KR20220145892A - 무정전 전원 시스템 - Google Patents

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KR20220145892A
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유키 야마시타
도모히로 다나카
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도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
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Abstract

복수의 UPS(5)는, 교류 전원(1) 및 부하(2)의 사이에 병렬 접속된다. UPS(5)는, 교류 전원(1) 및 교류 노드(7a)의 사이에 접속되는 제 1 스위치(S1)를 포함한다. 제어 장치(6)는, 교류 전원(1)의 건전 시에는 복수의 UPS(5)를 제 1 급전 모드로 설정하고, 교류 전원(1)의 정전 시에는 복수의 UPS(5)를 제 2 급전 모드로 설정한다. 제 1 급전 모드 시, 제어 장치(6)는, 제 1 스위치(S1)를 온하고, 또한, 교류 노드(7a)로부터 교류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 전력 변환 장치를 제어한다. 제 2 급전 모드 시, 제어 장치(6)는, 제 1 스위치(S1)를 오프하고, 또한, 전력 저장 장치(13)로부터 직류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 전력 변환 장치를 제어한다. 제 2 급전 모드 시에 교류 전원(1)이 복전한 경우에는, 제어 장치(6)는, 복수의 UPS(5)에 각각 대응하는 복수의 상기 제 1 스위치(S1)를 순차적으로 턴온하는 것에 의해, 복수의 UPS(5)를 순차적으로 제 1 급전 모드로 전환한다.

Description

무정전 전원 시스템
본 발명은, 무정전 전원 시스템에 관한 것이다.
컴퓨터 시스템 등의 중요 부하에 교류 전력을 안정적으로 공급하기 위한 전원 장치로서, 무정전 전원 장치가 널리 이용되고 있다. 예를 들면 일본특허공개평성 제10-257692호 공보(특허문헌 1)에 개시되는 바와 같이, 무정전 전원 장치는 일반적으로, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터 및, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터를 구비한다.
상용 교류 전원의 건전 시에는 컨버터는 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 배터리 등의 전력 저장 장치를 충전하면서 인버터에 직류 전력을 공급한다. 인버터는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급한다. 상용 교류 전원이 정전한 경우에는, 전력 저장 장치로부터의 전력이 인버터에 공급되는 것에 의해, 인버터는 부하에 대한 교류 전력의 공급을 계속한다.
특허문헌 1에 기재된 무정전 전원 장치는, 정전 발생 후에 상용 교류 전원이 복전했을 때에, 상용 교류 전원이 전압 강하 등에 의해 급격하게 변화하는 것을 억제하기 위해서, 컨버터에 입력되는 교류 입력 전압을 소정의 상승 시간을 들여 완만하게 상승시키는, 소프트 스타트(soft start)를 실행하도록 구성되어 있다. 특허문헌 1에서는, 교류 입력 전압을 서서히 상승시키는 것과 동시에, 배터리의 방전 전류를 서서히 작게 하도록 컨버터를 제어하는 것에 의해, 부하에 공급되는 전류를 일정값으로 유지할 수 있다.
[특허문헌 1] 일본특허공개평성 제10-257692호 공보
무정전 전원 장치에는, 컨버터에 대해서, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 인버터에 공급하는 교류 급전 기능과, 배터리의 직류 전력을 인버터에 공급하는 배터리 급전 기능을 갖게 한 것이 존재한다. 이런 종류의 무정전 전원 장치에서는, 상용 교류 전원의 정전 유무에 따라, 교류 급전 기능 및 배터리 급전 기능 중 어느 한쪽의 기능을 선택적으로 행하도록 컨버터를 제어하도록 구성된다.
이와 같이 교류 급전 기능 및 배터리 급전 기능에 컨버터를 겸용하는 구성으로 하는 것에 의해, 필터 및 반도체 모듈 등의 부품을 소형화할 수 있다. 그러나, 교류 급전 기능과 배터리 급전 기능을 병행하여 행할 수 없기 때문에, 상용 교류 전원의 복전 시에 있어서, 교류 입력 전압을 서서히 상승시키면서, 배터리의 방전 전류를 서서히 작게 하도록 컨버터를 제어할 수 없다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 무정전 전원 장치의 구성에 관계없이, 교류 전원의 복전 시에 있어서의 소프트 스타트를 실현할 수 있는 무정전 전원 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 임의의 국면에서는, 무정전 전원 시스템은, 교류 전원 및 부하의 사이에 병렬 접속된 복수의 무정전 전원 장치와, 복수의 무정전 전원 장치를 제어하는 제어 장치를 구비한다. 복수의 무정전 전원 장치의 각각은, 교류 전원 및 교류 노드의 사이에 접속되는 제 1 스위치와, 교류 노드 및 전력 저장 장치 중 어느 한쪽으로부터 선택적으로 전력을 받아 교류 전력을 생성하여 부하에 공급하도록 구성된 전력 변환 장치를 포함한다. 제어 장치는, 교류 전원의 건전 시에는 복수의 무정전 전원 장치를 제 1 급전 모드로 설정하고, 교류 전원의 정전 시에는 복수의 무정전 전원 장치를 제 2 급전 모드로 설정한다. 제 1 급전 모드 시, 제어 장치는, 제 1 스위치를 온하고, 또한, 교류 노드로부터 교류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 전력 변환 장치를 제어한다. 제 2 급전 모드 시, 제어 장치는, 제 1 스위치를 오프하고, 또한, 전력 저장 장치로부터 직류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 전력 변환 장치를 제어한다. 제 2 급전 모드 시에 교류 전원이 복전한 경우에는, 제어 장치는, 복수의 무정전 전원 장치에 각각 대응하는 복수의 상기 제 1 스위치를 순차적으로 턴온하는 것에 의해, 복수의 무정전 전원 장치를 순차적으로 제 1 급전 모드로 전환한다.
본 발명에 의하면, 무정전 전원 장치의 구성에 관계없이, 교류 전원의 복전 시에 있어서의 소프트 스타트를 실현할 수 있는 무정전 전원 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시의 형태에 따른 무정전 전원 시스템의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 무정전 전원 시스템의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 컨버터의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 AC 급전 모드(제 1 급전 모드)를 나타내는 회로 블럭도이다.
도 5는 배터리 급전 모드(제 2 급전 모드)를 나타내는 회로 블럭도이다.
도 6은 상용 교류 전원이 복전한 경우의 UPS의 기본적인 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 7은 상용 교류 전원의 복전 시에 있어서의 무정전 전원 시스템의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 8은 도 1에 나타낸 UPS의 다른 구성예를 나타내는 블럭도이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 원칙적으로 반복하지 않는다.
(무정전 전원 시스템의 구성)
도 1은, 실시의 형태에 따른 무정전 전원 시스템의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 1을 참조하여, 실시의 형태에 따른 무정전 전원 시스템(100)은, 상용 교류 전원(1)으로부터 공급되는 상용 주파수의 교류 전력을 부하(2)에 공급한다. 상용 교류 전원(1)은, 삼상 교류 전원이라도 단상 교류 전원이라도 좋다.
무정전 전원 시스템(100)은, 복수의 무정전 전원 장치(UPS:Uninterrupted Power Supply)(51~5N)(N는 2 이상의 정수)와, 전압 검출기(3)와, 전류 검출기(4)와, 제어 장치(6)를 구비한다.
복수의 UPS(51~5N)는, 상용 교류 전원(1) 및 부하(2)의 사이에 병렬로 접속된다. 본 실시의 형태에서는, 복수의 UPS(51~5N)를 동일 용량으로 한다. 복수의 UPS(51~5N)의 용량은 달라도 좋다. 이하의 설명에서는 UPS(51~5N)를 총칭하여 UPS(5)라고도 한다. 또, UPS의 개수 N는 2 이상이면 좋고, 부하(2)에 따라 임의의 값으로 설정할 수 있다.
전압 검출기(3)는, 상용 교류 전원(1)으로부터 공급되는 교류 입력 전압 Vi의 순간값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Vi를 제어 장치(6)에 부여한다. 전류 검출기(4)는, UPS(5)로부터 부하(2)에 흐르는 교류 출력 전류 Io를 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Io를 제어 장치(6)에 부여한다.
제어 장치(6)는, 예를 들면 마이크로컴퓨터 등으로 구성할 수 있다. 일례로서, 제어 장치(6)는, 도시하지 않는 메모리 및 CPU(Central Processing Unit)를 내장하고, 메모리에 미리 저장된 프로그램을 CPU가 실행하는 것에 의한 소프트웨어 처리에 의해, 후술하는 제어 동작을 실행할 수 있다. 또는, 당해 제어 동작의 일부 또는 전부에 대해, 소프트웨어 처리를 대신하여, 내장된 전용 전자 회로 등을 이용한 하드웨어 처리에 의해 실현하는 것도 가능하다.
제어 장치(6)는, 교류 입력 전압 Vi 및 교류 출력 전류 Io 등에 근거하여, UPS(51~5N)를 제어한다. 구체적으로는, 제어 장치(6)는, 교류 입력 전압 Vi의 검출값에 근거하여, 상용 교류 전원(1)의 정전이 발생했는지 여부를 검출한다. 또, 제어 장치(6)는, 교류 입력 전압 Vi의 위상에 동기하여 UPS(5)를 제어한다.
도 2는, 도 1에 나타낸 UPS(5)의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, UPS(5)는, 교류 입력 단자 T1, 배터리 단자 T2, 교류 출력 단자 T3, 컨버터(7), 직류 라인(8), 콘덴서(9), 강압 초퍼(10), 인버터(11), 스위치 S1, S2 및, 제어부(12)를 구비한다. 컨버터(7), 직류 라인(8), 콘덴서(9), 강압 초퍼(10) 및 인버터(11)는 「전력 변환 장치」를 구성한다.
교류 입력 단자 T1은, 상용 교류 전원(1)으로부터 상용 주파수의 교류 전력을 받는다. 배터리 단자 T2는, 배터리(13)에 접속된다. 배터리(13)는 직류 전력을 저장하는 「전력 저장 장치」의 하나의 실시예에 대응한다. 배터리(13) 대신에 콘덴서가 접속되어 있어도 좋다. UPS(5)마다 개별적으로 배터리(13)를 접속하는 구성으로 해도 좋고, 복수의 UPS(51~5N)에 배터리(13)를 공통으로 접속하는 구성으로 해도 좋다. 교류 출력 단자 T3은, 부하(2)에 접속된다. 부하(2)는 복수의 UPS(51~5N)로부터 공급되는 상용 주파수의 교류 전력에 의해 구동된다.
컨버터(7), 직류 라인(8) 및 인버터(11)는, 교류 입력 단자 T1과 교류 출력 단자 T3 사이에 직렬 접속된다. 콘덴서(9)는, 직류 라인(8)에 접속되고, 직류 라인(8)의 직류 전압을 평활화시킨다. 강압 초퍼(10)는, 배터리 단자 T2와 직류 라인(8) 사이에 접속된다.
스위치 S1의 제 1 단자는 교류 입력 단자 T1에 접속되고, 스위치 S1의 제 2 단자는 컨버터(7)의 교류 노드(7a)에 접속된다. 스위치 S2의 제 1 단자는 배터리 단자 T2에 접속되고, 스위치 S2의 제 2 단자는 컨버터(7)의 직류 노드(7b)에 접속된다. 스위치 S1은 「제 1 스위치」의 하나의 실시예에 대응하고, 스위치 S2는 「제 2 스위치」의 하나의 실시예에 대응한다. 스위치 S1 및 S2의 온(도통)/오프(비도통)는, 제어 장치(6)에 의해 제어된다.
또, 실제의 UPS(5)에서는, 스위치 S1의 제 2 단자와 컨버터(7)의 교류 노드(7a) 사이에 입력 필터가 마련되고, 인버터(11)와 교류 출력 단자 T3 사이에 출력 필터가 마련되지만, 도면 및 설명의 간단화를 위해 입력 필터 및 출력 필터의 도시는 생략되어 있다. 입력 필터 및 출력 필터의 각각은 리액터 및 콘덴서를 포함하는 저역 통과 필터이며, 상용 주파수의 전류를 통과시켜, 스위칭 주파수의 전류를 차단한다.
상용 교류 전원(1)으로부터 공급되는 교류 입력 전압 Vi의 순간값 및 교류 입력 단자 T1에 흐르는 교류 입력 전류 Ii의 순간값은, 제어부(12)에 의해 검출된다. 부하(2)에 공급되는 교류 출력 전압 Vo의 순간값 및 교류 출력 전류 Io의 순간값은, 제어부(12)에 의해 검출된다. 직류 라인(8)의 직류 전압 VDC의 순간값은, 제어부(12)에 의해 검출된다. 배터리(13)의 단자간 전압 VB의 순간값은, 제어부(12)에 의해 검출된다.
제어부(12)는, 교류 입력 전압 Vi, 직류 전압 VDC, 단자간 전압 VB 및 교류 출력 전압 Vo 등에 근거하여, 컨버터(7), 인버터(11) 및 강압 초퍼(10)의 각각을 제어한다.
컨버터(7)는, 제어부(12)에 의해 제어되고, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인(8)에 출력한다. 도 3은, 도 2에 나타낸 컨버터(7)의 구성예를 나타내는 회로도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 컨버터(7)는, 예를 들면 승압형의 고역률 컨버터이며, 정류기(71)와, 역률 개선(PFC:Power Factor Correction) 회로(72)를 갖는다.
정류기(71)는, 다이오드 D1, D2를 갖는 전파 정류형의 다이오드 정류기이다. 정류기(71)는, 교류 노드(7a)에 입력되는 교류 전압을 정류하여 직류 라인(8)(직류 정모선 PL, 직류 부모선 NL)에 출력한다. 정류기(71)는, 사이리스터 정류기여도 좋다.
PFC 회로(72)는, 반도체 스위칭 소자 Q1, Q2와, 리액터 L1, L2와, 다이오드 D3, D4와, 콘덴서 C1, C2를 갖는다. 반도체 스위칭 소자 Q1, Q2로서는, 예를 들면 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 적용된다. 리액터 L1, 반도체 스위칭 소자 Q1 및 다이오드 D3은 승압 회로를 구성한다. 리액터 L2, 반도체 스위칭 소자 Q2 및 다이오드 D4는 승압 회로를 구성한다.
컨버터(7)는, 다이오드 D5, D6, D7을 더 갖는다. 배터리(13)는, 스위치 S2 및 다이오드 D5, D6, D7을 거쳐 PFC 회로(72)에 접속된다. 스위치 S2가 온되면, 배터리(13)의 단자간 전압 VB가 PFC 회로(72)에 입력된다.
상용 교류 전원(1)으로부터 교류 전력이 정상적으로 공급되고 있는 경우(상용 교류 전원(1)의 건전 시)에 있어서, 스위치 S1이 온되고 있을 때는, 컨버터(7)는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인(8)(직류 정모선 PL 및 직류 부모선 NL)에 출력한다. 이 때, 직류 라인(8)의 직류 전압 VDC가 참조 직류 전압 VDCr로 되도록, 컨버터(7)가 제어된다.
한편, 상용 교류 전원(1)의 정전 시에 있어서, 스위치 S2가 온되고 있을 때는, 컨버터(7)는, 배터리(13)의 단자간 전압 VB를 승압하여 직류 라인(8)에 부여하는 승압 동작을 행한다. 즉, 컨버터(7)는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인(8)에 출력하는 동작과, 배터리(13)의 단자간 전압 VB를 승압하여 직류 라인(8)에 출력하는 동작 중 어느 하나의 동작을 선택적으로 행한다.
도 2로 돌아와서, 강압 초퍼(10)는, 제어부(12)에 의해 제어되고, 상용 교류 전원(1)의 정전 시에 있어서 직류 라인(8)의 직류 전압 VDC를 강압하여 배터리(13)에 부여하는 강압 동작을 행한다. 이것에 의해 배터리(13)에 직류 전력을 저장할 수 있다. 강압 초퍼(10)는, 복수의 세트의 IGBT 및 다이오드와 리액터를 포함하는 주지의 것이다.
인버터(11)는, 제어부(12)에 의해 제어되고, 컨버터(7)로부터 직류 라인(8)을 거쳐 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환하여 부하(2)에 공급한다. 인버터(11)는, 복수의 세트의 IGBT 및 다이오드를 포함하는 주지의 것이다.
(무정전 전원 시스템의 동작)
다음에, 실시의 형태에 따른 무정전 전원 시스템(100)의 동작을 설명한다.
실시의 형태에 따른 무정전 전원 시스템(100)은, 동작 모드로서, 교류(AC) 급전 모드와, 배터리 급전 모드를 갖는다. 제어 장치(6)는, 상용 교류 전원(1)의 정전의 유무에 근거하여, AC 급전 모드 및 배터리 급전 모드 중 어느 하나의 동작 모드를 선택하고, 선택한 동작 모드를 실행한다. AC 급전 모드는 「제 1 급전 모드」에 대응하고, 배터리 급전 모드는 「제 2 급전 모드」에 대응한다.
도 4는, AC 급전 모드(제 1 급전 모드)를 나타내는 회로 블럭도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 상용 교류 전원(1)의 건전 시에는, 제어 장치(6)는, AC 급전 모드를 선택한다. AC 급전 모드를 선택한 경우에는, 제어 장치(6)는, 상용 교류 전원(1)으로부터 스위치 S1을 거쳐 컨버터(7)에 교류 전력이 공급되도록 스위치 S1을 온시킨다. 또, 제어 장치(6)는, 스위치 S2를 오프시킨다.
UPS(5)에 있어서, 제어부(12)는, 상용 교류 전원(1)으로부터 스위치 S1을 거쳐 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 컨버터(7)를 제어한다. 또, 제어부(12)는, 컨버터(7)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(2)에 공급하도록 인버터(11)를 제어한다. 제어부(12)는 컨버터(7)로부터의 직류 전력을 배터리(13)에 저장하도록 강압 초퍼(10)를 더 제어한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 상용 교류 전원(1)의 출력 전력을 Pac로 하고, 인버터(11)의 출력 전력을 Po로 하면, AC 급전 모드 시, 출력 전력 Po는 기본적으로 출력 전력 Pac와 동일해진다.
도 5는, 배터리 급전 모드(제 2 급전 모드)를 나타내는 회로 블럭도이다. AC 급전 모드를 실행하고 있는 경우에 있어서 상용 교류 전원(1)의 정전이 발생한 경우에는, 제어 장치(6)는, 배터리 급전 모드를 선택한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 배터리 급전 모드를 선택한 경우에는, 제어 장치(6)는, 배터리(13)로부터 스위치 S2를 거쳐 컨버터(7)에 직류 전력이 공급되도록 스위치 S2를 온시킨다. 또, 제어 장치(6)는, 스위치 S1을 오프시킨다.
UPS(5)에 있어서, 제어부(12)는, 배터리(13)로부터 스위치 S2를 거쳐 공급되는 직류 전력을 승압하여 인버터(11)에 공급하도록 컨버터(7)를 제어한다. 또, 제어부(12)는, 컨버터(7)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(2)에 공급하도록 인버터(11)를 제어한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 배터리(13)의 출력 전력을 Pb로 하면, 배터리 급전 모드 시, 출력 전력 Po는 출력 전력 Pb와 동일해진다.
배터리 급전 모드를 실행하고 있는 경우에 있어서 상용 교류 전원(1)이 복전했을 때에는, 제어 장치(6)는 AC 급전 모드를 선택한다. AC 급전 모드를 선택한 경우에는, 제어 장치(6)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 다시 스위치 S1을 온시키는 것과 동시에, 다시 스위치 S2를 오프시킨다. 도 6은, 상용 교류 전원(1)이 복전한 경우의 UPS(5)의 기본적인 동작을 나타내는 타이밍 차트이다. 도 6의 세로축은 배터리(13)의 출력 전력 Pb 및 상용 교류 전원(1)의 출력 전력 Pac를 나타내고, 가로축은 시간을 나타내고 있다. 출력 전력 Pb, Pac의 각각은, 1개의 UPS(5)에 있어서의 인버터(11)의 출력 전력 Po를 100%로 하고 있다. 또, 인버터(11)의 출력 전력 Po는, 부하(2)의 소비 전력 Pl을 UPS(5)의 개수 N으로 나눈 것과 동일하다(Po=Pl/N).
도 6에 있어서, 시각 tA는 상용 교류 전원(1)에 정전이 발생하고 있는 타이밍이다. 시각 t0는 상용 교류 전원(1)이 복전한 타이밍이다. 시각 tB는 상용 교류 전원(1)이 건전인 타이밍이다.
USP(5)는, 시각 t0보다 전의 기간(상용 교류 전원(1)의 정전 시)에, 배터리 급전 모드로 설정되어 있다. 배터리 급전 모드 시, 제어 장치(6)는, UPS(5)의 스위치 S1을 오프시키는 것과 동시에, 스위치 S2를 온시킨다.
시각 t0에서 상용 교류 전원(1)이 복전하면, UPS(5)는 배터리 급전 모드로부터 AC 급전 모드로 전환된다. 시각 t0에 있어서, 제어 장치(6)는, 스위치 S1을 턴온시키는 것과 동시에, 스위치 S2를 턴오프시킨다. 이것에 의해, 시각 t0보다 후의 기간(상용 교류 전원(1)의 건전 시)에, UPS(5)는 AC 급전 모드로 설정된다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 상용 교류 전원(1)의 복전시(시각 t0)에 있어서 스위치 S1을 턴온시킨 경우에는, 교류 입력 전압 Vi의 상승에 의해 돌입 전류가 흐르는 것에 의해, 상용 교류 전원(1)에 대해서 전압 변동 등의 영향을 주는 경우가 있다. 그 결과, 상용 교류 전원(1)에 접속되는 다른 부하(도시하지 않음)에 혼란을 발생시키는 것이 염려된다.
또, 복전 시에 있어서의 상용 교류 전원에 대한 영향을 억제하기 위해서, 종래의 UPS에서는, 컨버터의 교류 입력 전압의 상승을 완만하게 하는, 소프트 스타트 제어가 채용되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 상용 교류 전원의 복전 시에 있어서, 컨버터의 교류 입력 전압을 소정의 전압 상승 시간(dVi/dt)에 걸쳐 완만하게 상승시키도록, 컨버터를 제어한다. 교류 입력 전압을 서서히 상승시키는 것에 의해, 컨버터의 교류 입력 전류도 서서히 상승시킬 수 있다.
특허문헌 1에서는 또한, 컨버터의 교류 입력 전류를 서서히 크게 하고, 또한, 배터리의 방전 전류를 서서히 작게 하는 것에 의해, 부하에 공급하는 전류(즉, 인버터 출력 전류)를 일정값으로 유지하고 있다. 이것에 의해, 상용 교류 전원이 복전한 경우에 있어서, 부하의 운전을 안정적으로 계속할 수 있다.
그러나, 도 3에 나타낸 UPS(5)의 구성예에서는, 강압 초퍼(10)는 배터리(13)의 충전만을 행할 수 있고, 배터리(13)를 방전시킬 수 없다. 또한, 컨버터(7)는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환 동작(도 4 참조)과, 배터리(13)의 단자간 전압 VB를 승압하여 직류 라인(8)에 부여하는 방전 동작(도 5 참조) 중 어느 한쪽을 선택하여 실행하는 것이 가능해지고 있다.
이와 같이, UPS(5)는, 컨버터(7)를, 상용 교류 전원(1)으로부터의 급전(AC 급전) 및, 배터리(13)로부터의 급전(배터리 급전)에 겸용하도록 구성되기 때문에, AC 급전과 배터리 급전을 병행하여 행할 수 없다. 그 때문에, UPS(5)는, 종래의 UPS와 같이, 컨버터(7)의 교류 입력 전압을 서서히 상승시키면서, 배터리(13)의 방전 전류를 서서히 작게 할 수 없다. 따라서, 상용 교류 전원(1)의 복전 시에 UPS(5)를 소프트 스타트시키는 것이 곤란해지고 있다.
그래서, 본 실시의 형태에 따른 무정전 전원 시스템(100)은, 복수의 UPS(51~5N)를 병렬 접속하는 구성을 채용하는 것과 동시에, 상용 교류 전원(1)의 복전 시에는, 이들 복수의 UPS(51~5N)를 순차적으로 AC 급전 모드로 전환한다. 이것에 의해, 무정전 전원 시스템(100) 전체에서 소프트 스타트를 실현한다.
도 7은, 상용 교류 전원(1)의 복전 시에 있어서의 무정전 전원 시스템(100)의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다. 도 7의 세로축은 각 UPS(5)에 있어서의 배터리(13)의 출력 전력 Pb 및 상용 교류 전원(1)의 출력 전력 Pac와, 무정전 전원 시스템(100) 전체에 있어서의 출력 전력 Pb의 합계값 Pb_total 및 출력 전력 Pac의 합계값 Pac_total을 나타내고, 가로축은 시간을 나타내고 있다.
출력 전력 Pb, Pac의 각각은, 1개의 UPS(5)에 있어서의 인버터(11)의 출력 전력 Po를 100%로 하고 있다. 인버터(11)의 출력 전력 Po는, 부하(2)의 소비 전력 Pl을 UPS(5)의 개수 N으로 나눈 것과 동일하다(Po=Pl/N). 한편, 출력 전력 Pb_total, Pac_total의 각각은, 부하(2)의 소비 전력 Pl을 100%로 하고 있다.
도 7에 있어서, 시각 t1은 상용 교류 전원(1)이 복전한 타이밍이다. 즉, 시각 t1보다 전의 기간, 복수의 UPS(51~5N)는 모두 배터리 급전 모드로 설정되어 있다. 즉, 각 UPS(5)에 있어서, 스위치 S1은 오프되고, 스위치 S2는 온되어 있다(도 5 참조). 출력 전력 Pb_total는, 복수의 UPS(51~5N)의 출력 전력 Pb를 합계한 것과 동일하고, 또한, 소비 전력 Pl과 동일하다.
시각 t1에서 상용 교류 전원(1)이 복전하면, 제어 장치(6)는, 복수의 UPS(51~5N)를 순차적으로 AC 급전 모드로 전환한다. 구체적으로는, 제어 장치(6)는, 복수의 스위치 S1을 순차적으로 턴온시키는 것과 동시에, 복수의 스위치 S2를 순차적으로 턴오프시킨다.
도 7의 예에서는, 제어 장치(6)는, 최초로 제 1 UPS(51)의 스위치 S1을 턴온시키고, 또한, 스위치 S2를 턴오프시킨다. 이 때, 제어 장치(6)는, 나머지의 (N-1)개의 UPS(52~5N)에 대해서는, 스위치 S1을 오프로 유지하고, 스위치 S2를 온으로 유지한다. 이것에 의해, 시각 t1에서는, 제 1 UPS(51)만이 AC 급전 모드로 전환된다.
시각 t1에서 제 1 UPS(51)가 AC 급전 모드로 전환된 것에 의해, 출력 전력 Pb_total는 출력 전력 Pb만큼 감소하고, 출력 전력 Pac_total은 출력 전력 Pac만큼 증가한다. 다만, Pb=Pac=Po이기 때문에, 무정전 전원 시스템(100)으로부터 부하(2)에 공급되는 전력은 일정값으로 유지되고 있다.
다음에, 시각 t1로부터 소정 시간 Δt가 경과한 시각 t2에서, 제어 장치(6)는, 제 2 UPS(52)의 스위치 S1을 턴온시키고, 또한, 스위치 S2를 턴오프시킨다. 이 때, 제어 장치(6)는, 나머지의 (N-2)개의 UPS(53~5N)에 대해서는, 스위치 S1을 오프로 유지하고, 스위치 S2를 온으로 유지한다. 이것에 의해, 시각 t2에서는, 제 2 UPS(52)만이 AC 급전 모드로 전환된다. 그 결과, 제 1 UPS(51) 및 제 2 UPS(52)가 AC 급전 모드를 실행하고, 제 3~제 N UPS(53~5N)가 바이패스 급전 모드를 실행하게 된다.
시각 t2에서 제 2 UPS(52)가 AC 급전 모드로 전환된 것에 의해, 출력 전력 Pb_total는 출력 전력 Pb만큼 더 감소하고, 출력 전력 Pac_total는 출력 전력 Pac만큼 더 증가한다. 다만, Pb=Pac=Po이기 때문에, 무정전 전원 시스템(100)으로부터 부하(2)에 공급되는 전력은 일정값으로 유지되고 있다.
제어 장치(6)는, 시각 t2로부터 소정 시간 Δt가 경과한 시각 t3부터 시각 tN까지의 기간에, 나머지의 (N-2)개의 UPS(53~5N)를 순차적으로 AC 급전 모드로 전환한다. UPS(5)가 AC 급전 모드로 전환될 때마다 출력 전력 Pb_total가 출력 전력 Pb만큼 감소하고, 출력 전력 Pac_total가 출력 전력 Pac만큼 증가한다. 다만, Pb=Pac=Po이기 때문에, 무정전 전원 시스템(100)으로부터 부하(2)에 공급되는 전력은 일정값으로 유지되고 있다.
시각 tN에서 제 N UPS(5N)가 AC 급전 모드로 전환되면, 복수의 UPS(51~5N)는 모두 AC 급전 모드로 설정된다. 출력 전력 Pac_total는, 복수의 UPS(51~5N)의 출력 전력 Pac를 합계한 것과 동일하고, 또한, 소비 전력 Pl과 동일하다.
이와 같이 제어 장치(6)는, 복수의 UPS(51~5N)의 스위치 S1을 순차적으로 턴온하고, 또한 스위치 S2를 순차적으로 턴오프하는 것에 의해, 복수의 UPS(51~5N)를 순차적으로 AC 급전 모드로 전환한다. 이에 따르면, 무정전 전원 시스템(100) 전체에서는, 상용 교류 전원(1)의 복전 시에 있어서 배터리 급전으로부터 AC 급전으로 완만하게 전환되게 된다. 시각 t1 이후, 복수의 UPS(51~5N)가 순차적으로 AC 급전 모드로 전환되는 것에 따라, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 입력 전압 Vi 및 교류 입력 전류 Ii가 서서히 상승하는 소프트 스타트가 실현된다. 따라서, 복전 시에 있어서의 상용 교류 전원(1)에 대한 영향을 억제할 수 있다. 또, 교류 입력 전압 Vi 및 교류 입력 전류 Ii가 서서히 상승하고, 또한, 배터리(13)의 방전 전류가 서서히 작아지기 때문에, 복전 시에 있어서도 부하(2)에 일정 전력을 계속 공급할 수 있다.
또, 도 7에서는, 복수의 UPS(51~5N)를 1개씩 순차적으로 AC 급전 모드로 전환하는 구성에 대해 설명했지만, 복수의 UPS(51~5N)를, 각각이 1 또는 복수의 UPS로 이루어지는 복수의 그룹으로 분할하고, 그룹 단위로 순차적으로 AC 급전 모드로 전환하는 구성으로 해도 좋다.
또, 도 7에서는, 일정한 시간차(소정 시간 Δt)로 복수의 UPS(51~5N)를 차례로 AC 급전 모드로 전환하는 구성에 대해 설명했지만, 반드시 시간차 Δt는 일정하지 않아도 좋다.
(그 외의 구성예)
상술한 실시의 형태에서는, AC 급전 및 배터리 급전에 컨버터(7)를 겸용하도록 구성된 UPS(5)를 설명했지만, 본 발명은 AC 급전 및 배터리 급전을 컨버터 및 초퍼에서 서로 독립적으로 실행하도록 구성된 UPS에도 적용 가능하다. 도 8은, 도 1에 나타낸 UPS(5)의 다른 구성예를 나타내는 블럭도이다. 본 변경예에 따른 UPS(5)는, 도 2에 나타낸 UPS(5)에서 스위치 S2(제 2 스위치)를 제외하고, 또한, 컨버터(7) 및 강압 초퍼(10)를, 컨버터(7A) 및 쌍방향 초퍼(10A)로 각각 치환한 것이다. 컨버터(7A), 직류 라인(8), 콘덴서(9), 쌍방향 초퍼(10A) 및 인버터(11)는 「전력 변환 장치」를 구성한다.
컨버터(7A)는, 제어부(12)에 의해 제어되고, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인(8)에 출력한다. 컨버터(7A)는, 예를 들면 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터이다. 컨버터(7)는 복수의 세트의 IGBT 및 다이오드를 포함하는 주지의 것이다.
상용 교류 전원(1)의 건전 시에 있어서, 스위치 S1이 온되고 있을 때는, 컨버터(7)는, 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인(8)에 출력한다. 이 때, 직류 라인(8)의 직류 전압 VDC가 참조 직류 전압 VDCr로 되도록, 컨버터(7)가 제어된다. 한편, 상용 교류 전원(1)의 정전 시에는, 제어부(12)는, 컨버터(7)의 운전을 정지시킨다.
쌍방향 초퍼(10A)는, 제어부(12)에 의해 제어되고, 직류 라인(8)과 배터리(13) 사이에 직류 전력을 주고 받는다. 쌍방향 초퍼(10A)는, 복수의 세트의 IGBT 및 다이오드와, 리액터를 포함하는 주지의 것이다. 쌍방향 초퍼(10A)는, 직류 라인(8)의 직류 전압 VDC를 강압하여 배터리(13)에 부여하는 강압 동작과, 배터리(13)의 단자간 전압 VB를 승압하여 직류 라인(8)에 부여하는 승압 동작 중 어느 하나의 동작을 선택적으로 행한다.
상용 교류 전원(1)의 건전 시에는, 쌍방향 초퍼(10A)는, 배터리(13)의 단자간 전압 VB가 참조 배터리 전압 VBr로 되도록 직류 라인(8)으로부터 배터리(13)에 직류 전력을 공급한다. 한편, 상용 교류 전원(1)의 정전 시에는, 쌍방향 초퍼(10A)는, 직류 라인(8)의 직류 전압 VDC가 참조 직류 전압 VDCr로 되도록, 배터리(13)로부터 직류 라인(8)에 직류 전력을 공급한다. 이것에 의해, 인버터(11)의 출력 전력 Po에 상당하는 직류 전력이 배터리(13)만으로부터 공급된다.
본 변경예에 따른 UPS(5)에 의하면, 컨버터(7A)에 의해 AC 급전이 실행되고, 쌍방향 초퍼(10A)에 의해 배터리 급전이 실행된다. 따라서, 종래의 UPS와 마찬가지로, 제어부(12)는, 상용 교류 전원(1)의 복전 시에는, 컨버터(7A)의 교류 입력 전류를 서서히 크게 하고, 또한, 배터리(13)의 방전 전류를 서서히 작게 하도록 제어하는 것에 의해 소프트 스타트를 실현할 수 있다.
그러나, 본 실시의 형태에 따른 무정전 전원 시스템(100)에 의하면, 상용 교류 전원(1)에 대해서 병렬 접속되는 복수의 UPS(51~5N)를 순차적으로 AC 급전 모드로 전환하는 구성으로 하는 것에 의해, 각 UPS(5)가 종래의 소프트 스타트 제어를 행할 필요가 없고, 무정전 전원 시스템(100) 전체에서 소프트 스타트를 실현할 수 있다.
구체적으로는, 제어 장치(6)는, 복수의 UPS(51~5N)의 사이에서, 스위치 S1을 턴온하는 타이밍에 차이를 마련하는 것으로, 복수의 UPS(51~5N)를 차례로 AC 급전 모드로 전환한다. 각 UPS(5)에서는, 제어부(12)는, 스위치 S1이 턴온되면, 쌍방향 초퍼(10A)에 있어서의 승압 동작을 정지시킨다. 이에 따르면, 도 7의 타이밍 차트와 마찬가지로, 출력 전력 Pac_total를 서서히 크게 하고, 또한, 출력 전력 Pb_total를 서서히 작게 할 수 있다.
이번에 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 상용 교류 전원 2 : 부하
5, 51~5N : UPS 7 : 컨버터
8 : 직류 라인 9 : 콘덴서
10 : 강압 초퍼 10A : 쌍방향 초퍼
11 : 인버터 12 : 제어부
13 : 배터리(전력 저장 장치) 100 : 무정전 전원 시스템
S1 : 스위치(제 1 스위치) S2 : 스위치(제 2 스위치)

Claims (4)

  1. 교류 전원 및 부하의 사이에 병렬 접속된 복수의 무정전 전원 장치와,
    상기 복수의 무정전 전원 장치를 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 복수의 무정전 전원 장치의 각각은,
    상기 교류 전원 및 교류 노드의 사이에 접속되는 제 1 스위치와,
    상기 교류 노드 및 전력 저장 장치 중 어느 한쪽으로부터 선택적으로 전력을 받아 교류 전력을 생성하여 상기 부하에 공급하도록 구성된 전력 변환 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 교류 전원의 건전 시에는 상기 복수의 무정전 전원 장치를 제 1 급전 모드로 설정하고, 상기 교류 전원의 정전 시에는 상기 복수의 무정전 전원 장치를 제 2 급전 모드로 설정하고,
    상기 제 1 급전 모드 시, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 스위치를 온하고, 또한, 상기 교류 노드로부터 교류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 상기 전력 변환 장치를 제어하고,
    상기 제 2 급전 모드 시, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 스위치를 오프하고, 또한, 상기 전력 저장 장치로부터 직류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 상기 전력 변환 장치를 제어하고,
    상기 제 2 급전 모드 시에 상기 교류 전원이 복전한 경우에는, 상기 제어 장치는, 상기 복수의 무정전 전원 장치에 각각 대응하는 복수의 상기 제 1 스위치를 순차적으로 턴온하는 것에 의해, 상기 복수의 무정전 전원 장치를 순차적으로 상기 제 1 급전 모드로 전환하는
    무정전 전원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는,
    상기 교류 노드와, 상기 전력 저장 장치로부터의 직류 전력을 받는 직류 노드를 갖고, 상기 교류 노드 및 상기 직류 노드 중 어느 한쪽으로부터 선택적으로 전력을 받아 직류 전력을 생성하는 컨버터와,
    상기 컨버터로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 부하에 공급하는 인버터와,
    상기 전력 저장 장치 및 상기 직류 노드의 사이에 접속되는 제 2 스위치를 포함하고,
    상기 제 1 급전 모드 시, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 스위치를 온하고, 또한, 상기 제 2 스위치를 오프하고,
    상기 제 2 급전 모드 시, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 스위치를 오프하고, 또한, 상기 제 2 스위치를 온하고,
    상기 제 2 급전 모드 시에 상기 교류 전원이 복전한 경우에는, 상기 제어 장치는, 상기 복수의 제 1 스위치를 순차적으로 턴온하고, 또한, 상기 복수의 무정전 전원 장치에 각각 대응하는 복수의 상기 제 2 스위치를 순차적으로 턴오프하는 것에 의해, 상기 복수의 무정전 전원 장치를 순차적으로 상기 제 1 급전 모드로 전환하는
    무정전 전원 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 교류 노드로부터의 교류 전력을 받는 정류기와,
    상기 정류기의 출력을 받는 역률 개선 회로를 갖고 있고,
    상기 전력 저장 장치는, 상기 제 2 스위치를 거쳐 상기 역률 개선 회로에 접속되는
    무정전 전원 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는,
    상기 교류 노드로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와,
    상기 컨버터 및 상기 전력 저장 장치로부터 선택적으로 직류 전력을 받아 교류 전력으로 변환하는 인버터와,
    상기 인버터와 상기 전력 저장 장치 사이에 직류 전력을 주고받는 쌍방향 초퍼를 포함하고,
    상기 제 1 급전 모드 시, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 스위치를 온하고, 또한, 상기 교류 노드로부터 교류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 상기 컨버터 및 상기 인버터를 제어하고,
    상기 제 2 급전 모드 시, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 스위치를 오프하고, 또한, 상기 전력 저장 장치로부터 직류 전력을 받아 교류 전력을 생성하도록 상기 쌍방향 초퍼 및 상기 인버터를 제어하는
    무정전 전원 시스템.
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