JP4461050B2

JP4461050B2 - 電源装置及びこの電源装置を備えた無停電電源システム

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Publication number: JP4461050B2
Application number: JP2005118314A
Authority: JP
Inventors: 裕河島; 志郎杉本; 洋平垣内; 重夫長屋; 雅祐岡本
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: JP2006304400A

Description

本発明は、瞬時電圧低下や停電の発生時に電力系統の遮断を防ぐ電源装置及び無停電電源システムに関するもので、特に、フライホイール式電力貯蔵器などの電力貯蔵器及び無停電電源システムを備えた電源装置に関する。

重要負荷に商用電源からの電源供給を行うための電源装置を備えた電源システムとして、停電の発生時において負荷への電力供給が遮断されることを防ぐために、ガスエンジンやディーゼルエンジンやガスタービンなどによって駆動される発電装置が備えられているものがある。又、短時間停電や瞬低に対応した電源装置として、電力貯蔵器となるフライホイールを結合したかご型誘導電動機に保護すべき負荷を並列に接続したものがある（特許文献１参照）。

更に、上述の発電装置を備えた無停電電源システムとして、瞬低や停電の発生時において発電装置による電源供給に切り換えるまでに電力供給を一時的に行う電力貯蔵器が備えられるものがある。この電力貯蔵器として、電気エネルギーをフライホイール（はずみ車）の機械エネルギーに変換して貯蔵するフライホイール式電力貯蔵器や、固体と液体との界面に正負の電荷が蓄えられることで電力貯蔵を行う電気二重層コンデンサなどが使用されている（特許文献２参照）。

この発電装置及び電力貯蔵器を備えた電源装置による無停電電源システムの一構成例を、図５に示す。図５の無停電電源システムは、外部からの商用電源が入力されるとともに負荷１５１に給電を行う電源装置１００と、瞬低や停電発生時に駆動する発電装置１５０と、を備える。又、電源装置１００は、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２それぞれに商用電源及び発電装置１５０それぞれから電力入力され、又、出力端子ＯＵＴ１から負荷１５１に給電するとともに、出力端子ＯＵＴ２から電源装置１００を含む各部を制御する制御部１５２へ給電する。

この電源装置１００は、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２それぞれと端子ａ１，ｂ１が接続される３端子のスイッチＳＷ１と、スイッチＳＷ１の端子ｃ１と一端が接続される高速遮断スイッチＳＷ２と、スイッチＳＷ１の端子ｃ１の一端と接続されるとともに高速遮断スイッチＳＷ２をバイパスさせて出力端子ＯＵＴ１に外部より供給された電力を伝達するバイパス回路１１と、高速遮断スイッチＳＷ２及びバイパス回路１１の他端それぞれと端子ａ３，ｂ３が接続されるとともに端子ｃ３に出力端子ＯＵＴ１が接続された３端子のスイッチＳＷ３と、スイッチＳＷ３の端子ｃ３の一端に一端が接続されるとともに出力端子ＯＵＴ２に他端が接続されたスイッチＳＷ１４と、を備える。

又、この電源装置１００は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して貯蔵するフライホイール式電力貯蔵器１０２と、電力貯蔵器１０２から出力される電力の電圧変換を行うチョッパ１０３と、チョッパ１０３で電圧変換されて得た直流電力を交流電力に変換してスイッチＳＷ３の端子ａ３に供給するインバータ１０４と、スイッチＳＷ１４を介して出力端子ＯＵＴ１に供給される電力の一部が供給され交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０５と、コンバータ１０５で変換された直流電力を交流電圧に変換して電力貯蔵器１０２に供給するインバータ１０６と、を備える。

このように構成された電源装置１００を備える無停電電源システムは、起動時及び通常動作を行っているとき、図６（ａ）のように、スイッチＳＷ１の端子ａ１，ｃ１が接続されるとともに、スイッチＳＷ３の端子ａ３，ｃ３が接続されることにより、入力端子ＩＮ１に入力される商用電源からの電力が高速遮断スイッチＳＷ２を介して出力端子ＯＵＴ１に伝達される。よって、出力端子ＯＵＴ１より電力が負荷１５１に対し出力される。又、スイッチＳＷ１４がＯＮとされることで、商用電源からの電力の一部がスイッチＳＷ１４を介して、出力端子ＯＵＴ２及びコンバータ１０５に与えられる。よって、出力端子ＯＵＴ２より制御用電源電力が制御部１５２に出力される。

このとき、コンバータ１０５において交流電力が直流電力に変換された後、インバータ１０６で交流電力に変換されてフライホイール式電力貯蔵器１０２に与えられる。そして、フライホイール式電力貯蔵器１０２の発電電動機が、インバータ１０６により供給される交流電力によって電動機として動作する。即ち、フライホイール式電力貯蔵器１０２では、発電電動機の電動駆動によりその回転速度が昇速されることでエネルギーの蓄積を開始し、所定のエネルギー貯蔵に対応する定格回転に到達した後、回転損失による速度低下に対し間歇昇速することでその回転速度が定格回転数付近の一定範囲に保持される。

このようにして通常動作を行っている無停電電源システムにおいて、瞬低又は停電が発生すると、図６（ｂ）のように、高速遮断スイッチＳＷ２が遮断して入力端子ＩＮ１と出力端子ＯＵＴ１との間の接続が切断される。同時に、フライホイール式電力貯蔵器１０２において、定格回転数付近に保持された回転速度で回転している回転部が保有している慣性エネルギーを発電電動機が利用することで発電動作を行う。又、スイッチＳＷ１４がＯＦＦとされて、出力端子ＯＵＴ１から出力端子ＯＵＴ２及びコンバータ１０５への電力供給が停止される。

そして、フライホイール式電力貯蔵器１０２で発生した電力が、チョッパ１０３及びインバータ１０４を介して、スイッチＳＷ３の端子ａ３に与えられる。即ち、フライホイール式電力貯蔵器１０２で発生した交流電力が直流電力に変換された後にチョッパ１０３で変圧され、インバータ１０４で再び交流電力に変換されて、スイッチＳＷ３を介して出力端子ＯＵＴ１より負荷１５１に供給される。

又、フライホイール式電力貯蔵器１０２の発電電動機で発生した電力の一部が、インバータ１０６及びコンバータ１０５を介して、出力端子ＯＵＴ２に与えられる。即ち、コンバータ１０５及びインバータ１０６が通常動作のときと逆の動作を行うため、フライホイール式電力貯蔵器１０２で発生した交流電力がインバータ１０６で直流電力に変換された後、コンバータ１０５で再び交流電力に変換され、出力端子ＯＵＴ２より制御部１５２に供給される。

そして、更に、停電期間が長くなって停電が長期化すると、発電装置１５０を起動する。この発電装置１５０の出力が安定すると、図６（ｃ）のように、スイッチＳＷ１において端子ｂ１，ｃ１への接続に切り換え、インバータ１０６の出力電圧、周波数、位相を発電装置の出力に合わせた後、高速遮断スイッチＳＷ２を接続する。その後、インバータ１０６の出力電力を絞ることにより、入力端子ＩＮ２に入力される発電装置１５０で発生された電力が、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を介して出力端子ＯＵＴ１に伝達され、負荷１５１に出力される。

又、このとき、スイッチＳＷ１４をＯＮとすることにより、この発電装置１５０で発生された電力の一部が出力端子ＯＵＴ２及びコンバータ１０５に与えられる。更に、チョッパ１０３及びインバータ１０４の動作が停止される。即ち、発電装置１５０で発生した電力によって、負荷１５１及び制御部１５２それぞれに出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を通じて電力供給されるとともに、インバータ１０６により、フライホイール式電力貯蔵器１０２における電力貯蔵が行われる。

その後、商用電源が復電すると、図６（ｂ）の状態として、フライホイール式電力貯蔵器１０２の発電電動機を発電機として使用することで、負荷１５１及び制御部１５２への電力供給を行い、発電装置１５０を停止させる。その後、スイッチＳＷ１の端子ａ１，ｃ１を接続するとともに高速遮断スイッチＳＷ２及びスイッチＳＷ１４をＯＮとした図６（ａ）の状態として、商用電源からの電力を負荷１５１及び制御部１５２へ供給するとともに、次の瞬低又は停電に備え、フライホイール式電力貯蔵器１０２における電力貯蔵を行う。
特開２００３−２３５１７９号公報特開２００１−６１２３８号公報

上述の図５に示す構成の無停電電源システムによると、発電装置１５０を用いることで、長期間の停電での電力供給を行うことができるが、この発電装置１５０として例えばガスエンジンを使用した場合、ガスエンジンを起動してから負荷１５１への電源供給を行うまでに約２０〜４０秒の時間を要していた。即ち、発電装置１５０の起動から実際の電力供給までに、ある程度の時間が必要なことより、この時間を考慮した制御を行う必要がある。又、この発電装置１５０においては、一定電力状態では安定供給することが可能であるが、負荷変動に対する追随性が悪いために、高負荷になったときなどにおいて、発電装置の異常発生や負荷出力に対し電力供給不足になることがある。更に、発電装置は広範な負荷対応とした場合、効率の低下や、排気ガス中の有害物質増加の問題がある。

このような問題を鑑みて、本発明は、停電時の発電装置による電力供給までの時間が短縮されるとともに負荷変動に対する、発電装置の負荷変化の時間割合の低減や、発電装置の負荷変化対応範囲を狭くすることへの対応が可能な電源装置及び無停電電源システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電源装置は、商用電源が入力される第１入力端子と、発電装置に接続された第２入力端子と、前記第１及び第２入力端子から入力される電力を選択する入力切換スイッチと、負荷へ電力を供給する出力端子と、前記入力切換スイッチと前記出力端子との間の電気的な接離を行う高速遮断スイッチと、を備える電源装置において、前記第１又は第２入力端子から入力される電力の一部を貯蔵する電力貯蔵器と、前記電力貯蔵器と前記出力端子との間での電力交換を行う第１電力変換器と、前記電力貯蔵器と前記第２入力端子との間での電力交換を行う第２電力変換器と、を備え、通常動作において、前記入力切換スイッチによって前記第１入力端子が選択されるとともに前記高速遮断スイッチが接続されて、前記商用電源による電力が前記負荷へ前記出力端子を介して供給されるとともに前記商用電源による電力の一部が前記第１電力変換器を介して前記電力貯蔵器に与えられて貯蔵され、瞬低又は停電発生時において、前記高速遮断スイッチが遮断されて、前記電力貯蔵器で貯蔵された電力が前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられることで前記負荷への電力供給が成され、停電が長期化したときには、まず、前記電力貯蔵器で貯蔵された電力が前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられるとともに前記第２電力変換器を介して前記第２入力端子に与えられることで、前記負荷への電力供給が成されるとともに前記発電装置の駆動開始を補助した後、前記発電装置から電力出力されると、前記発電装置からの電力が前記出力端子に与えられることで、前記負荷への電力供給が成される構成とされており、停電が長期化したときにおいて、前記発電装置から電力出力されるとき、まず、前記第２入力端子へ入力されるとともに前記第２電力変換器を介して与えられる前記発電装置からの電力と前記電力貯蔵器からの電力とが前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられることで、前記負荷への電力供給が成され、前記発電装置からの電力が十分に上昇安定すると、前記入力切換スイッチによって前記第２入力端子と前記高速遮断スイッチとが電気的に接続されるとともに前記高速遮断スイッチが接続された後、前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられる電力を低減させることで、前記発電装置からの電力が前記高速遮断スイッチを介して前記出力端子に与えられて、前記負荷への電力供給が成されることを特徴とする。

このとき、又、停電が長期化したときにおいて、前記発電装置からの電力が前記高速遮断スイッチを介して前記出力端子に与えられるとき、前記発電装置からの電力の一部が前記第１電力変換器を介して前記電力貯蔵器に与えられて貯蔵される。更に、前記第２入力端子と前記第２電力変換器との間にスイッチが設けられ、前記発電装置からの電力の周波数や電圧が安定した許容範囲にあるとき、前記スイッチを切断するようにしても構わない。

前記電力貯蔵器が、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して貯蔵するフライホイール式電力貯蔵器と、前記フライホイール式電力貯蔵器と前記第１及び第２電力変換器との間における電力の変換を行う第３電力変換器と、から構成されるものとしても構わない。又、前記第１〜第３電力変換器が直流電力と交流電力との間で電力変換するインバータであっても構わない。更に、前記第１〜第３電力変換器の間に前記第１〜第３電力変換器それぞれから出力される直流電圧を平滑するためのコンデンサを備えるものとしても構わない。更に、前記第１電力変換器が高調波を抑制するアクティブフィルタや無効電力補償器として働く機能を備えるものとしても構わない。又、以下の発明を実施するための最良の形態において、「出力インバータ」が「第１電力変換器」を、「起動用インバータ」が「第２電力変換器」を、「充放電インバータ」が「第３電力変換器」を、それぞれ表す。

又、本発明の無停電電源システムは、外部から供給される商用電源と、非常時において電力発生する発電装置と、前記商用電源からの電力及び前記発電装置からの電力のいずれかを選択して負荷に電力供給する電源装置と、を備える無停電電源システムにおいて、前記電源装置が上述のいずれかの電源装置であることを特徴とする。

このような無停電電源システムにおいて、前記発電装置が、ガスエンジンやガスタービンやディーゼルエンジンにより回転駆動することで発電動作を行うものとしても構わない。又、前記発電装置が、起動開始時において、前記商用電源からの電力に基づいて電動機として動作することで、回転駆動が開始されるものとしても構わない。更に、前記発電装置と前記商用電源とを連係させて動作させるとともに、前記発電装置の電力と前記商用電源の電力とを合成して前記電源装置に入力するものとしても構わない。

本発明によると、発電装置と電力貯蔵器との間に第２電力変換器を設置して、発電装置を起動するときに、第２電力変換器を介して電力貯蔵器からの電力が発電装置に供給される。よって、発電装置が電力貯蔵器からの電力に基づいて電動機として動作することで、発電装置の起動時間を短縮することができる。又、発電装置からの電力が不安定な状態において、発電装置の電力と電力貯蔵器の電力とを合成して負荷に供給するため、負荷に対して安定した電力を供給することができる。

更に、電力貯蔵器をフライホイール発電電動機とすることによって、装置の劣化や交換が不要となるため、長寿命で信頼性が高い装置とすることができるとともに、そのメンテナンスに優れたものとすることができる。又、交換などにより廃棄物を出すことがないので、環境への影響を低くすることができる。又、通常時に、電力貯蔵器の電力によって発電装置や商用電力からの電力供給量を補填することができるため、発電装置や商用電源の電力供給量の平準化や、急激な負荷変動を抑制することができ、系統の変動による負荷機器での異常発生防止や、発電装置における軸系破損などの故障を防止することができる。

本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。図１は、本実施形態における無停電電源システムの構成を示すブロック図である。尚、図１において、図５における無停電電源システムと同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１の無停電電源システムは、外部からの商用電源が入力されるとともに負荷１５１に給電を行う電源装置１と、商用電源を変圧する変圧器２と、瞬低や停電時の非常用電源となる発電装置３と、を備えた構成となる。即ち、通常動作時には、電源装置１によって変圧器２で変圧された商用電源による電力が負荷１５１及び制御部１５２に出力されるとともに、瞬低又は停電の発生時には、電源装置１で貯蔵された電力が一時的に負荷１５１及び制御部１５２に出力される。そして、停電が長期化すると、発電装置３を駆動させるとともに、この発電装置３で発生した電力を電源装置１が選択して負荷１５１及び制御部１５２に出力する。

この無停電電源システムにおける電源装置１は、変圧器２及び発電装置３それぞれと接続された入力端子ＩＮ１，ＩＮ２と、負荷１５１及び制御部１５２それぞれと接続された出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と、高速遮断スイッチＳＷ２との接続を入力端子ＩＮ１，ＩＮ２の間で切り換えるスイッチＳＷ１と、スイッチＳＷ１と接続されるとともに瞬低又は停電が発生するとスイッチＳＷ１の端子ｃ１とスイッチＳＷ２の端子ａ３との間の電気的な接続を遮断する高速遮断スイッチＳＷ２と、この高速遮断スイッチＳＷ２をバイパスするためのバイパス回路１１と、出力端子ＯＵＴ１との接続を高速遮断スイッチＳＷ２及びバイパス回路１１の間で切り換えるスイッチＳＷ３と、入力端子ＩＮ２と一端が接続されるスイッチＳＷ４と、を備える。

又、この電源装置１は、電力貯蔵を行うとともに貯蔵した電力を発電電動機により電力供給を行うフライホイール式電力貯蔵器１２と、直流電力を交流電力に変換してフライホイール式電力貯蔵器１２の発電電動機に供給するとともにフライホイール式電力貯蔵器１２の発電電動機からの交流電力を直流電力に変換する充放電インバータ１３と、充放電インバータ１３と接続されるコンデンサ１４と、コンデンサ１４からの直流電力を交流電力に変換して出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に与える出力インバータ１５と、コンデンサ１４とスイッチＳＷ４との間に接続された起動用インバータ１６と、を備える。

尚、充放電インバータ１３、出力インバータ１５、及び、起動用インバータ１６はそれぞれ、直流電力を交流電力に変換するとともに交流電力を直流電力に変換する双方向に電力変換可能な双方向インバータである。又、出力端子ＯＵＴ２及び出力インバータ１５がスイッチＳＷ３の端子ａ３に接続されるとともに、出力端子ＯＵＴ１がスイッチＳＷ３の端子ｃ３に接続される。

更に、発電装置３は、電力を発生する発電機３１と、発電機３１を回転駆動させるガスエンジン３２と、発電機３１の出力電圧制御を行うための励磁電流を発生する励磁装置３３と、発電機３１を電動機として動作させるために励磁装置３３の動作制御を行う電動設定部３４と、発電機３１からの出力電圧を一定に保持するために励磁装置３３の動作制御を行うＡＶＲ（Auto Voltage Regulator）３５と、電動設定部３４及びＡＶＲ３５それぞれからの制御信号を選択して励磁装置３３に与える励磁制御切換部３６と、を備える。

このような構成の電源装置１及び発電装置３を備える無停電電源システムの動作について、図２及び図３を参照して以下に説明する。

１．通常動作時
まず、図１の無停電電源システムが通常動作を行っているときの各部の動作について、説明する。このとき、図２（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１の端子ａ１，ｃ１が接続されるとともに、スイッチＳＷ３の端子ａ３，ｃ３が接続されるため、変圧器２で変圧された商用電源による交流電圧が入力端子ＩＮ１に入力されると、接続された状態にある高速遮断スイッチＳＷ２を通じて出力端子ＯＵＴ１に伝達される。よって、出力端子ＯＵＴ１より負荷１５１に対して、入力端子ＩＮ１に供給される商用電源の電力に基づく電力供給が成される。

又、出力端子ＯＵＴ１に与えられる電力の一部が出力インバータ１５及び出力端子ＯＵＴ２にも与えられる。よって、出力端子ＯＵＴ２より制御部１５２に対して、入力端子ＩＮ１に供給される商用電源の電力に基づく電力供給が成される。更に、出力インバータ１５において高速遮断スイッチＳＷ２を通じて与えられる交流電力が直流電力に変換されてコンデンサ１４に供給されると、平滑化された直流電力が充放電インバータ１３に与えられる。そして、充放電インバータ１３で交流電力に再度変換された後、フライホイール式電力貯蔵器１２の発電電動機に供給される。このとき、フライホイール式電力貯蔵器１２では、内部に備える発電電動機が電動機として動作して、同様に内部に備えられるフライホイールを回転させることで、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して貯蔵する。

このような動作を行うとき、無停電電源システムの起動時においては、フライホイール式電力貯蔵器１２に与えられる交流電力の周波数及び電圧が上昇することで、フライホイール式電力貯蔵器１２における発電電動機によるフライホイールの回転速度を昇速することで、昇速充電する。その後、フライホイール式電力貯蔵器１２において、回転損失によるフライホイールの回転速度低下に対して、間歇昇速させることでフライホイールの回転速度を一定範囲に保持して、略一定の電気エネルギーを機械エネルギーとして貯蔵された状態とする。

２．瞬低又は停電発生時
このように通常動作を行っているとき、商用電源に瞬低又は停電が発生すると、図２（ｂ）のように、高速遮断スイッチＳＷ２が遮断されて、スイッチＳＷ１，ＳＷ３間の電気的接続が切断されることで、入力端子ＩＮ１と出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２との間が電気的に切断される。このとき、スイッチＳＷ３は、端子ａ３，ｃ３が接続された状態である。そして、フライホイール式電力貯蔵器１２において、フライホイールの慣性質量が回転することにより貯蔵された機械エネルギーにより、フライホイール式電力貯蔵器１２内の発電電動機を発電機として駆動させる。よって、フライホイール式電力貯蔵器１２の発電電動機より電力が出力される。

そして、フライホイール式電力貯蔵器１２から出力される電力が充放電インバータ１３で直流電力に変換され、コンデンサ１４で平滑された後、出力インバータ１５に与えられることで、再度、交流電力に変換される。そして、出力インバータ１５で変換されて得られた交流電力が出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に供給されることで、フライホイール式電力貯蔵器１２からの電力が出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２それぞれに接続された負荷１５１及び制御部１５２に供給される。

３．停電長期化
又、瞬低又は停電が発生してから長時間経過し、停電が長期化すると、図２（ｃ）のように、スイッチＳＷ３の端子ａ３，ｃ３が接続されるとともに高速遮断スイッチＳＷ２をＯＦＦとした状態で、スイッチＳＷ４をＯＮとして入力端子ＩＮ２と起動用インバータ１６とを接続する。又、励磁制御切換部３６によって電動設定部３４からの制御信号が選択されて励磁装置３３に与えられることで、発電機３１が電動機として動作するように励磁制御される。又、フライホイール式電力貯蔵器１２における発電電動機が発電機として動作するため、フライホイール式電力貯蔵器１２から発生した電力が負荷１５１及び制御部１５２に与えられている。

このとき、フライホイール式電力貯蔵器１２から発生した電力の一部が、コンデンサ１４における直流電力を起動用インバータ１６において交流電力として変換することで、入力端子ＩＮ２を通じて発電機３１に出力され、発電機３１が電動機として回転駆動する。このようにすることで、発電機３１の回転エネルギーをガスエンジン３２に伝達して、ガスエンジン３２が短時間で起動するように補助される。そして、ガスエンジン３２の回転数が上昇し、電動機として動作していた発電機３１が発電機として動作し、その出力が大きくなると、図３（ａ）のように、励磁制御切換部３６によってＡＶＲ３５からの制御信号が選択されて励磁装置３３に与えられる。

よって、発電機３１で発生した交流電力が入力端子ＩＮ２を介して起動用インバータ１６で直流電力に変換されて、コンデンサ１４に与えられる。そして、コンデンサ１４では、発電機３１からの電力とフライホイール式電力貯蔵器１２からの電力とが合成される。このコンデンサ１４で合成されて得られた直流電力が出力インバータ１５で交流電力に変換されて出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に与えられる。

即ち、発電装置３で発生した電力とフライホイール式電力貯蔵器１２で発生した電力が合成されて得られる電力が、負荷１５１及び制御部１５２に供給される。このとき、発電装置３で生成された不安定な状態の電力がコンデンサ１４でフライホイール式電力貯蔵器１２からの電力と合成された後に出力インバータ１５を通じて電力供給されるため、負荷１５１及び制御部１５２に対して、電圧及び周波数が一定で不足の無い安定な電力として供給することができる。又、起動用インバータ１６の通過電力制御により、発電装置３のガスエンジン３２が安定に昇速できるとともに、過負荷で停止しない範囲で最大出力を確保することができる。

そして、ガスエンジン３２の回転数が定格回転数付近となって安定な状態となるとともに、発電機３１による発生電力がその電圧及び周波数がほぼ一定となる安定状態となると、図３（ｂ）のように、スイッチＳＷ１の端子ｂ１，ｃ１を接続するとともに高速遮断スイッチＳＷ２を接続する。このようにすることで、発電装置３で発生した電力が、入力端子ＩＮ２、スイッチＳＷ１，ＳＷ３、及び、高速遮断スイッチＳＷ２を通じて出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に与えられる。そして、出力インバータ１５及び起動用インバータ１６の動作を制御することによって、起動用インバータ１６に供給される発電装置３からの電力を小さくするとともに、出力インバータ１５を通じて供給される電力を小さくして、高速遮断スイッチＳＷ２を通じて与えられる発電装置３からの電力を大きくする。

その後、図３（ｃ）のように、スイッチＳＷ４をＯＦＦとして、入力端子ＩＮ２と起動用インバータ１６との電気的接続を切断する。よって、発電装置３からの電力が、高速遮断スイッチＳＷ２を通じて、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に与えられて負荷１５１及び制御部１５２に供給される。又、この発電装置３からの電力の一部が、高速遮断スイッチＳＷ２を通じて、出力インバータ１５に与えられるため、コンデンサ１４及び充放電インバータ１３を介してフライホイール式電力貯蔵器１２の発電電動機に電力供給される。そして、フライホイール式電力貯蔵器１２において、与えられた電力量に対応する機械エネルギーが貯蔵される。

このようにして、発電装置３からの電力によって、負荷１５１及び制御部１５２に対する電力供給が行われているとき、発電装置３における出力変動が生じたときや負荷１５１における負荷変動が生じると、フライホイール式電力貯蔵器１２における発電電動機が発電機又は電動機として動作する。よって、このフライホイール式電力貯蔵器１２からの正負の変動電力が、充放電インバータ１３、コンデンサ１４、及び出力インバータ１５を介して出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に与えられ、発電装置３からの電力を補うことで、負荷変動補償が成される。

４．復電時
更に、商用電源が瞬低及び停電から復帰したとき、高速遮断スイッチＳＷ２が接続されているときは、この高速遮断スイッチＳＷ２を遮断し、又、スイッチＳＷ４がＯＮであるときは、スイッチＳＷ４をＯＦＦとして、図２（ｂ）のような状態とする。即ち、商用電源に瞬低又は停電が発生したときと同様の状態にすることで、フライホイール式電力貯蔵器１２からの電力を負荷１５１及び制御部１５２に供給する。このとき、発電装置３が駆動しているときは、ガスエンジン３２の駆動を停止して、発電装置３の運転を停止させる。その後、スイッチＳＷ１の端子ａ１，ｃ１を接続することで、入力端子ＩＮ１と高速遮断スイッチＳＷ２との間を電気的に接続するとともに、スイッチＳＷ２をＯＮとし、通常動作時と同様、図２（ａ）のような状態にすることで、商用電源からの電力を負荷１５１及び制御部１５２に供給する。

図１の無停電電源システムが上述のようにして動作するとき、出力インバータ１５を、電源に発生する高調波を抑制するためのアクティブフィルタや無効電力補償装置として動作させることができる。又、発電装置及び商用電源のいずれか又は両者による電力供給状態に対し、負荷変動の電力をフライホイール式電力貯蔵器の電力により補償することにより、供給変化速度の低減や供給量の平準化を実施させる。

尚、本実施形態において、フライホイール発電電動機によって電力貯蔵を行うものとしたが、この電力貯蔵を行うものとして、超電導線材を巻いて製作したコイルに電流を通電しループさせて磁場を発生させることでエネルギーを貯蔵するＳＥＭＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage）や、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチュームイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の各種二次電池や、多孔質の活性炭電極と電解液の境界に形成される数十ｎｍ(ナノメートル)の電気二重層を誘電部とする大容量コンデンサを構成する電気二重層コンデンサなどの他構成の電力貯蔵器を用いるものとしても構わない。又、発電装置についてガスエンジンを備えるものとしたが、この発電装置が、ガスエンジン以外のガスタービンやディーゼルエンジンなどの他の駆動装置を備え、この駆動装置によって発電機が回転駆動されるものであっても構わない。

更に、本システムは、瞬低や停電時の対応だけでは無く、独立した電源系における、負荷変化時の発電装置の台数増加対応や発電装置の故障機発生時の予備機立ち上げを自動で効率良く実施する事にも役立たせることが出来る。又、無停電電源システムの構成を図４の構成のようにして、変圧器２と発電装置３との間に、通常動作時に発電装置３を動作させて商用電源による電力と発電装置３による電力とを合成させる系統連係装置４が備えられるものとしても構わない。この図４のような構成としたとき、瞬低や停電が発生すると、系統連係装置４に備えられた不図示のスイッチが遮断されることによって変圧器２と発電装置３との間の電気的な接続が切断される。

は、本発明の実施形態における無停電電源システムの構成を示すブロック図である。は、図１の無停電電源システムの動作を説明するための図である。は、図１の無停電電源システムの動作を説明するための図である。は、本発明の実施形態における無停電電源システムの別の構成を示すブロック図である。は、従来の無停電電源システムの構成を示すブロック図である。は、図５の無停電電源システムの動作を説明するための図である。

符号の説明

１電源装置
２変圧器
３発電装置
１１バイパス回路
１２フライホイール式電力貯蔵器
１３充放電インバータ
１４コンデンサ
１５出力インバータ
１６起動用インバータ
３１発電機
３２ガスエンジン
３３励磁装置
３４電動設定部
３５ＡＶＲ
３６励磁制御切換部
ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４スイッチ
ＳＷ２高速遮断スイッチ

Claims

商用電源が入力される第１入力端子と、発電装置に接続された第２入力端子と、前記第１及び第２入力端子から入力される電力を選択する入力切換スイッチと、負荷へ電力を供給する出力端子と、前記入力切換スイッチと前記出力端子との間の電気的な接離を行う高速遮断スイッチと、を備える電源装置において、
前記第１又は第２入力端子から入力される電力の一部を貯蔵する電力貯蔵器と、
前記電力貯蔵器と前記出力端子との間での電力交換を行う第１電力変換器と、
前記電力貯蔵器と前記第２入力端子との間での電力交換を行う第２電力変換器と、
を備え、
通常動作において、前記入力切換スイッチによって前記第１入力端子が選択されるとともに前記高速遮断スイッチが接続されて、前記商用電源による電力が前記負荷へ前記出力端子を介して供給されるとともに前記商用電源による電力の一部が前記第１電力変換器を介して前記電力貯蔵器に与えられて貯蔵され、
瞬低又は停電発生時において、前記高速遮断スイッチが遮断されて、前記電力貯蔵器で貯蔵された電力が前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられることで前記負荷への電力供給が成され、
停電が長期化したときには、
まず、前記電力貯蔵器で貯蔵された電力が前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられるとともに前記第２電力変換器を介して前記第２入力端子に与えられることで、前記負荷への電力供給が成されるとともに前記発電装置の駆動開始を補助した後、
前記発電装置から電力出力されると、前記発電装置からの電力が前記出力端子に与えられることで、前記負荷への電力供給が成される構成とされており、
停電が長期化したときにおいて、前記発電装置から電力出力されるとき、
まず、前記第２入力端子へ入力されるとともに前記第２電力変換器を介して与えられる前記発電装置からの電力と前記電力貯蔵器からの電力とが前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられることで、前記負荷への電力供給が成され、
前記発電装置からの電力が十分に上昇安定すると、前記入力切換スイッチによって前記第２入力端子と前記高速遮断スイッチとが電気的に接続されるとともに前記高速遮断スイッチが接続された後、前記第１電力変換器を介して前記出力端子に与えられる電力を低減させることで、前記発電装置からの電力が前記高速遮断スイッチを介して前記出力端子に与えられて、前記負荷への電力供給が成されることを特徴とする電源装置。
停電が長期化したときにおいて、前記発電装置からの電力が前記高速遮断スイッチを介して前記出力端子に与えられるとき、前記発電装置からの電力の一部が前記第１電力変換器を介して前記電力貯蔵器に与えられて貯蔵されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記電力貯蔵器が、電気エネルギーを発電電動機で機械エネルギーに変換して貯蔵するフライホイール式電力貯蔵器と、前記フライホイール式電力貯蔵器と前記第１及び第２電力変換器との間における電力の変換を行う第３電力変換器と、から構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。
外部から供給される商用電源と、非常時において電力発生する発電装置と、前記商用電源からの電力及び前記発電装置からの電力のいずれかを選択して負荷に電力供給する電源装置と、を備える無停電電源システムにおいて、
前記電源装置が請求項１から請求項３のいずれかに記載の電源装置であることを特徴とする無停電電源システム。
前記発電装置が、動力を発生する回転機と、該回転機が回転駆動して与えられた動力に基づいて発電動作を行う発電機と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の無停電電源システム。
前記発電機が発電電動機であるとともに、前記発電装置の起動開始時において、前記商用電源からの電力に基づいて電動機として動作することで、前記回転機の回転駆動が開始されることを特徴とする請求項５に記載の無停電電源システム。