JP2024073768A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電力系統の異常が繰り返される場合であっても、蓄電池の容量を増加させることなく、蓄電池から負荷に確実に給電する。【解決手段】商用電力系統１０と重要負荷３０との間に設けられ、重要負荷３０に交流電力を供給する常時給電方式の無停電電源装置１００であって、商用電力系統１０から重要負荷３０に給電するための電力線Ｌ１に接続された電力変換器２２及び蓄電池２１を有する電源部２と、電力線Ｌ１において電源部２よりも商用電力系統１０側に設けられ、電力線Ｌ１を開閉する開放スイッチ３と、電源部２とは別に設けられ、開放スイッチ３よりも重要負荷３０側の電力線Ｌ１に接続された分散型電源６と、商用電力系統１０の停電時に分散型電源６を自立運転させる制御部７とを備え、制御部７は、分散型電源６が自立運転している状態において、蓄電池２１の充電に関連する情報を示す充電情報に基づいて、分散型電源６から電力変換器２２を介して蓄電池２１を充電する充電制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、常時給電方式の無停電電源装置に関するものである。

常時給電方式の無停電電源装置は、商用電力系統の系統電圧の停電及び周波数変動を補償するものである。この常時給電方式の無停電電源装置は、例えば、特許文献１に示すように、蓄電池及び電力変換器を有するとともに、負荷と並列に接続された電源部と、分散型電源と、これらの上位に設けられた開放スイッチとを備える。

この無停電電源装置は、商用電力系統の正常時には、商用電力系統から負荷及び蓄電池に給電する。一方、商用電力系統の異常時には、開放スイッチを開放して商用電力系統から負荷への給電を遮断すると同時に、電源部から負荷へと給電を開始する。そして、所定の時間が経過した商用電力系統の停電時には、電源部から分散型電源へと切り替えて、分散型電源から負荷へと給電を開始する。これにより、商用電力系統の異常時でも負荷に電力を供給している。

特開２０１９－２０１４７５号公報

しかしながら、上記のような無停電電源装置では、商用電力系統の正常時には、商用電力系統によって蓄電池が充電される一方、商用電力系統の停電時には蓄電池が充電されない。したがって、商用電力系統の異常が繰り返された場合、蓄電池の充電が不十分となって蓄電池の容量が不足する可能性がある。その結果、商用電力系統の異常が発生した場合に、電源部から負荷へと給電を行うことができない恐れがある。

この問題に対処するために、例えば蓄電池の個数を増やすといった蓄電池の容量を増加させることが考えられる。しかしながら、蓄電池の容量を増加させると、無停電電源装置のコスト及びサイズが増加してしまう。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、商用電力系統の異常が繰り返される場合であっても、蓄電池の容量を増加させることなく、蓄電池から負荷に確実に給電することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る無停電電源装置は、商用電力系統と重要負荷との間に設けられ、前記重要負荷に交流電力を供給する常時給電方式の無停電電源装置であって、前記商用電力系統から前記重要負荷に給電するための電力線に接続された電力変換器及び蓄電池を有する電源部と、前記電力線において前記電源部よりも前記商用電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する開放スイッチと、前記電源部とは別に設けられ、前記開放スイッチよりも前記重要負荷側の前記電力線に接続された分散型電源と、前記商用電力系統の停電時に前記分散型電源を自立運転させる制御部とを備え、前記制御部は、前記分散型電源が自立運転している状態において、前記蓄電池の充電状態に関連する情報を示す充電情報に基づいて、前記分散型電源から前記電力変換器を介して前記蓄電池を充電する充電制御を行うことを特徴とする。

このような構成であれば、商用電力系統の停電時に、制御部は、蓄電池の充電情報に基づいて、分散型電源から電力変換器を介して蓄電池を充電するように制御するので、蓄電池は商用電力系統の停電時でも充電されることとなる。その結果、商用電力系統の異常が再び発生した場合でも、蓄電池が充電された状態となっているので、電源部から重要負荷へと給電することができる。なお、ここで言う蓄電池の充電情報とは、蓄電池の充電を示すパラメータを言い、例えば蓄電池の充電状態を示す指標であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、蓄電池の充電率、蓄電池から重要負荷への電力消費量、蓄電池の充電量、又は、蓄電池の容量が挙げられる。
また、正常時及び停電時の何れの場合であっても蓄電池が充電されるので、蓄電池のコスト及びサイズを増加させる必要がなく、蓄電池の小容量化を図ることができる。

前記充電情報は、前記蓄電池の充電状態を示す指標であるＳＯＣであり、前記蓄電池のＳＯＣが設定値未満の場合に、前記制御部は前記充電制御を行うことが望ましい。

このような構成であれば、蓄電池のＳＯＣが設定値未満の場合に制御部が充電制御を行うので、停電時においても蓄電池のＳＯＣを設定値以上にすることができる。その結果、停電が繰り返された場合であっても、蓄電池のＳＯＣが設定値以上なので、電源部は重要負荷の電圧を補償することができる。

前記制御部は、前記商用電力系統が前記重要負荷への給電を復帰させる復帰制御を行う前に、前記充電制御を行うことが望ましい。

このような構成であれば、制御部が復帰制御を行う前に充電制御を行うので、復帰制御で分散型電源を停止して蓄電池を起動させた場合に、蓄電池は復帰制御を行うために十分な充電がされている。その結果、復帰制御において電源部から重要負荷への給電を行い、開放スイッチを投入することによって、商用電力系統から重要負荷への給電を行うことができる。

商用電力系統の停電を早く検出するには、前記開放スイッチよりも前記商用電力系統側で発生する系統異常のうち、電圧低下、周波数変動、電圧上昇、電圧不均衡、高調波異常、又は、フリッカの少なくとも一つを検出して、前記制御部に出力する系統異常検出部をさらに備えることが挙げられる。

このように構成した本発明によれば、商用電力系統の異常が繰り返される場合であっても、蓄電池の容量を増加させることなく、蓄電池から負荷に確実に給電することができる。

本実施形態における無停電電源装置の構成を示す模式図である。 同実施形態における無停電電源装置の動作状態を示す図である。 同実施形態における復帰制御のパターンを示す表である。

以下に、本発明に係る常時給電方式の無停電電源装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示すいずれの図についても、わかりやすくするために、適宜省略し、又は、誇張して模式的に描かれている場合がある。同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の常時給電方式の無停電電源装置１００は、図１に示すように、商用電力系統１０と重要負荷３０との間に設けられ、商用電力系統１０の異常時に重要負荷３０に電力を供給する常時商用給電方式のものである。

ここで、商用電力系統１０は、電力会社（電気事業者）の電力供給網であり、発電所、送電系統及び配電系統を有するものである。また、重要負荷３０は、停電や瞬低などの系統異常時においても電力を安定して供給すべき負荷であり、図１では１つであるが、複数あっても良い。

具体的に無停電電源装置１００は、電源部２と、商用電力系統１０と電源部２及び重要負荷３０とを接続する開放スイッチ３と、開放スイッチ３よりも商用電力系統１０側の電圧を検出する系統側電圧検出部４と、系統側電圧検出部４の検出電圧から系統異常を検出する系統異常検出部５と、電源部２とは別に設けられた分散型電源６と、系統異常検出部５の検出信号により開放スイッチ３を開放し、電源部２及び分散型電源６を制御する制御部７とを備えている。

電源部２は、商用電力系統１０から重要負荷３０に給電するための電力線Ｌ１に接続されている。この電源部２は、商用電力系統１０に連系されるものであり、二次電池などの蓄電池２１と充電及び給電の双方向の電力を受け付ける電力変換器（パワーコンディショナー）２２とを有するものである。また、電源部２は、蓄電池２１の充電状態を表すパラメータである充電情報を制御部７に出力する。

開放スイッチ３は、電力線Ｌ１において電源部２の接続点よりも商用電力系統１０側に設けられて電力線Ｌ１を開閉するものであり、例えば半導体スイッチ、又は、半導体スイッチと機械式スイッチとを組み合わせたハイブリッドスイッチなどの高速切り替えが可能な無瞬断スイッチを用いることができる。例えば半導体スイッチを用いた場合には、切替時間を２ミリ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断することができる。また、ハイブリッドスイッチを用いた場合には、切替時間を２ミリ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断できるだけでなく、通電損失をゼロにすることができる。なお、この開放スイッチ３は、制御部７により開閉制御される。

系統側電圧検出部４は、電力線Ｌ１において開放スイッチ３よりも商用電力系統１０側の電圧を、計器用変圧器４１を介して検出するものである。具体的に系統側電圧検出部４は、開放スイッチ３よりも商用電力系統１０側に計器用変圧器４１を介して接続されている。

系統異常検出部５は、系統側電圧検出部４により検出された検出電圧から、開放スイッチ３よりも商用電力系統１０側の各系統異常を検出するものである。本実施形態の系統異常は、瞬低を含む電圧低下、電圧上昇、周波数変動、位相変動、電圧不平衡、異常高調波、フリッカである。

このため、系統異常検出部５は、瞬低を含む電圧低下を検出する電圧低下検出部５１と、周波数変動を検出する周波数変動検出部５２と、電圧上昇を検出する電圧上昇検出部５３と、位相変動を検出する位相変動検出部５４と、電圧不平衡を検出する電圧不平衡検出部５５と、異常高調波を検出する異常高調波検出部５６と、フリッカを検出するフリッカ検出部５７とを有する。

電圧低下検出部５１は、系統側電圧検出部４の検出電圧と所定の整定値とを比較することにより電圧低下を検出するものである。ここで、電圧低下を検出するための整定値は、瞬低を検出するための電圧値であり、例えば残電圧２０％である。

周波数変動検出部５２は、系統側電圧検出部４の検出電圧から周波数変動（周波数上昇（ＯＦ）、周波数低下（ＵＦ））を検出するものである。なお、周波数変動は、例えばステップ上昇や、ランプ上昇・下降である。

電圧上昇検出部５３は、系統側電圧検出部４の検出電圧と所定の整定値とを比較することにより電圧上昇を検出するものである。ここで、電圧上昇を検出するための整定値は、系統電圧に対して例えば１０７％の電圧である。

位相変動検出部５４は、系統側電圧検出部４の検出電圧の位相から例えば１０°の位相跳躍等の位相変動を検出するものである。

電圧不平衡検出部５５は、系統側電圧検出部４の検出電圧から三相間の振幅の大きさ又は位相差１２０°が異なる状態となっていることを検出するものである。

異常高調波検出部５６は、系統側電圧検出部４の検出電圧から高調波電圧を検出するものである。フリッカ検出部５７は、系統側電圧検出部４の検出電圧から電圧変動（フリッカ）を検出するものである。

分散型電源６は、開放スイッチ３よりも重要負荷３０側の電力線Ｌ１に接続されたものである。この構成により、自立運転時間の長時間化といった系統停電時に対応することが可能となる。分散型電源６は例えば非常用発電機であってもよいし、太陽光発電装置又は風力発電装置といった再生可能エネルギー発電装置であってもよい。

制御部７は、系統異常検出部５により検出された各検出信号に基づいて、開放スイッチ３に制御信号を出力して開放スイッチ３を開放するものである。本実施形態の制御部７は、各検出部５１～５７からの検出信号を受け付けて何れか１つの検出信号が所定の条件（ＯＲ条件）を満たす場合に、開放スイッチ３を開放する。

具体的に制御部７は、各検出部５１～５７により検出された各系統異常の少なくとも１つが重要負荷３０又は電源部２の各系統異常に対する耐量以上である場合に開放スイッチ３を開放する。また、制御部７は、電力変換器２２に制御信号を出力して、蓄電池２１から電力変換器２２を介して重要負荷３０の電圧を補償する補償制御を行う。

＜制御部７の停電時の動作＞
然して、制御部７は、系統異常検出部５によって検出される系統異常が所定時間継続した場合に系統停電と判断する。また、制御部７は、分散型電源６に制御信号を出力して、分散型電源６を自立運転させる。

分散型電源６が自立運転している状態で、制御部７は、系統異常検出部５が検出した系統異常、及び、蓄電池２１の充電状態に関連する情報を示す充電情報を取得する。なお、本実施形態において、制御部７が取得する充電情報は蓄電池２１のＳＯＣであり、蓄電池２１のＳＯＣの設定値は調整可能である。

図３に示すように、制御部７は、系統異常に基づいて分散型電源６が重要負荷３０の電圧を補償する補償制御、及び、充電情報に基づいて分散型電源６が電力変換器２２を介して蓄電池２１の充電を行う充電制御を行う。具体的には系統停電が継続している場合、制御部７は、蓄電池２１のＳＯＣの値に関わらず、分散型電源６に制御信号を出力して補償制御を行う。一方、蓄電池２１のＳＯＣが設定値未満である場合、制御部７は、系統停電が継続しているかどうかに関わらず、分散型電源６が自立運転している状態で、分散型電源６に制御信号を出力して充電制御を行う。

より詳細には、系統停電が継続し、蓄電池２１のＳＯＣが設定値未満である場合、分散型電源６は、重要負荷３０の電圧を補償するとともに、電力変換器２２を介して蓄電池２１の充電を行う。系統停電が解消され、蓄電池２１のＳＯＣが設定値未満である場合、分散型電源６は自立運転している状態であり、分散型電源６は電力変換器２２を介して蓄電池２１の充電を行う。なお、ここで言う系統停電の解消とは、各検出部５１～５７の検出信号がいずれも所定時間検出されない場合をいう。

系統停電が解消され、かつ、蓄電池２１のＳＯＣが設定値以上である場合、制御部７は、商用電力系統１０から重要負荷３０への給電を復帰させる復帰制御に移行する。復帰制御において、制御部７は、重要負荷３０への給電を分散型電源６から電源部２へと切り替える。これにより、分散型電源６の自立運転は停止する。そして、商用電力系統１０と電源部２の交流電力との同期をとった後、制御部７は、開放スイッチ３を投入して、商用電力系統１０から重要負荷３０への給電を復帰させる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態における常時商用給電方式の無停電電源装置１００によれば、商用電力系統１０の停電時において、蓄電池２１の充電情報であるＳＯＣに基づいて、制御部７が分散型電源６から電力変換器２２を介して蓄電池２１の充電制御を行うので、蓄電池２１は商用電力系統１０の停電時でも充電されることとなる。その結果、商用電力系統１０の異常が再び発生した場合でも、蓄電池２１が充電されているので、電源部２から重要負荷３０へと給電することができる。
また、正常時及び停電時の何れの場合であっても蓄電池２１が充電されるので、蓄電池２１のコスト及びサイズを増加させる必要がなく、蓄電池２１の小容量化を図ることができる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

本実施形態における無停電電源装置１００は、常時商用給電方式であったが、常時インバータ給電方式であってもよい。

本実施形態における蓄電池２１の充電情報は、蓄電池２１のＳＯＣであったが、蓄電池２１の充電情報はこれに限られない。蓄電池２１の充電情報を指すパラメータは、例えば蓄電池２１の充電率、蓄電池２１から重要負荷３０への電力消費量、蓄電池２１の充電量、又は、蓄電池２１の容量の何れのパラメータであってもよいし、これらのパラメータを組み合わせたものであってもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・無停電電源装置
１０ ・・・商用電力系統
３０ ・・・重要負荷
Ｌ１ ・・・電力線
２ ・・・電源部
２１ ・・・蓄電池
２２ ・・・電力変換器
３ ・・・開放スイッチ
４ ・・・系統側電圧検出部
５ ・・・系統異常検出部
６ ・・・分散型電源
７ ・・・制御部

Claims (4)

1. 商用電力系統と重要負荷との間に設けられ、前記重要負荷に交流電力を供給する常時給電方式の無停電電源装置であって、
   前記商用電力系統から前記重要負荷に給電するための電力線に接続された電力変換器及び蓄電池を有する電源部と、
   前記電力線において前記電源部よりも前記商用電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する開放スイッチと、
   前記電源部とは別に設けられ、前記開放スイッチよりも前記重要負荷側の前記電力線に接続された分散型電源と、
   前記商用電力系統の停電時に前記分散型電源を自立運転させる制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記分散型電源が自立運転している状態において、前記蓄電池の充電に関連する情報を示す充電情報に基づいて、前記分散型電源から前記電力変換器を介して前記蓄電池を充電する充電制御を行う無停電電源装置。
2. 前記充電情報は、前記蓄電池の充電状態を示す指標であるＳＯＣであり、
   前記蓄電池のＳＯＣが設定値未満の場合に、前記制御部は前記充電制御を行う請求項１記載の無停電電源装置。
3. 前記制御部は、前記商用電力系統から前記重要負荷への給電を復帰させる復帰制御を行う前に、前記充電制御を行う請求項１記載の無停電電源装置。
4. 前記開放スイッチよりも前記商用電力系統側で発生する系統異常のうち、電圧低下、周波数変動、電圧上昇、電圧不均衡、高調波異常、又は、フリッカの少なくとも一つを検出して、前記制御部に出力する系統異常検出部をさらに備える、請求項１乃至３の何れか一項に記載の無停電電源装置。