイッチ３−１の残留電流を打ち消しながら当該交流スイッチ３−１を遮断する制御を行うことで、自己消弧機能を持たない素子を交流スイッチ３−１として用いても、確実かつ迅速に交流スイッチ３−１を遮断することができる。

本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の負荷電圧制御装置の構成を示す図である。 上記の負荷電圧制御装置を、無停電電源装置を有する単相回路に適用した例を示す図である。 上記の負荷電圧制御装置における自動電圧調節部及び自動電流調節部のゲインの可変制御処理を説明するためのタイミングチャートである。 上記の負荷電圧制御装置を、無停電電源装置を有する三相回路に適用した例を示す図である。 従来の無停電電源装置の構成を示す図である。 従来の無停電電源装置に適用される自動電圧調節部及び自動電流調節部の構成を示す図である。 従来の無停電電源装置に適用される他の自動電圧調節部の構成を示す図である。

符号の説明

１，１−１ 交流電源
２，２−１ 負荷装置
３，３−１ 交流スイッチ
４，４−１ 並列インバータ
５，５−１ 蓄電池
４ａ 負荷電流制御装置
４ｂ，４ｃ，４ｄ 負荷電圧制御装置
１１，１６，２３，２５，４２ 減算部
１３，３９，４０ 乗算部
１４，１９ 加算部
１５ リミッタ
１７，３２ 自動電流調節部
１８ 切替スイッチ
２０ ＰＷＭ部
２１ 有効成分抽出部
２６，３１ 自動電圧調節部
３４，３８ 信号処理部
Ｉｉｎ 交流電流
Ｖｏｕｔ 負荷電圧検出値（負荷電圧）
Ｖｏｕｔ＊ 負荷電圧指令値
Ｖｄ 蓄電池電圧検出値
Ｖｄ＊ 蓄電池電圧指令値
Ｖｉｎ 入力電圧
Ｉｂ＊ 充電電流指令値
Ｉｉｎｖ 並列インバータのインバータ電流
Ｉｉｎｖ＊ 並列インバータの出力電流指令値
Ｓ１ 電源異常判定信号
Ｇ１ 第１のゲイン設定値
Ｇ２ 第２のゲイン設定値

Claims (4)

1. 交流電源と当該交流電源から給電が行なわれる負荷装置との間に接続された半導体素子によるスイッチと、このスイッチを介して交流電源と負荷装置との間に並列接続され、交流電源の正常時に、負荷装置への給電と並行に交流電圧を直流電圧に変換して蓄電池に蓄え、交流電源の異常検出時に、蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換して負荷装置へ給電する変換手段とを有し、該異常検出時に、変換手段の電圧調整手段によって負荷装置に給電される交流電圧を一定とする電圧制御を行うと共に、電流調整手段によってスイッチを遮断するための逆バイアス電圧を発生する電流制御を行う無停電電源装置において、
   前記異常検出時に、前記電流制御及び前記電圧制御が互いに干渉しないように、前記電流制御が行われたのち前記電圧制御が行われるように、前記電流調整手段及び電圧調整手段のゲインを制御するゲイン制御手段
   を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記ゲイン制御手段は、
   前記異常検出時に生成される矩形波状の検出信号を、その矩形波の立ち上がりが徐々に立ち上がるように波形処理する信号処理手段と、
   前記信号処理手段で処理された信号と、前記電圧調整手段のゲインを、前記電圧制御を行うために必要な値とする第１のゲイン設定値とを乗算する第１の乗算手段と、
   前記検出信号から前記信号処理手段で処理された信号を減算する減算手段と、
   前記減算手段からの信号と、前記電流調整手段のゲインを、前記電流制御を行うために必要な値とする第２のゲイン設定値とを乗算する第２の乗算手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記変換手段は、前記負荷装置への給電と並行に交流電圧を直流電圧に変換して蓄電池に蓄える制御を行う際に、前記負荷装置に流れる電流に含まれる高調波成分及び無効電流を供給する制御を行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の無停電電源装置。
4. 交流電源と当該交流電源から給電が行なわれる負荷装置との間に接続された半導体素子によるスイッチと、このスイッチを介して交流電源と負荷装置との間に並列接続され、交流電源の正常時に、負荷装置への給電と並行に交流電圧を直流電圧に変換して蓄電池に蓄え、交流電源の異常検出時に、蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換して負荷装置へ給電する変換手段とを有し、変換手段によって、該異常検出時に、負荷装置に給電される交流電圧を一定とする電圧制御を行うと共に、スイッチを遮断するための逆バイアス電圧を発生する電流制御を行う無停電電源装置の制御方法において、
   前記異常検出時に、前記電流制御及び前記電圧制御が互いに干渉しないように、前記電流制御が行われるように前記電流調整手段のゲインを制御する第１のステップと、
   前記干渉しないように、前記電流制御が行われるように前記電圧調整手段のゲインを制御する第２のステップと
   を含むことを特徴とする無停電電源装置の制御方法。

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