JP2006067728A

JP2006067728A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2006067728A
Application number: JP2004248503A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Fujimoto; 久藤本
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】不要な停電切替動作を回避すると共に負荷装置への給電出力端に設けられたコンデンサの容量を増加させないようにして、当該無停電電源装置の小型化及び低コスト化を図ること。
【解決手段】転流陥没等の極短時間の電圧低下による瞬時停電が生じた際に、出力電流制御部４ｂによって、電源電圧の周波数に同期した基準電圧Ｖｏｕｔ＊に基づく電流制御信号にて並列インバータを動作させる。これによって、瞬時停電時に負荷装置への給電電流が全て並列インバータから供給されるようにする。また、瞬時停電よりも長時間の停電検出で判定される通常の停電が生じた場合は、出力電圧制御部７ａが電圧制御信号にて負荷装置２への給電電圧を所定値とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータ装置などの停電時に電源のバックアップが必要な負荷装置に所定時間給電を行う無停電電源装置に関し、特に電源のバックアップ時に供給電圧低下を回避することが可能な無停電電源装置に関する。

従来の無停電電源装置｛ＵＰＳ(Uninterruptible Power Supply)｝は、当該装置の高効率化や低価格化を目的とした回路構成として、非特許文献１に記載のパラレルプロセッシング方式や、特許文献１に記載の直並列補償方式が考案されている。
図４に、パラレルプロセッシング方式による無停電電源装置の回路図を示す。
図４に示す無停電電源装置は、交流電力の給電を行う電源１と、この電源１からの給電対象である負荷装置２との間に、内部のスイッチ３を介して接続されている。電源１が交流電流Ｉｉｎを負荷電流ＩＬとして正常に給電を行っている場合は、直流及び交流の電流を相互に変換する並列インバータ４が蓄電池５への充電を行っている。

一方、電源１が停電した際は、スイッチ５が開放されることによって並列インバータ４が蓄電池５から出力される直流電力Ｖｄを交流電流Ｉｉｎｖに変換し、これを出力フィルタコンデンサ６を介して負荷装置２に供給する。
この他、入力力率を１とする目的で負荷装置２の無効電力を並列インバータ４が供給する場合もある。

図５に、直並列補償方式による無停電電源装置の回路図を示す。但し、図５において図４に対応する部分には同一符号を付す。
図５に示す無停電電源装置は、負荷装置２又は電源１に並列に接続された並列インバータ４の他に、電源１及び負荷装置２の間にシリーズに接続された直列インバータ７を備えて構成されている。並列インバータ４はパラレルプロセッシング方式と同様の動作を行い、直列インバータ７は、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の値となるように制御されている。

ここで、図６に、並列インバータ４の出力電流制御を行う出力電流制御部４ａと、直列インバータ７の出力電圧制御を行う出力電圧制御部７ａとの構成を示し、その説明を行う。但し、出力電流制御については図４の無停電電源装置においても同様である。
出力電流制御部４ａにおいては、減算部１１にて蓄電池５の電圧の指令値Ｖｄ＊と蓄電池５の電圧の検出値Ｖｄとの偏差を求め、この偏差をＡＶＲ１２を介して乗算部１３に入力し、ここで電源電圧Ｖｉｎと乗算することによって必要な充電電流指令値Ｉｂ＊を算出する。

次に、その充電電流指令値Ｉｂ＊を加算部１４を介してリミッタ１５に入力する。リミッタ１５は、充電電流指令値Ｉｂ＊を並列インバータ４の許容電流以内に制限するように設定されており、この設定に応じて充電電流指令値Ｉｂ＊を制限し、この制限した値を、並列インバータ４の出力電流指令値Ｉｉｎｖ＊とする。
次に、その出力電流指令値Ｉｉｎｖ＊と並列インバータ４の出力電流検出値Ｉｉｎｖとの偏差を減算部１６で求め、この偏差をＡＣＲ（自動調節器）１７に入力し、ここで得られた制御信号（λ指令）に応じて並列インバータ４を動作させる。この動作は、その制御信号が切替スイッチ１８を介してＰＷＭ(Pulse Width Modulation)部１９に入力され、ここでＰＷＭ変調されることによって得られたゲート駆動信号が、並列インバータ４のゲートに入力されることによって行われる。

一方、入力力率１の運転を行う場合は、負荷電流ＩＬから有効成分抽出部２１及び負荷有効電流抽出部２２により負荷装置２の有効電流Ｉｐを抽出し、この有効電流Ｉｐから負荷電流ＩＬを減算部２３にて減算することにより無効電流Ｉｑ＊を算出する。この無効電流Ｉｑ＊を前述のように加算部１４にて充電電流指令値Ｉｂ＊に加算することにより、並列インバータ４から充電電流と無効電流とが負荷装置２に供給されるので、入力が力率１となる。

次に、入力電源許容範囲逸脱時（停電時）における制御動作を説明する。停電判定によって出力電流制御部４ａから出力電圧制御部７ａに制御を切り替える。この切り替えによって、減算部２５にて予め設定された出力電圧指令値（基準電圧）Ｖｏｕｔ＊と出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差を求め、この偏差をＡＶＲ２６に入力し、ここで出力電圧Ｖｏｕｔを所定の値にするための制御信号を演算する。ここで得られた制御信号（λ指令）に応じて直列インバータ７を動作させる。この動作は、その制御信号が切替スイッチ１８を介してＰＷＭ部１９に入力され、ここでのＰＷＭ変調により得られたゲート駆動信号が直列インバータ７のゲートに入力されて行われる。
特許第３０８２８４９号公報電気学会技術報告第５９６号「無停電電源システム｛ＵＰＳ(Uninterruptible PowerSupply)｝の動向」（新型電源システム調査専門委員会１９９６年７月発行Ｎｏ．ＩＳＳＮ０９１９−９１９５）の１３ページ３．３．１項

ところで、従来の無停電電源装置においては、負荷印加電圧を無瞬断化する目的で停電検出手段の検出動作を高速化する方法が種々提案されている。このように検出動作を高速化した場合、サイリスタ電流切替時の転流陥没等の極短時間の電圧低下による不要な停電切替動作が発生する恐れがある。このため、通常は検出フィルタや確認時限等の誤動作確認要素を備える。

この誤動作確認要素を備える場合、実際の電圧陥没から数ｍｓｅｃの遅延を持って並列インバータ４が電圧制御動作に切り替わる。その遅延期間は出力電流制御が継続するため、停電により電源１からの電力供給が絶たれていると、負荷装置２への電力供給や蓄電池５への電力供給は、全て並列インバータ４の出力フィルタコンデンサ６から行われる。このため、その遅延期間における電圧陥没を抑えるためには前述の出力フィルタコンデンサ６の容量を増加させなければならないので、結果的に、無停電電源装置の大型化及び高コスト化を招くという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、不要な停電切替動作を回避すると共に負荷装置への給電出力端に設けられたコンデンサの容量を増加させないようにして、当該無停電電源装置の小型化及び低コスト化を図ることができる無停電電源装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による無停電電源装置は、電源からの交流電力が給電される負荷装置に並列接続され、その給電と並行にその交流電力を直流電力に変換して蓄電池に蓄え、電源の停電時に当該電源を切り離し、蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して負荷装置に給電する第１の変換手段を有し、この第１の変換手段からの給電時に当該給電電圧が所定値となるように制御する無停電電源装置において、前記電源の電圧が、予め定められた第１の時間の間、所定の電圧範囲を逸脱した際に第１の停電と判定し、この第１の停電の継続時間が前記第１の時間よりも長い第２の時間を越えた際に第２の停電と判定する判定手段と、前記電源の電圧の周波数に同期した基準電圧を発生し、前記判定手段にて前記第２の停電と判定された際に前記基準電圧を予め定められた基準周波数に切り替えて出力する基準電圧発生手段と、前記蓄電池への充電電流指令値と前記蓄電池から前記第１の変換手段を介して出力される充電電流との偏差に基づいた電流制御信号を前記基準電圧に加算した電流制御信号にて前記第１の変換手段を動作させ、前記判定手段にて前記第１の停電と判定された際に前記電流制御信号の加算を停止して前記基準電圧に基づいて前記第１の変換手段を動作させる第１の制御手段と、自己発振による基準電圧を指令値として前記負荷装置への給電電圧を所定値とするための電圧制御信号にて前記第１の変換手段を動作させる制御を、前記判定手段にて前記第２の停電と判定された際に行う第２の制御手段とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、第１の停電を、転流陥没等の極短時間の電圧低下による停電とした場合に、この瞬時停電が生じても、電源電圧の周波数に同期した基準電圧に基づく電流制御信号にて、第１の制御手段が第１の変換手段を動作させるようにしたので、瞬時停電時に負荷装置への給電電流は、全て第１の変換手段から供給されるようになる。これによって、不要な停電切替動作を回避することができ、また、従来のように負荷装置への給電出力端に設けられたコンデンサが上記の瞬時停電の際に電流を供給する必要もないので、コンデンサの容量を増加させる必要が無くなる。
また、第１の停電よりも長時間の停電検出で判定される第２の停電、つまり通常の停電が生じた場合は、第２の制御手段が電圧制御信号にて第１の変換手段を動作させることによって負荷装置への給電電圧を所定値とすることができる。

また、本発明の請求項２による無停電電源装置は、請求項１において、前記第１の制御手段は、前記充電指令値に前記負荷装置へ給電電流から抽出した無効電流を加算することにより、前記電源からの電流を力率１とすることを特徴とする。
この構成によれば、負荷装置への給電時の力率を１とすることができ、このように給電を行う構成の無停電電源装置においても、上記請求項１と同様に瞬時停電時などの制御を行うことができる。

また、本発明の請求項３による無停電電源装置は、請求項１または２において、前記電源と前記負荷装置との間に交流入出力側が直列接続され、前記蓄電池が接続された直流入出力側との間で順逆双方向に電力変換可能な第２の変換手段を更に備え、前記第２の変換手段は、前記電源から前記負荷装置への給電時に、当該第２の変換手段の交流出力電圧と当該電源電圧との和が所定値となるように制御され、電源の停電時には停止するように制御されることを特徴とする。
この構成によれば、第１の変換手段に加え、第２の変換手段を備えた直並列補償方式の無停電電源装置においても、上記請求項１または２と同様に瞬時停電時などの制御を行うことができる。

以上説明したように本発明によれば、不要な停電切替動作を回避すると共に負荷装置への給電出力端に設けられたコンデンサの容量を増加させないようにして、当該無停電電源装置の小型化及び低コスト化を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
図１は、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の出力電流制御部及び出力電圧制御部の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の基準電圧発生部及び停電判定部の構成を示すブロック図である。

本実施の形態の無停電電源装置が従来の無停電電源装置と異なる点は、図１に示す出力電流制御部４ｂのＡＣＲ１７と切替スイッチ１８との間に、スイッチ３１及び加算部３２を直列接続し、また、図２に示す基準電圧発生部４１及び停電判定部４２を新規に設けたことにある。
基準電圧発生部４１は、ＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路４３と、スイッチ４４と、基準電圧発生器４５とを備え、停電判定部４２は、停電判別回路４７と、確認時限処理回路４８とを備えて構成されている。

その基準電圧発生器４５は、電源電圧正常時に、電源電圧Ｖｉｎと基準電圧発生器４５から出力される基準電圧Ｖｏｕｔ＊とをＰＬＬ回路４３に入力し、ここで基準電圧Ｖｏｕｔ＊を電源電圧Ｖｉｎと同期させるための周波数補正値Ｆ１を求める。この周波数補正値Ｆ１を、基準電圧発生器４５にて基準周波数設定値Ｆ２と加算することにより、基準電圧発生器４５が、電源電圧Ｖｉｎと同期した基準電圧Ｖｏｕｔ＊を出力する。
一方、電源電圧Ｖｉｎが許容範囲を逸脱した場合は、停電判定部４２から出力される第２の停電判定信号Ｓ２がスイッチ４４に供給されてオフとなる。これによって、ＰＬＬ回路４３と基準電圧発生器４５とが切り離し状態となるので、基準電圧発生器４５は、基準周波数設定値Ｆ２に応じて定まる固定周波数の基準電圧Ｖｏｕｔ＊を出力する。

次に、停電判定部４２について説明する。
停電判別回路４７は、基準波形と電源電圧Ｖｉｎの波形とを比較するなどの機能よって電源電圧Ｖｉｎが許容範囲を逸脱したことを検出し、瞬時に停電判別を行う。この停電判別においては、転流陥没や瞬時電圧低下が検出され、この停電と判別された場合に第１の停電判定信号Ｓ１が「Ｈ」レベルとなって、出力電流制御部４ｂのスイッチ３１へ出力されるようになっている。第１の停電判定信号Ｓ１は、無停電状態では「Ｌ」レベルとなっている。スイッチ３１は、第１の停電判定信号Ｓ１が「Ｌ」の時はＯＮ（オン）となっており、「Ｈ」になるとＯＦＦ（オフ）となる。

確認時限処理回路４８は、第１の停電判定信号Ｓ１をオンディレー回路等で確認処理し、この処理後の信号を第２の停電判定信号Ｓ２としてスイッチ４４へ出力すると共に、従来回路と同様に出力電流制御部４ｂと出力電圧制御部７ａとを切替えるために切替スイッチ１８へ出力する。つまり、確認時限処理回路４８では、停電判別回路４７のような瞬時電圧低下には反応しないようになっている。

従って、第１の停電判定信号Ｓ１の「Ｈ」によりスイッチ３１を開放することによって、加算部３２に供給されている基準電圧Ｖｏｕｔ＊に応じたゲート駆動信号によって並列インバータ４が動作する。言い換えれば、並列インバータ４は、基準電圧Ｖｏｕｔ＊で決まる出力電圧Ｖｏｕｔを発生し、このときの負荷電流ＩＬは全て並列インバータ４から出力されるようになっている。

次に、このような特徴構成要素を備えた無停電電源装置の停電時の電源切替動作を、図３に示すシーケンス図を参照して説明する。
まず、図３に示す時刻ｔ１において、第１及び第２の停電判定信号Ｓ１，Ｓ２が共に「Ｌ」であるとする。つまり、停電判別回路４７及び確認時限処理回路４８は停電未検出状態である。

この場合、基準電圧発生部４１のスイッチ４４はオン状態となっているので、電源電圧Ｖｉｎに周波数が同期した基準電圧Ｖｏｕｔ＊が、出力電流制御部４ｂの加算部３２と、出力電圧制御部７ａの減算部２５に供給されている。また、出力電流制御部４ｂのスイッチ３１もオン状態となっている。
これによって、出力電流制御部４ｂにおいては次のような動作が行われる。減算部１１にて蓄電池５の電圧の指令値Ｖｄ＊と蓄電池５の電圧の検出値Ｖｄとの偏差が求められ、この偏差がＡＶＲ１２を介して乗算部１３に入力され、ここで電源電圧Ｖｉｎと乗算されることによって必要な充電電流指令値Ｉｂ＊が算出される。

この充電電流指令値Ｉｂ＊は加算部１４を介してリミッタ１５に入力され、リミッタ１５において、充電電流指令値Ｉｂ＊が並列インバータ４の許容電流以内に制限され、この制限された値が並列インバータ４の出力電流指令値Ｉｉｎｖ＊とされる。
次に、減算部１６において、その出力電流指令値Ｉｉｎｖ＊と並列インバータ４の出力電流検出値Ｉｉｎｖとの偏差が求められ、この偏差がＡＣＲ１７に入力される。このＡＣＲ１７で得られた制御信号は、スイッチ３１を介して加算部３２にて基準電圧Ｖｏｕｔ＊と加算される。この電圧加算後の制御信号に応じて並列インバータ４が動作している。この動作は、その制御信号が切替スイッチ１８を介してＰＷＭ部１９に入力され、ここでＰＷＭ変調されることによって得られたゲート駆動信号が、並列インバータ４のゲートに入力されて行われている。

その後、図３に示す時刻ｔ２〜ｔ３の極短時間において、停電判別回路４７で転流陥没などによる瞬時電圧低下が検出されたとすると、第１の停電判定信号Ｓ１が「Ｌ」から「Ｈ」となる。この「Ｈ」は確認時限処理回路４８にも供給されるが、確認時限処理回路４８は瞬時電圧低下には反応しないので、第２の停電判定信号Ｓ２は「Ｌ」のままである。
従って、第１の停電判定信号Ｓ１の「Ｈ」が供給されてスイッチ３１が開放され、この間、ＡＣＲ制御停止状態となって、並列インバータ４は基準電圧Ｖｏｕｔ＊で決まる出力電圧Ｖｏｕｔを発生し、このときの負荷電流ＩＬは全て並列インバータ４から出力される。よって、従来問題となっていた出力電流制御の継続によって発生する出力電圧陥没が回避される。

次に、時刻ｔ４において、停電判別回路４７で電圧低下が検出され、第１の停電判定信号Ｓ１が「Ｌ」から「Ｈ」となり、この「Ｈ」が確認時限処理回路４８において予め定められた時刻ｔ５までの確認時限の間、検出されたとする。このケースの場合、無停電電源装置は、時刻ｔ４〜ｔ５の間は上記時刻ｔ２〜ｔ３の間と同様の動作を行う。
時刻ｔ５以降は、第２の停電判定信号Ｓ２も「Ｈ」となるので、切替スイッチ１８が出力電圧制御部７ａからの信号をＰＷＭ部１９へ出力する側に切り替わる。つまり、従来通り出力電流制御部４ａから出力電圧制御部７ａに切り替わる。

この切り替えによって、出力電圧制御部７ａのＡＶＲ２６から出力される出力電圧Ｖｏｕｔを所定の値にするための制御信号に応じて直列インバータ７が動作する。従って、停電検出動作による不必要な停電切替動作が回避される。
上記の制御は、直並列補償方式及びパラレルプロセッシング方式の何れの無停電電源装置にも適用可能である。

以上説明したように本実施の形態の無停電電源装置によれば、転流陥没等の極短時間の電圧低下による瞬時停電が生じても、電源１の電圧の周波数に同期した基準電圧Ｖｏｕｔ＊に基づく電流制御信号にて、出力電流制御部４ｂが並列インバータ４を動作させるようにしたので、瞬時停電時に負荷装置２への給電電流は、全て並列インバータ４から供給されるようになる。これによって、不要な停電切替動作を回避することができ、また、従来のように負荷装置２への給電出力端に設けられたコンデンサが上記の瞬時停電の際に電流を供給する必要もないので、コンデンサの容量を増加させる必要が無くなる。

従って、不要な停電切替動作を回避すると共に負荷装置への給電出力端に設けられたコンデンサの容量を増加させないようにして、当該無停電電源装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。
また、瞬時停電よりも長時間の停電検出で判定される通常の停電が生じた場合は、出力電圧制御部７ａが電圧制御信号にて並列インバータ４を動作させることによって負荷装置２への給電電圧を所定値とすることができる。

また、出力電流制御部４ｂが負荷装置２への負荷電流ＩＬから抽出した無効電流Ｉｑ＊を電圧制御信号に加えることによって、負荷装置２への給電時の力率を１とするように給電を行う構成の無停電電源装置においても、上記と同様に瞬時停電時などの制御を行うことができる。
更に、並列インバータ４に加え、電源１と負荷装置２とのとの間に直列インバータ７を直列接続した直並列補償方式の無停電電源装置においても、上記同様に瞬時停電時などの制御を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の出力電流制御部及び出力電圧制御部の構成を示すブロック図である。上記実施の形態に係る無停電電源装置の基準電圧発生部及び停電判定部の構成を示すブロック図である。上記実施の形態に係る無停電電源装置の停電時の電源切替動作を説明するためのシーケンス図である。パラレルプロセッシング方式による無停電電源装置の回路図である。直並列補償方式による無停電電源装置の回路図である。従来の無停電電源装置の出力電流制御部及び出力電圧制御部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１電源
２負荷装置
３，３１，４４スイッチ
４並列インバータ
５蓄電池
６出力フィルタコンデンサ
７直列インバータ
４ａ出力電流制御部
７直列インバータ
７ａ出力電圧制御部
１２，２６ＡＶＲ
１３乗算部
１４，３２加算部
１５リミッタ
１６，２３，２５減算部
１７ＡＣＲ
１８切替スイッチ
１９ＰＷＭ部
２１有効成分抽出部
２２負荷有効電流抽出部
４１基準電圧発生部
４２停電判定部
４３ＰＬＬ回路
４５基準電圧発生器
４７停電判別回路
４８確認時限処理回路
Ｉｉｎ交流電流
ＩＬ負荷電流
Ｖｄ直流電力
Ｖｏｕｔ出力電圧
Ｖｏｕｔ＊基準電圧（出力電圧指令値）
Ｖｄ蓄電池電圧検出値
Ｖｄ＊蓄電池電圧指令値
Ｖｉｎ電源電圧
Ｉｂ＊充電電流指令値
Ｉｉｎ交流電流
Ｉｉｎｖ並列インバータの出力電流検出値
Ｉｉｎｖ＊並列インバータの出力電流指令値
Ｉｐ負荷装置の有効電流
Ｉｑ＊負荷装置の無効電流
Ｆ１周波数補正値
Ｆ２基準周波数設定値

Claims

電源からの交流電力が給電される負荷装置に並列接続され、その給電と並行にその交流電力を直流電力に変換して蓄電池に蓄え、電源の停電時に当該電源を切り離し、蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して負荷装置に給電する第１の変換手段を有し、この第１の変換手段からの給電時に当該給電電圧が所定値となるように制御する無停電電源装置において、
前記電源の電圧が、予め定められた第１の時間の間、所定の電圧範囲を逸脱した際に第１の停電と判定し、この第１の停電の継続時間が前記第１の時間よりも長い第２の時間を越えた際に第２の停電と判定する判定手段と、
前記電源の電圧の周波数に同期した基準電圧を発生し、前記判定手段にて前記第２の停電と判定された際に前記基準電圧を予め定められた基準周波数に切り替えて出力する基準電圧発生手段と、
前記蓄電池への充電電流指令値と前記蓄電池から前記第１の変換手段を介して出力される充電電流との偏差に基づいた電流制御信号を前記基準電圧に加算した電流制御信号にて前記第１の変換手段を動作させ、前記判定手段にて前記第１の停電と判定された際に前記電流制御信号の加算を停止して前記基準電圧に基づいて前記第１の変換手段を動作させる第１の制御手段と、
自己発振による基準電圧を指令値として前記負荷装置への給電電圧を所定値とするための電圧制御信号にて前記第１の変換手段を動作させる制御を、前記判定手段にて前記第２の停電と判定された際に行う第２の制御手段と
を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
前記第１の制御手段は、前記充電指令値に前記負荷装置へ給電電流から抽出した無効電流を加算することにより、前記電源からの電流を力率１とする
ことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
前記電源と前記負荷装置との間に交流入出力側が直列接続され、前記蓄電池が接続された直流入出力側との間で順逆双方向に電力変換可能な第２の変換手段を更に備え、
前記第２の変換手段は、前記電源から前記負荷装置への給電時に、当該第２の変換手段の交流出力電圧と当該電源電圧との和が所定値となるように制御され、電源の停電時には停止するように制御される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の無停電電源装置。