JP5952210B2 - 無停電電源システム - Google Patents

Description

この発明は無停電電源システムに関し、特に、負荷に対して並列接続される２台の無停電電源装置を備えた無停電電源システムに関する。

特許文献１には、負荷に対して並列接続される２台の無停電電源装置を備えた無停電電源システムが開示されている。２台の無停電電源装置の各々は出力電流を検出し、その検出値は２台の無停電電源装置間で授受される。各無停電電源装置は、２台の無停電電源装置の出力電流に基づいて分担電流と横流を求め、求めた分担電流が負荷に流れ、かつ横流が０になるように出力電圧を調整する。

また、特許文献２には、負荷に対して並列接続される複数台の無停電電源装置を備えた無停電電源システムが開示されている。各無停電電源装置は、供給有効電力が増大するに従って出力電圧を小さな減少率で徐々に低下させ、供給有効電力が所定値に到達した場合は大きな減少率で出力電圧を低下させる。これにより、複数台の無停電電源装置で負荷電流を良好に分担することができる。

特開平５−１８４１５４号公報 特開２００２−１７６７３５号公報

しかし、特許文献１では、２台の無停電電源装置間で出力電流の検出値を授受する通信装置が必要となり、装置構成が複雑になるという問題があった。

また、特許文献２では、各無停電電源装置が供給有効電力に応じて出力電圧を垂下させるので、無停電電源システムの出力電圧の変動範囲が大きいという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、装置構成が簡単で出力電圧の変動幅が小さな無停電電源システムを提供することである。

この発明に係る無停電電源システムは、負荷に対して並列接続される２台の無停電電源装置と、２台の無停電電源装置のうちのいずれか一方の無停電電源装置を選択する選択回路とを備えたものである。各無停電電源装置は、負荷に接続される出力端子と、直流電力を交流電力に変換して出力端子に出力するインバータと、出力端子に流れる電流を検出する電流検出器と、電流検出器の検出結果に基づいて動作し、選択回路によって対応の無停電電源装置が選択された場合は、インバータに全負荷電流を分担させ、選択回路によって対応の無停電電源装置が選択されない場合は、インバータの分担電流を０にするとともに、対応の無停電電源装置に流入する電流が０になるようにインバータの出力電圧を制御する制御装置とを含む。２台の無停電電源装置の出力端子はともに負荷に接続される。２台の無停電電源装置のうちの選択回路によって選択された方の無停電電源装置が全負荷電流を出力し、選択回路によって選択されなかった方の無停電電源装置は電流を出力せずに電圧のみを出力する待機状態にされる。

好ましくは、選択回路は、選択した一方の無停電電源装置が故障した場合は他方の無停電電源装置を選択する。

また好ましくは、選択回路は、予め定められた周期で２台の無停電電源装置を交互に選択し、選択中の無停電電源装置が故障した場合は他方の無停電電源装置を選択する。

また好ましくは、制御装置は、選択回路によって対応の無停電電源装置が選択された場合は、インバータの分担電流を電流検出器の検出値に設定するとともに、対応の無停電電源装置の横流を０に設定し、選択回路によって対応の無停電電源装置が選択されない場合は、インバータの分担電流を０に設定するとともに、対応の無停電電源装置の横流を電流検出器の検出値に負の値を乗算した値に設定する電流設定部と、電流設定部によって設定された値の分担電流がインバータから負荷に流れ、かつ電流設定部によって設定された横流の値が小さくなるように、インバータを制御する制御部とを含む。

この発明に係る無停電電源システムでは、負荷に対して並列接続された２台の無停電電源装置のうちの一方の無停電電源装置のインバータに全負荷電流を分担させるとともに、他方の無停電電源装置に電流が流入しないように他方の無停電電源装置のインバータの出力電圧を制御する。したがって、装置構成を簡単化し、出力電圧の変動幅を低減することができる。

この発明の一実施の形態による無停電電源システムの構成を示すブロック図である。 図１に示した無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した無停電電源システムの動作を示すタイムチャートである。 図２に示した無停電電源装置のうちのインバータの制御に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。 実施の形態の変更例を示すタイムチャートである。

本発明の一実施の形態による無停電電源システムは、図１に示すように、２台の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２と選択回路１を備え、商用交流電源２からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を交流電力に変換して負荷３に供給するものである。無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２のうちの選択回路１によって選択された無停電電源装置（たとえばＵ１）から負荷３に交流電力が供給され、選択されなかった方の無停電電源装置（この場合はＵ２）は無停電電源装置Ｕ１から電流が流入しないように出力電圧を調整する。無停電電源装置Ｕ１が故障した場合は、直ちに、無停電電源装置Ｕ２が負荷３に交流電力を供給する。

詳しく説明すると、無停電電源装置Ｕ１は、図２に示すように、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、バッテリ端子Ｔ３、コンバータ５、コンデンサ６、インバータ７、電流検出器８、および制御装置９を備える。入力端子Ｔ１は、商用交流電源２から商用周波数の交流電力を受ける。出力端子Ｔ２は、負荷３に接続される。バッテリ端子Ｔ３は、バッテリＢに接続される。

コンバータ５は、制御装置９によって制御され、商用交流電源２から正常に交流電力が供給されている通常時は、交流電力を直流電力に変換する。商用交流電源２からの交流電力の供給が停止された停電時は、コンバータ５の運転が停止される。コンデンサ６は、コンバータ５の出力電圧を平滑化させる。コンバータ５で生成された直流電力は、バッテリＢおよびインバータ７に与えられる。バッテリＢは、コンバータ５で生成された直流電力を蓄える。

インバータ７は、制御装置９によって制御され、通常時は、コンバータ５で生成された直流電力を商用周波数の交流電力に変換し、停電時は、バッテリＢの直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。インバータ７で生成された交流電力は、出力端子Ｔ２を介して負荷３に供給される。したがって、停電が発生した場合でも、バッテリＢに直流電力が蓄えられている限りは、負荷３の運転を継続することができる。

電流検出器８は、インバータ７と出力端子Ｔ２の間に設けられ、出力端子Ｔ２に流れる電流を検出する。制御装置９は、電流検出器８の検出結果に基づいて、コンバータ５およびインバータ７を制御する。特に、制御装置９は、選択回路１からの選択信号Ｓ１が選択レベルの「Ｈ」レベルである場合は、無停電電源装置Ｕ１から負荷３に全負荷電流が流れるようにインバータ７を制御する。また、制御装置９は、選択回路１からの選択信号Ｓ１が非選択レベルの「Ｌ」レベルである場合は、インバータ７から負荷３に供給される電流が０になり、かつ無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２間の横流が０になるようにインバータ７の出力電圧を制御する。

さらに、制御装置９は、インバータ７が正常である場合は故障検出信号Ｆ１を非活性化レベルの「Ｌ」レベルにし、インバータ７が故障した場合は故障検出信号Ｆ１を活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。

無停電電源装置Ｕ２は、無停電電源装置Ｕ１と同じ構成である。ただし、無停電電源装置Ｕ１は、図１に示すように、選択信号Ｓ１の代わりに選択信号Ｓ２を受け、故障検出信号Ｆ１の代わりに故障検出信号Ｆ２を出力する。選択信号Ｓ２は、選択信号Ｓ１の反転信号である。

選択回路１は、ユーザーによって無停電電源装置Ｕ１が選択された場合は、選択信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにする。この場合において故障検出信号Ｆ１が「Ｈ」レベルにされたときは、選択回路１は選択信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに反転させる。

同様に、選択回路１は、ユーザーによって無停電電源装置Ｕ２が選択された場合は、選択信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにする。この場合において故障検出信号Ｆ２が「Ｈ」レベルにされたときは、選択回路１は選択信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルに反転させる。

図３（ａ）〜（ｆ）は、図１に示した無停電電源システムの動作を示すタイムチャートである。初期状態では、ユーザーによって無停電電源装置Ｕ１が選択され、選択回路１によって選択信号Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされたものとする。この場合は、無停電電源装置Ｕ１から負荷３に交流電力が供給され、無停電電源装置Ｕ２は待機状態になる。無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２が正常である期間では、故障検出信号Ｆ１，Ｆ２はともに「Ｌ」レベルにされている。

ある時刻ｔ１において無停電電源装置Ｕ１が故障して故障検出信号Ｆ１が「Ｈ」レベルに立ち上げられると、選択回路１によって選択信号Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに反転される。これにより、無停電電源装置Ｕ２から負荷３に交流電力が供給され、無停電電源装置Ｕ１は待機状態になる。したがって、無停電電源装置Ｕ１から負荷３に交流電力を供給している場合において無停電電源装置Ｕ１が故障したときでも、無停電電源装置Ｕ２によって負荷３の運転を継続することができる。

図４は、図２に示した無停電電源装置Ｕ１のうちのインバータ７の運転に関連する部分をより詳細に示す回路ブロック図である。図４において、無停電電源装置Ｕ１は、電流検出器１０、リアクトル１１、コンデンサ１２、およびコンタクタ１４をさらに備える。リアクトル１１およびコンタクタ１４は、インバータ７の出力ノードと無停電電源装置Ｕ１の出力端子Ｔ２との間に直列接続される。コンデンサ１２は、リアクトル１１とコンタクタ１４との間のノードと基準電圧のラインとの間に接続される。

リアクトル１１およびコンデンサ１２は、インバータ７で生成された商用周波数の交流電力を通過させ、インバータ７で発生するスイッチング周波数の信号が負荷３側に漏れるのを防止する低域通過フィルタを構成する。

電流検出器１０は、インバータ７とリアクトル１１の間に設けられ、インバータ７の出力電流ＩＡを検出し、検出値を示す信号を出力する。電流検出器８は、コンデンサ１２とコンタクタ１４の間に設けられ、負荷電流ＩＬを検出し、検出値を示す信号を出力する。コンタクタ１４は、通常時はオンされ、インバータ７の故障時やメンテナンス時にオフされる。

制御装置９は、切換回路２０，２１、乗算器２２，２５、変換器２３、電圧制御発振器２４、仮想インピーダンス回路２６、加算器２７，２８，３０，３１、電圧制御部２９、電流制御部３２、およびＰＷＭ（pulse width modulation：パルス幅変調）回路３３を含む。

切換回路２０は、選択信号Ｓ１が選択レベルの「Ｈ」レベルである場合は、電流検出器８の検出値（すなわち負荷電流ＩＬ）を分担電流ＩＳとして加算器３０に与え、選択信号Ｓ１が非選択レベルの「Ｌ」レベルである場合は、分担電流ＩＳを０に設定する。

切換回路２１および乗算器２２は、選択信号Ｓ１が選択レベルの「Ｈ」レベルである場合は、横流ΔＩを０に設定し、選択信号Ｓ１が非選択レベルの「Ｌ」レベルである場合は、電流検出器８の検出値（すなわち負荷電流ＩＬ）に−１を乗算した値（−ＩＬ）を横流ΔＩとする。切換回路２０，２１および乗算器２２は、電流設定部を構成する。

変換器２３は、横流ΔＩのうちの電圧位相差に起因する成分を検出する。電圧制御発振器２４は、変換器２３の検出信号に基づいて、出力電圧の位相基準となる正弦波信号を発生する。正弦波信号の周波数は変換器２３の出力信号の電圧により変化し、横流ΔＩの有効電力成分が正、すなわちインバータ７から有効電力が流出している場合には正弦波信号の周波数を下げる。これにより、インバータ７の出力電圧位相が相対的に遅れ、有効電力の流出が抑制される。反対に、横流ΔＩの有効電力成分が負、すなわちインバータ７に有効電力が流入している場合には正弦波信号の周波数を上げることにより、有効電力の流入が抑制される。

乗算器２５は、電圧指令値ＶＳと電圧制御発振器２４からの正弦波信号とを乗算し、インバータ７が出力すべき瞬時電圧を指令する瞬時電圧指令値を生成する。仮想インピーダンス回路２６は、横流ΔＩに仮想インピーダンスＺを乗算する。仮想インピーダンス回路２６は、２台の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２間に仮想的にインピーダンスＺを挿入し、横流ΔＩを制限する。

加算器２７は、乗算器２５で生成された瞬時電圧指令値から仮想インピーダンス回路２６で生成されたΔＩ×Ｚの値を減算して、コンデンサ１２の電圧指令値を生成する。加算器２８は、コンデンサ１２の電圧指令値とコンデンサ１２の電圧（出力電圧ＶＯ）の検出値との偏差を求める。電圧制御部２９は、加算器２８で求められたコンデンサ１２の電圧指令値と検出値の偏差が小さくなるように、補正電流信号を出力する。

加算器３０は、コンデンサ１２に流れるべき電流を指令するコンデンサ電流指令値と、電圧制御部２９からの補正電流信号の値と、切換回路２０からの分担電流ＩＳの値とを加算して、インバータ７が出力すべき電流を指令する電流指令値を生成する。コンデンサ電流指令値は、加算器２８で求められたコンデンサ１２の電圧指令値に基づいて生成される。加算器３１は、加算器３０からの電流指令値と、電流検出器１０の電流検出値との偏差を求める。

電流制御部３２は、加算器３１で生成された偏差が小さくなるように、ＰＷＭ回路３３を介してインバータ７の出力電流を制御する。ＰＷＭ回路３３は、電流制御部３２に従ってインバータ７を制御する。

次に、無停電電源装置Ｕ１の動作について説明する。選択信号Ｓ１が選択レベルの「Ｈ」レベルにされた場合は、切換回路２０によって負荷電流ＩＬが分担電流ＩＳとされ、切換回路２１および乗算器２２によって横流ΔＩが０に設定される。横流ΔＩが０に設定されたので、電圧制御発振器２４は、基準周波数の正弦波信号を生成する。この場合は、無停電電源装置Ｕ１が負荷３の全消費電流を供給する。

なお、２台の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２から負荷３に電力を供給する従来の無停電電源システムでは、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の負荷電流ＩＬ１，ＩＬ２の平均値（ＩＬ１＋ＩＬ２）／２が無停電電源装置Ｕ１の分担電流ＩＳとなる。

また、選択信号Ｓ１が非選択レベルの「Ｌ」レベルにされた場合は、切換回路２０によって分担電流ＩＳが０に設定され、切換回路２１および乗算器２２によって横流ΔＩが−ＩＬに設定される。横流ΔＩが−ＩＬであるので、電圧制御発振器２４は、正弦波信号の周波数を上げて電流の流入を抑制する。インバータ７は、無停電電源装置Ｕ２からの電流が流入しないように、電圧を出力する。

なお、２台の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２から負荷３に電力を供給する従来の無停電電源システムでは、無停電電源装置Ｕ１の負荷電流ＩＬ１から分担電流（ＩＬ１＋ＩＬ２）／２を減算した値が横流ΔＩとなる。ＩＬ１＝０，ＩＬ２＝ＩＬである場合は、ΔＩ＝−ＩＬ／２となる。無停電電源装置Ｕ２の構成および動作は、無停電電源装置Ｕ１と同じであるので、その説明は繰り返さない。

この実施の形態では、２台の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２のうちの一方の無停電電源装置Ｕのインバータ７に全負荷電流を分担させるとともに、他方の無停電電源装置Ｕに電流が流入しないように他方の無停電電源装置のインバータ７の出力電圧を制御する。したがって、装置構成の簡単化し、出力電圧の変動幅を低減することができる。

また、図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の変更例を示すタイムチャートである。この変更例では、選択回路１は、通常時は、所定周期λ１で選択信号Ｓ１，Ｓ２を交互に「Ｈ」レベルにする。選択信号Ｓ１が「Ｈ」レベルにされると、無停電電源装置Ｕ１が全負荷電流を供給するとともに無停電電源装置Ｕ２が待機状態になる。選択信号Ｓ２が「Ｈ」レベルにされると、無停電電源装置Ｕ２が全負荷電流を供給するとともに無停電電源装置Ｕ１が待機状態になる。したがって、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２は、所定周期λ１で交互に負荷３に電流を供給する。

無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の一方の無停電電源装置（たとえばＵ１）から負荷３に電力供給している期間にその無停電電源装置Ｕ１が故障した場合、他方の無停電電源装置Ｕ２から負荷３に電力が供給され、故障した無停電電源装置Ｕ１のコンタクタ１４はオフされる。

この変更例では、２台の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２を交互に使用するので、１台の無停電電源装置Ｕ１を給電状態に固定する場合に比べ、装置の寿命を長くすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｕ１，Ｕ２ 無停電電源装置、１ 選択回路、２ 商用交流電源、３ 負荷、Ｔ１ 入力端子、Ｔ２ 出力端子、Ｔ３ バッテリ端子、５ コンバータ、６，１２ コンデンサ、７ インバータ、８ 電流検出器、９ 制御装置、Ｂ バッテリ、１１ リアクトル、１４ コンタクタ、２０，２１ 切換回路、２２，２５ 乗算器、２３ 変換器、２４ 電圧制御発振器、２６ 仮想インピーダンス回路、２７，２８，３０，３１ 加算器、２９ 電圧制御部、３２ 電流制御部、３３ ＰＷＭ回路。

Claims (4)

1. 負荷に対して並列接続される２台の無停電電源装置と、
   前記２台の無停電電源装置のうちのいずれか一方の無停電電源装置を選択する選択回路とを備え、
   各無停電電源装置は、
   前記負荷に接続される出力端子と、
   直流電力を交流電力に変換して前記出力端子に出力するインバータと、
   前記出力端子に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器の検出結果に基づいて動作し、前記選択回路によって対応の無停電電源装置が選択された場合は、前記インバータに全負荷電流を分担させ、前記選択回路によって対応の無停電電源装置が選択されない場合は、前記インバータの分担電流を０にするとともに、対応の無停電電源装置に流入する電流が０になるように前記インバータの出力電圧を制御する制御装置とを含み、
   前記２台の無停電電源装置の出力端子はともに前記負荷に接続され、
   前記２台の無停電電源装置のうちの前記選択回路によって選択された方の無停電電源装置が全負荷電流を出力し、前記選択回路によって選択されなかった方の無停電電源装置は電流を出力せずに電圧のみを出力する待機状態にされる、無停電電源システム。
2. 前記選択回路は、選択した一方の無停電電源装置が故障した場合は他方の無停電電源装置を選択する、請求項１に記載の無停電電源システム。
3. 前記選択回路は、予め定められた周期で前記２台の無停電電源装置を交互に選択し、選択中の無停電電源装置が故障した場合は他方の無停電電源装置を選択する、請求項１に記載の無停電電源システム。
4. 前記制御装置は、
   前記選択回路によって対応の無停電電源装置が選択された場合は、前記インバータの分担電流を前記電流検出器の検出値に設定するとともに、対応の無停電電源装置の横流を０に設定し、前記選択回路によって対応の無停電電源装置が選択されない場合は、前記インバータの分担電流を０に設定するとともに、対応の無停電電源装置の横流を前記電流検出器の検出値に負の値を乗算した値に設定する電流設定部と、
   前記電流設定部によって設定された値の分担電流が前記インバータから前記負荷に流れ、かつ前記電流設定部によって設定された横流の値が小さくなるように、前記インバータを制御する制御部とを含む、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の無停電電源システム。

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