JP7408820B2 - モジュール型無停電電源装置および無停電電源システム - Google Patents

Description

本開示は、モジュール型無停電電源装置および無停電電源システムに関する。

単一の無停電電源装置に、モジュール単位で冗長化を図るモジュール型無停電電源装置を採用する構成が提案されている。モジュール型無停電電源装置は、複数の電力変換モジュール（以下、「パワーモジュール」とも称する）を並列接続することにより、装置内部にパワーモジュールの並列回路を有している（例えば、国際公開２０１７／００９９９８号（特許文献１）参照）。

モジュール型無停電電源装置は、無停電電源装置の運用中に一部のパワーモジュールの運転を停止し、当該パワーモジュールを引き出しおよび挿入可能に構成されている。したがって、パワーモジュールの故障や点検時に、無停電電源装置による給電を継続した状態でパワーモジュールを交換することができる。

国際公開２０１７／００９９９８号

モジュール型無停電電源装置においては、負荷電流を供給するために必要な台数のパワーモジュールが選択されて運転状態とされる。運転状態とされたパワーモジュールの各々は、負荷電流を均等に分担した分担電流を負荷に供給するように構成される。

特許文献１に記載の無停電電源装置では、バイパスモジュールの制御部が、電流検出器により検出される負荷電流をパワーモジュールの運転台数で除算することによって分担電流を求め、分担電流に応じた電流指令値を各パワーモジュールの制御部へ送信するように構成されている。各パワーモジュールの制御部は、自装置の出力電流と電流指令値と偏差がなくなるように、パワーモジュールに内蔵されるインバータを制御する。

しかしながら、モジュール型無停電電源装置の運用中に一部のパワーモジュールの運転停止によってパワーモジュールの運転台数が変化するため、バイパスモジュールの制御部は、分担電流を算出するために、各パワーモジュールの運転状況を常時監視することが求められる。モジュール型無停電電源装置に含まれるパワーモジュールの台数が増えるに従って、パワーモジュールの運転台数を把握することが困難となることが懸念される。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モジュール型無停電電源装置において、運転中のパワーモジュールが分担すべき電流を容易に検出することを可能とすることである。

本開示の一態様に係るモジュール型無停電電源装置は、入力端子と、出力端子と、複数の電力変換モジュールと、第１の電流検出器と、複数の第１の制御回路とを備える。入力端子は、交流電源から供給される交流電力を受ける。出力端子は、負荷に接続される。複数の電力変換モジュールは、入力端子と出力端子との間に並列接続される。第１の電流検出器は、出力端子から出力される交流電流を検出する。複数の第１の制御回路は、複数の電力変換モジュールにそれぞれ対応して設けられる。各電力変換モジュールは、電力変換器と、第１のスイッチと、抵抗素子と、第２のスイッチとを含む。第１のスイッチは、入力端子と出力端子との間に電力変換器と直列に接続される。第２のスイッチは、オン状態において、第１の電流検出器と抵抗素子とを並列接続する。各第１の制御回路は、対応する電力変換モジュールを運転状態にする場合に第１のスイッチおよび第２のスイッチをオンする一方で、当該電力変換モジュールを停止状態にする場合に第１のスイッチおよび第２のスイッチをオフするように構成される。各第１の制御回路は、第２のスイッチのオン状態において抵抗素子に流れる電流に基づいて、対応する電力変換モジュールの分担電流を検出する。各第１の制御回路は、当該電力変換モジュールの出力電流が分担電流になるように電力変換器を制御する。

本開示によれば、モジュール型無停電電源装置において、運転中のパワーモジュールが分担すべき電流を容易に検出することが可能となる。

実施の形態に係る無停電電源システム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装置の構成を示す回路ブロック図である。 無停電電源システムにおける制御構成を示す図である。 図３に示した制御構成のうち抵抗素子の並列回路を抽出して示す図である。 図３に示した制御構成のうち抵抗素子の並列回路を抽出して示す図である。 各パワーモジュールの制御回路の機能構成を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さない。

＜無停電電源システムの構成＞
図１は、実施の形態に係る無停電電源システムの構成を示す回路ブロック図である。

図１を参照して、本実施の形態に係る無停電電源システム１００は、交流電源５１および負荷５２の間に接続されており、負荷５２に交流電力を供給するように構成されている。無停電電源システム１００は、実際には、交流電源５１から三相交流電力を受けるが、図面および説明の簡単化のため、図１では一相分のみが示されている。

無停電電源システム１００は、複数の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２と、複数のスイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２と、複数の電流検出器ＣＴ１，ＣＴ２と、制御装置５０とを備える。図１では、無停電電源システム１００は２台の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２を備えているが、無停電電源装置の台数は３以上であってもよい。以下の説明では、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２を包括的に「無停電電源装置Ｕ」と称し、バッテリＢ１，Ｂ２を包括的に「バッテリＢ」と称する場合がある。

無停電電源装置Ｕは、入力端子Ｔ１、バッテリ端子Ｔ２、および出力端子ＴＯを備える。入力端子Ｔ１は、交流電源５１から商用周波数の交流電力を受ける。無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２のバッテリ端子Ｔ２は、それぞれバッテリＢ１，Ｂ２に接続される。バッテリＢは直流電力を蓄える。バッテリＢは「電力貯蔵装置」の一実施例に対応する。バッテリＢの代わりにコンデンサがバッテリ端子Ｔ２に接続されてもよい。

出力端子Ｔ３は、負荷５２に接続される。負荷５２は、交流電力によって駆動される。無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２は、負荷５２に対して並列接続されている。複数の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２のうちの負荷５２の運転に必要な適正運転台数の無停電電源装置Ｕのみが運転状態にされ、残りの無停電電源装置Ｕは停止状態にされる。

スイッチＳ１１，Ｓ１２の第１の端子は交流電源５１に接続され、それらの第２の端子は無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の入力端子Ｔ１にそれぞれ接続される。スイッチＳ１１，Ｓ１２の各々は、対応する無停電電源装置Ｕの使用時にオンされ、例えば対応する無停電電源装置Ｕのメンテナンス時にオフされる。

スイッチＳ２１，Ｓ２２の第１の端子は無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の出力端子ＴＯにそれぞれ接続され、それらの第２の端子は負荷５２に接続される。スイッチＳ２１，Ｓ２２の各々は、対応する無停電電源装置Ｕを運転状態にする場合にオンされ、対応の無停電電源装置Ｕを停止状態にする場合にオフされる。スイッチＳ２１，Ｓ２２は「第３のスイッチ」の一実施例に対応する。

無停電電源装置Ｕは、交流電源５１から交流電力が供給されている通常時は、交流電源５１からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をバッテリＢに供給するとともに、その直流電力を交流電力に変換して負荷５２に供給する。また、無停電電源装置Ｕは、交流電源５１からの交流電力の供給が停止された停電時は、バッテリＢからの直流電力を交流電力に変換して負荷５２に供給する。

複数の電流検出器ＣＴ１，ＣＴ２は、複数の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２にそれぞれ対応して設けられる。電流検出器ＣＴ１は、無停電電源装置Ｕ１の出力端子ＴＯとスイッチＳ２１の第１の端子との間に設けられる。電流検出器ＣＴ１は、出力端子ＴＯから出力される交流電流Ｉ１の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉ１ｆを制御装置５０に与える。交流電流Ｉ１は、無停電電源装置Ｕ１の出力電流に相当する。

電流検出器ＣＴ２は、無停電電源装置Ｕ２の出力端子ＴＯとスイッチＳ２２の第１の端子との間に設けられる。電流検出器ＣＴ２は、出力端子ＴＯから出力される交流電流Ｉ２の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉ２ｆを制御装置５０に与える。交流電流Ｉ２は、無停電電源装置Ｕ２の出力電流に相当する。電流検出器ＣＴ１，ＣＴ２は「第１の電流検出器」の一実施例に対応する。

制御装置５０は、複数の電流検出器ＣＴ１，ＣＴ２の出力信号に基づいて、複数の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の出力電流Ｉ１，Ｉ２の和の電流、すなわち無停電電源システム１００から負荷５２に供給される負荷電流ＩＬを求める。制御装置５０は、その負荷電流ＩＬを供給するために必要な無停電電源装置Ｕの適正運転台数を求める。さらに、制御装置５０は、求めた適正運転台数と現在の運転台数とを比較し、その比較結果に基づいて、各無停電電源装置Ｕを停止状態にさせるか運転状態にさせるかを判別する。

制御装置５０は、無停電電源装置Ｕ１を停止状態にさせる場合には、スイッチＳ２１をオフさせて無停電電源装置Ｕ１を負荷５２から解列させる。このとき、さらに、スイッチＳ１１をオフさせたり、無停電電源装置Ｕ１の運転を停止させてもよい。また、制御装置５０は、無停電電源装置Ｕ１を運転状態にさせる場合には、スイッチＳ１１，Ｓ２１をオン状態に維持させるとともに、無停電電源装置Ｕ１の運転を継続させる。

制御装置５０は、無停電電源装置Ｕ２を停止状態にさせる場合には、スイッチＳ２２をオフさせて無停電電源装置Ｕ２を負荷５２から解列させる。このとき、さらに、スイッチＳ１２をオフさせたり、無停電電源装置Ｕ２の運転を停止させてもよい。また、制御装置５０は、無停電電源装置Ｕ２を運転状態にさせる場合には、スイッチＳ１２，Ｓ２２をオン状態に維持させるとともに、無停電電源装置Ｕ２の運転を継続させる。

無停電電源装置Ｕは、複数のパワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３と、バイパスモジュールＢＭとをさらに備える。図１では、無停電電源装置Ｕは３台のパワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３を備えているが、パワーモジュールの台数は２であっても、４以上であってもよい。パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３の各々は、電力変換器を有する電力変換モジュールである。以下の説明では、パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３を包括的に「パワーモジュールＰＭ」を称する場合がある。

パワーモジュールＰＭは、入力端子Ｔ１と、バッテリ端子Ｔ２と、出力端子Ｔ３とを有する。バイパスモジュールＢＭは、入力端子Ｔ１１と、出力端子Ｔ１２と、図示しないバイパススイッチとを有する。バイパススイッチは入力端子Ｔ１１と出力端子Ｔ１２との間に接続される。

パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３の入力端子Ｔ１およびバイパスモジュールＢＭの入力端子Ｔ１１はともに入力端子ＴＩに接続される。パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３のバッテリ端子Ｔ２はともにバッテリ端子ＴＢに接続される。パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３の出力端子Ｔ３およびバイパスモジュールＢＭの出力端子Ｔ１２はともに出力端子ＴＯに接続される。すなわち、各無停電電源装置Ｕにおいて、パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３およびバイパスモジュールＢＭは、入力端子ＴＩと出力端子ＴＯとの間に並列接続されている。

このような無停電電源装置Ｕは「モジュール型無停電電源装置」と称される。モジュール型無停電電源装置は、無停電電源装置の容量に応じた台数のパワーモジュールの並列回路を内部に構築している。無停電電源装置による電源供給にＮ台のパワーモジュールが必要な場合、（Ｎ＋１）台のパワーモジュールを実装して冗長化を図ることにより、電源品質を向上させることができる。

このように単一の無停電電源装置においてモジュール単位で冗長化を図る方式は、「ホットスワップ方式」とも称される。ホットスワップ方式とは、無停電電源装置の運用中に一部のパワーモジュールの運転を停止し、当該パワーモジュールを引き出しおよび挿入可能な構造を意味する。これによると、パワーモジュールの故障や点検時に、無停電電源装置による給電を継続した状態でパワーモジュールを交換することが可能となる。

無停電電源装置Ｕは、インバータ給電モードと、バイパス給電モードとを有している。インバータ給電モードは、少なくとも１台のパワーモジュールＰＭから負荷５２に交流電力が供給されるモードである。バイパス給電モードは、交流電源５１からバイパスモジュールＢＭを介して負荷５２に交流電力が供給されるモードである。

インバータ給電モード時には、少なくとも１台のパワーモジュールＰＭが運転状態とされる。各パワーモジュールＰＭは、交流電源５１から供給される交流電力を用いて、負荷５２に供給するための交流電力を生成する。運転状態とされたパワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍの和の電流は、無停電電源装置Ｕの出力電流として負荷５２に供給される。

図１の例では、無停電電源装置Ｕ１にて運転状態とされたパワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍの和の電流が無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１となり、無停電電源装置Ｕ２にて運転状態とされたパワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍの和の電流が無停電電源装置Ｕ２の出力電流Ｉ２となる。そして、無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１と無停電電源装置Ｕ２の出力電流Ｉ２との和の電流が負荷電流ＩＬとなる。言い換えると、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の各々で運転状態とされた複数のパワーモジュールＰＭの間で負荷電流ＩＬが分担されることとなる。

無停電電源システム１００において、並列運転している複数のパワーモジュールＰＭの間で出力電流Ｉｍのばらつきが生じた場合には、複数のパワーモジュールＰＭの間で電力が流れ込む現象（すなわち、横流）が発生する可能性がある。したがって、並列運転している複数のパワーモジュールＰＭの間で負荷電流ＩＬが均等に分担させることが求められる。

ここで、各パワーモジュールＰＭの分担電流を求める手法としては、特許文献１に記載される手法を適用して、負荷電流ＩＬを運転中のパワーモジュールＰＭの台数で除算することによって分担電流を算出する方法が考えられる。しかしながら、この手法を本実施の形態に係る無停電電源システム１００に適用した場合には、複数の無停電電源装置Ｕの各々について、パワーモジュールＰＭの運転台数を把握する必要が生じる。無停電電源システム１００の運用中、各無停電電源装置Ｕでは、ホットスワップ方式により、一部のパワーモジュールＰＭの運転を適宜停止させることが可能となっている。そのため、各無停電電源装置ＵにおけるパワーモジュールＰＭの運転台数を把握するためには、各無停電電源装置Ｕの運転状況を常時監視することが求められる。無停電電源装置Ｕの台数が増えるに従って、および／また、各無停電電源装置Ｕに含まれるパワーモジュールＰＭの台数が増えるに従って、パワーモジュールＰＭの運転台数を正確に把握することが困難となることが懸念される。

本実施の形態では、モジュール型無停電電源装置Ｕにおいて、運転中のパワーモジュールＰＭが分担すべき電流を容易に検出することが可能な構成を提案する。特に、本実施の形態では、複数のモジュール型無停電電源装置Ｕを負荷５２に対して並列接続した無停電電源システム１００において、運転中のパワーモジュールＰＭが分担すべき電流を容易に検出することが可能な構成を提案する。

＜無停電電源装置の構成＞
図２は、図１に示した無停電電源装置Ｕの構成を示す回路ブロック図である。図２には、代表的に、無停電電源装置Ｕ１の構成が示される。

図２を参照して、バイパスモジュールＢＭは、スイッチＳ４と、制御回路９とを有する。スイッチＳ４は、入力端子Ｔ１１と出力端子Ｔ１２との間に接続される。スイッチＳ４は、例えば、逆並列に接続された一対のサイリスタを有するサイリスタスイッチである。スイッチＳ４は、制御回路９によって制御される。スイッチＳ４は、インバータ給電モード時にオフされ、バイパス給電モード時にオンされる。

制御回路９は、制御装置５０、およびパワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３の各々に含まれる制御回路６と通信線（図示せず）によって互いに接続されている。制御回路９は、通信線を介して制御装置５０および各制御回路６と情報の授受を行う。なお、制御回路９、制御回路６および制御装置５０の間の通信は無線通信および有線通信の何れで実現されてもよい。

制御回路９は、各制御回路６との通信によって、各パワーモジュールＰＭの運転状況に関する情報を取得することができる。この運転状況に関する情報には、パワーモジュールＰＭの故障の有無を示す情報が含まれている。

制御回路９は、電流検出器ＣＴ１の出力信号に基づいて無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１を検出し、その出力電流Ｉ１を供給するために少なくとも必要なパワーモジュールＰＭの下限運転台数Ｎｍｉｎを求める。制御回路９は、求めた下限運転台数Ｎｍｉｎに冗長運転台数Ｎｒ（例えば１台）を加算することにより、適正運転台数Ｎｓを求める。

このように下限運転台数Ｎｍｉｎに冗長運転台数Ｎｒを加算した適正運転台数ＮｓのパワーモジュールＰＭを運転することにより、１台のパワ－モジュールＰＭが故障した場合に、下限運転台数ＮｍｉｎのパワーモジュールＰＭによって負荷５２への給電を継続した状態で、故障したパワーモジュールＰＭを交換することが可能となる。

さらに、制御回路９は、各制御回路６との通信により、パワーモジュールＰＭの現在の運転台数Ｎｃを求める。制御回路９は、適正運転台数Ｎｓと現在の運転台数Ｎｃとを比較し、その比較結果および各パワーモジュールＰＭの運転状況に関する情報に基づいて、各パワーモジュールＰＭを停止状態にさせるか運転状態にさせるかを判別する。制御回路９は、判別結果を示す信号を制御回路６に与える。

制御回路９は、例えば、マイクロコンピュータなどで構成することが可能である。一例として、制御回路９は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵し、予めメモリに格納されたプログラムをＣＰＵが実行するソフトウェア処理によって、後述する制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。制御回路９は「第２の制御回路」の一実施例に対応する。

パワーモジュールＰＭは、入力端子Ｔ１、バッテリ端子Ｔ２および出力端子Ｔ３に加え、スイッチＳ１～Ｓ３、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３、リアクトルＬ１，Ｌ２、直流ライン４、コンバータ１、インバータ２、双方向チョッパ３、電流検出器ＣＴ１１，ＣＴ１２、および制御回路６を有する。

入力端子Ｔ１は、交流電源５１からスイッチＳ１１および入力端子ＴＩを介して商用周波数の交流入力電圧Ｖｉを受ける。交流電源５１から供給される商用周波数の交流入力電圧（入力端子Ｔ１の電圧）Ｖｉの瞬時値は制御回路６によって検出される。制御回路６は、例えば、交流入力電圧Ｖｉが下限値よりも高い場合には、交流電源５１から交流入力電圧Ｖｉが正常に供給されていると判断し、交流入力電圧Ｖｉが下限値よりも低下した場合には交流電源５１の停電が発生したと判断する。また、制御回路６は、交流入力電圧Ｖｉに同期してコンバータ１およびインバータ２を制御する。

スイッチＳ１の第１端子は入力端子Ｔ１に接続され、第２端子はリアクトルＬ１を介してコンバータ１の入力ノードに接続される。コンデンサＣ１は、スイッチＳ１の第２端子に接続される。スイッチＳ１は、パワーモジュールＰＭの使用時にオンされ、例えばパワーモジュールＰＭのメンテナンス時にオフされる。

コンデンサＣ１およびリアクトルＬ１は、交流フィルタを構成する。当該交流フィルタは、低域通過フィルタであり、交流電源５１からコンバータ１に商用周波数の交流電流を流し、コンバータ１で発生するスイッチング周波数の信号が交流電源５１側に流れることを防止する。

電流検出器ＣＴ１１は、交流電源５１から入力端子Ｔ１を介してパワーモジュールＰＭに流入する電流Ｉｉの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｆを制御回路６に与える。

コンバータ１は、制御回路６によって制御され、交流電源５１から交流電力が正常に供給されている通常時には、交流電源５１から供給される交流電力を直流電力に変換して直流ライン４に出力する。交流電源５１からの交流電力の供給が停止される停電時には、コンバータ１の運転は停止される。

直流ライン４は、コンバータ１、双方向チョッパ３およびインバータ２に接続される。直流ライン４に現れる直流電圧ＶＤＣは、制御回路６によって検出される。制御回路６は、通常時には、コンバータ１から出力される直流電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＣｒになるようにコンバータ１を制御する。

コンデンサＣ２は、直流ライン４に接続され、直流ライン４の直流電圧ＶＤＣを平滑化および安定化させる。双方向チョッパ３の高電圧側ノードは直流ライン４に接続され、その低電圧側ノードはスイッチＳ２を介してバッテリ端子Ｔ２に接続されている。

双方向チョッパ３は、制御回路６によって制御される。双方向チョッパ３は、通常時には、コンバータ１によって生成された直流電力をバッテリＢに蓄える。双方向チョッパ３は、交流電源５１の停電時には、バッテリＢの直流電力をインバータ２に供給する。

スイッチＳ２は、パワーモジュールＰＭの使用時にオンされ、例えばパワーモジュールＰＭのメンテナンス時またはバッテリＢのメンテナンス時にオフされる。

バッテリＢの端子間電圧（バッテリ電圧）ＶＢの瞬時値は制御回路６によって検出される。制御回路６は、通常時には、バッテリ電圧ＶＢが参照バッテリ電圧ＶＢｒになるように双方向チョッパ３を制御する。制御回路６は、交流電源５１の停電時、直流ライン４の直流電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＣｒになるように双方向チョッパ３を制御する。

インバータ２は、制御回路６によって制御され、通常時には、コンバータ１によって生成された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２は、交流電源５１の停電時には、バッテリＢから双方向チョッパ３を介して供給される直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。

リアクトルＬ２の第１端子はインバータ２の出力ノードに接続され、その第２端子はスイッチＳ３を介して出力端子Ｔ３に接続される。コンデンサＣ３は、リアクトルＬ２の第２端子に接続される。コンデンサＣ３およびリアクトルＬ２は、交流フィルタを構成する。当該交流フィルタは、低域通過フィルタであり、インバータ２から負荷５２側に商用周波数の交流電流を流し、インバータ２で発生するスイッチング周波数の信号が負荷５２側に通過することを防止する。換言すると、交流フィルタは、インバータ２から出力される矩形波状の電圧を正弦波状の電圧に変換する。

リアクトルＬ２の第２端子に現れる交流出力電圧Ｖｏの瞬時値は制御回路６によって検出される。電流検出器ＣＴ１２は、インバータ２の出力電流Ｉｏを検出し、その検出値を示す信号Ｉｏｆを制御回路６に与える。

スイッチＳ３の第１端子はリアクトルＬ２の第２端子に接続され、その第２端子は出力端子Ｔ３に接続される。スイッチＳ３は、制御回路６によって制御される。制御回路６は、対応するパワーモジュールＰＭを停止状態にする場合には、スイッチＳ３をオフさせてパワーモジュールＰＭを出力端子ＴＯから切り離す。このとき、さらに、スイッチＳ１をオフさせたり、パワーモジュールＰＭの運転を停止させてもよい。また、制御回路６は、対応するパワーモジュールＰＭを運転状態にする場合には、スイッチＳ１，Ｓ３をオン状態に維持させるとともに、パワーモジュールＰＭの運転を継続させる。スイッチＳ３は「第１のスイッチ」の一実施例に対応する。

制御回路６は、例えば、マイクロコンピュータなどで構成することが可能である。一例として、制御回路６は、プロセッサ７およびメモリ８を内蔵し、予めメモリ８に格納されたプログラムをプロセッサ７が実行するソフトウェア処理によって、後述する制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。制御回路６は「第１の制御回路」の一実施例に対応する。

＜無停電電源システムの制御構成＞
図３は、無停電電源システム１００における制御構成を示す図である。図３には、各無停電電源装置Ｕに含まれる複数のパワーモジュールＰＭの出力電流の制御に関する部分の構成が示されている。

図１に示したように、複数の無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２は、負荷５２に対して並列に接続されている。図３の左側には無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１の制御構成が示され、図３の右側には無停電電源装置Ｕ２の出力電流Ｉ２の制御構成が示されている。

各無停電電源装置Ｕにおいて、バイパスモジュールＢＭの制御回路９と、パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３の制御回路６とは通信線によって互いに接続されており、制御回路９および各制御回路６の間で情報の授受を行う。

電流検出器ＣＴ１は、無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１の瞬時値を検出する。電流検出器ＣＴ２は、無停電電源装置Ｕ２の出力電流Ｉ２の瞬時値を検出する。電流検出器ＣＴ１，ＣＴ２の各々には、例えばＣＴ（Current Transformer）と呼ばれる変流器が用いられる。変流器は、図示は省略するが、通常、一次巻線、二次巻線および鉄心を含んで構成される。変流器は、鉄心に巻かれた一次巻線により、電力線に流れる電流を取り込む。一次巻線に一次電流が流れると、鉄心中に磁束が誘起される。この磁束の変化に対応して、鉄心に巻かれた二次巻線に二次電流が流れる。変流器は、この二次電流を取り出して、二次回路に接続される二次負担インピーダンスで二次端子電圧に変換する。なお、二次負担インピーダンスとは、変流器の二次回路に接続される負担（計器、継電器、導線等）のインピーダンスである。

図３には、電流検出器ＣＴ１，ＣＴ２の各々の二次負担インピーダンス１０が示されている。無停電電源装置Ｕ１において、制御回路９は、二次負担インピーダンス１０に流れる二次電流に基づいて無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１を検出する。制御回路９は、上述したように、出力電流Ｉ１の検出値を用いて、パワーモジュールＰＭの適正運転台数Ｎｓを求める。さらに、制御回路９は、求めた適正運転台数Ｎｓと現在の運転台数Ｎｃとを比較し、その比較結果および各パワーモジュールＰＭの運転状況に関する情報に基づいて、各パワーモジュールＰＭを停止状態にさせるか運転状態にさせるかを判別し、判別結果を示す信号を各制御回路６に与える。

無停電電源装置Ｕ１において、各パワーモジュールＰＭは、抵抗素子１１およびスイッチＳ５を有する。抵抗素子１１は、電流検出器ＣＴ１（二次巻線）と並列に接続される。スイッチＳ５は、抵抗素子１１と電流検出器ＣＴ１との間に接続される。スイッチＳ５のオン状態において、抵抗素子１１と電流検出器ＣＴ１との並列回路が形成される。スイッチＳ５をオフすることにより、抵抗素子１１が電流検出器ＣＴ１から切り離される。抵抗素子１１は「抵抗素子」の一実施例に対応する。スイッチＳ５は「第２のスイッチ」の一実施例に対応する。

図３の例では、無停電電源装置Ｕ１において、パワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３に含まれるスイッチＳ５が全てオンされると、電流検出器ＣＴ１に対して３つの抵抗素子１１が並列に接続されることとなる。なお、３つの抵抗素子１１の抵抗値は互いに等しい。この状態においてパワーモジュールＰＭ１～ＰＭ３の何れか１つに含まれるスイッチＳ５をオフすると、電流検出器ＣＴ１に並列接続される抵抗素子１１の数は３から２に減少することとなる。

各スイッチＳ５は、対応するパワーモジュールＰＭの制御回路６によって制御される。具体的には、各パワーモジュールＰＭにおいて、制御回路６は、スイッチＳ３をオンするときにスイッチＳ５をオンし、スイッチＳ３をオフするときにスイッチＳ５をオフするように構成される。

これによると、制御回路６は、対応するパワーモジュールＰＭを停止状態にする場合には、スイッチＳ３をオフさせるとともに、スイッチＳ５をオフさせて抵抗素子１１を電流検出器ＣＴ１から切り離す。また、制御回路６は、対応するパワーモジュールＰＭを運転状態にする場合には、スイッチＳ３をオンさせるとともに、スイッチＳ５をオンさせて抵抗素子１１を電流検出器ＣＴ１に接続させる。したがって、電流検出器ＣＴ１に並列接続される抵抗素子１１の数は、無停電電源装置Ｕ１にて並列運転しているパワーモジュールＰＭの台数（すなわち、パワーモジュールＰＭの現在の運転台数Ｎｃ）と等しくなる。

無停電電源装置Ｕ２は、上述した無停電電源装置Ｕ１の制御構成と同様の制御構成を有している。したがって、停止状態となるパワーモジュールＰＭに対応するスイッチＳ５がオフされることによって、電流検出器ＣＴ２に並列接続される抵抗素子１１の数は、無停電電源装置Ｕ２にて並列運転しているパワーモジュールＰＭの台数（すなわち、パワーモジュールＰＭの現在の運転台数Ｎｃ）と等しくなる。

各無停電電源装置Ｕは、スイッチＳ６をさらに備える。電流検出器ＣＴ１（二次巻線）と電流検出器ＣＴ２（二次巻線）とは、スイッチＳ６を介して互いに並列に接続されている。これにより、無停電電源装置Ｕ１における抵抗素子１１の並列回路と、無停電電源装置Ｕ２における抵抗素子１１の並列回路とは、互いに並列に接続されることとなる。スイッチＳ６は「第４のスイッチ」の一実施例に対応する。

スイッチＳ６は、対応する無停電電源装置Ｕにおける抵抗素子１１の並列回路を、他の無停電電源装置Ｕにおける抵抗素子１１の並列回路から切り離すためのものである。スイッチＳ６は、制御回路９によって制御され、対応する無停電電源装置Ｕを運転状態にする場合にオンされ、対応する無停電電源装置Ｕを停止状態にする場合にオフされる。すなわち、無停電電源装置Ｕ１では、スイッチＳ２１がオンされるときにスイッチＳ６がオンされ、スイッチＳ２１がオフされるときにスイッチＳ６がオフされる。無停電電源装置Ｕ２では、スイッチＳ２２がオンされるときにスイッチＳ６がオンされ、スイッチＳ２２がオフされるときにスイッチＳ６がオフされる。

図４は、図３に示した制御構成のうち、抵抗素子１１の並列回路を抽出して示す図である。

図４を参照して、並列回路２０は、無停電電源装置Ｕ１にて形成される、抵抗素子１１の並列回路を示している。並列回路２２は、無停電電源装置Ｕ２にて形成される、抵抗素子１１の並列回路を示している。

並列回路２０，２２の各々に含まれる抵抗素子１１の総数は、対応する無停電電源装置Ｕに含まれるパワーモジュールＰＭの総数に等しい。各抵抗素子１１に対してスイッチＳ５が直列に接続されている。並列回路２０，２２の各々において、並列接続される抵抗素子１１の数は、各スイッチＳ５のオンオフによって変化する。上述したように、スイッチＳ５は、対応するパワーモジュールＰＭを停止状態にする場合にオフされ、対応するパワーモジュールＰＭを運転状態にする場合にオンされる。並列接続される抵抗素子１１の数は、対応する無停電電源装置Ｕにて並列運転しているパワーモジュールＰＭの台数（現在の運転台数Ｎｃ）と等しくなる。

さらに、並列回路２０と並列回路２２とはスイッチＳ６によって互いに並列に接続されている。スイッチＳ６は、上述したように、対応する無停電電源装置Ｕを運転状態にする場合にオンされ、対応する無停電電源装置Ｕを停止状態にする場合にオフされる。

図４の例では、並列回路２０，２２の各々において３つのスイッチＳ５が全てオンされた場合、無停電電源システム１００全体では、合計６つの抵抗素子１１の並列回路２４が形成されることになる。６つの抵抗素子１１の抵抗値は互いに等しいため、６つの抵抗素子１１に流れる電流値も互いに等しくなる。

並列回路２４には、無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１および無停電電源装置Ｕ２の出力電流Ｉ２の和の電流である負荷電流ＩＬに相当する電流が流れる。この電流は６つの抵抗素子１１に均等に分流される。したがって、各抵抗素子１１には、負荷電流ＩＬの１／６に相当する電流が流れることになる。

図３に戻って、各パワーモジュールＰＭにおいて、制御回路６は、対応する抵抗素子１１に流れる電流を検出することにより、対応するパワーモジュールＰＭの分担電流ＩＤを検出する。分担電流ＩＤとは、並列運転している複数のパワーモジュールＰＭが均等に分担すべき電流であり、各パワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍの目標値に相当する。図４の例では、各制御回路６は、分担電流ＩＤ＝ＩＬ／６を検出する。

ここで、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の何れかにおいて、少なくとも１つのパワーモジュールＰＭが運転を停止した場合を想定する。図５には、無停電電源装置Ｕ１において、１つのパワーモジュールＰＭが運転を停止した場合が示されている。

図５に示すように、並列回路２０では、運転を停止したパワーモジュールＰＭに対応するスイッチＳ５がオフされることにより、並列接続される抵抗素子１１の数が３から２に減少する。そのため、並列回路２４全体では、並列接続される抵抗素子１１の数が６から５に減少する。

この場合、並列回路２４に流れる電流は５つの抵抗素子１１に均等に分流されるため、各抵抗素子１１には、負荷電流ＩＬの１／５に相当する電流が流れることになる。各制御回路６は、対応する抵抗素子１１に流れる電流に基づいて、分担電流ＩＤ＝ＩＬ／５を検出する。

図６は、各パワーモジュールＰＭの制御回路６の機能構成を示す図である。図６には、無停電電源装置Ｕ１に含まれるパワーモジュールＰＭの制御回路６のうちインバータ２の制御に関する部分が示されている。

図６に示すように、制御回路６は、スイッチ制御部６０と、分担電流検出部６２と、出力電流演算部６４と、減算器６６と、電流制御部６８と、加算器７０と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路７２と、ゲート回路７４と、故障検出部７６とを含む。これらの機能構成は、図２に示す制御回路６において、プロセッサ７が所定のプログラムを実行することで実現される。

故障検出部７６は、パワーモジュールＰＭの故障の有無を検出する。故障検出部７６は、パワーモジュールＰＭが故障した場合には、故障検出信号をバイパスモジュールＢＭの制御回路９に出力する。

なお、バイパスモジュールＢＭの制御回路９は、制御装置５０との通信により、スイッチＳ２１がオンされたときにスイッチＳ６をオンし、スイッチＳ２１がオフされたときにスイッチＳ６をオフする。さらに、制御回路９は、各制御回路６との通信によって、各パワーモジュールＰＭの運転状況に関する情報を取得する。この運転状況に関する情報には、故障検出信号が含まれている。

制御回路９は、スイッチＳ２１がオン状態のときには、電流検出器ＣＴ１の出力信号に基づいて無停電電源装置Ｕ１の出力電流Ｉ１を検出し、その出力電流Ｉ１を供給するための適正運転台数Ｎｓを求める。さらに、制御回路９は、各制御回路６との通信により、パワーモジュールＰＭの現在の運転台数Ｎｃを求める。制御回路９は、適正運転台数Ｎｓと現在の運転台数Ｎｃとを比較し、その比較結果および各パワーモジュールＰＭの運転状況に関する情報に基づいて、各パワーモジュールＰＭを停止状態にさせるか運転状態にさせるかを判別する。制御回路９は、判別結果を示す信号を各制御回路６に与える。

各制御回路６において、スイッチ制御部６０は、バイパスモジュールＢＭの制御回路９から判別結果を示す信号を受ける。スイッチ制御部６０は、当該信号に基づいて、スイッチＳ３，Ｓ５のオンオフを制御する。具体的には、パワーモジュールＰＭを運転状態にする場合には、スイッチ制御部６０は、スイッチＳ３をオンするとともに、スイッチＳ５をオンする。パワーモジュールＰＭを停止状態にする場合には、スイッチ制御部６０は、スイッチＳ３をオフするとともに、スイッチＳ５をオフする。

分担電流検出部６２は、抵抗素子１１に流れる電流に基づいて、パワーモジュールＰＭの分担電流ＩＤを検出する。分担電流検出部６２は、検出された分担電流ＩＤを減算器６６に出力する。

出力電流演算部６４は、電流検出器ＣＴ１２の出力信号Ｉｏｆおよび交流出力電圧Ｖｏを用いて、パワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍを算出する。具体的には、出力電流演算部６４は、コンデンサＣ３の容量Ｃおよび交流出力電圧Ｖｏを用いて、コンデンサＣ３に流れ込む電流Ｉｃを求める（Ｉｃ＝Ｃ・ｄＶｏ／ｄｔ）。そして、出力電流演算部６４は、インバータ２の出力電流Ｉｏから電流Ｉｃを減算することにより、パワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍを算出する。このようにすると、パワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍを検出するための電流検出器が不要となる。

減算器６６は、分担電流ＩＤとパワーモジュールＰＭの出力電流Ｉｍとの偏差ΔＩｍ＝ＩＤ－Ｉｍを求める。電流制御部６８は、偏差ΔＩｍが０となるように電圧指令値Ｖｏ＊を生成する。電流制御部６８は、例えば偏差ΔＩｍを比例制御または比例積分制御に従って増幅することにより電圧指令値Ｖｏ＊を生成する。

加算器７０は、電圧指令値Ｖｏ＊と交流出力電圧Ｖｏの検出値とを加算して電圧指令値Ｖｏ＃を生成する。

ＰＷＭ回路７２は、電圧指令値Ｖｏ＃に基づいて、インバータ２を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。ゲート回路７４は、生成されたＰＷＭ信号に基づいてゲート信号を生成する。ゲート回路は、生成されたゲート信号をインバータ２へ出力する。インバータ２に含まれる複数の半導体スイッチング素子（図示せず）のオンオフは、ゲート信号によって制御される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、モジュール型無停電電源装置Ｕの出力電流を検出する電流検出器ＣＴに対して、並列運転しているパワーモジュールＰＭの台数と同数の抵抗素子１１を並列に接続する構成としたことにより、各パワーモジュールＰＭの制御回路６は、抵抗素子１１に流れる電流に基づいて、パワーモジュールＰＭの分担電流ＩＤを検出することができる。

これによると、無停電電源装置Ｕの出力電流の検出値をパワーモジュールＰＭの運転台数で除算することによって分担電流ＩＤを算出する処理が不要となる。したがって、パワーモジュールＰＭの運転台数を把握する必要がなくなるため、運転中のパワーモジュールＰＭが分担すべき電流を容易に検出することが可能となる。

さらに、図１に示すように、複数のモジュール型無停電電源装置Ｕを負荷５２に対して並列接続した無停電電源システム１００においては、複数の無停電電源装置Ｕにそれぞれ対応して設けられた複数の電流検出器ＣＴを互いに並列に接続する構成とすることにより、並列接続される抵抗素子１１の数は、各無停電電源装置ＵにおけるパワーモジュールＰＭの運転台数の総和となる。並列接続される抵抗素子１１には互いに等しい電流が流れるため、各制御回路６は、対応する抵抗素子１１に流れる電流に基づいて、パワーモジュールＰＭの分担電流ＩＤを検出することができる。よって、複数の無停電電源装置Ｕの間で分担電流ＩＤにばらつきが生じることを防ぐことができる。

例えば、図５に示したように、無停電電源装置Ｕ１において３台のパワーモジュールＰＭのうちの１台のパワーモジュールＰＭの運転が停止された場合には、残り２台のパワーモジュールＰＭおよび、他の無停電電源装置Ｕ２に含まれる３台のパワーモジュールＰＭの各々の分担電流ＩＤは、パワーモジュールＰＭの運転台数の総和が６から５に減少したことに応じて、一律にＩＬ／６からＩＬ／５に変更される。このように並列運転しているパワーモジュールＰＭの台数が無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２間で異なる場合においても、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２間で分担電流ＩＤにばらつきが生じることを防ぐことができる。

なお、負荷電流ＩＬをパワーモジュールＰＭの運転台数で除算することによってパワーモジュールＰＭの分担電流ＩＤを算出する構成とした場合には、複数の無停電電源装置Ｕ間でパワーモジュールＰＭの運転台数に関する情報を常時共有する必要が生じる。無停電電源装置Ｕの台数および／または各無停電電源装置Ｕに含まれるパワーモジュールＰＭの台数が増えるに従って、情報が複雑化するため、分担電流ＩＤを正確に算出することが困難となることが懸念される。

これに対して、本実施の形態では、停止状態とされたパワーモジュールＰＭの制御回路６がスイッチＳ３をオフするとともにスイッチＳ５をオフすることによって、並列接続される抵抗素子１１に流れる電流が自動的に変化する。したがって、運転中のパワーモジュールＰＭの制御回路６は、抵抗素子１１に流れる電流に基づいて分担電流ＩＤを容易かつ正確に検出することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、モジュール型無停電電源装置Ｕにおいて、バイパスモジュールＢＭの制御回路９が各パワーモジュールＰＭを運転状態および停止状態のうちの何れの状態にするかを判別する構成について説明したが、各パワーモジュールＰＭの制御回路６が、他の制御回路６との通信を行うことによって、自装置を運転状態および停止状態のうちの何れの状態にするかを判別する構成としてもよい。

また、上述した実施の形態では、各々が３台のパワーモジュールＰＭを含む無停電電源装置Ｕを２台備えた無停電電源システムについて説明したが、パワーモジュールＰＭの台数および無停電電源装置Ｕの台数がこれに限るものではない。本開示は、任意の台数のパワーモジュールＰＭを含む無停電電源装置Ｕを任意の台数備えた無停電電源システムに適用可能であることは言うまでもない。

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。本開示は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。

１ コンバータ、２ インバータ、３ 双方向チョッパ、４ 直流ライン、６，９ 制御回路、７ プロセッサ、８ メモリ、１０ 二次負担インピーダンス、１１ 抵抗素子、２０，２２，２４ 並列回路、５０ 制御装置、５１ 交流電源、５２ 負荷、６０ スイッチ制御部、６２ 分担電流検出部、６４ 出力電流演算部、６６ 減算器、６８ 電流制御部、７０ 加算器、７２ ＰＷＭ回路、７４ ゲート回路、７６ 故障検出部、１００ 無停電電源システム、Ｂ１，Ｂ２ バッテリ、ＢＭ バイパスモジュール、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ、ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ１１，ＣＴ１２ 電流検出器、ＩＤ 分担電流、ＩＬ 負荷電流、Ｌ１，Ｌ２ リアクトル、ＰＭ１～ＰＭ３ パワーモジュール、Ｔ１，Ｔ１１，ＴＩ 入力端子、Ｔ３，Ｔ１２，ＴＯ 出力端子、Ｕ１，Ｕ２ 無停電電源装置。

Claims (7)

1. 交流電源から供給される交流電力を受ける入力端子と、
   負荷に接続される出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間に並列接続される複数の電力変換モジュールと、
   前記出力端子から出力される交流電流を検出する第１の電流検出器と、
   前記複数の電力変換モジュールにそれぞれ対応して設けられた複数の第１の制御回路とを備え、
   各電力変換モジュールは、
   電力変換器と、
   前記入力端子と前記出力端子との間に前記電力変換器と直列に接続された第１のスイッチと、
   抵抗素子と、
   オン状態において、前記第１の電流検出器と前記抵抗素子とを並列接続する第２のスイッチとを含み、
   前記各第１の制御回路は、対応する電力変換モジュールを運転状態にする場合に前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチをオンする一方で、当該電力変換モジュールを停止状態にする場合に前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチをオフするように構成され、
   前記各第１の制御回路は、前記第２のスイッチのオン状態において前記抵抗素子に流れる電流に基づいて、前記対応する電力変換モジュールの分担電流を検出するとともに、当該電力変換モジュールの出力電流が前記分担電流になるように前記電力変換器を制御する、モジュール型無停電電源装置。
2. 前記第１の電流検出器は変流器を含み、
   前記第２のスイッチは、オン状態において、前記変流器と前記抵抗素子とを並列接続する、請求項１に記載のモジュール型無停電電源装置。
3. 前記各電力変換モジュールを前記運転状態および前記停止状態のうちの何れの状態をするかを判別する第２の制御回路をさらに備え、
   前記各第１の制御回路は、前記第２の制御回路によって前記運転状態にすると判別された場合に前記対応する電力変換モジュールを運転し、前記第２の制御回路によって前記停止状態にすると判別された場合に前記対応する電力変換モジュールの運転を停止する、請求項１または２に記載のモジュール型無停電電源装置。
4. 前記電力変換器は、
   前記入力端子に入力される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータにより生成された前記直流電力または電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換するインバータとを含み、
   前記各第１の制御回路は、前記対応する電力変換モジュールの出力電流が前記分担電流になるように前記インバータを制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載のモジュール型無停電電源装置。
5. 前記電力変換器は、
   第１端子が前記インバータの出力ノードに接続され、第２端子が前記第１のスイッチを介して前記出力端子に接続されるリアクトルと、
   前記リアクトルの前記第２端子に接続されるコンデンサとをさらに含み、
   前記各電力変換モジュールは、
   前記インバータの出力電流を検出する第２の電流検出器をさらに含み、
   前記各第１の制御回路は、前記第２の電流検出器の検出値、前記出力端子に現れる交流出力電圧および前記コンデンサの容量に基づいて、前記対応する電力変換モジュールの出力電流を算出する、請求項４に記載のモジュール型無停電電源装置。
6. 前記負荷に対して並列接続される複数の無停電電源装置を備え、
   各無停電電源装置は、請求項１から５のいずれか１項に記載のモジュール型無停電電源装置を含み、
   前記複数の無停電電源装置にそれぞれ対応して設けられた複数の前記第１の電流検出器は、互いに並列に接続される、無停電電源システム。
7. 前記複数の無停電電源装置にそれぞれ対応して設けられ、オン状態において、対応する無停電電源装置の前記出力端子を前記負荷に接続する複数の第３のスイッチと、
   前記運転状態の無停電電源装置に対応する第３のスイッチをオンし、前記停止状態の無停電電源装置に対応する前記第３のスイッチをオフするように構成された制御装置とをさらに備え、
   前記各無停電電源装置は、
   オン状態において、前記第１の電流検出器を他の無停電電源装置の前記第１の電流検出器に並列接続する第４のスイッチをさらに含み、
   前記第４のスイッチは、前記第３のスイッチのオン状態においてオンされ、前記第３のスイッチのオフ状態においてオフされる、請求項６に記載の無停電電源システム。

Images