JP2011160639A

JP2011160639A - 瞬低対策装置

Info

Publication number: JP2011160639A
Application number: JP2010022821A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Tazaki; 慎太朗田崎
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】故障解列を可能とし、システムとしての信頼性を向上させた瞬低対策装置を提供する。
【解決手段】キャパシタ蓄電装置を構成する複数のキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎと信号処理ボード５がキャパシタ盤１に設けられている。各二次電池ユニット１１〜４１にはそれぞれ出力電圧の異常等の故障を検出し、信号処理ボード５に対して異常信号を出力する異常検出部１２〜４２を備えている。また、各二次電池ユニット１１〜４１はキャパシタ遮断器１３〜４３を介して並列に接続されており、各二次電池ユニット１１〜４１が単独で解列可能に構成されている。遮断器１３〜４３には、初期充電用の抵抗器１４〜４４を初期充電用の電磁接触器１５〜４５と直列接続した初期充電回路が並列に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタ型蓄電素子により構成された二次電池ユニットが複数並列に接続されたキャパシタ盤を有し、二次電池ユニットを負荷と接続制御して瞬時電圧低下時の負荷電圧を補償する瞬低対策装置に関する。

銀行のオンライン、交通管制、コンピュータ制御や産業用製造設備、計測・制御用電源等の重要な負荷設備では、系統電源に発生した瞬時電圧低下を速やかに検出して負荷設備に供給すべき電源電圧（以下、負荷電圧と称す）を補償する無停電電源システム（ＵＰＳ）等が導入されている。瞬時電圧低下対策装置（以下、略して瞬低対策装置という。）は、こうした無停電電源システム等に適用され、系統電源の瞬時電圧低下発生時に瞬時電圧低下中の負荷電圧を補償するために使用される装置である。

重要な負荷設備に用いられる電力変換システムでは、電力貯蔵装置の故障時にも運転を継続し、電力貯蔵装置の修理を可能とするとともに、無効電力補償装置としての運転を可能として、設備の稼働率を低下させないことが望まれる。そこで、電力貯蔵装置の故障時にも運転を継続可能とする系統連系用電力変換システムとして、故障した電力貯蔵装置のみを開放し、開放した残りの電力変換システムを利用して無効電力補償装置として運転して、故障に備えた予備システムを設置する場合に比し、設備を有効に活用することが提案されている（下記特許文献１参照）。

ここでは、電力貯蔵装置の故障時にも、電力変換システム全体を停止させることなく、運転を継続したまま電力貯蔵装置の修理が可能である。また、二次電池セルを直列に接続した構造の電力貯蔵装置の場合、各二次電池セルの電圧を直接検出することによって、電力貯蔵装置の故障を早期にかつ精度良く検出することができる。

図４は、従来のキャパシタ蓄電装置を用いて構成される無停電電源システムを示すブロック図である。
無停電電源システムは、キャパシタ蓄電装置を構成するキャパシタ盤１、このキャパシタ盤１を負荷と接続制御する瞬低対策装置２から構成され、瞬時電圧低下時の負荷電圧を補償する。キャパシタ盤１には、複数のキャパシタ素子（蓄電素子）が直列接続された二次電池ユニット１１〜４１等を並列接続した二次電池と、各二次電池ユニット１１〜４１に対応する異常検出部１２〜４２と、キャパシタ遮断器３と、信号処理ボード４等を備えている。また、各二次電池ユニット１１〜４１は一端が接地され、他端が共通のキャパシタ遮断器３を介して図示しないインバータ等の変換器が接続され、二次電池の出力を直流から交流に変換するようになっている。

このようなキャパシタ盤１に収容された二次電池には、瞬低対策装置２からキャパシタ遮断器３のオンオフ指令が与えられ、この指令に応じてそれぞれ二次電池ユニット１１〜４１に必要な電気エネルギーが蓄積され、あるいはキャパシタ盤１から負荷電圧が出力される。また、キャパシタ盤１では瞬低対策装置２に対してキャパシタ遮断器３の状態を示すアンサ信号が出力される。このとき、各異常検出部１２〜４２では各二次電池ユニット１１〜４１のセル電圧を監視し、それらが低電圧や過電圧になった場合にキャパシタ異常信号のようなアラームを信号処理ボード４に送る。信号処理ボード４は、いずれかの異常検出部１２〜４２からアラームがあると、瞬低対策装置２に対してキャパシタ盤異常信号を出力してキャパシタ遮断器３をオフにして、二次電池の充放電動作を一括して停止するように構成されている。

従来の瞬低対策装置では、電力貯蔵装置の蓄電素子としてたとえば鉛蓄電素子が使用され、それらの容量を補うために複数の鉛蓄電素子が直並列に接続されていたが、鉛蓄電素子では直並列に接続された蓄電素子間で電圧バランスが崩れることは殆ど生じなかった。そのため、図４に示すように、直並列された蓄電素子をキャパシタ遮断器３によって一括で遮断していた。

特開平１１−５５８５９号公報（段落番号〔０００６〕〜〔０００８〕および図１，２）

ところが近年になって、従来の鉛蓄電池やニッケル・カドミウム電池に替わる、新たな蓄電素子として、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタおよびリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタ型の蓄電素子が開発された。これらは従来の蓄電素子と比較して、エネルギー密度、寿命、出力等においてより優れていることから、たとえば携帯用電気機器等の用途に応じた蓄電素子として使用が進められている。

こうしたリチウムイオンキャパシタやリチウムイオン電池のような蓄電素子は、従来の鉛蓄電池と比較した場合にインピーダンスが低く、各セル電圧のバランスが崩れやすい。そこで、直並列された蓄電素子としてリチウムイオンキャパシタが使用される場合には、その充放電が繰り返されるうちに電圧バランスが崩れて、ひとつのセルだけが過電圧または過放電となり、セルの損傷を招く恐れがあった。

また、リチウムイオンキャパシタが従来の蓄電素子と同様に完全放電できず、そのインピーダンスも低いために、いずれかの異常検出部１２〜４２から故障信号が送出されればキャパシタ遮断器３をオフにして、一括してその充放電を停止する必要があった。そのため、従来の瞬低対策装置では、蓄電素子としてリチウムイオンキャパシタを用いた場合に、そのエネルギー密度、寿命、出力等に優れた性能を有効に生かしつつ、無停電電源システムのメンテナンス性や信頼性を高めることができないという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、故障解列を可能とし、システムとしての信頼性を向上させた瞬低対策装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記問題を解決するために、キャパシタ型蓄電素子により構成された二次電池ユニットが複数並列に接続されたキャパシタ盤を有し、前記二次電池ユニットを負荷と接続制御して瞬時電圧低下時の負荷電圧を補償する瞬低対策装置が提供される。この瞬低対策装置は、前記二次電池ユニット毎に前記負荷との間に設けられる遮断器と、前記二次電池ユニットの故障をそれぞれ検出して異常信号を出力する異常検出部と、前記異常検出部で故障が検出された前記二次電池ユニットを、それに対応する前記遮断器を個別に解列して前記負荷から切り離すように制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、故障解列された二次電池ユニットを活線の状態で、交換・修復することができ、二次電池ユニットとしてリチウムイオンキャパシタを用いた瞬低対策装置において、キャパシタの寿命が長いという特徴を生かして、システムのメンテナンス性、および信頼性を向上させることができる。

本発明の瞬低対策装置によって構成される無停電電源システムを示すブロック図である。図１の信号処理ボードの一構成例を示す図である。本発明の瞬低対策装置に係る冗長制御処理の手順を示すフローチャートである。従来のキャパシタ蓄電装置を用いて構成される無停電電源システムを示すブロック図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の瞬低対策装置によって構成される無停電電源システムを示すブロック図である。
この無停電電源システムでは、キャパシタ蓄電装置を構成する複数のキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎ（Ｎは２以上の整数）と信号処理ボード５がキャパシタ盤１に設けられている。キャパシタ盤１は、瞬低対策装置２により負荷と接続制御されてメイン電源の瞬時電圧低下時に負荷の電圧を補償している。

キャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎでは、二次電池ユニット１１〜４１がリチウムイオンキャパシタにより構成されている。そして、各二次電池ユニット１１〜４１にはそれぞれ出力電圧の異常等の故障を検出し、信号処理ボード５に対して異常信号を出力する異常検出部１２〜４２を備えている。また、各二次電池ユニット１１〜４１はキャパシタ遮断器（以下、遮断器という。）１３〜４３を介して並列に接続されており、各二次電池ユニット１１〜４１が単独で解列可能に構成されている。

各二次電池ユニット１１〜４１の遮断器１３〜４３には、初期充電用の抵抗器１４〜４４を初期充電用の電磁接触器（以下、ＭＣという。）１５〜４５と直列接続した初期充電回路が並列に設けられている。そして、たとえばキャパシタユニット＃Ａには信号処理ボード５から遮断器１３のオンオフ信号、ＭＣ１５のオンオフ信号が供給され、それらのオンオフ状態を示すアンサ信号がキャパシタユニット＃Ａから信号処理ボード５に送出されている。

なお、瞬低対策装置２は信号処理ボード５を介して各キャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎのキャパシタ盤異常信号を受け取り、キャパシタ盤１は信号処理ボード５を介して各キャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎの遮断器１３〜４３およびＭＣ１５〜４５に対するオンオフ指令を瞬低対策装置２から受け取っている。

図２は、図１の信号処理ボードの一構成例を示す図である。キャパシタ盤１に設けられた信号処理ボード５では、従来の信号処理ボード４（図４参照）のものとは異なり、中央処理装置（ＣＰＵ）５１を有している。このＣＰＵ５１では、キャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎから入力されるアンサ信号を処理するとともに、瞬低対策装置２から遮断器１３〜４３およびＭＣ１５〜４５に対するオンオフ指令を受けて、二次電池ユニット１１〜４１を個別に切り離す冗長制御を行いつつ、初期充電回路の制御を行っている。その結果、本実施の形態のキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎでは、遮断器１３〜４３によって個別に並列解除（解列）された状態で、それぞれの初期充電回路により二次電池ユニット１１〜４１の初期充電制御が可能になる。したがって、その後の復旧により、容易に再び並列投入することができる。

すなわち、本実施の形態の瞬低対策装置では、リチウムイオンキャパシタを用いた瞬低対策装置２において、図１に示すように並列接続される必要があるキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎ毎に故障検出のためのキャパシタ異常信号が送出されるとともに、個別に解列するための遮断器１３〜４３を設けている。

したがって、つぎに説明する冗長制御処理を実行することで、一つのリチウムイオンキャパシタが故障した場合、当該キャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎの故障解列を可能とし、無停電電源システムとしての信頼性を向上させることができる。また、故障解列されたキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎでは、活線状態で交換修復も可能となる。

図３は、本発明の瞬低対策装置に係る冗長制御処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、信号処理ボード５のＣＰＵ５１により瞬低対策装置２が起動しているか否かを判定している。瞬低対策装置２が起動していればステップＳ２に進み、全てのキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎに対して遮断器１３〜４３のオンを指令する。

ステップＳ１で瞬低対策装置２が起動していない場合、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、信号処理ボード５にキャパシタ異常信号が入力しているか否かを判断している。ＣＰＵ５１でキャパシタ異常信号が入力していれば、ステップＳ４に進み、信号処理ボード５から対応するキャパシタユニットの遮断器だけにオフ信号が出力され、当該ユニットを切り離す。

ステップＳ３では、キャパシタ異常信号がなければステップＳ５に進む。ここでは、いずれかのキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎで遮断器１３〜４３がオフ状態であるか否かを判断している。そして、遮断器１３〜４３のいずれかがオフ状態であれば、ステップＳ６に進む。いま、遮断器１３がオフ状態であったとすれば、ステップＳ６では当該キャパシタユニット＃ＡのＭＣ１５がオンにされる。これにより、キャパシタユニット＃Ａでは二次電池ユニット１１の初期充電が開始される。

このように、初期充電用のＭＣ１５〜４５と初期充電用の抵抗器１４〜４４とを追加して設けることで、一度解列したキャパシタユニット＃Ａを復旧する際に、ステップＳ５にてそれが解列されているかを確認し、解列されていればステップＳ７にて初期充電時間を確認する。そして、当該キャパシタユニットのＭＣのオン時間が設定時間α以内であれば初期充電が継続される。このとき、初期充電用の抵抗器１４〜４４により二次電池ユニット１１〜４１への突入電流を抑制しながら電圧を合わせる。

ステップＳ７では、当該キャパシタユニット＃ＡのＭＣのオン時間が設定時間αを経過したと判断した場合に、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、時間的に復旧ユニットと正常ユニットとの電圧がほぼ同等と判断して、当該キャパシタユニット＃Ａの遮断器１３をオンし、さらにステップＳ９で初期充電回路のＭＣ１５を遮断する。これにより、当該キャパシタユニット＃Ａのメンテナンスが可能となる。

上述したように、本実施の形態の瞬低対策装置では、並列接続される必要のあるキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎ毎に遮断器１３〜４３を設けているから、故障検出されたキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎを冗長制御フローにより切り離すことができる。そして、キャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎ毎に初期充電回路としてＭＣ１５〜４５と初期充電用の抵抗器１４〜４４を追加して設けたので、一度解列したキャパシタユニット＃Ａ〜＃Ｎを復旧する際に、初期充電用のＭＣ１５〜４５により電圧を合わせて、二次電池ユニット１１〜４１の活線復旧ができる。

なお、二次電池ユニット１１〜４１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、リチウムイオンキャパシタのいずれか一種類、あるいはこれらの組み合わせによって構成することができる。

＃Ａ〜＃Ｎキャパシタユニット
１キャパシタ盤
２瞬低対策装置
５信号処理ボード
１１〜４１二次電池ユニット
１２〜４２異常検出部
１３〜４３遮断器（キャパシタ遮断器）
１４〜４４初期充電用の抵抗器
１５〜４５ＭＣ（電磁接触器）

Claims

キャパシタ型蓄電素子により構成された二次電池ユニットが複数並列に接続されたキャパシタ盤を有し、前記二次電池ユニットを負荷と接続制御して瞬時電圧低下時の負荷電圧を補償する瞬低対策装置において、
前記二次電池ユニット毎に前記負荷との間に設けられる遮断器と、
前記二次電池ユニットの故障をそれぞれ検出して異常信号を出力する異常検出部と、
前記異常検出部で故障が検出された前記二次電池ユニットを、それに対応する前記遮断器を個別に解列して前記負荷から切り離すように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする瞬低対策装置。
前記二次電池ユニットにおいて、初期充電用電磁接触器および初期充電用抵抗器を直列接続した初期充電回路が前記遮断器と並列に設けられ、
前記二次電池ユニットに対して、前記遮断器によって個別に解列された状態で前記二次電池ユニット毎に初期充電制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の瞬低対策装置。
前記制御部は、前記異常検出部からの異常信号と、前記遮断器のオンオフ状態および前記初期充電用電磁接触器のオンオフ状態に基づいて、前記二次電池ユニットを冗長制御するようにしたことを特徴とする請求項２記載の瞬低対策装置。
前記遮断器、前記異常検出部および前記制御部は、前記二次電池ユニットとともに前記キャパシタ盤に設けられていることを特徴とする請求項１記載の瞬低対策装置。
前記キャパシタ型蓄電素子は、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１記載の瞬低対策装置。