JP2017195731A - 無停電電源装置の並列運転システム - Google Patents

Abstract

【課題】無効電力の遅れ、進みを考慮した良好な分担特性が得られる無停電電源装置の並列運転システムを提供する。
【解決手段】並列接続された無停電電源装置１０，２０の出力電力の平均値と、自号機の出力電力との差を、有効電力補正量ΔＰ、無効電力補正量ΔＱとして各々算出する電力量補正部１１０と、自号機の有効電力測定値Ｐ１に前記ΔＰを加算した有効電力量Ｐの増加にともなって、設定した垂下特性で垂下する周波数を、出力周波数補正量Δｆとして出力し、自号機の無効電力測定値Ｑ１に前記無効電力補正量ΔＱを加算した無効電力量Ｑの、遅れ領域ではＱの増加にともなって降下し、進み領域ではＱの増加にともなって上昇する特性線に沿った電圧を、出力電圧補正量ΔＶとして出力する垂下特性制御部１２０とを備え、前記Δｆ，ΔＶに基づいて、自号機の無停電電源装置１０の出力電圧を制御するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無停電電源装置（ＵＰＳ）の並列運転システムにおける出力電力の分担性および安定性の向上に関する。

従来、複数の無停電電源装置を個別制御によって並列運転する無停電電源装置並列冗長システムにおいて、電力分担を改善する技術は例えば特許文献１に開示されており、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、有効電力−周波数特性、無効電力−出力電圧特性に各々垂下特性を設け、これによって電力（電流）分担を取ることが知られている。

特許第２７２２５７９号公報 特許第４４３５５０３号公報 特許第４５７２０１７号公報

出力電圧制御がなされる無停電電源装置を並列運転する場合、前記図５の特性による分担特性（応答性、電力分担特性）をさらに向上するために、各無停電電源装置間に通信機能を持たせ、通信又は同期信号を介して無停電電源装置間の出力を分担させることが行われていた（例えば特許文献２）。

しかし、通信の異常、もしくは同期信号の異常時、無停電電源装置間の共通の信号が途絶えたときに、総電力の把握ができないため出力の補正を停止するので、出力の分担が取りにくくなりシステムの安定性が低下する問題がある。

また、図５（ｂ）の無効電力−出力電圧特性は、無効電力の遅れ、進みを考慮していないため、良好な分担性能を得ることはできない。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、無効電力の遅れ、進みを考慮した良好な分担特性が得られる無停電電源装置の並列運転システムを提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の無停電電源装置の並列運転システムは、並列接続された複数号機の無停電電源装置間の通信機能によって、前記各無停電電源装置の有効電力、無効電力の電力量情報の取得を相互に可能とした無停電電源装置の並列運転システムにおいて、
前記複数号機の無停電電源装置の出力電力の平均値と、自号機の無停電電源装置の出力電力との差を、有効電力補正量ΔＰ、無効電力補正量ΔＱとして各々算出する電力量補正部と、
前記自号機の無停電電源装置の有効電力測定値Ｐ１に前記有効電力補正量ΔＰを加算して有効電力量Ｐを出力する有効電力加算部と、
前記有効電力加算部の出力Ｐの増加にともなって、設定した垂下特性で垂下する周波数を、出力周波数補正量Δｆとして出力するＰ−ｆ変換部と、
前記自号機の無停電電源装置の無効電力測定値Ｑ１に前記無効電力補正量ΔＱを加算して無効電力量Ｑを出力する無効電力加算部と、
前記無効電力加算部から出力された無効電力量Ｑの遅れ領域ではＱの増加にともなって降下し、無効電力量Ｑの進み領域ではＱの増加にともなって上昇する特性線に沿った電圧を、出力電圧補正量ΔＶとして出力するＱ−Ｖ変換部と、
前記Ｐ−ｆ変換部から出力された出力周波数補正量ΔｆおよびＱ−Ｖ変換部から出力された出力電圧補正量ΔＶに基づいて、前記自号機の無停電電源装置の出力電圧を制御する制御部と、
を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、各無停電電源装置は、無効電力量Ｑの遅れ領域ではＱの増加にともなって出力電圧を下げ、無効電力量Ｑの進み領域ではＱの増加にともなって出力電圧を上げるように制御されるので、遅れの無効電力を出力する無停電電源装置と進みの無効電力を出力する無停電電源装置の間の無効電力の偏差が低減され、複数の無停電電源装置の出力電力の分担性能が向上する。このため過渡的な不安定性も解消される。

また、請求項２に記載の無停電電源装置の並列運転システムは、請求項１において、前記有効電力加算部および無効電力加算部は、前記各無停電電源装置間の電力量情報の通信異常時に前記有効電力補正量ΔＰの加算、無効電力補正量ΔＱの加算を各々キャンセルする機能を有していることを特徴とする。

上記構成によれば、各無停電電源装置間の電力量情報の通信異常時に、誤った電力量情報に基づいて無停電電源装置が制御されることが防止される。

また、請求項３に記載の無停電電源装置の並列運転システムは、請求項２において、前記有効電力加算部の出力である有効電力量Ｐから、Ｑ_L＝Ｐ・（１−λ²）^1/2／λ（λは定格力率）を演算して−Ｑ_L〜＋Ｑ_Lの無効電力出力範囲を算出する無効電力出力範囲演算部を備え、
前記Ｑ−Ｖ変換部は、前記無停電電源装置間の電力量情報の通信異常時に、前記算出された無効電力出力範囲外の無効電力領域における前記特性線を、前記特性線よりも傾斜のきつい特性線に変更する機能を有していることを特徴とする。

上記構成によれば、前記電力量情報の通信異常時に、無効電力出力範囲外では、無効電力出力範囲内の特性線よりも傾斜のきつい特性線に変更されるため、各無停電電源装置間の無効電力の偏差がさらに低減され、複数の無停電電源装置の出力電力の分担性能がさらに向上する。

（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、並列接続された複数の無停電電源装置間の無効電力の偏差が低減され、各出力電力の分担性能が向上する。このため過渡的な不安定性も解消される。
（２）請求項２に記載の発明によれば、各無停電電源装置間の電力量情報の通信異常時に、誤った電力量情報に基づいて無停電電源装置が制御されることが防止される。
（３）請求項３に記載の発明によれば、各無停電電源装置間の電力量情報の通信異常時であっても、各無停電電源装置間の無効電力の偏差がさらに低減され、複数の無停電電源装置の出力電力の分担性能がさらに向上する。

本発明の実施例１による無停電電源装置の並列運転システムの全体構成図。 本発明の実施例１による無停電電源装置の並列運転システムの要部構成図。 本発明の実施例２による無停電電源装置の並列運転システムの要部構成図。 本発明の実施例２における無効電力出力範囲を示す説明図。 特許文献１における、有効電力−周波数特性図（図５（ａ））、無効電力−出力電圧特性図（図５（ｂ））。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は、本発明を、負荷３００に対して、複数号機の無停電電源装置、例えば２台の無停電電源装置１０、２０（ＵＰＳ１、ＵＰＳ２）が並列に接続された並列運転システムに適用した実施例の構成を示している。１０１は、無停電電源装置１０の運転を制御する制御装置であり、１０２は無停電電源装置２０の運転を制御する制御装置である。

無停電電源装置１０の１１は、制御装置１０１によってスイッチング制御される半導体スイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するインバータである。

インバータ１１の交流電力は、リアクトル１２およびコンデンサ１３からなるフィルタを通して出力される。１４は出力電流ＩＬ（Ｉ１）を検出する変流器、１５は出力電圧ＶＬ（Ｖ１）を検出する計器用変圧器である。

無停電電源装置２０も無停電電源装置１０と同様に構成されている。

各無停電電源装置１０、２０は出力電流ＩＬ（Ｉ１，Ｉ２）と出力電圧ＶＬ（Ｖ１，Ｖ２）を検出し、それらを基に有効電力（Ｐ１，Ｐ２）、無効電力（Ｑ１，Ｑ２）の電力量情報を計算する。

無効電力での計算は遅れと進みを判断し、遅れの無効電力に＋、進みの無効電力に−の符号を付加する。各無停電電源装置１０，２０は、前記各電力量情報を無停電電源装置１０，２０間で通信し、相互に取得する機能を有している。

各無停電電源装置１０，２０では、互いに他の無停電電源装置の電力量を把握し（無停電電源装置１０では無停電電源装置２０のＰ２，Ｑ２を把握し、無停電電源装置２０では無停電電源装置１０のＰ１，Ｑ１を把握し）、各制御装置１０１，１０２において、総電力Ｐ_ALL（＝Ｐ１＋Ｐ２）、Ｑ_ALL（＝Ｑ１＋Ｑ２）を計算し、それら総電力量から平均電力（Ｐ_ALL÷台数２＝Ｐ_ALL／２、Ｑ_ALL÷台数２＝Ｑ_ALL／２）を計算する。

そして制御装置１０１の電力補正部１１０は、前記有効電力の平均値と自号機の有効電力Ｐ１との差を有効電力補正量ΔＰ（＝（Ｐ_ALL／２）−Ｐ１）として算出し、前記無効電力の平均値と自号機の無効電力Ｑ１との差を無効電力補正量ΔＱ（＝（Ｑ_ALL／２）−Ｑ１）として算出する。

１２０は、前記有効電力補正量ΔＰ、無効電力補正量ΔＱを入力とし、出力周波数補正量Δｆ、出力電圧補正量ΔＶを生成して各々出力する垂下特性制御部である。

この垂下特性制御部１２０は例えば図２の垂下特性制御部１２１のように構成される。図２において、２０１は、自号機の無停電電源装置１０の有効電力Ｐ１と、スイッチ２０２（Ｓ１）を介して入力される有効電力補正量（ΔＰ）とを加算して有効電力量Ｐを出力する有効電力加算部である。

スイッチ２０２は前記電力量情報の通信の正常／異常を判断する図示省略の判定部の判定出力に応じて切換えられ、通信が正常のときは前記有効電力補正量ΔＰ側の入力接点（図示上側接点）に接続され、通信異常のときはゼロ入力接点（図示下側接点）に接続される。

２０３は、自号機の無停電電源装置１０の無効電力Ｑ１と、スイッチ２０４（Ｓ２）を介して入力される無効電力補正量（ΔＱ）とを加算して無効電力量Ｑを出力する無効電力加算部である。

スイッチ２０４は前記電力量情報の通信の正常／異常を判断する図示省略の判定部の判定出力に応じて切換えられ、通信が正常のときは前記無効電力補正量ΔＱ側の入力接点（図示下側接点）に接続され、通信異常のときはゼロ入力接点（図示上側接点）に接続される。

２０５は、有効電力加算部２０１から出力された有効電力量Ｐの増加にともなって、設定した垂下特性（図２の上側破線内のＰ−ｆ特性線で示される垂下特性で垂下する周波数を出力周波数補正量Δｆとして出力するＰ−ｆ変換部である。

２０６は、無効電力加算部２０３から出力された無効電力量Ｑの遅れ領域（図２の下側破線内の特性図における中央から右側の領域）ではＱの増加にともなって降下し、無効電力量Ｑの進み領域（図２の下側破線内の特性図における中央から左側の領域）ではＱの増加にともなって上昇する特性線（Ｑ−Ｖ特性線）に沿った電圧を、出力電圧補正量ΔＶとして出力するＱ−Ｖ変換部である。

垂下特性制御部１２１で生成され出力された出力周波数補正量Δｆおよび出力電圧補正量ΔＶを指令値として無停電電源装置１０のインバータ１１が制御されるものである。

すなわち、出力周波数補正量Δｆは、図１の加算部１４０において、ＰＬＬ制御部１３０で生成された基準周波数ｆ０と加算されてＰＷＭ制御部１６０におけるキャリア信号の周波数指令（ｆ）とされる。

また、出力電圧補正量ΔＶは出力電圧制御部１５０に入力されて出力電圧指令が生成される。

ＰＷＭ制御部１６０では、出力電圧制御部１５０からの出力電圧指令と加算部１４０からのキャリア信号の周波数指令（ｆ）に基づいて、無停電電源装置１０のインバータ１１に対するＰＷＭ制御信号を生成する。

制御装置１０２も制御装置１０１と同様に構成されている。

上記のように構成された無停電電源装置の並列運転システムにおいて、電圧の高い電源、例えば無停電電源装置１０は、電圧の低い無停電電源装置２０に電流を流すため、電圧の高い無停電電源装置１０は遅れの無効電力を供給し、電圧の低い無停電電源装置２０は進みの無効電力を生成する。

本実施例では、図２に示すＱ−Ｖ変換部２０６のＱ−Ｖ特性線を、無効電力量Ｑの遅れ領域ではＱの増加にともなって降下し、無効電力量Ｑの進み領域ではＱの増加にともなって上昇する特性線としているので、遅れの無効電力発生側（電圧の高い無停電電源装置１０）は電圧を下げ、進みの無効電力発生側（電圧の低い無停電電源装置２０）は電圧を上げる出力電圧補正量ΔＶを出力することができる。

このため、無停電電源装置１０、２０の出力電力は平衡に近づき、分担性能が向上する。これによって過渡的な不安定性も解消される。

前記Ｐ−ｆ変換部２０５のＰ−ｆ特性線およびＱ−Ｖ変換部２０６のＱ−Ｖ特性線の各垂下特性の傾きにより出力電力の分担をとる場合、垂下特性の傾きが大であれば過渡応答は良好であるが制御が不安定となり、逆に垂下特性の傾きが小であれば過渡応答は悪いが安定した制御となるという関係がある。

本実施例では、各無停電電源装置１０，２０間で電力量情報の通信を行い、平均電力と自号機の電力との偏差である有効電力補正量ΔＰ、無効電力補正量ΔＱを求め、各無停電電源装置１０，２０で垂下特性制御部１２１の垂下特性（Ｐ−ｆ特性線、Ｑ−Ｖ特性線）によって前記ΔＰ、ΔＱを補正調整することで、過渡的な不安定性を解消しつつ出力電力の分担性能を向上させている。

前記実施例１において、電力量情報の通信異常時は、有効電力Ｐ１（Ｐ２）、無効電力Ｑ１（Ｑ２）に各々加算するΔＰ、ΔＱをスイッチ２０２、２０４によってともにゼロとしているので、このとき垂下特性の調整部分が無くなり分担性能が悪くなる。これを解消するため本実施例２では、通信異常時にＱ−Ｖ変換部のＱ−Ｖ特性線（垂下特性）の傾斜を変更するように構成した。

本実施例２は、図１の無停電電源装置の並列運転システムにおいて、垂下特性制御部１２０として、図２の垂下特性制御部１２１の代わりに図３に示す垂下特性制御部１２２を採用したものであり、その他の部分は図１と同様に構成されている。

図３において図２と異なる点は、垂下特性制御部１２２内に、有効電力加算部２０１の有効電力量ＰからＱ_L＝Ｐ・（１−λ²）^1/2／λ（λは定格力率）を演算して−Ｑ_L〜＋Ｑ_Lの無効電力出力範囲を算出する無効電力出力範囲演算部２０７を新たに設け、図２のＱ−Ｖ変換部２０６の代わりに、無停電電源装置間の電力情報の通信異常時に、無効電力出力範囲演算部２０７で算出された無効電力出力範囲外の領域におけるＱ−Ｖ特性線を、図２のＱ−Ｖ特性線よりも傾斜のきつい特性線に変更する機能を有したＱ−Ｖ変換部２１６を設けた点であり、その他の部分は図２と同様に構成されている。

Ｑ−Ｖ変換部２１６は、前記電力情報の通信の正常／異常を判断する図示省略の判定部の判定出力（ＯＮ／ＯＦＦ信号）に応じて特性線が切り換えられるものであり、前記通信が正常であるときのＯＦＦ信号が入力された場合は、図示破線に示すように全領域で一定の傾斜を持つ特性線となり、前記通信が異常であるときのＯＮ信号が入力された場合は、図示実線に示すように±Ｑ_L以上の領域で傾斜がきつくなる特性線に変更される。

尚、前記無効電力出力範囲演算部２０７の演算式Ｑ_L＝Ｐ・（１−λ²）^1/2／λの定格力率λ（定格の負荷力率）は、例えば０．７〜１．０である。

また、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ、皮相電力Ｓ、力率λには次の関係がある。

Ｐ²＋Ｑ²＝Ｓ²、λ＝Ｐ／Ｓ
これらの数式からＳを消去すれば、無効電力出力範囲演算部２０７が演算する演算式は、
Ｑ_L＝Ｓ・（１−λ²）^1/2 又は
Ｑ_L＝Ｐ・（１−λ²）^1/2／λ
となる。前記無効電力出力範囲演算部２０７で演算された―Ｑ_L〜＋Ｑ_Lの無効電力出力範囲と有効電力Ｐ、有効電力測定値Ｐ１、無効電力Ｑの関係は図４に示すとおりである。

上記構成において、電力量情報の通信異常時はスイッチ２０２、２０４は各々ゼロ入力接点に接続され、有効電力補正量ΔＰ、無効電力補正量ΔＱの加算はキャンセルされるが、これとともに、Ｑ−Ｖ変換部２１６の特性線が、破線の特性線から、実線で示す±Ｑ_L以上の領域で傾斜がきつくなる特性線に切り換えられる。

このため、遅れの無効電力発生側（例えば電圧の高い無停電電源装置１０）はより電圧を下げ、進みの無効電力発生側（電圧の低い無停電電源装置２０）はより電圧を上げる出力電圧補正量ΔＶを出力することができる。

これによって、無停電電源装置１０、２０の出力電力は平衡に近づき、分担性能が向上し、これにともなって過渡的な不安定性も解消される。

また、無停電電源装置１０、２０の制御部１０１、１０２におけるＱ−Ｖ変換部２１６のＱ−Ｖ特性線にバラツキがあったとしても（Ｑの大きさに誤差があったとしても）、傾斜の小さい範囲（―Ｑ_L〜＋Ｑ_L）でのバラツキよりも傾斜が大きい範囲（±Ｑ_L以上）でのバラツキの方が誤差が小さくなるため、出力電力分担程度が改善される。

尚、他の実施例として、図２、図３におけるスイッチ２０２、２０４を削除し、電力量情報の通信の正常／異常にかかわらず、有効電力補正量ΔＰ、無効電力補正量ΔＱを有効電力測定値Ｐ１、無効電力測定値Ｑ１に各々加算した有効電力Ｐ、無効電力Ｑを、Ｐ−ｆ変換部２０５、Ｑ−Ｖ変換部２０６、２１６に各々入力するように構成しても良い。

１０，２０…無停電電源装置
１１…インバータ
１２…リアクトル
１３…コンデンサ
１４…変流器
１５…計器用変圧器
１０１，１０２…制御装置
１１０…電力量補正部
１２０，１２１，１２２…垂下特性制御部
１３０…ＰＬＬ制御部
１４０…加算部
１５０…出力電圧制御部
１６０…ＰＷＭ制御部
２０１…有効電力加算部
２０２，２０４…スイッチ
２０３…無効電力加算部
２０５…Ｐ−ｆ変換部
２０６，２１６…Ｑ−Ｖ変換部
３００…負荷

Claims (3)

1. 並列接続された複数号機の無停電電源装置間の通信機能によって、前記各無停電電源装置の有効電力、無効電力の電力量情報の取得を相互に可能とした無停電電源装置の並列運転システムにおいて、
   前記複数号機の無停電電源装置の出力電力の平均値と、自号機の無停電電源装置の出力電力との差を、有効電力補正量ΔＰ、無効電力補正量ΔＱとして各々算出する電力量補正部と、
   前記自号機の無停電電源装置の有効電力測定値Ｐ１に前記有効電力補正量ΔＰを加算して有効電力量Ｐを出力する有効電力加算部と、
   前記有効電力加算部の出力Ｐの増加にともなって、設定した垂下特性で垂下する周波数を、出力周波数補正量Δｆとして出力するＰ−ｆ変換部と、
   前記自号機の無停電電源装置の無効電力測定値Ｑ１に前記無効電力補正量ΔＱを加算して無効電力量Ｑを出力する無効電力加算部と、
   前記無効電力加算部から出力された無効電力量Ｑの遅れ領域ではＱの増加にともなって降下し、無効電力量Ｑの進み領域ではＱの増加にともなって上昇する特性線に沿った電圧を、出力電圧補正量ΔＶとして出力するＱ−Ｖ変換部と、
   前記Ｐ−ｆ変換部から出力された出力周波数補正量ΔｆおよびＱ−Ｖ変換部から出力された出力電圧補正量ΔＶに基づいて、前記自号機の無停電電源装置の出力電圧を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする無停電電源装置の並列運転システム。
2. 前記有効電力加算部および無効電力加算部は、前記各無停電電源装置間の電力量情報の通信異常時に前記有効電力補正量ΔＰの加算、無効電力補正量ΔＱの加算を各々キャンセルする機能を有していることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置の並列運転システム。
3. 前記有効電力加算部の出力である有効電力量Ｐから、Ｑ_L＝Ｐ・（１−λ²）^1/2／λ（λは定格力率）を演算して−Ｑ_L〜＋Ｑ_Lの無効電力出力範囲を算出する無効電力出力範囲演算部を備え、
   前記Ｑ−Ｖ変換部は、前記無停電電源装置間の電力量情報の通信異常時に、前記算出された無効電力出力範囲外の無効電力領域における前記特性線を、前記特性線よりも傾斜のきつい特性線に変更する機能を有していることを特徴とする請求項２に記載の無停電電源装置の並列運転システム。

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