JP4276192B2 - 瞬時電圧低下補償装置の放電方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流蓄電部に電気二重層キャパシタを使用した瞬時電圧低下補償装置の放電方法に関し、メンテナンス等により本装置を停止するときに電気二重層キャパシタを放電させる際の放電時間を、装置構成を変更することなく、短縮化することができるよう工夫したものである。

近年、ＩＴ関連機器の普及や、半導体，精密機器などの高品質，高付加価値の生産ラインの増加に伴い、瞬時電圧低下（以下「瞬低」と略す）によるこれらの機器への影響が問題になっている。

瞬低は、送電鉄塔への落雷によって異常電流が発生した場合に、この異常電流が他に波及しないように、この異常区間を送変電設備が切り離す間に発生する電圧低下である。この瞬低は、７０［ｍｓｅｃ］〜２［ｓｅｃ］の極短時間で発生する。

このような瞬低が発生すると、
（１）コンピュータの誤動作（電圧低下が発生するとコンピュータは自動停止する）、
（２）高圧水銀灯の消灯、
（３）マグネットスイッチを使用しているモータの停止（電圧低下によりマグネットスイッチが解列するためモータが停止する）、
等の問題が起こる。

瞬低の対策として無停電電源装置が多く使用されている。この無停電電源装置の蓄電部には鉛蓄電池が多く用いられているが、最近、鉛蓄電池に比べ定期的な保守点検が不要で、充放電サイクル寿命が長く、高速・高効率な充放電が可能な電気二重層キャパシタの開発が急速に進んでいる。この電気二重層キャパシタは数秒〜数分間の充放電を行う用途に適した蓄電素子である。
そこで、電気二重層キャパシタのこれらの特性に着目して、電気二重層キャパシタを適用した瞬時電圧低下補償装置が開発されている。

ここで、瞬時電圧低下補償装置の回路構成例を、図１を参照して説明する。
この瞬時電圧低下補償装置は、商用電源１から重要負荷２に供給する商用電力に瞬低が発生した場合に、重要負荷２に電力を供給するものである。

商用電源１から重要負荷２に商用電力を供給する電力ラインＬ１には、ＧＴＯ等で形成した高速スイッチ３が介装されている。バイパス遮断器４は、高速スイッチ３に対して並列状態となるように、電力ラインＬ１に介装されている。
更に、電力ラインＬ１のうち、商用電源１と高速スイッチ３（バイパス遮断器４）との間には、瞬低を検出する瞬低検出部５が備えられている。

電力変換器６には、その直流側に直流コンデンサ（電解コンデンサ）７が接続されている。この電力変換器６は、逆変換動作（インバータ動作）と順変換動作（コンバータ動作）ができるインバータ等で構成されている。
このため、逆変換動作の時には、直流側（図１では電力変換器６の左側、つまり直流コンデンサ７が接続されている側）から直流電力が供給されると、インバータ動作して、交流側（図１では電力変換器６の右側）から交流電力を出力し、順変換動作の時には、交流側から交流電力が供給されると、コンバータ動作して、直流側から直流電力を出力する。

この電力変換器６の交流側は、電力ラインＬ２を介して重要負荷２に接続されている。電力ラインＬ２には、電力変換器入力遮断器８が介装されている。

電力変換器６の直流側には、電力変換器直流部スイッチ９を介して、直流蓄電部として機能する電気二重層キャパシタ１０が接続されている。
更に、電気二重層キャパシタ１０には、キャパシタ放電用スイッチ１１を介して放電抵抗１２が接続されている。

予備充電回路１３は、整流回路と抵抗体とで構成されており、予備充電スイッチ１４が投入されて商用電力が供給されると、これを整流して直流電力を出力する。この直流電力により直流コンデンサ７が予備充電される。

制御部２０は、瞬時電圧低下補償装置の全体の制御動作を統括するものである。
この制御部２０には、瞬低検出部５が瞬低を検出すると、この瞬低検出信号が入力される。
また、制御部２０により、スイッチ類（スイッチや遮断器）３，４，８，９，１１，１４の投入・開放制御が行われる。更に、制御部２０により、電力変換器６の動作モードの変更制御が行われる。

上記構成となっている瞬時電圧低下補償装置の運転・制御モードは、大きく分けて次の５つある。

（１）電気二重層キャパシタ初期充電制御モード
（２）待機状態モード
（３）瞬低補償運転モード
（４）電気二重層キャパシタ充電制御モード
（５）電気二重層キャパシタ完全放電制御モード

ここで、各制御モードを簡単に説明する。
電気二重層キャパシタ初期充電制御モードは、本装置の初期立ち上げ時に電気二重層キャパシタ１０を充電するモードである。このモードでは、電力変換器６がその直流側に出力した直流電圧をチョッパ１５により電圧制御し、電圧制御された直流電力を電気二重層キャパシタ１０に充電していく。

待機状態モードは、電気二重層キャパシタ１０を予め決めた定格電圧まで充電した後のモードであり、本装置は通常（瞬低が発生していない状態）では、この状態を維持している。待機状態モードにおいて、瞬低検出部５により瞬低検出を行いつつ、電力変換器６は電気二重層キャパシタ定格電圧一定制御を行っている。

瞬低補償運転モードでは、瞬低検出部５が瞬低を検出すると、制御部２０の制御により、高速スイッチ３を開放し、電力変換器６を電気二重層キャパシタ定格電圧一定制御から交流電圧制御に瞬時に切り換え、電気二重層キャパシタ１０から重要負荷２に電力を供給する。
商用電源１が復電すると、電力変換器６の交流出力電圧と系統（商用電源）電圧との同期合わせを行い、位相が一致したら高速スイッチ３を投入する。

電気二重層キャパシタ充電制御モードでは、瞬低補償運転が終了し系統からの電力供給に切り換わると、いち早く次の瞬低に対処できるように、電力変換器６は電気二重層キャパシタ充電制御を行う。

電気二重層キャパシタ完全放電制御モードは、装置のメンテナンス等を行う場合において、電気二重層キャパシタ１０を完全放電するモードである。

次に、メンテナンス等により瞬時電圧低下補償装置を停止させるときに電気二重層キャパシタ１０を完全放電させる、従来の電気二重層キャパシタ完全放電制御モードの手順を説明する。

瞬時電圧低下補償装置の定常状態（装置停止前の状態）は次の通りである。
・高速スイッチ３・・・・・・・・・投入
・バイパス遮断器４・・・・・・・・開放
・電力変換器入力遮断器８・・・・・投入
・電力変換器直流部スイッチ９・・・投入
・キャパシタ放電用スイッチ１１・・開放

電気二重層キャパシタ１０を放電させて、瞬時電圧低下補償装置を停止させる手順は次の通りである。なお、スイッチ（遮断器）の投入・開放や電力変換器６の運転モード変更は、制御部２０の制御により行われる。

（１）バイパス遮断器４を投入して、高速スイッチ３を開放する。
（２）電力変換器入力遮断器８を開放し、電力変換器６を停止する。
（３）キャパシタ放電用スイッチ１１を投入して、電気二重層キャパシタ１０から放電抵抗１２に電流を流し、電気二重層キャパシタ１０に蓄電されていた電力を放電する。なお電気二重層キャパシタ１０の定格電圧は、例えば４００Ｖである。
（４）電気二重層キャパシタ１０の電圧が数Ｖになったら放電完了と判断し、キャパシタ放電用スイッチ１１を開放する。なお、電気二重層キャパシタ１０の電圧は、図示しない電圧検出手段により検出されており、検出電圧信号が制御部２０に送られている。

放電の際に使用する放電抵抗１２の容量は次の式で表される。
放電抵抗容量［Ｗ］∝（キャパシタ電圧［Ｖ］）²／放電抵抗１２の抵抗値［Ω］
この式から、電気二重層キャパシタ１０のキャパシタ電圧を小さくすれば、放電抵抗１２の容量が小さくなることがわかる。
また、放電抵抗値を大きくした場合、放電抵抗容量は小さくなるが、電流が流れにくくなるため放電時間が長くなる。

ところで、直流蓄電部として使用した電気二重層キャパシタ１０は、電解コンデンサ等に比べて静電容量（充電容量）が大きく、また、充電電圧が高い。このため、キャパシタ定格電圧（例えば４００Ｖ）となっている電気二重層キャパシタ１０から放電抵抗１２に電流を流して放電すると、放電抵抗容量が大きくなり、放電時間が長くなるという問題がある。

ちなみに、直流蓄電部として電解コンデンサを使用した場合には、電気二重層キャパシタに比べて、電解コンデンサの充電容量は小さく、充電電圧が低いため、放電時間は短くてすむ。
また、直流蓄電部として鉛電池などの二次電池を使用した場合には、メンテナンス等をする場合であっても、放電をする必要はない。

上記課題を解決する本発明の構成は、
負荷に対して電力を供給する商用電源の電圧に瞬低が発生したときに、電力ラインを介して前記負荷に対して交流電力を供給する電力変換器と、
前記電力ラインに介装された電力変換器入力遮断器と、
前記電力変換器の直流側に電力変換器直流部スイッチを介して接続された電気二重層キャパシタと、
キャパシタ放電用スイッチを介して前記電気二重層キャパシタに接続された放電抵抗と、
前記電力変換器がその直流側に出力した直流電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電手段とを有する瞬時電圧低下補償装置の放電方法であって、
前記電力変換器入力遮断器を開放し、電力変換器直流部スイッチを投入し、前記キャパシタ放電用スイッチを開放した状態で、前記電力変換器を自立運転することにより、前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を前記電力変換器の損失により消費し、
電気二重層キャパシタの電圧が予め決めた電圧値まで低下したら、前記電力変換器の運転を停止し、
次に、前記キャパシタ放電用スイッチを投入して、前記電気二重層キャパシタから前記放電抵抗に電流を流して前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を放電することを特徴とする。

また本発明の構成は、
負荷に対して電力を供給する商用電源の電圧に瞬低が発生したときに、電力ラインを介して前記負荷に対して交流電力を供給する電力変換器と、
前記電力ラインに介装された電力変換器入力遮断器と、
前記電力変換器の直流側に電力変換器直流部スイッチを介して接続された電気二重層キャパシタと、
キャパシタ放電用スイッチを介して前記電気二重層キャパシタに接続された放電抵抗と、
前記電力変換器がその直流側に出力した直流電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電手段とを有する瞬時電圧低下補償装置の放電方法であって、
前記電力変換器入力遮断器を投入し、電力変換器直流部スイッチを投入し、前記キャパシタ放電用スイッチを開放した状態で、前記電力変換器から交流電力を出力する瞬低補償動作をし、
前記交流電力変換器から出力する交流電力が、前記商用電源の交流電力と系統連係ができない程度に、前記電気二重層キャパシタの電圧が低下したら、前記電力変換器を直流電圧一定制御の運転に変更し、
前記電力変換器入力遮断器を開放し、電力変換器直流部スイッチを投入し、前記キャパシタ放電用スイッチを開放した状態で、前記電力変換器を自立運転することにより、前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を前記電力変換器の損失により消費し、
電気二重層キャパシタの電圧が予め決めた電圧値まで低下したら、前記電力変換器の運転を停止し、
次に、前記キャパシタ放電用スイッチを投入して、前記電気二重層キャパシタから前記放電抵抗に電流を流して前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を放電することを特徴とする。

本発明では、放電抵抗を利用して電気二重層キャパシタの放電を行う前に、電気二重層キャパシタに充電されている電力を、電力変換器の自立運転や瞬低補償動作により消費してから、放電抵抗による放電を行う。このため放電抵抗による放電開始時における、キャパシタ電圧を低くすることができる。
この結果、瞬時電圧低下補償装置の装置構成の変更や機器追加をすることなく、放電時間を短縮することができると共に、放電抵抗の容量を小さくすることができ瞬時電圧低下補償装置の全体としての小型化を図ることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。各実施例は、放電抵抗を利用して電気二重層キャパシタの放電を行う前に、電気二重層キャパシタに充電されている電力を他の方法により消費してから、放電抵抗による放電を行うものである。

なお、各実施例で使用する装置は、図１に示すものであり、装置そのものは従来技術と同じである。

瞬時電圧低下補償装置の定常状態（装置停止前の状態）は次の通りである。
・高速スイッチ３・・・・・・・・・投入
・バイパス遮断器４・・・・・・・・開放
・電力変換器入力遮断器８・・・・・投入
・電力変換器直流部スイッチ９・・・投入
・キャパシタ放電用スイッチ１１・・開放

電気二重層キャパシタ１０を放電させて、実施例１により瞬時電圧低下補償装置を停止させる手順は次の通りである。なお、スイッチ（遮断器）の投入・開放や電力変換器６の運転モード変更は、制御部２０の制御により行われる。

（１−１）バイパス遮断器４を投入して、高速スイッチ３を遮断する。これにより、重要負荷２に対してパイパス遮断器４を介して電力を供給する、パイバス給電状態にする。
（１−２）電力変換器入力遮断器８を開放し、電力変換器６の運転を停止する。
（１−３）電力変換器６を自立運転で動作させる。自立運転とは、商用電源１との系統連係制御（同期合わせ）をすることなく、インバータ動作させることであるが、電力変換器入力遮断器８が開放して無負荷運転となるため、交流電力（交流電流）が電力変換器６の外部に出力されることはなく、発生した電流は電力変換器６の損失となって消費される。
これにより、電気二重層キャパシタ１０に充電されていた電力が消費され、キャパシタ電圧が低下する。
（１−４）キャパシタ電圧がある程度低下したら（例えば、キャパシタ電圧がキャパシタ定格電圧（４００Ｖ）よりも低い予め決めた電圧値まで低下したら）電力変換器６の運転を停止する。

（１−５）キャパシタ放電用スイッチ１１を投入して、電気二重層キャパシタ１０から放電抵抗１２に電流を流し、電気二重層キャパシタ１０に蓄電されていた電力を放電する。
（１−６）電気二重層キャパシタ１０の電圧が数Ｖになったら放電完了と判断し、キャパシタ放電用スイッチ１１を開放する。

上記実施例１では、放電抵抗１２による放電を行う前に、電気二重層キャパシタ１０に充電されていた電力を、電力変換器６の自立運転により消費して、キャパシタ電圧をある程度低下させてから、放電抵抗１２の放電を行っている。このため、放電抵抗１２の放電容量を小さくすることができると共に、放電時間を短縮することができる。

瞬時電圧低下補償装置の定常状態（装置停止前の状態）は次の通りである。
・高速スイッチ３・・・・・・・・・投入
・バイパス遮断器４・・・・・・・・開放
・電力変換器入力遮断器８・・・・・投入
・電力変換器直流部スイッチ９・・・投入
・キャパシタ放電用スイッチ１１・・開放

電気二重層キャパシタ１０を放電させて、実施例２により瞬時電圧低下補償装置を停止させる手順は次の通りである。なお、スイッチ（遮断器）の投入・開放や電力変換器６の運転モード変更は、制御部２０の制御により行われる。

（２−１）高速スイッチ３を開放して、電力変換器６により瞬低補償動作をする。つまり、電力変換器６をインバータ動作させ、電気二重層キャパシタ１０の直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を重要負荷２に供給する。
これにより、電気二重層キャパシタ１０に充電されていた電力が消費され、キャパシタ電圧が低下する。
（２−２）上述した瞬低補償動作をしていき、キャパシタ電圧が系統連係可能な電圧の下限に達したら、即ち、交流電力変換器６から出力する交流電力が、商用電源１の交流電力と系統連係ができない程度に、電気二重層キャパシタ１０のキャパシタ電圧が低下したら、高速スイッチ３を投入する。これにより、重要負荷２は再び商用電源１から給電される。
そして、電力変換器６の運転モードを、直流電圧一定制御に切り換える。つまり、電力変換器６をコンバータ動作させ、直流側電圧を一定にする制御をする。

以降は、実施例１と同様な制御動作をする。すなわち、以下の（２−３）〜（２−８）の動作をする。

（２−３）バイパス遮断器４を投入して、高速スイッチ３を遮断する。これにより、重要負荷２に対してパイパス遮断器４を介して電力を供給する、パイバス給電状態にする。
（２−４）電力変換器入力遮断器８を開放し、電力変換器６の運転を停止する。
（２−５）電力変換器６を自立運転で動作させる。自立運転とは、商用電源１との連係制御（同期合わせ）をすることなく、インバータ動作させることであるが、電力変換器入力遮断器８が開放して無負荷運転となるため、交流電力（交流電流）が電力変換器６の外部に出力されることはなく、発生した電流は電力変換器６の損失となって消費される。
これにより、電気二重層キャパシタ１０に充電されていた電力が消費され、キャパシタ電圧が低下する。
（２−６）キャパシタ電圧がある程度低下したら（例えば、キャパシタ電圧がキャパシタ定格電圧（４００Ｖ）よりも低い予め決めた電圧値まで低下したら）電力変換器６の運転を停止する。

（２−７）キャパシタ放電用スイッチ１１を投入して、電気二重層キャパシタ１０から放電抵抗１２に電流を流し、電気二重層キャパシタ１０に蓄電されていた電力を放電する。
（２−８）電気二重層キャパシタ１０の電圧が数Ｖになったら放電完了と判断し、キャパシタ放電用スイッチ１１を開放する。

上記実施例２では、放電抵抗１２による放電を行う前に、
（ａ）まず、電力変換器６により瞬低補償動作をして、電気二重層キャパシタ１０に充電されていた電力を消費し、
（ｂ）更に、実施例１と同様に、電力変換器６の自立運転により電気二重層キャパシタ１０に充電されていた電力を消費している。
このよう、キャパシタ電圧を予め決めた電圧値まで低下させる処理動作を２段階経てから、放電抵抗１２による放電を行っている。このため放電開始時のキャパシタ電圧を迅速に低電圧にすることができ、この低電圧から放電処理をしているため、放電抵抗１２の放電容量を更に小さくすることができると共に、放電時間を更に短縮することができる。

瞬時電圧低下補償装置を示す回路構成図。

符号の説明

１ 商用電源
２ 重要負荷
３ 高速スイッチ
４ パイバス遮断器
５ 瞬低検出部
６ 電力変換器
７ 直流コンデンサ（電解コンデンサ）
８ 電力変換器入力遮断器
９ 電力変換器直流部スイッチ
１０ 電気二重層キャパシタ
１１ キャパシタ放電用スイッチ
１２ 放電抵抗
１３ 予備充電回路
１４ 予備充電用スイッチ
１５ チョッパ
２０ 制御部

Claims (2)

1. 負荷に対して電力を供給する商用電源の電圧に瞬低が発生したときに、電力ラインを介して前記負荷に対して交流電力を供給する電力変換器と、
   前記電力ラインに介装された電力変換器入力遮断器と、
   前記電力変換器の直流側に電力変換器直流部スイッチを介して接続された電気二重層キャパシタと、
   キャパシタ放電用スイッチを介して前記電気二重層キャパシタに接続された放電抵抗と、
   前記電力変換器がその直流側に出力した直流電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電手段とを有する瞬時電圧低下補償装置の放電方法であって、
   前記電力変換器入力遮断器を開放し、電力変換器直流部スイッチを投入し、前記キャパシタ放電用スイッチを開放した状態で、前記電力変換器を自立運転することにより、前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を前記電力変換器の損失により消費し、
   電気二重層キャパシタの電圧が予め決めた電圧値まで低下したら、前記電力変換器の運転を停止し、
   次に、前記キャパシタ放電用スイッチを投入して、前記電気二重層キャパシタから前記放電抵抗に電流を流して前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を放電することを特徴とする瞬時電圧低下補償装置の放電方法。
2. 負荷に対して電力を供給する商用電源の電圧に瞬低が発生したときに、電力ラインを介して前記負荷に対して交流電力を供給する電力変換器と、
   前記電力ラインに介装された電力変換器入力遮断器と、
   前記電力変換器の直流側に電力変換器直流部スイッチを介して接続された電気二重層キャパシタと、
   キャパシタ放電用スイッチを介して前記電気二重層キャパシタに接続された放電抵抗と、
   前記電力変換器がその直流側に出力した直流電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電手段とを有する瞬時電圧低下補償装置の放電方法であって、
   前記電力変換器入力遮断器を投入し、電力変換器直流部スイッチを投入し、前記キャパシタ放電用スイッチを開放した状態で、前記電力変換器から交流電力を出力する瞬低補償動作をし、
   前記交流電力変換器から出力する交流電力が、前記商用電源の交流電力と系統連係ができない程度に、前記電気二重層キャパシタの電圧が低下したら、前記電力変換器を直流電圧一定制御の運転に変更し、
   前記電力変換器入力遮断器を開放し、電力変換器直流部スイッチを投入し、前記キャパシタ放電用スイッチを開放した状態で、前記電力変換器を自立運転することにより、前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を前記電力変換器の損失により消費し、
   電気二重層キャパシタの電圧が予め決めた電圧値まで低下したら、前記電力変換器の運転を停止し、
   次に、前記キャパシタ放電用スイッチを投入して、前記電気二重層キャパシタから前記放電抵抗に電流を流して前記電気二重層キャパシタに充電されていた電力を放電することを特徴とする瞬時電圧低下補償装置の放電方法。

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