JP4400442B2 - 無停電電源装置の並列運転制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、無停電電源装置の並列運転制御回路、特に並列運転による出力電流アンバランスの抑制方法に関する。

無停電電源装置の高効率化を低価格に提供するものとしては、例えば特許文献１に示すものがある。図３にその回路図を示す。これは直並列方式の例である。
この回路は、負荷５または入力電源４に並列に接続される第１の変換器１（並列ＩＮＶ）と、電源４と負荷５との間に直列に接続される第２の変換器２（直列ＩＮＶ）とを備え、入力電源４が正常なときは第１の変換器１が蓄電池３の充電制御を行ない、入力電源４が停電したときはスイッチ６を開放して、第１の変換器１が蓄電器３の直流電力を交流に変換して負荷５に電力を供給する。直列に接続される第２の変換器２は、入力電源４の電圧と第２の変換器２の出力電圧Ｖｓｏｕｔが所定の値になるように制御される。

次に、入力電源正常時における第１の変換器１の制御動作について、図４（ｂ）を参照して説明する。
まず、蓄電池電圧の指令値Ｖｄ^*と検出値Ｖｄとの偏差を自動調節器１４に入力し、必要な充電電流指令Ｉｂ^*を算出する。次に、この結果が第１の変換器１の許容電流以内になるように設定したリミッタ（ＬＩＭ３）１６に入力し、その出力を第１の変換器１の出力電流指令Ｉｉｎｖ^*とする。この電流指令Ｉｉｎｖ^*と第１の変換器１の出力電流検出値Ｉｉｎｖとの偏差を自動調節器（ＡＣＲ）１８に入力し、その得られた制御信号（λ指令）により第１の変換器１を動作させる。

次に、入力電源許容範囲逸脱時（停電時）の、第１の変換器１制御動作を説明する。
停電判定信号（３４）を受信すると、切替スイッチ２５により電流制御ブロックから電圧制御ブロックに制御を切替える。電圧制御ブロックに切り替わると、設定された出力電圧指令値Ｖｏｕｔ^*と出力電圧検出値Ｖｏｕｔとの偏差を自動調節器（ＡＶＲ）２２に入力し、出力電圧を所定の値にするための制御信号を演算する。この演算結果を第１の変換器１の制御信号（λ指令）として動作させる。

次に、第２の変換器２の動作を、図４（ａ）を参照して説明する。
第２の変換器２は、電源電圧正常時のみ動作する。まず、振幅信号変換器（ＡＶＥ）５２により出力電圧の平均値（または実効値）を検出し、その検出電圧と出力電圧指令値Ｖｏｕｔ^*との偏差を算出する。算出された偏差量を自動調節器（ＡＶＲ）４４に入力し、無停電電源装置の出力電圧振幅を所定の値にするための制御信号を演算する。なお、この演算結果を図示されないＰＬＬ（フェーズロックドループ回路）等で作られた入力電圧Ｖｉｎと同相の基準波形Ｖｒｅｆ（０°ｅｌ）に乗じて、第２の変換器２の制御信号（λ指令）を生成し、第２の変換器２を駆動する。

ところで、システムの信頼性を向上させる目的で、図５のように入力電源４および負荷５を共通として、複数台の無停電電源装置を並列運転させる場合がある。図３の無停電電源装置における第２の変換器２は、入力電圧Ｖｉｎと同相の出力電圧を出力し、入力電圧Ｖｉｎとの和が所定のレベルになるように制御している。したがって、並列運転システムに適用する場合には、各無停電電源装置の配線インピーダンスのずれが問題となる。

例えば、無停電電源装置を図５のように２台並列する場合、第１の無停電電源装置と負荷間の配線インピーダンスＺ１と、第２の無停電電源装置と負荷間の配線インピーダンスＺ２との比率が１：２であったとすると、負荷に供給される電力が２：１の割合で分担されてしまう。このような複数台並列時の、配線インピーダンスによる各無停電電源装置の分担不均衡は、システムの有効利用を妨げるおそれがある。
特許第３０８２８４９号公報（第６−７頁、図１）

上述のような、アンバランスの抑制対策として、従来は各変換器の配線端に配線インピーダンスの影響を無視できるインピーダンスを直列接続することにより、出力アンバランスを抑制するようにしている。
しかしながら、配線インピーダンスは設備毎に異なるため、その都度設計が必要になるだけでなく、装置の大型化・高価格化の要因になるという問題がある。
したがって、この発明の課題は、直並列補償型の無停電電源装置を並列運転させるにあたり、配線インピーダンスのアンバランスによって発生する各無停電電源装置の出力アンバランス（横流）を抑制することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、電力貯蔵装置と、負荷と並列に接続されて順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源を開閉するスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器とを設け、交流電源電圧が正常な場合には前記スイッチを閉じ、前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値となるように前記第２の変換器を制御するとともに、前記第１の変換器を前記第２の変換器と前記電力貯蔵装置とに電力を供給するように制御し、交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときには、前記スイッチを開いて、前記第１の変換器を前記負荷に印加する交流電圧が所定の値となるように制御する無停電電源装置を複数台、その入力電源および負荷を共通にして互いに並列運転するときは、
前記負荷の電流を検出しその検出信号から所望の負荷分担量を算出する算出手段と、前記無停電電源装置の出力電流を検出する検出手段と、前記算出手段にて得られた負荷分担量を出力電流指令とし、その出力電流指令と出力電流検出信号とが一致するように制御する電流調節器（ＡＣＲ）と、出力電圧振幅指令に基準波形を乗算して得られる瞬時電圧波形指令に前記電流調節器の出力を加算して得られる瞬時電圧波形指令と前記交流出力電圧瞬時波形との偏差を零にする電圧調節器（ＡＶＲ）とを用い、この電圧調節器（ＡＶＲ）の出力に前記基準波形を乗算して得られる電圧波形指令に基づき前記第２の変換器を制御することを特徴とする。

請求項２の発明では、電力貯蔵装置と、負荷と並列に接続されて順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源を開閉するスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器とを設け、交流電源電圧が正常な場合には前記スイッチを閉じ、前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値となるように前記第２の変換器を制御するとともに、前記第１の変換器を前記第２の変換器と前記電力貯蔵装置とに電力を供給するように制御し、交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときには、前記スイッチを開いて、前記第１の変換器を前記負荷に印加する交流電圧が所定の値となるように制御する無停電電源装置を、複数台その入力電源および負荷を共通にして互いに並列運転するときは、
前記負荷の電流を検出しその検出信号から所望の負荷分担量を算出する算出手段と、前記無停電電源装置の出力電流を検出する検出手段と、前記算出手段にて得られた負荷分担量を出力電流指令とし、この出力電流指令値と出力電流検出値との瞬時偏差を求め、この瞬時偏差の有効電力成分と無効電力成分を演算する演算手段と、前記有効電力成分を調整する第１の自動調節器（ＡＦＲ）と、前記無効電力成分を調整する第２の自動調節器（ＡＶＲ）と、この第２の自動調節器の出力と出力電圧指令との和を出力電圧振幅指令とし、この指令と出力電圧の振幅値との偏差を零にする第３の自動調節器（ＡＶＲ）とを用い、この第３の自動調節器（ＡＶＲ）の出力に入力電圧と同相の基準波形を乗算して出力電圧振幅信号を生成し、前記第１の自動調節器（ＡＦＲ）の出力に入力電圧の９０度位相波形を乗算して出力電圧位相信号を生成し、この出力電圧位相信号と前記出力電圧振幅信号との和に基づき前記第２の変換器を制御することを特徴とする。

この発明によれば、第２の変換器（直列ＩＮＶ）による入力電圧変動分を補正する基本機能に加え、無停電電源装置の並列運転システムにて設定される所定の負荷分担電流を供給するための振幅・位相制御を行なうようにしたので、配線インピーダンスに関わらず、負荷に安定した電圧を供給するとともに、所望の負荷電流を適宜な分担比で供給することができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
これは、従来の無停電電源装置の入力電源４と負荷５との間に、直列接続される第２の変換器２の制御に関するものであり、従って以下ではその制御方法を主に説明する。つまり、図１に示すように、第２の変換器２の出力電圧の制御を従来の平均値制御から瞬時波形制御に変更するとともに、アンバランス抑制制御部の演算結果を、出力電圧指令（波形指令）に反映させるようにした点が特徴である。

図１の場合のアンバランス抑制制御部の動作について、説明する。
まず、各無停電電源装置は並列システムの負荷電流ＩＬを検出し、システムにより設定される自己分担比（１／ｎ）を乗じて出力電流指令Ｉｏｕｔ^*を算出する。この出力電流指令Ｉｏｕｔ^*と自己の電流検出値Ｉｏｕｔとの瞬時偏差を、自動調節器（ＡＣＲ）４９に入力する。ＡＣＲ４９は上記偏差をゼロとするために必要な、出力電圧Ｖｏｕｔに加算されるべき電圧波形ΔＶｏｕｔ^*を出力する。こうして算出されたΔＶｏｕｔ^*を、定格出力電圧指令Ｖｏｕｔ^*に加算することにより、第２の変換器２の出力電圧指令Ｖｏｕｔ^**とする。

次に、第２の変換器２の出力電圧制御について説明する。
従来の電圧制御は、無停電電源装置出力電圧Ｖｏｕｔの振幅を所定の値に制御する、いわゆる平均値制御を行なっている。ここでは、アンバランス抑制のため、振幅に加えて位相を制御するもので、要点は以下の通りである。
まず、従来の出力電圧指令Ｖｏｕｔ^*（振幅値）に、上述の基準波形Ｖｒｅｆ（０°ｅｌ）を乗じることで、電圧指令を瞬時波形に変更している。また、出力電圧検出値Ｖｏｕｔも平均値への変換をやめ、瞬時波形を制御対象としている。
以上のような制御をすることにより、配線インピーダンスに関わらず、負荷に安定した電圧を供給するとともに、所望の負荷電流を適宜な分担比で供給することができる。

図２は、この発明の他の実施の形態を示す構成図である。
その要点は、図１で説明した負荷電流ＩＬに基づく出力電流指令Ｉｏｕｔ^*と、自己の出力電流検出値Ｉｏｕｔとの瞬時偏差ΔＩを、有効電力成分と無効電力成分とに成分分解し、有効電力成分に対しては位相制御を、また無効電力成分に対しては振幅制御を行ない、その結果を合成して第２の変換器２の出力電圧とすることで、アンバランス電流の抑制を実現する点にある。なお、各電力成分と電圧振幅・位相の関係については、電力系統制御等で一般的に利用されているため、説明は省略する。必要ならば、「社団法人電気学会，１９８７年発行“半導体変換回路”，ｐ２１６“系統連系時におけるインバータ出力の有効電力および無効電力”の項」を参照されたい。

図２におけるアンバランス抑制制御部の動作について、説明する。
まず、各無停電電源装置は並列システムの負荷電流ＩＬを検出し、システムにより設定される自己分担比（１／ｎ）を乗じて出力電流指令Ｉｏｕｔ^*を算出する。この出力電流指令Ｉｏｕｔ^*と自己の電流検出値Ｉｏｕｔとの瞬時偏差ΔＩを、成分分解回路５３に入力する。成分分解回路５３は入力電圧Ｖｉｎを規準として、同相成分を有効電力成分ΔＩｐとして直流量として出力する。このような成分分解回路の一般的なものとして、座標変換理論等を利用したものが知られている。例えば、特開２００４−１５６９８６号公報では、停電検出のための電圧検出方法として、座標変換理論を用いて同相成分と９０°位相成分とを抽出している。

成分分解回路５３から出力された有効電力成分ΔＩｐは自動調節器（ＡＦＲ）５７に入力され、ΔＩｐがゼロとなるための位相調整指令に変換される。ここでは、入力電圧Ｖｉｎを規準としてＰＬＬ回路２８で生成される９０°位相の規準正弦波Ｖｒｅｆ（９０°）とＡＦＲ５７の出力とを乗じて、第２の変換器２の出力電圧位相信号ΔＶｑ^*を生成している。
一方、成分分解回路５３から出力された無効電力成分ΔＩｑは自動調節器（ＡＶＲ）５９に入力され、ΔＩｑがゼロとなるための位相調整指令に変換され、無停電電源装置の出力電圧指令Ｖｏｕｔ^*に加算されて出力電圧指令Ｖｏｕｔ^**となる。

上記指令値Ｖｏｕｔ^**と、ＡＶＥ５２からの出力電圧Ｖｏｕｔの平均値（または実効値）との偏差が自動調節器（ＡＶＲ）４４に入力され、ここで無停電電源装置の出力電圧振幅を所定の値にするための振幅調整指令に変換される。この振幅調整指令と入力電圧と同相の規準正弦波Ｖｒｅｆ（０°）とを乗じて、第２の変換器２の出力電圧振幅信号ΔＶｐ^*を生成する。この出力電圧振幅信号ΔＶｐ^*に上記のようにして得られたΔＶｑ^*とを加算して、第２の変換器２の制御指令（λ）とする。
以上のように、第２の変換器２の出力電圧制御を行なうことにより、配線インピーダンスに関わらず、負荷に安定した電圧を供給するとともに、所望の負荷電流を適宜な分担比で供給することができる。

この発明の実施の形態を示す回路構成図 この発明の他の実施の形態を示す回路構成図 従来の無停電電源装置のシステム構成図 図３の直列ＩＮＶと並列のＩＮＶの各出力制御回路例を示すブロック図 無停電電源装置の並列運転システム構成図

符号の説明

１…第１の直交変換器、２…第２の直交変換器、３…直流電力貯蔵装置（蓄電器）、４…交流電源、５…負荷、６…スイッチ、１４，２２，４４，５９…自動調節器（ＡＶＲ）、１６（ＬＩＭ３）…リミッタ、１８，４９…自動調節器（ＡＣＲ）、２５…制御切替スイッチ、２８…ＰＬＬ（フェーズロックドループ回路）、５２…振幅信号変換器、５３…成分分解回路、５７…自動調節器（ＡＦＲ）。

Claims (2)

1. 電力貯蔵装置と、負荷と並列に接続されて順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源を開閉するスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器とを設け、交流電源電圧が正常な場合には前記スイッチを閉じ、前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値となるように前記第２の変換器を制御するとともに、前記第１の変換器を前記第２の変換器と前記電力貯蔵装置とに電力を供給するように制御し、交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときには、前記スイッチを開いて、前記第１の変換器を前記負荷に印加する交流電圧が所定の値となるように制御する無停電電源装置を複数台、その入力電源および負荷を共通にして互いに並列運転するときは、
   前記負荷の電流を検出しその検出信号から所望の負荷分担量を算出する算出手段と、前記無停電電源装置の出力電流を検出する検出手段と、前記算出手段にて得られた負荷分担量を出力電流指令とし、その出力電流指令と出力電流検出信号とが一致するように制御する電流調節器（ＡＣＲ）と、出力電圧振幅指令に基準波形を乗算して得られる瞬時電圧波形指令に前記電流調節器の出力を加算して得られる瞬時電圧波形指令と前記交流出力電圧瞬時波形との偏差を零にする電圧調節器（ＡＶＲ）とを用い、この電圧調節器（ＡＶＲ）の出力に前記基準波形を乗算して得られる電圧波形指令に基づき前記第２の変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置の並列運転制御方法。
2. 電力貯蔵装置と、負荷と並列に接続されて順逆両方向に電力変換可能な第１の変換器と、交流電源を開閉するスイッチと、このスイッチと負荷との間にその交流出力側を直列接続され順逆両方向に電力変換可能な第２の変換器とを設け、交流電源電圧が正常な場合には前記スイッチを閉じ、前記第２の変換器の交流出力電圧と前記交流電源電圧との和が所定の値となるように前記第２の変換器を制御するとともに、前記第１の変換器を前記第２の変換器と前記電力貯蔵装置とに電力を供給するように制御し、交流電源電圧が許容電圧範囲を逸脱したときには、前記スイッチを開いて、前記第１の変換器を前記負荷に印加する交流電圧が所定の値となるように制御する無停電電源装置を、複数台その入力電源および負荷を共通にして互いに並列運転するときは、
   前記負荷の電流を検出しその検出信号から所望の負荷分担量を算出する算出手段と、前記無停電電源装置の出力電流を検出する検出手段と、前記算出手段にて得られた負荷分担量を出力電流指令とし、この出力電流指令値と出力電流検出値との瞬時偏差を求め、この瞬時偏差の有効電力成分と無効電力成分を演算する演算手段と、前記有効電力成分を調整する第１の自動調節器（ＡＦＲ）と、前記無効電力成分を調整する第２の自動調節器（ＡＶＲ）と、この第２の自動調節器の出力と出力電圧指令との和を出力電圧振幅指令とし、この指令と出力電圧の振幅値との偏差を零にする第３の自動調節器（ＡＶＲ）とを用い、この第３の自動調節器（ＡＶＲ）の出力に入力電圧と同相の基準波形を乗算して出力電圧振幅信号を生成し、前記第１の自動調節器（ＡＦＲ）の出力に入力電圧の９０度位相波形を乗算して出力電圧位相信号を生成し、この出力電圧位相信号と前記出力電圧振幅信号との和に基づき前記第２の変換器を制御することを特徴とする無停電電源装置の並列運転制御方法。

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