JP4630433B2

JP4630433B2 - High efficiency uninterruptible power supply

Info

Publication number: JP4630433B2
Application number: JP2000263099A
Authority: JP
Inventors: 俊之伊藤; 勇公池田; 正憲九鬼; 央忠菊沢; 政人渡邉; 正徳矢吹
Original assignee: Toshiba Corp; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2002078240A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力を一度直流電力に変換し、その直流電力を再び交流電力に逆変換する高効率無停電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、コンピュータや医療用機器などの負荷には、商用系統の停電による影響を受けない高品質な電力を供給することが望まれている。高品質電力を供給する無停電電源装置として、ＣＶＣＦ装置あるいはＵＰＳ電源装置と呼ばれる無停電電源装置が広く採用されている。この無停電電源装置は、交流系統からの交流電力をいったん直流電力に変換し、その直流電力を再び交流電力に逆変換してから負荷に与えるようになっており、電圧や周波数を整えた安定した電力を供給することができる。また、蓄電装置を組み合わせて直流電力の一部を蓄えることもでき、交流系統が停電した場合には蓄電装置が放電して負荷に電力を供給できる。急速な進歩を遂げる近年の高度情報化社会では、安定且つ無停電な高品質電力に対する需要がますます増大しており、高品質電力を供給する無停電電源装置に高い関心が集まっている。
【０００３】
ここで、図４を参照してＣＶＣＦ無停電電源装置の従来例について具体的に説明する。無停電電源装置には、交流電力を直流電力に変換するコンバータ２と、直流電力を再び交流電力に変換するインバータ３とが設けられている。コンバータ２とインバータ３との間である直流部分には蓄電装置としてバッテリー５が接続されている。また、コンバータ２には商用の交流系統１が接続され、インバータ３にはコンピュータなどの独立負荷４が接続されている。
【０００４】
以上の構成を有する無停電電源装置では、コンバータ２が交流系統１から交流電力を取り入れて直流電力に変換し、その一部をインバータ３に送り、残りをバッテリー５に送る。インバータ３は直流電力を再び交流電力に変換し、これを独立負荷４に供給する。また、交流系統１に異常が生じた場合には、バッテリー５が蓄えていた直流電力を放電してインバータ３に出力することにより、独立負荷４への電力供給が可能となる。このような無停電電源装置によれば、交流系統１の影響を受けない高品質電力を無停電で供給し続けることができる。
【０００５】
また、特許文献１のように、交流系統が長時間停止した場合に、バックアップ用蓄電設備の容量増加または非常用発電機を設置する代わりに、太陽光発電設備を設置し、バックアップ電源とする発明が従来から提案されている。さらに、特許文献２のように、交流系統の停電時に、燃料電池からの電力を負荷に供給する発明も提案されている。また、特許文献３の発明のように、常時は太陽電池のような直流発電装置を使用し、夜間などの直流発電装置の出力が失われた場合には、交流系統からの電力を負荷に供給するものも知られている。
【特許文献１】
特開２０００−１０２１９６号公報
【特許文献２】
実開平４−１１１２４７号公報
【特許文献３】
特開昭５７−１１９６３３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記無停電電源装置では、交流系統１から独立負荷４に電力を供給するまでに、コンバータ２における交流電力から直流電力への変換と、インバータ３における直流電力から交流電力への逆変換という２度の変換を行っている。このため、約１０％の電力ロスが発生していた。つまり従来では、商用系統が停電した場合に備えて常時１０％余分に電力を浪費していた。
【０００７】
また、商用の交流系統１の停電が万が一長期化した場合を想定して、バックアップ用の発電機を別途準備しておく必要があった。このバックアップ用の発電機は普段は使用されないが緊急時には所定の時間内に立ち上がらなくては意味がない。そこで、利用率がほぼ０の機器に対して常時メンテナンスや起動確認試験を実施していた。このように従来の無停電電源装置では、電力ロスが大きい点と、バックアップ用発電機にかかるコストがかさむ点とが問題となっていた。
【０００８】
特許文献１に記載の発明のように、バックアップ電源として太陽光発電設備を設置した場合は、バックアップ可能な状況は太陽光発電設備が発電可能な日中のみであり、夜間に長時間停電が発生した場合は太陽光発電設備によるバックアップができず、蓄電装置の電力不足と同時に負荷への給電が停止する。また、日中においても、日射量の変動により発電出力が変動するため、負荷への供給能力が不足する場合があるという課題があった。なお、太陽光発電設備をバックアップ電源とした場合は、設備利用率が低いにもかかわらず、常時メンテナンスが必要となり、設備維持のコストが増大する点も問題となっていた。
【０００９】
一方、特許文献２の発明のように、常時は交流系統の電力を負荷に供給し、交流系統の故障時や停電時に燃料電池からの電力を負荷に供給するものは、燃料電池はその起動・停止に時間がかかるため、交流系統の停電時などに直ちに燃料電池側から電力を負荷に供給することができないという問題があった。また、燃料電池の運転を継続させるために、独立負荷以外に、発電電力を消費する為の負荷を接続する必要があった。更に、交流系統が正常な時は、常時発電中の燃料電池から独立負荷へは電力を供給しないため、燃料電池は常時部分負荷での運転を行う必要があり、高効率の定格運転ができないという課題があった。
【００１０】
また、特許文献３の発明は、直流発電装置と交流系統の２系統から電力を供給する場合に、どのようにして効率よく直流発電装置を運転するかという技術を開示するものに止まり、連続して運転する直流発電装置を主体として負荷を運転する場合に、負荷の変動や交流系統の停電時において適切に対処する高効率無停電電源装置を提供するものではなかった。
【００１１】
本発明は、以上の問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、電力ロスを少なくして消費電力効率の向上を図ると共に、バックアップ用発電機にかかるコストを削減して経済的に優れた高効率無停電電源装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、交流系統からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにて変換された直流電力を交流電力に逆変換するインバータとを備え、前記インバータに負荷を接続して該負荷に交流電力を供給する高効率無停電電源装置において、次のような技術的な特徴を有している。
【００１３】
請求項１の発明は、
交流系統からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにて変換された直流電力を交流電力に逆変換するインバータとを備え、前記インバータの出力側に交流系統の停電による影響を受けない高品質な電力を供給すべき負荷を接続して該負荷に交流電力を供給する高効率無停電電源装置において、
前記コンバータとインバータの間の直流部分には、前記インバータに対し直流電力を常に連続的に出力する直流発電装置と、前記コンバータにて変換された直流電力を蓄える蓄電装置を設け、
この直流発電装置により交流系統からの電力の供給の有無にかかわらず前記負荷を連続的に駆動すると共に、
前記負荷が直流発電装置の能力を上回った場合であってしかも交流系統が停電でない場合には、この交流系統からの電力を前記コンバータ及びインバータを介して、前記直流発電装置からの電力とともに前記負荷に供給し、
前記負荷が前記直流発電装置の出力を下回った場合には前記コンバータの運転方向を逆にして余剰電力分を前記交流系統に供給し、
前記蓄電装置を直流発電装置または交流系統からの電力により充電することを特徴とする。
【００１４】
このような構成を有する請求項１の発明では、通常時は直流発電装置がインバータに直流電力を出力し、インバータから負荷に交流電力を供給する。そして、一時的な負荷のアンバランスや負荷に対する不足電力分がある場合のみ、コンバータにて変換した直流電力を使用する。すなわち請求項１の発明においては、直流発電装置が主たる電力供給源となり、交流系統からコンバータを経由してインバータに送る直流電力を少なくすることができる。したがって、コンバータにおける交流電力から直流電力への変換を抑制でき、電力ロスの発生を減らすことが可能である。
【００１５】
また、交流系統の停電の有無に関係なく、直流発電装置がインバータに直流電力を連続的に出力するため、非常時のバックアップ用発電機は不要となる。これにより、バックアップ用発電機のメンテナンスや起動確認試験にかかるコストを削減することができ、経済的に有利となる。更に、前記コンバータとインバータの間の直流部分に、直流発電装置と共に蓄電装置を設けることで、この蓄電装置により直流発電装置の電力不足分や交流系統の停電時における電力不足分を補うことができ、無停電電源装置としても優れている。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の高効率無停電電源装置において、前記直流発電装置に直流−直流変換器を接続したことを特徴とする。
【００１７】
以上の構成を有する請求項２の発明では、直流−直流変換器により直流発電装置からの出力を任意の値に制御することが可能となる。また、負荷端での短絡事故による直流発電装置の過負荷や、過渡的な直流発電装置への逆充電を防止することができる。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２記載の高効率無停電電源装置において、前記直流−直流変換器は前記直流発電装置の出力を一定に制御し、前記負荷が前記直流発電装置の出力を上回った場合には不足電力分を前記コンバータおよび前記蓄電装置の少なくとも一方から補給して前記負荷に交流電力を供給するように構成したことを特徴とする。
【００１９】
上記の構成を有する請求項３の発明では、負荷が変動した場合には、直流発電装置の出力と負荷との過不足分を、コンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が吸収あるいは補給する。このため、直流−直流変換器は直流発電装置の出力を一定に制御できる。したがって、直流発電装置の運転電流を定格負荷点近傍に常時維持することができ、直流発電装置は高い発電効率を得ることができる。
【００２０】
また、負荷が直流発電装置の出力を下回っているときには、直流発電装置からの出力のみを負荷に供給するので、コンバータにおける交流電力から直流電力への変換を実施しない。これにより変換する際の電力ロスを減らすことができる。一方、負荷が直流発電装置の出力を上回れば、コンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が不足電力分を補給するため、負荷への電力の安定供給が可能となる。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項３記載の高効率無停電電源装置において、前記直流−直流変換器の出力を電流制御とし、前記コンバータの出力を電圧制御としたことを特徴とするものである。
【００２２】
このような構成を有する請求項４の発明では、電流制御である直流−直流変換器は、直流発電装置から発生する直流電流が一定の値となるように直流発電装置を制御する。したがって、負荷が直流発電装置の出力を下回った場合には直流電圧が上昇し、逆に、負荷が直流発電装置の出力を上回った場合には直流電圧が低下する。一方、コンバータは電圧制御であるため直流電圧が常に一定になるように制御することができる。したがって、負荷が直流発電装置の出力を下回って直流電圧が上昇した場合には、直流電圧が低下するようにコンバータは運転方向を逆にして直流電圧の一部を交流に変換し、これを交流系統側に逆潮流させる。反対に、負荷が直流発電装置の出力を上回って直流電圧が低下した場合には、直流電圧が上昇するようにコンバータは交流電力から直流電力への変換量を増やし、コンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が電力を出力して不足電力分を補うことができる。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項２記載の高効率無停電電源装置において、前記負荷が前記直流発電装置の出力範囲内であれば前記直流−直流変換器は前記直流発電装置の出力を前記負荷に追従するように制御し、
前記負荷が前記直流発電装置の出力範囲を越えた場合には不足電力分を前記コンバータおよび前記蓄電装置の少なくとも一方から補給して前記負荷に交流電力を供給するように構成したことを特徴とする。
【００２４】
上記の構成を有する請求項５の発明では、負荷の変動が直流発電装置の出力範囲内であれば直流−直流変換器の制御により直流発電装置の出力を負荷に合わせることができる。つまり、直流発電装置は常に必要とされる分だけの直流電力を出力することができ、発電効率を高めることができる。また、直流発電装置の出力範囲内ではコンバータにおける交流電力から直流電力への変換を実施しないので、変換する際の電力ロスは軽減する。一方、負荷が直流発電装置の出力範囲を越えた場合には不足電力分をコンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方から補給するので、高品質な電力を負荷に安定して供給することができる。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項５記載の高効率無停電電源装置において、前記直流−直流変換器の出力を電圧制御としたことを特徴とするものである。
【００２６】
このような構成を有する請求項６の発明では、直流−直流変換器は電圧制御であるため、直流発電装置の出力電圧が常に一定になるように制御することができる。したがって、負荷が直流発電装置の出力範囲内において、負荷が直流発電装置の出力を下回れば直流電圧が上昇するので直流発電装置の発電出力が減少し、逆に、負荷が直流発電装置の出力を上回れば直流電圧が低下するので直流発電装置の発電出力が増大する。さらに負荷が直流発電装置の出力範囲を越えて増えた場合にはコンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が電力を出力して電圧を回復させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（１）第１の実施の形態
［構成］
請求項１、２、３、４記載の発明に対応する第１の実施の形態について、図１および図２に従って以下に説明する。図１は第１の実施の形態の構成図、図２はコンバータ２の制御ブロック図である。なお、図４に示した従来技術と同様の部分は同一の符号を付して説明は省略する。
【００２８】
図１に示すように、コンバータ２とインバータ３との間である直流部分にはインバータ３に対し直流電力を連続的に出力する直流発電装置７が直流−直流コンバータ６を介して接続されている。また、直流部分には高効率無停電電源装置の直流電圧を計測する電圧計８が設置され、直流−直流コンバータ６には直流−直流コンバータ６の出力電流を計測する電流計９が設置されている。
【００２９】
直流−直流コンバータ６は出力を電流制御とし、直流発電装置７の出力を一定に制御するように構成される。一方、コンバータ２は出力を電圧制御とし、図２に示すように、電圧計８にて計測される直流電圧計測値１０が常に一定値Ｖ１となるように交流電力から直流電力への変換量１１または直流電力から交流電力への変換量１２を制御するように構成される。また、バッテリー５の充電電圧Ｖ２は前記一定値Ｖ１よりも小さく設定されている。
【００３０】
［作用］
このような構成を有する第１の実施の形態では、直流発電装置７がインバータ３に直流電力を出力し、インバータ３から独立負荷４に交流電力を供給する。電流制御である直流−直流コンバータ６は、直流発電装置７から発生する直流電流が一定の値となるように直流発電装置７の出力を制御する。
【００３１】
負荷が変動して直流発電装置７の出力を下回ると、直流発電装置７の直流電圧が上昇する。このとき、コンバータ２は電圧を一定値Ｖ１に維持するため、直流電力から交流電力への変換量１２を増加させ、余剰発電出力を交流系統１側に逆潮流させる。
【００３２】
反対に、負荷が変動して直流発電装置７の出力を上回ると、直流発電装置７の直流電圧が低下する。このときもコンバータ２は電圧を一定値Ｖ１に維持するため、交流電力から直流電力への変換量１１を増加させ、不足電力分を補う。さらに直流発電装置７の直流電圧が低下し、Ｖ２以下となった場合には、バッテリー５が不足電力分を補給する。
【００３３】
［効果］
以上の第１の実施の形態によれば、直流−直流コンバータ６が直流発電装置７の出力を一定に制御するため、直流発電装置７の運転電流を定格負荷点近傍に常時維持することが可能となり、直流発電装置７は高い発電効率を得ることができる。また、負荷が大きくなり直流発電装置７の出力が足りない時には不足分をコンバータ２さらにはバッテリー５が補給することができ、負荷への電力の安定供給が可能となる。一方、負荷が小さくなり直流発電装置７の出力が余った時には交流系統１に供給し、コンバータ２における交流電力から直流電力への変換を実施しない。したがって変換する際の電力ロスを減らすことができ、消費電力効率が向上する。
【００３４】
しかも、交流系統１の停電の有無に関係なく、直流発電装置７がインバータ３に直流電力を連続的に出力するので、第１の実施の形態では非常時のバックアップ用発電機は不要となる。これにより、バックアップ用発電機のメンテナンスや起動確認試験にかかるコストを削減することができ、経済的に有利となる。また、直流−直流コンバータ６の出力電流制御機能により、独立負荷４での短絡事故による直流発電装置７の過負荷や、過渡的な直流発電装置７への逆充電を防止することができる。
【００３５】
（２）第２の実施の形態
［構成］
請求項５、６記載の発明に対応する第２の実施の形態について、図３に従って以下に説明する。図３は直流−直流コンバータ６の制御ブロック図である。なお、第２の実施の形態の基本的な構成は前記第１の実施の形態と同様であり、構成上の特徴は次の点にある。
【００３６】
すなわち、直流−直流コンバータ６では、出力を電圧制御とし、直流電圧計測値１０が一定値Ｖ０となるように直流電流設定値１３を演算して直流電流計測値１４がそれに見合うように直流発電装置７の発電量を決定するように構成されている。ただし、直流電流設定値１３が直流電流制限値１６を逸脱しないように直流電流リミッタ１７が設けられている。一方、コンバータ２は直流電圧計測値１０が常に一定値Ｖ１となるように交流電力から直流電力への変換量１１または直流電力から交流電力への変換量１２を制御するように構成される。また、バッテリー５の充電電圧Ｖ２は一定値Ｖ１よりも小さく設定されている。なお、一定値Ｖ１は前記一定値Ｖ０よりも小さく設定されている。すなわち、Ｖ０＞Ｖ１＞Ｖ２という大小関係になっている。
【００３７】
［作用］
以上の構成を有する第２の実施の形態では、直流発電装置７の出力を負荷に追従させるために、直流−直流コンバータ６は出力電圧が一定値Ｖ０となるように発電出力を調節する。
【００３８】
まず、負荷が直流発電装置７の発電出力を上回った場合、直流発電装置７の直流電圧値Ｖが低下するため（Ｖ＜Ｖ０）、直流−直流コンバータ６は発電出力を上昇させて電圧値Ｖを一定値Ｖ０に戻す。逆に、負荷が直流発電装置７の発電出力を下回った場合には、直流発電装置７の直流電圧値Ｖが上昇するため（Ｖ＞Ｖ０）、直流−直流コンバータ６は発電出力を減少させて電圧値Ｖを一定値Ｖ０に戻す。
【００３９】
一方、コンバータ２おびバッテリー５においては、それらの直流電圧の設定値であるＶ１、Ｖ２はＶ０＞Ｖ１＞Ｖ２という関係になっている。そのため、負荷が上昇して直流発電装置７の直流電圧値Ｖがさらに低下し、Ｖ１＞Ｖ＞Ｖ２となった場合には、直流発電装置７に加えてコンバータ２にて交流電力から直流電力への変換量１１を増加させ、電圧を回復させる。さらに負荷が上昇して直流発電装置７の直流電圧値Ｖがいっそう低下し、Ｖ２＞Ｖとなった場合には、直流発電装置７およびコンバータ２に加えバッテリー５が放電を行い、電圧を回復させる。なお、直流発電装置７およびコンバータ２は出力する電力が機器の使用から定まる最大値を逸脱しないように負荷制限を実施する。
【００４０】
逆に、負荷が減少して直流発電装置７の直流電圧値Ｖが上昇した場合には、直流電圧設定値の大小関係にＶ０＞Ｖ１＞Ｖ２に従い、バッテリー５、コンバータ２、直流発電装置７という順番で出力を減少させる。なお、過渡的に直流電圧が負荷の最大許容電圧Ｖｈに到達したときにはコンバータ２により直流電力の一部を交流電力に変換し、交流系統１側に逆潮流させ、最大許容電圧Ｖｈを越える電圧の上昇を防止する。
【００４１】
［効果］
以上の第２の実施の形態によれば、負荷の変動が直流発電装置７の出力範囲内であれば直流−直流コンバータ６の制御により直流発電装置７の出力を負荷に追従させることができる。つまり、直流発電装置７は常に必要とされる分だけの直流電力を出力することができ、発電効率を高めることができる。また、直流発電装置７の出力範囲内ではコンバータ２における交流電力から直流電力への変換を実施しないので、変換する際の電力ロスは軽減する。一方、負荷が直流発電装置７の出力範囲を越えた場合には不足電力分をコンバータ２、さらにはバッテリー５から補給するので、高品質な電力を負荷に安定して供給することができる。なお、第２の実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様、非常時のバックアップ用発電機の省略によるコストの削減、さらには直流−直流コンバータ６による直流発電装置７の過負荷や逆充電の防止といった効果がある。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高効率無停電電源装置によれば、インバータに対し直流電力を連続的に出力する直流発電装置を設け、これを主たる電力供給源とするという簡単な構成により、コンバータにおける交流電力から直流電力への変換を抑制して電力ロスを少なくし消費電力効率の向上を図ることができる。また、バックアップ用発電機を省いてコストを削減することが可能となり優れた経済性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成図。
【図２】第１の実施の形態におけるコンバータ２の制御ブロック図。
【図３】本発明の第２の実施の形態における直流−直流コンバータ６の制御ブロック図。
【図４】従来の無停電電源装置の構成図。
【符号の説明】
１…交流系統
２…コンバータ
３…インバータ
４…独立負荷
５…バッテリー
６…直流−直流コンバータ
７…直流発電装置
８…電圧計
９…電流計
１０…直流電圧計測値
１１…交流電力から直流電力への変換量
１２…直流電力から交流電力への変換量
１３…直流電流設定値
１４…直流電流計測値
１５…直流電流リミッタ
１６…直流電流制限値[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-efficiency uninterruptible power supply apparatus that converts AC power into DC power once and reversely converts the DC power back to AC power.
[0002]
[Prior art]
In general, it is desired to supply high-quality power that is not affected by a power failure in a commercial system to a load such as a computer or a medical device. As an uninterruptible power supply that supplies high-quality power, an uninterruptible power supply called a CVCF device or a UPS power supply is widely adopted. This uninterruptible power supply is designed to convert AC power from the AC system into DC power, and then reversely convert the DC power back to AC power before applying it to the load. Power can be supplied. Further, a part of the DC power can be stored by combining the power storage devices, and when the AC system fails, the power storage device can be discharged to supply power to the load. In the recent advanced information society that has made rapid progress, the demand for stable and uninterruptible high-quality power is increasing, and there is a great interest in uninterruptible power supplies that supply high-quality power.
[0003]
Here, a conventional example of the CVCF uninterruptible power supply will be specifically described with reference to FIG. The uninterruptible power supply is provided with a converter 2 that converts AC power into DC power and an inverter 3 that converts DC power back into AC power. A battery 5 as a power storage device is connected to a direct current portion between the converter 2 and the inverter 3. A commercial AC system 1 is connected to the converter 2, and an independent load 4 such as a computer is connected to the inverter 3.
[0004]
In the uninterruptible power supply apparatus having the above configuration, the converter 2 takes in AC power from the AC system 1 and converts it into DC power, sends a part thereof to the inverter 3 and sends the rest to the battery 5. The inverter 3 converts the DC power into AC power again and supplies it to the independent load 4. Further, when an abnormality occurs in the AC system 1, it is possible to supply power to the independent load 4 by discharging the DC power stored in the battery 5 and outputting it to the inverter 3. According to such an uninterruptible power supply, high-quality power that is not affected by the AC system 1 can be continuously supplied uninterrupted.
[0005]
In addition, as in Patent Document 1, when the AC system is stopped for a long time, instead of installing a capacity of backup power storage equipment or installing an emergency generator, a solar power generation equipment is installed and used as a backup power source. Has been proposed. Furthermore, as in Patent Document 2, an invention has also been proposed in which power from a fuel cell is supplied to a load during a power failure in an AC system. Further, as in the invention of Patent Document 3, a DC power generator such as a solar battery is always used, and when the output of the DC power generator is lost at night or the like, power from the AC system is supplied to the load. What to do is also known.
[Patent Document 1]
JP 2000-102196 [Patent Document 2]
Japanese Utility Model Publication No. 4-111247 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 57-119633 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the uninterruptible power supply, before power is supplied from the AC system 1 to the independent load 4, conversion from AC power to DC power in the converter 2 and reverse conversion from DC power to AC power in the inverter 3 are referred to. Two conversions are performed. For this reason, about 10% of power loss occurred. That is, in the past, 10% extra power was always wasted in preparation for a power failure in the commercial system.
[0007]
In addition, assuming that the power outage of the commercial AC system 1 is prolonged, it is necessary to prepare a backup generator separately. This backup generator is not usually used, but it is meaningless if it is up in a predetermined time in an emergency. Therefore, constant maintenance and start-up confirmation tests have been performed on devices with a utilization factor of almost zero. As described above, in the conventional uninterruptible power supply, there are problems that the power loss is large and the cost of the backup generator is increased.
[0008]
As in the invention described in Patent Document 1, when a photovoltaic power generation facility is installed as a backup power source, the backup is possible only during the day when the photovoltaic power generation facility can generate power, and a power outage occurs at night. In such a case, backup by the solar power generation facility cannot be performed, and power supply to the load is stopped simultaneously with the shortage of power of the power storage device. Moreover, since the power generation output fluctuates due to fluctuations in the amount of solar radiation even during the daytime, there is a problem that the ability to supply the load may be insufficient. In addition, when the solar power generation facility is used as a backup power source, although the facility utilization rate is low, maintenance is always required, and the cost of maintaining the facility has also been a problem.
[0009]
On the other hand, as in the invention of Patent Document 2, the power supply of the AC system is always supplied to the load, and the power from the fuel cell is supplied to the load at the time of the AC system failure or power failure. Since it takes time to stop, there is a problem that power cannot be immediately supplied to the load from the fuel cell side in the event of a power failure in the AC system. Further, in order to continue the operation of the fuel cell, it is necessary to connect a load for consuming generated power in addition to the independent load. Furthermore, when the AC system is normal, power is not supplied from the fuel cell that is constantly generating power to the independent load, so the fuel cell must always be operated with a partial load, and high-efficiency rated operation cannot be performed. There was a problem.
[0010]
In addition, the invention of Patent Document 3 only discloses a technique for efficiently operating a DC power generator when power is supplied from the two systems of the DC power generator and the AC system. In the case where the load is operated mainly by the DC power generator that is operated in this manner, a high-efficiency uninterruptible power supply that appropriately copes with load fluctuations and AC system power outages has not been provided.
[0011]
The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and its purpose is to reduce power loss and improve power consumption efficiency, and to reduce the cost of a backup generator. The object is to provide a highly efficient uninterruptible power supply that is economically superior.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention comprises a converter that converts AC power from an AC system into DC power, and an inverter that reversely converts DC power converted by the converter into AC power, the inverter A high-efficiency uninterruptible power supply apparatus that connects a load to the load and supplies AC power to the load has the following technical features.
[0013]
The invention of claim 1
A converter that converts AC power from the AC system into DC power, and an inverter that converts the DC power converted by the converter back into AC power, the output side of the inverter being affected by a power failure of the AC system In a high-efficiency uninterruptible power supply that supplies AC power to the load by connecting a load that should not supply high quality power
The direct current portion between the converter and the inverter is provided with a direct current power generator that continuously outputs direct current power to the inverter, and a power storage device that stores the direct current power converted by the converter,
With this DC power generator, the load is continuously driven regardless of whether or not power is supplied from the AC system,
When the load exceeds the capacity of the DC power generator and the AC system is not a power failure, the load from the AC system is combined with the power from the DC power generator via the converter and the inverter. To supply
When the load falls below the output of the DC power generator, the operation direction of the converter is reversed and the surplus power is supplied to the AC system,
The power storage device is charged with electric power from a DC power generation device or an AC system.
[0014]
In such a first aspect of the present invention having the configuration, normal DC power generator output DC power to an inverter to supply AC power from the inverter to the load. The DC power converted by the converter is used only when there is temporary load imbalance or insufficient power for the load. In other words, in the first aspect of the invention, the DC power generation device is the main power supply source, and the DC power sent from the AC system to the inverter via the converter can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the conversion of AC power in the converter to the DC power, it is possible to reduce the occurrence of power loss.
[0015]
In addition, the DC generator continuously outputs DC power to the inverter regardless of whether or not the AC system has a power failure, so an emergency backup generator is not required. As a result, it is possible to reduce the cost for maintenance of the backup generator and the start confirmation test, which is economically advantageous. Furthermore, by providing a power storage device together with the DC power generation device in the DC portion between the converter and the inverter, this power storage device can compensate for the power shortage of the DC power generation device and the power shortage at the time of AC power outage. It is also excellent as an uninterruptible power supply.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the high-efficiency uninterruptible power supply according to the first aspect, a DC-DC converter is connected to the DC generator.
[0017]
In the invention of claim 2 having the above configuration, the output from the DC power generation device can be controlled to an arbitrary value by the DC-DC converter. Further, it is possible to prevent overloading of the DC power generation device due to a short circuit accident at the load end and reverse charging of the transient DC power generation device.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, in the high-efficiency uninterruptible power supply according to the second aspect, the DC-DC converter controls the output of the DC power generation device to be constant, and the load exceeds the output of the DC power generation device. In such a case, the power supply is supplied from at least one of the converter and the power storage device to supply AC power to the load.
[0019]
In the invention of claim 3 having the above configuration, when the load fluctuates, at least one of the converter and the power storage device absorbs or replenishes the excess and deficiency between the output of the DC power generation device and the load. For this reason, the DC-DC converter can control the output of the DC power generator to be constant. Therefore, the operating current of the DC power generator can always be maintained near the rated load point, and the DC power generator can obtain high power generation efficiency.
[0020]
Further, when the load is below the output of the DC power generator, since the supply only output from the DC power generator to a load, not performed the conversion of the AC power in the converter to the DC power. Thereby, the power loss at the time of conversion can be reduced. On the other hand, if the load exceeds the output of the DC power generation device, at least one of the converter and the power storage device replenishes the insufficient power, so that stable power supply to the load is possible.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the high-efficiency uninterruptible power supply according to the third aspect, the output of the DC-DC converter is a current control, and the output of the converter is a voltage control. .
[0022]
In the invention of claim 4 having such a configuration, the DC-DC converter that is current control controls the DC power generation device so that the DC current generated from the DC power generation device becomes a constant value. Therefore, when the load falls below the output of the DC power generator, the DC voltage increases. Conversely, when the load exceeds the output of the DC power generator, the DC voltage decreases. On the other hand, since the converter is voltage controlled, it can be controlled so that the DC voltage is always constant. Therefore, when the load falls below the output of the DC power generator and the DC voltage increases, the converter reverses the operation direction so that the DC voltage decreases, and converts a part of the DC voltage to AC, which is converted to AC. Reverse flow to the grid side. Conversely, when the DC voltage load exceeds the output of the DC power generator is decreased, the converter as the DC voltage rises increases the amount of conversion from AC to DC power power, at least one of the converter and the power storage device Can output power to make up for the shortage.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, in the high-efficiency uninterruptible power supply according to the second aspect, if the load is within the output range of the DC power generator, the DC-DC converter outputs the output of the DC power generator to the load. Control to follow
When the load exceeds the output range of the DC power generation device, the shortage power is supplied from at least one of the converter and the power storage device to supply AC power to the load. .
[0024]
In the invention of claim 5 having the above configuration, the output of the DC power generator can be matched to the load by the control of the DC-DC converter if the fluctuation of the load is within the output range of the DC generator. That is, the DC power generation device can always output DC power as much as necessary, and the power generation efficiency can be improved. Further, since the within the output range of the DC power generator does not perform conversion of the AC power in the converter to the DC power, the power loss during conversion is reduced. On the other hand, when the load exceeds the output range of the DC power generation device, the insufficient power is supplied from at least one of the converter and the power storage device, so that high-quality power can be stably supplied to the load.
[0025]
A sixth aspect of the present invention is the high-efficiency uninterruptible power supply according to the fifth aspect, wherein the output of the DC-DC converter is voltage controlled.
[0026]
In the invention of claim 6 having such a configuration, since the DC-DC converter is voltage controlled, it can be controlled so that the output voltage of the DC power generator is always constant. Therefore, if the load falls within the output range of the DC power generator, the DC voltage increases if the load falls below the output of the DC power generator, so the power output of the DC power generator decreases, and conversely, the load reduces the output of the DC power generator. If it exceeds the value, the DC voltage decreases, so the power generation output of the DC power generator increases. Further, when the load increases beyond the output range of the DC power generation device, at least one of the converter and the power storage device can output power and recover the voltage.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(1) First Embodiment [Configuration]
A first embodiment corresponding to the first, second, third, and fourth aspects of the invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of the first embodiment, and FIG. 2 is a control block diagram of the converter 2. Parts similar to those of the prior art shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0028]
As shown in FIG. 1, a DC power generation device 7 that continuously outputs DC power to the inverter 3 is connected to a DC portion between the converter 2 and the inverter 3 via a DC-DC converter 6. . In addition, a voltmeter 8 that measures the DC voltage of the high-efficiency uninterruptible power supply is installed in the DC portion, and an ammeter 9 that measures the output current of the DC-DC converter 6 is installed in the DC-DC converter 6. Yes.
[0029]
The DC-DC converter 6 is configured so that the output is current controlled and the output of the DC power generator 7 is controlled to be constant. On the other hand, the converter 2 uses voltage control for the output, and as shown in FIG. 2, the conversion amount 11 from AC power to DC power is such that the DC voltage measurement value 10 measured by the voltmeter 8 always becomes a constant value V1. Alternatively, it is configured to control the amount of conversion 12 from DC power to AC power. Further, the charging voltage V2 of the battery 5 is set to be smaller than the constant value V1.
[0030]
[Action]
In the first embodiment having such a configuration, the DC power generation device 7 outputs DC power to the inverter 3 and supplies AC power from the inverter 3 to the independent load 4. The direct current-direct current converter 6 that is current control controls the output of the direct current generator 7 so that the direct current generated from the direct current generator 7 becomes a constant value.
[0031]
When the load fluctuates and falls below the output of the DC power generation device 7, the DC voltage of the DC power generation device 7 increases. At this time, in order to maintain the voltage at the constant value V1, the converter 2 increases the conversion amount 12 from the DC power to the AC power and causes the surplus power generation output to flow backward to the AC system 1 side.
[0032]
Conversely, when the load fluctuates and exceeds the output of the DC power generator 7, the DC voltage of the DC power generator 7 decreases. At this time as well, the converter 2 maintains the voltage at a constant value V1, so the amount 11 of conversion from AC power to DC power is increased to compensate for the shortage. Further, when the DC voltage of the DC power generator 7 decreases and becomes V2 or less, the battery 5 supplies the insufficient power.
[0033]
[effect]
According to the first embodiment described above, since the DC-DC converter 6 controls the output of the DC power generator 7 to be constant, the operating current of the DC power generator 7 can always be maintained near the rated load point. Thus, the DC power generator 7 can obtain high power generation efficiency. Further, when the load becomes large and the output of the DC power generation device 7 is insufficient, the converter 2 and the battery 5 can be replenished, and the power can be stably supplied to the load. On the other hand, when the load becomes small and the output of the DC power generator 7 remains, it is supplied to the AC system 1 and the converter 2 does not convert AC power into DC power. Therefore, power loss at the time of conversion can be reduced, and power consumption efficiency is improved.
[0034]
Moreover, since the DC power generation device 7 continuously outputs DC power to the inverter 3 regardless of whether or not the AC system 1 has a power failure, an emergency backup generator is not necessary in the first embodiment. As a result, it is possible to reduce the cost for maintenance of the backup generator and the start confirmation test, which is economically advantageous. Further, the output current control function of the DC-DC converter 6 can prevent an overload of the DC power generator 7 due to a short circuit accident in the independent load 4 and a reverse charge to the transient DC power generator 7.
[0035]
(2) Second Embodiment [Configuration]
A second embodiment corresponding to the fifth and sixth aspects of the invention will be described below with reference to FIG. FIG. 3 is a control block diagram of the DC-DC converter 6. The basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and the structural features are as follows.
[0036]
That is, in the DC-DC converter 6, the output is voltage controlled, the DC current set value 13 is calculated so that the DC voltage measurement value 10 becomes a constant value V 0, and the DC current measurement value 14 matches the DC current measurement value 14. The power generation amount of 7 is determined. However, a direct current limiter 17 is provided so that the direct current set value 13 does not deviate from the direct current limit value 16. On the other hand, the converter 2 is configured to control the conversion amount 11 from AC power to DC power or the conversion amount 12 from DC power to AC power so that the DC voltage measurement value 10 always becomes a constant value V1. Further, the charging voltage V2 of the battery 5 is set to be smaller than the constant value V1. The constant value V1 is set smaller than the constant value V0. That is, the magnitude relationship is V0>V1> V2.
[0037]
[Action]
In the second embodiment having the above configuration, the DC-DC converter 6 adjusts the power generation output so that the output voltage becomes a constant value V0 in order to cause the output of the DC power generation device 7 to follow the load.
[0038]
First, when the load exceeds the power generation output of the DC power generation device 7, the DC voltage value V of the DC power generation device 7 decreases (V <V0), so the DC-DC converter 6 increases the power generation output to increase the voltage value V. To the constant value V0. On the contrary, when the load falls below the power generation output of the DC power generation device 7, the DC voltage value V of the DC power generation device 7 increases (V> V0), so the DC-DC converter 6 decreases the power generation output. The voltage value V is returned to the constant value V0.
[0039]
On the other hand, in the converter 2 and the battery 5, V1 and V2 which are set values of these DC voltages have a relationship of V0>V1> V2. Therefore, when the load increases and the DC voltage value V of the DC power generator 7 further decreases and V1>V> V2, the converter 2 adds AC power to DC power in addition to the DC power generator 7. The amount of conversion 11 is increased to restore the voltage. When the load further increases and the DC voltage value V of the DC power generator 7 further decreases and V2> V, the battery 5 is discharged in addition to the DC power generator 7 and the converter 2 to restore the voltage. . DC generator 7 and converter 2 limit the load so that the output power does not deviate from the maximum value determined from the use of the device.
[0040]
On the other hand, when the load decreases and the DC voltage value V of the DC power generator 7 increases, the battery 5, the converter 2, and the DC power generator 7 are in accordance with V0>V1> V2 according to the magnitude relationship of the DC voltage setting values. Decrease output in order. When the DC voltage transiently reaches the maximum allowable voltage Vh of the load, a part of the DC power is converted into AC power by the converter 2 and is reversely flowed to the AC system 1 side, and the voltage exceeding the maximum allowable voltage Vh is Prevent the rise.
[0041]
[effect]
According to the second embodiment described above, the output of the DC power generation device 7 can be made to follow the load by the control of the DC-DC converter 6 if the fluctuation of the load is within the output range of the DC power generation device 7. That is, the DC power generation device 7 can always output as much DC power as necessary, and the power generation efficiency can be improved. Moreover, since the conversion from the alternating current power to the direct current power in the converter 2 is not performed within the output range of the direct current generator 7, the power loss at the time of conversion is reduced. On the other hand, when the load exceeds the output range of the DC power generation device 7, the insufficient power is supplied from the converter 2 and further from the battery 5, so that high quality power can be stably supplied to the load. Also in the second embodiment, as in the first embodiment, cost reduction by omitting an emergency backup generator and further overload of the DC generator 7 by the DC-DC converter 6 And reverse charging prevention.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the high-efficiency uninterruptible power supply device of the present invention, the DC power generation device that continuously outputs DC power to the inverter is provided, and this is used as a main power supply source. it is possible to improve the energy efficiency to reduce the power loss by suppressing the conversion of AC power to DC power in the converter. Further, it is possible to reduce the cost by omitting the backup generator, and the excellent economic efficiency can be exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a control block diagram of the converter 2 in the first embodiment.
FIG. 3 is a control block diagram of a DC / DC converter 6 according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional uninterruptible power supply.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... AC system 2 ... Converter 3 ... Inverter 4 ... Independent load 5 ... Battery 6 ... DC-DC converter 7 ... DC generator 8 ... Voltmeter 9 ... Ammeter 10 ... DC voltage measurement value 11 ... From AC power to DC power Conversion amount 12 ... DC power to AC power conversion amount 13 ... DC current set value 14 ... DC current measurement value 15 ... DC current limiter 16 ... DC current limit value

Claims

A converter that converts AC power from the AC system into DC power, and an inverter that converts the DC power converted by the converter back into AC power, the output side of the inverter being affected by a power failure of the AC system In a high-efficiency uninterruptible power supply that connects a load to which high-quality power is not supplied and supplies AC power to the load,
The direct current portion between the converter and the inverter is provided with a direct current power generator that continuously outputs direct current power to the inverter , and a power storage device that stores the direct current power converted by the converter ,
With this DC power generator, the load is continuously driven regardless of whether or not power is supplied from the AC system,
When the load exceeds the capacity of the DC power generator and the AC system is not a power failure, the load from the AC system is combined with the power from the DC power generator via the converter and the inverter. is supplied to,
When the load falls below the output of the DC power generator, the operation direction of the converter is reversed and the surplus power is supplied to the AC system,
A high-efficiency uninterruptible power supply, wherein the power storage device is charged with electric power from a DC power generator or an AC system .

2. A high-efficiency uninterruptible power supply according to claim 1, wherein a DC-DC converter is connected to the DC generator.

The DC-DC converter controls the output of the DC power generator to be constant,
The configuration is such that when the load exceeds the output of the DC power generator, an insufficient power is supplied from at least one of the converter and the power storage device to supply AC power to the load. Item 3. The high efficiency uninterruptible power supply according to Item 2.

The high-efficiency uninterruptible power supply according to claim 3, wherein the output of the DC-DC converter is current control, and the output of the converter is voltage control.

If the load is within the output range of the DC generator, the DC-DC converter controls the output of the DC generator to follow the load ,
When the load exceeds the output range of the DC power generation device, the shortage power is supplied from at least one of the converter and the power storage device to supply AC power to the load. The high efficiency uninterruptible power supply according to claim 2.

6. The high-efficiency uninterruptible power supply according to claim 5, wherein the output of the DC-DC converter is voltage controlled.