JP2011062038A

JP2011062038A - 無停電電源装置

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Publication number: JP2011062038A
Application number: JP2009211535A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Ichikawa; 智教市川; Hiroaki Miyata; 博昭宮田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: JP5410211B2

Abstract

【課題】負荷容量によって放電終止電圧を設定し、蓄電池の過放電を防止する蓄電池放電運転方法を採る無停電電源装置において、ノイズや蓄電池電圧、電流の脈動の影響を受けず、より適切で長時間の停電運転が確保できる無停電電源装置を提供する。
【解決手段】商用電源を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、整流した直流電圧を交流電圧に変換し負荷に電力を供給するインバータと、バックアップ電源として使用する蓄電池を備える無停電電源装置において、蓄電池の負荷相当量を測定し、その負荷相当量の大きさに応じて蓄電池の放電終止電圧を設定し、蓄電池電圧が放電終止電圧まで低下した場合に、負荷相当量の大きさで定めた動作時間の継続をもって停電運転を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、過放電が原因による蓄電池の寿命の短縮、および破損を防止しながら、特に軽負荷運転を行う場合に、蓄電エネルギーを使い切ることのできる無停電電源装置に関する。

無停電電源装置の使命は、商用電源の異常時に、安定した電圧源として負荷に電力を供給することである。無停電電源装置はバックアップ電源として蓄電池を使用し、商用電源通常時には蓄電池への充電を行い、商用電源異常時には蓄電池からエネルギーを放電し、負荷への電力供給を継続する。商用電源が復旧した後は、再び起こり得る商用電源異常時に備え、充電を再開する。

商用電源異常状態が長時間にいたる場合、蓄電池は放電終止電圧に達し、それを検出した無停電電源装置はインバータを停止し、停電運転を停止する。これは、蓄電池の過放電による蓄電池の劣化や破損を防ぐためである。

このように、無停電電源装置の運用は蓄電池の破損を防止するという課題に対し、今までもいくつかの提案がなされている。

例えば、蓄電池の放電電流の大きさにあわせて放電終止電圧を設定する方法が特許文献１，２として提案されている。この特許文献では、商用電源停電運転中に、蓄電池電圧が放電電流の大きさによって設定される放電終止電圧以下になった場合に、停電運転を停止（蓄電池による電力供給運転停止）させる。これは、軽負荷における蓄電池の過放電を防ぐことを主な目的とし、また負荷容量の変更によって生じる放電終止電圧の変更作業を、管理者が再設定する作業を省略できるという利点がある。

また特許文献３の発明では、停電運転中の蓄電池電圧があらかじめ設定された放電終止電圧以下になった場合、あるいは停電時間が一定時間を超過した場合に、停電運転を停止し蓄電池の過放電を防ぐ。これは、放電電流の検出や放電電流による放電終止電圧の設定が不要であり、簡略化された蓄電池過放電防止策である。

特開平１−２３４０１７号公報特開昭５９−１２２３２８号公報特開平６−３１１６６８号公報

停電運転を行う場合には、放電率が大きい場合での運転が一般的であるが、軽負荷つまり放電率が小さい場合での運転を要求されることがある。例えば、商用電源異常時の停電運転時間（バックアップ時間）を長時間とすることが要求される場合、停電運転時の蓄電池放電電流が小さくなるように運用することがある。そのため、蓄電池の容量を大きくしたり、または無停電電源装置に対して比較的小さい負荷容量にすることがある。

また、長い停電運転時間を必要とする場合、全ての負荷が同じ時間だけのバックアップが必要とは限らず、停電運転中に停止できる負荷は順次停止していき、バックアップ中の負荷容量が徐々に小さくなることもある。かかる運転態様では、蓄電池は逐次軽負荷側に移行しながら軽負荷運転を続行することになる。このような長時間にわたる停電運転においても、確実にかつ一定時間以上の電力供給を継続する必要がある。

このように軽負荷運転が行われるという前提で考慮した場合に、蓄電池放電運転の経過時間が一定時間を超過した場合に停電運転を停止する特許文献３の方法は、蓄電池の過放電を防ぐ方法として確実な方法であるが、負荷の大きさがかわるとき設定すべき一定時間を変更する必要が生じる。

従来の蓄電池の放電電流より適切な放電終止電圧を設定する特許文献１，２の方法においては、その設定される放電終止電圧によらず、異常電圧の検出から停電運転の停止までの時間等の条件は同一であり、ノイズや蓄電池電圧の電流や電圧の脈動がある場合には、設計されたバックアップの時間よりも早く停電運転の終了を迎える恐れがある。

そこで本発明の目的は、負荷容量によって放電終止電圧を設定し、蓄電池の過放電を防止する蓄電池放電運転方法を採る無停電電源装置において、ノイズや蓄電池電圧、電流の脈動の影響を受けず、より適切で長時間の停電運転が確保できる無停電電源装置を提供することにある。

本発明の無停電電源装置は、商用電源を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、整流した直流電圧を交流電圧に変換し負荷に電力を供給するインバータと、バックアップ電源としての蓄電池を備え、蓄電池の負荷相当量を測定し、その負荷相当量の大きさに応じて蓄電池の放電終止電圧を設定し、蓄電池電圧が放電終止電圧まで低下した場合に、負荷相当量の大きさで定めた動作時間の継続をもって停電運転を停止する。

また、負荷相当量の大きさで定めた動作時間とは、負荷相当量が小さいほど長い時間とされる。

また、負荷相当量の大きさで定めた放電終止電圧とは、負荷相当量が小さいほど高い電圧値とされる。

また、蓄電池の種類、並列数、直列数に応じて、負荷相当量によって設定する放電終止電圧の設定値を変更してもよい。

また、蓄電池の負荷相当量として、蓄電池の放電電流を使用することができる。

また、蓄電池の負荷相当量として、インバータの出力電力を使用することができる。

本発明によれば、負荷の大きさに応じ放電終止電圧の設定値を変更させる手段で、軽負荷時における停電運転において蓄電池の過放電を防止する無停電電源装置において、蓄電池電圧が放電終止電圧まで低下した場合、蓄電池の電圧異常の検出および停電運転停止の指令条件を、放電電流に応じて変更することにより、軽負荷においても適切な停電運転時間を提供することができる。

本発明の無停電電源装置の一例を示す図放電終止電圧設定値を決定するための特性を示す図動作確認時限を決定するための特性を示す図制御回路１０を計算機で実現するときのフローチャートを示す図無停電電源装置の制御回路の動作を説明するための図ＤＣ−ＤＣコンバータ６を装備しない無停電電源装置を示す図蓄電池５の放電電流の代わりにインバータ３の出力電力にした図

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る無停電電源装置７を示す。この無停電電源装置７は、商用電源１が正常の時には、以下のように機能する。

ＡＣ−ＤＣコンバータ２は、商用電源１の交流を直流に変換する。さらにインバータ３で交流に逆変換し、負荷４に電力を供給する。同時に、充放電用のＤＣ−ＤＣコンバータ６は、降圧チョッパとして動作し蓄電池５を充電する。なお、ＡＣ−ＤＣコンバータ２で整流された直流電圧Vdは蓄電池５の端子電圧Vbよりも高電圧とされる。

この無停電電源装置７は、商用電源１が異常により停止したときはＡＣ−ＤＣコンバータ２を停止し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を昇圧チョッパとして動作させて蓄電池５からインバータ３に直流電力を供給する。さらにインバータ３で交流に逆変換し、負荷４に電力を供給する。

無停電電源装置７の運転態様としては、上記の２態様があるが、本発明の以下の説明においては無停電電源装置７の運転態様として商用電源１が停止した状態で蓄電池５から電力供給することについて主に説明を行う。

商用電源１が停止したときに蓄電池５から負荷４に電力供給を行うために、無停電電源装置７の制御回路１０は、第1図の実施例ではインバータ３とＤＣ−ＤＣコンバータ６を制御する。この制御のために制御回路１０は、電圧検出器１２で蓄電池電圧Vbを検出し、電流検出器１１で蓄電池５の放電電流を検出する。

電流検出器１１により検出された蓄電池５の放電電流値は、放電終止電圧設定部１３において、図２の特性に従って放電終止電圧設定値に変換される。図２において、横軸は入力した放電電流であり、定格電流を単位電流（１．０）として表示している。図２縦軸の放電終止電圧設定値は、放電電流が小さいほど高い値とされる。これにより、蓄電池５の蓄積エネルギーを、放電時に有効に使い切ることができる。なお、先の特許文献１，２も図２の特性に従って、放電終止電圧設定値を決定している。

電圧比較器１４では、この放電終止電圧設定部１３と電圧検出器１２の出力を比較し、その結果（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）を運転停止指令部１５に送出する。運転停止司令部１５では、放電電流の値（電流検出器11の出力）と、電圧比較器１４の結果から、インバータ３やＤＣ−ＤＣコンバータ６の停止指令を出す。

なお、放電終止電圧設定部１３と運転停止司令部１５、電圧検出器１２および電圧比較器１４は制御回路１０に含むものとする。この制御回路１０やＡＣ−ＤＣコンバータ２、インバータ３およびＤＣ−ＤＣコンバータ６を含めて無停電電源装置７とする。また、簡易型無停電電源装置では、蓄電池５を装置内に内蔵している。

本発明の無停電電源装置の制御回路１０では、電圧比較器１４からの結果（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）に応じて運転停止司令部１５が停電運転終了を決定するときの動作条件を、放電電流の大きさに応じて変更するものである。

次に、放電電流の大きさによって運転停止司令部１５の動作条件を変更することについて図３を用いて説明する。図３は、横軸に検出した放電電流の値を、定格電流を単位電流（１．０）として表示している。また、縦軸には動作時限Ｔ（フィルタ時定数）を示している。

この図によれば、放電電流が小さいほど動作時限Ｔ（フィルタ時定数）を長くする。この動作時限Ｔは、運転停止司令部１５が停電運転終了を決定するときの動作条件であり、電圧比較器１４からの結果に応じて停電運転終了を確認するときに、この状態がどの程度の時間が経過したときに実際に運転停止を指示するかを決定するときの確認時間である。

図の例では、放電電流が定格電流（１．０）で使用している条件下で、電圧比較器１４からの結果が（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）になったときに、この状態がＴ０時間継続したことを確認できた時点で、インバータ３やＤＣ−ＤＣコンバータ６の停止指令を出す。このＴ０時間は、システムにもよるが概ね数秒程度である。一方、軽負荷で運転中（従って放電電流も例えば定格電流の０．２程度）の条件下で、電圧比較器１４からの結果が（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）になったときに、この状態がＴ２時間継続したことを確認できた時点で、インバータ３やＤＣ−ＤＣコンバータ６の停止指令を出す。このＴ２時間は、システムにもよるが分の単位である。このように、本発明では軽負荷で運転中の場合ほど、（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）の状態が長期間継続することを確認してシステム停止を行う。

図４は、図１の制御回路１０を計算機で実現するときのフローチャートを示している。このフローチャートは一定周期で起動され、その都度判断を行う。まず、ステップＳ１００では、商用電源１が停止し、蓄電池５からの電力供給が開始されたこと（停電運転開始）を確認する。ステップＳ１０１では、電流検出器11の出力として放電電流を検知する。ステップＳ１０２では、検出した放電電流を用いて、図２の特性から放電終止電圧設定値を決定し、また図３の特性から時限Ｔを決定する。

ステップＳ１０３では、別途検出した蓄電池電圧（電圧検出器１２の出力）と、ステップＳ１０３で求めた放電終止電圧設定値を比較する。（電圧検出器１２の出力≧放電終止電圧設定部１３の出力）の場合には、蓄電池５にまだ十分なエネルギー蓄積があると考えられることからステップＳ１０６でカウンタをリセットし、次の判定時刻が来たときにステップＳ１０１から処理を実行しなおす。（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）の場合には、ステップＳ１０４において、この状態の継続時間を確認する。

つまり、ステップＳ１０４では図３で定めた時間の間、（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）の状態が継続していることを確認しており、（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）であるが、継続時間が確認時間未満である場合にはにこの時間継続前にこの条件が不成立となった場合にはステップＳ１０５においてカウンタ継続し、次の判定時刻が来たときにステップＳ１０１から処理を実行しなおす。そして、（電圧検出器１２の出力≦放電終止電圧設定部１３の出力）であり、かつ継続時間が確認時間を超過した場合に、ステップＳ１０７において、インバータ３やＤＣ−ＤＣコンバータ６の停止指令を出す。

図５は、本発明装置の動作を説明するための図であり、横軸に時間ｔ、縦軸に電圧検出器１２の出力（蓄電池電圧）を示している。蓄電池電圧は放電に伴い低下するが、直線状に低下するのではなく、軽負荷の場合ほどリップル分を多く含む。このため、蓄電池電圧が決定された放電終止電圧以下になることがあるが、例えば時刻ｔ１での低下の場合のようにリップル分の影響によりシステム停止を決定するに十分な時間の継続を待たずに回復してしまうことがある。時刻ｔ２の場合には、システム停止を決定するに十分な時間だけ継続し、時刻ｔ３で給電停止に至る。本発明では、この動作継続時間Ｔそのものを放電電流の値に応じて可変にしている。

動作時間を上記のように設定する理由は以下のようである。本発明では、無停電電源装置７が定格負荷で運転している場合の条件を基準とし、放電電流が小さい場合にその条件を変更させる。負荷４の容量が一定であるとすると、放電電流が小さい場合、定格負荷運転時に比べ蓄電池電圧の低下速度は鈍い。よって、蓄電池５の電圧異常の検出条件は、放電電流が小さい場合において基準より緩和することにより、ノイズ等で本来停止すべき停電運転時間よりも早い時間での蓄電池５の電圧異常の検出および運転停止指令を出すことが防げ、適切なバックアップ時間が確保できる利点が生まれる。この機能により、蓄電池５の電流や電圧の脈動により、早期に蓄電池５の電圧異常と停電運転の停止指令を出してしまう可能性を低減できる。

図２の実施例の説明では、電圧比較器１４の出力の継続時間を放電電流に応じて判定しているが、これは、電圧比較器１４の出力に対し、フィルタを設けてもよい。この場合、放電電流の大きさによってフィルタの時定数Ｔを変化させる。放電電流が小さいほどフィルタ時定数Ｔを大きくし、電圧比較器１４の出力が連続で入力した場合に蓄電池５の電圧異常と認識し停電運転の停止をする。この場合の、放電電流と時定数Ｔの関係も図３と同様になる。以上により、放電電流が小さい場合の停電運転時間は、ノイズ等の影響を受けにくくなり、要求される停電運転時間が確保できるようになる。

以上本発明では、放電終止電圧近傍まで蓄電池電圧が低下した場合に、放電電流が小さいときには、数分ないし十数分の蓄電池継続運転は過放電につながらないが、大電流のときには短時間で蓄電池にダメージを与えてしまうことになることに着目して、蓄電池を保護しつつ、最大限まで蓄電池容量を使いきることができる。

なお、本発明が適用される電力システムは、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を装備しない図６のような無停電電源装置においても実施可能である。但し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を装備しないので、蓄電池運転での給電停止は、インバータ３で行うことになる。

次に図７について説明する。これは、放電終止電圧の設定に使用する要素を蓄電池５の放電電流でなく、インバータ３の出力電力にした場合である。詳細動作は図１における実施例と同じである。出力電力はインバータ電流検出器２１と出力電圧検出器２２により算出する。この方式は図１における蓄電池５の電流検出器１１が他の用途で使用できない場合や、検出器の精度が伴わない場合に有効である。図１では放電電流と説明し、図７ではインバータ３、しいては蓄電池の出力電力と説明したが、本明細書ではこれらを総括した表現として負荷相当量ということにする。

さらに、無停電電源装置７に装備する蓄電池５の種類や並列数、直列数を放電終止電圧設定に引用できるようにすると本発明の運用法が広がる。蓄電池５の種類は蓄電池の放電電流の大きさと放電終止電圧の特性が異なるものであり、また蓄電池５の並列数や直列数により定格負荷運転時の１台あたりに流れる蓄電池５の放電電流の大きさが異なるため、放電終止電圧の設定条件が変えられる利点がある。制御回路１０では、こういった計算や運転、指令を出すものとしてマイクロコンピュータを使用する例が多く、放電電流と放電終止電圧の設定の条件は蓄電池の条件により選定できるものであり、特に制御を複雑化することなく有効な手段である。

本発明により、負荷４の容量によって蓄電池５の放電終止電圧の設定値、および、蓄電池電圧が放電終止電圧に達する場合の停電運転停止条件を変更することにより、蓄電池５の過放電による蓄電池５の寿命短縮や破損を防止するだけでなく、運用方法にあうより適切な停電のバックアップ時間の確保が実現する。

本発明によれば、適切で長時間の停電運転が確保できるので無停電電源装置として広い分野で利用することが期待できる。

１：商用電源
２：ＡＣ−ＤＣコンバータ
３：インバータ
４：負荷
５：蓄電池
６：ＤＣ−ＤＣコンバータ
７：無停電電源装置
１０：制御回路
１１：電流検出器
１２：電圧検出器
１３：放電終止電圧設定器
１４：電圧比較器
１５：運転停止指令部
１６：停止指令
２１:インバータ電流検出器
２２：出力電圧検出器

Claims

商用電源を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、整流した直流電圧を交流電圧に変換し負荷に電力を供給するインバータと、バックアップ電源として使用する蓄電池を備える無停電電源装置において、
前記蓄電池の負荷相当量を測定し、その負荷相当量の大きさに応じて前記蓄電池の放電終止電圧を設定し、前記蓄電池電圧が前記放電終止電圧まで低下した場合に、前記負荷相当量の大きさで定めた動作時間の継続をもって停電運転を停止することを特徴とする無停電電源装置。
請求項１に記載の無停電電源装置において、
前記負荷相当量の大きさで定めた前記動作時間とは、前記負荷相当量が小さいほど長い時間とされることを特徴とする無停電電源装置。
請求項１に記載の無停電電源装置において、
前記負荷相当量の大きさで定めた前記放電終止電圧とは、前記負荷相当量が小さいほど高い電圧値とされることを特徴とする無停電電源装置。
請求項１ないし請求項３に記載の無停電電源装置おいて、
前記蓄電池の種類、並列数、直列数に応じて、前記負荷相当量によって設定する前記放電終止電圧の設定値を変更することを特徴とする無停電電源装置
請求項１ないし請求項４に記載の無停電電源装置おいて、
前記蓄電池の負荷相当量として、前期蓄電池の放電電流を使用することを特徴とする無停電電源装置
請求項１ないし請求項４に記載の無停電電源装置おいて、
前記蓄電池の負荷相当量として、前期インバータの出力電力を使用することを特徴とする無停電電源装置。