JP3748394B2

JP3748394B2 - Uninterruptible power system

Info

Publication number: JP3748394B2
Application number: JP2001210885A
Authority: JP
Inventors: 豊一田村; 龍也塚田; 富士男澤井; 正雄和田
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003032913A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、電気系システムにおける無停電電源装置（Uninterruptible Power System：以下、ＵＰＳという。）の設置は、電源供給システムの信頼性向上のために不可欠なものとなっている。
例えば、このＵＰＳの一つとして、商用電源と負荷とが連系用のリアクトルを介して接続される直送回路と、この直送回路と並列運転を行うインバータ部とから構成されるＵＰＳがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＵＰＳが故障した場合、インバータは停止する。このため、この場合には、直送回路のみによる負荷への電力供給、即ち、直送給電となり、負荷電圧の定電圧化（電圧補償）は行われないことになる。更に、電圧補償が行われないため、例えば負荷力率が遅れ（遅れ負荷）の場合、直送回路に挿入された連系リアクトルにより、負荷電圧は、直送電圧より降圧されることになる。
【０００４】
ところで、電圧補償を行う場合、連系リアクトルのインピーダンスが大きい程、連系時のインバータ容量は少なくて済む。一方、ＵＰＳの故障時、即ち直送給電時には、連系リアクトルのインピーダンスが小さい程、直送電圧に対する電圧降下を少なくすることができる。しかし、経済性の面から、連系リアクトルのインピーダンスを大きくし、インバータ容量を少なくするよう、装置を設計することが一般的である。
このため、ＵＰＳの故障時には、連系リアクトルに起因する電圧降下が大きくなってしまい、直送電圧の値によっては、負荷に悪影響を与えてしまうといった問題がある。
そこで、この問題の改善策の一つとして、ＵＰＳの故障時には連系リアクトルを短絡させる為のスイッチを設ける方法がある。しかし、係るスイッチには高速性（高速動作）が要求され、高価となってしまう。
【０００５】
また、負荷力率が遅れ（遅れ負荷）であり、且つ入力電圧が低下した場合、インバータは、遅れ負荷分の無効電力、及び入力電圧の低下分を補償するための無効電力、の総和を供給する必要が生じる。つまり、インバータ容量が増大してしまう。
【０００６】
また、更に、入力力率が進みになると、電力系統に対しては、進み電流による同期発電機の自己励磁現象などの悪影響が発生するという問題がある。加えて、入力力率が低下すると、入力容量が増加し、入力電源設備が増大するという問題もある。
【０００７】
本発明の課題は、ＵＰＳ故障時の、連系リアクトルによる電圧降下を防止するとともに、連系時の、遅れ負荷によるインバータ容量の増大を抑制することである。またもう１つの課題は、入力力率の低下による入力容量の増大を回避するとともに、入力力率の進みを防止することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
連系リアクトルを有する直送回路と、該直送回路と並列運転を行うインバータとを備え、前記インバータが前記連系リアクトルを用いた無効電力の出力制御を行うことによって負荷電圧を電圧補償する並列給電を行う無停電電源装置（例えば、図１の無停電電源装置１０）において、
前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電を検知する範囲超過検知手段（例えば、図１の検出器７）と、
前記範囲超過検知手段の検知に応じて、前記並列運転による並列給電から前記インバータの単独運転によるインバータ単独給電に切り換える切換手段（例えば、図１の直送ＡＣスイッチ６）と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
この請求項１記載の発明によれば、インバータの無効電力供給範囲を超える給電の検知に応じて、直送回路とインバータとの並列運転による並列給電から、インバータの単独運転によるインバータ単独給電に切り換えられる。ここで、無効電力供給範囲とは、インバータが供給する無効電力によって負荷電圧の電圧補償が可能な範囲である。この範囲はインバータ容量に深く関わり、無効電力供給範囲が大きい程、より大きなインバータ容量を要する。このため、インバータの無効電力供給範囲を超える給電が行われた場合、並列給電からインバータ単独給電に切り換えることで、連系時のインバータ容量の増大が抑制される。また、インバータが供給する無効電力が無効電力供給範囲以下に復帰した場合には、再度、インバータ単独運転から並列給電に移行することもできる。
また、インバータが供給可能な無効電力供給範囲を設けることで、連系リアクトル値を小さく設計することができ、無停電電源装置の故障時における連系リアクトルに起因する電圧降下を抑制することができる。更に、本発明の無停電電源装置は、インバータ単独給電の場合、いわゆる常時インバータ給電方式の無停電電源装置と同様の動作を行うため、並列給電及びインバータ単独給電の内の何れにおいても、負荷電圧の補償動作を行うことが可能となる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明のように、請求項１記載の無停電電源装置において、
前記直送回路の直送電圧を検出する直送電圧検出手段（例えば、図１の検出器７）を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記直送電圧検出手段により検出された直送電圧が所定電圧を超えた場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することとしてもよい。
【００１１】
この請求項２記載の発明によれば、直送回路の直送電圧が所定電圧を超えた場合に、インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知される。
【００１２】
また、請求項３記載の発明のように、請求項１または２記載の無停電電源装置において、
負荷電流を検出する負荷電流検出手段（例えば、図１の変流器８）を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記負荷電流検出手段により検出された負荷電流が所定電流を超えた場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することとしてもよい。
【００１３】
この請求項３記載の発明によれば、負荷電流が所定電圧を超えた場合に、インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知される。
【００１４】
また、請求項４記載の発明のように、請求項１〜３の何れか記載の無停電電源装置において、
当該無停電電源装置の入力力率を検出する入力力率検出手段を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記入力力率検出手段により検出された入力力率が所定力率以下となった場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することとしてもよい。
【００１５】
この請求項４記載の発明によれば、当該無停電電源装置の入力力率が所定力率以下となった場合、インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態例について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明を適用した無停電電源装置（ＵＰＳ）１０の構成例を示すブロック図である。
図１において、ＵＰＳ１０の入力は直送入力２０に、出力は負荷３０に、それぞれ接続される。この直送入力２０としては、例えば、特定需要家向けの３相ＡＣ４００Ｖ或いはＡＣ２００Ｖの商用交流電源が使用される。また、ＵＰＳ１０に接続される負荷３０は一般的に遅れ負荷であるため、以下においては、負荷３０を、遅れ負荷として扱う。
【００２０】
図１によれば、ＵＰＳ１０は、整流装置１、電力貯蔵装置２、インバータ３、インバータＡＣスイッチ４、連系リアクトル５、直送ＡＣスイッチ６、検出器７、及び変流器８より構成される。
【００２１】
整流装置１は、入力端が直送入力２０に、出力端がインバータ３に、それぞれ接続される。そして、入力される直送入力（交流電力）２０を直流電力に変換し、変換後の直流電力をインバータ３に供給する。また、整流装置１は、その出力端が電力貯蔵装置２にも接続され、この電力貯蔵装置２を一定電圧に充電する充電器としての機能も有する。
【００２２】
電力貯蔵装置２は、通常時においては、整流装置１によって、常時一定電圧を印加され、充電される。そして、例えば直送入力２０の停電時などにおいては、整流装置１の出力端の電圧レベルが一定以下となるため、貯蔵していた直流電力を放出（放電）する。
また、この電力貯蔵装置２としては、メンテナンスフリー化、長寿命化の要求から、シール鉛蓄電池が主として使用される。更に、シール鉛蓄電池の保護回路として、蓄電池温度が高くなると充電電圧を下げる維持充電回路（不図示）が用いられることが一般的である。
【００２３】
インバータ３は、入力端が整流装置１に、出力端がインバータＡＣスイッチ４の一端に、それぞれ接続される。そして、整流装置１から入力される直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を、インバータＡＣスイッチ４を介して負荷３０に供給する。
このインバータ３の主回路デバイスは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）により構成される。また、その制御方式としては、例えば瞬時値正弦波ＰＷＭ制御により実現される。
【００２４】
通常時、インバータ３は、直送回路との並列運転を行う。そして、直送電圧の変動に応じて、連系リアクトル５を利用することで、インバータ出力電流の位相を制御し、出力電圧の補償のための無効電力を出力する。
また、インバータ３は、その入力端が電力貯蔵装置２にも接続されている。そして、例えば直送入力２０の停電時などにおいて、整流装置１からの直流電力の電圧レベルが一定値以下になると、電力貯蔵装置２から放出（放電）される直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を、インバータＡＣスイッチ４を介して負荷３０に供給することになる。
【００２５】
また、直送ＡＣスイッチ６が開放され、直送回路が負荷３０から切り離された場合、インバータ３は、単独で、定電圧・定周波数運転を行う。そして、直送電源２０或いは電力貯蔵装置２から供給される直流電源を、定電圧・定周波数の交流電力となるように変換・出力する。つまり、この時、ＵＰＳ１０は、いわゆる常時インバータ給電方式のＵＰＳと同様の動作を行い、入力電圧の変動に対して、電圧補償を行うことになる。
【００２６】
インバータＡＣスイッチ４は、一端がインバータ３の出力端に、他端が変流器８の入力端（１次側）に、それぞれ接続される。
通常時、インバータＡＣスイッチ４は閉状態であり、インバータ３の出力電力を、変流器８を介して負荷３０に供給する。そして、例えばＵＰＳ１０の故障時、即ちインバータ３の停止時には、インバータＡＣスイッチ４は開状態となり、インバータ３を負荷３０から切り離すことで、ＵＰＳ１０は、直送給電に移行する。
【００２７】
連系リアクトル５は、一端が直送入力２０に、他端が直送ＡＣスイッチ６の一端に、それぞれ接続される。そして、インバータ３が、この連系リアクトル５を介して直送回路と並列運転することで、無効電力制御による電圧補償や、負荷３０の高調波に対するアクティブフィルタ機能等が実現される。
また、この連系リアクトル５は、直送給電時の連系リアクトル５による電圧降下が負荷３０に与える影響が極力小さくなるよう、その値が設計される。
【００２８】
直送ＡＣスイッチ６は、一端が連系リアクトルの他端に、他端が変流器８の入力端（１次側）に、それぞれ接続される。
通常時、直送ＡＣスイッチ６は閉状態であり、連系リアクトル５を介した直送入力２０を、変流器８を介して負荷３０に供給する。そして、例えば直送入力２０の停電時には、直送ＡＣスイッチ６は開状態となり、直送回路を負荷３０から切り離すことで、ＵＰＳ１０は、インバータ単独給電に移行する。
【００２９】
変流器８は、入力端（１次側）が直送ＡＣスイッチ６及びインバータＡＣスイッチ４の他端に、出力端（２次側）が負荷３０に、それぞれ接続される。そして、直送回路及びインバータ３から供給される交流電流を負荷３０に供給する。この時、変流器８は、その２次側の回路により負荷電流量を検出するとともに、その検出結果を検出器７に出力する。
【００３０】
検出器７は、連系リアクトル５の直送入力２０側（接続点ａ）、及び変流器８（接続点ｂ）に接続され、接続点ａからは直送電圧を、また、接続点ｂからは負荷電流を、それぞれ検出する。そして、検出器７は、これらの検出値に基づき、直送ＡＣスイッチ６の開閉を制御する。
【００３１】
即ち、検出器７は、詳細は後述するが、検出した直送電圧及び負荷電流より、インバータ３の供給する無効電力によって電圧補償が可能な範囲（以下、無効電力供給範囲という。）であるかを監視している。そして、無効電力供給範囲を超えたと判断した場合、直送ＡＣスイッチ６を開放することで直送回路を負荷３０から切り離し、ＵＰＳ１０を、インバータ単独給電に移行させる。
その後、無効電力供給範囲に復帰したことを確認すると、検出器７は、直送ＡＣスイッチ６を閉じ、ＵＰＳ１０を、再度、直送回路とインバータ３との並列運転による並列給電に移行させる。
【００３２】
ところで、上述のように、連系リアクトル値を小さくすると、連系運転するインバータ３が出力する無効電力が大きくなるため、インバータ容量を大きくする必要がある。そのため、本実施形態においては、連系時のインバータ容量が少なくて済むように、無効電力供給範囲、即ち、インバータ３の無効電力供給によって電圧補償を行う範囲を制限する。
具体的には、インバータ３が電圧補償のために供給する無効電力がある一定値を超えた場合、即ち無効電力供給範囲を逸脱したと判断した場合には、直送ＡＣスイッチ６を開放する。そして、インバータ３と直送回路との並列運転を停止させることで、インバータ単独給電に切り換えるよう、構成する。
【００３３】
次に、上記無効電力供給範囲の制限について、説明する。
図２は、入力電圧が低下した場合の、インバータ３による昇圧動作時の電流ベクトルを示す図である。
この時、負荷３０は遅れ負荷であるため、インバータ３は、遅れ負荷分の無効電力、及び低下した負荷電圧を昇圧するための無効電力、の総和を供給する必要がある。
【００３４】
即ち、図２において、負荷３０に流れる負荷電流をＩｚとすると、遅れ電流分、即ち負荷電流Ｉｚの虚数成分は、Ｉｘとなる。つまり、遅れ負荷分の無効電力供給のために必要な進み電流は「Ｉｘ」となる。
また、出力電圧低下に対する昇圧補償のために必要な進み電流（昇圧電流）をＩｙとすると、インバータ３が昇圧のために流す進み電流は「Ｉｘ＋Ｉｙ」となる。このため、この進み電流「Ｉｘ＋Ｉｙ」が、上記無効電流供給可能範囲内であればよいことになる。
【００３５】
しかし、このインバータ３が流す進み電流「Ｉｘ＋Ｉｙ」、特に負荷電流の虚数成分Ｉｘを検出するには複雑な回路を要する。そのため、以下の理由により、直送電圧及び負荷電流Ｉｚを検出することで、無効電力供給範囲内であるか否かの判定基準とする。
【００３６】
即ち、インバータ３が流し得る進み電流「Ｉｘ＋Ｉｙ」の上限値は、インバータ３の容量（インバータ容量）から決定される。また、負荷３０による遅れ負荷電流Ｉｘを見込むことで、電圧補償のために流す進み電流（昇圧電流）Ｉｙの上限値が決定される。そして、昇圧電流Ｉｙの上限値が決定されると、連系リアクトル値は既知であるので、入力電圧の変動に対して補償可能な上限値が定まることになる。
例えば、インバータ３によって電圧補償が可能な範囲は、定格電圧の１０％であるとする。そして、遅れ負荷に対する補償分として３％を見込むと、入力電圧の変動に対する電圧補償が可能な範囲は、定格電圧の７％となる。
【００３７】
このことにより、入力電圧の変動から、無効電力供給範囲内であるか否かを判断する。つまり、入力電圧の変動が、上記補償可能な上限値を超えた場合、電圧補償が不可能であると判断することになる。
【００３８】
ところで、上述のように、負荷３０による遅れ負荷電流Ｉｘを見込むことで、昇圧電流Ｉｙが決定される。そして、昇圧電流Ｉｙが決定されることで、インバータ３の出力電流（インバータ出力電流）の上限値が、Ｉｉと定まることになる。このことにより、負荷電流Ｉｚを検出することで、インバータ出力電流が、定められた上限値Ｉｉに達したか否かを判断することができる。
【００３９】
これらのことにより、直送電圧、及び負荷電流Ｉｚを検出することで、インバータ３の供給する無効電力によって電圧補償が可能な範囲、即ち無効電力供給範囲内であるか否かを判定することができる。そして、範囲内でないと判断した場合には、直送ＡＣスイッチ６を開放することで、直送回路を負荷から切り離し、ＵＰＳ１０は、インバータ単独給電に移行する。
【００４０】
次に、図1のＵＰＳ１０の動作について、説明する。
ＵＰＳ１０の動作は、その給電方法の違いにより、（１）並列給電、（２）インバータ給電、そして（３）直送給電、の３つに分類できる。更に、（２）インバータ給電は、（２−１）整流装置によるインバータ給電、（２−２）電力貯蔵装置によるインバータ給電、の２つに分類できる。
以下、これらの給電方法毎に、順に説明する。
【００４１】
（１）並列給電
先ず、直送回路とインバータ３との並列運転による並列給電について、説明する。
この並列給電は、通常時の給電方法であり、この時、直送ＡＣスイッチ６、及びインバータＡＣスイッチ４は、ともに閉状態となっている。そして、直送入力２０を、連系リアクトル５を介して負荷３０に直送するとともに、インバータ３が直送回路と並列運転することで、インバータ３により、出力電圧を一定とするための無効電力が負荷３０に供給される。
【００４２】
即ち、整流装置１は、入力される直送入力２０（交流電力）を直流電力に変換し、変換後の直流電力を、インバータ３に出力する。この時、整流装置１は、電力貯蔵装置２を一定電圧に充電する充電動作も行う。そして、整流装置１から直流電力を入力されたインバータ３は、連系リアクトル５を利用することで出力電流の位相を制御し、電圧補償のための無効電力を出力する。
このように、インバータ３が出力する無効電力により、ＵＰＳ１０は、出力電圧の定電圧化（電圧補償）を図っている。
【００４３】
また、検出器７は、接続点ａから直送電圧を、一方、接続点ｂから負荷電流を、それぞれ検出する。そして、検出器７は、これらの検出結果より、インバータ３の供給する無効電力によって電圧補償が可能な範囲、即ち無効電力供給範囲内であるか否かを判断する。
【００４４】
電圧補償が可能な範囲でないと判断した場合、検出器７は、閉じられている直送ＡＣスイッチ６を開放し、直送回路を負荷３０から切り離す。このことにより、ＵＰＳ１０は、その給電方法が、（１）並列給電から（２−１）整流装置によるインバータ給電へ移行することになる。
【００４５】
（２−１）整流装置によるインバータ給電
次に、整流装置１によるインバータ給電について、説明する。
この時、直送ＡＣスイッチ６は開状態に、一方インバータＡＣスイッチ４は閉状態となっている。つまり、ＵＰＳ１０は、いわゆる常時インバータ給電方式のＵＰＳ１０と同様の動作となる。
即ち、インバータ３により、入力電圧の変動に対する電圧補償がなされ、出力電力は、常に、定格電圧及び定格周波数を維持することになる。
【００４６】
また、検出器７は、無効電力供給範囲であるか否かを、引き続き監視している。そして、検出値（直送電圧及び負荷電流）より、無効電力供給範囲内に復帰したと判断すると、開放されている直送ＡＣスイッチ６を閉じる。つまり、ＵＰＳ１０は、再度（１）並列給電に移行することになる。
【００４７】
（２−２）電力貯蔵装置によるインバータ給電
次に、電力貯蔵装置２によるインバータ給電について、説明する。
（１）並列給電において、図示しない停電検出器により、直送入力２０の停電が検出されると、直送ＡＣスイッチ６は開放される。この時、直送ＡＣスイッチ６は開状態に、一方インバータＡＣスイッチ４は閉状態となっている。つまり、ＵＰＳ１０は、いわゆる常時インバータ給電方式のＵＰＳ１０と同様の動作となる。
【００４８】
即ち、直送入力２０の供給は遮断されているため、電力貯蔵装置２は、貯蔵されている電力を放出（放電）する。そして、インバータ３により、出力電力は、定格電圧及び定格周波数に維持されることになる。
【００４９】
その後、停電検出器によって直送入力２０の復電が検出されると、開放されている直送ＡＣスイッチ６は閉じられる。そして、直送回路からの負荷３０への電力供給を再開するとともに、インバータ３による連系運転を再開することで、ＵＰＳ１０は、（１）並列給電へ復帰することになる。
【００５０】
（３）直送給電
次に、直送回路単独による直送給電について、説明する。
（１）並列給電において、ＵＰＳ１０が故障した場合、インバータ３は停止する。そして、インバータＡＣスイッチ４が開放されることで、インバータ３は、負荷３０から切り離される。
この時、直送ＡＣスイッチ６は閉状態に、一方インバータＡＣスイッチ４は開状態となっている。また、インバータ３は停止しているため、電圧補償は行われない。
【００５１】
即ち、ＵＰＳ１０は、直送入力２０を、連系リアクトル５を介して負荷３０に供給することになる。尚、連系リアクトル５のインピーダンスは、負荷３０に対する影響が極力小さくなるよう設計されているため、連系リアクトル５による出力電圧の電圧降下の影響は、最小限に抑えられる。
【００５２】
その後、インバータ３が回復すると、開放されているインバータＡＣスイッチ４は閉じられる。そして、インバータ３による連系運転が再開されることで、ＵＰＳ１０は、（１）並列給電へ復帰することになる。
【００５３】
以上のように、インバータ３の無効電力供給範囲に基づいて、ＵＰＳ１０を動作させることで、連系リアクトル値を小さくし、負荷３０に対する悪影響を軽減するとともに、インバータ容量の少ないＵＰＳ１０を実現できる。
また、インバータ３の無効電力供給範囲でない場合であっても、並列給電からインバータ給電に切り換えることにより、負荷電圧の補償を行うことができる。
【００５４】
尚、入力力率に基づいて、インバータ３の無効電力供給範囲を制限することもできる。
即ち、図１のＵＰＳ１０において、直送入力２０の後段に、直送入力２０の入力力率を検出するための変流器を接続するように構成する。そして、この変流器を用いて検出された入力力率から、検出器７によって、以下の制御を行うこととする。
【００５５】
（ａ）検出された入力力率が進みとなった場合、検出器７は、直送ＡＣスイッチ６を開放する。つまり、ＵＰＳ１０は、（２−１）整流器によるインバータ給電に移行することになる。
【００５６】
（ｂ）検出された入力力率が低下し、一定値以下になった場合、検出器７は、直送ＡＣスイッチ６を開放する。つまり、ＵＰＳ１０は、（２−１）整流器によるインバータ給電に移行することになる。
【００５７】
このように、入力力率を検出することで、入力力率が進みになるのを防止するとともに、入力力率の低下による入力容量の増大を回避することが可能となる。尚、上記（ａ）、（ｂ）何れの場合も、検出値より、無効電力供給範囲に復帰したと判断した場合には、開放した直送ＡＣスイッチ６を再度閉じることで、ＵＰＳ１０は、（１）並列給電に移行することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＵＰＳ故障時の、連系リアクトルによる電圧降下を防止するとともに、連系時の、遅れ負荷によるインバータ容量の増大を抑制することができる。また、入力力率の低下による入力容量の増大、入力力率の進みを防止することも可能となる。
更に、並列運転からインバータ運転に切り換わった場合においても、電圧補償を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した無停電電源装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】インバータによる昇圧動作を説明するための電流ベクトル図である。
【符号の説明】
１０無停電電源装置（ＵＰＳ）
１整流装置
２電力貯蔵装置
３インバータ
４インバータＡＣスイッチ
５連系リアクトル
６直送ＡＣスイッチ
７検出器
８変流器
２０直送入力
３０負荷[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an uninterruptible power supply.
[0002]
[Prior art]
Currently, the installation of an uninterruptible power system (hereinafter referred to as UPS) in an electrical system is indispensable for improving the reliability of the power supply system.
For example, as one of the UPSs, there is a UPS configured by a direct transmission circuit in which a commercial power source and a load are connected via an interconnection reactor, and an inverter unit that operates in parallel with the direct transmission circuit.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the UPS fails, the inverter stops. For this reason, in this case, power is supplied to the load only by the direct transmission circuit, that is, direct power supply, and the load voltage is not constant (voltage compensation). Furthermore, since voltage compensation is not performed, for example, when the load power factor is delayed (delayed load), the load voltage is stepped down from the direct transmission voltage by the interconnection reactor inserted in the direct transmission circuit.
[0004]
By the way, when performing voltage compensation, the larger the impedance of the interconnection reactor, the smaller the inverter capacity during interconnection. On the other hand, at the time of UPS failure, that is, at the time of direct feeding, the voltage drop with respect to the direct sending voltage can be reduced as the impedance of the interconnection reactor is smaller. However, from the economical aspect, it is common to design the apparatus so as to increase the impedance of the interconnection reactor and reduce the inverter capacity.
For this reason, when the UPS fails, the voltage drop caused by the interconnection reactor becomes large, and depending on the value of the direct transmission voltage, there is a problem that the load is adversely affected.
Therefore, as one of measures for solving this problem, there is a method of providing a switch for short-circuiting the interconnection reactor when the UPS fails. However, such a switch is required to have high speed (high speed operation) and is expensive.
[0005]
In addition, when the load power factor is delayed (delayed load) and the input voltage drops, the inverter supplies the sum of the reactive power for the delayed load and the reactive power to compensate for the reduced input voltage. Need to do. That is, the inverter capacity increases.
[0006]
Further, when the input power factor is advanced, there is a problem that the power system has an adverse effect such as a self-excitation phenomenon of the synchronous generator due to the advanced current. In addition, when the input power factor decreases, there is a problem that the input capacity increases and the input power supply facilities increase.
[0007]
An object of the present invention is to prevent a voltage drop caused by a connected reactor at the time of UPS failure, and to suppress an increase in inverter capacity due to a delayed load at the time of connection. Another problem is to avoid an increase in the input capacity due to a decrease in the input power factor and to prevent the input power factor from progressing.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1
A direct feed circuit having an interconnected reactor, and an inverter that operates in parallel with the direct feed circuit, and the inverter performs an output control of reactive power using the interconnected reactor to perform parallel power feeding for voltage compensation of a load voltage In the uninterruptible power supply to be performed (for example, the uninterruptible power supply 10 in FIG. 1) ,
Exceeding range detection means (for example, the detector 7 in FIG. 1) for detecting power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter;
Switching means (for example, direct sending AC switch 6 in FIG. 1) for switching from parallel power feeding by the parallel operation to inverter single power feeding by the independent operation of the inverter in response to the detection of the overrange detection means;
It is characterized by providing .
[0009]
According to the first aspect of the present invention, in response to detection of power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter, switching from parallel power supply by parallel operation of the direct transmission circuit and the inverter to inverter single power supply by independent operation of the inverter is performed. . Here, the reactive power supply range is a range in which voltage compensation of the load voltage is possible by the reactive power supplied by the inverter. This range is deeply related to the inverter capacity, and the larger the reactive power supply range, the larger the inverter capacity is required. For this reason, when the power supply exceeding the reactive power supply range of an inverter is performed, the increase in the inverter capacity at the time of interconnection is suppressed by switching from parallel power supply to inverter single power supply. In addition, when the reactive power supplied by the inverter returns to the reactive power supply range or less, it is possible to shift from the inverter single operation to the parallel power supply again.
In addition, by providing a reactive power supply range that can be supplied by the inverter , the interconnected reactor value can be designed to be small, and a voltage drop caused by the interconnected reactor at the time of failure of the uninterruptible power supply can be suppressed. . Furthermore , the uninterruptible power supply device of the present invention performs the same operation as that of a so-called continuous inverter power supply type uninterruptible power supply device in the case of inverter single power supply. It is possible to perform the compensation operation.
[0010]
Moreover, in the uninterruptible power supply device according to claim 1, as in the invention according to claim 2,
Comprising a direct voltage detecting means (for example, the detector 7 in FIG. 1) for detecting the direct voltage of the direct circuit;
When the direct transmission voltage detected by the direct transmission voltage detection unit exceeds a predetermined voltage, the range excess detection unit may detect power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter .
[0011]
According to the second aspect of the present invention, when the direct transmission voltage of the direct transmission circuit exceeds a predetermined voltage, it is detected as power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter.
[0012]
Moreover, in the uninterruptible power supply device according to claim 1 or 2, as in the invention according to claim 3,
Load current detection means for detecting the load current (for example, the current transformer 8 of FIG. 1),
When the load current detected by the load current detection unit exceeds a predetermined current, the range excess detection unit may detect the power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter .
[0013]
According to the third aspect of the present invention, when the load current exceeds a predetermined voltage, it is detected as power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter.
[0014]
Moreover, in the uninterruptible power supply according to any one of claims 1 to 3, as in the invention according to claim 4,
Provided with input power factor detection means for detecting the input power factor of the uninterruptible power supply,
When the input power factor detected by the input power factor detection unit is equal to or less than a predetermined power factor, the range excess detection unit may detect power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter .
[0015]
According to the fourth aspect of the present invention, when the input power factor of the uninterruptible power supply becomes equal to or less than a predetermined power factor, it is detected as power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an uninterruptible power supply (UPS) 10 to which the present invention is applied.
In FIG. 1, the input of the UPS 10 is connected to the direct transmission input 20, and the output is connected to the load 30. As the direct input 20, for example, a commercial AC power supply of three-phase AC400V or AC200V for a specific consumer is used. Since the load 30 connected to the UPS 10 is generally a delayed load, the load 30 is treated as a delayed load in the following.
[0020]
According to FIG. 1, the UPS 10 includes a rectifying device 1, a power storage device 2, an inverter 3, an inverter AC switch 4, an interconnection reactor 5, a direct-feed AC switch 6, a detector 7, and a current transformer 8.
[0021]
The rectifier 1 has an input terminal connected to the direct input 20 and an output terminal connected to the inverter 3. Then, the input direct input (AC power) 20 is converted into DC power, and the converted DC power is supplied to the inverter 3. Moreover, the output terminal of the rectifier 1 is also connected to the power storage device 2 and has a function as a charger for charging the power storage device 2 to a constant voltage.
[0022]
The power storage device 2 is charged by being constantly applied with a constant voltage by the rectifying device 1 in normal times. For example, at the time of a power failure of the direct input 20, the voltage level at the output terminal of the rectifier 1 is below a certain level, so the stored DC power is discharged (discharged).
In addition, as the power storage device 2, a sealed lead-acid battery is mainly used because of demands for maintenance-free and long life. Further, as a protection circuit for the sealed lead-acid battery, a maintenance charging circuit (not shown) that lowers the charging voltage when the storage battery temperature increases is generally used.
[0023]
The inverter 3 has an input end connected to the rectifier 1 and an output end connected to one end of the inverter AC switch 4. Then, the DC power input from the rectifier 1 is converted into AC power, and the converted AC power is supplied to the load 30 via the inverter AC switch 4.
The main circuit device of the inverter 3 is composed of, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). The control method is realized, for example, by instantaneous value sine wave PWM control.
[0024]
During normal operation, the inverter 3 performs parallel operation with the direct transmission circuit. Then, the phase of the inverter output current is controlled by using the interconnection reactor 5 in accordance with the fluctuation of the direct transmission voltage, and reactive power for output voltage compensation is output.
The input terminal of the inverter 3 is also connected to the power storage device 2. And, for example, when the voltage level of the DC power from the rectifying device 1 falls below a certain value at the time of a power failure of the direct input 20, the DC power discharged (discharged) from the power storage device 2 is converted into AC power and converted. Later AC power is supplied to the load 30 via the inverter AC switch 4.
[0025]
When the direct transmission AC switch 6 is opened and the direct transmission circuit is disconnected from the load 30, the inverter 3 performs constant voltage / constant frequency operation alone. Then, the direct current power source 20 or the direct current power source supplied from the power storage device 2 is converted and output so as to become constant voltage / constant frequency alternating current power. That is, at this time, the UPS 10 performs the same operation as the so-called always-inverter power supply type UPS, and performs voltage compensation for fluctuations in the input voltage.
[0026]
The inverter AC switch 4 has one end connected to the output end of the inverter 3 and the other end connected to the input end (primary side) of the current transformer 8.
Normally, the inverter AC switch 4 is in a closed state, and the output power of the inverter 3 is supplied to the load 30 via the current transformer 8. For example, when the UPS 10 fails, that is, when the inverter 3 is stopped, the inverter AC switch 4 is opened, and the UPS 10 shifts to direct power feeding by disconnecting the inverter 3 from the load 30.
[0027]
The interconnecting reactor 5 has one end connected to the direct sending input 20 and the other end connected to one end of the direct sending AC switch 6. The inverter 3 is operated in parallel with the direct transmission circuit via the interconnection reactor 5, thereby realizing voltage compensation by reactive power control, an active filter function for harmonics of the load 30, and the like.
Further, the value of the interconnection reactor 5 is designed so that the influence of the voltage drop caused by the interconnection reactor 5 at the time of direct power feeding on the load 30 is minimized.
[0028]
The direct sending AC switch 6 has one end connected to the other end of the interconnection reactor and the other end connected to the input end (primary side) of the current transformer 8.
Normally, the direct feed AC switch 6 is in a closed state, and the direct feed input 20 via the interconnection reactor 5 is supplied to the load 30 via the current transformer 8. For example, when a power failure occurs in the direct input 20, the direct AC switch 6 is in an open state, and the UPS 10 shifts to inverter single power supply by disconnecting the direct transmission circuit from the load 30.
[0029]
The current transformer 8 has an input end (primary side) connected to the other ends of the direct sending AC switch 6 and the inverter AC switch 4, and an output end (secondary side) connected to the load 30. Then, the alternating current supplied from the direct transmission circuit and the inverter 3 is supplied to the load 30. At this time, the current transformer 8 detects the load current amount by the circuit on the secondary side and outputs the detection result to the detector 7.
[0030]
The detector 7 is connected to the direct transmission input 20 side (connection point a) of the interconnection reactor 5 and the current transformer 8 (connection point b), and the direct transmission voltage from the connection point a and from the connection point b. Each load current is detected. And the detector 7 controls opening and closing of the direct sending AC switch 6 based on these detection values.
[0031]
That is, although the details will be described later, the detector 7 is within a range in which voltage compensation is possible by the reactive power supplied from the inverter 3 based on the detected direct transmission voltage and load current (hereinafter referred to as reactive power supply range). Monitoring. If it is determined that the reactive power supply range has been exceeded, the direct transmission circuit is disconnected from the load 30 by opening the direct transmission AC switch 6, and the UPS 10 is shifted to inverter single power supply.
After that, when it is confirmed that the reactive power supply range has been restored, the detector 7 closes the direct transmission AC switch 6 and shifts the UPS 10 to parallel power feeding by parallel operation of the direct transmission circuit and the inverter 3 again.
[0032]
By the way, as described above, when the interconnected reactor value is decreased, the reactive power output from the inverter 3 that performs the interconnected operation increases, and thus it is necessary to increase the inverter capacity. Therefore, in the present embodiment, the reactive power supply range, that is, the range in which voltage compensation is performed by the reactive power supply of the inverter 3 is limited so that the inverter capacity during interconnection is small.
Specifically, when the reactive power supplied by the inverter 3 for voltage compensation exceeds a certain value, that is, when it is determined that the reactive power supply range has been exceeded, the direct transmission AC switch 6 is opened. Then, the inverter 3 and the direct transmission circuit are stopped so as to be switched to the inverter single power supply by stopping the parallel operation.
[0033]
Next, the limitation on the reactive power supply range will be described.
FIG. 2 is a diagram showing a current vector during the boosting operation by the inverter 3 when the input voltage is lowered.
At this time, since the load 30 is a delayed load, the inverter 3 needs to supply the sum of the reactive power for the delayed load and the reactive power for boosting the lowered load voltage.
[0034]
That is, in FIG. 2, when the load current flowing through the load 30 is Iz, the delay current, that is, the imaginary component of the load current Iz is Ix. That is, the lead current required for supplying reactive power corresponding to the delayed load is “Ix”.
Further, assuming that the advance current (boost current) necessary for boost compensation for the output voltage drop is Iy, the advance current that the inverter 3 flows for boosting is “Ix + Iy”. For this reason, the advance current “Ix + Iy” only needs to be within the reactive current supply range.
[0035]
However, a complicated circuit is required to detect the leading current “Ix + Iy”, particularly the imaginary number component Ix of the load current, which is flown by the inverter 3. Therefore, by determining the direct transmission voltage and the load current Iz for the following reasons, it is used as a criterion for determining whether or not the reactive power supply range is satisfied.
[0036]
That is, the upper limit value of the lead current “Ix + Iy” that can be passed through the inverter 3 is determined from the capacity of the inverter 3 (inverter capacity). Further, by considering the delayed load current Ix due to the load 30, the upper limit value of the leading current (boosted current) Iy that is passed for voltage compensation is determined. When the upper limit value of boosted current Iy is determined, the interconnected reactor value is known, so that an upper limit value that can be compensated for fluctuations in input voltage is determined.
For example, it is assumed that the range in which voltage compensation is possible by the inverter 3 is 10% of the rated voltage. When 3% is expected as the compensation for the delay load, the range in which voltage compensation for the fluctuation of the input voltage is possible is 7% of the rated voltage.
[0037]
As a result, it is determined whether or not it is within the reactive power supply range from the fluctuation of the input voltage. That is, when the fluctuation of the input voltage exceeds the above-described compensation upper limit value, it is determined that voltage compensation is impossible.
[0038]
By the way, as described above, the boost current Iy is determined by considering the delayed load current Ix caused by the load 30. Then, by determining the boost current Iy, the upper limit value of the output current (inverter output current) of the inverter 3 is determined as Ii. Thus, it is possible to determine whether or not the inverter output current has reached a predetermined upper limit value Ii by detecting the load current Iz.
[0039]
Thus, by detecting the direct transmission voltage and the load current Iz, it is possible to determine whether or not the voltage can be compensated by the reactive power supplied from the inverter 3, that is, whether or not it is within the reactive power supply range. . If it is determined that it is not within the range, the direct transmission AC switch 6 is opened to disconnect the direct transmission circuit from the load, and the UPS 10 shifts to inverter single power supply.
[0040]
Next, the operation of the UPS 10 in FIG. 1 will be described.
The operation of the UPS 10 can be classified into three types: (1) parallel feeding, (2) inverter feeding, and (3) direct feeding, depending on the feeding method. Furthermore, (2) Inverter power supply can be classified into two types: (2-1) Inverter power supply by a rectifier and (2-2) Inverter power supply by a power storage device.
Hereinafter, each of these power supply methods will be described in order.
[0041]
(1) Parallel power supply First, parallel power supply by parallel operation of the direct transmission circuit and the inverter 3 will be described.
This parallel power feeding is a normal power feeding method. At this time, both the direct-feed AC switch 6 and the inverter AC switch 4 are closed. The direct input 20 is directly transmitted to the load 30 via the interconnection reactor 5, and the inverter 3 operates in parallel with the direct transmission circuit, so that the inverter 3 generates reactive power for making the output voltage constant. To be supplied.
[0042]
That is, the rectifier 1 converts the direct input 20 (AC power) that is input into DC power, and outputs the converted DC power to the inverter 3. At this time, the rectifier 1 also performs a charging operation for charging the power storage device 2 to a constant voltage. The inverter 3 to which direct current power is input from the rectifier 1 controls the phase of the output current by using the interconnection reactor 5 and outputs reactive power for voltage compensation.
In this way, the UPS 10 attempts to make the output voltage constant (voltage compensation) by the reactive power output from the inverter 3.
[0043]
Further, the detector 7 detects the direct transmission voltage from the connection point a and the load current from the connection point b. Then, the detector 7 determines whether or not it is within a range in which voltage compensation is possible by the reactive power supplied from the inverter 3, that is, within the reactive power supply range, from these detection results.
[0044]
When determining that the voltage compensation is not possible, the detector 7 opens the closed direct transmission AC switch 6 and disconnects the direct transmission circuit from the load 30. As a result, the power supply method of the UPS 10 shifts from (1) parallel power supply to (2-1) inverter power supply using a rectifier.
[0045]
(2-1) Inverter Power Supply by Rectifier Device Next, inverter power supply by the rectifier device 1 will be described.
At this time, the direct AC switch 6 is in an open state, while the inverter AC switch 4 is in a closed state. That is, the UPS 10 operates in the same manner as the so-called constant inverter power supply type UPS 10.
That is, the inverter 3 performs voltage compensation with respect to fluctuations in the input voltage, and the output power always maintains the rated voltage and the rated frequency.
[0046]
The detector 7 continuously monitors whether or not the reactive power supply range is reached. If it is determined from the detected values (direct transmission voltage and load current) that the reactive power supply range is restored, the opened direct transmission AC switch 6 is closed. That is, the UPS 10 again shifts to (1) parallel power feeding.
[0047]
(2-2) Inverter Power Supply by Power Storage Device Next, inverter power supply by the power storage device 2 will be described.
(1) In parallel power feeding, when a power failure of the direct input 20 is detected by a power failure detector (not shown), the direct power AC switch 6 is opened. At this time, the direct AC switch 6 is in an open state, while the inverter AC switch 4 is in a closed state. That is, the UPS 10 operates in the same manner as the so-called constant inverter power supply type UPS 10.
[0048]
That is, since the supply of the direct input 20 is interrupted, the power storage device 2 releases (discharges) the stored power. The output power is maintained at the rated voltage and the rated frequency by the inverter 3.
[0049]
Thereafter, when the power failure detector detects the power recovery of the direct input 20, the opened direct transmission AC switch 6 is closed. Then, the power supply to the load 30 from the direct transmission circuit is restarted and the interconnection operation by the inverter 3 is restarted, whereby the UPS 10 returns to (1) parallel power feeding.
[0050]
(3) Direct Power Feed Next, direct power feed by a direct feed circuit alone will be described.
(1) In parallel power feeding, when the UPS 10 fails, the inverter 3 stops. Then, the inverter 3 is disconnected from the load 30 by opening the inverter AC switch 4.
At this time, the direct AC switch 6 is closed, while the inverter AC switch 4 is open. Moreover, since the inverter 3 is stopped, voltage compensation is not performed.
[0051]
That is, the UPS 10 supplies the direct input 20 to the load 30 via the interconnection reactor 5. In addition, since the impedance of the interconnection reactor 5 is designed so that the influence on the load 30 is minimized, the influence of the voltage drop of the output voltage due to the interconnection reactor 5 can be minimized.
[0052]
Thereafter, when the inverter 3 recovers, the opened inverter AC switch 4 is closed. Then, the UPS 10 returns to (1) parallel power supply by restarting the interconnected operation by the inverter 3.
[0053]
As described above, by operating the UPS 10 based on the reactive power supply range of the inverter 3, it is possible to reduce the interconnection reactor value, reduce the adverse effect on the load 30, and realize the UPS 10 with a small inverter capacity.
Even when the reactive power supply range is not within the inverter 3, the load voltage can be compensated by switching from parallel power supply to inverter power supply.
[0054]
Note that the reactive power supply range of the inverter 3 can be limited based on the input power factor.
That is, in the UPS 10 of FIG. 1, a current transformer for detecting the input power factor of the direct input 20 is connected to the subsequent stage of the direct input 20. Then, the following control is performed by the detector 7 from the input power factor detected using this current transformer.
[0055]
(A) When the detected input power factor is advanced, the detector 7 opens the direct sending AC switch 6. That is, the UPS 10 shifts to (2-1) inverter power feeding using a rectifier.
[0056]
(B) When the detected input power factor decreases and becomes a certain value or less, the detector 7 opens the direct-feed AC switch 6. That is, the UPS 10 shifts to (2-1) inverter power feeding using a rectifier.
[0057]
Thus, by detecting the input power factor, it is possible to prevent the input power factor from advancing and to avoid an increase in input capacity due to a decrease in the input power factor. In both cases (a) and (b), when it is determined from the detected value that the reactive power supply range has been restored, the opened direct transmission AC switch 6 is closed again, so that the UPS 10 ) It can shift to parallel power feeding.
[0058]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to prevent a voltage drop due to an interconnection reactor at the time of UPS failure, and to suppress an increase in inverter capacity due to a delayed load at the time of interconnection. It is also possible to prevent an increase in input capacity due to a decrease in input power factor and an advance in input power factor.
Furthermore, voltage compensation can be performed even when switching from parallel operation to inverter operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an uninterruptible power supply to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a current vector diagram for explaining a boosting operation by an inverter.
[Explanation of symbols]
10 Uninterruptible power supply (UPS)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rectifier 2 Power storage device 3 Inverter 4 Inverter AC switch 5 Interconnected reactor 6 Direct transmission AC switch 7 Detector 8 Current transformer 20 Direct transmission input 30 Load

Claims

A direct feed circuit having an interconnected reactor, and an inverter that operates in parallel with the direct feed circuit, and the inverter performs parallel power feeding for voltage compensation of the load voltage by performing reactive power output control using the interconnected reactor. In the uninterruptible power supply
Exceeding range detection means for detecting power supply exceeding the reactive power supply range of the inverter;
Switching means for switching from parallel power feeding by the parallel operation to inverter single power feeding by the single operation of the inverter in response to detection by the range excess detection means,
Uninterruptible power supply comprising: a.

The uninterruptible power supply device according to claim 1,
Comprising a direct voltage detecting means for detecting a direct voltage of the direct circuit;
The uninterruptible power supply, wherein the range excess detection means detects that the power supply exceeds the reactive power supply range of the inverter when the direct transmission voltage detected by the direct transmission voltage detection means exceeds a predetermined voltage .

The uninterruptible power supply according to claim 1 or 2,
Load current detection means for detecting the load current is provided,
The uninterruptible power supply, wherein the range excess detection means detects that the power supply exceeds the reactive power supply range of the inverter when the load current detected by the load current detection means exceeds a predetermined current .

The uninterruptible power supply device according to any one of claims 1 to 3,
Provided with input power factor detection means for detecting the input power factor of the uninterruptible power supply,
The range excess detection means detects that the power supply exceeds the reactive power supply range of the inverter when the input power factor detected by the input power factor detection means is less than or equal to a predetermined power factor. Power failure power supply.