TWI701890B - 不斷電電源裝置 - Google Patents

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西村荘治
河崎吉則
宇田怜史
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日商日新電機股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種不斷電電源裝置，亦可應對包括瞬時電壓下降在內的電壓下降及頻率變動以外的各種系統異常。一種不斷電電源裝置（100），設置於商用電力系統（10）與重要負載（30）之間，對重要負載（30）供給交流電力，所述不斷電電源裝置（100）包括：電源部（2），包括與電力線（L1）連接的電力轉換器（22）及蓄電池（21），所述電力線（L1）是用以自商用電力系統（10）向重要負載（30）供電；斷路開關（3），在電力線（L1）上設置於較電源部（2）更靠商用電力系統之側，使電力線（L1）斷開或閉合；系統異常檢測部（5），檢測系統異常，所述系統異常除了是包括瞬時電壓下降在內的電壓下降或頻率變動中的至少一個以外，亦是電壓上升、相位變動、電壓不平衡、高次諧波異常或閃爍中的至少一個，所述瞬時電壓下降是在較斷路開關（3）更靠商用電力系統之側產生；以及控制部（6），當檢測到的系統異常是重要負載（30）或電源部（2）對系統異常的耐受量以上時，使斷路開關（3）斷路，而自電源部（2）向重要負載（30）供給交流電力。

Description

不斷電電源裝置
本發明是有關於一種經常商用供電方式的不斷電電源裝置。
經常商用供電方式的不斷電電源裝置是對商用電力系統的系統電壓的瞬時電壓下降或頻率變動進行補償的裝置，例如，如專利文獻1所示，將電源部與負載並聯連接，在該些構件的上位設置開關而構成，所述電源部包括蓄電池及並聯逆變器(inverter)。而且，當商用電力系統的系統電壓超過規定的允許電壓範圍時使開關斷路，自蓄電部對負載供電。
但是，在現有的經常商用供電方式的不斷電電源裝置中，對負載僅可進行瞬時電壓下降及頻率變動的補償動作，而無法進行其他系統異常的補償動作。又，對系統異常的關心亦僅針對負載，而對於蓄電部則不予關心。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2005-229662號公報
因此，本發明是為了解決所述問題而完成的，其主要課題在於提供一種不斷電電源裝置，亦可應對包括瞬時電壓下降在內的電壓下降及頻率變動以外的各種系統異常。
即，本發明的不斷電電源裝置是設置於商用電力系統與重要負載之間，向所述重要負載供給交流電力的不斷電電源裝置，其特徵在於包括：電源部，包括與電力線連接的電力轉換器及蓄電池，所述電力線是用以自所述商用電力系統向所述重要負載供電；斷路開關(opening switch)，在所述電力線上設置於較所述電源部更靠所述商用電力系統之側，使所述電力線斷開或閉合；系統異常檢測部，檢測系統異常，所述系統異常除了是包括瞬時電壓下降在內的電壓下降或頻率變動中的至少一個以外，亦是電壓上升、相位變動、電壓不平衡、高次諧波異常或閃爍(flicker)中的至少一個，所述瞬時電壓下降是在較所述斷路開關更靠所述商用電力系統之側產生；以及控制部，當檢測到的系統異常是所述重要負載或所述電源部對所述系統異常的耐受量以上時，使所述斷路開關斷路，自所述電源部向所述重要負載供給交流電力。
若為此種不斷電電源裝置，則藉由系統異常檢測部，而檢測系統異常，所述系統異常除了是包括瞬時電壓下降在內的電壓下降或頻率變動中的至少一個以外，亦是電壓上升、相位變動、電壓不平衡、高次諧波異常或閃爍中的至少一個，當檢測到的系統異常是重要負載或電源部對系統異常的耐受量以上時使斷路開 關斷路，因此亦可應對包括瞬時電壓下降在內的電壓下降及頻率變動以外的各種系統異常。又，不僅將重要負載對系統異常的耐受量作為參數，而且將電源部對系統異常的耐受量作為參數而進行斷路開關的斷路，因此不僅可應對考慮到重要負載的系統異常，而且可應對考慮到電源部的系統異常。
此處，可自互聯規則讀取出，作為系統異常要素，可考慮所述相位變動、電壓不平衡、高次諧波異常或閃爍，但是若進一步在對三相系統電壓進行三相-二相轉換(α-β-0轉換)而成的複數中，表達所述α成分(將其設為實數成分)、β成分(將其設為虛數成分)，則可用數式1表達。
[數式1]v=V1．e j(2πf．t+θ)+Σ n≠1 v n
此處，各要素如下。
v：系統電壓
V1=系統電壓振幅
f：系統電壓頻率
θ：系統電壓相位，與相位跳躍的相位變動是所述要素的變化。
Σn≠1vn：基本波正相分以外的成分，有n=-1的反相成分及|n|≠1的高次諧波成分。
再者，閃爍是V1的數赫茲(Hz)至數十赫茲的低頻變動。
所述考察所進行的系統異常要素的追加的結果為，在經常商用供電方式的不斷電電源裝置中，與更昂貴的經常逆變器供 電方式的不斷電電源裝置同樣地，亦可應對包括瞬時電壓下降在內的電壓下降及頻率變動以外的電壓上升、相位變動、電壓不平衡、高次諧波異常或閃爍等系統異常要素。作為其一例，如後述<第一實施形態的模擬>所示，可使不斷電電源裝置的異常(在所述模擬中是帶互聯逆變器的重要負載因過電流異常而引起的脫落)防止於未然。
作為具體的實施形態，所述電源部理想的是在所述斷路開關已斷路的狀態下，在所述重要負載或所述電源部對所述系統異常的耐受量較小者的界限耐受量的範圍內獨立運轉。
為了減少向運行費用(running cost)高的獨立運轉的轉移頻度，所述控制部理想的是在所述系統異常檢測部所檢測到的系統異常是異常的程度為規定的臨限值以上時，藉由所述電源部而進行針對所述系統異常的補償動作，所述臨限值小於所述重要負載或所述電源部對所述系統異常的耐受量。
為了應對獨立運轉時間的長時間化，理想的是包括發電機，所述發電機是與所述電源部另外地連接於所述電力線。
根據如上所述而構成的本發明，可提供一種不斷電電源裝置，亦可應對包括瞬時電壓下降在內的電壓下降及頻率變動以外的各種系統異常。
2:分散型電源
3:斷路開關
4:系統側電壓檢測部
5:系統異常檢測部
6:控制部
7:發電機
10:商用電力系統
21:蓄電池(電力儲存裝置、蓄電器件)
22:電力轉換器(電力調節器)
30:重要負載
41:儀錶用變壓器
51:電壓下降檢測部
52:頻率變動檢測部
53:電壓上升檢測部
54:相位變動檢測部
55:電壓不平衡檢測部
56:異常高次諧波檢測部
57:閃爍檢測部
100:不斷電電源裝置
i:電流
L1:電力線
v:開關輸出點的電壓
△θ:相位跳躍
圖1是表示第一實施形態的不斷電電源裝置的構成的示意圖。
圖2是表示第一實施形態的系統異常時的動作狀態的一覽的表。
圖3是表示相位跳躍時的補償動作的模擬模型的圖。
圖4是表示斷路開關未動作時的模擬結果的圖。
圖5是表示斷路開關已動作時的模擬結果的圖。
圖6是表示第二實施形態的不斷電電源裝置的構成的示意圖。
圖7是表示第二實施形態的系統異常時的動作狀態的一覽的表。
圖8是表示其他變形實施形態的不斷電電源裝置的構成的示意圖。
<第一實施形態>
以下，參照附圖，對本發明的不斷電電源裝置的第一實施形態進行說明。
第一實施形態的不斷電電源裝置100如圖1所示，是經常商用供電方式的裝置，設置於商用電力系統10與重要負載30之間，在商用電力系統10的異常時對重要負載30供給電力。
此處，商用電力系統10是電力公司(供電商)的電力供給網，包括發電站、供電系統及配電系統。又，重要負載30是 用以在停電或瞬時降低等系統異常時亦應穩定地供給電力的負載，圖1中為一個，但亦可為多個。
具體而言，不斷電電源裝置100包括：電源部2；斷路開關3，將商用電力系統10與電源部2及重要負載30加以連接；系統側電壓檢測部4，檢測較斷路開關3更靠商用電力系統10之側的電壓；系統異常檢測部5，根據系統側電壓檢測部4的檢測電壓檢測系統異常；以及控制部6，藉由系統異常檢測部5的檢測訊號而使斷路開關3斷路。
電源部2與電力線L1連接，所述電力線L1是用以自商用電力系統10向重要負載30供電。所述電源部2是與商用電力系統10互聯的構件，包括二次電池(蓄電池)等電力儲存裝置(蓄電器件)21及電力轉換器(電力調節器(power conditioner))22。
斷路開關3是在電力線L1上設置於較電源部2的連接點更靠商用電力系統10之側而使電力線L1斷開或閉合的構件，例如可使用半導體開關或混合式開關(hybrid switch)等能夠高速切換的無瞬斷開關，所述混合式開關是使半導體開關與機械式開關組合而成。例如在使用半導體開關的情況下，可將切換時間設為兩毫秒以下，不論零點而進行切斷。又，在使用混合式開關的情況下，不但可將切換時間設為兩毫秒以下，可不論零點而進行切斷，而且可將通電損耗設為零。再者，所述斷路開關3是藉由控制部6來斷開或閉合控制。
系統側電壓檢測部4是經由儀錶用變壓器41而檢測在 電力線L1上較斷路開關3更靠商用電力系統10之側的電壓的構件。具體而言，系統側電壓檢測部4是經由儀錶用變壓器41而連接於較斷路開關3更靠商用電力系統10之側。
系統異常檢測部5是根據系統側電壓檢測部4所檢測到的檢測電壓，檢測出較斷路開關3更靠商用電力系統10之側的各系統異常的構件。本實施形態的系統異常是包括瞬時降低在內的電壓下降、電壓上升、頻率變動、相位變動、電壓不平衡、異常高次諧波、閃爍。
因此，系統異常檢測部5包括：電壓下降檢測部51，檢測包括瞬時降低在內的電壓下降；頻率變動檢測部52，檢測頻率變動；電壓上升檢測部53，檢測電壓上升；相位變動檢測部54，檢測相位變動；電壓不平衡檢測部55，檢測電壓不平衡；異常高次諧波檢測部56，檢測異常高次諧波；以及閃爍檢測部57，檢測閃爍。
電壓下降檢測部51是藉由對系統側電壓檢測部4的檢測電壓與規定的設定值進行比較而檢測電壓下降的構件。此處，用以檢測電壓下降的設定值是用以檢測瞬時降低的電壓值，例如是剩餘電壓20%。
頻率變動檢測部52是根據系統側電壓檢測部4的檢測電壓，檢測頻率變動(頻率上升(on frequency，OF)、頻率下降(under frequency，UF)的構件。再者，頻率變動例如是步進上升或傾斜上升與下降。
電壓上升檢測部53是藉由對系統側電壓檢測部4的檢測電壓與規定的設定值進行比較，而檢測電壓上升的構件。此處，用以檢測電壓上升的設定值是相對於系統電壓例如為107%的電壓。
相位變動檢測部54是根據系統側電壓檢測部4的檢測電壓的相位，檢測例如10°的相位跳躍等相位變動的構件。
電壓不平衡檢測部55是根據系統側電壓檢測部4的檢測電壓，檢測三相間的振幅的大小或相位差120°呈不同的狀態的構件。
異常高次諧波檢測部56是根據系統側電壓檢測部4的檢測電壓，檢測高次諧波電壓的構件。閃爍檢測部57是根據系統側電壓檢測部4的檢測電壓，檢測電壓變動(閃爍)的構件。
控制部6是基於系統異常檢測部5所檢測到的各檢測訊號，對斷路開關3輸出控制訊號而使斷路開關3斷路的構件。本實施形態的控制部6接收來自各檢測部51~檢測部57的檢測訊號，當任一個檢測訊號滿足規定的條件(或(OR)條件)時，使斷路開關3斷路。
具體而言，控制部6在各檢測部51~檢測部57所檢測到的各系統異常中的至少一個為重要負載30或電源部2的對各系統異常的耐受量以上時，使斷路開關3斷路。
參照圖2，與控制部6的具體的斷路開關3的斷開或閉合控制一併說明電源部2的動作。
不斷電電源裝置100在通常時，使斷路開關3閉合，電源部2及重要負載30處於經由斷路開關3而與商用電力系統10連接的狀態。
(1)當檢測到的各系統異常小於電源部2及重要負載30的系統異常耐受量之中較小者的系統異常耐受量時(圖2(1))，控制部6維持使斷路開關3接通的狀態。此時，電源部2追隨於商用電力系統10的系統異常而繼續運轉。
(2)當檢測到的系統異常為電源部2及重要負載30的系統異常耐受量之中較小者的系統異常耐受量以上時(圖2(2))，控制部6使斷路開關3斷路。在所述狀態下，電源部2在重要負載30或電源部2的系統異常耐受量較小者的界限耐受量的範圍內繼續運轉(電源部2的獨立運轉)。
再者，各檢測部51~檢測部57不論斷路開關3的斷開或閉合，均檢測商用電力系統10的各系統異常，控制部6在商用電力系統10的各系統異常未達所述較小者的系統異常耐受量時，使斷路開關3閉合。
<第一實施形態的模擬>
已模擬作為系統異常的一例，在商用電力系統存在相位跳躍(10°的相位跳躍)的情況對電源部的影響。圖3表示所述模擬的系統模型、及開關輸出點的電壓v的相位跳躍△θ的監視控制模型。
圖4表示不使斷路開關動作時的開關輸出點的電壓v、電流i及相位跳躍△θ。
在時刻0.5秒在商用電力系統產生有10°的相位跳躍，緊跟其後在流向重要負載的換極開關(pole-changing switch，PCS)的電流i產生有恆定振幅的兩倍的過電流。
圖5表示使斷路開關動作時的開關輸出點的電壓v、電流i及相位跳躍△θ。
在時刻0.5秒在商用電力系統產生有10°的相位跳躍，藉由檢測到所述相位跳躍而在兩毫秒後使斷路開關斷路。再者，在開關斷路過程中是設為不進行相位跳躍檢測的控制。
由以上的模擬結果可知，產生相位跳躍時的電壓變動是電壓振幅的10%左右，但產生過電流。在此種情況下，只要監視相位跳躍，在大幅進行相位跳躍之前使斷路開關斷路，即可在重要負載的PCS(逆變器)的過電流耐受量為兩倍以下的情況下，防止重要負載因過電流而斷路(脫落)(反而言之，若不進行所述對應，便會使重要負載因過電流而脫落)。
由所述模擬結果可知，相位跳躍檢測是有效的，僅藉由包括瞬時電壓下降在內的電壓下降檢測功能，無法應對系統異常。
<第一實施形態的效果>
根據如上所述而構成的第一實施形態的不斷電電源裝置100，藉由系統異常檢測部，而檢測系統異常，所述系統異常除了是包括瞬時電壓下降在內的電壓下降或頻率變動中的至少一個以外，亦是電壓上升、相位變動、電壓不平衡、高次諧波異常或閃爍中的至少一個，當檢測到的系統異常為重要負載30或電源部2 的對系統異常的耐受量以上時使斷路開關3斷路，因此亦可應對包括瞬時電壓下降在內的電壓下降及頻率變動以外的各種系統異常。又，不僅將重要負載對系統異常的耐受量作為參數，而且將電源部2對系統異常的耐受量作為參數而進行斷路開關3的斷路，因此不僅可應對考慮到重要負載30的系統異常，而且可應對考慮到電源部2的系統異常。
<第二實施形態>
其次，說明本發明的不斷電電源裝置的第二實施形態。
第二實施形態的不斷電電源裝置如圖6所示，控制部6的構成及電源部2的動作與以上所述的實施形態不同。
即，第二實施形態的控制部6除了以上所述的實施形態以外，在各檢測部51~檢測部57所檢測到的各系統異常中的至少一個為小於重要負載30或電源部2的系統異常耐受量的規定的臨限值以上時，不使斷路開關3斷路，而藉由電源部2來進行針對各系統異常的補償動作。
參照圖7，與控制部6的具體的斷路開關3的斷開或閉合控制一併說明電源部2的動作。
不斷電電源裝置100在通常時，使斷路開關3閉合，電源部2及重要負載30是經由斷路開關3而與商用電力系統10連接的狀態。
(1)當檢測到的系統異常小於所述規定的臨限值時(圖7(1))，控制部6維持使斷路開關3接通的狀態。此時，電源部2 追隨於商用電力系統10的系統異常而繼續運轉。
(2)當檢測到的系統異常為所述規定的臨限值以上時(圖7(2))，控制部6維持使斷路開關3接通的狀態。此時，電源部2進行針對商用電力系統的系統異常的補償動作(系統異常的變化減輕動作)。再者，此時，前提是檢測到的系統異常小於電源部2及重要負載30的系統異常耐受量。
(3)當檢測到的系統異常為電源部2及重要負載30的系統異常耐受量之中較小者的系統異常耐受量以上時(圖7(3))，控制部7使斷路開關3斷路。在所述狀態下，電源部2在重要負載30或電源部2的系統異常耐受量較小者的界限耐受量的範圍內繼續運轉(獨立運轉)。
<第二實施形態的效果>
根據如上所述而構成的第二實施形態的不斷電電源裝置100，除了所述第一實施形態的效果以外，亦可減少向運行費用高的獨立運轉的轉移頻度。
<其他變形實施形態>
再者，本發明並不限於所述實施形態。
例如，如圖8所示，亦可包括發電機7，所述發電機7是與電源部2另外地連接於電力線L1。所述發電機7與較斷路開關3更靠重要負載30之側連接。若為所述構成，則可應對獨立運轉時間的長時間化(系統停電時)。
又，在所述各實施形態中，是在系統異常中的任一個滿 足條件時使斷路開關3斷路，但亦可設為在兩個以上的系統異常的組合滿足規定條件時使斷路開關3斷路。
此外，毋庸置言，本發明並不限於所述實施形態，在不脫離其主旨的範圍內可進行各種變形。
2‧‧‧分散型電源
3‧‧‧斷路開關
4‧‧‧系統側電壓檢測部
5‧‧‧系統異常檢測部
6‧‧‧控制部
10‧‧‧商用電力系統
21‧‧‧蓄電池(電力儲存裝置、蓄電器件)
22‧‧‧電力轉換器(電力調節器)
30‧‧‧重要負載
41‧‧‧儀錶用變壓器
51‧‧‧電壓下降檢測部
52‧‧‧頻率變動檢測部
53‧‧‧電壓上升檢測部
54‧‧‧相位變動檢測部
55‧‧‧電壓不平衡檢測部
56‧‧‧異常高次諧波檢測部
57‧‧‧閃爍檢測部
100‧‧‧不斷電電源裝置
L1‧‧‧電力線

Claims (4)

  1. 一種不斷電電源裝置，設置於商用電力系統與重要負載之間，對所述重要負載供給交流電力，所述不斷電電源裝置包括：電源部，包括與電力線連接的電力轉換器及蓄電池，所述電力線是用以自所述商用電力系統向所述重要負載供電；斷路開關，在所述電力線上設置於較所述電源部更靠所述商用電力系統之側，使所述電力線斷開或閉合；系統異常檢測部，檢測系統異常，所述系統異常除了是電壓下降或頻率變動中的至少一個以外，亦是電壓上升、相位變動、電壓不平衡、高次諧波異常或閃爍中的至少一個，所述電壓下降包括瞬時電壓下降，所述瞬時電壓下降是在較所述斷路開關更靠所述商用電力系統之側產生；以及控制部，當檢測到的系統異常是所述重要負載或所述電源部對所述系統異常的耐受量以上時，使所述斷路開關斷路，而自所述電源部向所述重要負載供給交流電力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的不斷電電源裝置，其中所述電源部是在所述斷路開關已斷路的狀態下，在所述重要負載或所述電源部的對所述系統異常的耐受量較小者的界限耐受量的範圍內獨立運轉。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的不斷電電源裝置，其中所述控制部在所述系統異常檢測部所檢測到的系統異常是異常的程度為臨限值以上時，藉由所述電源部而進行針對所述 系統異常的補償動作，所述臨限值小於所述重要負載或所述電源部對所述系統異常的耐受量。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的不斷電電源裝置，其包括：發電機，與所述電源部另外地連接於所述電力線。
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