JP5947109B2 - 無停電電源装置、無停電電源装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、３レベル変換回路を備えるＵＰＳ（無停電電源装置）に関する。

３レベル変換回路は、３つのレベルの直流電圧を出力することができるコンバータである。３レベル変換回路は、直流部分の上アームと下アームにそれぞれコンデンサを備えている（正極側コンデンサと負極側コンデンサ）。各コンデンサの両端電圧が等しくなくなると、出力電圧に高調波電圧が含まれるなどの不都合が生じるので、各両端電圧は等しくなるように制御される。

しかし、３レベル変換回路の動作原理、またはスイッチング素子の特性ばらつき等の要因により、各両端電圧が等しくなくなる状態が生じる場合がある。これを中性点電位変動と呼ぶ。中性点電位変動は、中性点電流を制御することにより抑制することができる。中性点電流は、３レベル変換回路が電力を授受する場合に流れる。

下記特許文献１では、力行または回生のどちらの場合においても、中性点電位変動を適切に抑制できる方法が示されている。

特開２００６−１９１７４３号公報

上記特許文献１に記載されている技術では、入力電流と出力電流が小さくなると、３レベル変換回路が授受する電力も小さくなるので、結果として中性点電流も小さくなり、中性点電位変動を抑制する効果もこれにともなって低くなると考えられる。

例えば、３レベル変換回路を採用したＵＰＳのなかには、３レベル変換回路として構成されたコンバータおよびインバータの直流部分を接続することにより、電源系統から供給される交流電力をいったん直流に変換し、さらにこれを交流に変換するものがある。このようなＵＰＳは、電源系統からの電力供給が停止すると蓄電池から負荷へ電力を供給するが、このときの負荷が軽いと３レベル変換回路が授受する電力が小さくなり、上記と同様な課題が発生すると考えられる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、３レベル変換回路を用いるＵＰＳにおいて、入力電流と出力電流が小さい場合であっても、中性点電位変動を抑制することができるようにすることを目的とする。

本発明に係る無停電電源装置は、電源系統から電力が供給されなくなっている期間において、中性点アンバランスが生じた場合は、コンバータの動作をいったん停止して電源系統から切断し、蓄電池からインバータへ給電を開始させた後、コンバータの動作を再開する。

本発明に係る無停電電源装置によれば、入力電流と出力電流が小さい場合であっても、中性点電位変動を効果的に抑制することができる。

実施形態１に係るＵＰＳ２００の回路構成を示す図である。 コンバータ２０２の回路図である。 制御装置２１０がコンバータ２０２を制御する動作を説明するブロック図である。 パルス出力判定器５１６の詳細を説明するブロック図である。 切替ＳＷ５２４の詳細を説明するブロック図である。 コンバータ２０２の別構成例を示す回路図である。 コンバータ２０２の別構成例を示す回路図である。

＜実施の形態１：装置構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係るＵＰＳ２００の回路構成を示す図である。記載の便宜上、多相交流回路を単線結線図で示している。ＵＰＳ２００は、コンバータ２０２、インバータ２０４、制御装置２１０、直流回路２１４を備える。その他の詳細構成については適宜説明する。ＵＰＳ２００のコンバータ２０２側は、遮断器３００および入力用変圧器１０２を介して電源系統１００に接続される。ＵＰＳ２００のインバータ２０４側は、遮断器３０２を介して負荷２０６に接続される。

コンバータ２０２とインバータ２０４は、直流回路２１４を介して接続される。直流回路２１４にはＰ、Ｍ、Ｎの３つの端子があり、Ｐ−Ｍ間には正極側コンデンサ２２０（正極側コンデンサ）が接続され、Ｍ−Ｎ間には負極側コンデンサ２２２（負極側コンデンサ）が接続される。Ｐ−Ｎ間には昇降圧チョッパ２０８と遮断器３０４を介して蓄電池２１２が接続される。昇降圧チョッパ２０８はＰ−Ｎ間電圧を一定に制御する機能をもつ。

電源系統１００が正常な場合、負荷２０６が消費する電力は電源系統１００から供給される。コンバータ２０２は、コンバータ電流Ｉｃｎｖを制御することにより、正極側コンデンサ２２０と負極側コンデンサ２２２を充電する電流量を制御し、Ｐ−Ｎ間の電圧を一定に制御し、さらにはＰ−Ｍ間電圧（正極側電圧）とＭ−Ｎ間電圧（負極側電圧）のバランスを取る。

インバータ２０４は、正極側コンデンサ２２０と負極側コンデンサ２２２に蓄積された電荷を利用して、交流側に接続された負荷２０６に電力を供給する。この際、インバータ２０４は電源系統１００に同期した交流電圧を出力する。

制御装置２１０は、コンバータ２０２、インバータ２０４、昇降圧チョッパ２０８が備えている半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動制御するパルス信号Ｐｃ、Ｐｉ、Ｐ３を出力する。

停電等により電源系統１００からの電力供給が途絶えた場合、制御装置２１０はコンバータ２０２の運転（スイッチング素子の動作）を停止した後、蓄電池２１２に蓄積されている電力を用いて、負荷２０６へ電力を供給する。制御装置２１０は、蓄電池２１２からの電力供給を開始したのち、遮断器３００を開放する。遮断器３０２は、ＵＰＳ２００を点検する時にＵＰＳ２００と負荷２０６を切り離す際に使用する。

図２は、コンバータ２０２の回路図である。コンバータ２０２の主回路は３レベル電力変換回路として構成されている。図２では半導体スイッチＳ２およびＳ３として逆阻止型の半導体スイッチを適用することにより３レベル電力変換装置を構成しているが、その他の構成を採用してもよい。

コンバータ２０２は、例えば半導体スイッチング素子（ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ、ＳｉＣなど）を用いて構成される。半導体スイッチング素子Ｓ＿１Ｕ〜Ｓ＿４Ｕ、Ｓ＿１Ｖ〜Ｓ＿４Ｖ、Ｓ＿１Ｗ〜Ｓ＿４Ｗは、制御装置２１０からのパルス信号Ｐｃに応じてスイッチング動作する。

パルス信号Ｐｃは「０」と「１」の信号から成る。パルス信号Ｐｃが０の場合、スイッチはオフ状態であり電流は流れない。パルス信号Ｐｃが１の場合、スイッチはオン状態となり電流が流れる。パルス信号Ｐｉ、Ｐ３についても同様である。このスイッチング動作により、コンバータ２０２は３レベルの直流電圧からパルス状の擬似的な交流電圧を出力することができる。交流電力を直流電力に変換する場合も同様にスイッチング動作によって変換を実施する。これにより、交流と直流を互いに電力変換することができる。

コンバータ２０２の交流出力端子には、フィルタリアクトル４００とフィルタコンデンサ４０２で構成された、高調波電流と高調波電圧を減衰させる交流フィルタ回路が配置されている。

インバータ２０４はコンバータ２０２と同様に、スイッチング素子を有する３レベル電力変換回路として構成されている。

次に、コンバータ２０２およびインバータ２０４を制御するための配線および装置について、図１と図２を用いて説明する。

電圧センサ２３０は、遮断器３００の電力系統側の三相電圧を検出し、その検出結果を電圧検出信号Ｖｃｎｖ（系統電圧）として制御装置２１０に出力する。電流センサ４０４は、遮断器３００のコンバータ２０２側の三相電流を検出し、その検出結果を電流検出信号Ｉｃｎｖ（系統電流）として制御装置２１０に出力する。電圧センサ２３２は、インバータ２０４の出力電圧を検出し、その検出結果を検出信号Ｖｉｎｖとして制御装置２１０に出力する。

正極側コンデンサ２２０の両端電圧Ｖｄｃ＿Ｐと負極側コンデンサ２２２の両端電圧Ｖｄｃ＿Ｎは、適当な電圧センサによって検出され、その検出結果は制御装置２１０に入力される。

＜実施の形態１：中性点電位の変動を抑制する原理＞
図２を用いて、停電時の中性点電位変動を抑制する原理を説明する。例として、コンバータ２０２のスイッチング素子が全てオフ状態で、かつ、直流電圧Ｖｄｃ＿Ｐ＞Ｖｄｃ＿Ｎと仮定する。

このとき、スイッチング素子Ｓ＿１ＵとＳ＿３Ｖをオンにすると、正極側コンデンサ２２０に蓄積されている電荷は、正極側コンデンサ２２０→直流回路２１４のＰ端子→スイッチング素子Ｓ＿１Ｕ→フィルタリアクトル４００のＵ相→フィルタコンデンサ４０２のＵ相→フィルタコンデンサ４０２のＶ相→フィルタリアクトル４００のＶ相→スイッチング素子Ｓ＿３V→直流回路２１４のＭ端子→正極側コンデンサ２２０の順で移動する。この過程において、回路中の抵抗成分やスイッチング素子のオン抵抗により損失が発生し、正極側コンデンサ２２０の電荷が消費され、直流電圧Ｖｄｃ＿Ｐは減少する。その結果、直流電圧Ｖｄｃ＿ＰとＶｄｃ＿Ｎの偏差を小さくできる。

直流電圧Ｖｄｃ＿Ｐ＜Ｖｄｃ＿Ｎの場合は、例えばスイッチング素子Ｓ＿２ＷとＳ＿４Ｖをオンにしたとすると、負極側コンデンサ２２２に蓄積されている電荷は、負極側コンデンサ２２２→直流回路２１４のＭ端子→スイッチング素子Ｓ＿２Ｗ→フィルタリアクトル４００のＷ相→フィルタコンデンサ４０２のＷ相→フィルタコンデンサ４０２のＶ相→フィルタリアクトル４００のＶ相→スイッチング素子Ｓ＿４Ｖ→直流回路２１４のＮ端子→負極側コンデンサ２２２の順で移動する。この過程において、回路中の抵抗成分やスイッチング素子のオン抵抗により損失が発生し、負極側コンデンサ２２２の電荷が消費され、直流電圧Ｖｄｃ＿Ｎは減少する。その結果、直流電圧Ｖｄｃ＿ＰとＶｄｃ＿Ｎの偏差を小さくできる。

＜実施の形態１：中性点電位の変動を抑制する制御動作＞
図３は、制御装置２１０がコンバータ２０２を制御する動作を説明するブロック図である。制御装置２１０は、電源系統１００の状態に応じて、コンバータ２０２に対して出力する三相交流電圧指令値を切り替える。初めに電源系統１００が正常な場合について説明し、次に電源系統１００からの電力供給が途絶えた場合について説明する。

なお電源系統１００が停電状態であるか否かは、停電判定器５２２が系統電圧Ｖｃｎｖを用いて判定する。具体的には、電源系統１００から供給される電力のみを用いて負荷２０６に十分な電力を供給できなくなったときは、停電状態であると判定する。判定結果ＳＧ１は切替ＳＷ５２４に出力される。

コンバータ２００は、系統電圧Ｖｃｎｖ、系統電流Ｉｃｎｖ、正極側コンデンサ電圧Ｖｄｃ＿Ｐ、負極側コンデンサ電圧Ｖｄｃ＿Ｎを直流電圧制御演算器５０４に入力する。直流電圧制御演算器５０４は、コンデンサ２２０および２２２の両端電圧の和であるＶｄｃ＿Ｐ＋Ｖｄｃ＿Ｎが直流電圧指令値ＶｄｃＲＥＦに一致するように、かつ、各両端電圧の差であるＶｄｃ＿Ｐ−Ｖｄｃ＿Ｎの偏差が零となるように、三相交流電圧指令値Ｖｕｎ、Ｖｖｎ、Ｖｗｎを演算する。これにより、歪み成分を含んだ電流を電源系統１００へ流すことを抑制できる。

直流電圧制御演算器５０４の出力である電圧指令値Ｖｕｎ、Ｖｖｎ、Ｖｗｎは、パルス演算器ＰＷＭ１（５１８）に入力される。パルス演算器ＰＷＭ１（５１８）は、入力された三相交流電圧指令値を用いて、パルス幅変調方式によりパルスＰｃ１を演算し、切替ＳＷ５２４へ出力する。

電源系統１００が停電となった場合、両端電圧Ｖｄｃ＿ＰとＶｄｃ＿Ｎは減算器５０２に入力される。減算器５０２の出力は、停電時電圧指令値演算器５１２と絶対値演算器ＡＢＳ５０６に入力される。

絶対値演算器ＡＢＳ５０６は、入力値の絶対値を停電時制御判定器５２０へ出力する。停電時制御判定器５２０は、電源系統１００が停電している時、入力信号が所定閾値を超えていればＳＧ２＝１をパルス出力判定器５１６へ出力し、閾値以下であればＳＧ２＝０を出力する。

停電時電圧指令値演算器５１２は、先に説明した原理を用いて、両端電圧Ｖｄｃ＿ＰとＶｄｃ＿Ｎの偏差が小さくなるような三相交流電圧指令値Ｖｕｎ’、Ｖｖｎ’、Ｖｗｎ’を演算する。その結果は、パルス演算器ＰＷＭ２（５１４）へ出力される。

パルス演算器ＰＷＭ２（５１４）は、入力された三相交流電圧指令値を用いて、パルス幅変調方式によりパルスＰｃｃ２を演算し、パルス出力判定器５１６へ出力する。パルス出力判定器５１６は、パルスＰｃｃ２を切替ＳＷ５２４へ出力するか否かを判定する。

図４は、パルス出力判定器５１６の詳細を説明するブロック図である。パルス出力判定器５１６は、停電時制御判定器５２０の出力信号であるＳＧ２にしたがって、パルス演算器ＰＷＭ２（５１４）の出力であるパルスＰｃｃ２を切替ＳＷ５１４へ出力するか否かを判定する。ＳＧ２＝１の場合はＰｃｃ２を選択し、Ｐｃ２として切替ＳＷ５２４へ出力する。ＳＧ２＝０の場合は０を選択し、零パルスをＰｃ２として切替ＳＷ５２４へ出力する。零パルスを出力することにより、コンバータ２０２のスイッチング動作にともなう無用な損失発生を防ぐことができる。

図５は、切替ＳＷ５２４の詳細を説明するブロック図である。切替ＳＷ５２４は、停電判定ブロック５２２の出力信号であるＳＧ１にしたがって、Ｐｃ１とＰｃ２のいずれかを選択し、パルスＰｃとして出力する。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係るＵＰＳ２００は、電源系統１００からの電力供給が途絶えると、正極側コンデンサ２２０または負極側コンデンサ２２２を放電させて中性点電位のバランスをとるように、コンバータ２０２を動作させる。これにより、コンバータ２０２が授受する電力が小さい場合でも、中性点電位を効果的に制御することができる。

＜実施の形態２＞
図６は、コンバータ２０２の別構成例を示す回路図である。図６において、直流回路２１４のＭ端子に半導体スイッチを直列に逆接続している。図２で説明したような、逆阻止型の半導体スイッチを用いることに代えて、図６のような構成を採用しても、本発明に係る効果は同等である。

図７は、コンバータ２０２の別構成例を示す回路図である。図２で説明したような、逆阻止型の半導体スイッチを用いることに代えて、図７のような構成を採用しても、本発明に係る効果は同等である。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

上記各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。

１００：電源系統
２００：ＵＰＳ（無停電電源装置）
２０２：コンバータ
２０４：インバータ
２０６：負荷
２０８：昇降圧チョッパ
２１０：制御装置
２１２：蓄電池
２１４：直流回路
２２０：正極側コンデンサ
２２２：負極側コンデンサ
２３０、２３２：電圧センサ
３００、３０２、３０４：遮断器
４００：フィルタリアクトル
４０２：フィルタコンデンサ
４０４ｕ、４０４ｖ、４０４ｗ：電流センサ

Claims (4)

1. 交流電力を所定電圧の直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータと電源系統を接続する遮断器と、
   前記コンバータが出力する前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記コンバータの交流出力端子を電源系統に出力するフィルタ回路と、
   前記コンバータと前記インバータの間を接続する直流回路と、
   前記直流回路に接続された蓄電池と、
   前記コンバータの動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記コンバータは、
   スイッチング素子を有し、正極側電位、中性点電位、負極側電位の３つの電位を選択的に出力することができる３レベル変換器として構成されており、
   前記直流回路は、
   前記正極側電位と前記中性点電位による電圧が印加される正極側コンデンサと、
   前記負極側電位と前記中性点電位による電圧が印加される負極側コンデンサと、
   を備えており、
   前記制御装置は、
   前記電源系統から電力が供給されなくなっている期間において、前記正極側電位と前記中性点電位の間の差分と、前記負極側電位と前記中性点電位の間の差分が、バランスしていないことを検出した場合は、
   前記スイッチング素子の動作をいったん停止し、前記遮断器を開放し、および前記蓄電池から前記インバータへ給電を開始させた後、前記スイッチング素子の動作を再開し、
   前記制御装置はさらに、
   前記スイッチング素子の動作を再開させて前記正極側コンデンサまたは前記負極側コンデンサが蓄積している電荷を放電させることにより、前記正極側電位と前記中性点電位の間の差分と、前記負極側電位と前記中性点電位の間の差分を、互いにバランスさせる
   ことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記制御装置は、
   前記スイッチング素子の動作を再開させるときは、前記正極側コンデンサまたは前記負極側コンデンサから前記フィルタ回路に至る経路で放電電流が流れるように前記スイッチング素子を動作させることにより、前記正極側コンデンサまたは前記負極側コンデンサが蓄積している電荷を放電させる
   ことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
3. 前記無停電電源装置は、
   前記正極側コンデンサの両端電圧と前記負極側コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器を備えており、
   前記制御装置は、
   前記正極側コンデンサと前記負極側コンデンサのうち両端電圧が大きいほうを放電させることにより、前記正極側電位と前記中性点電位の間の差分と、前記負極側電位と前記中性点電位の間の差分を、互いにバランスさせる
   ことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
4. 無停電電源装置の動作を制御する方法であって、
   前記無停電電源装置は、
   スイッチング素子を有し、正極側電位、中性点電位、負極側電位の３つの電位を選択的に出力することができる３レベル変換器として構成され、交流電力を所定電圧の直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータと電源系統を接続する遮断器と、
   前記コンバータが出力する前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記コンバータの交流出力端子を電源系統に出力するフィルタ回路と、
   前記コンバータと前記インバータの間を接続する直流回路と、
   前記直流回路に接続された蓄電池と、
   前記コンバータの動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記直流回路は、
   前記正極側電位と前記中性点電位による電圧が印加される正極側コンデンサと、
   前記負極側電位と前記中性点電位による電圧が印加される負極側コンデンサと、
   を備えており、
   前記方法は、
   前記電源系統から電力が供給されなくなっている期間において、前記正極側電位と前記中性点電位の間の差分と、前記負極側電位と前記中性点電位の間の差分が、バランスしていないことを検出するステップ、
   前記スイッチング素子の動作をいったん停止し、前記遮断器を開放し、および前記蓄電池から前記インバータへ給電を開始させた後、前記スイッチング素子の動作を再開するステップ、
   を有し、
   前記方法はさらに、
   前記スイッチング素子の動作を再開させて前記正極側コンデンサまたは前記負極側コンデンサが蓄積している電荷を放電させることにより、前記正極側電位と前記中性点電位の間の差分と、前記負極側電位と前記中性点電位の間の差分を、互いにバランスさせるステップを有する
   ことを特徴とする無停電電源装置の制御方法。

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