JP2021010212A - 無停電電源システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統の異常時における補償動作の応答性を良くする。【解決手段】電力系統１０の正常時に電力系統１０から負荷３０に給電し、電力系統１０の異常時に電力系統１０から負荷３０への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部４から負荷３０に給電する常時商用給電方式の無停電電源システム１００であって、電力系統１０から負荷３０への給電を遮断する遮断器２と、遮断器２よりも負荷側に接続され、エネルギー貯蔵部４のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器６と、電力変換器６を制御する電力変換器制御部７４とを備え、電力変換器制御部７４は、電力系統１０の異常時において、遮断器２の遮断完了前に電力変換器６を起動する。【選択図】図１

Description

本発明は、常時商用給電方式の無停電電源システム及びその制御方法に関するものである。

常時商用給電方式の無停電電源システムは、特許文献１、２に示すように、電力系統から負荷への給電を遮断する遮断器と、遮断器よりも負荷側に接続され、エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器とを備えている。

この無停電電源システムは、電力系統の正常時には、遮断器を介して当該電力系統から負荷に給電し、電力変換器は停止されている。一方、電力系統の異常時には、遮断器を開放して電力系統から負荷への給電を遮断すると同時に電力変換器を起動して、エネルギー貯蔵部から負荷に給電する。

しかしながら、常時商用給電方式の無停電電源システムでは、停電などの異常発生から電力変換器が起動して補償動作が完了するまでの間（以下、補償時間ともいう。）、系統電圧の異常の影響を受けてしまう。

ここで、従来の無停電電源システムの異常発生からの動作及び電圧変動過渡特性を図６に示す。従来の無停電電源システムでは、遮断器の遮断が完了してから電力変換器を起動して補償動作を開始しており、補償開始直後は回路中のインピーダンス（連系リアクトルやフィルタなど）の影響で電力変換器から負荷へ流れる電流が制限されてしまう。その結果、補償開始直後の補償動作の応答性が悪くなってしまう。

特開平４−１１７１４４号公報 特許第５８６８７４３号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、電力系統の異常時における補償動作の応答性を良くすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る無停電電源システムは、電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムであって、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続され、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、前記電力変換器を制御する電力変換器制御部とを備え、前記電力変換器制御部は、前記電力系統の異常時において、前記遮断器の遮断完了前に前記電力変換器を起動することを特徴とする。

また、本発明に係る無低電源システムの制御方法は、電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムの制御方法であって、前記無停電電源システムは、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続され、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器とを備えたものであり、前記電力系統の異常時において、前記遮断器の遮断完了前に前記電力変換器を起動することを特徴とする。

このような本発明であれば、電力系統の異常時において、遮断器の遮断完了前に電力変換器を起動しているので、遮断完了前に負荷に対して電流が流れることになり、遮断完了後に負荷に素早く電流が流れて、補償動作の応答性を良くすることができる。その結果、電力系統の異常時における補償動作を高速化することができる。

遮断完了前に電力変換器を起動させると、電力系統の事故点へ過電流が流れる恐れがある。この過電流によって遮断完了後の補償動作が不安定になったり、最悪の場合には電力変換器や負荷などが故障、停止したりする恐れがある。
この問題を解消するためには、前記電力変換器制御部は、前記電力系統の電圧低下幅に応じて、前記電力変換器の起動タイミングを調整することが望ましい。この構成であれば、過電流を防ぎつつ、適切に補償時間を短縮することができる。

具体的な実施の態様としては、無停電電源システムは、前記電力系統の電圧低下幅と前記電力変換器の起動タイミングとの関係を示す関係データを格納する関係データ格納部をさらに備え、前記電力変換器制御部は、前記関係データを用いて前記電力変換器の起動タイミングを調整することが望ましい。

このように構成した本発明によれば、電力系統の異常時において、遮断器の遮断完了前に電力変換器を起動するので、電力系統の異常時における補償動作を高速化することができる。

本実施形態の無停電電源システムの構成を示す模式図である。 同実施形態の無停電電源システムの動作状態を示す模式図である。 同実施形態の動作手順を示す図である。 電圧低下幅と電力変換器起動タイミングとの関係を示すグラフである。 同実施形態の電圧変動過渡特性を示すシミュレーション結果である。 従来の無停電電源システムの異常発生からの動作及び電圧変動過渡特性を示す図である。

以下に、本発明に係る無停電電源システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の無停電電源システム１００は、図１に示すように、電力系統１０と負荷３０との間に設けられた常時商用給電方式のものである。この無停電電源システム１００は、電力系統１０の正常時に電力系統１０から負荷３０に給電し、電力系統１０の停電や瞬低などの異常時に電力系統１０から負荷３０への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部４から負荷３０に給電する。

具体的に無停電電源システム１００は、電力系統１０から負荷３０への給電を遮断する遮断器２と、電力系統１０の系統電圧を検出する系統電圧検出部３と、エネルギー貯蔵部４と、遮断器２よりも系統側に接続され、エネルギー貯蔵部４のエネルギーを交流電力に変換する例えば電圧制御型の電力変換器６と、遮断器２及び電力変換器６を制御する制御装置７とを備えている。

遮断器２は、電力系統１０から電力に給電するための電力線Ｌ１に設けられている。この遮断器２は、例えば半導体スイッチ、又は、半導体スイッチと機械式スイッチとを組み合わせたハイブリッドスイッチなどの高速切り替えが可能な切替スイッチを用いることができる。例えば半導体スイッチを用いた場合には、遮断時間を２ｍ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断することができる。また、ハイブリッドスイッチを用いた場合には、遮断時間を２ｍ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断できるだけでなく、通電損失をゼロにすることができる。なお、この遮断器２は、制御装置７により開閉制御される。

系統電圧検出部３は、電力線Ｌ１において遮断器２よりも系統側の電圧を、計器用変圧器３１を介して検出するものである。系統電圧検出部３により得られた系統電圧（以下、検出電圧ともいう。）は制御装置７に入力されて、各部２、６の制御に用いられる。

エネルギー貯蔵部４は、例えば二次電池等の蓄電池、フライホイール、燃料電池、電気二重層キャパシタ、揚水発電方式のもの、圧縮空気貯蔵方式のもの、超電導電力貯蔵方式のもの等のエネルギー貯蔵装置である。エネルギー貯蔵装置のエネルギーは、電力変換器６により交流電力に変換されて、負荷に給電される。なお、電力変換器６は、制御装置７により制御される。

制御装置７は、系統電圧検出部３の検出電圧を用いて電力系統１０の電圧異常を検出して各部２、６を制御するものである。具体的に制御装置７は、系統電圧検出部３の検出電圧により電力系統１０の電圧異常を検出する異常検出部７１と、異常検出部７１の検出結果に基づいて遮断器２を遮断する遮断器制御部７２と、電力系統１０の異常時に電力変換器６を動作させる電力変換器制御部７４とを備えている。

以下、無停電電源システム１００の動作とともに各部７１〜７５の機能について図２及び図３を参照して説明する。

（１）電力系統１０の正常時
系統電圧検出部３は系統電圧を常時検出しており、その検出電圧を異常検出部７１に入力している。異常検出部７１は、系統電圧検出部３の検出電圧と予め定められた整定値とを比較する。なお、本実施形態の前記整定値は、瞬低を検出するための電圧値である。

電力系統１０が正常の場合には、前記検出電圧は整定値以上であり、遮断器２は閉じた状態となる。これにより、電力系統１０から負荷３０に交流電力が供給される（図２（ａ））。

なお、電力系統１０の正常時には電力変換器制御部７４は電力変換器６を起動させず、電力変換器６は停止状態である。

（２）電力系統１０の異常時
電力系統１０が異常の場合には、前記検出電圧は整定値未満となる。このとき、異常検出部７１は、系統電圧が異常であることを示す異常検出信号を遮断器制御部７２に出力する。異常検出信号が入力された遮断器制御部７２は、遮断器２を遮断するための遮断制御信号を出力して遮断器２を遮断する。これにより、電力系統１０から負荷３０への交流電力の供給が遮断される（図２（ｂ）〜（ｄ））。

異常検出部７１は、異常検出信号を電力変換器制御部７４に出力する。異常検出信号が入力された電力変換器制御部７４は、異常検出信号を取得したタイミングに基づいて電力変換器６に起動制御信号を出力して、電力変換器６を起動させる（図２（ｃ））。

そして、電力変換器制御部７４は、図３に示すように、遮断制御信号が入力された遮断器２の遮断が完了する前に電力変換器６を起動させる。具体的に電力変換器制御部７４は、異常検出部７１からの異常検出信号を取得したタイミングから所定時間経過後であって遮断完了前に、起動制御信号を電力変換器６に出力して、電力変換器６を起動させる。なお、遮断完了時間は、遮断器２の仕様等により求まり、前記所定時間は遮断完了時間よりも短く設定されている。

遮断器２の遮断が完了する前に電力変換器６を起動させると、電力系統１０の事故点へ電流が流れる（図２（ｃ））。この事故点に流れる電流が過電流とならないように、電力変換器制御部７４は、電力系統１０の電圧低下幅に応じて、電力変換器６の起動タイミングを調整することができる。電力系統１０の電圧低下幅は、系統電圧検出部３の検出電圧から算出されるものであり、正常時の系統電圧に対する割合である。正常時の電圧低下幅は０％であり、停電時の電圧低下幅は１００％である。ここで、電力変換器６の起動タイミングは、電圧低下幅が大きいほど遮断完了時に近づけることが考えられる。

本実施形態の制御装置７は、図４に示すように、電力系統１０の電圧低下幅と電力変換器６の起動タイミングとの関係を示す関係データを格納する関係データ格納部７５を備えている（図１参照）。関係データ格納部７５に格納される関係データは、表形式のデータであっても良いし、関数形式のデータであっても良い。また、関係データは、シミュレーションや実験などにより予め求められたデータである。なお、図４は遮断完了を０ｓとしたグラフであるが、関係データは遮断開始を０ｓとしたデータとすることが考えられる。図４に示すように、電圧低下幅が１００％〜７５％の間では遮断完了を０ｓとした場合の起動タイミングは−０．１６７ｍｓで同じである。また、電圧低下幅が７５％〜２５％までの間は起動タイミングは直線的に変化し、電圧低下幅が小さくなるほど起動タイミングが早くなる。電圧低下幅が５０％の場合の起動タイミングは−０．３３３ｍｓであり、電圧低下幅が２５％の場合の起動タイミングは−５００ｍｓである。

そして、電力変換器制御部７４は、異常発生時に算出した電圧低下幅と関係データとから電力変換器６の起動タイミングを設定し（図２（ｂ））、その起動タイミングで電力変換器６に起動制御信号を出力して電力変換器６を起動させる（図２（ｃ））。これにより、遮断器２の遮断完了前に負荷３０に対して電流が流れることになり、遮断完了直後から安定して補償動作が行われる（図２（ｄ））。

その後、電力系統１０が正常に復帰した場合には、そのことが異常検出部７１により検出されて、正常復帰信号が遮断器制御部７２及び電力変換器制御部７４に出力される。これにより、遮断器２が閉じられるとともに電力変換器６の停止が行われる。

このように構成した本実施形態の無停電電源システム１００によれば、遮断完了前に負荷３０に対して電流が流れることになり、遮断完了後に負荷３０に素早く電流が流れて、補償動作の応答性を良くすることができる。その結果、電力系統１０の異常時における補償動作を高速化することができる。

図５に本実施形態の無停電電源システムのシミュレーション結果を示す。この例は電圧低下幅１００％であり、電力変換器６（ここではインバータ）は、遮断完了を０ｓとした場合に−１６７μｓの時点で起動している。図５に示すように、従来例（図６のグラフ）に比べて補償時間（定格の±１０％に収まるまでの時間）が短縮されていることがわかる。

なお、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・電源システム
１０ ・・・電力系統
３０ ・・・負荷
Ｌ１ ・・・電力線
２ ・・・遮断器
３ ・・・系統電圧検出部
３１ ・・・計器用変圧器
４ ・・・エネルギー貯蔵部
６ ・・・電力変換器
７ ・・・制御装置
７１ ・・・異常検出部
７２ ・・・遮断器制御部
７４ ・・・電力変換器制御部
７５ ・・・関係データ格納部

Claims (4)

1. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムであって、
   前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、
   前記遮断器よりも前記負荷側に接続され、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を制御する電力変換器制御部とを備え、
   前記電力変換器制御部は、前記電力系統の異常時において、前記遮断器の遮断完了前に前記電力変換器を起動する、無停電電源システム。
2. 前記電力変換器制御部は、前記電力系統の電圧低下幅に応じて、前記電力変換器の起動タイミングを調整する、請求項１記載の無停電電源システム。
3. 前記電力系統の電圧低下幅と前記電力変換器の起動タイミングとの関係を示す関係データを格納する関係データ格納部をさらに備え、
   前記電力変換器制御部は、前記関係データを用いて前記電力変換器の起動タイミングを調整する、請求項２記載の無停電電源システム。
4. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムの制御方法であって、
   前記無停電電源システムは、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続され、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器とを備えたものであり、
   前記電力系統の異常時において、前記遮断器の遮断完了前に前記電力変換器を起動する、無停電電源システムの制御方法。