JP5391825B2 - 無停電電源システム - Google Patents

Description

この発明は、並列運転した複数台の無停電電源、または単機運転の無停電電源からなる無停電電源系統を２組備え、この２組の無停電電源系統の何れか一方から対応する負荷への給電を行う切換盤を複数台備えてなる無停電電源システムに関する。

図８は、下記特許文献１の構成も含む、この種の無停電電源システムの従来例を示す回路構成図である。

この図において、１０は商用電力系統などと自家発電設備とからなる１系電力系統、１１〜１４は１系無停電電源装置を形成する無停電電源（以下、ＵＰＳ１１〜ＵＰＳ１４と称するとともに、これらを総称して１系ＵＰＳとも称する）、この１系電力系統と１系ＵＰＳとにより１系無停電電源系統を形成している。同様に、２０は商用電力系統などと自家発電設備とからなる２系電力系統、２１〜２４は２系無停電電源装置を形成する無停電電源（以下、ＵＰＳ２１〜ＵＰＳ２４と称するとともに、これらを総称して２系ＵＰＳとも称する）、この２系電力系統と２系ＵＰＳとにより２系無停電電源系統を形成している。また、３１はこの無停電電源システム全体の運転システムを司るシステム制御回路である。

この１系無停電電源系統において、ＵＰＳ１１〜ＵＰＳ１４それぞれには１系電力系統１０から直送給電を行うバイパス回路を備えているとともに、互いに並列運転する機能を備えている。同様に、２系無停電電源系統において、ＵＰＳ２１〜ＵＰＳ２４それぞれには２系電力系統２０から直送給電を行うバイパス回路を備えているとともに、互いに並列運転する機能を備えている。

また、高速切換盤４０は高速スイッチとしてのサイリスタスイッチ４１，４２と切換指令回路４３とから形成され、負荷Ａ（１００）への給電を、システム制御回路３１から切換指令回路４３への指令により、１系無停電電源系統、または２系無停電電源系統から行うための機能を有する。同様に、高速切換盤５０は高速スイッチとしてのサイリスタスイッチ５１，５２と切換指令回路５３とから形成され、負荷Ｂ（２００）への給電を、システム制御回路３１から切換指令回路５３への指令により、１系無停電電源系統、または２系無停電電源系統から行うための機能を有する。

なお、高速切換盤４０，５０の何れかにおいて、例えば、１系無停電電源系統から２系無停電電源系統に対応する負荷の給電切換えを、図示のサイリスタスイッチを用いて、高速に行わせることに備えて、前記無停電電源系統それぞれの出力電圧は互いに位相同期させている。

また上述のために、図８に示した無停電電源システムにおける構成要素それぞれは、周知の技術を用いて形成されている。

特開２００７−３０６６４３号公報

この種の無停電電源システムにおいて、例えば、それぞれの負荷への給電を停止することなく、それぞれの無停電電源などのメンテナンスを行うためには、高速切換盤の何れかにおいて、例えば、１系無停電電源系統から２系無停電電源系統に対応する負荷の給電を切換えることが要求される。

しかしながら、図８に示した従来の無停電電源システムでは、高速切換盤４０，５０の何れかにおいて、例えば、１系無停電電源系統から２系無停電電源系統に対応する負荷の給電切換えを、図８に示したサイリスタスイッチとしての図９（ａ）に示す１系スイッチと２系スイッチとを用いて行うと、双方のスイッチ間に、図９（ａ）に示すように僅かなオーバーラップ期間を設けているのみであるために、このときの負荷の両端電圧であるこの無停電電源システムの出力電圧には、図９（ａ）に示すように大きな擾乱が生ずることがあった。

すなわち、この電圧の擾乱は、図１０に示すように負荷分担電力が急変し、従って、図９（ａ）に示すように２系無停電電源系統からの出力電流が急増し、その結果、２系無停電電源系統の配線インピーダンスによる電圧低下が発生することに起因している。

この発明の目的は、図９（ｂ）に示すように負荷への給電経路を切換える際にも、無停電電源システムの出力電圧の擾乱をより軽減できる該システムを提供することにある。

この第１の発明は、並列運転した複数台の無停電電源、または単機運転の無停電電源からなる無停電電源系統を２組備え、この２組の無停電電源系統の何れか一方から対応する負荷への給電を行う切換盤を複数台備え、前記無停電電源系統それぞれの出力電圧は互いに位相同期させてなる無停電電源システムにおいて、
前記それぞれの切換盤により、一方の無停電電源系統から他方の無停電電源系統に対応する負荷の給電経路を切換える際に、先ず、双方の給電経路から当該する負荷に同時給電する状態にし、このときからの負荷電力と、前記一方の無停電電源系統の分担電力の変化と、前記双方の無停電電源系統間の横流成分とに基づいて、前記同時給電する期間を制御するラップ期間制御機能を備えたことを特徴とする。

また第２の発明は、前記第１の発明の無停電電源システムにおいて、
前記ラップ期間制御機能は、前記同時給電中のそれぞれの無停電電源系統の出力電流を検出する電流検出手段と、この時の負荷電流を導出する電流導出手段と、前記負荷への出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記出力電流と負荷電流と負荷電圧とに基づき負荷有効電力と横流有効電力と横流無効電力とを演算する電力演算回路と、前記負荷有効電力と横流有効電力と横流無効電力とに基づき前記同時給電する期間を終了させるスイッチオフ判定回路とから形成したことを特徴とする。

この発明によれば、無停電電源システムに前記ラップ期間制御機能を具備したことにより、メンテナンス時のみならず、通常時の負荷への給電経路を切換える際にも、従来に比して、負荷電圧の擾乱がより少ない無停電電源システムを提供することができる。

この発明の実施例を示す無停電電源システムの回路構成図 図１の部分詳細回路構成図 図１の部分詳細回路構成図 図１の部分詳細フローチャート 図１の動作を説明する特性図 図１の動作を説明する特性図 図１の動作を説明する特性図 従来例を示す無停電電源システムの回路構成図 図８の動作を説明する波形図 図８の動作を説明する特性図

図１は、この発明の実施例を示す無停電電源システムの回路構成図であり、図８に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち図１において、１系ＵＰＳ，２系ＵＰＳでは、従来と同様にＵＰＳ１１〜ＵＰＳ１４およびＵＰＳ２１〜ＵＰＳ２４は全て同一仕様，同一容量のＵＰＳであり、１系ＵＰＳ，２系ＵＰＳそれぞれの出力電圧は互いに位相同期させている。また、３２はこの無停電電源システム全体の運転システムを司るシステム制御回路である。

さらに、高速切換盤４４はサイリスタスイッチ４１，４２と、ＣＴ（変流器）４５，４６と、切換制御回路４７，４８とから形成され、システム制御回路３２から切換制御回路４７および切換制御回路４８への指令により、負荷Ａ（１００）への給電を１系無停電電源系統または２系無停電電源系統から行うための高速スイッチの機能を有する。同様に、高速切換盤５４はサイリスタスイッチ５１，５２と、ＣＴ５５，５６と、切換制御回路５７，５８とから形成され、システム制御回路３２から切換制御回路５７および切換制御回路５８への指令により、負荷Ｂ（２００）への給電を１系無停電電源系統または２系無停電電源系統から行うための高速スイッチの機能を有する。なお、この図では、高速スイッチの１例としてのサイリスタスイッチ４１，４２，５１，５２を示しているが、サイリスタと並列に遮断器を接続したハイブリットでもよいし、ＩＧＢＴとしてもよい。

図２は、図１に示した無停電電源システムにおける高速切換盤４４に係る詳細回路構成図である。

この切換制御回路４７，４８それぞれには、補助ＣＴ７１，７２と分流抵抗７３，７４と補助ＣＴ７５と演算素子７６，７８と抵抗７７，７９とＰＴ（変圧器）８０と、電力演算回路８１と、スイッチオフ判定回路８２とを備えている。

ここで、切換制御回路４７における補助ＣＴ７２の二次側と、切換制御回路４８における補助ＣＴ７２の二次側とが接続線で互いに結ばれていることにより、ＣＴ４５，ＣＴ４６に流れる電流の加算値、すなわち、負荷Ａに流れる負荷電流が得られることとなり、従って、分流抵抗７３，７４、補助ＣＴ７５、演算素子７６、抵抗７７からなる回路構成により、演算素子７６の出力には前記負荷電流に対応した電圧値を得ることができる。さらに、演算素子７８の出力にはＣＴ４５またはＣＴ４６に流れる電流値、すなわち、１系ＵＰＳまたは２系ＵＰＳの出力電流に対応した電圧値を得ることができる。

図３は、図２に示した切換制御回路４７，４８における電力演算回路８１の詳細回路構成図である。

この電力演算回路８１には、図２に示したＰＴ８０により得られる負荷Ａの両端電圧であるこの無停電電源システムの出力電圧と前記負荷電流とから負荷有効電力を演算する負荷電力演算器８１ａと、前記負荷電流の１／２値を導出する乗算演算器８１ｂと、この負荷電流の１／２値と前記出力電流との差、すなわち、この条件での横流電流を求める減算演算器８１ｃと、この横流電流と前記出力電圧とから横流有効電力および横流無効電力を演算する横流電力演算器８１ｄとを備えている。

上述のように、前記負荷電流の１／２値と前記出力電流との差をこの無停電電源システムにおける横流電流と定義しているのは、負荷への給電経路を切換える動作を開始し、双方の無停電電源系統の負荷分担電力がほぼ等しくなったとき、すなわち、切換先の前記出力電流が増加して前記負荷電流の１／２値になり、横流電流が零になったときに、この切換え動作を完了させることで、負荷電圧の擾乱がより少ない無停電電源システムを提供できるからである。

なお、図２に示した回路構成では無停電電源系統の１相分を示しており、従って、無停電電源系統が三相出力の場合には、切換制御回路４７，４８における構成要素７１〜８０それぞれを３組備えるとともに、電力演算回路８１では三相電力演算を行って、負荷有効電力（三相電力値）と横流有効電力（三相電力値）と横流無効電力（三相電力値）とを出力すればよい。さらに、高速切換盤５４も図２と同様の回路構成である。

以下に、高速切換盤４４または高速切換盤４４の何れかにおいて、例えば、一方の無停電電源系統から他方の無停電電源系統に対応する負荷の給電を切換えるときの動作について、これらの高速切換盤に備えるスイッチオフ判定回路８２の動作を説明する図４のフローチャートを参照しつつ、説明する。

図５は、図１に示した無停電電源システムにおいて、１例として、負荷Ａが１系無停電電源系統から給電されている状態から、負荷Ａの給電を２系無停電電源系統に切換えるときの動作を説明するための特性図であり、１系無停電電源系統の配線インピーダンスと２系無停電電源系統の配線インピーダンスとがほぼ等しいときの切換状態を示している。

システム制御回路３２から切換制御回路４７および切換制御回路４８への指令として、先ず、切換制御回路４８ではスイッチオン指令を受信してサイリスタスイッチ４２をオンさせるとともに、切換制御回路４７ではスイッチオフ指令を受信して（図４、ステップＳ１、分岐Ｙ）、このときの１系無停電電源系統の負担電力値を切換制御回路４７の電力演算回路８１からの出力値から求める（ステップＳ２）。

なお、この負担電力値は電力演算回路８１からの出力の負荷有効電力の１／２から、電力演算回路８１からの出力の横流有効電力を減算演算することで得られる。

次に、ステップＳ３では、ステップＳ２で得られた負担電力値の前回値との変化を監視し、図５に示すように、１系無停電電源系統の負担電力は減少状態に入っていることから（分岐Ｙ）、ステップＳ４に移る。

ステップＳ４では、ステップＳ２で得られた負担電力値が所定の判定値、例えば、電力演算回路８１からの出力の負荷有効電力の１／２に、この負荷有効電力の１０％を加えた値、すなわち、負荷有効電力の０．６倍程度に設定した判定値以下になっているときには（分岐Ｙ）、ステップＳ７に移り、サイリスタスイッチ４１をオフさせて、ステップＳ８で後述のタイマをリセットする。その結果、双方の無停電電源系統の負荷分担電力がほぼ等しくなったとき、図５に示すように、この切換え動作を完了させることで、負荷電圧の擾乱がより少なくすることができる。

なお、ステップＳ４では、ステップＳ２で得られた負担電力値が前記判定値まで減少してないときは（分岐Ｎ）、後述のステップＳ５，Ｓ６に移る。

図６は、図１に示した無停電電源システムにおいて、１例として、負荷Ａが１系無停電電源系統から給電されている状態から、負荷Ａの給電を２系無停電電源系統に切換えるときの動作を説明するための特性図であり、２系無停電電源系統の配線インピーダンスが２系無停電電源系統の配線インピーダンスより大きかったときの切換状態を示している。

システム制御回路３２から切換制御回路４７および切換制御回路４８への指令として、先ず、切換制御回路４８ではスイッチオン指令を受信してサイリスタスイッチ４２をオンさせるとともに、切換制御回路４７ではスイッチオフ指令を受信して（ステップＳ１，分岐Ｙ）、このときの１系無停電電源系統の負担電力値を切換制御回路４７の電力演算回路８１からの出力値から求める（ステップＳ２）。

次に、ステップＳ３では、ステップＳ２で得られた負担電力値の前回値との変化を監視し、図６に示すように、１系無停電電源系統の負担電力は減少状態に入っていることから（分岐Ｙ）、ステップＳ４に移る。

ステップＳ４では、ステップＳ２で得られた負担電力値が前記判定値まで減少してないときは（分岐Ｎ）、後述のステップＳ５、Ｓ６での処理結果としてステップＳ７の処理が行われなければ（Ｓ５，分岐Ｎ、Ｓ６，分岐Ｎ）、ステップＳ２に戻る。

上述のステップＳ２からステップＳ７の経路を繰り返している状態でのステップＳ３において、図６に示すように、上述の双方の無停電電源系統の配線インピーダンスの相違に起因して、分担電力値の変化が無くなると（分岐Ｎ）、ステップＳ９に移る。

このステップＳ９では、この切換え動作を開始し、初めて、このステップＳ９に入った時には（分岐Ｎ）、ステップＳ１０に移り、図６に示す安定時間（４０ミリ秒程度）を計測するためのタイマを起動させ、また、前記タイマが既に計測動作を開始しているときには（分岐Ｙ）、ステップＳ１１に移る。

ステップＳ１１では、前記タイマが安定時間に達しているときには（分岐Ｙ）、ステップＳ７に移り、サイリスタスイッチ４１をオフさせて、ステップＳ８で前記タイマをリセットすることで、図６に示すように、この切換え動作を完了させ、このときの負荷電圧の擾乱もより少なくすることができる。

なお、ステップＳ１１で、前記タイマが安定時間に達していないときには（分岐Ｎ）、後述のステップＳ５、Ｓ６での処理結果としてステップＳ７の処理が行われなければ（Ｓ５，分岐Ｎ、Ｓ６，分岐Ｎ）、ステップＳ２に戻る。

図７は、図１に示した無停電電源システムにおいて、１例として、負荷Ａが１系無停電電源系統から給電されている状態から、負荷Ａの給電を２系無停電電源系統に切換えるときの動作を説明するための特性図であり、切換時に、１系無停電電源系統から２系無停電電源系統に電力が注入された場合での切換状態を示している。

システム制御回路３２から切換制御回路４７および切換制御回路４８への指令として、先ず、切換制御回路４８ではスイッチオン指令を受信してサイリスタスイッチ４２をオンさせるとともに、切換制御回路４７ではスイッチオフ指令を受信して（ステップＳ１，分岐Ｙ）、このときの１系無停電電源系統の負担電力値を切換制御回路４７の電力演算回路８１からの出力値から求める（ステップＳ２）。

次に、ステップＳ３では、ステップＳ２で得られた負担電力値の前回値との変化を監視し、図７に示すように、１系無停電電源系統の負担電力は増加状態に入っていることから（分岐Ｙ）、ステップＳ４に移る。

この増加状態は、何らかの要因により、１系無停電電源系統の出力電圧と２系無停電電源系統の出力電圧との間に位相差および電圧差電力が発生した状態にあり、１系無停電電源系統から２系無停電電源系統に有効電力が注入されていることに起因するものである。

ステップＳ４では、ステップＳ２で得られた負担電力値が増加していることから（分岐Ｎ）、ステップＳ５に移り、この負担電力値が図７に示すように判定値を越えたとき、すなわち、このときの電力演算回路８１からの横流有効電力値が、電力演算回路８１からの負荷有効電力値を越えた状態、または、横流有効電力値がマイナスとなり、その絶対値が前記負荷有効電力値の１０％に相当する値になると（分岐Ｙ）、ステップＳ７に移り、サイリスタスイッチ４１をオフさせて、ステップＳ８で前記タイマをリセットする。

その結果、１系無停電電源系統と２系無停電電源系統とのラップ期間が長くなることに伴う、それぞれのＵＰＳ内部での中間直流電圧が上昇するなどの異常事態を回避することができる。

なお切換状態を図示しないが、ステップＳ２〜Ｓ５の経路、または、ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ９〜Ｓ１１，Ｓ５の経路を経た後のステップＳ６では、このときの電力演算回路８１からの横流無効電力値が所定の基準値、例えば、このときの負荷有効電力値の１０％に相当する値を越えた状態になると（分岐Ｙ）、ステップＳ７に移り、サイリスタスイッチ４１をオフさせて、ステップＳ８で前記タイマをリセットする。

この処理は、何らかの要因により、１系無停電電源系統の出力電圧と２系無停電電源系統の出力電圧との間に位相差および電圧差電力が発生した状態にあり、１系無停電電源系統と２系無停電電源系統との間で無効電力の授受が発生し、この状態が長くなることに伴う異常事態を回避するために行うものである。

この発明の無停電電源システムによれば、ＣＴ４５，４６，５５，５６と切換制御回路４７，４８，５７，５８とを備えたことにより、メンテナンス時のみならず、通常時の負荷への給電経路を切換える際にも、従来に比して、負荷電圧の擾乱がより少ない無停電電源システムを提供することができる。

１０…１系電力系統、１１〜１４…無停電電源、２０…２系電力系統、２１〜２４…無停電電源、３１，３２…システム制御回路、４０，４４，５０，５４…高速切換盤、４１，４２，５１，５２…サイリスタスイッチ、４３，５３…切換指令回路、４５，４６，５５，５６…ＣＴ、４７，４８，５７，５８…切換制御回路、７１，７２…補助ＣＴ、７３，７４…分流抵抗、７５…補助ＣＴ、７６，７８…演算素子、７７，７９…抵抗、８０…ＰＴ、８１…電力演算器、８２…スイッチオフ判定回路。

Claims (2)

1. 並列運転した複数台の無停電電源、または単機運転の無停電電源からなる無停電電源系統を２組備え、この２組の無停電電源系統の何れか一方から対応する負荷への給電を行う切換盤を複数台備え、前記無停電電源系統それぞれの出力電圧は互いに位相同期させてなる無停電電源システムにおいて、
   前記それぞれの切換盤により、一方の無停電電源系統から他方の無停電電源系統に対応する負荷の給電経路を切換える際に、
   先ず、双方の給電経路から当該する負荷に同時給電する状態にし、このときからの負荷電力と、前記一方の無停電電源系統の分担電力の変化と、前記双方の無停電電源系統間の横流成分とに基づいて、前記同時給電する期間を制御するラップ期間制御機能を備えたことを特徴とする無停電電源システム。
2. 請求項１に記載の無停電電源システムにおいて、
   前記ラップ期間制御機能は、
   前記同時給電中のそれぞれの無停電電源系統の出力電流を検出する電流検出手段と、この時の負荷電流を導出する電流導出手段と、前記負荷への出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記出力電流と負荷電流と負荷電圧とに基づき負荷有効電力と横流有効電力と横流無効電力とを演算する電力演算回路と、前記負荷有効電力と横流有効電力と横流無効電力とに基づき前記同時給電する期間を終了させるスイッチオフ判定回路とから形成したことを特徴とする無停電電源システム。

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