KR20230034412A - 무정전 전원 장치 - Google Patents

Abstract

쌍방향 초퍼(5)는, 컨버터(3)에 의해 생성되는 직류 전력의 일부를 축전 장치(22)에 저장하는 충전 동작과, 축전 장치(22)의 직류 전력을 인버터(8)에 공급하는 방전 동작을 선택적으로 실행한다. 제어 회로는, 전력 계통(20)의 정전 시에, 방전 동작을 실행하도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다. 제어 회로는, 전력 계통(20)의 건전 시에는, 주파수 검출기에 의해 검출된 계통 주파수에 근거하여 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다. 제어 회로는, 계통 주파수의 상승에 대응하여 충전 동작을 실행하는 한편, 계통 주파수의 저하에 대응하여 방전 동작을 실행하도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다.

Description

무정전 전원 장치

본 개시는, 무정전 전원 장치에 관한 것이다.

근년, 대규모 데이터 센터의 운용을 계속하기 위해서, 무정전 전원 장치의 대용량화가 진행되고 있다. 대용량의 무정전 전원 장치에 있어서는, 정전 보상용의 백업 전원으로서, 대용량의 축전 장치가 채용되고 있다. 이러한 축전 장치로서, 예를 들면, 대용량의 리튬 이온 전지가 이용된다.

한편, 무정전 전원 장치가 접속되는 전력 계통에 있어서는, 근년, 재생 가능 에너지의 도입이 진행됨에 따라, 태양광 발전 장치로 대표되는 분산형 전원이 다수 접속되도록 되어 있다(예를 들면, 일본 특개 2019－161939호 공보(특허 문헌 1) 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특개 2019－161939호 공보

전력 계통에 있어서는, 발전 전력과 수요 전력(부하 소비 전력)이 균형을 이루고 있는 경우, 계통 주파수는 일정하게 유지된다. 발전 전력과 수요 전력의 불균형이 생기면, 계통 주파수의 변동이 일어난다. 계통 주파수가 변동하면, 수요자의 전기 기기의 운전에 영향을 줄 뿐만 아니라, 전력 계통의 정전을 일으킬 가능성이 있다.

한편, 분산형 전원의 출력은, 기상 조건, 시간대 및 계절 등의 환경 요인에 크게 좌우된다. 그 때문에, 전력 계통에 있어서 분산형 전원의 도입 비율이 높아짐에 따라, 발전 전력의 변동이 커져, 계통 주파수의 변동을 증대시키는 것이 염려된다.

상술한 무정전 전원 장치는, 전력 계통의 정전 보상을 위해서, 축전 장치에 저장된 직류 전력을 사용하도록 구성되어 있다. 그 때문에, 전력 계통의 건전 시에는 축전 장치의 직류 전력이 사용되지 않아, 대용량의 축전 장치가 활용되고 있다고는 말하기 어렵다.

본 개시는, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 된 것으로, 본 개시의 목적은, 전력 계통의 주파수 변동을 보상하는 것이 가능한 무정전 전원 장치를 제공하는 것이다.

본 개시의 일 태양에 따른 무정전 전원 장치는, 전력 계통 및 부하 사이에 접속되는 전력 변환 장치와, 전력 계통 상의 교류 전압의 주파수인 계통 주파수를 검출하는 주파수 검출기와, 전력 변환 장치를 제어하는 제어 장치를 구비한다. 전력 변환 장치는, 컨버터와, 인버터와, 쌍방향 초퍼를 포함한다. 컨버터는, 전력 계통으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 인버터는, 컨버터 또는 축전 장치로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급한다. 쌍방향 초퍼는, 컨버터에 의해 생성되는 직류 전력의 일부를 축전 장치에 저장하는 충전 동작과, 축전 장치의 직류 전력을 인버터에 공급하는 방전 동작을 선택적으로 실행한다. 제어 장치는, 쌍방향 초퍼를 제어하는 제어 회로를 포함한다. 제어 회로는, 전력 계통의 정전 시에, 방전 동작을 실행하도록 쌍방향 초퍼를 제어한다. 제어 회로는, 전력 계통의 건전 시에는, 검출된 계통 주파수에 근거하여 쌍방향 초퍼를 제어한다. 제어 회로는, 계통 주파수의 상승에 대응하여 충전 동작을 실행하는 한편, 계통 주파수의 저하에 대응하여 방전 동작을 실행하도록 쌍방향 초퍼를 제어한다.

본 개시에 의하면, 전력 계통의 주파수 변동을 보상하는 것이 가능한 무정전 전원 장치를 제공할 수가 있다.

도 1은 본 실시의 형태에 따른 무정전 전원 장치가 적용되는 전력 계통의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시의 형태에 따른 무정전 전원 장치의 구성예를 나타내는 회로 블럭도이다.
도 3은 제어 장치의 하드웨어 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 주파수 변화량을 설명하는 도면이다.
도 5는 무정전 전원 장치에 의한 주파수 보상을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 무정전 전원 장치에 의한 주파수 보상을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 쌍방향 초퍼의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 8은 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 9는 도 8에 나타낸 주파수 보상부, 충전 제어부 및 방전 제어부의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 10은 배터리의 SOC로 설정된 판정값을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 8에 나타낸 PWM 제어부의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 12는 쌍방향 초퍼의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 본 실시의 형태에 따른 무정전 전원 장치가 적용되는 전력 계통의 변경예를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 개시의 실시의 형태에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하에서는, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 그 설명은 원칙적으로 반복되지 않는 것으로 한다.

도 1은, 본 실시의 형태에 따른 무정전 전원 장치(UPS：Uninterruptible　Power　Supply)가 적용되는 전력 계통의 구성예를 나타내는 도면이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시의 형태에 따른 UPS(100)는, 상용 교류 전원(21) 및 송전선(24)을 포함하는 전력 계통(20)에 접속된다. 송전선(24)에는, 분산형 전원(26)을 계통 연계하기 위한 PCS(파워 콘디셔너)(25)가 접속된다.

분산형 전원(26)은, 자연 에너지를 직류 전력으로 변환한다. 자연 에너지는, 예를 들면, 태양광, 풍력, 조력, 지열 등으로, 재생 가능 에너지라고도 불린다. PCS(25)는, 송전선(24)의 교류 전압에 동기하여 동작하고, 분산형 전원(26)에 의해 생성되는 직류 전력을 교류 전력 Pd로 변환하여 송전선(24)에 공급한다.

UPS(100)는, 송전선(24)과 부하(23) 사이에 접속되고, 전력 계통(20)으로부터 공급되는 계통 주파수 f의 교류 전력에 의해 구동된다. UPS(100)는, 전력 변환 장치(1), 제어 장치(31), 및 주파수 검출기(30)를 구비한다.

전력 변환 장치(1)는, 제어 장치(31)에 의해 제어되고, 전력 계통(20)으로부터 교류 전력이 정상으로 공급되고 있는 경우(전력 계통(20)의 건전 시)에는, 전력 계통(20)으로부터 공급되는 교류 전력 Ps를 이용하여, 계통 주파수 f의 교류 전력을 생성하여 부하(23)에 공급한다. 전력 변환 장치(1)는 또한, 교류 전력의 Ps의 일부를 직류 전력으로 변환하여 배터리(22)에 저장한다.

전력 계통(20)의 정전이 발생했을 때에는, 전력 변환 장치(1)는, 배터리(22)의 직류 전력을 계통 주파수 f의 교류 전력으로 변환하여 부하(23)에 공급한다. 배터리(22)는 「축전 장치」의 일 실시예에 대응한다. 배터리(22)로는, 예를 들면 리튬 이온 전지가 이용된다.

주파수 검출기(30)는, 송전선(24) 상의 교류 전압 파형으로부터 해당 전압의 주파수인 계통 주파수 f를 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(31)에게 준다.

도 2는, 본 실시의 형태에 따른 UPS(100)의 구성예를 나타내는 회로 블럭도이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, UPS(100)는, 전류 검출기(2), (6), (9), 컨버터(3), 직류 라인 L1~L3, 콘덴서 C1, C2, 11, 제어 회로(4), (7), (14), 쌍방향 초퍼(5), 인버터(8), 리액터(10), 및 전자기 접촉기(12), (13)를 구비한다. 컨버터(3), 직류 라인 L1~L3, 콘덴서 C1, C2, 11, 쌍방향 초퍼(5), 인버터(8), 리액터(10), 및 전자기 접촉기(12), (13)는 전력 변환 장치(1)(도 1)를 구성한다. 제어 회로(4), (7), (14)는 제어 장치(31)(도 1)를 구성한다.

UPS(100)는, 전력 계통(20)으로부터 공급되는 계통 주파수 f의 교류 전력에 의해 구동된다. 전력 계통(20)으로부터의 공급되는 교류 입력 전압 Vi의 순시값은, 제어 회로(4), (7)에 의해 검출된다. 전류 검출기(2)는, 전력 계통(20)으로부터 컨버터(3)로 흐르는 교류 입력 전류 Ii를 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Iif를 제어 회로(4)에게 준다.

컨버터(3)는, 제어 회로(4)에 의해 제어되고, 전력 계통(20)의 건전 시에는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인 L1, L2, L3에 출력한다. 전력 계통(20)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 경우(전력 계통(20)의 정전 시)에는, 컨버터(3)의 운전은 정지된다.

컨버터(3)는, 전력 계통(20)의 건전 시에는, 전력 계통(20)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi에 근거하여 3 레벨의 직류 전압 Vdc1, Vdc2, Vdc3을 생성하고, 직류 전압 Vdc1~Vdc3을 각각 직류 라인 L1~L3에 출력한다. 직류 전압 Vdc1은 양 전압이고, 직류 전압 Vdc2는 음 전압이며, 직류 전압 Vdc3은 접지 전압(0V)이다. VDC1=Vdc1－Vdc3이고, VDC2=Vdc3－Vdc2이며, VDC1=VDC2이다. Vdc1－Vdc2=VDC로 하면, VDC1＋VDC2=VDC이다.

콘덴서 C1은, 직류 라인 L1, L3 간에 접속되고, 직류 라인 L1, L3 간의 직류 전압 VDC1을 평활화시킨다. 콘덴서 C2는, 직류 라인 L3, L2 간에 접속되고, 직류 라인 L2, L3 간의 직류 전압 VDC2를 평활화시킨다. 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC의 순시값은, 제어 회로(4)에 의해 검출된다.

제어 회로(4)는, 교류 입력 전압 Vi의 검출값에 근거하여 전력 계통(20)의 정전이 발생했는지 여부를 검출한다. 전력 계통(20)의 건전 시에는, 제어 회로(4)는, 교류 입력 전압 Vi, 교류 입력 전류 Ii 및 직류 전압 VDC에 근거하여, 직류 전압 VDC가 소정의 참조 직류 전압 VDCr(예를 들면, 660V)이 되도록 컨버터(3)를 제어한다. 전력 계통(20)의 정전 시에는, 제어 회로(4)는, 컨버터(3)의 운전을 정지시킨다.

직류 라인 L1, L2, L3은, 인버터(8)에 접속됨과 아울러, 쌍방향 초퍼(5)의 고전압 측 노드(5a), (5b), (5c)에 각각 접속된다. 쌍방향 초퍼(5)의 저전압 측 노드(5d), (5e)는, 각각 배터리(22)의 양극 및 음극에 접속된다. 배터리(22)는, 직류 전력을 저장한다.

쌍방향 초퍼(5)는, 제어 회로(7)에 의해 제어된다. 쌍방향 초퍼(5)는, 전력 계통(20)의 건전 시에는, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력을 배터리(22)에 저장한다. 전력 계통(20)의 정전이 발생했을 때에는, 쌍방향 초퍼(5)는, 배터리(22)의 직류 전력을, 직류 라인 L1~L3을 통하여 인버터(8)에 공급한다. 쌍방향 초퍼(5)는, 배터리(22)에 직류 전력을 저장하는 충전 동작과, 배터리(22)의 직류 전력을 인버터(8)에 공급하는 방전 동작을 선택적으로 실행 가능하게 구성되어 있다.

직류 라인 L1, L3 간의 직류 전압 VDC의 순시값은, 제어 회로(7)에 의해 검출된다. 직류 라인 L1, L3 간의 직류 전압 VDC1의 순시값과, 직류 라인 L3, L2 간의 직류 전압 VDC2의 순시값을 가산하여, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC의 순시값을 구해도 상관없다.

전류 검출기(6)는, 쌍방향 초퍼(5)의 저전압 측 노드(5d)와 배터리(22)의 양극 사이에 흐르는 직류 전류 Ib를 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Ibf를 제어 회로(7)에게 준다. 배터리(22)의 단자 간 전압(이하, 「배터리 전압」이라고도 칭한다) VB의 순시값은, 제어 회로(7)에 의해 검출된다.

제어 회로(7)는, 직류 전압 VDC, 직류 전류 Ib, 배터리 전압 VB 및 계통 주파수 f에 근거하여, 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다. 제어 회로(7)는, 교류 입력 전압 Vi의 검출값에 근거하여 전력 계통(20)의 정전이 발생했는지 여부를 검출한다.

제어 회로(7)는, 전력 계통(20)의 건전 시에는, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력이 배터리(22)에 저장되고, 또한, 배터리 전압 VB가 소정의 참조 직류 전압 VBr(예를 들면, 480V)이 되도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다. 또, 제어 회로(7)는, 전력 계통(20)의 정전이 발생한 것에 응하여, 배터리(22)의 직류 전력이 인버터(8)에 공급되고, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC가 소정의 참조 직류 전압 VDCr(예를 들면, 660V)이 되도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다.

인버터(8)는, 제어 회로(14)에 의해 제어되고, 컨버터(3) 또는 쌍방향 초퍼(5)로부터 직류 라인 L1~L3을 통하여 공급되는 직류 전력을 계통 주파수 f의 교류 전력으로 변환하고, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 응하여, 배터리(22)로부터 쌍방향 초퍼(5)를 통하여 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 인버터(8)의 교류 출력 전압은, 소망하는 값으로 제어 가능하게 되어 있다.

이때, 인버터(8)는, 직류 라인 L1~L3의 직류 전압 Vdc1~Vdc3에 근거하여, 교류 출력 전압 Vo를 생성한다. 제어 회로(14)는, 교류 출력 전압 Vo 및 교류 출력 전류 Io에 근거하여, 교류 출력 전압 Vo가 소정의 참조 교류 전압 Vor이 되도록 인버터(8)를 제어한다.

인버터(8)의 출력 노드는 리액터(10)의 제 1 단자에 접속되고, 리액터(10)의 제 2 단자(노드 N1)는 전자기 접촉기(12)를 통하여 부하(23)에 접속된다. 콘덴서(11)는, 노드 N1과 직류 라인 L3 사이에 접속된다. 부하(23)의 접지 단자(23a)는, 직류 라인 L3에 접속된다.

리액터(10) 및 콘덴서(11)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 인버터(8)에서 생성된 계통 주파수 f의 교류 전력을 부하(23)에 통과시키고, 인버터(8)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호가 부하(23)를 통과하는 것을 방지한다.

전류 검출기(9)는, 인버터(8)의 출력 전류 Io의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Iof를 제어 회로(14)에게 준다. 노드 N1에 흐르는 교류 출력 전압 Vo의 순시값은, 제어 회로(14)에 의해 검출된다. 제어 회로(14)는, 교류 출력 전압 Vo 및 교류 출력 전류 Io에 근거하여, 교류 출력 전압 Vo가 소정의 참조 교류 전압 Vor이 되도록 인버터(8)를 제어한다.

전자기 접촉기(12)는, 인버터(8)에 의해 생성된 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 인버터 급전 모드 시에 온되고, 전력 계통(20)으로부터의 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 바이패스 급전 모드 시에는 오프된다.

전자기 접촉기(13)는, 전력 계통(20)과 부하(23) 사이에 접속되고, 인버터 급전 모드 시에 오프되고, 바이패스 급전 모드 시에는 온된다. 또, 인버터 급전 모드 시에 있어서 인버터(8)가 고장난 경우에는, 전자기 접촉기(13)가 온됨과 아울러 전자기 접촉기(12)가 오프되고, 전력 계통(20)으로부터의 교류 전력이 부하(23)에 공급된다.

도 3은, 제어 장치(31)의 하드웨어 구성예를 나타내는 블럭도이다. 대표적으로는, 제어 장치(31)는, 소정의 프로그램이 미리 기억된 마이크로 컴퓨터에 의해 구성될 수가 있다.

도 3의 예에서는, 제어 장치(31)는, CPU(Central　Processing　Unit)(200)과, 메모리(202)와, 입출력(I/O) 회로(204)를 포함한다. CPU(200), 메모리(202) 및 I/O 회로(204)는, 버스(206)를 경유하여, 서로 데이터의 수수가 가능하다. 메모리(202)의 일부 영역에는 프로그램이 저장되어 있고, CPU(200)가 해당 프로그램을 실행하는 것으로, 후술하는 각종 기능을 실현할 수가 있다. I/O 회로(204)는, 제어 장치(31)의 외부와의 사이에서 신호 및 데이터를 입출력한다.

혹은, 도 3의 예와는 달리, 제어 장치(31)의 적어도 일부에 대해서는, FPGA(Field　Programmable　Gate　Array) 또는 ASIC(Application　Specific　Integrated　Circuit) 등의 회로를 이용하여 구성할 수가 있다. 또, 제어 장치(31)의 적어도 일부에 대해, 아날로그 회로에 의해 구성할 수도 있다.

도 1로 돌아와, 전력 계통(20)에 있어서는, 발전 전력과 수요 전력(부하 소비 전력)이 균형을 이루고 있는 경우, 계통 주파수 f는 일정 주파수(이하, 「기준 주파수 fr」이라고도 칭한다)로 유지된다. 기준 주파수 fr은, 예를 들면, 공칭값인 50［Hz］또는 60［Hz］에 대응한 설정값이다.

그렇지만, 발전 전력과 수요 전력의 불균형이 생기면, 계통 주파수 f의 변동이 일어난다. 구체적으로는, 발전 전력이 수요 전력보다 커지면(즉, 발전 과다로 되면), 계통 주파수 f는 상승한다. 발전 전력이 수요 전력보다 작아지면(즉, 수요 과다로 되면), 계통 주파수 f는 저하한다. 계통 주파수 f가 변동하는 것에 의해, 수요자의 전기 기기의 운전에 영향을 줄 뿐만 아니라, 전력 계통(20)의 정전을 일으킬 가능성이 있다.

전력 계통(20)에는, 상용 교류 전원(21)으로부터의 전력에 더하여, PCS(25)로부터 교류 전력 Pd가 공급된다. 다만, 분산형 전원(26)의 출력은 환경 요인에 크게 좌우된다. 예를 들면, 분산형 전원(26)이 태양광 발전 장치 또는 풍력 발전 장치인 경우에는, 기후 등의 기상 조건, 시간대 및 계절 등에 의해 출력이 변동한다. 그 때문에, 분산형 전원(26)의 도입 비율이 높아짐에 따라, 전력 계통(20)에 있어서의 발전 전력의 변동이 커진다.

또한, 발전소에 이용되는 터빈 발전기는 주파수를 유지하려고 하는 힘(관성력)을 가지고 있지만, 분산형 전원(26)은 관성력을 가지고 있지 않다. 그 때문에, 분산형 전원(26)의 도입 비율이 높아지면, 터빈 발전기의 관성력에 의해 주파수 변동을 보상하지 못하고, 전력 계통(20)의 정전으로 연결될 가능성이 높아진다.

도 4는, 계통 주파수 f의 변화를 나타내는 주파수 변화량 Δf를 설명하는 도면이다.

도 4의 종축에는, 주파수 변화량 Δf가, 주파수 상승 방향을 양 방향으로 하고, 주파수 저하 방향을 음 방향으로 하여 나타난다. 주파수 변화량 Δf는, 기준 주파수 fr에 대한 현재의 계통 주파수 f의 편차로서 산출할 수가 있다. 도 4의 횡축에는, 수요 전력과 발전 전력의 차분을 나타내는 차분 전력 ΔP가, 수요 전력이 발전 전력을 상회하는 수요 과다를 양 값, 발전 전력이 수요 전력을 상회하는 발전 과다를 음 값으로서 나타난다(ΔP=수요 전력-발전 전력).

도 4에 나타내는 바와 같이, ΔP=0인 때, 즉, 수요 전력과 발전 전력이 균형을 이루고 있을 때에는, Δf=0이 된다. 수요 과다(ΔP＞0)의 경우에는 Δf＜0이 되고, 발전 과다(ΔP＜0)의 경우에는 Δf＞0이 된다.

도 4의 예에서는, Δf와 ΔP는 비례 관계를 가지고 있다. 이 비례 관계를 나타내는 직선의 기울기는, 전력 계통(20)의 특성에 따라 정해진다. 도 4의 예에서는 직선의 기울기가 일정하지만, 전력 계통의 특성에 따라서는, ΔP의 크기에 따라 직선의 기울기가 변화하는 경우가 있다.

전력 계통(20)이 수요 과다(ΔP＞0)인 경우에는, 발전 전력을 ΔP 상당 분 늘리거나, 혹은, 수요 전력을 ΔP 상당 분 줄이는 것에 의해 ΔP=0이 되고, 결과적으로 Δf=0으로 할 수가 있다. 한편, 전력 계통(20)이 발전 과다(ΔP＜0)인 경우에는, 발전 전력을 ΔP 상당 분 줄이거나, 혹은, 수요 전력을 ΔP 상당 분 늘리는 것에 의해 ΔP=0이 되고, 결과적으로 Δf=0으로 할 수가 있다.

도 1에 나타내는 전력 계통(20)에 있어서, UPS(100)는, 전력 계통(20)의 건전 시에, 전력 계통(20)으로부터 공급되는 교류 전력 Ps를 이용하여 계통 주파수 f의 교류 전력을 생성하여 부하(23)에 공급함과 아울러, 교류 전력 Ps의 일부를 직류 전력으로 변환하여 배터리(22)에 저장한다. 전력 계통(20)의 정전이 발생했을 때에는, UPS(100)는, 배터리(22)에 저장된 직류 전력을 이용하여 계통 주파수 f의 교류 전력을 생성하여 부하(23)에 공급한다.

이와 같이 UPS(100)는, 전력 계통(20)의 정전 보상을 위해서, 배터리(22)에 저장된 직류 전력을 사용하도록 구성되어 있다. 그 때문에, 전력 계통(20)의 건전 시에는 배터리(22)의 직류 전력이 사용되지 않아, 배터리(22)가 활용되고 있다고는 말하기 어렵다.

이러한 과제에 대해서, 본 실시의 형태에 따른 UPS(100)는, 전력 계통(20)의 건전 시, 배터리(22)를 이용하여 계통 주파수 f의 변동을 보상하도록 구성된다. 구체적으로는, UPS(100)는, 전력 계통(20)에 있어서의 발전 전력의 변동에 따라, ΔP=0이 되도록 수요 전력을 조정하는 것에 의해, 계통 주파수 f의 변동을 보상한다. 도 5 및 도 6은, UPS(100)에 의한 주파수 보상을 개념적으로 나타내는 도면이다.

도 5에는, 전력 계통(20)이 수요 과다(ΔP＞0)인 경우에 있어서의 주파수 보상이 나타나 있다. 도 5 중의 화살표는, 전력 계통(20)으로부터 UPS(100)에 공급되는 전력 Ps와, 배터리(22)로부터 UPS(100)에 공급되는 전력 Pb를 나타내고 있다. 즉, UPS(100)는, 전력 Ps와 전력 Pb를 가산한 전력을 부하(23)에 공급한다.

또한, 이하의 설명에서는, 배터리(22)의 양극으로부터 쌍방향 초퍼(5)의 저전압 측 노드(5d)를 향해 직류 전류 Ib가 흐르는 방향을 양 방향으로 하고, 배터리(22)의 직류 전력을 방전시키는 경우의 전력(방전 전력) Pb를 양 값로 한다. 한편, 쌍방향 초퍼(5)의 저전압 측 노드(5d)로부터 배터리(22)의 양극을 향해 직류 전류 Ib가 흐르는 방향을 음 방향으로 하고, 배터리(22)에 직류 전력을 충전시키는 경우의 전력(충전 전력) Pb를 음 값으로 한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 전력 계통(20)이 수요 과다(ΔP＞0)인 경우에는, 계통 주파수 f가 저하하기 때문에, 주파수 변화량 Δf＜0이 된다. 이 경우, 주파수 변화량 Δf에 대응하는 차분 전력 ΔP 상당 분의 수요 전력을 줄일 수가 있으면, 수요 과다를 해소하여, 계통 주파수 f의 저하를 보상할 수가 있다.

그래서, UPS(100)는, 배터리(22)로부터 차분 전력 ΔP 상당 분의 전력 Pb를 방전시키도록, 쌍방향 초퍼(5)를 동작시킨다. 배터리(22)의 방전 전력 Pb를 차분 전력 ΔP와 동일하게 하는 것에 의해, 전력 계통(20)으로부터 UPS(100)에 공급되는 전력 Ps를, 차분 전력 ΔP 상당 분 줄일 수가 있다. 그 결과, 전력 계통(20)의 수요 전력이 차분 전력 ΔP 상당 분 감소하여 발전 전력과 균형을 이루기 때문에, 계통 주파수 f의 저하가 보상된다.

도 6에는, 전력 계통(20)이 발전 과다(ΔP＜0)인 경우에 있어서의 주파수 보상이 나타나 있다. 도 6 중의 화살표는, 전력 계통(20)으로부터 UPS(100)에 공급되는 전력 Ps와, UPS(100)로부터 배터리(22)에 공급되는 전력(충전 전력) Pb를 나타내고 있다. 즉, 전력 Ps로부터 전력 Pb를 감산한 전력이 부하(23)에 공급된다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 전력 계통(20)이 발전 과다(ΔP＜0)인 경우에는, 계통 주파수 f가 상승하기 때문에, 주파수 변화량 Δf＞0이 된다. 이 경우, 차분 전력 ΔP 상당 분 수요 전력을 늘릴 수가 있으면, 발전 과다가 해소되어, 계통 주파수 f의 상승을 보상할 수가 있다.

그래서, UPS(100)는, 차분 전력 ΔP 상당 분의 전력 Pb를 배터리(22)에 충전하도록, 쌍방향 초퍼(5)를 동작시킨다. 배터리(22)의 충전 전력 Pb를 차분 전력 ΔP와 같게 하는 것에 의해, 전력 계통(20)으로부터 UPS(100)에 공급되는 전력 Ps를, 차분 전력 ΔP 상당 분 늘릴 수가 있다. 그 결과, 전력 계통(20)의 수요 전력이 차분 전력 ΔP 상당 분 증가하여 발전 전력과 균형을 이루기 때문에, 계통 주파수 f의 상승이 보상된다.

이와 같이 본 실시의 형태에 따른 UPS(100)는, 전력 계통(20)의 건전 시, 배터리(22)에 직류 전력을 충전하거나, 또는 배터리(22)로부터 직류 전력을 방전시키는 것에 의해 전력 계통(20)으로부터 UPS(100)에 공급되는 전력 Ps를 조정하는 것에 의해, 전력 계통(20)의 수요 전력을 조정하도록 구성된다. 따라서, UPS(100)가, 주파수 변화량 Δf로부터 산출되는 차분 전력 ΔP에 따라 배터리(22)를 충전 또는 방전시키는 것에 의해 전력 계통(20)의 수요 전력을 조정하는 것에 의해, 수요 전력과 발전 전력을 균형을 맞추게 하여 계통 주파수 f의 변동을 보상하는 것이 가능해진다.

이하, 본 실시의 형태에 따른 UPS(100)에 의한 주파수 보상에 대해 상세하게 설명한다. 주파수 보상은, 주로, 쌍방향 초퍼(5) 및 제어 회로(7)에 의해 실현된다.

도 7은, 쌍방향 초퍼(5)의 구성을 나타내는 회로도이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 쌍방향 초퍼(5)는, IGBT(Insulated　Gate　Bipolar　Transistor) Q1~Q4, 다이오드 D1~D4, 리액터 X1, X2, 및 콘덴서 C11, C12를 포함한다.

IGBT Q1의 콜렉터는 고전압 측 노드(5a)에 접속되고, 그 이미터는 리액터 X1을 통하여 저전압 측 노드(5d)에 접속됨과 아울러, IGBT Q2의 콜렉터에 접속된다. IGBT Q2의 이미터는, 고전압 측 노드(5c)에 접속되고, IGBT Q3의 콜렉터에 접속된다. IGBT Q3의 이미터는 리액터 X2를 통하여 저전압 측 노드(5e)에 접속됨과 아울러, IGBT Q4의 콜렉터에 접속된다. IGBT Q4의 이미터는, 고전압 측 노드(5b)에 접속된다.

다이오드 D1~D4는, 각각 IGBT Q1~Q4에 역병렬로 접속된다. 콘덴서 C11은, 고전압 측 노드(5a), (5c) 간에 접속되고, 고전압 측 노드(5a), (5c) 간의 직류 전압 VDC1을 안정화시킨다. 콘덴서 C12는, 고전압 측 노드(5c), (5b) 간에 접속되고, 고전압 측 노드(5c), (5b) 간의 직류 전압 VDC2를 안정화시킨다.

IGBT Q1 및 IGBT Q4는, 전력 계통(20)의 건전 시에 전력 계통(20)이 발전 과다(ΔP＜0)가 된 것에 응하여, 소정 주파수로 온 및 오프되고, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력을 배터리(22)에 저장한다. 전력 계통(20)이 발전 과다인 때에는, IGBT Q2, Q3은 오프 상태로 고정된다.

IGBT Q1, Q4는, 제어 회로(7)로부터의 게이트 신호 S1에 의해 제어된다. 게이트 신호 S1은, 소정 주파수로 교대로 H(논리 하이) 레벨 및 L(논리 로우) 레벨로 된다. 게이트 신호 S1이 H 레벨로 되면 IGBT Q1, Q4가 온하고, 게이트 신호 S1이 L 레벨로 되면 IGBT Q1, Q4가 오프한다.

IGBT Q1, Q4가 온되면, 직류 라인 L1로부터 IGBT Q1, 리액터 X1, 배터리(22), 리액터 X2 및 IGBT Q4를 통하여 직류 라인 L2에 이르는 경로에 전류 Ib가 흐르고, 배터리(22)가 충전됨과 아울러, 리액터 X1, X2에 전자기 에너지가 저장된다.

IGBT Q1, Q4가 오프되면, 리액터 X1의 제 1 단자(배터리(22) 측의 단자)로부터 배터리(22), 리액터 X2 및 다이오드 D3, D2를 통하여 리액터 X1의 제 2 단자에 이르는 경로에서 전류가 흐르고, 배터리(22)가 충전됨과 아울러, 리액터 X1, X2의 전자기 에너지가 방출된다.

게이트 신호 S1이 H 레벨로 되는 시간(펄스 폭)과 1 주기의 비는, 듀티비로 불린다. 게이트 신호 S1의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 배터리 전압 VB를 소정의 참조 직류 전압 VBr로 조정할 수가 있다. 또는, 게이트 신호 S1의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 배터리(22)에 충전되는 직류 전력(충전 전력) Pb를 소정의 참조 직류 전력 Pbr로 조정할 수가 있다. 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC=VDC1＋VDC2는 강압되어 배터리(22)에게 주어지고, VB＜VDC가 된다.

IGBT Q2 및 IGBT Q3은, 전력 계통(20)의 건전 시에 전력 계통(20)이 수요 과다(ΔP＞0)가 된 것, 또는, 전력 계통(20)의 정전이 발생한 것에 응하여, 소정 주파수로 온 및 오프되고, 배터리(22)의 직류 전력을 인버터(8)에 공급한다. 전력 계통(20)이 수요 과다 시, 또는 전력 계통(20)의 정전 시에는, IGBT Q1, Q4는 오프 상태로 고정된다.

IGBT Q2, Q3은, 제어 회로(7)로부터의 게이트 신호 S2에 의해 제어된다. 게이트 신호 S2는, 소정 주파수로 교대로 H 레벨 및 L 레벨로 된다. 게이트 신호 S2가 H 레벨로 되면 IGBT Q2, Q3이 온되고, 게이트 신호 S2가 L 레벨로 되면 IGBT Q2, Q3이 오프된다.

IGBT Q2, Q3이 온되면, 배터리(22)의 양극으로부터 리액터 X1, IGBT Q2, Q3 및 리액터 X2를 통하여 배터리(22)의 음극에 전류가 흐르고, 리액터 X1, X2에 전자기 에너지가 저장된다. IGBT Q2, Q3이 오프되면, 리액터 X1로부터 IGBT Q2에 흐르고 있던 전류가 리액터 X1로부터 다이오드 D1로 전류되고, 콘덴서 C11, C12, 다이오드 D4 및 리액터 X2를 통하여 배터리(22)의 음극에 흐르고, 콘덴서 C11, C12가 충전됨과 아울러, 리액터 X1, X2의 전자기 에너지가 방출된다.

게이트 신호 S2가 H 레벨로 되는 시간(펄스 폭)과 1 주기의 비는, 듀티비로 불린다. 게이트 신호 S2의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC=VDC1＋VDC2를 소정의 참조 직류 전압 VDCr로 조정할 수가 있다. 또는, 게이트 신호 S2의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 배터리(22)로부터 방전되는 직류 전력(방전 전력) Pb를 소정의 참조 직류 전력 Pbr로 조정할 수가 있다. 배터리 전압 VB는 승압되어 직류 라인 L1, L2 간에게 주어지고, VB＜VDC가 된다.

도 8은, 제어 회로(7)의 구성을 나타내는 블럭도이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 제어 회로(7)는, 전압 검출기(32), (34), (36), 주파수 보상부(70), 충전 제어부(72), 방전 제어부(74), SOC(State　Of　Charge) 산출부(76), 정전 검출기(78), 및 PWM(Pulse　Width　Modulation) 제어부(80)를 포함한다.

주파수 보상부(70)는, 주파수 검출기(30)에 의해 검출된 계통 주파수 f를 이용하여, 계통 주파수 f의 변화(상승 또는 저하)를 나타내는 주파수 변화량 Δf를 산출한다. 주파수 보상부(70)는, 미리 취득되어 있는 전력 계통(20)의 특성(도 4 참조)을 참조하는 것에 의해, 주파수 변화량 Δf에 근거하여, 전력 계통(20)에 있어서의 수요 전력과 발전 전력의 차분을 나타내는 차분 전력 ΔP를 산출한다. 주파수 보상부(70)는, 산출된 차분 전력 ΔP 상당 분의 직류 전력 Pb가 배터리(22)에 대해서 충전 또는 방전되도록 직류 전류 Ib를 제어하기 위한 전류 지령값 Ib*를 생성한다. 전류 지령값 Ib*는 PWM 제어부(80)에 입력된다.

전압 검출기(32)는, 배터리(22)의 단자 간 전압(배터리 전압) VB를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호 VBf를 출력한다. 전압 검출기(34)는, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호 VDCf를 출력한다. 전압 검출기(36)는, 교류 입력 전압 Vi를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호 Vif를 출력한다.

충전 제어부(72)는, 배터리 전압 VB의 목표 전압인 참조 직류 전압 VBr을 생성한다. 충전 제어부(72)는, 전압 검출기(32)의 출력 신호 VBf에 의해 나타나는 배터리 전압 VB에 근거하여, 배터리 전압 VB가 참조 직류 전압 VBr이 되도록 전압 지령값 VB*를 생성한다. 전압 지령값 VB*는 PWM 제어부(80)에 입력된다.

방전 제어부(74)는, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC의 목표 전압인 참조 직류 전압 VDCr을 생성한다. 방전 제어부(74)는, 전압 검출기(34)의 출력 신호 VDCf에 의해 나타나는 직류 전압 VDC에 근거하여, 직류 전압 VDC가 참조 직류 전압 VDCr이 되도록 전압 지령값 VDC*를 생성한다. 전압 지령값 VDC*는 PWM 제어부(80)에 입력된다.

SOC 산출부(76)는, 배터리 전압 VB의 검출값 및/또는 직류 전류 Ib의 검출값을 이용하여, 배터리(22)의 SOC를 산출한다. 배터리(22)의 SOC는, 배터리(22)의 축전량을 나타내는 값이며, 예를 들면, 배터리(22)의 만충전 용량에 대한 현재의 축전량을 백분율로 나타낸 것이다. SOC의 산출 방법에 대해서는, 직류 전류 Ib의 적산값을 이용하는 수법, 배터리(22)의 개회로 전압(OCV：Open　Circuit　Voltage)와 SOC의 관계를 나타내는 OCV－SOC 커브를 이용하는 수법 등, 공지의 수법을 이용할 수가 있다. SOC의 산출값을 나타내는 신호 SOCf는 PWM 제어부(80)에 입력된다.

정전 검출기(78)는, 전압 검출기(36)에 의한 교류 입력 전압 Vi의 검출값에 근거하여, 전력 계통(20)의 정전이 발생했는지 여부를 검출하고, 검출 결과를 나타내는 신호 DET를 출력한다. 교류 입력 전압 Vi가 미리 설정된 정상 범위 내인 경우에는, 정전 검출기(78)는, 전력 계통(20)이 건전하다라고 판정하고, L 레벨의 신호 DET를 출력한다. 교류 입력 전압 Vi가 정상 범위보다 낮은 경우에는, 정전 검출기(78)는, 전력 계통(20)의 정전이 발생하고 있다고 판정하고, H 레벨의 신호 DET를 출력한다. 정전 검출기(78)의 출력 신호 DET는 PWM 제어부(80)에게 주어진다.

도 9는, 도 8에 나타낸 주파수 보상부(70), 충전 제어부(72) 및 방전 제어부(74)의 구성예를 나타내는 블럭도이다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 주파수 보상부(70)는, 감산기(40), (46), 승산기(42), 제산기(44), 및 전류 제어부(48)를 가진다. 감산기(40)는, 주파수 검출기(30)에 의한 계통 주파수 f의 검출값으로부터 계통 주파수의 기준값(기준 주파수) fr을 감산하는 것에 의해, 주파수 변화량 Δf를 산출한다. 감산기(40)는, 「주파수 변화 산출부」의 일 실시예에 대응한다.

기준 주파수 fr은, 예를 들면, 공칭값인 50［Hz］또는 60［Hz］에 대응한 설정값이다. 계통 주파수 f의 상승 시에는, 주파수 변화량 Δf는 양의 극성을 갖고(Δf＞0), 계통 주파수 f의 저하 시에는, 주파수 변화량 Δf는 음의 극성을 가진다(Δf＜0). 또한, 주파수 변화량 Δf의 산출 방법은, 상술의 예로 한정되는 것은 아니다. 계통 주파수의 상승 및 저하를 나타낼 수가 있다면, 극성(양/음)의 정의의 변경을 포함하고, 임의의 수법에 의해 주파수 변화량 Δf를 산출하는 것이 가능하다.

승산기(42)는, 주파수 변화량 Δf에 보상 게인 K를 승산하는 것에 의해, 차분 전력 ΔP를 산출한다. 보상 게인 K는, 미리 취득되어 있는 전력 계통(20)의 특성(도 4 참조)에 근거하여 결정할 수가 있다. 도 4의 예에서는, Δf와 ΔP는 비례 관계를 가지므로, 해당 비례 관계를 나타내는 직선의 기울기에 근거하여, 보상 게인 K를 결정할 수가 있다. 승산기(42)는 「연산부」의 일 실시예에 대응한다.

또한, Δf와 ΔP의 관계는, 전력 계통마다 다르고, 도 4에 나타나는 것 같은 비례 관계로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, ΔP의 크기가 커질수록, Δf의 변화 레이트가 커지는 경향을 가지는 비선형의 관계가 되는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 해당 비선형의 관계를 참조하는 것에 의해, 주파수 변화량 Δf에 근거하여 차분 전력 ΔP를 산출할 수가 있다.

제산기(44)는, 차분 전력 ΔP를, 전압 검출기(32)의 출력 신호 VBf에 의해 나타나는 배터리 전압 VB로 제산하는 것에 의해, 직류 전류 Ib의 목표 전류인 참조 직류 전류 Ibr을 산출한다.

감산기(46)는, 참조 직류 전류 Ibr과, 전류 검출기(6)의 출력 신호 Ibf에 의해 나타나는 직류 전류 Ib의 편차 ΔIb=Ibr－Ib를 구한다. 전류 제어부(48)는, 편차 ΔIb에 비례한 값과 편차 ΔIb의 적분값을 가산하여 전류 지령값 Ib*를 생성한다.

충전 제어부(72)는, 참조 전압 생성부(50), 감산기(52) 및 전압 제어부(54)를 포함한다. 참조 전압 생성부(50)는, 배터리 전압 VB의 목표 전압인 참조 직류 전압 VBr을 생성한다. 예를 들면, 참조 전압 생성부(50)는, 배터리(22)의 OCV－SOC 커브에 있어서 SOC가 소정의 임계값 Sth가 될 때의 OCV에 대응하여, 참조 직류 전압 VBr을 설정한다.

감산기(52)는, 참조 직류 전압 VBr과, 전압 검출기(32)의 출력 신호 VBf에 의해 나타나는 배터리 전압 VB의 편차 ΔVB=VBr－VB를 구한다. 전압 제어부(54)는, 편차 ΔVB에 비례한 값과 편차 ΔVB의 적분값을 가산하여 전압 지령값 VB*를 생성한다.

충전 제어부(72)는, 참조 전압 생성부(60), 감산기(62) 및 전압 제어부(64)를 포함한다. 참조 전압 생성부(60)는, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC의 목표 전압인 참조 직류 전압 VDCr을 생성한다. 감산기(62)는, 참조 직류 전압 VDCr과, 전압 검출기(34)의 출력 신호 VDCf에 의해 나타나는 직류 전압 VDC의 편차 ΔVDC=VDCr－VDC를 구한다. 전압 제어부(64)는, 편차 ΔVDC에 비례한 값과 편차 ΔVDC의 적분값을 가산하여 전압 지령값 VDC*를 생성한다.

PWM 제어부(80)는, 정전 검출기(78)의 출력 신호 DET, SOC 산출부(76)의 출력 신호 SOCf, 및 주파수 변화량 Δf에 근거하여, 주파수 보상부(70)로부터의 전류 지령값 Ib*, 충전 제어부(72)로부터의 전압 지령값 VB* 및 방전 제어부(74)로부터의 전압 지령값 VDC* 중 어느 1개를 선택한다. PWM 제어부(80)는, 선택한 지령값과 소정 주파수의 반송파 신호 CW의 비교 결과에 근거하여, 게이트 신호 S1, S2를 생성한다.

구체적으로는, PWM 제어부(80)는, 정전 검출기(78)의 출력 신호 DET가 H 레벨인 경우(전력 계통(20)의 정전 시)에는, 방전 제어부(74)로부터의 전압 지령값 VDC*를 선택한다. PWM 제어부(80)는, 전압 지령값 VDC*와 반송파 신호 CW의 비교 결과에 근거하여 게이트 신호 S2를 생성함과 아울러, 게이트 신호 S1을 L 레벨로 고정한다.

한편, PWM 제어부(80)는, 정전 검출기(78)의 출력 신호 DET가 L 레벨인 경우(전력 계통(20)의 건전 시)에는, 주파수 변화량 Δf 및 SOC 산출부(76)의 출력 신호 SOCf에 의해 나타나는 배터리(22)의 SOC에 따라, 전류 지령값 Ib*, 전압 지령값 VB* 및 전압 지령값 VDC* 중 어느 1개를 선택한다.

여기서, UPS(100)에 있어서, 전력 계통(20)의 정전 시의 백업 전원으로서의 본래의 기능(정전 보상 기능)과, 상술한 주파수 보상 기능을 양립시키기 위해서, 배터리(22)의 SOC에는, 배터리(22)의 충전 및 방전 또한 주파수 보상을 행하기 위한 기준이 되는 판정값 Smin, Smax, Sth가 설정되어 있다. 도 10은, 배터리(22)의 SOC로 설정된 판정값을 설명하기 위한 도면이다. SOC=0%는 배터리(22)의 빈 상태에 대응하고, SOC=100%는 배터리(22)의 만충전 상태에 대응한다.

도 10에 나타내는 바와 같이, SOC에는, 과충전을 방지하기 위해서 배터리(22)의 충전을 금지하는 금지 영역과, 과방전을 방지하기 위한 배터리(22)의 방전을 금지하는 금지 영역이 설정되어 있다. SOC의 제어 범위는, 이들 금지 영역에 근거하여 설정된 상한값 Smax 및 하한값 Smin을 가지고 있다. SOC＞Smax가 되면 배터리(22)의 충전이 금지되고, SOC＜Smin가 되면 배터리(22)의 방전이 금지된다.

이 SOC의 제어 범위 내에 있어서, 배터리(22)의 충전량은, 임계값 Sth에 의해, 백업용 충전량과 주파수 보상용 충전량으로 구분된다. 정전 보상용 충전량이란, 전력 계통(20)의 정전이 발생했을 때에, 배터리(22)로부터 부하(23)에 대해서 소정 시간 이상 전력을 계속 공급하기 위해서 필요한 충전량이다. 부하(23)에 대한 정전 보상을 실현하기 위해서는, 전력 계통(20)의 건전 시에 있어서 SOC≥Sth를 유지할 필요가 있다.

주파수 보상용 충전량은, 계통 주파수 f의 저하를 보상하기 위해서 배터리(22)로부터 직류 전력을 방전시키거나, 또는, 계통 주파수 f의 상승을 보상하기 위해서 배터리(22)에 직류 전력을 충전하기 위해서 이용되는 충전량이다. Sth≤SOC≤Smax의 범위 내에서, 주파수 보상 기능이 실행된다. SOC＜Sth가 되면, 주파수 보상을 위한 배터리(22)의 방전이 금지된다. 이에 의해, 부하(23)에 대한 정전 보상이 지켜진다. 또, SOC＞Smax가 되면, 주파수 보상을 위한 배터리(22)의 충전이 금지된다.

PWM 제어부(80)는, SOC 산출부(76)의 출력 신호 SOCf에 의해 나타나는 배터리(22)의 SOC와 판정값 Smin, Smax, Smin을 비교하고, 비교 결과 및 주파수 변화량 Δf에 근거하여, 전류 지령값 Ib*, 전압 지령값 VB* 및 전압 지령값 VDC* 중 어느 1개를 선택한다.

도 11은, 도 8에 나타낸 PWM 제어부(80)의 구성예를 나타내는 블럭도이다.

도 11에 나타내는 바와 같이, PWM 제어부(80)는, 삼각파 발생기(81), 비교기(82)~(85), 셀렉터(86), 신호 출력 회로(87), 및 승산기(88)를 포함한다.

삼각파 발생기(81)는, 소정 주파수의 반송파 신호 CW를 생성한다. 반송파 신호 CW는, 예를 들면 삼각파 신호이다. 승산기(88)는, 반송파 신호 CW의 극성을 반전시킨다.

비교기(82)는, 충전 제어부(72)(도 8)로부터의 전압 지령값 VB*와 반송파 신호 CW의 고저를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 PWM 신호 φ1A를 출력한다. VB*＞CW의 경우는 PWM 신호

1A는 H 레벨로 되고, VB*＜CW의 경우는 PWM 신호

1A는 L 레벨로 된다.

비교기(83)는, 방전 제어부(74)(도 8)로부터의 전압 지령값 VDC*와 반송파 신호 CW의 고저를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 PWM 신호

2A를 출력한다. VDC*＞CW의 경우는 PWM 신호

2A는 H 레벨로 되고, VDC*＜CW의 경우는 PWM 신호

2A는 L 레벨로 된다.

비교기(84)는, 주파수 보상부(70)(도 8)로부터의 전류 지령값 Ib*와 반송파 신호 CW의 고저를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 PWM 신호

2B를 출력한다. Ib*＞CW의 경우는 PWM 신호

2B는 H 레벨로 되고, Ib*＜CW의 경우는 PWM 신호

2B는 L 레벨로 된다. 비교기(84)는, 전류 지령값 Ib*가 양 값인 경우(배터리(22)의 방전 시)에, PWM 신호

2B를 생성한다.

비교기(85)는, 주파수 보상부(70)(도 8)로부터의 전류 지령값 Ib*와, 극성을 반전시킨 반송파 신호 CW의 고저를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 PWM 신호

1B를 출력한다. Ib*＞CW의 경우는 PWM 신호

1B는 H 레벨로 되고, Ib*＜CW의 경우는 PWM 신호

1B는 L 레벨로 된다. 비교기(85)는, 전류 지령값 Ib*가 음 값인 경우(배터리(22)의 충전 시)에, PWM 신호

1B를 생성한다.

셀렉터(86)는, 정전 검출기(78)(도 8)의 출력 신호 DET, SOC 산출부(76)(도 8)의 출력 신호 SOCf 및 주파수 변화량 Δf에 근거하여, PWM 신호

1A,

2A,

1B,

2B 중 어느 1개를 선택한다.

구체적으로는, 셀렉터(86)는, 정전 검출기(78)의 출력 신호 DET가 H 레벨인 경우(전력 계통(20)의 정전 시)에는, PWM 신호

2A를 선택하고, 선택한 PWM 신호

2A를 PWM 신호

2로서 신호 출력 회로(87)에게 준다.

정전 검출기(78)의 출력 신호 DET가 L 레벨이고(전력 계통(20)의 건전 시), 배터리(22)의 SOC가 임계값 Sth 미만인 경우에는, 셀렉터(86)는, PWM 신호

1A를 선택하고, 선택한 PWM 신호

1A를 PWM 신호

1로서 신호 출력 회로(87)에게 준다.

정전 검출기(78)의 출력 신호 DET가 L 레벨이고(전력 계통(20)의 건전 시), 배터리(22)의 SOC가 임계값 Sth 이상인 경우에는, 셀렉터(86)는, 주파수 변화량 Δf에 따라, PWM 신호

1B,

2B 중 어느 하나를 선택한다. 구체적으로는, Δf＞0의 경우에는, 셀렉터(86)는, PWM 신호

1B를 선택하고, 선택한 PWM 신호

1B를 PWM 신호

1로서 신호 출력 회로(87)에게 준다. Δf＜0의 경우에는, 셀렉터(86)는, PWM 신호

2B를 선택하고, 선택한 PWM 신호

2B를 PWM 신호

2로서 신호 출력 회로(87)에게 준다.

신호 출력 회로(87)는, 셀렉터(86)로부터 주어지는 PWM 신호

1,

2에 근거하여, 게이트 신호 S1, S2를 생성한다. 구체적으로는, 신호 출력 회로(87)는, 셀렉터(86)로부터 PWM 신호

1이 주어진 경우에는, PWM 신호

1에 증폭 및 레벨 변환 처리를 실시하고, PWM 신호

1와 같은 파형의 게이트 신호 S1을 생성하여, 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q1, Q4의 게이트에게 준다. 이 경우, 신호 출력 회로(87)는, 게이트 신호 S2를 L 레벨로 고정한다.

이에 의하면, (1) 전력 계통(20)의 건전 시이고, SOC＜Sth인 경우, 또는, (2) 전력 계통(20)의 건전 시이고, SOC≥Sth, 또한, Δf＞0(발전 과다)인 경우에는, 이 게이트 신호 S1에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q1, Q4가 온 및 오프되고, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC가 강압되어 배터리(22)에 공급된다.

신호 출력 회로(87)는, 셀렉터(86)로부터 PWM 신호

2가 주어진 경우에는, PWM 신호

2에 증폭 및 레벨 변환 처리를 실시하고, PWM 신호

2와 같은 파형의 게이트 신호 S2를 생성하여, 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q2, Q3의 게이트에게 준다. 이 경우, 신호 출력 회로(87)는, 게이트 신호 S1을 L 레벨로 고정한다.

이에 의하면, (3) 전력 계통(20)의 정전 시, 또는, (4) 전력 계통(20)의 건전 시이고, SOC≥Sth, 또한, Δf＜0(수요 과다)인 경우에는, 이 게이트 신호 S2에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q2, Q3이 온 및 오프되고, 배터리 전압 VB가 승압되고, 직류 라인 L1, L2를 통하여 인버터(8)에 공급된다.

도 12는, 제어 회로(7)에 의한 쌍방향 초퍼(5)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 12의 흐름도는, UPS(100)의 작동 시에, 제어 회로(7)에 의해 반복 실행된다.

도 12에 나타나는 바와 같이, 제어 회로(7)는, 스텝(이하, 단지 「S」라고 표기한다)01에 의해, 전압 검출기(36)에 의한 교류 입력 전압 Vi의 검출값에 근거하여, 전력 계통(20)의 정전이 발생하고 있는지 여부를 판정한다. 교류 입력 전압 Vi가 정상 범위 내인 경우에는 S01은 NO 판정으로 되고, 교류 입력 전압 Vi가 정상 범위보다 낮은 경우에는 S01은 YES 판정으로 된다.

전력 계통(20)의 정전이 발생하고 있는 경우(S01의 YES 판정 시), 제어 회로(7)는, S02에 의해, 배터리(22)의 SOC와 제어 범위의 하한값 Smin을 비교한다.

SOC≥Smin인 경우(S02의 YES 판정 시), 제어 회로(7)는, S03으로 진행하고, 배터리(22)로부터 직류 전력을 방전시키도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다. S03에서는, 제어 회로(7)는, 직류 라인 L1, L2 간의 직류 전압 VDC가 참조 직류 전압 VDCr이 되도록 전압 지령값 VDC*를 생성한다. 그리고, 제어 회로(7)는, 전압 지령값 VDC*에 근거하여 생성된 PWM 신호

2A와 같은 파형을 가지는 게이트 신호 S2에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q2, Q3을 온 및 오프시킨다. 이에 의해, 배터리(22)의 직류 전력 Pb가 쌍방향 초퍼(5)에 의해 인버터(8)에 공급되고, 교류 전력으로 변환되어 부하(23)에 공급된다.

배터리(22)의 방전 중, 제어 회로(7)는, S04에 의해, 배터리(22)의 SOC와 하한값 Smin을 비교한다. SOC≥Smin이면(S04의 YES 판정 시), S03에 의한 배터리(22)의 방전을 계속한다. SOC＜Smin가 되면(S04의 NO 판정 시), 제어 회로(7)는, S05에 의해, 쌍방향 초퍼(5)의 운전을 정지하는 것에 의해, 배터리(22)의 방전을 정지한다.

S01로 돌아와, 전력 계통(20)이 건전인 경우(S01의 NO 판정 시), 제어 회로(7)는, S06으로 진행하고, 배터리(22)의 SOC와 임계값 Sth를 비교한다.

SOC＜Sth인 경우(S06의 NO 판정 시), 제어 회로(7)는, S07로 진행하고, 배터리(22)에 직류 전력을 충전하도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다. S07에서는, 제어 회로(7)는, 배터리 전압 VB가 참조 직류 전압 VBr이 되도록 전압 지령값 VB*를 생성한다. 그리고, 제어 회로(7)는, 전압 지령값 VB*에 근거하여 생성된 PWM 신호

1A와 같은 파형을 가지는 게이트 신호 S1에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q1, Q4를 온 및 오프시킨다. 이에 의해, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력의 일부는 쌍방향 초퍼(5)에 의해 배터리(22)에 저장된다.

배터리(22)의 충전 중, 제어 회로(7)는, S08에 의해, 배터리(22)의 SOC와 임계값 Sth를 비교한다. SOC＜Sth이면(S08의 NO 판정 시), S07에 의한 배터리(22)의 충전을 계속한다. SOC≥Sth가 되면(S08의 YES 판정 시), 제어 회로(7)는, S09에 의해, 쌍방향 초퍼(5)의 운전을 정지하는 것에 의해, 배터리(22)의 충전을 정지한다.

S06으로 돌아와, SOC≥Sth인 경우(S06의 YES 판정 시), 제어 회로(7)는, S10에 의해, 주파수 변화량 Δf의 극성을 판정한다.

Δf＜0인 경우(S10의 YES 판정 시), 제어 회로(7)는, 전력 계통(20)이 수요 과다라고 판정한다. 이 경우, 제어 회로(7)는, S11에 있어서, 주파수 변화량 Δf에 근거하여 차분 전력 ΔP를 산출하고, 산출한 차분 전력 ΔP 상당 분의 직류 전력 Pb를 배터리(22)로부터 방전시키도록, 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다(도 5 참조).

S11에서는, 제어 회로(7)는, 직류 전류 Ib가, 차분 전력 ΔP로부터 산출된 참조 직류 전류 Ibr이 되도록 전류 지령값 Ib*를 생성한다. 그리고, 제어 회로(7)는, 전류 지령값 Ib*에 근거하여 생성된 PWM 신호

2B와 같은 파형을 가지는 게이트 신호 S2에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q2, Q3을 온 및 오프시킨다. 이에 의해, 차분 전력 ΔP에 상당하는 직류 전력 Pb가 배터리(22)로부터 방전되어 인버터(8)에 공급되고, 교류 전력으로 변환되어 부하(23)에 공급된다. 차분 전력 ΔP 상당 분의 직류 전력 Pb가 배터리(22)로부터 방전되는 것에 의해, 전력 계통(20)으로부터 UPS1에 공급되는 교류 전력 Ps가 차분 전력 ΔP 상당 분 감소한다. 그 결과, 전력 계통(20)에 있어서 수요 과다가 해소되고, 계통 주파수 f의 저하가 보상된다.

S10으로 돌아와, Δf＞0인 경우(S10의 NO 판정 시), 제어 회로(7)는, 전력 계통(20)이 발전 과다라고 판정한다. 이 경우, 제어 회로(7)는, S12에 있어서, 주파수 변화량 Δf에 근거하여 차분 전력 ΔP를 산출하고, 산출한 차분 전력 ΔP 상당 분의 직류 전력 Pb를 배터리(22)에 충전하도록, 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다(도 6 참조).

S12에서는, 제어 회로(7)는, 직류 전류 Ib가, 차분 전력 ΔP로부터 산출된 참조 직류 전류 Ibr이 되도록 전류 지령값 Ib*를 생성한다. 그리고, 제어 회로(7)는, 전류 지령값 Ib*에 근거하여 생성된 PWM 신호

1B와 같은 파형을 가지는 게이트 신호 S1에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q1, Q4를 온 및 오프시킨다. 이에 의해, 차분 전력 ΔP에 상당하는 직류 전력 Pb가 배터리(22)에 공급된다. 차분 전력 ΔP 상당 분의 직류 전력 Pb가 배터리(22)에 저장되는 것에 의해, 전력 계통(20)으로부터 UPS1에 공급되는 교류 전력 Ps가 차분 전력 ΔP 상당 분 증가한다. 그 결과, 전력 계통(20)에 있어서 발전 과다가 해소되고, 계통 주파수 f의 상승이 보상된다.

S11, S12에 의한 주파수 보상의 실행 중, 제어 회로(7)는, S13에 의해, 배터리(22)의 SOC가 Sth 이상 Smax 이하인지 여부를 판정한다. SOC＜Sth인 경우, 또는 SOC＞Smax인 경우(S13의 NO 판정 시)에는, 제어 회로(7)는, S14에 의해, 주파수 보상을 위한 처리를 정지한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시의 형태에 따른 UPS는, 전력 계통(20)의 건전 시에 있어서, 배터리(22)의 충전 또는 방전을 행하는 것에 의해, 전력 계통(20)의 수요 전력을 조정할 수가 있다. 이에 의해, 분산형 전원(26)의 출력 변동 등에 의해 발전 전력과 수요 전력의 불균형이 생기고 있는 경우에 있어서, 정전 보상용의 배터리(22)를 활용하여, 계통 주파수의 변동을 보상하는 것이 가능해진다.

［변경예］

상술한 실시의 형태에서는, 1대의 UPS가 접속된 전력 계통(20)에 있어서의 주파수 보상 방법에 대해 설명했지만, 도 13에 나타내는 바와 같이, 복수대의 UPS가 접속되어 있는 전력 계통에 있어서도, 본 실시의 형태에 따른 주파수 보상 방법을 적용할 수가 있다.

예를 들면, 대규모 데이터 센터에서는, 복수대의 UPS를 병렬로 접속하는 것에 의해 대용량 또한 용장성을 구비한 UPS 시스템을 실현하고 있다. 이러한 UPS 시스템에 있어서, 각 UPS에 본 실시의 형태에 따른 UPS(100)를 적용하는 것에 의해, 1대의 UPS가 계통 주파수의 변동을 보상하기 위해서 융통할 수 있는 용량이 수백 kVA여도, 복수대의 UPS 전체에서 대용량의 용량을 융통하는 것이 가능해진다. 이에 의하면, 분산형 전원(26)의 도입 확대에 수반하여 계통 주파수의 변동이 커지는 경우에 있어서도, UPS 시스템 전체에서 계통 주파수의 변동을 보상하는 것이 가능해진다.

이번 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 하는 것이다. 본 발명의 기술적 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1　전력 변환 장치, 2, 6, 9 전류 검출기, 3 컨버터, 4 제어 회로, 5 쌍방향 초퍼, 8 인버터, 10, X1, X2　리액터, 11, C1, C2　콘덴서, 12, 13 전자기 접촉기, 20 전력 계통, 21 상용 교류 전원, 22 배터리(축전 장치), 23 부하, 24 송전선, 25 PCS, 26 분산형 전원, 30 주파수 검출기, 31 제어 장치, 32, 34, 36 전압 검출기, 40, 46, 52, 62 감산기, 42, 88 승산기, 44 제산기, 48 전류 제어부, 50, 60 참조 전압 생성부, 54, 64 전압 제어부, 70 주파수 보상부, 72 충전 제어부, 74 방전 제어부, 76　SOC 산출부, 78 정전 검출기, 80　PWM 제어부, 82~85 비교기, 86 셀렉터, 87 신호 출력 회로, 100　UPS, 200　CPU, 202 메모리, 204　I/O 회로, 206 버스, L1~L3　직류 라인, Q1~Q4　IGBT, D1~D4　다이오드.

Claims (6)

1. 전력 계통 및 부하 사이에 접속되는 전력 변환 장치와,
   상기 전력 계통 상의 교류 전압의 주파수인 계통 주파수를 검출하는 주파수 검출기와,
   상기 전력 변환 장치를 제어하는 제어 장치를 구비하고,
   상기 전력 변환 장치는,
   상기 전력 계통으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와,
   상기 컨버터 또는 축전 장치로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 부하에 공급하는 인버터와,
   상기 컨버터에 의해 생성되는 직류 전력의 일부를 상기 축전 장치에 저장하는 충전 동작과, 상기 축전 장치의 직류 전력을 상기 인버터에 공급하는 방전 동작을 선택적으로 실행하는 쌍방향 초퍼를 포함하고,
   상기 제어 장치는, 상기 전력 계통의 정전 시에, 상기 방전 동작을 실행하도록 상기 쌍방향 초퍼를 제어하고, 상기 전력 계통의 건전 시에는, 검출된 상기 계통 주파수에 근거하여 상기 쌍방향 초퍼를 제어하는 제어 회로를 포함하고,
   상기 제어 회로는, 상기 계통 주파수의 상승에 대응하여 상기 충전 동작을 실행하는 한편, 상기 계통 주파수의 저하에 대응하여 상기 방전 동작을 실행하도록 상기 쌍방향 초퍼를 제어하는, 무정전 전원 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 회로는,
   상기 계통 주파수의 변화량을 산출하는 주파수 변화 산출부와,
   미리 취득되어 있는 상기 전력 계통에 있어서의 발전 전력과 수요 전력의 차분인 차분 전력과 상기 변화량의 관계를 참조하는 것에 의해, 산출된 상기 변화량에 근거하여 상기 차분 전력을 산출하는 연산부와,
   산출된 상기 차분 전력에 따라 상기 충전 동작 및 상기 방전 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 변화량이 상기 계통 주파수의 상승을 나타내는 극성인 경우에는, 상기 제어부는, 상기 차분 전력에 상당하는 직류 전력이 상기 축전 장치에 저장되도록 상기 충전 동작을 제어하고,
   상기 변화량이 상기 계통 주파수의 저하를 나타내는 극성인 경우에는, 상기 제어부는, 상기 차분 전력에 상당하는 직류 전력이 상기 축전 장치로부터 공급되도록 상기 방전 동작을 제어하는, 무정전 전원 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어 회로는, 상기 축전 장치의 축전량을 산출하는 축전량 산출부를 더 포함하고,
   상기 제어부는, 산출된 상기 축전량이 임계값 이상인 경우에, 상기 차분 전력에 따라 상기 충전 동작 및 상기 방전 동작을 제어하는, 무정전 전원 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 차분 전력에 따른 상기 방전 동작의 실행 중에, 상기 축전량이 상기 임계값 미만이 된 경우에는, 상기 방전 동작을 정지하는, 무정전 전원 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 차분 전력에 따른 상기 충전 동작의 실행 중에, 상기 축전량이 상한값을 넘은 경우에는, 상기 충전 동작을 정지하는, 무정전 전원 장치.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 전력 계통의 건전 시에, 산출된 상기 축전량이 상기 임계값 미만인 경우에는, 상기 축전량이 상기 임계값 이상이 되도록 상기 충전 동작을 제어하는, 무정전 전원 장치.

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