JP6418109B2 - 無停電電源システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、複数台の無停電電源装置からなり並列冗長運転が可能な無停電電源システムに関する。

従来の高信頼性を目的とした並列冗長の無停電電源システムでは、並列接続された各無停電電源装置にそれぞれ備えている負荷に交流電力を供給するインバータの電流制御回路は、いずれも同一で分担電流制御回路の動作しか行えない構成となっていた。

特開２０１１−１８８７０６号公報

前述の従来の並列冗長の無停電電源システムでは、負荷が軽く無停電電源装置を停止しても冗長性を維持できるにもかかわらず、並列接続された無停電電源装置は運転を継続させていたため、無停電電源システムとしてのシステム効率が低下していた。また、効率向上のために並列接続されば無停電電源装置をインバータ停止状態として運用する場合、インバータ停止状態から復旧するまでは並列冗長性を欠くこととなり、負荷給電信頼性を低下させることが考えられる。

本実施形態は、上記の欠点を除去するためになされたもので、給電信頼性を維持しつつ、高効率な給電が可能な無停電電源システムを得ることを目的とする。

実施形態の代表例によれば、各々に交流電力を出力するインバータを含む少なくとも３台の無停電電源装置を備え、前記各無停電電源装置を並列冗長運転により負荷に対して電力供給を行うものであって、前記各無停電電源装置は運転中前記負荷に対して負荷分担が均等になるように該当するインバータの出力電流を制御する負荷分担制御装置を備えた無停電電源システムにおいて、前記無停電電源装置のうちの少なくとも１台は、前記負荷分担制御装置に対して切換可能で、前記負荷に対して直ぐに給電可能な状態になるように該当するインバータの出力電流を制御する待機電流制御装置を備え、運転中の前記無停電電源装置が故障状態又は停止状態のときこれを除き、残りの正常運転が可能な無停電電源装置と、前記待機電流制御装置から前記負荷分担制御装置に切換えることで運転可能な前記待機電流制御装置を備えた無停電電源装置とにより前記負荷に給電継続ができるようにした無停電電源システムである。

以上述べた実施形態によれば、給電信頼性を維持しつつ、高効率な給電が可能な無停電電源システムを提供できる。

実施形態１の概略構成を説明するための図。 図１のインバータ運転判定回路を説明するための図。 図１のインバータ制御装置を説明するための図。 図１の動作を説明するための図。 実施形態２の概略構成を説明するための図。 実施形態３の概略構成を説明するための図。 実施形態４の概略構成を説明するための図。

以下、実施形態について説明するが、その概略構成は、従来の無停電電源システムにおいて、無停電電源装置のうちの少なくとも１台は、前記負荷分担制御装置に対して切換可能で、負荷に対して直ぐに給電可能な状態になるように該当するインバータの出力電流を制御する待機電流制御装置を備え、運転中の無停電電源装置が故障状態又は停止状態のときこれを除き、残りの正常運転が可能な無停電電源装置と、待機電流制御装置から負荷分担制御装置に切換えることで運転可能な待機電流制御装置を備えた無停電電源装置とにより負荷に給電継続ができるようにした無停電電源システムである。

従来の無停電電源システムは、各々に交流電力を出力するインバータを含む少なくとも３台の無停電電源装置を備え、各無停電電源装置を並列冗長運転により負荷に対して電力供給を行うものであって、各無停電電源装置は運転中前記負荷に対して負荷分担が均等になるように該当するインバータの出力電流を制御する負荷分担制御装置を備えたものである。

以下図１により無停電電源システムの実施形態１について説明するが、ここでは並列冗長運転が可能な複数台例えば３台の無停電電源装置１ａ、１ｂ、１ｃからなり、これらからの出力である交流電力を負荷１１に供給するものであって、ここでは無停電電源装置１ａ、１ｂを非特定無停電電源装置と称し、無停電電源装置１ｃを特定無停電電源装置と称する。

始めに、無停電電源装置１ａについて説明する。第１の交流電源を構成する例えば交流入力電源２ａと、第２の交流電源を構成するバイパス電源３ａの２つの電源を入力としている。無停電電源装置１ａは、交流入力電源２ａからの交流電力を交流入力遮断器４ａを介してコンバータ５ａに入力して直流電力に変換し、この変換された直流電力をインバータ７ａに入力して交流電力に変換し、交流電力をインバータ側接触器１０ａを介して負荷１１へ給電を行うと共に、コンバータ５ａにより変換した直流電力を電力貯蔵手段例えば蓄電池６ａに供給して蓄電池６ａを充電し、蓄電池６の充電が完了したときこの放電電力をインバータ７ａに供給し、ここで得られる交流電力を負荷１１に供給するようになっている。

インバータ７ａはインバータ制御回路８ａの出力であるインバータ制御指令９ａに基づき正弦波出力を行い、インバータ側接触器１０ａを介して負荷１１へ給電を行うものである。

さらに商用電源３ａからの交流電力を、以下に述べるバイパス回路１７ａを介して負荷１１に供給するようになっている。バイパス回路１７ａは、電源側遮断器１４ａと、電源側接触器１３ａと並列接続された半導体スイッチ１２ａからなる無瞬断切換器とで構成されている。

また、シーケンス制御回路２１ａを備え、これは無停電電源装置１ａ自身の故障を検出したとき故障検出信号２２ａを出力したり、さらには無停電電源装置１ａ自身の停止を検出したとき停止検出信号２３ａを出力したりするものである。

以上述べた構成は、無停電電源装置１ｂも同一であり、同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

ここで、無停電電源装置１ｃは、無停電電源装置１ａ、１ｂと異なる点は、前述したシーケンス制御回路２１ａ、２１ｂと、インバータ制御回路８ａ、８ｂを備えておらず、新たに図２に示すインバータ運転判定回路２４と、図３に示すインバータ制御装置３０とを備えている。

インバータ運転判定回路２４は、図２に示すように論理和素子２５ａ、２５ｂ、２５ｃからなり、論理和素子２５ａの入力にはシーケンス制御回路２１ａからの出力である故障検出信号２２ａ、停止検出信号２３ａを入力し、また論理和素子２５ｂの入力にはシーケンス制御回路２１ｂからの出力である故障検出信号２２ｂ、停止検出信号２３ｂを入力し、論理和素子２５ｃの入力には論理和素子２５ａ、２５ｂの出力が入力され、論理和素子２５ｃの出力である、インバータ運転切換指令２６はインバータ制御装置３０に入力されるようになっている。

インバータ制御装置３０は、図３に示すようにインバータ電流指令を出力するインバータ制御回路（電流指令生成回路）１５と、負荷分担制御装置例えば分担電流制御回路１６と、待機電流制御装置例えば待機電流制御回路２８と、インバータ制御回路１５からの出力である、インバータ電流指令を分担電流制御回路１６と待機電流制御回路２８のいずれかに切換可能であって、インバータ運転判定回路２４からのインバータ運転切換指令２６によって切換えられる切換装置２７を備えている。切換装置２７は、入側切換回路２７ａと出側切換回路か２７ｂらなり、入側切換回路２７ａはインバータ制御回路１５の出力側と分担電流制御回路１６及び待機電流制御回路２８の入力側に設けら、出側切換回路２７ｂは分担電流制御回路１６及び待機電流制御回路２８の出力側に設けられている。

交流入力電源２ａが停電した場合、コンバータ５ａは停止（ゲートブロック）し、蓄電池６ａからの直流電力を入力としインバータ７ａはインバータ側接触器１０ａを介して負荷１１へ給電を行うことで、負荷１１に対して電力供給を継続することができる。

各々の無停電電源装置１ａ、１ｂのシーケンス制御回路２１ａ、２１ｂからの出力信号である故障検出信号２２ａ、２２ｂ及び停止検出信号２３ａ、２３ｂは特定の無停電電源装置１ａのインバータ運転判定回路２４に入力される。また、インバータ運転判定回路２４の出力、すなわちインバータ運転切換指令２６はインバータ制御装置３０に入力されている。

次に、以上述べた実施形態１の動作について、図４を参照して説明する。

図４（Ａ）は最初に設定した運転状態を示している。すなわち、Ｎｏ．１ ＵＰＳ１ａ及びＮｏ．２ ＵＰＳ１ｂでそれぞれ５０％の負荷給電を行っており、Ｎｏ．３ ＵＰＳ１ｃは主回路接続はなされているが、負荷１１への給電は行わないようにする（０％の負荷給電）、具体的には待機電流制御回路２８が接続されている状態を示している。

図４（Ｂ）は異常発生時の運転状態を示している。すなわち、図４（Ａ）の状態から、例えばＮｏ．１ ＵＰＳ１ａが故障発生した場合、シーケンス制御回路２１ａからインバータ運転判定回路２４に対して故障検出信号２２ａが与えられ、この結果図２の論理和素子２５ａ、２５ｃが共に出力が「１」となり、インバータ運転判定回路２４からインバータ運転切換指令２６がインバータ制御装置３０に与えられ、切換回路２７ａ、２７ｂが同時に切換えられ、Ｎｏ．３ ＵＰＳ１ｃのインバータ制御方式を通常の分担電流制御回路１６に切り換えることで、直ちに（例えば４ｍｓ以下）切り換えることができる。ここで、４ｍｓ以下とは無瞬断（１／４サイクル−０Ｖ以内）であることを意味している。

図４（Ｃ）は図４（Ａ）の状態と、図４（Ｂ）の状態を示すタイムチャートである。

以上述べたことから、特定の無停電電源装置１ｃに待機電流制御回路２８及び分担電流制御回路１６を備えると共にこれらの切換が可能になっており、非特定の無停電電源装置１ａ、１ｂの故障検出信号２２ａ、２２ｂ又は停止検出信号２３ａ、２３ｂが入力されたとき、待機電流制御回路２８から分担電流制御回路１６に即座に切換えられることから、給電信頼性を損なうことなく、効率のよい無停電電源システムが得られる。これに対して、従来のシステムは、インバータの制御回路は全て分担電流制御回路しか備えていないので、他号機で故障等の異常が発生した際に直ちに無停電電源装置による給電できないケースが考えられる。

また、図３のインバータ制御装置３０において、分坦電流制御回路１６及び待機電流制御回路２８の入力側及び出力側に切換回路２７ａ、２７ｂが設けられているので、分坦電流制御回路１６及び待機電流制御回路２８に積分要素が含まれていても、確実に動作する。

さらに、無停電電源装置の上位系統が異なる状態となった場合、例えば、一方が商用でもう一方が自家発電設備の様な場合でも、負荷１１に対して、２つの無停電電源装置同士が常に同期をとることで、負荷１１に対して常に同期がとれた無停電電源を供給できる状態にすることで、負荷給電信頼性を向上させることができる。

さらにまた、インバータ給電していないシステムは、大容量の蓄電池システム、例えばリチウムイオン二次電池（ＳＣｉＢなど）のような、鉛蓄電池に比べエネルギー密度が高いため、同一設置面積でも大容量の電力貯蔵が可能なむ蓄電池システムを適用することで、停電バックアップ運転時間を延長させることができる。

ここで、バイパス回路１７ａ、１７ｂ、１７ｃについて説明する。例えば、５００ｋ×（３−１）＝１０００ｋＶＡという無停電電源システムの場合、上記無停電電源装置１ａ，１ｂ及び１ｃを５００ｋＶＡとして３台構成となり、無停電電源装置１ａが万一の故障によりインバータ７ａでの給電が継続できない場合、インバータ側接触器８をオフさせ、他の健全な無停電電源装置１ｂ及び１ｃの負荷給電の経路から切り離すことで、負荷１１への電力供給を継続することができる。更にもう１台の無停電電源装置１ｂが万一の故障によりインバータ７ｂでの給電が継続できない場合でかつ健全な無停電電源装置１ｃで給電できない電力量となった場合は、半導体スイッチ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び商用電源側接触器１３ａ，１３ｂ，１３ｃをオンすることで、商用電源３と商用遮断器１３ａ，１３ｂ，１３ｃとを介する電源系統から負荷１１への給電を行うことで、負荷１１への電力供給を継続することができる。

図５は実施形態２を説明するためのものであり、無停電電源装置１ａ、１ｂ、１ｃを全て同一構成としたものである。具体的には、無停電電源装置１ｃには新たに無停電電源装置１ｃ自身の故障検出新号２２ｃ、または無停電電源装置１ｃ自身の停止検出信号を出力するシーケンス制御回路２１ｃと、図１の無停電電源装置１ｃに有していたインバータ運転判定回路２４を２４ｃとすると共に、この出力であるインバータ運転指令２６を２６ｃとし、さらに図１の無停電電源装置１ｃに有していたインバータ制御装置３０を３０ｃとすると共に、この出力であるインバータ制御出力９を９ｃとし、無停電電源装置１ａ、１ｃもこれと同一に構成したもので、その上で以下のようしたものである。

すなわち、各インバータ運転判定回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃには、自分以外のシーケンス制御回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃからの故障検出信号２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び停止検出信号２３ａ、２３ｂ、２３ｃがそれぞれ入力されるようになっている。具体的には、インバータ運転判定回路２４ａには故障検出信号２２ｂ、２２ｃ及び停止検出信号２３ｂ、２３ｃが入力され、同様にインバータ運転判定回路２４ｂには故障検出信号２２ａ、２２ｃ及び停止検出信号２３ａ、２３ｃが入力され、またインバータ運転判定回路２４ｃには故障検出信号２２ａ、２２ｂ及び停止検出信号２３ａ、２３ｂが入力されるようになっている。

インバータ運転判定回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃからの出力であるインバータ運転切換指令２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、それぞれインバータ制御装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃに入力されるようになっている。インバータ制御装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃの出力であるインバータ制御出力９ａ、９ｂ、９ｃはそれぞれインバータ７ａ、７ｂ、７ｃに入力されるようになっている。これ以外の構成は図１と同一である。

従って、図１の実施形態と同様に、無停電電源装置１ａ、１ｂがそれぞれ５０％で運転していたとき、無停電電源装置１ａが故障等になったときインバータ運転判定回路２４ｂ、２４ｃからインバータ運転切換指令２６ｂ、２６ｃが出力され、インバータ制御装置３０ｂ、３０ｃからのインバータ制御出力９ｂ、９ｃによりインバータ７ｂ、７ｃが運転され、結果として無停電電源装置１ｂ、１ｃがそれぞれ５０％となり、図１と同様な作用効果が得られる。

図６は実施形態３を説明するためのものであり、図１の実施形態と異なる点は、図１では各無停電電源装置１ａ、１ｂ、１ｃに備えていたバイパス回路１７ａ、１７ｂ、１７ｃを全て省き、商用電源側遮断器１４と半導体スイッチ１２と商用電源側接触器１３とインバータ側接触器１０からなる共通のバイパス回路１７を設け、これを各無停電電源装置１ａ、１ｂ、１ｃに並列接続したものである。これ以外の構成は図１と同一である。従って、図１の実施形態と同様な作用効果が得られる。

図７は実施形態４を説明するためのものであり、無停電電源装置１ａ、１ｂ、１ｃを全て同一構成とし、図１では各無停電電源装置１ａ、１ｂ、１ｃに備えていたバイパス回路１７ａ、１７ｂ、１７ｃを全て省き、商用電源側遮断器１４と半導体スイッチ１２と商用電源側接触器１３とインバータ側接触器１０からなる共通のバイパス回路１７を設け、これを各無停電電源装置１ａ、１ｂ、１ｃに並列接続したものである。これ以外の構成は図１と同一である。従って、図１の実施形態と同様な作用効果が得られる。

前述の実施形態では、各インバータ7ａ、7ｂ、7ｃの入力には、電力貯蔵手段例えば蓄電池６、6ａ、6ｂ、6ｃからの直流電力、もしくは交流電源２ａ、２ｂ、２ｃからの交流電力を直流電力に変換する電力変換器例えばコンバータ５ａ、５ｂ、５ｃからの直流電力、あるいは電力貯蔵手段例えば蓄電池６、6ａ、6ｂ、6ｃからの直流電力と前記コンバータ５ａ、５ｂ、５ｃからの直流電力のいずれかが供給されるものについて説明したが、これに限らず何らかの手段によりインバータ7ａ、7ｂ、7ｃから交流電力が得られるものであれば何でもよい。

前述した図４の説明には、以下の内容が含まれることは言うまでもない。すなわち、各々に交流電力を出力するインバータを含む少なくとも３台の無停電電源装置を備え、前記無停電電源装置を並列冗長運転により負荷に対して電力供給を行う無停電電源システムであって、前記無停電電源装置のうちの１台を特定無停電電源装置とし、かつその残りを非特定無停電電源装置としたとき、前記非特定無停電電源装置は各々が正常運転のとき前記負荷に対して負荷分担が均等になるように該当するインバータの出力電流が制御され、前記特定無停電電源装置は前記負荷への給電を阻止する待機電流制御方式及び前記分担電流制御方式のいずれかに切換え可能であり、前記非特定無停電電源装置のみが動作して前記負荷に電力を供給している第１の動作過程と、前記第１の動作過程のとき運転状態にある前記非特定無停電電源装置が故障、停止等の異常状態のとき前記異常状態の無停電電源装置を除き、前記特定無停電電源装置のインバータを前記負荷への給電が阻止される待機電流制御方式から前記分担電流制御方式に切換え、これと前記残りの非特定無停電電源装置とで前記負荷に電力を供給する第２の動作過程と、前記第２の動作過程のとき動作状態にある無停電電源装置が前記異常状態となったとき、バイパス交流電源のバイパス系統を活かして前記負荷に電力供給を行う第３の動作過程を経る無停電電源システムである。

前述の実施形態で説明したインバータ運転判定回路２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃからのインバータ運転切換指令２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、無停電電源装置１ｃ、１ａ、１ｂ、１ｃとは別に設ける監視装置（図示せず）から得るようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…無停電電源装置、２…交流入力電源、３…商用電源、４…交流入力遮断器、５…コンバータ、６…蓄電池、７…インバータ、８…インバータ制御回路、９…インバータ制御出力、１０…インバータ側接触器、１１…負荷、１２…半導体スイッチ、１３…商用電源側接触器、１４…商用電源側遮断器、１５…インバータ制御回路（電流指令生成部） 、１６…分担電流制御回路、１７…バイパス回路、２１…シーケンス制御回路、２２…故障検出信号、２３…停止検出信号、２４…インバータ運転判定回路、２５…論理和回路、２６…インバータ運転切換指令、２７…切換回路、２８…待機電流制御回路、３０…インバータ制御装置。

Claims (5)

1. 各々に交流電力を出力するインバータを含む少なくとも３台の無停電電源装置を備え、前記各無停電電源装置を並列冗長運転により負荷に対して電力供給を行うものであって、前記各無停電電源装置は運転中前記負荷に対して負荷分担が均等になるように該当するインバータの出力電流を制御する負荷分担制御装置を備えた無停電電源システムにおいて、
   前記無停電電源装置のうちの少なくとも１台は、前記負荷分担制御装置に対して切換可能で、前記負荷に対して直ぐに給電可能な状態になるように該当するインバータの出力電流を制御する待機電流制御装置を備え、
   運転中の前記無停電電源装置が故障状態又は停止状態のときこれが除かれ、
   前記故障状態又は停止状態の無停電電源装置を除いた残りの正常運転が可能な無停電電源装置と、前記待機電流制御装置を備える無停電電源装置であって該当するインバータの接続先を前記待機電流制御装置から前記負荷分担制御装置に切換えた無停電電源装置とにより前記負荷に給電継続ができるようにしたことを特徴とする無停電電源システム。
2. 前記待機電流制御装置を備える無停電電源装置は、
   自分以外の無停電電源装置の故障状態又は停止状態の検出信号の少なくとも一つが入力されたとき自分のインバータに対して運転切換指令が出力されるインバータ運転判定回路と、
   自分のインバータにインバータ電流指令を出力する電流指令生成回路と、
   前記運転切換指令により、前記インバータ電流指令の入力先を、前記負荷分担制御装置としての分担電流制御回路と、前記待機電流制御装置としての待機電流制御回路との間で切換える切換回路と、
   から構成されている請求項１に記載の無停電電源システム。
3. 各々に交流電力を出力するインバータを含む少なくとも３台の無停電電源装置を備え、前記各無停電電源装置を並列冗長運転により負荷に対して電力供給を行う無停電電源システムであって、
   前記無停電電源装置のうちの１台を特定無停電電源装置とし、かつその残りを非特定無停電電源装置としたとき、
   前記非特定無停電電源装置のそれぞれは、各々が正常運転のとき前記負荷に対して負荷分担が均等になるように該当するインバータの出力電流を制御する負荷分担制御装置を備え、
   前記特定無停電電源装置は、前記負荷に対して直ぐに給電可能な状態になるように該当するインバータの出力電流を制御する待機電流制御装置及び前記負荷に対して負荷分担が均等になるように該当するインバータの出力電流を制御する負荷分担制御装置を備えると共に該当するインバータの接続先がそのいずれかに切換可能であり、
   前記非特定無停電電源装置が正常運転のときの前記特定無停電電源装置の該当するインバータの接続先は前記待機電流制御装置であり、
   前記非特定無停電電源装置の少なくとも１台が故障状態又は停止状態のとき前記特定無停電電源装置の該当するインバータの接続先が前記待機電流制御装置から前記負荷分担制御装置に切換わることで、前記特定無停電電源装置と、前記非特定無停電電源装置のうち故障状態又は停止状態でないものとで運転継続することを特徴とする無停電電源システム。
4. 前記特定無停電電源装置は、
   自分以外の無停電電源装置の故障状態又は停止状態の検出信号の少なくとも一つが入力されたとき自分のインバータに対して運転切換指令が出力されるインバータ運転判定回路と、
   自分のインバータにインバータ電流指令を出力する電流指令生成回路と、
   前記運転切換指令により、前記インバータ電流指令の入力先を、前記負荷分担制御装置としての分担電流制御回路と、前記待機電流制御装置としての待機電流制御回路との間で切換える切換回路と、
   から構成されている請求項３に記載の無停電電源システム。
5. 前記各インバータの入力には、電力貯蔵手段からの直流電力、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電力変換器からの直流電力、又は前記電力貯蔵手段からの直流電力と前記電力変換器からの直流電力が供給される請求項１〜４のいずれか一つに記載の無停電電源システム。

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