KR102293959B1 - 무정전 전원 시스템 및 무정전 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

DC 부하(4)에 직류 전력을 공급하기 위한 무정전 전원 시스템(100)에 있어서, 제1 제어부(40)는, 제1 전류 지령값에 따른 전류를 태양 전지(2)로부터 출력 단자(T4)에 흘리도록 제1 DC/DC 컨버터(30)를 제어한다. 제2 제어부(60)는, 제2 전류 지령값에 따른 전류를 전력 저장 장치(3) 및 출력 단자(T4) 사이에 흘리도록 제2 DC/DC 컨버터(50)를 제어한다. 제1 제어부(40)는, 최대 전력점 추종 제어에서 태양 전지(2)의 출력 전압이 최적 동작 전압이 될 때의 출력 전류와, 태양 전지(2)로부터 직류 부하(4)의 소비 전류 및 전력 저장 장치(3)의 충전 전류를 출력하기 위한 출력 전류 중 최솟값에 기초하여 제1 전류 지령값을 생성하도록 구성된다. 제2 제어부(60)는, 출력 단자(T4)의 전압이 참조 전압이 되도록 제2 전류 지령값을 생성하도록 구성된다.

Description

무정전 전원 시스템 및 무정전 전원 장치
본 발명은, 무정전 전원 시스템 및 무정전 전원 장치에 관한 것이다.
무정전 전원 장치(Uninterruptible Power Supply : UPS)는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2014-7929호 공보(특허문헌 1)에 기재된 바와 같이, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터를 갖는 구성이 일반적이다. 또한, 상기 무정전 전원 장치에는 축전지 및 태양 전지가 접속되고, 당해 축전지 및 태양 전지 중 적어도 한쪽으로부터 무정전 전원 장치에 직류 전력이 공급된다.
상기 무정전 전원 장치에서는, 컨버터는, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력이 직류 전력으로 변환된다. 인버터는, 컨버터로부터의 직류 전력 또는 축전지 및 태양 전지로부터의 직류 전력을, 일정 주파수 및 일정 전압의 교류 전력으로 변환하고, 변환 후의 교류 전력을 AC(Alternating Current : 교류) 부하에 공급하고 있다.
또한, 상용 교류 전원의 이상(정전, 순간 저압 저하 등) 발생 시에는, 축전지 또는 태양 전지로부터 인버터에 직류 전력이 공급된다. 이에 의해, 상용 교류 전원의 이상 발생 시, 무정전 전원 장치는 무정전으로 AC 부하에 교류 전력을 공급한다.
일본 특허 공개 제2014-7929호 공보
상기 무정전 전원 장치를 사용하여 DC(Direct Current : 직류) 부하에 공급하는 경우에는, 일반적으로, 인버터에 의해 생성된 교류 전력을, 장치 외부에 마련된 AC 어댑터에 의해 DC 부하에 맞춘 직류 전력으로 변환하고, 변환 후의 직류 전력을 DC 부하에 공급하는 구성이 채용되고 있다. 그러나, 상기 구성에서는, 인버터 및 AC 어댑터의 각각에 있어서 전력 손실이 발생하기 때문에, 효율이 낮아질 가능성이 있다.
또한, 태양 전지는 그 특성상, 일사 강도 등에 의해 발전량이 변동되기 때문에, DC 부하가 필요로 하는 전력량이 저하된 경우, 높은 응답성으로 태양 전지의 발전량을 저하시키는 것이 어렵다는 과제가 있다. 그 결과, 태양 전지의 잉여 전력이 과대해지면, DC 부하에 인가하는 전압이 증대되기 때문에, DC 부하가 파손될 가능성이 있다.
또한, 태양 전지의 잉여 전력을 축전지에 축적하고, 태양 전지 및 축전지로부터의 직류 전력을 DC 부하에 공급하는 구성에 있어서는, 태양 전지의 잉여 전력이 과대해진 경우, 축전지의 단자간 전압이 과대해져, 축전지가 파손될 가능성이 있다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 높은 효율로 또한 높은 신뢰성으로 직류 부하에 전력을 공급할 수 있는 무정전 전원 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 어떤 국면에 의하면, 직류 부하에 직류 전력을 공급하기 위한 무정전 전원 시스템은, 무정전 전원 장치와, 태양 전지와, 전력 저장 장치를 구비한다. 무정전 전원 장치는, 상용 교류 전원과 직류 부하 사이에 접속된다. 태양 전지는 태양광의 에너지를 직류 전력으로 변환한다. 전력 저장 장치는 직류 전력을 축적한다. 무정전 전원 장치는, 직류 부하에 접속되는 출력 단자와, 제1 및 제2 DC/DC 컨버터와, 컨버터와, 제1 내지 제3 제어부를 구비한다. 제1 DC/DC 컨버터는, 태양 전지 및 출력 단자 사이에서 직류 전압 변환을 실행하도록 구성된다. 제2 DC/DC 컨버터는, 전력 저장 장치 및 출력 단자 사이에서 직류 전압 변환을 실행하도록 구성된다. 컨버터는, 상용 교류 전원 및 출력 단자 사이에 접속되며, 상용 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 제1 제어부는, 제1 전류 지령값에 따른 전류를 태양 전지로부터 출력 단자에 흘리도록 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된다. 제2 제어부는, 제2 전류 지령값에 따른 전류를 전력 저장 장치 및 출력 단자 사이에 흘리도록 제2 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된다. 제3 제어부는, 상용 교류 전원으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시, 출력 단자의 전압이 참조 전압이 되도록 컨버터를 제어하도록 구성된다. 제1 제어부는, 최대 전력점 추종 제어에서 태양 전지의 출력 전압이 최적 동작 전압이 될 때의 출력 전류와, 태양 전지로부터 직류 부하의 소비 전류 및 전력 저장 장치의 충전 전류를 출력하기 위한 출력 전류 중 최솟값에 기초하여 제1 전류 지령값을 생성하도록 구성된다. 제2 제어부는, 출력 단자의 전압이 참조 전압이 되도록 제2 전류 지령값을 생성하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 높은 효율로 또한 높은 신뢰성으로 직류 부하에 전력을 공급할 수 있는 무정전 전원 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 무정전 전원 시스템의 구성을 도시하는 회로 블록도이다.
도 2는 컨버터 및 초퍼의 구성을 도시하는 회로 블록도이다.
도 3은 제어부의 구성을 도시하는 회로 블록도이다.
도 4는 평활 콘덴서의 단자간 전압과 전압 제어기에 의해 생성되는 계수의 관계를 설명하기 위한 파형도이다.
도 5는 제어부의 구성을 도시하는 회로 블록도이다.
도 6은 모드 A1에 있어서의 무정전 전원 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 모드 A2에 있어서의 무정전 전원 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 모드 A3에 있어서의 무정전 전원 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 모드 B1에 있어서의 무정전 전원 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 모드 B2에 있어서의 무정전 전원 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 모드 B3에 있어서의 무정전 전원 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명을 반복하지 않는다.
[실시 형태 1]
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 무정전 전원 시스템(100)의 구성을 도시하는 회로 블록도이다. 도 1을 참조하여, 본 실시 형태에 의한 무정전 전원 시스템(100)은, DC 부하(4)에 직류 전력을 공급하도록 구성된다. 무정전 전원 시스템(100)은, 태양 전지(2)와, 축전지(3)와, 무정전 전원 장치(5)를 구비한다. 무정전 전원 장치(5)는, 상용 교류 전원(1) 및 DC 부하(4) 사이에 접속된다.
상용 교류 전원(1)은, 상용 주파수의 교류 전력을 무정전 전원 장치(5)에 공급한다. 태양 전지(2)는, 태양광의 에너지를 직류 전력으로 변환한다. 태양 전지(2)의 발전량은, 일사 강도에 따라서 증대된다. 축전지(3)는, 직류 전력의 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 축전지(3)는, 직류 전력을 축적하는 「전력 저장 장치」의 일 실시예에 대응한다. DC 부하(4)는, 직류 전력에 의해 구동되는 전기 기기 등이다.
무정전 전원 장치(5)는, 상용 교류 전원(1)으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시, 상용 교류 전원(1)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 DC 부하(4)에 공급한다. 또한, 무정전 전원 장치(5)는, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV 및 출력 전류 IPV에 기초하여 최대 전력점 추종 제어를 행하여, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV가 최적 동작 전압이 되도록 태양 전지(2)로부터 DC 부하(4)에 전류를 흘린다.
무정전 전원 장치(5)는, 또한, 출력 전압 VDC가 소정의 참조 전압 VDCR(예를 들어, 400V)보다도 높은 경우에는 태양 전지(2)로부터의 직류 전력을 축전지(3)에 공급한다. 한편, 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR보다도 낮은 경우에는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력에 의해 생성된 직류 전력 또는 축전지(3)로부터의 직류 전력을 DC 부하(4)에 공급한다.
또한, 무정전 전원 장치(5)는, 출력 전압 VDC를 상한 전압 VDCH(예를 들어, 500V) 이하로 제한함과 함께, 축전지(3)의 단자간 전압 VB를 상한 전압 VBH(예를 들어, 300V) 이하로 제한한다.
상세하게는, 무정전 전원 장치(5)는, 단자 T1 내지 T4, 전류 센서(6 내지 8), 컨버터(10), 초퍼(30, 50), 제어부(20, 40, 60), 및 평활 콘덴서 C0을 구비한다. 단자 T1 내지 T4는, 각각, 상용 교류 전원(1), 태양 전지(2), 축전지(3), 및 DC 부하(4)에 접속된다. 평활 콘덴서 C0은, 단자 T4(출력 단자)와 기준 전압(예를 들어, 접지 전압)의 라인 사이에 접속된다.
컨버터(10)는, 단자 T1, T4 사이에 접속된다. 컨버터(10)는, 제어부(20)(제3 제어부)에 의해 제어된다. 컨버터(10)는, 통상 시, 상용 교류 전원(1)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 평활 콘덴서 C0에 공급한다. 전류 센서(6)는, 상용 교류 전원(1)으로부터 컨버터(10)에 흐르는 교류 전류 IC를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 제어부(20)에 부여한다.
제어부(20)는, 상용 교류 전원(1)으로부터 공급되는 교류 전압 VC와 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 검출하고, 그것들의 검출값과 전류 센서(6)의 검출값에 기초하여, 컨버터(10)를 제어한다. 제어부(20)는, 통상 시, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록 컨버터(10)를 제어한다. 제어부(20)는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지되는 정전 시, 컨버터(10)의 운전을 정지시킨다.
초퍼(30)는 단자 T2, T4 사이에 접속된다. 초퍼(30)는, 제어부(40)(제1 제어부)에 의해 제어된다. 초퍼(30)는, 태양 전지(2)에 의해 생성된 직류 전력을 평활 콘덴서 C0에 공급한다. 전류 센서(7)는, 태양 전지(2)로부터 초퍼(30)에 흐르는 직류 전류 IPV를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 제어부(40)에 부여한다. 초퍼(30)는 「제1 DC/DC 컨버터」의 일 실시예에 대응한다.
제어부(40)는, 태양 전지(2)의 단자간 전압 VPV와 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 검출하고, 그것들의 검출값과 전류 센서(7)의 검출값에 기초하여, 초퍼(30)를 제어한다. 제어부(40)는, 태양 전지(2)의 단자간 전압 VPV가 최적 동작 전압 VDCR이 되도록 초퍼(30)를 제어한다. 혹은, 제어부(40)는, DC 부하(4)의 소비 전류 및 축전지(3)의 충전 전류의 합계에 상당하는 직류 전류가 태양 전지(2)로부터 출력되도록 초퍼(30)를 제어한다. 제어부(40)는, 또한, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC가 상한 전압 VDCH 이하가 되도록 초퍼(30)를 제어한다.
초퍼(50)는 단자 T3, T4 사이에 접속된다. 초퍼(50)는, 제어부(60)(제2 제어부)에 의해 제어된다. 초퍼(50)는, 평활 콘덴서 C0으로부터 축전지(3)에 직류 전력을 공급한다. 또한, 초퍼(50)는, 축전지(3)의 직류 전력을 평활 콘덴서 C0에 공급한다. 전류 센서(8)는, 축전지(3) 및 초퍼(50) 사이에 흐르는 직류 전류 IB를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 제어부(60)에 부여한다. 초퍼(50)는 「제2 DC/DC 컨버터」의 일 실시예에 대응한다.
제어부(60)는, 축전지(3)의 단자간 전압 VB와 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 검출하고, 그것들의 검출값과 전류 센서(8)의 검출값에 기초하여 초퍼(50)를 제어한다. 제어부(60)는, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC가 참조 전압 VDCR(<VDCH)이 되도록 초퍼(50)를 제어함과 함께, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 상한 전압 VBH(예를 들어, 300V) 이하가 되도록 초퍼(50)를 제어한다. 제어부(60)는, 또한, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC가 상한 전압 VDCH 이하가 되도록 초퍼(50)를 제어한다.
도 2는 컨버터(10) 및 초퍼(30, 50)의 구성을 도시하는 회로 블록도이다. 도 2를 참조하여, 컨버터(10)는, 스위칭 소자 Q1 내지 Q6, 다이오드 D1 내지 D6, 인덕터 L1 및 콘덴서 C1을 포함한다. 스위칭 소자 Q1 내지 Q6은, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이지만, 자기 소호형 스위칭 소자이면 이것에 한정되는 것은 아니다.
스위칭 소자 Q1, Q2는, 단자 T4와 기준 전압의 라인 사이에 직렬로 접속된다. 스위칭 소자 Q3, Q4는, 단자 T4와 기준 전압의 라인 사이에 직렬로 접속된다. 스위칭 소자 Q5, Q6은, 단자 T4와 기준 전압의 라인 사이에 직렬로 접속된다. 다이오드 D1 내지 D6은 각각, 스위칭 소자 Q1 내지 Q6에 역병렬로 접속된다. 3개의 리액터 L1의 각각은, 직렬 접속되는 2개의 스위칭 소자의 접속점과 단자 T1 사이에 접속된다. 3개의 콘덴서 C1의 한쪽 전극은 단자 T1에 접속되고, 그것들의 다른 쪽 전극은 서로 접속된다. 스위칭 소자 Q1 내지 Q6은, 제어부(20)에 의해 PWM(pulse width modulation) 제어된다.
초퍼(30)는, 콘덴서 C2, 인덕터 L2, 스위칭 소자 Q7 및 다이오드 D7, D10을 포함한다. 스위칭 소자 Q7은, 예를 들어 IGBT이다. 콘덴서 C2는, 단자 T2와 기준 전압의 라인 사이에 접속된다. 인덕터 L2 및 스위칭 소자 Q7은, 단자 T2와 기준 전압의 라인 사이에 직렬로 접속된다. 다이오드 D7은, 스위칭 소자 Q7에 역병렬로 접속된다. 다이오드 D10의 애노드는 스위칭 소자 Q7의 콜렉터에 접속되고, 그 캐소드는 단자 T4에 접속된다.
스위칭 소자 Q7은, 제어부(40)에 의해 PWM 제어되어, 소정의 주기로 온 및 오프된다. 스위칭 소자 Q7을 온시키면, 태양 전지(2)로부터 인덕터 L2 및 스위칭 소자 Q7을 통해 기준 전압의 라인에 전류가 흘러, 인덕터 L2에 전자 에너지가 축적된다. 스위칭 소자 Q7을 오프시키면, 인덕터 L2에 축적된 전자 에너지가 방출되어, 인덕터 L2로부터 다이오드 D10을 통해 평활 콘덴서 C0에 전류가 흐른다. 이때, 다이오드 D10의 애노드의 전압은, 태양 전지(2)의 단자간 전압 VPV에 인덕터 L2의 단자간 전압을 가산한 전압이 된다.
초퍼(50)는, 콘덴서 C3, 인덕터 L3, 스위칭 소자 Q8, Q9, 및 다이오드 D8, D9를 포함한다. 스위칭 소자 Q8, Q9는, 예를 들어 IGBT이다. 콘덴서 C3은 단자 T3과 기준 전압의 라인 사이에 접속된다. 스위칭 소자 Q8, Q9는, 단자 T4와 기준 전압의 라인 사이에 직렬 접속된다. 다이오드 D8, D9는 각각, 스위칭 소자 Q8, Q9에 역병렬로 접속된다. 인덕터 L3은, 단자 T3과 스위칭 소자 Q8, Q9의 접속점 사이에 접속된다.
스위칭 소자 Q8, Q9는, 제어부(60)에 의해 PWM 제어된다. 초퍼(50)는, 축전지(3)의 단자간 전압 VB를 승압하여 평활 콘덴서 C0에 공급한다. 또한, 초퍼(50)는, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 강압하여 축전지(3)에 공급한다.
도 3은 제어부(40)의 구성을 도시하는 회로 블록도이다. 도 3을 참조하여, 제어부(40)는, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어기(31), 감산기(32, 34), 전압 제어기(33), 전류 제어기(48), PWM 제어기(49), 발전 억제부(40A), 및 과전압 억제부(40B)를 포함한다.
MPPT 제어기(31)는, 태양 전지(2)의 최대 전력점 추종 제어를 행하여, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV 및 출력 전류 IPV에 기초하여, 태양 전지(2)의 출력이 최대가 되는 최적 동작 전압을 구한다. MPPT 제어기(31)는, 참조 전압 VPVR을 그 최적 동작 전압으로 설정한다.
태양 전지(2)에 있어서는, 출력 전류 IPV가 증가되면 단자간 전압 VPV가 저하된다는 특성이 있다. 태양 전지(2)의 출력은 단자간 전압 VPV에 따라서 완만한 산형 곡선을 따라서 변화된다. 태양 전지(2)의 출력이 최대가 되는 점은 최대 전력점이라 불리며, 그때의 태양 전지(2)의 단자간 전압 VPV는 최적 동작 전압이라 불린다.
즉, 태양 전지(2)의 단자간 전압 VPV가 최적 동작 전압에 일치하도록 전류 IPV를 취출하면, 태양 전지(2)로부터 최대 전력을 취출할 수 있다. 일사 강도가 변화되면, 최대 전력점 및 최적 동작 전압도 변화된다. 이 때문에, MPPT 제어기(31)는, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV 및 출력 전류 IPV에 기초하여, 최적 동작 전압에 일치하도록 참조 전압 VPVR을 조정한다.
감산기(32)는, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV의 검출값으로부터 MPPT 제어기(31)에서 생성된 참조 전압 VPVR을 감산하고, 감산 결과 VPV-VPVR을 나타내는 신호를 전압 제어기(33)에 부여한다. 전압 제어기(33)는, VPV-VPVR을 0으로 하기 위한 전류 지령값 IPVR2를 생성하고, 그 전류 지령값 IPVR2를 발전 억제부(40A)에 부여한다.
발전 억제부(40A)는, 가산기(35) 및 선택기(36)를 포함한다. 발전 억제부(40A)에는, 무정전 전원 시스템(100)을 통괄적으로 제어하는 상위 제어부로부터, 전류 지령값 IPVR0 및 전류 지령값 IBC가 부여된다.
전류 지령값 IPVR0은, DC 부하(4)가 필요로 하는 전류를 태양 전지(2)로부터 DC 부하(4)에 흘리기 위한 지령값이다. 전류 지령값 IPVR0은, DC 부하(4)의 소비 전력과 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV에 기초하여 설정된다.
구체적으로 설명하면, 태양 전지(2)로부터 DC 부하(4)에 흘리는 전류(이하, 소비 전류라고도 칭함)를 IL이라 하면, DC 부하(4)의 소비 전력은, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC와 소비 전류 IL의 곱 VDC×IL로 표현된다. 태양 전지(2)의 대수가 n(n은 정의 정수)인 경우, DC 부하(4)에 전력을 공급하기 위해 1대의 태양 전지(2)가 발전해야 할 전력 PPV는 VDC×IL/n이 된다. 이 전력 PPV를 태양 전지(2)가 발전하기 위한 전류 지령값 IPVR0은, 전력 PPV를 태양 전지(2)의 단자간 전압 VPV로 나눔으로써 구할 수 있다(IPVR0=PPV/VPV).
전류 지령값 IBC는, 축전지(3)를 소정의 만충전 상태로 하기 위한 충전 전류 IB의 지령값이며, 축전지(3)의 단자간 전압 VB에 기초하여 설정된다. 구체적으로는, 소정의 만충전 상태에 상당하는 단자간 전압 VBR로부터 축전지(3)의 단자간 전압 VB의 검출값을 감산하고, 감산 결과 VBR-VB를 축전지(3)의 내부 저항값으로 제산함으로써, 전류 지령값 IBC를 구할 수 있다.
가산기(35)는, 전류 지령값 IPVR0과 전류 지령값 IBC를 가산하여 전류 지령값 IPVR1을 생성한다.
선택기(36)는, 가산기(35)로부터의 전류 지령값 IPVR1과 전압 제어기(33)로부터의 전류 지령값 IPVR2를 받으면, 이들 2개의 전류 지령값 IPVR1, IPVR2 중 최솟값을 선택한다. 선택기(36)는, 그 선택한 전류 지령값을 참조 전류값 IPVR로 설정한다.
즉, 발전 억제부(40A)는, 태양 전지(2)의 최대 전력점 추종 제어에 의해 생성된 전류 지령값 IPVR2와, DC 부하(4)의 소비 전류 및 축전지(3)의 충전 전류에 기초하여 생성된 전류 지령값 IPVR1 중 작은 쪽을 참조 전류값 IPVR로 설정한다.
태양 전지(2)로부터 취출할 수 있는 최대 전력이, DC 부하(4)의 소비 전력 및 축전지(3)의 충전 전력의 합계값보다도 큰 경우에는, IPVR1>IPVR2가 되는 경우가 있다. 이 경우, 발전 억제부(40A)는, 전류 지령값 IPVR2를 참조 전류값 IPVR로 설정한다. 설정된 참조 전류값 IPVR에 일치하도록 태양 전지(2)의 출력 전류 IPV가 제어됨으로써, 태양 전지(2)의 출력은, DC 부하(4)의 소비 전력 및 축전지(3)의 충전 전력의 합계값의 전력과 동일하게 된다. 이에 의해, DC 부하(4) 및 축전지(3)가 필요로 하는 전력을 초과하는 전력을 태양 전지(2)가 발전하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, DC 부하(4) 및 축전지(3)가 필요로 하는 전력이 감소한 경우라도, 태양 전지(2)의 잉여 전력이 과대해지는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 출력 단자 T4의 전압 VDC 및 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 과대해지는 것을 억제할 수 있다.
과전압 억제부(40B)는, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 상한 전압 VDCH 이하의 전압으로 제한하도록 구성된다. 구체적으로는, 과전압 억제부(40B)는, 감산기(47), 전압 제어기(41), 리미터(39) 및 승산기(38)를 포함한다. 감산기(47)는, 상한 전압 VDCH로부터 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 감산하고, 그 감산 결과 VDCH-VDC를 나타내는 신호 ΔVDC를 전압 제어기(41)에 부여한다.
전압 제어기(41)는, VDCH-VDC를 0으로 하기 위해 참조 전류값 IPVR을 보정하기 위한 계수 k1을 생성하고, 그 계수 k1을 리미터(39)에 부여한다. 구체적으로는, 전압 제어기(41)는, 리미터(46), 제산기(45), 감산기(43) 및 필터(42)를 포함한다.
리미터(46)는, 감산기(47)에서 구해진 신호 ΔVDC(=VDCH-VDC)가 상한값 ΔVDCH(>0)와 하한값인 0 사이의 값인 경우에는 그 신호 ΔVDC를 통과시킨다. 또한, 리미터(46)는 감산기(47)로부터의 신호 ΔVDC가 상한값 ΔVDCH보다도 정측에 있는 경우에는, 그 신호 ΔVDC를 상한값 ΔVDCH로 설정한다. 또한, 리미터(46)는, 감산기(47)로부터의 신호 ΔVDC가 하한값 0보다도 부측에 있는 경우에는, 그 신호 ΔVDC를 하한값 0으로 설정한다. 즉, 리미터(46)는, 감산기(47)로부터의 신호 ΔVDC를 0 이상 또한 상한값 ΔVDCH 이하의 값으로 제한한다.
제산기(45)는, 리미터(46)로부터의 신호 ΔVDC를 상한값 ΔVDCH로 제산하고, 그 제산 결과 ΔVDC/ΔVDCH를 나타내는 신호를 감산기(43)에 부여한다. 상술한 바와 같이, 리미터(46)로부터의 신호 ΔVDC는, 0 이상 ΔVDCH 이하로 제한되어 있다. 따라서, 제산기(45)로부터 출력되는 감산 결과 ΔVDC/ΔVDCH는, 0 이상 1 이하의 값을 취하게 된다(0≤ΔVDC/ΔVDCH≤1).
감산기(43)는 값 "1"로부터 제산기(45)로부터의 신호 ΔVDC/ΔVDCH를 감산하고, 그 감산 결과 1-ΔVDC/ΔVDCH를 나타내는 신호를, 계수 k1로서 필터(42)에 부여한다. ΔVDC/ΔVDCH=1인 경우, 감산기(43)로부터 출력되는 계수 k1의 값은 0이 된다. 또한, ΔVDC/ΔVDCH=0인 경우, 감산기(43)로부터 출력되는 계수 k1의 값은 1이 된다. 즉, 감산기(43)로부터 출력되는 계수 k1은 0 이상 1 이하의 값이 된다.
필터(42)는, 예를 들어 저항과 콘덴서로 구성되는 RC 필터이다. 계수 k1이 필터(42)에 입력되면, 계수 k1은 완만하게 변화된다. 필터(42)는, 차단 주파수 이하의 저주파 성분을 통과시키고, 고주파 성분을 제거하기 위한 것이다. 차단 주파수 fc[Hz]와 필터(42)의 시상수 τ[sec]에는, 1=2πfc×τ의 관계가 있다. 필터(42)는, 계수 k1의 상승과 하강으로 차단 주파수 fc를 전환하도록 구성되어 있다.
상세하게는, 필터(42)에 있어서, 하강의 차단 주파수 fc는, 상승의 차단 주파수 fc보다 높은 값으로 설정되어 있다. 예를 들어, 하강의 차단 주파수 fc는 2㎑이며, 상승의 차단 주파수 fc는 1㎑이다. 이와 같이 하면, 계수 k1의 하강의 시상수는 계수 k1의 상승의 시상수보다도 작은 값이 되기 때문에, 하강 시간은 상승 시간보다도 짧아진다. 필터(42)를 통과한 계수 k1은 리미터(39)에 부여된다.
리미터(39)는, 전압 제어기(41)로부터의 계수 k1이 0 이상 1 이하인 경우에는 그 계수 k1을 통과시키고, 전압 제어기(41)로부터의 계수 k1이 0 미만인 경우에는 그 계수 k1을 0으로 설정한다.
승산기(38)는, 발전 억제부(40A)로부터의 참조 전류값 IPVR에 계수 k1을 승산함으로써, 참조 전류값 IPVR을 보정한다. 승산기(38)는, 보정된 참조 전류값 k1×IPVR을 감산기(34)에 부여한다.
감산기(34)는, 참조 전류값 k1×IPVR로부터 태양 전지(2)의 출력 전류 IPV의 검출값을 감산하고, 그 감산 결과 k1×IPVR-IPV를 나타내는 신호를 전류 제어기(48)에 부여한다. 전류 제어기(48)는, 감산기(34)에서 구해진 전류 k1×IPVR-IPV를 흘리기 위한 전류 지령값을 생성한다. PWM 제어기(49)는, 전류 제어기(48)로부터의 전류 지령값에 따른 값의 전류가 태양 전지(2)로부터 DC 부하(4)에 흐르도록 초퍼(30)를 제어한다.
도 4는 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC와 전압 제어기(41)에 의해 생성되는 계수 k1의 관계를 설명하기 위한 파형도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, VDC≤VDCH일 때(시각 t0 내지 t1 사이), 계수 k1의 값은 1이 된다(k1=1). 시각 t1에서 VDC>VDCH가 되면, 계수 k1의 값은 1 미만으로 저하된다(k1<1). 이때의 계수 k1은, ΔVDC(=VDCH-VDC)에 따른 값이 된다.
시각 t1 이후, 계수 k1의 값은 필터(42)의 하강의 시상수에 따라서 1로부터 저하된다. 계수 k1을 사용하여 참조 전류값 IPVR이 보정되고, 그 보정된 참조 전류값 k1×IPVR에 기초하여 초퍼(30)가 제어됨으로써, 초퍼(30)의 출력 전압 VDC가 저하되기 시작한다. 시각 t1보다도 후의 시각 t2에 출력 전압 VDC가 상한 전압 VDCH 이하로 되면, 계수 k1의 값은 저하로부터 증가로 전환된다. 필터(42)의 상승의 시상수는 하강의 시상수보다도 크기 때문에, 계수 k1은 완만하게 상승한다. 이에 의해, 시각 t2보다 후의 시각 t3에 출력 전압 VDC가 증가되기 시작한다. 계수 k1의 값이 1로 되돌아가면, 이것에 뒤이어 출력 전압 VDC도 참조 전압 VDCR에 수렴된다.
평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC가 상한 전압 VDCH를 초과한 경우, DC 부하(4)에 인가되는 전압이 과대해지는 것을 방지하기 위해서는, 단자간 전압 VDC를 빠르게 상한 전압 VDCH 이하의 전압으로 제한할 필요가 있다. 한편, 태양 전지(2)의 출력은 일사 강도 등에 좌우되기 때문에, 불안정하고, 또한, 제어 응답성도 낮다. 과전압 억제부(40B)에 있어서 계수 k1의 하강 시간을 상승 시간보다도 짧게 함으로써, 상한 전압 VDCH보다도 큰 단자간 전압 VDC를 빠르게 저하시킬 수 있음과 함께, 저하된 단자간 전압 VDC를 안정적으로 참조 전압 VDCR로 되돌릴 수 있다.
도 5는 제어부(60)의 구성을 도시하는 회로 블록도이다. 도 5를 참조하여, 제어부(60)는, 전압 제어부(60A), 과충전 억제부(60B), 과전압 억제부(60C), 감산기(54), 가산기(55), 전류 제어기(68) 및 PWM 제어기(69)를 포함한다.
전압 제어부(60A)는, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 일정 전압 VDCR로 제어하도록 구성된다. 구체적으로는, 전압 제어부(60A)는, 감산기(65), 전압 제어기(66), 및 리미터(67)를 포함한다. 감산기(65)는, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC로부터 참조 전압 VDCR(예를 들어, 400V)을 감산하고, 그 감산 결과 VDCR-VDC를 나타내는 신호를 전압 제어기(66)에 부여한다. 참조 전압 VDC는, 상한 전압 VDCH보다도 낮은 전압으로 설정된다. 전압 제어기(66)는, VDCR-VDC를 0으로 하기 위한 전류 지령값을 생성하고, 그 전류 지령값을 리미터(67)에 부여한다.
리미터(67)는, 전압 제어기(66)로부터의 전류 지령값이 정의 상한값과 부의 상한값 사이의 값인 경우에는 그 전류 지령값을 통과시킨다. 또한, 리미터(67)는, 전압 제어기(66)로부터의 전류 지령값이 정의 상한값보다도 정측에 있는 경우에는, 그 전류 지령값을 정의 상한값으로 설정한다. 또한, 리미터(67)는, 전압 제어기(66)로부터의 전류 지령값이 부의 하한값보다도 부측에 있는 경우에는, 그 전류 지령값을 부의 하한값으로 설정한다.
과충전 억제부(60B)는, 축전지(3)의 단자간 전압 VB를 상한 전압 VBH(예를 들어, 300V) 이하의 전압으로 제한하도록 구성된다. 구체적으로는, 과충전 억제부(60B)는, 감산기(51), 전압 제어기(52) 및 리미터(53)를 포함한다. 감산기(51)는, 상한 전압 VBH로부터 축전지(3)의 단자간 전압 VB를 감산하고, 그 감산 결과 VBH-VB를 나타내는 신호를 전압 제어기(52)에 부여한다. 전압 제어기(52)는, VBH-VB를 0으로 하기 위한 전류 지령값을 생성하고, 그 전류 지령값을 리미터(53)에 부여한다. 리미터(53)는, 전압 제어기(52)로부터의 전류 지령값이 부인 경우에는 그 전류 지령값을 통과시키고, 전압 제어기(52)로부터의 전류 지령값이 정인 경우에는 그 전류 지령값을 0으로 설정한다.
즉, VB<VBH인 경우, 과충전 억제부(60B)로부터 출력되는 전류 지령값의 값은 0이 된다. 한편, VB>VBH인 경우에는, 과충전 억제부(60B)로부터 출력되는 전류 지령값은 VBH-VB에 따른 값이 된다.
가산기(55)는, 전압 제어부(60A)로부터의 전류 지령값과 과충전 억제부(60B)로부터의 전류 지령값을 가산하여 참조 전류값 IBR을 생성한다. 감산기(54)는, 참조 전류값 IBR로부터 축전지(3)의 충전 전류 IB의 검출값을 감산하고, 그 감산 결과 IBR-IB를 나타내는 신호를 과전압 억제부(60C)에 부여한다.
과전압 억제부(60C)는, 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 상한 전압 VDCH 이하의 전압으로 제한하도록 구성된다. 과전압 억제부(60C)는, 도 3에 도시한 과전압 억제부(40B)와 기본적 구성이 동일하다.
구체적으로는, 과전압 억제부(60C)는, 감산기(64), 전압 제어기(58), 리미터(57), 및 승산기(56)를 포함한다. 감산기(64)는, 상한 전압 VDCH로부터 평활 콘덴서 C0의 단자간 전압 VDC를 감산하고, 그 감산 결과 VDCH-VDC를 나타내는 신호 ΔVDC를 전압 제어기(58)에 부여한다. 전압 제어기(58)는, 감산기(54)로부터의 신호 IBR-IB를 보정하기 위한 계수 k2를 생성하고, 그 계수 k2를 리미터(57)에 부여한다.
보다 상세하게는, 전압 제어기(58)는, 리미터(63), 제산기(62), 감산기(61), 및 필터(59)를 포함한다. 리미터(63)는, 감산기(64)에서 구해진 신호 ΔVDC(=VDCH-VDC)를 0 이상 또한 상한값 ΔVDCH 이하의 값으로 제한한다.
제산기(62)는, 리미터(63)로부터의 신호 ΔVDC를 상한값 ΔVDCH로 제산하고, 그 제산 결과 ΔVDC/ΔVDCH를 나타내는 신호를 감산기(61)에 부여한다. 감산기(61)는, 값 "1"로부터 제산기(62)로부터의 신호 ΔVDC/ΔVDCH를 감산하고, 그 감산 결과 1-ΔVDC/ΔVDCH를 나타내는 신호를, 계수 k2로서 필터(59)에 부여한다. 감산기(61)로부터 출력되는 계수 k2는 0 이상 1 이하의 값이 된다.
필터(59)는, 도 3의 필터(42)와 동일하고, 예를 들어 RC 필터이다. 필터(59)에 있어서, 하강의 시상수는 상승의 시상수보다도 작은 값으로 되어 있다. 그 때문에, 필터(59)를 통과한 계수 k2의 하강 시간은, 계수 k2의 상승 시간보다도 짧아진다.
리미터(57)는, 전압 제어기(58)로부터의 계수 k2가 0 이상 1 이하인 경우에는 그 계수 k2를 통과시키고, 전압 제어기(58)로부터의 계수 k2가 0 미만인 경우에는 그 계수 k2를 0으로 설정한다.
승산기(56)는, 감산기(54)로부터의 신호 IBR-IB에 계수 k2를 승산하고, 그 승산 결과 k2×(IBR-IB)를 나타내는 신호를 전류 제어기(68)에 부여한다. 전류 제어기(68)는, 승산기(56)에서 구해진 전류 k2×(IBR-IB)를 흘리기 위한 전류 지령값을 생성한다. PWM 제어기(69)는, 전류 제어기(68)로부터의 전류 지령값에 따른 값의 전류가 축전지(3)로부터 DC 부하(4)에 흐르도록 초퍼(50)를 제어한다.
(무정전 전원 시스템의 제1 동작예)
다음에, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 실시 형태에 의한 무정전 전원 시스템(100)의 동작의 일례에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 의한 무정전 전원 시스템(100)은, DC 부하(4)에 대한 전력 공급원으로서, 상용 교류 전원(1), 태양 전지(2) 및 축전지(3)를 갖고 있다. 이들 3개의 전력 공급원은 모두, 다양한 요인(상용 계통의 이상, 일조 조건의 변동, 축전지의 잔류 용량 등)에 의해, 공급 가능한 전력이 변동된다.
따라서, 본 실시 형태에 의한 무정전 전원 시스템(100)에서는, 상기 3개의 전력 공급원의 사이에서 전력 공급의 우선 순위를 미리 정해 둠과 함께, 우선 순위가 높은 전력 공급원이 어떠한 요인에 의해 전력 공급이 곤란해진 경우에는, 우선 순위가 낮은 전력 공급원을 사용하여 전력 공급을 행한다.
이하에 설명하는 제1 패턴에서는, 전력 공급의 우선 순위를, 높은 쪽부터, 태양 전지(2), 상용 교류 전원(1), 축전지(3)의 순번으로 한다. 즉, 주로, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다. 그리고, 태양 전지(2)에서 생성되는 직류 전력이 DC 부하(4)에 있어서의 소비 전력보다도 작아지면, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력이 컨버터(10)에 의해 직류 전력으로 변환되어 DC 부하(4)에 공급된다. 축전지(3)는, 태양 전지(2) 및 상용 교류 전원(1)이 모두 전력 공급이 곤란해졌을 때의 백업 전원으로서 사용된다.
제1 패턴에 있어서, 무정전 전원 시스템(100)은, 3개의 모드 A1 내지 A3을 갖고 있다. 무정전 전원 시스템(100)은, 태양 전지(2)의 발전량 및 상용 교류 전원(1)의 상태 등에 따라서, 3개의 모드 A1 내지 A3 중 어느 모드로 동작한다.
(1) 모드 A1:
태양 전지(2)가 발전 중인 경우, 도 6에 도시한 바와 같이, 무정전 전원 시스템은 모드 A1로 동작한다. 모드 A1에서는, 화살표(201)로 나타내는 바와 같이, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다. 또한, 태양 전지(2)의 발전량이 DC 부하(4)가 필요로 하는 전력량보다도 큰 경우, 화살표(203)로 나타내는 바와 같이, 잉여 전력이 초퍼(50)에 의해 축전지(3)에 공급된다.
이때, 태양 전지(2)로부터 초퍼(30)를 통해 DC 부하(4)에 전류가 흐르게 된다. 태양 전지(2)의 출력 전류 IPV는, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV가 최적 동작 전압으로 되기 위한 전류 지령값 IPVR2와, DC 부하(4)의 소비 전류 및 축전지(3)의 충전 전류의 합계값에 기초하여 생성된 전류 지령값 IPVR1 중 작은 쪽에 일치하도록 조정된다.
또한, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록, 출력 단자 T3으로부터 초퍼(50)를 통해 축전지(3)에 전류가 흐르게 된다. 예를 들어, 맑은 날이 계속되어, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 상한 전압 VBH에 도달한 경우에는, 초퍼(50)의 운전이 정지되어, 축전지(3)의 충전이 정지된다.
또한, 예를 들어 DC 부하(4)에 있어서의 소비 전력이 저하되어 잉여 전력이 증대되고, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 상한 전압 VDCH에 도달한 경우에는, 초퍼(30)에 흐르는 전류가 저감된다.
상용 교류 전원(1)으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록 컨버터(10)가 제어된다. 이와 같이 하면, 예를 들어 태양 전지(2)의 발전량이 저하되어 DC 부하(4)가 필요로 하는 전력량보다도 작아진 경우에는, 화살표(202)로 나타내는 바와 같이, 무정전 전원 장치(5)는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 부하(4)에 공급할 수 있다.
(2) 모드 A2:
예를 들어 밤이 되어, 태양 전지(2)의 발전량이 0이 된 경우, 도 7에 도시한 바와 같이, 무정전 전원 시스템은 모드 A2로 동작한다. 모드 A2에서는, 초퍼(30)의 운전은 정지된다. 무정전 전원 장치(5)는, 화살표(204)로 나타내는 바와 같이, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 부하(4)에 공급한다.
이때, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록, 상용 교류 전원(1)으로부터 컨버터(10)를 통해 DC 부하(4)에 전류가 흐르게 된다. 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 소정의 만충전 상태에 상당하는 단자간 전압 VBR보다도 낮은 경우에는, 컨버터(10)에서 생성된 직류 전력이 DC 부하(4)에 공급됨과 함께, 초퍼(50)에 의해 축전지(3)에 공급된다. 이에 의해, 축전지(3)는, 소정의 만충전 상태로 충전된 후, 대기 상태가 된다.
(3) 모드 A3:
상용 교류 전원(1)이 정전된 경우, 도 8에 도시한 바와 같이, 무정전 전원 시스템은 모드 A3로 동작한다. 모드 A3에서는, 컨버터(10)의 운전은 정지된다. 화살표(205)로 나타내는 바와 같이, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다.
이때, 태양 전지(2)의 출력 전류 IPV는, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV가 최적 동작 전압이 되기 위한 전류 지령값 IPVR2와, DC 부하(4)의 소비 전류 및 축전지(3)의 충전 전류의 합계값에 기초하여 생성된 전류 지령값 IPVR1 중 작은 쪽에 일치하도록 조정된다.
또한, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록, 축전지(3)로부터 초퍼(50)를 통해 출력 단자 T3에 전류가 흐르게 된다. 이에 의해, 태양 전지(2)의 발전량이 DC 부하(4)가 필요로 하는 전력량보다도 작은 경우에는, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급됨과 함께, 화살표(206)로 나타내는 바와 같이, 축전지(3)의 직류 전력이 초퍼(50)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다. 또한, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 하한 전압 VBL(예를 들어, 200V)로 된 경우에는, 축전지(3)의 과방전을 방지하기 위해 축전지(3)의 방전이 정지된다.
또한, 예를 들어 DC 부하(4)에 있어서의 소비 전력이 저하되어 잉여 전력이 증대되고, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 상한 전압 VDCH에 도달한 경우에는, 초퍼(30, 50)에 흐르는 전류가 저감된다. 이에 의해, DC 부하(4)에 인가되는 전압 및 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 과대해지는 것을 방지할 수 있다.
(무정전 전원 시스템의 제2 동작예)
이하에 설명하는 제2 패턴은, 상기 제1 패턴과는, 전력 공급의 우선 순위가 상이하다. 제2 패턴에서는, 전력 공급의 우선 순위를, 높은 쪽부터, 태양 전지(2), 축전지(3), 상용 교류 전원(1)의 순번으로 한다. 즉, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 DC 부하(4)에 공급된다. 그리고, 태양 전지(2)에서 생성되는 직류 전력이 DC 부하(4)에 있어서의 소비 전력보다도 작을 때는, 축전지(3)의 직류 전력이 초퍼(50)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다. 상용 교류 전원(1)은, 태양 전지(2) 및 축전지(3)가 모두 전력 공급이 곤란해졌을 때, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC를 일정 전압 VDCR로 제어하기 위해 사용된다.
제2 패턴에 있어서, 무정전 전원 시스템(100)은, 3개의 모드 B1 내지 B3을 갖고 있다. 무정전 전원 시스템(100)은, 태양 전지(2)의 발전량 및 상용 교류 전원(1)의 상태 등에 따라서, 3개의 모드 B1 내지 B3 중 어느 모드로 동작한다.
(4) 모드 B1:
태양 전지(2)가 발전 중인 경우, 도 9에 도시한 바와 같이, 무정전 전원 시스템(100)은 모드 B1로 동작한다. 모드 B1에서는, 화살표(207)로 나타내는 바와 같이, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다. 도시는 생략하지만, 태양 전지(2)의 발전량이 DC 부하(4)가 필요로 하는 전력량보다도 큰 경우, 잉여 전력이 초퍼(50)에 의해 축전지(3)에 공급된다.
이때, 태양 전지(2)로부터 초퍼(30)를 통해 DC 부하(4)에 전류가 흐르게 된다. 태양 전지(2)의 출력 전류 IPV는, 태양 전지(2)의 출력 전압 VPV가 최적 동작 전압으로 되기 위한 전류 지령값 IPVR2와, DC 부하(4)의 소비 전류 및 축전지(3)의 충전 전류의 합계값에 기초하여 생성된 전류 지령값 IPVR1 중 작은 쪽에 일치하도록 조정된다.
또한, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록, 축전지(3)로부터 초퍼(50)를 통해 출력 단자 T3에 전류가 흐르게 된다. 이에 의해, 태양 전지(2)의 발전량이 DC 부하(4)가 필요로 하는 전력량보다도 작은 경우, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급됨과 함께, 화살표(208)로 나타내는 바와 같이, 축전지(3)의 직류 전력이 초퍼(50)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다. 또한, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 하한 전압 VBL로 된 경우에는, 축전지(3)의 과방전을 방지하기 위해 축전지(3)의 방전이 정지된다.
또한, 예를 들어 DC 부하(4)에 있어서의 소비 전력이 저하되어 잉여 전력이 증대되고, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 상한 전압 VDCH에 도달한 경우에는, 초퍼(30, 50)에 흐르는 전류가 저감된다.
상용 교류 전원(1)으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록 컨버터(10)가 제어된다. 이와 같이 하면, 예를 들어 태양 전지(2)의 발전량이 저하되어 DC 부하(4)가 필요로 하는 전력량보다도 작은 상황에서, 축전지(3)의 방전이 정지된 경우에는, 화살표(209)로 나타내는 바와 같이, 무정전 전원 장치(5)는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 부하(4)에 공급할 수 있다.
(5) 모드 B2:
예를 들어 밤이 되어, 태양 전지(2)의 발전량이 0이 된 경우, 도 10에 도시한 바와 같이, 무정전 전원 시스템(100)은 모드 B2로 동작한다. 모드 B2에서는, 초퍼(30)의 운전은 정지된다. 무정전 전원 장치(5)는, 화살표(210)로 나타내는 바와 같이, 축전지(3)의 직류 전력을 초퍼(50)를 통해 DC 부하(4)에 공급한다. 이때, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록 초퍼(50)가 제어된다.
축전지(3)의 단자간 전압 VB가 하한 전압 VBL로 된 경우에는, 축전지(3)의 과방전을 방지하기 위해 축전지(3)의 방전이 정지된다. 축전지(3)의 방전이 정지되면, 화살표(211)로 나타내는 바와 같이, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력이 컨버터(10)에 의해 직류 전력으로 변환되어 DC 부하(4)에 공급된다. 이때, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 참조 전압 VDCR이 되도록, 상용 교류 전원(1)으로부터 컨버터(10)를 통해 DC 부하(4)에 전류가 흐르게 된다. 또한, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 소정의 만충전 상태에 상당하는 단자간 전압 VBR보다도 낮기 때문에, 화살표(212)로 나타내는 바와 같이, 컨버터(10)에서 생성된 직류 전력이 DC 부하(4)에 공급됨과 함께, 초퍼(50)에 의해 축전지(3)에 공급된다. 이에 의해, 축전지(3)는 소정의 만충전 상태로 충전된 후, 대기 상태로 된다.
(6) 모드 B3:
상용 교류 전원(1)이 정전된 경우, 도 11에 도시한 바와 같이, 무정전 전원 시스템(100)은 모드 B3로 동작한다. 모드 B3은, 도 8에서 도시한 모드 A3과 동일하다. 즉, 컨버터(10)의 운전이 정지되고, 화살표(213)로 나타내는 바와 같이, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다.
또한, 태양 전지(2)의 발전량이 DC 부하(4)가 필요로 하는 전력량보다도 작은 경우, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력이 초퍼(30)에 의해 DC 부하(4)에 공급됨과 함께, 화살표(214)로 나타내는 바와 같이, 축전지(3)의 직류 전력이 초퍼(50)에 의해 DC 부하(4)에 공급된다. 또한, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 하한 전압 VBL로 된 경우에는, 축전지(3)의 과방전을 방지하기 위해 축전지(3)의 방전이 정지된다.
또한, 예를 들어 DC 부하(4)에 있어서의 소비 전력이 저하되어 잉여 전력이 증대되고, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 상한 전압 VDCH에 도달한 경우에는, 초퍼(30, 50)에 흐르는 전류가 저감된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의한 무정전 전원 시스템(100)에서는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 부하(4)에 공급함과 함께, 태양 전지(2)에서 생성된 직류 전력 및 축전지(3)의 직류 전력을 DC 부하(4)에 공급하도록 구성되어 있다. 이와 같이 하면, 종래의 무정전 전원 시스템과 같이, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 인버터, 및 인버터에 의해 생성된 교류 전력을 다시 DC 부하(4)에 맞춘 직류 전력으로 변환하기 위한 AC 어댑터의 설치가 불필요해진다. 따라서, 인버터 및 AC 어댑터에 있어서 발생하였던 전력 손실이 0이 되기 때문에, 무정전 전원 시스템 전체의 전력 손실을 저감할 수 있다. 이에 의해, 무정전 전원 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 무정전 전원 시스템(100)에 있어서는, 태양 전지(2)의 발전 중, DC 부하(4)에 있어서의 소비 전류 및 축전지(3)의 충전 전류에 따른 값보다도 큰 값의 전류가 태양 전지(2)로부터 DC 부하(4)에 흐르는 일이 없도록 초퍼(30)가 제어된다. 이와 같이 하면, DC 부하(4)에 있어서의 소비 전력이 저하된 경우에는, 초퍼(30)에 흐르는 전류가 저감되기 때문에, 태양 전지(2)의 잉여 전력에 의해 출력 단자 T4의 전압 VDC가 과대해지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 태양 전지(2)의 발전 중, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 상승하여 상한 전압 VDCH를 초과한 경우에는, 태양 전지(2)로부터 초퍼(30)를 통해 출력 단자 T4에 흐르는 전류를 감소시킨다. 또한, 축전지(3)의 직류 전력을 DC 부하(4)에 공급하고 있는 경우에 있어서, 무정전 전원 장치(5)의 출력 전압 VDC가 상승하여 상한 전압 VDCH를 초과하였을 때는, 축전지(3)로부터 초퍼(50)를 통해 출력 단자 T4에 흐르는 전류를 감소시킨다. 따라서, DC 부하(4)의 소비 전력이 저하된 경우라도, 출력 단자 T4의 전압 VDC가 과대해지는 것을 억제할 수 있기 때문에, DC 부하(4)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 상한 전압 VBH를 초과한 경우에는, 출력 단자 T4로부터 초퍼(50)를 통해 축전지(3)에 흐르는 전류를 감소시킨다. 따라서, 태양 전지(2)의 잉여 전력이 과대해진 경우라도, 축전지(3)의 단자간 전압 VB가 과대해지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 축전지(3)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는 예시이며, 상기 내용에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 상용 교류 전원
2 : 태양 전지
3 : 축전지
4 : DC 부하
5 : 무정전 전원 장치
6 내지 8 : 전류 센서
10 : 컨버터
30, 50 : 초퍼
20, 40, 60 : 제어부
31 : MPPT 제어기
32, 34, 43, 47, 51, 54, 61, 64 : 감산기
33, 41, 52 : 전압 제어기
35, 55 : 가산기
36 : 선택기
38, 56 : 승산기
39, 46, 53, 57, 63 : 리미터
40A : 발전 억제부
40B, 60C : 과전압 억제부
42, 59 : 필터
45, 62 : 제산기
48, 68 : 전류 제어기
49, 69 : PWM 제어기
60A : 전압 제어부
60B : 과충전 억제부
100 : 무정전 전원 시스템
CO 내지 C3 : 콘덴서
L1 내지 L3 : 리액터
Q1 내지 Q9 : 스위칭 소자
D1 내지 D10 : 다이오드
T1 내지 T4 : 단자

Claims (6)

  1. 직류 부하에 직류 전력을 공급하기 위한 무정전 전원 시스템이며,
    상용 교류 전원과 상기 직류 부하 사이에 접속되는 무정전 전원 장치와,
    태양광의 에너지를 직류 전력으로 변환하는 태양 전지와,
    직류 전력을 축적하는 전력 저장 장치를 구비하고,
    상기 무정전 전원 장치는,
    상기 직류 부하에 접속되는 출력 단자와,
    상기 태양 전지 및 상기 출력 단자 사이에서 직류 전압 변환을 실행하도록 구성된 제1 DC/DC 컨버터와,
    상기 전력 저장 장치 및 상기 출력 단자 사이에서 직류 전압 변환을 실행하도록 구성된 제2 DC/DC 컨버터와,
    상기 상용 교류 전원 및 상기 출력 단자 사이에 접속되며, 상기 상용 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된 컨버터와,
    제1 전류 지령값에 따른 전류를 상기 태양 전지로부터 상기 출력 단자에 흘리도록 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된 제1 제어부와,
    제2 전류 지령값에 따른 전류를 상기 전력 저장 장치 및 상기 출력 단자 사이에 흘리도록 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된 제2 제어부와,
    상기 상용 교류 전원으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시, 상기 출력 단자의 전압이 참조 전압이 되도록 상기 컨버터를 제어하도록 구성된 제3 제어부를 포함하고,
    상기 제1 제어부는, 최대 전력점 추종 제어에서 상기 태양 전지의 출력 전압이 최적 동작 전압이 될 때의 출력 전류와, 상기 태양 전지로부터 상기 직류 부하의 소비 전류 및 상기 전력 저장 장치의 충전 전류를 출력하기 위한 출력 전류 중 최솟값에 기초하여 상기 제1 전류 지령값을 생성하도록 구성되고,
    상기 제2 제어부는, 상기 출력 단자의 전압이 상기 참조 전압이 되도록 상기 제2 전류 지령값을 생성하도록 구성되는 무정전 전원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부는, 상기 출력 단자의 전압이 상기 참조 전압보다도 높은 제1 상한 전압을 초과한 경우에 상기 제1 전류 지령값을 감소시키도록 구성되는 무정전 전원 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제어부는, 상기 출력 단자의 전압이 상기 참조 전압보다도 높은 제1 상한 전압을 초과한 경우에 상기 제2 전류 지령값을 감소시키도록 구성되는 무정전 전원 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 DC/DC 컨버터는, 상기 태양 전지에서 생성된 직류 전력의 잉여 전력을 상기 전력 저장 장치에 충전하도록 구성되고,
    상기 제2 제어부는, 상기 전력 저장 장치의 충전 중에 있어서, 상기 전력 저장 장치의 단자간 전압이 상기 참조 전압보다도 낮은 제2 상한 전압을 초과한 경우에 상기 제2 전류 지령값을 감소시키도록 구성되는 무정전 전원 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 제어부는, 상기 태양 전지의 발전 정지 시, 상기 출력 단자의 전압이 상기 참조 전압이 되도록 상기 제2 전류 지령값을 생성하고, 또한, 상기 전력 저장 장치의 잔류 용량이 하한 용량 이하가 된 경우에 상기 전력 저장 장치의 방전을 정지하도록 구성되고,
    상기 제3 제어부는, 상기 태양 전지의 발전 정지 시, 상기 전력 저장 장치의 방전이 정지된 후, 상기 출력 단자의 전압이 상기 참조 전압이 되도록 상기 컨버터를 제어하도록 구성되는 무정전 전원 시스템.
  6. 직류 부하에 직류 전력을 공급하기 위한 무정전 전원 장치이며,
    상기 무정전 전원 장치는,
    상기 직류 부하에 접속되는 출력 단자와,
    태양광의 에너지를 직류 전력으로 변환하는 태양 전지 및 상기 출력 단자 사이에서 직류 전압 변환을 실행하도록 구성된 제1 DC/DC 컨버터와,
    직류 전력을 축적하는 전력 저장 장치 및 상기 출력 단자 사이에서 직류 전압 변환을 실행하도록 구성된 제2 DC/DC 컨버터와,
    상용 교류 전원 및 상기 출력 단자 사이에 접속되며, 상기 상용 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된 컨버터와,
    제1 전류 지령값에 따른 전류를 상기 태양 전지로부터 상기 출력 단자에 흘리도록 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된 제1 제어부와,
    제2 전류 지령값에 따른 전류를 상기 전력 저장 장치 및 상기 출력 단자 사이에 흘리도록 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된 제2 제어부와,
    상기 상용 교류 전원으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시, 상기 출력 단자의 전압이 참조 전압이 되도록 상기 컨버터를 제어하도록 구성된 제3 제어부를 구비하고,
    상기 제1 제어부는, 최대 전력점 추종 제어에서 상기 태양 전지의 출력 전압이 최적 동작 전압이 될 때의 출력 전류와, 상기 태양 전지로부터 상기 직류 부하의 소비 전류 및 상기 전력 저장 장치의 충전 전류를 출력하기 위한 출력 전류 중 최솟값에 기초하여 상기 제1 전류 지령값을 생성하도록 구성되고,
    상기 제2 제어부는, 상기 출력 단자의 전압이 상기 참조 전압이 되도록 상기 제2 전류 지령값을 생성하도록 구성되는 무정전 전원 장치.
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