WO2022264303A1

WO2022264303A1 - 無停電電源装置

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Publication number: WO2022264303A1
Application number: PCT/JP2021/022819
Authority: WO
Inventors: 淳松本
Original assignee: 東芝三菱電機産業システム株式会社
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2022-12-22
Also published as: JPWO2022264303A1; US20230307942A1; KR20230034412A; JP7218453B1; CN115956331A

Abstract

双方向チョッパ（５）は、コンバータ（３）によって生成される直流電力の一部を蓄電装置（２２）に蓄える充電動作と、蓄電装置（２２）の直流電力をインバータ（８）に供給する放電動作とを選択的に実行する。制御回路は、電力系統（２０）の停電時に、放電動作を実行するように双方向チョッパ（５）を制御する。制御回路は、電力系統（２０）の健全時には、周波数検出器により検出された系統周波数に基づいて双方向チョッパ（５）を制御する。制御回路は、系統周波数の上昇に対応して充電動作を実行する一方で、系統周波数の低下に対応して放電動作を実行するように双方向チョッパ（５）を制御する。

Description

無停電電源装置

　本開示は、無停電電源装置に関する。

　近年、大規模データセンターの運用を継続するために、無停電電源装置の大容量化が進んでいる。大容量の無停電電源装置においては、停電補償用のバックアップ電源として、大容量の蓄電装置が採用されている。このような蓄電装置として、例えば、大容量のリチウムイオン電池が用いられる。

　一方、無停電電源装置が接続される電力系統においては、近年、再生可能エネルギーの導入が進む下で、太陽光発電装置に代表される分散型電源が多数接続されるようになっている（例えば、特開２０１９－１６１９３９号公報（特許文献１）参照）。

特開２０１９－１６１９３９号公報

　電力系統においては、発電電力と需要電力（負荷消費電力）とが均衡している場合、系統周波数は一定に保たれる。発電電力と需要電力との不均衡が生じると、系統周波数の変動が起こる。系統周波数が変動すると、需要家の電気機器の運転に影響を与えるだけでなく、電力系統の停電を引き起こす可能性がある。

　一方、分散型電源の出力は、気象条件、時間帯および季節などの環境要因に大きく左右される。そのため、電力系統において分散型電源の導入比率が高くなるに従って、発電電力の変動が大きくなり、系統周波数の変動を増大させることが懸念される。

　上述した無停電電源装置は、電力系統の停電補償のために、蓄電装置に蓄えられた直流電力を使用するように構成されている。そのため、電力系統の健全時には蓄電装置の直流電力が使用されず、大容量の蓄電装置が活用されているとは言いがたい。

　本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであって、本開示の目的は、電力系統の周波数変動を補償することが可能な無停電電源装置を提供することである。

　本開示の一態様に係る無停電電源装置は、電力系統および負荷の間に接続される電力変換装置と、電力系統上の交流電圧の周波数である系統周波数を検出する周波数検出器と、電力変換装置を制御する制御装置とを備える。電力変換装置は、コンバータと、インバータと、双方向チョッパとを含む。コンバータは、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換する。インバータは、コンバータまたは蓄電装置から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。双方向チョッパは、コンバータによって生成される直流電力の一部を蓄電装置に蓄える充電動作と、蓄電装置の直流電力をインバータに供給する放電動作とを選択的に実行する。制御装置は、双方向チョッパを制御する制御回路を含む。制御回路は、電力系統の停電時に、放電動作を実行するように双方向チョッパを制御する。制御回路は、電力系統の健全時には、検出された系統周波数に基づいて双方向チョッパを制御する。制御回路は、系統周波数の上昇に対応して充電動作を実行する一方で、系統周波数の低下に対応して放電動作を実行するように双方向チョッパを制御する。

　本開示によれば、電力系統の周波数変動を補償することが可能な無停電電源装置を提供することができる。

本実施の形態に係る無停電電源装置が適用される電力系統の構成例を示す図である。本実施の形態に係る無停電電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。周波数変化量を説明する図である。無停電電源装置による周波数補償を概念的に示す図である。無停電電源装置による周波数補償を概念的に示す図である。双方向チョッパの構成を示す回路図である。制御回路の構成を示すブロック図である。図８に示した周波数補償部、充電制御部および放電制御部の構成例を示すブロック図である。バッテリのＳＯＣに設定された判定値を説明するための図である。図８に示したＰＷＭ制御部の構成例を示すブロック図である。双方向チョッパの動作を説明するためのフローチャートである。本実施の形態に係る無停電電源装置が適用される電力系統の変更例を示す図である。

　以下に、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、以下では、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ものとする。

　図１は、本実施の形態に係る無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible　Power　Supply）が適用される電力系統の構成例を示す図である。

　図１に示すように、本実施の形態に係るＵＰＳ１００は、商用交流電源２１および送電線２４を含む電力系統２０に接続される。送電線２４には、分散型電源２６を系統連系するためのＰＣＳ（パワーコンディショナ）２５が接続される。

　分散型電源２６は、自然エネルギーを直流電力に変換する。自然エネルギーは、例えば、太陽光、風力、潮力、地熱などであり、再生可能エネルギーとも呼ばれる。ＰＣＳ２５は、送電線２４の交流電圧に同期して動作し、分散型電源２６によって生成される直流電力を交流電力Ｐｄに変換して送電線２４に供給する。

　ＵＰＳ１００は、送電線２４と負荷２３との間に接続され、電力系統２０から供給される系統周波数ｆの交流電力によって駆動される。ＵＰＳ１００は、電力変換装置１、制御装置３１、および周波数検出器３０を備える。

　電力変換装置１は、制御装置３１によって制御され、電力系統２０から交流電力が正常に供給されている場合（電力系統２０の健全時）には、電力系統２０から供給される交流電力Ｐｓを用いて、系統周波数ｆの交流電力を生成して負荷２３に供給する。電力変換装置１はさらに、交流電力のＰｓの一部を直流電力に変換してバッテリ２２に蓄える。

　電力系統２０の停電が発生したときには、電力変換装置１は、バッテリ２２の直流電力を系統周波数ｆの交流電力に変換して負荷２３に供給する。バッテリ２２は「蓄電装置」の一実施例に対応する。バッテリ２２には、例えばリチウムイオン電池が用いられる。

　周波数検出器３０は、送電線２４上の交流電圧波形から当該電圧の周波数である系統周波数ｆを検出し、その検出値を示す信号を制御装置３１に与える。

　図２は、本実施の形態に係るＵＰＳ１００の構成例を示す回路ブロック図である。
　図２に示すように、ＵＰＳ１００は、電流検出器２，６，９、コンバータ３、直流ラインＬ１～Ｌ３、コンデンサＣ１，Ｃ２，１１、制御回路４，７，１４、双方向チョッパ５、インバータ８、リアクトル１０、および電磁接触器１２，１３を備える。コンバータ３、直流ラインＬ１～Ｌ３、コンデンサＣ１，Ｃ２，１１、双方向チョッパ５、インバータ８、リアクトル１０、および電磁接触器１２，１３は電力変換装置１（図１）を構成する。制御回路４，７，１４は制御装置３１（図１）を構成する。

　ＵＰＳ１００は、電力系統２０から供給される系統周波数ｆの交流電力によって駆動される。電力系統２０からの供給される交流入力電圧Ｖｉの瞬時値は、制御回路４，７によって検出される。電流検出器２は、電力系統２０からコンバータ３に流れる交流入力電流Ｉｉを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｆを制御回路４に与える。

　コンバータ３は、制御回路４によって制御され、電力系統２０の健全時には、交流電力を直流電力に変換して直流ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３に出力する。電力系統２０からの交流電力の供給が停止された場合（電力系統２０の停電時）には、コンバータ３の運転は停止される。

　コンバータ３は、電力系統２０の健全時には、電力系統２０から供給される交流電圧Ｖｉに基づいて３レベルの直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２，Ｖｄｃ３を生成し、直流電圧Ｖｄｃ１～Ｖｄｃ３をそれぞれ直流ラインＬ１～Ｌ３に出力する。直流電圧Ｖｄｃ１は正電圧であり、直流電圧Ｖｄｃ２は負電圧であり、直流電圧Ｖｄｃ３は接地電圧（０Ｖ）である。ＶＤＣ１＝Ｖｄｃ１－Ｖｄｃ３であり、ＶＤＣ２＝Ｖｄｃ３－Ｖｄｃ２であり、ＶＤＣ１＝ＶＤＣ２である。Ｖｄｃ１－Ｖｄｃ２＝ＶＤＣとすると、ＶＤＣ１＋ＶＤＣ２＝ＶＤＣである。

　コンデンサＣ１は、直流ラインＬ１，Ｌ３間に接続され、直流ラインＬ１，Ｌ３間の直流電圧ＶＤＣ１を平滑化させる。コンデンサＣ２は、直流ラインＬ３，Ｌ２間に接続され、直流ラインＬ２，Ｌ３間の直流電圧ＶＤＣ２を平滑化させる。直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣの瞬時値は、制御回路４によって検出される。

　制御回路４は、交流入力電圧Ｖｉの検出値に基づいて電力系統２０の停電が発生したか否かを検出する。電力系統２０の健全時には、制御回路４は、交流入力電圧Ｖｉ、交流入力電流Ｉｉおよび直流電圧ＶＤＣに基づいて、直流電圧ＶＤＣが所定の参照直流電圧ＶＤＣｒ（例えば、６６０Ｖ）になるようにコンバータ３を制御する。電力系統２０の停電時には、制御回路４は、コンバータ３の運転を停止させる。

　直流ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、インバータ８に接続されるとともに、双方向チョッパ５の高電圧側ノード５ａ，５ｂ，５ｃにそれぞれ接続される。双方向チョッパ５の低電圧側ノード５ｄ，５ｅは、それぞれバッテリ２２の正極および負極に接続される。バッテリ２２は、直流電力を蓄える。

　双方向チョッパ５は、制御回路７によって制御される。双方向チョッパ５は、電力系統２０の健全時には、コンバータ３によって生成された直流電力をバッテリ２２に蓄える。電力系統２０の停電が発生したときには、双方向チョッパ５は、バッテリ２２の直流電力を、直流ラインＬ１～Ｌ３を介してインバータ８に供給する。双方向チョッパ５は、バッテリ２２に直流電力を蓄える充電動作と、バッテリ２２の直流電力をインバータ８に供給する放電動作とを選択的に実行可能に構成されている。

　直流ラインＬ１，Ｌ３間の直流電圧ＶＤＣの瞬時値は、制御回路７によって検出される。直流ラインＬ１，Ｌ３間の直流電圧ＶＤＣ１の瞬時値と、直流ラインＬ３，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣ２の瞬時値とを加算して、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣの瞬時値を求めても構わない。

　電流検出器６は、双方向チョッパ５の低電圧側ノード５ｄとバッテリ２２の正極との間に流れる直流電流Ｉｂを検出し、その検出値を示す信号Ｉｂｆを制御回路７に与える。バッテリ２２の端子間電圧（以下、「バッテリ電圧」とも称する）ＶＢの瞬時値は、制御回路７によって検出される。

　制御回路７は、直流電圧ＶＤＣ、直流電流Ｉｂ、バッテリ電圧ＶＢおよび系統周波数ｆに基づいて、双方向チョッパ５を制御する。制御回路７は、交流入力電圧Ｖｉの検出値に基づいて電力系統２０の停電が発生したか否かを検出する。

　制御回路７は、電力系統２０の健全時には、コンバータ３によって生成された直流電力がバッテリ２２に蓄えられ、かつ、バッテリ電圧ＶＢが所定の参照直流電圧ＶＢｒ（例えば、４８０Ｖ）になるように双方向チョッパ５を制御する。また、制御回路７は、電力系統２０の停電が発生したことに応じて、バッテリ２２の直流電力がインバータ８に供給され、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣが所定の参照直流電圧ＶＤＣｒ（例えば、６６０Ｖ）になるように双方向チョッパ５を制御する。

　インバータ８は、制御回路１４によって制御され、コンバータ３または双方向チョッパ５から直流ラインＬ１～Ｌ３を介して供給される直流電力を系統周波数ｆの交流電力に変換し、商用交流電源２１の停電が発生したことに応じて、バッテリ２２から双方向チョッパ５を介して供給される直流電力を交流電力に変換する。インバータ８の交流出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。

　このとき、インバータ８は、直流ラインＬ１～Ｌ３の直流電圧Ｖｄｃ１～Ｖｄｃ３に基づいて、交流出力電圧Ｖｏを生成する。制御回路１４は、交流出力電圧Ｖｏおよび交流出力電流Ｉｏに基づいて、交流出力電圧Ｖｏが所定の参照交流電圧Ｖｏｒになるようにインバータ８を制御する。

　インバータ８の出力ノードはリアクトル１０の第１端子に接続され、リアクトル１０の第２端子（ノードＮ１）は電磁接触器１２を介して負荷２３に接続される。コンデンサ１１は、ノードＮ１と直流ラインＬ３との間に接続される。負荷２３の接地端子２３ａは、直流ラインＬ３に接続される。

　リアクトル１０およびコンデンサ１１は、低域通過フィルタを構成し、インバータ８で生成された系統周波数ｆの交流電力を負荷２３に通過させ、インバータ８で発生するスイッチング周波数の信号が負荷２３に通過することを防止する。

　電流検出器９は、インバータ８の出力電流Ｉｏの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｏｆを制御回路１４に与える。ノードＮ１に流れる交流出力電圧Ｖｏの瞬時値は、制御回路１４によって検出される。制御回路１４は、交流出力電圧Ｖｏおよび交流出力電流Ｉｏに基づいて、交流出力電圧Ｖｏが所定の参照交流電圧Ｖｏｒになるようにインバータ８を制御する。

　電磁接触器１２は、インバータ８によって生成された交流電力を負荷２３に供給するインバータ給電モード時にオンされ、電力系統２０からの交流電力を負荷２３に供給するバイパス給電モード時にはオフされる。

　電磁接触器１３は、電力系統２０と負荷２３との間に接続され、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はオンされる。また、インバータ給電モード時においてインバータ８が故障した場合には、電磁接触器１３がオンされるとともに電磁接触器１２がオフされ、電力系統２０からの交流電力が負荷２３に供給される。

　図３は、制御装置３１のハードウェア構成例を示すブロック図である。代表的には、制御装置３１は、所定のプログラムが予め記憶されたマイクロコンピュータによって構成することができる。

　図３の例では、制御装置３１は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）２００と、メモリ２０２と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路２０４とを含む。ＣＰＵ２００、メモリ２０２およびＩ／Ｏ回路２０４は、バス２０６を経由して、相互にデータの授受が可能である。メモリ２０２の一部領域にはプログラムが格納されており、ＣＰＵ２００が当該プログラムを実行することで、後述する各種機能を実現することができる。Ｉ／Ｏ回路２０４は、制御装置３１の外部との間で信号およびデータを入出力する。

　あるいは、図３の例とは異なり、制御装置３１の少なくとも一部については、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）またはＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）などの回路を用いて構成することができる。また、制御装置３１の少なくとも一部について、アナログ回路によって構成することもできる。

　図１に戻って、電力系統２０においては、発電電力と需要電力（負荷消費電力）とが均衡している場合、系統周波数ｆは一定周波数（以下、「基準周波数ｆｒ」とも称する）に保たれる。基準周波数ｆｒは、例えば、公称値である５０［Ｈｚ］または６０［Ｈｚ］に対応した設定値である。

　しかしながら、発電電力と需要電力との不均衡が生じると、系統周波数ｆの変動が起こる。具体的には、発電電力が需要電力よりも大きくなると（すなわち、発電過多になると）、系統周波数ｆは上昇する。発電電力が需要電力よりも小さくなると（すなわち、需要過多になると）、系統周波数ｆは低下する。系統周波数ｆが変動することによって、需要家の電気機器の運転に影響を与えるだけでなく、電力系統２０の停電を引き起こす可能性がある。

　電力系統２０には、商用交流電源２１からの電力に加えて、ＰＣＳ２５から交流電力Ｐｄが供給される。ただし、分散型電源２６の出力は環境要因に大きく左右される。例えば、分散型電源２６が太陽光発電装置または風力発電装置である場合には、天候などの気象条件、時間帯および季節などによって出力が変動する。そのため、分散型電源２６の導入比率が高くなるに従って、電力系統２０における発電電力の変動が大きくなる。

　なお、発電所に用いられるタービン発電機は周波数を維持しようとする力（慣性力）を有しているが、分散型電源２６は慣性力を有していない。そのため、分散型電源２６の導入比率が高くなると、タービン発電機の慣性力によって周波数変動を補償することができず、電力系統２０の停電に繋がる可能性が高くなる。

　図４は、系統周波数ｆの変化を示す周波数変化量Δｆを説明する図である。
　図４の縦軸には、周波数変化量Δｆが、周波数上昇方向を正方向とし、周波数低下方向を負方向として示される。周波数変化量Δｆは、基準周波数ｆｒに対する現在の系統周波数ｆの偏差として算出することができる。図４の横軸には、需要電力と発電電力との差分を示す差分電力ΔＰが、需要電力が発電電力を上回る需要過多を正値、発電電力が需要電力を上回る発電過多を負値として示される（ΔＰ＝需要電力－発電電力）。

　図４に示すように、ΔＰ＝０のとき、すなわち、需要電力と発電電力とが均衡しているときには、Δｆ＝０となる。需要過多（ΔＰ＞０）の場合にはΔｆ＜０となり、発電過多（ΔＰ＜０）の場合にはΔｆ＞０となる。

　図４の例では、ΔｆとΔＰとは比例関係を有している。この比例関係を示す直線の傾きは、電力系統２０の特性によって決まる。図４の例では直線の傾きが一定であるが、電力系統の特性によっては、ΔＰの大きさに応じて直線の傾きが変化する場合がある。

　電力系統２０が需要過多（ΔＰ＞０）である場合には、発電電力をΔＰ相当分増やす、もしくは、需要電力をΔＰ相当分減らすことによってΔＰ＝０となり、結果的にΔｆ＝０とすることができる。一方、電力系統２０が発電過多（ΔＰ＜０）である場合には、発電電力をΔＰ相当分減らす、もしくは、需要電力をΔＰ相当分増やすことによってΔＰ＝０となり、結果的にΔｆ＝０とすることができる。

　図１に示す電力系統２０において、ＵＰＳ１００は、電力系統２０の健全時に、電力系統２０から供給される交流電力Ｐｓを用いて系統周波数ｆの交流電力を生成して負荷２３に供給するとともに、交流電力Ｐｓの一部を直流電力に変換してバッテリ２２に蓄える。電力系統２０の停電が発生したときには、ＵＰＳ１００は、バッテリ２２に蓄えられた直流電力を用いて系統周波数ｆの交流電力を生成して負荷２３に供給する。

　このようにＵＰＳ１００は、電力系統２０の停電補償のために、バッテリ２２に蓄えられた直流電力を使用するように構成されている。そのため、電力系統２０の健全時にはバッテリ２２の直流電力が使用されず、バッテリ２２が活用されているとは言いがたい。

　このような課題に対して、本実施の形態に係るＵＰＳ１００は、電力系統２０の健全時、バッテリ２２を利用して系統周波数ｆの変動を補償するように構成される。具体的には、ＵＰＳ１００は、電力系統２０における発電電力の変動に応じて、ΔＰ＝０となるように需要電力を調整することにより、系統周波数ｆの変動を補償する。図５および図６は、ＵＰＳ１００による周波数補償を概念的に示す図である。

　図５には、電力系統２０が需要過多（ΔＰ＞０）である場合における周波数補償が示されている。図５中の矢印は、電力系統２０からＵＰＳ１００に供給される電力Ｐｓと、バッテリ２２からＵＰＳ１００に供給される電力Ｐｂとを示している。すなわち、ＵＰＳ１００は、電力Ｐｓと電力Ｐｂとを加算した電力を負荷２３に供給する。

　なお、以下の説明では、バッテリ２２の正極から双方向チョッパ５の低電圧側ノード５ｄに向かって直流電流Ｉｂが流れる方向を正方向とし、バッテリ２２の直流電力を放電させる場合の電力（放電電力）Ｐｂを正値とする。一方、双方向チョッパ５の低電圧側ノード５ｄからバッテリ２２の正極に向かって直流電流Ｉｂが流れる方向を負方向とし、バッテリ２２に直流電力を充電させる場合の電力（充電電力）Ｐｂを負値とする。

　図４に示したように、電力系統２０が需要過多（ΔＰ＞０）である場合には、系統周波数ｆが低下するため、周波数変化量Δｆ＜０となる。この場合、周波数変化量Δｆに対応する差分電力ΔＰ相当分の需要電力を減らすことができれば、需要過多を解消して、系統周波数ｆの低下を補償することができる。

　そこで、ＵＰＳ１００は、バッテリ２２から差分電力ΔＰ相当分の電力Ｐｂを放電させるように、双方向チョッパ５を動作させる。バッテリ２２の放電電力Ｐｂを差分電力ΔＰと等しくすることにより、電力系統２０からＵＰＳ１００に供給される電力Ｐｓを、差分電力ΔＰ相当分減らすことができる。その結果、電力系統２０の需要電力が差分電力ΔＰ相当分減少して発電電力と均衡するため、系統周波数ｆの低下が補償される。

　図６には、電力系統２０が発電過多（ΔＰ＜０）である場合における周波数補償が示される。図６中の矢印は、電力系統２０からＵＰＳ１００に供給される電力Ｐｓと、ＵＰＳ１００からバッテリ２２に供給される電力（充電電力）Ｐｂとを示している。すなわち、電力Ｐｓから電力Ｐｂを減算した電力が負荷２３に供給される。

　図４に示したように、電力系統２０が発電過多（ΔＰ＜０）である場合には、系統周波数ｆが上昇するため、周波数変化量Δｆ＞０となる。この場合、差分電力ΔＰ相当分需要電力を増やすことができれば、発電過多が解消して、系統周波数ｆの上昇を補償することができる。

　そこで、ＵＰＳ１００は、差分電力ΔＰ相当分の電力Ｐｂをバッテリ２２に充電するように、双方向チョッパ５を動作させる。バッテリ２２の充電電力Ｐｂを差分電力ΔＰと等しくすることにより、電力系統２０からＵＰＳ１００に供給される電力Ｐｓを、差分電力ΔＰ相当分増やすことができる。その結果、電力系統２０の需要電力が差分電力ΔＰ相当分増加して発電電力と均衡するため、系統周波数ｆの上昇が補償される。

　このように本実施の形態に係るＵＰＳ１００は、電力系統２０の健全時、バッテリ２２に直流電力を充電する、またはバッテリ２２から直流電力を放電させることによって電力系統２０からＵＰＳ１００に供給される電力Ｐｓを調整することにより、電力系統２０の需要電力を調整するように構成される。したがって、ＵＰＳ１００が、周波数変化量Δｆから算出される差分電力ΔＰに応じてバッテリ２２を充電または放電させることによって電力系統２０の需要電力を調整することにより、需要電力と発電電力とを均衡させて系統周波数ｆの変動を補償することが可能となる。

　以下、本実施の形態に係るＵＰＳ１００による周波数補償について詳細に説明する。周波数補償は、主に、双方向チョッパ５および制御回路７によって実現される。

　図７は、双方向チョッパ５の構成を示す回路図である。
　図７に示すように、双方向チョッパ５は、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）Ｑ１～Ｑ４、ダイオードＤ１～Ｄ４、リアクトルＸ１，Ｘ２、およびコンデンサＣ１１，Ｃ１２を含む。

　ＩＧＢＴＱ１のコレクタは高電圧側ノード５ａに接続され、そのエミッタはリアクトルＸ１を介して低電圧側ノード５ｄに接続されるとともに、ＩＧＢＴＱ２のコレクタに接続される。ＩＧＢＴＱ２のエミッタは、高電圧側ノード５ｃに接続され、ＩＧＢＴＱ３のコレクタに接続される。ＩＧＢＴＱ３のエミッタはリアクトルＸ２を介して低電圧側ノード５ｅに接続されるとともに、ＩＧＢＴＱ４のコレクタに接続される。ＩＧＢＴＱ４のエミッタは、高電圧側ノード５ｂに接続される。

　ダイオードＤ１～Ｄ４は、それぞれＩＧＢＴＱ１～Ｑ４に逆並列に接続される。コンデンサＣ１１は、高電圧側ノード５ａ，５ｃ間に接続され、高電圧側ノード５ａ，５ｃ間の直流電圧ＶＤＣ１を安定化させる。コンデンサＣ１２は、高電圧側ノード５ｃ，５ｂ間に接続され、高電圧側ノード５ｃ，５ｂ間の直流電圧ＶＤＣ２を安定化させる。

　ＩＧＢＴＱ１およびＩＧＢＴＱ４は、電力系統２０の健全時に電力系統２０が発電過多（ΔＰ＜０）となったことに応じて、所定周波数でオンおよびオフされ、コンバータ３によって生成された直流電力をバッテリ２２に蓄える。電力系統２０が発電過多のときには、ＩＧＢＴＱ２，Ｑ３はオフ状態に固定される。

　ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４は、制御回路７からのゲート信号Ｓ１によって制御される。ゲート信号Ｓ１は、所定周波数で交互にＨ（論理ハイ）レベルおよびＬ（論理ロー）レベルにされる。ゲート信号Ｓ１がＨレベルにされるとＩＧＢＴＱ１，Ｑ４がオンし、ゲート信号Ｓ１がＬレベルにされるとＩＧＢＴＱ１，Ｑ４がオフする。

　ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４がオンされると、直流ラインＬ１からＩＧＢＴＱ１、リアクトルＸ１、バッテリ２２、リアクトルＸ２およびＩＧＢＴＱ４を介して直流ラインＬ２に至る経路に電流Ｉｂが流れ、バッテリ２２が充電されるとともに、リアクトルＸ１，Ｘ２に電磁エネルギーが蓄えられる。

　ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４がオフされると、リアクトルＸ１の第１端子（バッテリ２２側の端子）からバッテリ２２、リアクトルＸ２およびダイオードＤ３，Ｄ２を介してリアクトルＸ１の第２端子に至る経路で電流が流れ、バッテリ２２が充電されるとともに、リアクトルＸ１，Ｘ２の電磁エネルギーが放出される。

　ゲート信号Ｓ１がＨレベルにされる時間（パルス幅）と１周期との比は、デューティ比と呼ばれる。ゲート信号Ｓ１のデューティ比を調整することにより、バッテリ電圧ＶＢを所定の参照直流電圧ＶＢｒに調整することができる。または、ゲート信号Ｓ１のデューティ比を調整することにより、バッテリ２２に充電される直流電力（充電電力）Ｐｂを所定の参照直流電力Ｐｂｒに調整することができる。直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣ＝ＶＤＣ１＋ＶＤＣ２は降圧されてバッテリ２２に与えられ、ＶＢ＜ＶＤＣとなる。

　ＩＧＢＴＱ２およびＩＧＢＴＱ３は、電力系統２０の健全時に電力系統２０が需要過多（ΔＰ＞０）となったこと、または、電力系統２０の停電が発生したことに応じて、所定周波数でオンおよびオフされ、バッテリ２２の直流電力をインバータ８に供給する。電力系統２０が需要過多のとき、または電力系統２０の停電時には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４はオフ状態に固定される。

　ＩＧＢＴＱ２，Ｑ３は、制御回路７からのゲート信号Ｓ２によって制御される。ゲート信号Ｓ２は、所定周波数で交互にＨレベルおよびＬレベルにされる。ゲート信号Ｓ２がＨレベルにされるとＩＧＢＴＱ２，Ｑ３がオンし、ゲート信号Ｓ２がＬレベルにされるとＩＧＢＴＱ２，Ｑ３がオフする。

　ＩＧＢＴＱ２，Ｑ３がオンされると、バッテリ２２の正極からリアクトルＸ１，ＩＧＢＴＱ２，Ｑ３およびリアクトルＸ２を介してバッテリ２２の負極に電流が流れ、リアクトルＸ１，Ｘ２に電磁エネルギーが蓄えられる。ＩＧＢＴＱ２，Ｑ３がオフされると、リアクトルＸ１からＩＧＢＴＱ２に流れていた電流がリアクトルＸ１からダイオードＤ１に転流され、コンデンサＣ１１，Ｃ１２、ダイオードＤ４およびリアクトルＸ２を介してバッテリ２２の負極に流れ、コンデンサＣ１１，Ｃ１２が充電されるとともに、リアクトルＸ１，Ｘ２の電磁エネルギーが放出される。

　ゲート信号Ｓ２がＨレベルにされる時間（パルス幅）と１周期との比は、デューティ比と呼ばれる。ゲート信号Ｓ２のデューティ比を調整することにより、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣ＝ＶＤＣ１＋ＶＤＣ２を所定の参照直流電圧ＶＤＣｒに調整することができる。または、ゲート信号Ｓ２のデューティ比を調整することにより、バッテリ２２から放電される直流電力（放電電力）Ｐｂを所定の参照直流電力Ｐｂｒに調整することができる。バッテリ電圧ＶＢは昇圧されて直流ラインＬ１，Ｌ２間に与えられ、ＶＢ＜ＶＤＣとなる。

　図８は、制御回路７の構成を示すブロック図である。
　図８に示すように、制御回路７は、電圧検出器３２，３４，３６、周波数補償部７０、充電制御部７２、放電制御部７４、ＳＯＣ（State　Of　Charge）算出部７６、停電検出器７８、およびＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）制御部８０を含む。

　周波数補償部７０は、周波数検出器３０によって検出された系統周波数ｆを用いて、系統周波数ｆの変化（上昇または低下）を示す周波数変化量Δｆを算出する。周波数補償部７０は、予め取得されている電力系統２０の特性（図４参照）を参照することにより、周波数変化量Δｆに基づいて、電力系統２０における需要電力と発電電力との差分を示す差分電力ΔＰを算出する。周波数補償部７０は、算出された差分電力ΔＰ相当分の直流電力Ｐｂがバッテリ２２に対して充電または放電されるように直流電流Ｉｂを制御するための電流指令値Ｉｂ＊を生成する。電流指令値Ｉｂ＊はＰＷＭ制御部８０へ入力される。

　電圧検出器３２は、バッテリ２２の端子間電圧（バッテリ電圧）ＶＢを検出し、検出値を示す信号ＶＢｆを出力する。電圧検出器３４は、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣを検出し、検出値を示す信号ＶＤＣｆを出力する。電圧検出器３６は、交流入力電圧Ｖｉを検出し、検出値を示す信号Ｖｉｆを出力する。

　充電制御部７２は、バッテリ電圧ＶＢの目標電圧である参照直流電圧ＶＢｒを生成する。充電制御部７２は、電圧検出器３２の出力信号ＶＢｆによって示されるバッテリ電圧ＶＢに基づいて、バッテリ電圧ＶＢが参照直流電圧ＶＢｒになるように電圧指令値ＶＢ＊を生成する。電圧指令値ＶＢ＊はＰＷＭ制御部８０に入力される。

　放電制御部７４は、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣの目標電圧である参照直流電圧ＶＤＣｒを生成する。放電制御部７４は、電圧検出器３４の出力信号ＶＤＣｆによって示される直流電圧ＶＤＣに基づいて、直流電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＣｒになるように電圧指令値ＶＤＣ＊を生成する。電圧指令値ＶＤＣ＊はＰＷＭ制御部８０に入力される。

　ＳＯＣ算出部７６は、バッテリ電圧ＶＢの検出値および／または直流電流Ｉｂの検出値を用いて、バッテリ２２のＳＯＣを算出する。バッテリ２２のＳＯＣは、バッテリ２２の蓄電量を示す値であり、例えば、バッテリ２２の満充電容量に対する現在の蓄電量を百分率で表したものである。ＳＯＣの算出方法については、直流電流Ｉｂの積算値を用いる手法、バッテリ２２の開回路電圧（ＯＣＶ：Open　Circuit　Voltage）とＳＯＣとの関係を示すＯＣＶ－ＳＯＣカーブを用いる手法など、公知の手法を用いることができる。ＳＯＣの算出値を示す信号ＳＯＣｆはＰＷＭ制御部８０に入力される。

　停電検出器７８は、電圧検出器３６による交流入力電圧Ｖｉの検出値に基づいて、電力系統２０の停電が発生したか否かを検出し、検出結果を示す信号ＤＥＴを出力する。交流入力電圧Ｖｉが予め設定された正常範囲内である場合には、停電検出器７８は、電力系統２０が健全であると判定し、Ｌレベルの信号ＤＥＴを出力する。交流入力電圧Ｖｉが正常範囲よりも低い場合には、停電検出器７８は、電力系統２０の停電が発生していると判定し、Ｈレベルの信号ＤＥＴを出力する。停電検出器７８の出力信号ＤＥＴはＰＷＭ制御部８０に与えられる。

　図９は、図８に示した周波数補償部７０、充電制御部７２および放電制御部７４の構成例を示すブロック図である。

　図９に示すように、周波数補償部７０は、減算器４０，４６、乗算器４２、除算器４４、および電流制御部４８を有する。減算器４０は、周波数検出器３０による系統周波数ｆの検出値から系統周波数の基準値（基準周波数）ｆｒを減算することにより、周波数変化量Δｆを算出する。減算器４０は、「周波数変化算出部」の一実施例に対応する。

　基準周波数ｆｒは、例えば、公称値である５０［Ｈｚ］または６０［Ｈｚ］に対応した設定値である。系統周波数ｆの上昇時には、周波数変化量Δｆは正の極性を有し（Δｆ＞０）、系統周波数ｆの低下時には、周波数変化量Δｆは負の極性を有する（Δｆ＜０）。なお、周波数変化量Δｆの算出方法は、上述の例に限定されるものではない。系統周波数の上昇および低下を表すことができるのであれば、極性（正／負）の定義の変更を含め、任意の手法によって周波数変化量Δｆを算出することが可能である。

　乗算器４２は、周波数変化量Δｆに補償ゲインＫを乗算することにより、差分電力ΔＰを算出する。補償ゲインＫは、予め取得されている電力系統２０の特性（図４参照）に基づいて決定することができる。図４の例では、ΔｆとΔＰとは比例関係を有することから、当該比例関係を示す直線の傾きに基づいて、補償ゲインＫを決定することができる。乗算器４２は「演算部」の一実施例に対応する。

　なお、ΔｆとΔＰとの関係は、電力系統ごとに異なっており、図４に示されるような比例関係に限定されるものではない。例えば、ΔＰの大きさが大きくなるほど、Δｆの変化レートが大きくなる傾向を有する非線形の関係となる場合がある。このような場合には、当該非線形の関係を参照することにより、周波数変化量Δｆに基づいて差分電力ΔＰを算出することができる。

　除算器４４は、差分電力ΔＰを、電圧検出器３２の出力信号ＶＢｆによって示されるバッテリ電圧ＶＢで除算することによって、直流電流Ｉｂの目標電流ある参照直流電流Ｉｂｒを算出する。

　減算器４６は、参照直流電流Ｉｂｒと、電流検出器６の出力信号Ｉｂｆによって示される直流電流Ｉｂとの偏差ΔＩｂ＝Ｉｂｒ－Ｉｂを求める。電流制御部４８は、偏差ΔＩｂに比例した値と偏差ΔＩｂの積分値とを加算して電流指令値Ｉｂ＊を生成する。

　充電制御部７２は、参照電圧生成部５０、減算器５２および電圧制御部５４を含む。参照電圧生成部５０は、バッテリ電圧ＶＢの目標電圧である参照直流電圧ＶＢｒを生成する。例えば、参照電圧生成部５０は、バッテリ２２のＯＣＶ－ＳＯＣカーブにおいてＳＯＣが所定の閾値ＳｔｈとなるときのＯＣＶに対応して、参照直流電圧ＶＢｒを設定する。

　減算器５２は、参照直流電圧ＶＢｒと、電圧検出器３２の出力信号ＶＢｆによって示されるバッテリ電圧ＶＢとの偏差ΔＶＢ＝ＶＢｒ－ＶＢを求める。電圧制御部５４は、偏差ΔＶＢに比例した値と偏差ΔＶＢの積分値とを加算して電圧指令値ＶＢ＊を生成する。

　充電制御部７２は、参照電圧生成部６０、減算器６２および電圧制御部６４を含む。参照電圧生成部６０は、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣの目標電圧である参照直流電圧ＶＤＣｒを生成する。減算器６２は、参照直流電圧ＶＤＣｒと、電圧検出器３４の出力信号ＶＤＣｆによって示される直流電圧ＶＤＣとの偏差ΔＶＤＣ＝ＶＤＣｒ－ＶＤＣを求める。電圧制御部６４は、偏差ΔＶＤＣに比例した値と偏差ΔＶＤＣの積分値とを加算して電圧指令値ＶＤＣ＊を生成する。

　ＰＷＭ制御部８０は、停電検出器７８の出力信号ＤＥＴ、ＳＯＣ算出部７６の出力信号ＳＯＣｆ、および周波数変化量Δｆに基づいて、周波数補償部７０からの電流指令値Ｉｂ＊、充電制御部７２からの電圧指令値ＶＢ＊および放電制御部７４からの電圧指令値ＶＤＣ＊のうちのいずれか１つを選択する。ＰＷＭ制御部８０は、選択した指令値と所定周波数の搬送波信号ＣＷとの比較結果に基づいて、ゲート信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。

　具体的には、ＰＷＭ制御部８０は、停電検出器７８の出力信号ＤＥＴがＨレベルである場合（電力系統２０の停電時）には、放電制御部７４からの電圧指令値ＶＤＣ＊を選択する。ＰＷＭ制御部８０は、電圧指令値ＶＤＣ＊と搬送波信号ＣＷとの比較結果に基づいてゲート信号Ｓ２を生成するとともに、ゲート信号Ｓ１をＬレベルに固定する。

　一方、ＰＷＭ制御部８０は、停電検出器７８の出力信号ＤＥＴがＬレベルである場合（電力系統２０の健全時）には、周波数変化量ΔｆおよびＳＯＣ算出部７６の出力信号ＳＯＣｆによって示されるバッテリ２２のＳＯＣに応じて、電流指令値Ｉｂ＊、電圧指令値ＶＢ＊および電圧指令値ＶＤＣ＊のうちのいずれか１つを選択する。

　ここで、ＵＰＳ１００において、電力系統２０の停電時のバックアップ電源としての本来の機能（停電補償機能）と、上述した周波数補償機能とを両立させるために、バッテリ２２のＳＯＣには、バッテリ２２の充電および放電ならびに周波数補償を行うための目安となる判定値Ｓｍｉｎ，Ｓｍａｘ，Ｓｔｈが設定されている。図１０は、バッテリ２２のＳＯＣに設定された判定値を説明するための図である。ＳＯＣ＝０％はバッテリ２２の空状態に対応し、ＳＯＣ＝１００％はバッテリ２２の満充電状態に対応する。

　図１０に示すように、ＳＯＣには、過充電を防止するためにバッテリ２２の充電を禁止する禁止領域と、過放電を防止するためのバッテリ２２の放電を禁止する禁止領域とが設定されている。ＳＯＣの制御範囲は、これらの禁止領域に基づいて設定された上限値Ｓｍａｘおよび下限値Ｓｍｉｎを有している。ＳＯＣ＞Ｓｍａｘになるとバッテリ２２の充電が禁止され、ＳＯＣ＜Ｓｍｉｎになるとバッテリ２２の放電が禁止される。

　このＳＯＣの制御範囲内において、バッテリ２２の充電量は、閾値Ｓｔｈによって、バックアップ用充電量と周波数補償用充電量とに区分される。停電補償用充電量とは、電力系統２０の停電が発生したときに、バッテリ２２から負荷２３に対して所定時間以上電力を供給し続けるために必要な充電量である。負荷２３に対する停電補償を実現するためには、電力系統２０の健全時においてＳＯＣ≧Ｓｔｈを維持する必要がある。

　周波数補償用充電量は、系統周波数ｆの低下を補償するためにバッテリ２２から直流電力を放電させる、または、系統周波数ｆの上昇を補償するためにバッテリ２２に直流電力を充電するために用いられる充電量である。Ｓｔｈ≦ＳＯＣ≦Ｓｍａｘの範囲内で、周波数補償機能が実行される。ＳＯＣ＜Ｓｔｈになると、周波数補償のためのバッテリ２２の放電が禁止される。これにより、負荷２３に対する停電補償が守られる。また、ＳＯＣ＞Ｓｍａｘとなると、周波数補償のためのバッテリ２２の充電が禁止される。

　ＰＷＭ制御部８０は、ＳＯＣ算出部７６の出力信号ＳＯＣｆによって示されるバッテリ２２のＳＯＣと判定値Ｓｍｉｎ，Ｓｍａｘ，Ｓｍｉｎとを比較し、比較結果および周波数変化量Δｆに基づいて、電流指令値Ｉｂ＊、電圧指令値ＶＢ＊および電圧指令値ＶＤＣ＊のうちのいずれか１つを選択する。

　図１１は、図８に示したＰＷＭ制御部８０の構成例を示すブロック図である。
　図１１に示すように、ＰＷＭ制御部８０は、三角波発生器８１、比較器８２～８５、セレクタ８６、信号出力回路８７、および乗算器８８を含む。

　三角波発生器８１は、所定周波数の搬送波信号ＣＷを生成する。搬送波信号ＣＷは、例えば三角波信号である。乗算器８８は、搬送波信号ＣＷの極性を反転させる。

　比較器８２は、充電制御部７２（図８）からの電圧指令値ＶＢ＊と搬送波信号ＣＷとの高低を比較し、比較結果を示すＰＷＭ信号φ１Ａを出力する。ＶＢ＊＞ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ１ＡはＨレベルにされ、ＶＢ＊＜ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ１ＡはＬレベルにされる。

　比較器８３は、放電制御部７４（図８）からの電圧指令値ＶＤＣ＊と搬送波信号ＣＷとの高低を比較し、比較結果を示すＰＷＭ信号φ２Ａを出力する。ＶＤＣ＊＞ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ２ＡはＨレベルにされ、ＶＤＣ＊＜ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ２ＡはＬレベルにされる。

　比較器８４は、周波数補償部７０（図８）からの電流指令値Ｉｂ＊と搬送波信号ＣＷとの高低を比較し、比較結果を示すＰＷＭ信号φ２Ｂを出力する。Ｉｂ＊＞ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ２ＢはＨレベルにされ、Ｉｂ＊＜ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ２ＢはＬレベルにされる。比較器８４は、電流指令値Ｉｂ＊が正値である場合（バッテリ２２の放電時）に、ＰＷＭ信号φ２Ｂを生成する。

　比較器８５は、周波数補償部７０（図８）からの電流指令値Ｉｂ＊と、極性を反転させた搬送波信号ＣＷとの高低を比較し、比較結果を示すＰＷＭ信号φ１Ｂを出力する。Ｉｂ＊＞ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ１ＢはＨレベルにされ、Ｉｂ＊＜ＣＷの場合はＰＷＭ信号φ１ＢはＬレベルにされる。比較器８５は、電流指令値Ｉｂ＊が負値である場合（バッテリ２２の充電時）に、ＰＷＭ信号φ１Ｂを生成する。

　セレクタ８６は、停電検出器７８（図８）の出力信号ＤＥＴ、ＳＯＣ算出部７６（図８）の出力信号ＳＯＣｆおよび周波数変化量Δｆに基づいて、ＰＷＭ信号φ１Ａ，φ２Ａ，φ１Ｂ，φ２Ｂのうちのいずれか１つを選択する。

　具体的には、セレクタ８６は、停電検出器７８の出力信号ＤＥＴがＨレベルである場合（電力系統２０の停電時）には、ＰＷＭ信号φ２Ａを選択し、選択したＰＷＭ信号φ２ＡをＰＷＭ信号φ２として信号出力回路８７に与える。

　停電検出器７８の出力信号ＤＥＴがＬレベルであって（電力系統２０の健全時）、バッテリ２２のＳＯＣが閾値Ｓｔｈ未満である場合には、セレクタ８６は、ＰＷＭ信号φ１Ａを選択し、選択したＰＷＭ信号φ１ＡをＰＷＭ信号φ１として信号出力回路８７に与える。

　停電検出器７８の出力信号ＤＥＴがＬレベルであって（電力系統２０の健全時）、バッテリ２２のＳＯＣが閾値Ｓｔｈ以上である場合には、セレクタ８６は、周波数変化量Δｆに応じて、ＰＷＭ信号φ１Ｂ，φ２Ｂのいずれかを選択する。具体的には、Δｆ＞０の場合には、セレクタ８６は、ＰＷＭ信号φ１Ｂを選択し、選択したＰＷＭ信号φ１ＢをＰＷＭ信号φ１として信号出力回路８７に与える。Δｆ＜０の場合には、セレクタ８６は、ＰＷＭ信号φ２Ｂを選択し、選択したＰＷＭ信号φ２ＢをＰＷＭ信号φ２として信号出力回路８７に与える。

　信号出力回路８７は、セレクタ８６から与えられるＰＷＭ信号φ１，φ２に基づいて、ゲート信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。具体的には、信号出力回路８７は、セレクタ８６からＰＷＭ信号φ１が与えられた場合には、ＰＷＭ信号φ１に増幅およびレベル変換処理を施し、ＰＷＭ信号φ１と同じ波形のゲート信号Ｓ１を生成して、双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ１，Ｑ４のゲートに与える。この場合、信号出力回路８７は、ゲート信号Ｓ２をＬレベルに固定する。

　これによると、（１）電力系統２０の健全時であって、ＳＯＣ＜Ｓｔｈである場合、または、（２）電力系統２０の健全時であって、ＳＯＣ≧Ｓｔｈ、かつ、Δｆ＞０（発電過多）である場合には、このゲート信号Ｓ１によって双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ１，Ｑ４がオンおよびオフされ、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣが降圧されてバッテリ２２に供給される。

　信号出力回路８７は、セレクタ８６からＰＷＭ信号φ２が与えられた場合には、ＰＷＭ信号φ２に増幅およびレベル変換処理を施し、ＰＷＭ信号φ２と同じ波形のゲート信号Ｓ２を生成して、双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ２，Ｑ３のゲートに与える。この場合、信号出力回路８７は、ゲート信号Ｓ１をＬレベルに固定する。

　これによると、（３）電力系統２０の停電時、または、（４）電力系統２０の健全時であって、ＳＯＣ≧Ｓｔｈ、かつ、Δｆ＜０（需要過多）である場合には、このゲート信号Ｓ２によって双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ２，Ｑ３がオンおよびオフされ、バッテリ電圧ＶＢが昇圧され、直流ラインＬ１，Ｌ２を介してインバータ８に供給される。

　図１２は、制御回路７による双方向チョッパ５の動作を説明するためのフローチャートである。図１２のフローチャートは、ＵＰＳ１００の作動時に、制御回路７によって繰り返し実行される。

　図１２に示されるように、制御回路７は、ステップ（以下、単に「Ｓ」と表記する）０１により、電圧検出器３６による交流入力電圧Ｖｉの検出値に基づいて、電力系統２０の停電が発生しているか否かを判定する。交流入力電圧Ｖｉが正常範囲内である場合にはＳ０１はＮＯ判定とされ、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲よりも低い場合にはＳ０１はＹＥＳ判定とされる。

　電力系統２０の停電が発生している場合（Ｓ０１のＹＥＳ判定時）、制御回路７は、Ｓ０２により、バッテリ２２のＳＯＣと制御範囲の下限値Ｓｍｉｎとを比較する。

　ＳＯＣ≧Ｓｍｉｎである場合（Ｓ０２のＹＥＳ判定時）、制御回路７は、Ｓ０３に進み、バッテリ２２から直流電力を放電させるように双方向チョッパ５を制御する。Ｓ０３では、制御回路７は、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＣｒになるように電圧指令値ＶＤＣ＊を生成する。そして、制御回路７は、電圧指令値ＶＤＣ＊に基づいて生成されたＰＷＭ信号φ２Ａと同じ波形を有するゲート信号Ｓ２によって双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ２，Ｑ３をオンおよびオフさせる。これにより、バッテリ２２の直流電力Ｐｂが双方向チョッパ５によってインバータ８に供給され、交流電力に変換されて負荷２３に供給される。

　バッテリ２２の放電中、制御回路７は、Ｓ０４により、バッテリ２２のＳＯＣと下限値Ｓｍｉｎとを比較する。ＳＯＣ≧Ｓｍｉｎであれば（Ｓ０４のＹＥＳ判定時）、Ｓ０３によるバッテリ２２の放電を継続する。ＳＯＣ＜Ｓｍｉｎになると（Ｓ０４のＮＯ判定時）、制御回路７は、Ｓ０５により、双方向チョッパ５の運転を停止することにより、バッテリ２２の放電を停止する。

　Ｓ０１に戻って、電力系統２０が健全である場合（Ｓ０１のＮＯ判定時）、制御回路７は、Ｓ０６に進み、バッテリ２２のＳＯＣと閾値Ｓｔｈとを比較する。

　ＳＯＣ＜Ｓｔｈである場合（Ｓ０６のＮＯ判定時）、制御回路７は、Ｓ０７に進み、バッテリ２２に直流電力を充電するように双方向チョッパ５を制御する。Ｓ０７では、制御回路７は、バッテリ電圧ＶＢが参照直流電圧ＶＢｒになるように電圧指令値ＶＢ＊を生成する。そして、制御回路７は、電圧指令値ＶＢ＊に基づいて生成されたＰＷＭ信号φ１Ａと同じ波形を有するゲート信号Ｓ１によって双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ１，Ｑ４をオンおよびオフさせる。これにより、コンバータ３によって生成された直流電力の一部は双方向チョッパ５によってバッテリ２２に蓄えられる。

　バッテリ２２の充電中、制御回路７は、Ｓ０８により、バッテリ２２のＳＯＣと閾値Ｓｔｈとを比較する。ＳＯＣ＜Ｓｔｈであれば（Ｓ０８のＮＯ判定時）、Ｓ０７によるバッテリ２２の充電を継続する。ＳＯＣ≧Ｓｔｈになると（Ｓ０８のＹＥＳ判定時）、制御回路７は、Ｓ０９により、双方向チョッパ５の運転を停止することにより、バッテリ２２の充電を停止する。

　Ｓ０６に戻って、ＳＯＣ≧Ｓｔｈである場合（Ｓ０６のＹＥＳ判定時）、制御回路７は、Ｓ１０により、周波数変化量Δｆの極性を判定する。

　Δｆ＜０である場合（Ｓ１０のＹＥＳ判定時）、制御回路７は、電力系統２０が需要過多であると判定する。この場合、制御回路７は、Ｓ１１において、周波数変化量Δｆに基づいて差分電力ΔＰを算出し、算出した差分電力ΔＰ相当分の直流電力Ｐｂをバッテリ２２から放電させるように、双方向チョッパ５を制御する（図５参照）。

　Ｓ１１では、制御回路７は、直流電流Ｉｂが、差分電力ΔＰから算出された参照直流電流Ｉｂｒになるように電流指令値Ｉｂ＊を生成する。そして、制御回路７は、電流指令値Ｉｂ＊に基づいて生成されたＰＷＭ信号φ２Ｂと同じ波形を有するゲート信号Ｓ２によって双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ２，Ｑ３をオンおよびオフさせる。これにより、差分電力ΔＰに相当する直流電力Ｐｂがバッテリ２２から放電されてインバータ８に供給され、交流電力に変換されて負荷２３に供給される。差分電力ΔＰ相当分の直流電力Ｐｂがバッテリ２２から放電されることによって、電力系統２０からＵＰＳ１に供給される交流電力Ｐｓが差分電力ΔＰ相当分減少する。その結果、電力系統２０において需要過多が解消され、系統周波数ｆの低下が補償される。

　Ｓ１０に戻って、Δｆ＞０である場合（Ｓ１０のＮＯ判定時）、制御回路７は、電力系統２０が発電過多であると判定する。この場合、制御回路７は、Ｓ１２において、周波数変化量Δｆに基づいて差分電力ΔＰを算出し、算出した差分電力ΔＰ相当分の直流電力Ｐｂをバッテリ２２に充電するように、双方向チョッパ５を制御する（図６参照）。

　Ｓ１２では、制御回路７は、直流電流Ｉｂが、差分電力ΔＰから算出された参照直流電流Ｉｂｒになるように電流指令値Ｉｂ＊を生成する。そして、制御回路７は、電流指令値Ｉｂ＊に基づいて生成されたＰＷＭ信号φ１Ｂと同じ波形を有するゲート信号Ｓ１によって双方向チョッパ５のＩＧＢＴＱ１，Ｑ４をオンおよびオフさせる。これにより、差分電力ΔＰに相当する直流電力Ｐｂがバッテリ２２に供給される。差分電力ΔＰ相当分の直流電力Ｐｂがバッテリ２２に蓄えられることによって、電力系統２０からＵＰＳ１に供給される交流電力Ｐｓが差分電力ΔＰ相当分増加する。その結果、電力系統２０において発電過多が解消され、系統周波数ｆの上昇が補償される。

　Ｓ１１，Ｓ１２による周波数補償の実行中、制御回路７は、Ｓ１３により、バッテリ２２のＳＯＣがＳｔｈ以上Ｓｍａｘ以下であるか否かを判定する。ＳＯＣ＜Ｓｔｈである場合、またはＳＯＣ＞Ｓｍａｘである場合（Ｓ１３のＮＯ判定時）には、制御回路７は、Ｓ１４により、周波数補償のための処理を停止する。

　以上説明したように、本実施の形態に係るＵＰＳは、電力系統２０の健全時において、バッテリ２２の充電または放電を行うことにより、電力系統２０の需要電力を調整することができる。これにより、分散型電源２６の出力変動などによって発電電力と需要電力との不均衡が生じている場合において、停電補償用のバッテリ２２を活用して、系統周波数の変動を補償することが可能となる。

　［変更例］
　上述した実施の形態では、１台のＵＰＳが接続された電力系統２０における周波数補償方法について説明したが、図１３に示すように、複数台のＵＰＳが接続されている電力系統においても、本実施の形態に係る周波数補償方法を適用することができる。

　例えば、大規模データセンターでは、複数台のＵＰＳを並列に接続することによって大容量かつ冗長性を備えたＵＰＳシステムを実現している。このようなＵＰＳシステムにおいて、各ＵＰＳに本実施の形態に係るＵＰＳ１００を適用することにより、１台のＵＰＳが系統周波数の変動を補償するために融通できる容量が数百ｋＶＡであっても、複数台のＵＰＳ全体で大容量の容量を融通することが可能となる。これによると、分散型電源２６の導入拡大に伴って系統周波数の変動が大きくなる場合においても、ＵＰＳシステム全体で系統周波数の変動を補償することが可能となる。

　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。本発明の技術的範囲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　電力変換装置、２，６，９　電流検出器、３　コンバータ、４　制御回路、５　双方向チョッパ、８　インバータ、１０，Ｘ１，Ｘ２　リアクトル、１１，Ｃ１，Ｃ２　コンデンサ、１２，１３　電磁接触器、２０　電力系統、２１　商用交流電源、２２　バッテリ（蓄電装置）、２３　負荷、２４　送電線、２５　ＰＣＳ、２６　分散型電源、３０　周波数検出器、３１　制御装置、３２，３４，３６　電圧検出器、４０，４６，５２，６２　減算器、４２，８８　乗算器、４４　除算器、４８　電流制御部、５０，６０　参照電圧生成部、５４，６４　電圧制御部、７０　周波数補償部、７２　充電制御部、７４　放電制御部、７６　ＳＯＣ算出部、７８　停電検出器、８０　ＰＷＭ制御部、８２～８５　比較器、８６　セレクタ、８７　信号出力回路、１００　ＵＰＳ、２００　ＣＰＵ、２０２　メモリ、２０４　Ｉ／Ｏ回路、２０６　バス、Ｌ１～Ｌ３　直流ライン、Ｑ１～Ｑ４　ＩＧＢＴ、Ｄ１～Ｄ４　ダイオード。

Claims

　電力系統および負荷の間に接続される電力変換装置と、
　前記電力系統上の交流電圧の周波数である系統周波数を検出する周波数検出器と、
　前記電力変換装置を制御する制御装置とを備え、
　前記電力変換装置は、
　前記電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
　前記コンバータまたは蓄電装置から供給される直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータと、
　前記コンバータによって生成される直流電力の一部を前記蓄電装置に蓄える充電動作と、前記蓄電装置の直流電力を前記インバータに供給する放電動作とを選択的に実行する双方向チョッパとを含み、
　前記制御装置は、前記電力系統の停電時に、前記放電動作を実行するように前記双方向チョッパを制御し、前記電力系統の健全時には、検出された前記系統周波数に基づいて前記双方向チョッパを制御する制御回路を含み、
　前記制御回路は、前記系統周波数の上昇に対応して前記充電動作を実行する一方で、前記系統周波数の低下に対応して前記放電動作を実行するように前記双方向チョッパを制御する、無停電電源装置。
　前記制御回路は、
　前記系統周波数の変化量を算出する周波数変化算出部と、
　予め取得されている前記電力系統における発電電力と需要電力との差分である差分電力と前記変化量との関係を参照することにより、算出された前記変化量に基づいて前記差分電力を算出する演算部と、
　算出された前記差分電力に従って前記充電動作および前記放電動作を制御する制御部とを含み、
　前記変化量が前記系統周波数の上昇を示す極性である場合には、前記制御部は、前記差分電力に相当する直流電力が前記蓄電装置に蓄えられるように前記充電動作を制御し、
　前記変化量が前記系統周波数の低下を示す極性である場合には、前記制御部は、前記差分電力に相当する直流電力が前記蓄電装置から供給されるように前記放電動作を制御する、請求項１に記載の無停電電源装置。
　前記制御回路は、前記蓄電装置の蓄電量を算出する蓄電量算出部をさらに含み、
　前記制御部は、算出された前記蓄電量が閾値以上である場合に、前記差分電力に従って前記充電動作および前記放電動作を制御する、請求項２に記載の無停電電源装置。
　前記制御部は、前記差分電力に従った前記放電動作の実行中に、前記蓄電量が前記閾値未満となった場合には、前記放電動作を停止する、請求項３に記載の無停電電源装置。
　前記制御部は、前記差分電力に従った前記充電動作の実行中に、前記蓄電量が上限値を超えた場合には、前記充電動作を停止する、請求項３に記載の無停電電源装置。
　前記制御部は、前記電力系統の健全時に、算出された前記蓄電量が前記閾値未満である場合には、前記蓄電量が前記閾値以上となるように前記充電動作を制御する、請求項３に記載の無停電電源装置。