JP2009232541A - 無停電電源装置及びその試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置が1台であっても、模擬負荷設備を使用することなく電気試験を行うことが可能な無停電電源装置を提供する。
【解決手段】交流入力電源１から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ７と、このコンバータ７により変換された直流電力を交流電力に変換し、出力トランス１１を介して交流出力を得るインバータ９と、このインバータ９の入力側に設けられた蓄電池４と、交流入力電源１とインバータ９の交流出力間に設けられたバイパス開閉器１３と、
インバータ９の出力を制御する制御手段１０とで構成する。制御手段１０は、インバータ９の出力周波数及び位相を交流入力電源１の周波数及び位相に同期するように制御する同期制御手段１１０と、バイパス開閉器１３が閉路されたとき、インバータ９の出力電流を所望の値に制御する電流制御手段１０８を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は無停電電源装置に係わり、特に電力回生機能を備えた無停電電源装置及びその試験方法に関する。

交流入力電源の停電あるいは瞬時電圧低下などの電源障害時に、機器の不要動作、誤動作あるいはシステムダウンを生じてしまうコンピュータなどの負荷機器に安定な交流電源を給電するための電源として、蓄電池などのエネルギー蓄積体を有する交流無停電電源装置（ＵＰＳ）が、広く使われるようになっている。特に近年のインターネットデータセンターをはじめとした重要システムへの適用により、無停電電源装置に対する信頼性の要求は高く、製造者側での電気試験あるいは使用者側での現地における電気試験においても、充分な性能試験を行うことが望まれている。

このような無停電電源装置の電気試験として、無停電電源装置の二次側に負荷機器を模擬した負荷設備を接続し、電気試験を行うことが知られている。（例えば、電気学会 電気規格調査会標準規格 JEC-2433 無停電電源システム）
しかしながら、無停電電源装置の電気試験では装置の性能を確認するために、模擬的に負荷設備を設けるため、電気試験時の消費電力は、無停電電源装置の損失分に模擬負荷設備の損失分を加算した値となる。そして、模擬負荷設備の損失分は、例えば全損失の９０％を占め、この損失が熱として大気中に大量に放出されている。

以上のような問題点を考慮し、複数台の無停電電源装置を並列に接続し、その複数台の無停電電源装置のうち少なくとも１台のコンバータ部を負の入力力率で回生運転させることによって模擬負荷設備の損失分を無くそうとする試験方法が提案が為されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平４−２６４２７０号公報（第３−４頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、模擬負荷設備を準備することなく且つ出力電圧を所望の値に制御した状態で無停電電源装置の電気試験を行なうことが可能である。しかしながら、無停電電源装置が複数台必要となるばかりでなく、少なくとも１台はコンバータ部を負の入力力率で回生運転させることが可能な無停電電源装置が必要となるため、大きな制約が生じていた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、装置が1台であっても、模擬負荷設備を使用することなく電気試験を行うことが可能な無停電電源装置及びその試験方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である無停電電源装置は、交流入力電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換し、出力トランスを介して交流出力を得るインバータと、このインバータの入力側に設けられた蓄電池と、前記交流入力電源と前記インバータの交流出力間に設けられたバイパス開閉器と、前記インバータの出力を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記インバータの出力周波数及び位相を前記交流入力電源の周波数及び位相に同期するように制御する同期制御手段と、前記バイパス開閉器が閉路されたとき、前記インバータの出力電流を所望の値に制御する電流制御手段を有することを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である無停電電源装置の試験方法は、交流入力電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換し、出力トランスを介して交流出力を得るインバータと、このインバータの入力側に設けられた蓄電池と、前記交流入力電源と前記インバータの交流出力間に設けられたバイパス開閉器と、前記インバータの出力を制御する制御手段とを具備した無停電電源装置において、前記制御手段は、前記インバータの出力周波数及び位相を前記交流入力電源の周波数及び位相に同期するように制御し、前記バイパス開閉器を閉路して前記インバータの出力電流を所望の値に制御し、前記バイパス回路から前記交流入力電源への回生電力を制御して装置の電気試験を行なうようにしたことを特徴としている。

この発明の無停電電源装置及びその試験方法によれば、装置が1台であっても、模擬負荷設備を使用することなく電気試験を行うことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る無停電電源装置及びその試験方法について図１、図２及び図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図である。

交流入力電源１から電源開閉器２を介して、その直流部に蓄電池４が接続された無停電電源装置３に商用周波数の電力が給電される。以下、無停電電源装置３の内部構成について説明する。

無停電電源装置３の交流入力部には入力開閉器５が設けられ、この出力は入力フィルタ６を介してコンバータ７に与えられる。コンバータ７は、交流入力を直流に変換し、直流フィルタ８を介してインバータ９に直流電力を供給する。インバータ９は例えばスイッチング素子であるＩＧＢＴをブリッジ接続して構成され、与えられた直流電圧を交流電圧に変換し出力トランス１１の１次側に供給する。インバータ９のスイッチング素子のゲートパルスは制御回路１０から与えられている。出力トランス１１の２次側出力は出力開閉器１２を介して無停電電源装置３の交流出力となる。通常はこの交流出力に負荷機器が接続される。

無停電電源装置３の交流入力と交流出力はバイパス開閉器１３によって接続可能となっている。この回路をバイパス回路と称する。このバイパス回路は、本来無停電電源装置３のインバータ９の出力が故障あるいは保守のため得られなくなったとき、負荷機器に交流出力を連続して給電するために設けられている。そしてバイパス開閉器１３は機械式開閉器と半導体開閉器が並列に接続された構成となっている。これは、インバータ９の出力周波数及び位相を交流入力に同期したタイミングで高速に投入する半導体開閉器と、半導体開閉器が投入されたあと損失を低減するために投入する機械式開閉器を組み合わせるのが合理的であるとの理由による。

交流入力電源１に異常が生じたとき、負荷機器には無瞬断で安定した電力を供給することが要求される。このため、チョッパ１４を介してエネルギー蓄積体である蓄電池４が接続されている。チョッパ１４は通常時は蓄電池４への充電電圧の制御を行い、交流入力電源の異常時には蓄電池放電時のインバータ９への直流電圧の制御を行う。

インバータ９の出力電流Ｉ１は電流検出器１５によって検出され、制御回路１０に与えられる。同様に出力トランス１１の出力電圧Ｖ２は電圧検出器１６によって、バイパス回路の電圧Ｖ３は電圧検出器１７によって夫々検出され、制御回路１０に与えられる。

次に図２を参照して制御回路１０の内部構成を説明する。電圧指令器１０１は減算器１０２に電圧指令を与える。減算器１０２はこの電圧指令から電圧検出器１６によって検出されたＶ２を減算し、その差分を電圧制御器１０３に与える。電圧制御器１０３は通常ＰＩ制御系を構成し、この差分が小さくなるように電流基準を出力して加算器１０４に与える。加算器１０４には電流指令器１０５から与えられる電流指令Ｉ１＊が加算され、その出力は過大な電流指令を抑制するために設けられたリミッタ１０６に与えられる。リミッタ１０６の出力は減算器１０７に与えられ、この減算器１０７で電流検出器１５によって検出されたＩ１が減算され、差分が電流制御器１０８に与えられる。電流制御器１０７は通常ＰＩ制御系を構成し、この差分が小さくなるように電圧基準を出力してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路１０９に与える。ＰＷＭ回路１０９はインバータ９の出力電圧であるＶ１が電流制御器１０７から与えられる電圧基準となるようにインバータ９のスイッチング素子にＰＷＭ制御された適切なゲートパルスを供給する。

一方、ＰＷＭ回路１０９が発生するゲートパルスの基本周波数は電圧検出器１７によって検出されたＶ３を入力とする同期制御回路１１０の出力によって制御され、Ｖ３と周波数及び位相が一致するように構成されている。ここで同期制御回路１１０は、例えば、基準周波数を補正した出力周波数を出力し、この出力周波数とＶ３の周波数の位相差が最小となるように前記補正を行なうような所謂ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を用いる。

以上の構成における本発明の動作、効果について図３を参照して以下に説明する。

まず、交流出力に負荷機器を接続しない状態でインバータ９を運転する。このとき電流指令器１０５の電流指令はゼロにしておく。この状態でバイパス開閉器１３を投入する。そうすると出力変圧器１１の出力は交流入力電源１に接続される。そして電流指令器１０５の電流指令を上昇させる。このようにすると図３に破線矢印で示したルートで電流が流れる。

今、インバータ９の出力電圧をＶ１、このＶ１の角周波数をω、出力トランス１１の等価リアクタンスをＬとすると、（１）式が成立する。

Ｖ２＝Ｖ１−ωＬ(Ｉ1) ・・・（１）
交流出力に負荷機器を接続した通常の運転モードにおいては（１）式のＶ２が所望の電圧になるようにＶ１が制御される。ところが、図３に示すように、負荷機器あるいは模擬負荷設備を使用せずに電力回生を行った場合、インバータ９は（１）式におけるインバータ電流Ｉ１が電流指令器１０５で設定された電流指令Ｉ１＊となるように、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されたインバータ電圧Ｖ１を出力する。バイパス開閉器１３がオン状態となっているので、バイパス回路に交流出力電流Ｉ２が流れ、電力は破線矢印の通り交流入力電源側へ回生される。このようにして交流出力に負荷機器や模擬負荷設備を接続することなく無停電電源装置３の通電試験や温度上昇試験などの電気試験が可能となる。尚、この電気試験に要する電力は、図３に示した電力ルート内に発生する損失のみとなるので、交流入力電源から与える電力はこの損失分だけで良い。

電流指令器１０５における電流指令Ｉ１＊については、予め所望する電流変動パターンを設定しておくようにしても良い。また、制御の安定性確保のために電流指令器１０５の出力側にレート回路を設け、電流指令Ｉ１＊が滑らかに変化するように構成しても良い。

以下、本発明の実施例２に係る無停電電源装置の試験方法について図４を参照して説明する。図４は実施例２の無停電電源装置の試験方法を行なったときの電力の流れを示す。この実施例２においては、入力開閉器５を開放し、チョッパ１４によってインバータ９の入力に適切な直流電圧を供給する。

上記状態で実施例１の場合と同様にインバータ９を運転してバイパス開閉器１３を投入し、電流指令器１０５の電流指令をゼロから上昇させる。このようにすると図４に破線矢印で示したルートで電流が流れて蓄電池４から供給される電力は交流入力電源１に回生される。

この実施例２によれば、コンバータ７の通電試験を行なうことはできないが、負荷機器あるいは模擬負荷設備を使用せずに蓄電池４の電力放電試験が可能となる。

以下、本発明の実施例３に係る無停電電源装置の試験方法について図５を参照して説明する。図５は実施例３の無停電電源装置の試験方法を行なったときの電力の流れを示す。この実施例３においては、電源開閉器２を開放し、チョッパ１４によってインバータ９の入力に適切な直流電圧を供給する。

上記状態で実施例１の場合と同様にインバータ９を運転してバイパス開閉器１３を投入し、電流指令器１０５の電流指令をゼロから上昇させる。このようにすると図５に破線矢印で示したルートで電流が流れる。即ち、蓄電池４から供給される電力は交流入力電源１に回生されず、まずバイパス回路の電圧Ｖ３を上昇させていく。そしてその電圧Ｖ３をコンバータ７で整流して得られる電圧が、チョッパ１４が直流回路に供給する電圧に到達したとき回生電流がコンバータ７を介して環流するようになる。定常状態になると、蓄電池４から供給される電力は図４の電力ルート内で消費される電力分だけを供給するようになる。

尚、上記において、電源開閉器２が開放された状態においてはインバータ９の出力周波数が決まらない問題が考えられる。この対策としてはインバータ９を運転するとき、短時間電源開閉器２を投入して電源周波数を取り込むようにしても良く、また、電圧検出器１７をバイパス回路でなく電源開閉器の１次側に接続するようにすれば良い。また、必ずしも電源周波数と同期を取る必要はないので、同期制御回路１１０が電源周波数に近い一定の周波数をＰＷＭ回路１０９に供給する構成としても良い。

以上説明したようにこの実施例３によれば、交流入力電源が無い場合であっても無停電電源装置３の電気試験を行なうことが可能である。尚、この実施例３においては蓄電池４が供給する電力は無停電電源装置３の損失分のみであるため、この試験のために特殊な蓄電池を準備する必要はなく、通常の無停電電源システムとして組合せる蓄電池を使用して長時間試験を行なうことが可能となる。

以上の説明において、電流指令器１０５が与える電流指令はゼロからスタートする説明を行なったが、必ずしもその必要は無い。また、図２の制御回路１０の構成において、電流指令を電流マイナーループ即ち電流制御器１０８の入力に加算する説明を行なったが、電流制御を主ループとし、電圧制御をマイナーループにするように構成しても良い。

また、コンバータ７は整流器コンバータとして説明したが、入力力率あるいは直流電圧を制御することが可能なアクティブコンバータとしても良いことは明らかである。

本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図。 インバータ制御回路の内部構成図。 実施例１の試験方法による電力フローを示す図。 実施例２の試験方法による電力フローを示す図。 実施例３の試験方法による電力フローを示す図。

符号の説明

１ 交流入力電源
２ 電源開閉器
３ 無停電電源装置
４ 蓄電池
５ 入力開閉器
６ 入力フィルタ
７ コンバータ
８ 直流フィルタ
９ インバータ
１０ インバータ制御回路
１１ 出力トランス
１２ 出力開閉器
１３ バイパス開閉器
１４ チョッパ
１５ 電流検出器
１６、１７ 電圧検出器

１０１ 電圧指令器
１０２ 減算器
１０３ 電圧制御器
１０４ 加算器
１０５ 電流指令器
１０６ リミッタ
１０７ 減算器
１０８ 電流制御器
１０９ PWM回路
１１０ 同期制御回路

Claims (6)

1. 交流入力電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換し、出力トランスを介して交流出力を得るインバータと、
   このインバータの入力側に設けられた蓄電池と、
   前記交流入力電源と前記インバータの交流出力間に設けられたバイパス開閉器と、
   前記インバータの出力を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記インバータの出力周波数及び位相を前記交流入力電源の周波数及び位相に同期するように制御する同期制御手段と、
   前記バイパス開閉器が閉路されたとき、前記インバータの出力電流を所望の値に制御する電流制御手段を有することを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記制御手段は、前記交流出力の電圧が所望の電圧指令値に追従するように制御する電圧制御手段を有し、
   前記電流制御手段は、
   前記インバータの出力電流が、前記電圧制御手段の出力に所定の電流指令値を加算した電流基準に追従するように制御するようにし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. 交流入力電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換し、出力トランスを介して交流出力を得るインバータと、
   このインバータの入力側に設けられた蓄電池と、
   前記交流入力電源と前記インバータの交流出力間に設けられたバイパス開閉器と、
   前記インバータの出力を制御する制御手段と
   を具備した無停電電源装置において、
   前記制御手段は、
   前記インバータの出力周波数及び位相を前記交流入力電源の周波数及び位相に同期するように制御し、
   前記バイパス開閉器を閉路して前記インバータの出力電流を所望の値に制御し、
   前記バイパス回路から前記交流入力電源への回生電力を制御して装置の電気試験を行なうようにしたことを特徴とする無停電電源装置の試験方法。
4. 交流入力電源から入力開閉器を介して供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換し、出力トランスを介して交流出力を得るインバータと、
   このインバータの入力側にチョッパを介して接続された蓄電池と、
   前記交流入力電源と前記インバータの交流出力間に設けられたバイパス開閉器と、
   前記インバータの出力を制御する制御手段と
   を具備した無停電電源装置において、
   前記入力開閉器を開放した状態で前記チョッパは前記インバータの入力電圧を所望の値に制御し、
   前記制御手段は、
   前記インバータの出力周波数及び位相を前記交流入力電源の周波数及び位相に同期するように制御し、
   前記バイパス開閉器を閉路して前記インバータの出力電流を所望の値に制御し、
   前記バイパス回路から前記交流入力電源への回生電力を制御して装置の電気試験を行なうようにしたことを特徴とする無停電電源装置の試験方法。
5. 交流入力電源から入力開閉器を介して供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換し、出力トランスを介して交流出力を得るインバータと、
   このインバータの入力側にチョッパを介して接続された蓄電池と、
   前記入力開閉器の出力端と前記インバータの交流出力間に設けられたバイパス開閉器と、
   前記インバータの出力を制御する制御手段と
   を具備した無停電電源装置において、
   前記入力開閉器を開放した状態で前記チョッパは前記インバータの入力電圧を所望の値に制御し、
   前記制御手段は、
   前記インバータの出力周波数及び位相を前記交流入力電源の周波数及び位相に同期するように制御し、
   前記バイパス開閉器を閉路して前記インバータの出力電流を所望の値に制御し、
   前記バイパス回路から前記コンバータに環流する回生電力を制御して装置の電気試験を行なうようにしたことを特徴とする無停電電源装置の試験方法。
6. 前記出力電流の制御は、
   制御開始時の電流指令を実質ゼロとし、滑らかに所望の電流指令に立ち上げるようにしたことを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の無停電電源装置の試験方法。

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