JP2010104158A - 無停電電源装置および無停電電源装置の選択遮断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】独立して自機の故障判定ができ、交流出力の１周期よりも短い時間内に確実に選択遮断ができるようにする。
【解決手段】無停電電源装置は、直流電圧を交流電圧に変換して負荷機器に供給する。そして、自機の内部インピーダンスとなる内部抵抗２３の抵抗値を、自機内の電圧と電流の瞬時値を用いて同定し、その値の異常変動を捉えて故障判定を行う制御部４を有する。なお、内部インピーダンスの同定は、システム同定部２７にて行うのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置および無停電電源装置の選択遮断方法に関する。

商用電源の変動が負荷機器に及ぼす影響を最小にするため、電源系統に無停電電源装置（Uninterruptible Power Supply、以下「ＵＰＳ」と略記する。）を配置することが行なわれている。なかでも、高い安定性が要求される電源系統は、図８に示すように、並列冗長運転される複数台のＵＰＳ（１号機、２号機、３号機、・・・）を備え、電源容量が負荷機器の容量よりも十分に大きいバックアップ電源として構成される。

ところが、上述のような複数台のＵＰＳが並列冗長運転される電源系統において、あるＵＰＳが故障すると、共通の母線（バス）に接続されている健全な他のＵＰＳにその影響が及び、複数台のＵＰＳが連鎖的に停止してしまうことがある。このため、ＵＰＳに故障が生じると、その影響が電源系統の全体に及び、バックアップ電源を備えているにもかかわらず負荷機器が停止するという事態に至る可能性がある。そこで、このような事態を防止するために、故障したＵＰＳを電源系統（バス）から選択的に切り離して健全な他のＵＰＳの並列運転を継続させる、「選択遮断」と呼ばれる技術が提案されている。

選択遮断を確実に行なうためには、電源系統に並列接続されている各ＵＰＳが、自機の故障を自ら検出して解列できるようにされていることが望ましい。すなわち、各ＵＰＳは、他のＵＰＳと共通の電圧情報や電流情報を用いることなく、自機の内部情報のみによって故障を判定し、故障時には自ら電源系統を離脱することが求められる。このような要求に基づいて従来技術として、以下のようなものが知られている。

（従来技術１）
特許文献１記載の従来技術１では、各ＵＰＳが、自機の出力電圧ｖ_０（ｔ）と自機のメイン回路に直列に挿入されているインダクタを流れるインダクタ電流ｉ_ｓ（ｔ）とを検出し、出力電圧ｖ_０（ｔ）の１周期遅延電圧ｖ_０（ｔ−Ｔ_０）とインダクタ電流ｉ_ｓ（ｔ）の１周期遅延インダクタ電流ｉ_ｓ（ｔ−Ｔ_０）とを生成する。そして、各ＵＰＳは、検出された出力電圧ｖ_０（ｔ）およびインダクタ電流ｉ_ｓ（ｔ）と、生成された１周期遅延電圧ｖ_０（ｔ−Ｔ_０）および１周期遅延インダクタ電流ｉ_ｓ（ｔ−Ｔ_０）と、の差（周回差分）
Δｖ_０（ｔ）：＝ｖ_０（ｔ）−ｖ_０（ｔ−Ｔ_０） （１）
Δｉ_ｓ（ｔ）：＝ｉ_ｓ（ｔ）−ｉ_ｓ（ｔ−Ｔ_０） （２）
の積に対して、
if Δｖ_０（ｔ）×Δｉ_ｓ（ｔ）＞ 閾値 then Fault =１ else Fault＝０ （３）
という判別法を適用して、自機の故障を判定する方法である。すなわち、左項の値が閾値を超えれば故障判定信号の値を「１」とし、閾値を超えなければ故障判定信号の値を「０」とする。各ＵＰＳは、Fault 値が「１」のときに自機が故障であると判定し、自機のメイン回路に直列に挿入されている切離しスイッチをオフ（解放）状態にして電源系統（バス）から離脱する。これにより、並列運転されているＵＰＳの選択遮断が実現される。

（従来技術２）
また、特許文献２記載の従来技術２では、上述のインダクタ電流ｉ_ｓ（ｔ）に代えて、自機のインバータ回路を構成する半導体ブリッジの出力電圧（ブリッジ電圧）ｖ_ｉ（ｔ）を用い、上記と同様の判定法を適用することによって、並列運転されるＵＰＳの選択遮断を実現している。すなわち、ＵＰＳの出力電圧Δｖ_０（ｔ）の周回差分、およびブリッジ電圧Δｖ_ｉ（ｔ）の周回差分
Δｖ_０（ｔ）：＝ｖ_０（ｔ）−ｖ_０（ｔ−Ｔ_０） （４）
Δｖ_ｉ（ｔ）：＝ｖ_ｉ（ｔ）−ｖ_ｉ（ｔ−Ｔ_０） （５）
の積に対して
if Δｖ_０（ｔ）×Δｖ_ｉ（ｔ）＞ 閾値 then Fault =１ else Fault＝０ （６）
といった判別法を適用して、自機の故障を判定する方法である。すなわち、左項の値が閾値を超えれば故障判定信号の値として「１」を出力し、超えなければ故障判定信号の値を「０」として出力する。これにより、各ＵＰＳは、Fault 値が「１」のときに自機が故障であると判定し、自機のメイン回路に直列に挿入されている切離しスイッチをオフ（解放）状態にして電源系統（バス）から離脱することができる。

特表２０００−５１３４７２号公報 特開２００６−１０９６０３号公報

ところで、故障を生じたＵＰＳは、健全な他のＵＰＳや負荷に影響を及ぼさないために、電源系統（バス）から速やかに切り離されなければならない。このため、各ＵＰＳが行なう自機の故障判定は、できるだけ短時間に行なわれることが望ましい。ところが、上述の従来技術１，２は、いずれも、ＵＰＳが独立に自機の故障判定を行なうことを可能にするものであるが、故障判定のために、ある瞬間における自機の出力電圧等とその１周期遅延電圧等との差（周回差分）を用いている。つまり、これらの従来技術は、自機内における、ある時刻の信号とその１周期後の信号とを比較することによって、正常な運転状態が継続しているか否かを判定するものである。このように、１周期遅延信号を用いる従来技術によると、ＵＰＳが故障判定を行なうために少なくとも作動周波数における１周期分の時間（１／５０［ｓｅｃ］または１／６０［ｓｅｃ］）を必要とするため、選択遮断に要する時間を１周期分の時間よりも短縮することができないという問題がある。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、独立して自機の故障判定を行なうことができ、しかも作動周波数の１周期よりも短い時間内に選択遮断を確実に行なうことができる、無停電電源装置（ＵＰＳ）および無停電電源装置の選択遮断方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の無停電電源装置は、直流電圧を交流電圧に変換して負荷機器に供給する無停電電源装置において、自機の内部インピーダンスを、自機内の電圧と電流の瞬時値を用いて同定し、その値の異常変動を捉えて故障判定を行う制御部を有している。

また、直流電圧を電圧指令値に基づいて変調することによって正弦波状の交流電圧を生成する半導体ブリッジ回路と、半導体ブリッジ回路と負荷機器との間に直列挿入されたフィルタ回路とを有するインバータ部と、制御部の故障判定に応じてインバータ部と負荷機器とを接続または遮断する切離しスイッチと、を備えるのが好ましい。

さらに、制御部は、インバータ部の既知の回路情報を用いて再帰的同定処理を行うことによってインバータ部の未知の回路定数を算定するシステム同定部と、システム同定部によって算定された未知の回路定数に基づいて故障判定信号を生成する故障判定部と、を有するのが好ましい。

また、システム同定部は、既知の回路情報として、電圧指令値、直流電圧、インバータ部の出力電圧、およびフィルタ回路中のインダクタを流れるインダクタ電流を用い、インバータ部の内部抵抗を算定するようにするのが好ましい。

また、再帰的同定処理は最小二乗法を用いたものであることが好ましい。

上述の課題を解決するため、本発明の無停電電源装置の選択遮断方法は、直流電圧をインバータ部によって交流電圧に変換して負荷機器に供給する無停電電源装置の選択遮断方法において、インバータ部の既知の回路情報を用いて再帰的同定処理を行うことによってインバータ部の未知の回路定数を算定し、算定された未知の回路定数に基づいて故障判定信号を生成し、この故障判定信号が故障発生信号であるときに切離しスイッチによってインバータ部と負荷機器と遮断するようにしている。

また、インバータ部は、直流電圧を電圧指令値に基づいて変調することによって正弦波状の交流電圧を生成する半導体ブリッジ回路と、半導体ブリッジ回路と負荷機器との間に直列挿入されたフィルタ回路と、を有し、既知の回路情報として、電圧指令値、直流電圧、インバータ部の出力電圧、およびフィルタ回路中のインダクタを流れるインダクタ電流を用い、インバータ部の内部抵抗を算定するのが好ましい。

本発明の無停電電源装置（ＵＰＳ）およびその選択遮断方法によれば、独立して自機の故障判定を行なうことができ、しかも作動周波数の１周期よりも短い時間内に選択遮断を確実に行なうことができる。

本発明に係る無停電電源装置（ＵＰＳ）の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では１台のＵＰＳの１相分の構成について説明するが、本実施の形態に係るＵＰＳは、並列運転可能な台数に制限はなく、単相の電源系統および三相（多相）の電源系統のいずれにも適用可能なものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置（ＵＰＳ）１の主要部の構成を示すブロック図である。ＵＰＳ１は、直流電源部２、インバータ部３、制御部４、および、切離しスイッチ５を含んでいる。このＵＰＳ１は、電源系統の母線６を介して、いずれも図示されていない他のＵＰＳおよび負荷機器と接続される。

直流電源部２は、母線６を介して接続されている商用電源に停電または電圧降下などの変動が生じた際に、負荷機器に電力を供給する手段である。この直流電源部２は、例えば、ＵＰＳ１がバックアップ電源として機能していない時にトリクル充電されている二次電池を用いて実現される。この直流電源部２は、インバータ部３によって正弦波状の交流電圧を得るために、基準電位に対して対称に接続された２つの直流電源１１を含んで構成されている。

ＵＰＳ１のインバータ部３は、半導体ブリッジ回路１２およびフィルタ回路１３を含んでいる。半導体ブリッジ回路１２は、直流電源部２の直流リンク電圧Ｅｄｃを所定の時比率でオン／オフすることによって、正弦波状の交流電圧を生成する手段である。具体的には、変調波発生部１４で生成されて半導体ブリッジ回路１２のゲート１５に入力される変調波の時比率（デューティー比）を瞬時電圧指令値ｕ（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの正弦波）に応じて変化させるパルス幅変調（Pulse Width Modulation:ＰＷＭ）によって、直流リンク電圧Ｅｄｃを、瞬時電圧指令値ｕに同期する交流電圧に変換する。なお、半導体ブリッジ回路１２は、例えばＧＴＯ（Gate Turn- Off thyristor）、ＩＧＢＰ（Insulated Gate Bipolar transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）などを用いたハーフブリッジ回路として構成される。また、変調波発生部１４から出力される変調波（キャリア）は、その周期がインバータ部３の回路の時定数よりも十分に小さいことが必要であり、例えば２０ｋＨｚの方形波とされる。

フィルタ回路１３は、半導体ブリッジ回路１２から出力される正弦波状の交流電圧に含まれる周波数成分のうち、負荷機器に供給される周波数成分（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの正弦波）のみを通過させ、半導体ブリッジ回路１２におけるＰＷＭによって発生した高調波成分を阻止するフィルタである。フィルタ回路１３は、半導体ブリッジ回路１２と負荷機器との間のメイン回路に配置され、メイン回路に直列挿入されたフィルタインダクタ２１とメイン回路に並列挿入されたフィルタキャパシタ２２とによって構成される。

ＵＰＳ１の制御部４は、自機の運転状態を検出する測定入力部２６と、フィルタ回路１３の回路定数を同定するシステム同定部２７と、自機の故障を判定して故障判定信号を生成する故障判定部２８と、を含んでいる。

測定入力部２６は、ＵＰＳ１の内部の電圧や電流の瞬時値を検出する手段であり、瞬時値である直流リンク電圧Ｅｄｃ（ｔ）を検出する直流リンク電圧検出部３１と、瞬時値であるインバータ電圧（出力電圧）ｖ０（ｔ）を検出するインバータ電圧検出部３２と、フィルタインダクタ２１を流れるインダクタ電流ｉｓの瞬時値ｉｓ（ｔ）を検出するためのインダクタ電流検出部３３と、を含んでいる。直流リンク電圧検出部３１によって検出された直流リンク電圧Ｅｄｃ（ｔ）は、増幅器３５で１／２倍された後に、乗算器３６で瞬時電圧指令値ｕ（ｔ）と乗算される。そして、乗算器３６によって得られた積「｛Ｅdc（ｔ）／２｝×ｕ（ｔ）」は、減算器３７に入力される。減算器３７は、乗算器３６によって得られた積「｛Ｅdc（ｔ）／２｝×ｕ（ｔ）」からインバータ電圧検出部３２によって得られたインバータ電圧ｖ０（ｔ）を減算し、その差を瞬時電圧偏差信号ｗ（ｔ）として出力する。したがって、瞬時電圧偏差信号ｗ（ｔ）は、時間領域において
ｗ（ｔ）＝｛Ｅｄｃ（ｔ）／２｝×ｕ（ｔ）−ｖ０（ｔ） （７）
と表される。

システム同定部２７は、測定入力部２６によって得られた瞬時電圧偏差信号ｗ（ｔ）とインダクタ電流検出部３３から得られるインダクタ電流ｉｓの瞬時値ｉｓ（ｔ）とを用いて、メイン回路の回路定数の一つである、インバータ部３の内部抵抗２３の値ｒｓを同定する。これは、インバータ部３を動的システムとして捉え、その伝達関数をＧ（ｓ）とするとき、動的システムの入力ｗ（ｓ）および出力ｙ（ｓ）との関係が、
ｙ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）ｗ（ｓ） （８）
と表されることに基づいている。ここで、「ｓ」はラプラス演算子である。つまり、システム同定部２７は、（８）式の関係から、測定された入力ｗ（ｓ）および出力ｙ（ｓ）を用いて、インバータ部３の回路定数を推定する手段である。

具体的には、システム同定部２７は、インバータ部３の伝達関数のパラメータをシステム同定理論によって推定する。例えば、測定入力「ｗ」および測定出力「ｙ」を、それぞれ、
ｗ：＝（Ｅｄｃ／２）×ｕ−ｖ０ （９）
ｙ：＝ｉｓ （１０）
と選ぶことによって、インバータ部３の伝達関数を
Ｇ（ｓ）：＝１／（ｒｓ＋ｓＬＦ） （１１）
と表すことができる。これはメイン回路、すなわち制御部４以外の回路の回路方程式がラプラス変換表示で、「ｖ１−ｖ０＝（ｒｓ＋ｓＬＦ）×ｉｓ」とされるためである。ここで、ｖ１は、ブリッジ電圧で、「｛Ｅｄｃ／２｝×ｕ」であり、この２つの式からインダクタ電流ｉｓは、「｛１／（ｒｓ＋ｓＬＦ）｝×｛（Ｅｄｃ／２）×ｕ−ｖ０｝」となり、上述の（８）式と、（９）式の「ｗ」と、（１０）式の「ｙ」とから、（１１）式のＧ（ｓ）を得ることができる。なお、「ＬＦ」は、フィルタインダクタ２１のインダクタンス値で、「ｓ」は、ラプラス演算子である。

ここで、システム同定部２７がシステム同定処理の対象とするインバータ部３を、直流リンク電圧Ｅｄｃを変調波発生部１４からの変調波（キャリア）によって周期的にオン／オフすることによって正弦波状の交流電圧を生成する離散系として扱うことができる。そこで、ラプラス変換表示された（１１）式の伝達関数Ｇ（ｓ）は、変調波（キャリア）の周期、すなわち離散系におけるサンプル周期がＴｓであるとき、次のようにｚ変換表示される。
Ｇ（ｚ）＝Ｔｓ／（ＬＦｚ−ＬＦ＋ｒｓＴｓ） （１２）
ここで、「ｚ」はｚ演算子である。

ｚ変換表示された（１２）式の伝達関数Ｇ（ｚ）は、システム同定処理の対象系であるインバータ部３を１次系として扱えばよいことを示している。１次系の伝達関数Ｇ（ｚ）は、一般に、
Ｇ（ｚ）＝ｂ／（ｚ＋ａ） （１３）
と表現される。そこで、（１２）式と（１３）式とを比較して、インバータ部３の内部抵抗２３の値ｒｓおよびフィルタインダクタ２１のインダクタンス値ＬＦについて解くと、
ｒｓ＝（１＋ａ）／ｂ （１４）
および
ＬＦ＝Ｔｓ／ｂ （１５）
を得ることができる。

一方、（１４）式および（１５）式を、未知のパラメータａおよびｂについて解くと、
ａ＝−１＋（ｒｓＴｓ／ＬＦ） （１６）
および
ｂ＝Ｔｓ／ＬＦ （１７）
を得ることができる。なお、以下では、いずれも未知のパラメータａおよびｂを推定パラメータとも呼ぶ。

ところで、ＵＰＳ１が健全であれば、（１４）式によって与えられるメイン回路の内部抵抗２３の値ｒｓ、および（１５）式によって与えられるフィルタインダクタ２１のインダクタンス値ＬＦは、いずれも公称値に近い値となるはずである。一方、ＵＰＳ１に何らかの故障が生じれば、上記の値は、いずれも公称値から大きく異なるはずである。したがって、ＵＰＳ１は、システム同定部２７がインバータ部３の内部情報、すなわち、インバータ部３の内部の情報である、電圧指令値ｕ、直流リンク電圧Ｅｄｃ、インバータ部３の出力電圧ｖ０、および、インダクタ電流ｉｓ、を用いる再帰的同定処理によって得られる、インバータ部３の回路定数の値に基づいて、故障判定を行うことができる。

次に、上述したシステム同定部２７における再帰的同定処理の具体的な方法について、図１に示すＵＰＳ１のブロック図と共に、図２に示す処理手順のフロー図をも参照しながら説明する。なお、以下に説明する処理は、常時連続的に行われる必要がないものであり、一定時間毎に割込み処理を行うことによって繰返し実行されればよい。割込み処理を行う間隔は、対象とする系のサンプル周期と同じであり、通常はインバータ部３の変調波発生部１４で生成されて半導体ブリッジ回路１２のゲート１５に入力される変調波（キャリア）の周期Ｔｓと一致するようにされる。例えば、インバータ部３のキャリアの周波数が２０［ｋＨｚ］であるとき、５０［μｓｅｃ］毎に割込み処理が行われることになる。

まず、ステップＳ１において周期Ｔｓに相当する時間だけ割込み待ち処理が行われた後に、ステップＳ２において初期設定が行われる。この初期設定は、システム同定処理に用いられるパラメータ類に初期値を与えるものである。すなわち、係数λ、係数γ、行列Ｐ、行列θ、および、測定入力ｗ、測定出力ｙの初期値が、それぞれ、次のように設定される。ここで、Ｐは（２，２）行列、θおよびζは（２，１）行列、である。なお、θの上段の第１成分は、（１６）式のパラメータａであり、下段の第２成分は、（１７）式のパラメータｂである。

とする。係数λの初期値は1よりも小さく１に近い実数とされ、係数γの初期値はなるべく大きな実数とされる。メイン回路の内部抵抗２３の値ｒｓの初期値ｒｓ０およびフィルタインダクタ２１のインダクタンス値ＬＦの初期値ＬＦ０は、それぞれ、公称値とされる。また、測定出力ｙおよび測定入力ｗの初期値は、１サンプル前の初期値とされる。なお、上述した各パラメータ類については、後述する。

次に、ステップＳ３において、測定入力部２６によって検出されたＵＰＳ１のインバータ部３の回路情報が、システム同定部２７に取り込まれる。具体的には、直流リンク電圧Ｅｄｃの瞬時値Ｅｄｃ（ｔ）、インバータ電圧（出力電圧）ｖ０の瞬時値ｖ０（ｔ）、インダクタ電流ｉｓの瞬時値ｉｓ（ｔ）、および、正弦波状の瞬時電圧指令値ｕ（ｔ）が、それぞれ、ラッチされて取り込まれる。

そして、ステップＳ４において、測定入力ｗおよび測定出力ｙが、次のように設定される。
ｗ＝（Ｅｄｃ／２）×ｕ−ｖ０ （２３）
ｙ＝ｉｓ （２４）

次に、ステップＳ５において、再帰的同定処理が実行され、前述した２つの未知パラメータａおよびｂが同定される。具体的には、次の推定則による再帰的最小二乗法同定プロセスが実行される。

すなわち、いずれも既知のパラメータである測定入力ｗおよび測定出力ｙを成分とする（２５）式の測定入出力パラメータのマトリクスζに対して、偏差（誤差）ｅが（２６）式のように表されるとすると、（２７）式の関係によって偏差ｅを最小にするパラメータが推定される。ここで、未知のパラメータａおよびｂを成分とする推定パラメータのマトリクスθは、（２８）式によって順次更新される。また、いずれも既知のパラメータである測定入力ｗおよび測定出力ｙは、（２９）式によって順次更新される。

次に、ステップＳ６において、未知のパラメータであるａおよびｂの同定値を抽出する。なお、（１６）式、（１７）式、および（２１）式から明らかなように、パラメータａはマトリクスθの第１成分であり、パラメータｂはマトリクスθの第２成分である。

そして、ステップＳ７において、ステップ６で同定されたパラメータａおよびｂを用いて、インバータ部３のメイン回路の内部抵抗２３の値ｒｓを、以下の関係を用いて算出する。なお、以下の関係は、（１４）式と同一である。
ｒｓ＝（１＋ａ）／ｂ （３０）

次に、ステップＳ８において、ＵＰＳ１の故障判定が行われる。この故障判定は、故障判定部２８が、ステップＳ７においてシステム同定部２７が算出した、インバータ部３のメイン回路の内部抵抗２３の値ｒｓを用いて実行する。具体的には、故障判定部２８は、システム同定部２７によって算出された内部抵抗２３の値ｒｓが下限値と上限値との間にあるか否かを常時監視し、例えば
if 下限値 ＜ｒｓ＜ 上限値 then Fault =０ else Fault＝１ （３１）
という判定法によって、ＵＰＳ１に何らかの故障が発生しているか否かを判定する。すなわち、すなわち、ｒｓが下限値を超え、上限値未満であれば、故障判定信号の値として「０」を出力し、ｒｓがその範囲になければ、故障判定信号の値を「１」として出力する。すなわち、故障判定部２８は、ｒｓの値が下限値と上限値との間にあれは、ステップ９において出力する故障判定信号（Fault信号）の値を「０」に保ち、その後ステップＳ１に戻って割込み待ち処理を行う。なお、ｒｓが下限値以上で上限値以下（下限値 ≦ｒｓ≦ 上限値）のときに、故障判定信号「０」を出力し、それ以外のときに、故障判定信号「１」を出力するようにしてもよい。また、（３１）式の左または右の一方を「≦」とし、他方を「＜」としてもよい。

ここで、内部抵抗２３の値ｒｓの下限値および上限値は、いずれも、ＵＰＳ１が通常の運転状態にあれば想定できない程度の極端な値に設定される。例えば、下限値を短絡故障の場合に想定される０に設定し、上限値を断線故障の場合に想定される定格値（すなわち、定格電圧／定格電流）に設定する。インバータ部３のメイン回路の内部抵抗２３の値ｒｓは定格値の５％程度であるのが通常であることから、このような設定によれば、故障判定部２８による故障判定が確実に行われる。

一方、ステップＳ８において内部抵抗２３の値（抵抗値）ｒｓの値が何らかの原因により上述の範囲を逸脱したときは、ステップＳ１０に進み、出力する故障判定信号の値を「１」に変更する。そして、ステップＳ１１において、故障と判定されたＵＰＳ１が選択遮断されて並列運転状態から離脱する。この選択遮断は、切離しスイッチ５によって行われる。ここで、切離しスイッチ５は、入力される故障判定信号の値が「０」であるときは閉状態に保たれ、ＵＰＳ１と電源系統の母線６，６との接続状態を維持するようにされている。一方、故障判定信号の値が「１」に変更されると、切離しスイッチ５は、開状態にされてメイン回路を遮断し、ＵＰＳ１を電源系統の母線６，６から切り離す。制御部４の故障判定部２８から出力される故障判定信号は、反転増幅器（バッファ）５６を介してメイン回路に直列挿入されている切離しスイッチ５の各スイッチ５１，５１の各ゲート５４，５４に入力されており、切離しスイッチ５はこの故障判定信号によって開閉制御される。

そして最後に、ステップ１２において、ステップ１１で故障と判定されて電源系統から切離されたＵＰＳ１の運転が停止され、一連の処理が終了する。

次に、以上説明した本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１の動作について、シミュレーション結果を参照しながら説明する。以下のシミュレーション例は、並列冗長運転される４台のＵＰＳ１に短絡故障を順次発生した場合を想定したものである。各ＵＰＳ１における短絡故障は、図３に示すようにインバータ部３と並列に配置された短絡スイッチ６１を閉じることによって、例えば、インバータ部３の半導体ブリッジ回路１２の片側（ここでは、上側すなわち正電圧側）を模擬的に短絡させるものである。

シミュレーションに用いた主要な回路パラメータは、以下の通りである。すなわち、負荷機器は抵抗負荷であり、ＵＰＳ１台あたりの負荷容量は２．５［ｋＷ］である。インバータ部１０は単相ハーフブリッジによって構成され、ＰＷＭの変調波（キャリア）の周波数は２０［ｋＨｚ］、交流出力の基本周波数は５０［Ｈｚ］である。直流電源の電圧（直流リンク電圧）Ｅｄｃは、１号機４０８［Ｖ］，2号機４４９［Ｖ］，３号機４７１［Ｖ］，4号機４６０［Ｖ］である。また、ＵＰＳ１のメイン回路に挿入されたフィルタの回路定数は、フィルタインダクタLF＝６４０［μH］，内部抵抗ｒｓ＝０．１５［Ω］，フィルタキャパシタCF＝２０［μF］であり、１号機から４号機までの全てに共通に用いられている。なお、内部抵抗２３の値（抵抗値）ｒｓとして、前述したシステム同定部２７によって算出される値を用いることができる。

図４は、上記の回路パラメータを用いて行なわれたシミュレーションの結果を示している。図４の最上段は、４台のＵＰＳ１が並列接続されている電源系統の母線電圧ｖ０を示している。また、図４の２段目〜４段目は、それぞれ、ＵＰＳ１の１号機、２号機、３号機、および４号機の出力電流ｉ１、ｉ２、ｉｓ３、およびｉ４を示している。このシミュレーションは、並列冗長運転されている４台のＵＰＳ１のうち、基準時刻（０［ｓｅｃ］）から、０．０２５［ｓｅｃ］後に1号機が短絡故障し、０．０９［ｓｅｃ］後に２号機が短絡故障し、さらに、０．１７５［ｓｅｃ］後に３号機に短絡故障した場合を想定している。

図４から明らかなように、並列冗長運転されている４台のＵＰＳ１の各出力電流ｉ１、ｉ２、i３、およびｉ４は、他号機に故障が生じても変化せず、しかも自号機に故障が生じた場合には直ちに「０」になっている。ここでは、各ＵＰＳ１が故障の発生順（すなわち１号機→２号機→３号機の順）に遮断されて並列運転状態から離脱しているものの、この間も健全機が運転を続けているために母線電圧ｖ０がほとんど変化していないことが示されている。この結果から、並列運転されている各ＵＰＳ１が、選択遮断動作を確実に行っていることが分かる。

図５は、図４に示した母線電圧ｖ０および１号機、２号機の出力電流ｉ１、ｉ２のシミュレーション結果の一部を拡大表示したものである。時刻０．０２５［ｓｅｃ］において１号機に短絡故障が発生すると、１号機の出力電流ｉ１は、図５の下段に示すように、一時的に増加するが、その後に選択遮断が行われて０（ゼロ）になる。１号機が選択遮断されて並列運転状態から離脱する際に、図５の上段に示すように、母線電圧ｖ０は瞬間的に少し低下し、２号機の出力電流ｉ２は、図５の上段に示すように、瞬間的に少し上昇するものの、健全機である２号機の運転状態にほとんど影響が及んでいない。このシミュレーション例では、短絡故障が発生してから選択遮断が行われるまでに要する時間は、約２５０［μｓｅｃ］、すなわち約０．０１２５周期、である。なお、ここでは、交流出力の基本周波数を５０［Ｈｚ］としているので、1周期は１／５０［ｓｅｃ］である。この結果から、本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１が、交流出力の基本周波数の１周期よりも十分に短い時間に、選択遮断を完了できることが分かる。

図６は、ＵＰＳ１に短絡故障が発生したときに故障判定部２８から出力される、故障判定信号（Fault信号）を示している。図６の１段目に示す１号機の故障判定信号の値は、１号機に故障が発生した時刻０．０２５［ｓｅｃ］に「０」から「１」に変更されている。また、図６の２段目に示す２号機の故障判定信号の値は２号機に故障が発生した時刻０．０９［ｓｅｃ］に「０」から「１」に変更され、図６の３段目に示す３号機の故障判定信号の値は３号機に故障が発生した時刻０．１７５［ｓｅｃ］に「０」から「１」に変更されている。なお、故障が発生しなかった４号機の故障判定信号の値は、図６の４段目に示すように「０」のままである。この結果から、並列冗長運転されている各ＵＰＳ１において、故障判定が確実に行われていることが分かる。なお、このシミュレーション例において、選択遮断に要する時間は４００［μｓｅｃ］以下である。

図７は、各ＵＰＳ１における、メイン回路の内部抵抗２３の値ｒｓについてのシミュレーション結果を示している。ここで、０．１０［Ω］と０．１５［Ω］との間で変動している直線は、１号機から４号機までの内部抵抗２３の値（抵抗値）ｒｓの同定値で、点線は、それまでの同定値から１号機が外れた状況を示し、一点鎖線は、それまでの同定値から２号機が外れた状況を示し、上下及び左右の直線は、それまでの同定値から３号機が外れた状況を示している。１号機から３号機までの各ＵＰＳ１において、短絡故障が発生した瞬間に内部抵抗２３の値ｒｓの値が０に近づくことが分かる。この結果から、システム同定部２７によって算定される内部抵抗２３の値（抵抗値）ｒｓの値を用いることによって故障判定を確実に行うことができることが分かる。なお、内部抵抗２３の値ｒｓの真値は０．１５［Ω］である。

なお、本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１の主要部をなす回路は、自機内の信号の瞬時値を利用することによって故障判定および選択遮断を高速に行い得るという効果を最大限に奏するために、ハードウェア（ファームウェア）によって構成されることが望ましい。なお、式（１８）〜式（３１）によって表される一連の処理を実現できるものであれば、具体的な回路はどのようなものでもよく、処理に要する時間や処理精度、構成の容易さなどを適宜考慮して決定すればよい。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置１（ＵＰＳ１）によれば、いずれも自機内の情報である、電圧指令値ｕ、直流リンク電圧Ｅｄｃ、インバータ電圧ｖ０、および、インダクタ電流ｉｓを用いて故障判定を行うことができる。このため、他のＵＰＳと並列運転される場合であっても、他機と共通する情報を用いる必要がなく、他機の影響を受けずに自機の故障判定を行うことが可能になる。また、本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１によれば、自機内の電圧や電流の瞬時値を用いて故障判定を行うことができるため、１周期遅延信号を用いて故障判定を行う従来のＵＰＳと異なり、基本周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の１周期よりも十分に短い時間内に選択遮断を行うことが可能になる。さらに、再帰的処理を行うことによって、ＵＰＳ１を運転しながら未知の回路定数を同定することも可能になる。

以上、本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限り、種々変更実施できる。たとえば、本発明の実施の形態においては、ＵＰＳ１のシステム同定部２７において実行される再帰的処理が最小二乗法であるものとして説明している。このような構成によれば、再帰的同定処理を他のシステム同定プロセスに基づく場合よりも簡単に実行することができる。しかし、システム同定のプロセスに制限はなく、上述した最小二乗法の他に、拡大最小二乗法、一般化最小二乗法、バイアス補償最小二乗法、補助変数法、予測誤差法など、種々の同定プロセスを用いることもできる。

また、以上の説明においては、本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１が他のＵＰＳと並列運転される場合を想定している。しかし、本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１は、単独で運転できることは当然である。また、本発明の実施の形態に係るＵＰＳ１は、電源容量が異なる他のＵＰＳと混在させて並列運転しても差し支えないものであり、その場合においても、自機の故障判定を独立に行うことができるため安定な並列運転を行うことができる。

上述のＵＰＳ１は、直流電圧を交流電圧に変換して負荷機器に供給する無停電電源装置であり、自機の内部インピーダンス（内部抵抗２３の値ｒｓ）を同定し、その値の異常変動を捉えて故障判定を行う制御部４を有するものとしている。しかし、制御部４は、インダクタンス値ＬＦも同定することができる。このため、このインダクタンス値ＬＦの変化を検出し、故障判定するようにしてもよい。

また、上述のＵＰＳ１は、直流電圧を電圧指令値ｕに基づいて変調することによって正弦波状の交流電圧を生成する半導体ブリッジ回路１２と、半導体ブリッジ回路１２と負荷機器との間に直列挿入されたフィルタ回路１３とを有するインバータ部３と、制御部４の故障判定に応じてインバータ部３と負荷機器とを接続または遮断する切離しスイッチ５と、を備えるものとしている。この切離しスイッチ５は、メカ的に接続したり、切断したりするもの以外に、電気的に接続したり、切断したりする半導体スイッチなどとしてもよい。

さらに、上述のＵＰＳ１の制御部４は、インバータ部３の既知の回路情報を用いて再帰的同定処理を行うことによってインバータ部３の未知の回路定数を算定するシステム同定部２７と、システム同定部２７によって算定された未知の回路定数に基づいて故障判定信号を生成する故障判定部２８と、を有している。これらのシステム同定部２７や故障判定部２８をＵＰＳ１内に配置しているが、ＵＰＳの外部に配置してもよい。また、制御部４もＵＰＳの外部に配置してもよい。

また、システム同定部２７は、既知の回路情報として、電圧指令値ｕ、直流電圧Ｅｄｃ、インバータ部３の出力電圧ｖ０、およびフィルタ回路１３中のフィルタインダクタ２１を流れるインダクタ電流ｉｓを用い、インバータ部３の内部抵抗２３の値ｒｓを算定している。このような構成によれば、故障判定に用いるメイン回路の内部抵抗２３の値ｒｓを、通常の運転状態にあれば想定できない程度の極端な値に設定することができるので、確実な故障判定および選択遮断を行うことが可能となる。しかし、これらの値に加えて、他の値、たとえば、インバータ部３の回路定数を用いて生成したインダクタ電流ｉｓの推定値となる模擬値ｉｓ’ （ｔ）を利用するようにしてもよい。その場合、フィルタ回路１３中のフィルタインダクタ２１を流れるインダクタ電流ｉｓの瞬時値ｉｓ （ｔ）と、インバータ部３の回路定数を用いて生成したインダクタ電流ｉｓの推定値となる模擬値ｉｓ’ （ｔ）との偏差Δｉｓ（ｔ）にて故障判定信号を生成し、２つの故障判定信号を生成するようにすることができる。

本発明の実施の形態に係るＵＰＳの主要部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るＵＰＳにおけるシステム同定と故障判定のフローチャート図である。 本発明の実施の形態に係るＵＰＳにおいて短絡故障を模擬するための短絡スイッチを示す図である。 本発明の実施の形態に係るＵＰＳを並列冗長運転した場合における選択遮断動作のシミュレーション結果である。 図４に示すシミュレーション結果の一部を拡大した図である。 本発明の実施の形態に係るＵＰＳにおける故障判定信号についてのシミュレーション結果である。 本発明の実施の形態に係るＵＰＳにおけるメイン回路の内部抵抗値についてのシミュレーション結果である。 従来および本発明の実施の形態に係るＵＰＳの並列冗長運転される状態を示す図である。

符号の説明

１ 無停電電源装置（ＵＰＳ）
２ 直流電源部
３ インバータ部
４ 制御部
５ 切離しスイッチ
６ 母線
１１ 直流電源
１２ 半導体ブリッジ回路
１３ フィルタ回路
２１ フィルタインダクタ（インダクタ）
２２ フィルタキャパシタ（キャパシタ）
２３ 内部抵抗
２４ 変調波発生部
２５ ゲート
２６ 測定入力部
２７ システム同定部
２８ 故障判定部
Ｅｄｃ 直流リンク電圧
ｒｓ インバータ部の内部抵抗の値
ｉｓ インダクタ電流（出力電流）
ｕ 瞬時電圧指令値
ｖ０ インバータ電圧（出力電圧）、母線（バス）電圧
ｗ 瞬時電圧偏差信号（測定入力）
ｙ 測定出力（インダクタ電流）
ｕ 瞬時電圧指令値

Claims (7)

1. 直流電圧を交流電圧に変換して負荷機器に供給する無停電電源装置において、
   自機の内部インピーダンスを、自機内の電圧と電流の瞬時値を用いて同定し、その値の異常変動を捉えて故障判定を行う制御部を有することを特徴とする無停電電源装置。
2. 請求項１記載の無停電電源装置において、
   前記直流電圧を電圧指令値に基づいて変調することによって正弦波状の交流電圧を生成する半導体ブリッジ回路と、上記半導体ブリッジ回路と前記負荷機器との間に直列挿入されたフィルタ回路とを有するインバータ部と、
   前記制御部の故障判定に応じて上記インバータ部と前記負荷機器とを接続または遮断する切離しスイッチと、
   を備えることを特徴とする無停電電源装置。
3. 請求項２記載の無停電電源装置において、
   前記制御部は、前記インバータ部の既知の回路情報を用いて再帰的同定処理を行うことによって前記インバータ部の未知の回路定数を算定するシステム同定部と、上記システム同定部によって算定された上記未知の回路定数に基づいて故障判定信号を生成する故障判定部と、を有することを特徴とする無停電電源装置。
4. 請求項３記載の無停電電源装置において、
   前記システム同定部は、前記既知の回路情報として、前記電圧指令値、前記直流電圧、前記インバータ部の出力電圧、および前記フィルタ回路中のインダクタを流れるインダクタ電流を用い、前記インバータ部の内部抵抗を算定することを特徴とする無停電電源装置。
5. 請求項３または４記載の無停電電源装置において、
   前記再帰的同定処理は最小二乗法を用いたものであることを特徴とする無停電電源装置。
6. 直流電圧をインバータ部によって交流電圧に変換して負荷機器に供給する無停電電源装置の選択遮断方法において、
   上記インバータ部の既知の回路情報を用いて再帰的同定処理を行うことによって上記インバータ部の未知の回路定数を算定し、
   算定された上記未知の回路定数に基づいて故障判定信号を生成し、
   この故障判定信号が故障発生信号であるときに切離しスイッチによって上記インバータ部と上記負荷機器と遮断する、
   ことを特徴とする無停電電源装置の選択遮断方法。
7. 請求項６記載の無停電電源装置の選択遮断方法において、
   前記インバータ部は、前記直流電圧を電圧指令値に基づいて変調することによって正弦波状の交流電圧を生成する半導体ブリッジ回路と、上記半導体ブリッジ回路と前記負荷機器との間に直列挿入されたフィルタ回路と、を有し、
   前記既知の回路情報として、前記電圧指令値、前記直流電圧、前記インバータ部の出力電圧、および前記フィルタ回路中のインダクタを流れるインダクタ電流を用い、前記インバータ部の内部抵抗を算定することを特徴とする無停電電源装置の選択遮断方法。

Images