JP2016158320A

JP2016158320A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2016158320A
Application number: JP2015032643A
Authority: JP
Inventors: 久詩幸林; Hisashi Kobayashi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2035-02-23
Also published as: JP6492745B2

Abstract

【課題】異常が発生した主回路ユニットを速やかに自己解列して負荷への悪影響を防止し、信頼性を向上させた無停電電源装置を提供する。
【解決手段】並列接続された主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎから負荷３０に給電する第１の給電経路と、交流電源１０からバイパス給電する第２の給電経路とを備え、例えば、主回路ユニット２１_１は整流器２１_ａ１とインバータ２１_ｂ１とを備え、整流器２１_ａ１の出力により蓄電池２３を充電可能な無停電電源装置において、第１，第２の給電経路の切替及び主回路ユニット２１_１の制御を行うメインコントローラ２２と、メインコントローラ２２からの駆動信号を受信してインバータ２１_ｂ１を駆動すると共に、自己ユニット２１_１の異常を検出して第１の給電経路から自己解列する機能を有するローカルコントローラ２１_ｃ１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の主回路ユニットが互いに並列に接続され、異常が発生した主回路ユニットが負荷への給電経路から自己解列して他の正常な主回路ユニットにより負荷への継続的な給電を可能とした、いわゆる並列冗長方式の無停電電源装置に関するものである。

無停電電源装置を安価な並列冗長システムにより実現する従来技術として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。
図４は、この従来技術を示すブロック図であり、１０は系統の交流電源、６０_１，６０_２，……，６０_ｎは互いに並列接続された主回路ユニット、３０は負荷、４０は制御電源、５０は共通駆動制御部である。

主回路ユニット６０_１，６０_２，……，６０_ｎは、それぞれ電力変換器６１_１，６１_２，……，６１_ｎ及び異常検出処理部６２_１，６２_２，……，６２_ｎを備え、電力変換器６１_１，６１_２，……，６１_ｎは、図示されていないが、交流電源１０の交流電力を直流電力に変換するコンバータ、直流電力を交流電力に変換して負荷３０に供給するインバータ、蓄電池等を備えている。

異常検出処理部６２_１，６２_２，……，６２_ｎは、それぞれ対応する電力変換器６１_１，６１_２，……，６１_ｎの異常を検出したときに、異常表示や共通駆動制御部５０への異常情報の送信等を行う機能を有する。また、共通駆動制御部５０は、電力変換器６１_１，６１_２，……，６１_ｎを駆動制御すると共に、異常検出処理部６２_１，６２_２，……，６２_ｎから送られた異常情報に基づいて所定の電力変換器６１_１，６１_２，……，６１_ｎを給電経路から解列し、当該電力変換器を保護する動作を行う。

特許第５３８６９１９号公報（段落［００１４］〜［００１８］、図１等）

図４における異常検出処理部６２_１，６２_２，……，６２_ｎは、対応する電力変換器６１_１，６１_２，……，６１_ｎの異常検出機能、異常情報の送信機能を備えているが、異常情報を受信した共通駆動制御部５０が解列を決定して実際に電力変換器の解列処理を完了するまでは、異常検出処理部６２_１，６２_２，……，６２_ｎが自らの処理によって自己の電力変換器を解列することができない。
しかし、電力変換器に異常が発生して共通駆動制御部５０による解列処理が完了するまでにある程度の時間を要する場合には、電力変換器の出力電圧波形の異常等によって負荷３０に悪影響を及ぼすおそれがあった。

そこで、本発明の解決課題は、異常が発生した主回路ユニットを速やかに自己解列することにより、負荷への悪影響を防止し、信頼性を向上させた並列冗長方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に係る発明は、交流電源と負荷との間に、複数の主回路ユニットが互いに並列接続され、これら複数の主回路ユニットのうち所定数の主回路ユニットにより前記負荷に交流電力を供給する第１の給電経路と、前記交流電源の交流電力を前記負荷に供給する第２の給電経路と、を備え、前記第１の給電経路と前記第２の給電経路とを切り替えて前記負荷に給電する無停電電源装置であって、
前記主回路ユニットが、前記交流電源に接続される整流器と、前記整流器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、を備え、かつ、前記整流器から出力される直流電力により蓄電手段を充電可能に構成された無停電電源装置において、
前記第１の給電経路と前記第２の給電経路との切替制御及び前記主回路ユニットの制御を行うメインコントローラと、
前記複数の主回路ユニットにそれぞれ設けられ、前記メインコントローラからの駆動信号に基づいて自己ユニット内の前記インバータを駆動すると共に、自己ユニットの異常を検出して自己ユニットを前記第１の給電経路から解列する機能を有するローカルコントローラと、を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した無停電電源装置において、前記ローカルコントローラは、自己ユニットの異常を検出したときに前記メインコントローラに異常情報を送信し、前記メインコントローラは、当該自己ユニットを除いた他の主回路ユニットにより所定の出力が得られるように前記他の主回路ユニットのローカルコントローラに与える駆動信号をそれぞれ生成するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した無停電電源装置において、前記第２の給電経路により前記負荷に常時給電するものである。

本発明によれば、主回路ユニットにローカルコントローラによる自己解列機能を持たせることで、主回路ユニットの異常発生から解列完了までの時間を短縮し、出力電圧波形への影響を最小限にとどめて給電の信頼性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。図１におけるメインコントローラ及びローカルコントローラの信号相関図である。図２におけるローカルコントローラの機能ブロック図である。従来技術を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る無停電電源装置２０の構成図である。この無停電電源装置２０は、交流電源（商用電源）１０と負荷３０との間に接続されており、互いに並列接続されたｎ（ｎは複数）台の主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎと、これらの主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎと接地との間に接続された蓄電池２３と、後述するメインコントローラ２２と、交流電源１０と負荷３０との間に接続された主スイッチＳＷ_０と、によって構成されている。

主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎの構成は何れも同一であり、交流電源１０にスイッチＳＷ_１１，ＳＷ_１２，…，ＳＷ_１ｎを介して接続された整流器２１_ａ１，２１_ａ２，…，２１_ａｎと、その出力側に接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子からなるインバータ２１_ｂ１，２１_ｂ２，…，２１_ｂｎと、これらの出力側と負荷３０との間に接続されたスイッチＳＷ_２１，ＳＷ_２２，…，ＳＷ_２ｎと、整流器２１_ａ１，２１_ａ２，…，２１_ａｎの出力側と蓄電池２３との間に接続されたスイッチＳＷ_３１，ＳＷ_３２，…，ＳＷ_３ｎと、主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎ内にそれぞれ設けられて前記メインコントローラ２２に接続されたローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎと、を備えている。

上記のように構成された無停電電源装置２０は、例えば常時インバータ給電方式のシステムであり、交流電源１０の電圧変動が多い地域や、電圧変動の許容量が小さい負荷３０に対して、主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎのインバータ２１_ｂ１，２１_ｂ２，…，２１_ｂｎから常時給電するシステムである。
すなわち、通常時は、主スイッチＳＷ_０をオフにした状態で、負荷３０の容量に応じて所定の主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎを運転することにより、整流器２１_ａ１，２１_ａ２，…，２１_ａｎの出力または蓄電池２３の直流電力を交流電力に変換して負荷３０に供給する。また、一部の主回路ユニットに異常がある場合には、当該ユニットを解列して他の主回路ユニットから負荷３０に給電する。
更に、負荷３０の増大により主回路ユニットにとって過負荷となった場合等には、主スイッチＳＷ_０をオンし、交流電源１０からバイパス線路を介して負荷３０に給電する。

なお、この実施形態において、互いに並列接続された複数の主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎにより負荷３０に給電する経路を第１の給電経路といい、交流電源１０から主スイッチＳＷ_０を介して負荷３０にバイパス給電する経路を第２の給電経路と称するものとする。

図２は、図１におけるメインコントローラ２２及びローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎの信号相関図であり、図３はローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃの機能ブロック図である。
以下、図２，図３を参照しつつ、各コントローラ２２，２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃの機能を説明する。

メインコントローラ２２は、インバータ２１_ｂ１，２１_ｂ２，…，２１_ｂｎの出力電圧指令に基づくＰＷＭ（Pulse Width Modulation）演算によりゲートパルス信号を生成し、専用のＤＯ（Digital Output）信号としてローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎに送出する。また、メインコントローラ２２は、ローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎに対してＣＡＮ（Controller Area Network）通信等のマルチキャスト通信により、前述したスイッチＳＷ_１１，ＳＷ_２１，ＳＷ_３１，…，ＳＷ_１ｎ，ＳＷ_２ｎ，ＳＷ_３ｎをオン・オフするタイミングを制御すると共に、主スイッチＳＷ_０のオン・オフを制御している。
更に、メインコントローラ２２は、ローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎから送信された異常検出信号により異常が発生した主回路ユニットを認識し、装置の出力を所定値に維持するために、他の正常な主回路ユニットに対する所定の制御等を実行可能である。

ローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎは、図３に示すように、自己異常検出手段２１３からの異常検出信号が存在しない場合には、論理ゲート２１１，２１２を介して、マルチキャスト通信信号及びゲートパルス信号を有効とする。
ここで、上記の自己異常検出手段２１３は、インバータ２１_ｂ１，２１_ｂ２，…，２１_ｂｎを含む主回路ユニット２１_１，２１_２，…，２１_ｎの異常（過電圧、過電流、過熱、誤動作、誤不動作等）を検出した場合に異常検出信号を生成し、論理ゲート２１１，２１２に出力すると共に、専用のＤＯ信号としてメインコントローラ２２に送出するように構成されている。

ローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎでは、マルチキャスト通信信号によりスイッチＳＷ_１１，ＳＷ_２１，ＳＷ_３１，…，ＳＷ_１ｎ，ＳＷ_２ｎ，ＳＷ_３ｎのオン・オフを制御する。例えば、ローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎは、スイッチＳＷ_１１，ＳＷ_３１，ＳＷ_１２，ＳＷ_３２，…，ＳＷ_１ｎ，ＳＷ_３ｎをオンさせて蓄電池２３を充電させ、また、スイッチＳＷ_１１，ＳＷ_１２，…，ＳＷ_１ｎまたはＳＷ_３１，ＳＷ_３２，…，ＳＷ_３ｎ、及び、スイッチＳＷ_２１，ＳＷ_２２，…，ＳＷ_２ｎをオンさせた状態で、インバータ２１_ｂ１，２１_ｂ２，…，２１_ｂｎの出力を負荷３０に供給する。

更に、ローカルコントローラ２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎは、メインコントローラ２２から論理ゲート２１２を介して受信したゲートパルス信号により、インバータ２１_ｂ１，２１_ｂ２，…，２１_ｂｎの半導体スイッチング素子をそれぞれスイッチングして所定の電圧を出力させる。

前述したように、例えば主回路ユニット２１_１の異常を検出したローカルコントローラ２１ｃ_１は、自己異常検出手段２１３が生成した主回路ユニット２１_１（自己ユニット）の異常検出信号が入力される論理ゲート２１１，２１２により、メインコントローラ２２からのマルチキャスト通信信号及びゲートパルス信号を無効にする。このため、スイッチＳＷ_１１，ＳＷ_２１，ＳＷ_３１を全てオフすると共にインバータ２１ｂ_１を全ゲートオフし、自己ユニット２１_１を第１の給電経路から解列することができる。

また、主回路ユニット２１_１のローカルコントローラ２１ｃ_１から異常検出信号を受信したメインコントローラ２２は、正常に動作している主回路ユニットの台数を瞬時に変更し、主回路ユニット２１_１の異常発生前後で装置の出力に変化が生じないように、他の主回路ユニットのインバータを制御するための電流指令等のゲインを速やかに切り替えて、これらの主回路ユニットに対する駆動信号を生成する。
更に、主回路ユニット２１_１の自己解列により、他の正常な主回路ユニットが過負荷状態になったときは、通常の過負荷時における動作と同様に、メインコントローラ２２は、主回路ユニットによる第１の給電経路を用いたインバータ給電を停止し、主スイッチＳＷ_０をオンさせて交流電源１０からのバイパス給電（第２の給電経路による給電）に切り換えるような制御を実行する。

本発明は、並列冗長方式の無停電電源装置であれば、実施形態にて説明した常時インバータ給電方式だけでなく、常時商用電源給電方式の無停電電源装置としても利用することができる。

１０：交流電源
２０：無停電電源装置
２１_１，２１_２，…，２１_ｎ：主回路ユニット
２１_ａ１，２１_ａ２，…，２１_ａｎ：整流器
２１_ｂ１，２１_ｂ２，…，２１_ｂｎ：インバータ
２１_ｃ１，２１_ｃ２，…，２１_ｃｎ：ローカルコントローラ
２２：メインコントローラ
２３：蓄電池
３０：負荷
２１１，２１２：論理ゲート
２１３：自己異常検出手段
ＳＷ_０：主スイッチ
ＳＷ_１１，ＳＷ_２１，ＳＷ_３１，…，ＳＷ_１ｎ，ＳＷ_２ｎ，ＳＷ_３ｎ：スイッチ

Claims

交流電源と負荷との間に、複数の主回路ユニットが互いに並列接続され、これら複数の主回路ユニットのうち所定数の主回路ユニットにより前記負荷に交流電力を供給する第１の給電経路と、前記交流電源の交流電力を前記負荷に供給する第２の給電経路と、を備え、前記第１の給電経路と前記第２の給電経路とを切り替えて前記負荷に給電する無停電電源装置であって、
前記主回路ユニットが、前記交流電源に接続される整流器と、前記整流器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、を備え、かつ、前記整流器から出力される直流電力により蓄電手段を充電可能に構成された無停電電源装置において、
前記第１の給電経路と前記第２の給電経路との切替制御及び前記主回路ユニットの制御を行うメインコントローラと、
前記複数の主回路ユニットにそれぞれ設けられ、前記メインコントローラからの駆動信号に基づいて自己ユニット内の前記インバータを駆動すると共に、自己ユニットの異常を検出して自己ユニットを前記第１の給電経路から解列する機能を有するローカルコントローラと、
を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
請求項１に記載した無停電電源装置において、
前記ローカルコントローラは、自己ユニットの異常を検出したときに前記メインコントローラに異常情報を送信し、前記メインコントローラは、当該自己ユニットを除いた他の主回路ユニットにより所定の出力が得られるように前記他の主回路ユニットのローカルコントローラに与える駆動信号をそれぞれ生成することを特徴とする無停電電源装置。
請求項１または２に記載した無停電電源装置において、
前記第２の給電経路により前記負荷に常時給電することを特徴とする無停電電源装置。