JP5819783B2 - 無停電電源システム - Google Patents

Description

本発明は無停電電源システムに関し、特に複数の無停電電源装置を備える電源システムに関する。

複数の無停電電源装置（ＵＰＳ）の間で蓄電池を共有するように構成された電源システムが提案されている。たとえば特開２００４−３５７４６７号公報（特許文献１）は、複数の無停電電源装置と、それらの無停電電源装置に共通に接続された蓄電池とを備える無停電電源システムを開示する。

各々の無停電電源装置は異常検出手段を有する。蓄電池の出力電圧が蓄電池の公称電圧まで低下した場合に、異常検出手段は、複数の無停電電源装置のいずれかにおいてコンバータが停止したと判断する。この場合には、異常検出手段は、他のコンバータの直流電圧基準値と、蓄電池の充電電流基準とを変更する。

特開２００４−３５７４６７号公報

特開２００４−３５７４６７号公報（特許文献１）に記載の構成によれば、１台のコンバータが停止した際に、複数の無停電電源装置の間でコンバータの停止信号を授受しなくても、蓄電池の過放電を防止することができる。しかしながら、健全な（つまりコンバータが正常な）無停電電源装置は、蓄電池の過放電を防止しつつ給電を継続する。このため、異常が顕在化するのが遅れる可能性がある。

さらに、コンバータが停止した無停電電源装置において、インバータが正常であれば蓄電池からインバータに電力が供給される。このため蓄電池から出力される電流が通常に比べて増大する。インバータを経由する電流が通常よりも多くなることによってインバータの効率が低下する可能性がある。また、蓄電池から出力される電流が増大することにより、蓄電池の劣化が進むことも懸念される。

蓄電池から大電流が出力されるのを防ぐために、異常な（つまりコンバータが停止した）無停電電源装置および蓄電池をシステムから解列して、健全な無停電電源装置によって給電を継続することが考えられる。しかしながら、蓄電池をシステムから解列した場合には、その蓄電池を健全な無停電電源装置によって充電することができない。

本発明の目的は、信頼性の高い給電を継続することができる無停電電源システムを提供することである。

本発明のある局面に従う無停電電源システムは、負荷に対して並列に設けられた複数の無停電電源装置と、複数の無停電電源装置に対して共通に設けられ、直流電力を充電および放電する蓄電池とを備える。複数の無停電電源装置の各々は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、かつ直流側が蓄電池に電気的に接続されたコンバータと、コンバータおよび蓄電池のうちの少なくとも一方から直流電力を受けて、当該直流電力を、負荷に
供給される交流電力へと変換するインバータと、コンバータの運転状態を監視して、監視結果に基づいてコンバータおよびインバータを制御する制御回路とを含む。制御回路は、コンバータが正常であるにもかかわらず蓄電池の直流電圧（バッテリ電圧）が低下した場合には、コンバータの出力電力を増加させて直流電圧を上昇させる。制御回路は、コンバータが停止しかつ、バッテリ電圧が低下した場合には、バッテリ電圧が低下から上昇へと転じた後、第１の基準電圧に達したことに応じてインバータを停止させる。

本発明によれば、信頼性の高い給電を継続することができる無停電電源システムを実現できる。

本発明の一実施の形態に係る無停電電源システムの概略構成図である。 図１に示した無停電電源装置４ａのコンバータ５ａに異常が生じた場合の無停電電源システム１００の動作を説明するための第１の図である。 図１に示した無停電電源装置４ａのコンバータ５ａに異常が生じた場合の無停電電源システム１００の動作を説明するための第２の図である。 図１に示した無停電電源装置４ａのコンバータ５ａに異常が生じた場合の無停電電源システム１００の動作を説明するための第３の図である。 本発明の実施の形態と比較される第１の給電方式を説明した図である。 本発明の実施の形態と比較される第２の給電方式を説明した図である。 本発明の実施の形態に係る給電方式を説明した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る無停電電源システムの概略構成図である。図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る無停電電源システム１００は、蓄電池２と、無停電電源装置４ａ，４ｂとを備える。無停電電源装置４ａ，４ｂは、交流電源１ａ，１ｂにそれぞれ接続される。蓄電池２および負荷３の各々は、無停電電源装置４ａ，４ｂに対して共通に設けられる。

無停電電源装置４ａは、コンバータ５ａと、インバータ６ａと、ＤＣチョッパ７ａと、制御回路８ａと、スイッチ９ａ，１０ａ，１１ａと、電流センサ１２ａ，１３ａ，１４ａとを備える。

コンバータ５ａは、交流電源１ａ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６ａは、コンバータ５ａおよびＤＣチョッパ７ａのうち少なくとも一方から供給される直流電力を、負荷３へと供給される交流電力へと変換する。蓄電池２から直流電力が供給される際に、ＤＣチョッパ７ａは、蓄電池２の電圧を、インバータ６ａに入力される直流電圧へと変換する。一方、蓄電池２を充電する際には、ＤＣチョッパ７ａは、コンバータ５ａから出力される直流電圧を、蓄電池２に入力される電圧へと変換する。したがって、コンバータ５ａの直流側およびインバータ６ａの直流側は、ＤＣチョッパ７ａを介して蓄電池２に電気的に接続される。電圧ＶＢは蓄電池２の定格電圧を示す。蓄電池２の通常時の電圧はＶＢである。

スイッチ９ａは、交流電源１ａとコンバータ５ａとの間に設けられる。スイッチ１０ａは、蓄電池２とＤＣチョッパ７ａとの間に設けられる。スイッチ１１ａは、インバータ６ａと負荷３との間に設けられる。

電流センサ１２ａは、交流電源１ａとコンバータ５ａとの間に流れる電流を検出する。電流センサ１３ａは、蓄電池２とＤＣチョッパ７ａとの間に流れる電流を検出する。電流センサ１４ａは、インバータ６ａと負荷３との間に流れる電流を検出する。

制御回路８ａは、コンバータ５ａと、インバータ６ａと、ＤＣチョッパ７ａとを制御する。制御回路８ａは、運転状態判定部２１ａと、制御部２２ａとを備える。

運転状態判定部２１ａは、コンバータ５ａを監視することにより、コンバータ５ａが正常に動作しているか否かを判定する。さらに運転状態判定部２１ａは、蓄電池２の電圧および電流センサ１３ａによって検出される電流ＩＢ１を監視する。制御部２２ａは、電流センサ１２ａからの信号、電流センサ１４ａからの信号、および運転状態判定部２１ａの判定／監視結果に基づいて、コンバータ５ａと、インバータ６ａと、ＤＣチョッパ７ａとを制御する。なお、制御部２２ａによるコンバータ５ａと、インバータ６ａと、ＤＣチョッパ７ａとの制御方法には、たとえばＰＷＭ制御など公知の制御を適用することができる。

無停電電源装置４ｂは、無停電電源装置４ａと同一の構成を有する。無停電電源装置４ｂは、コンバータ５ｂと、インバータ６ｂと、ＤＣチョッパ７ｂと、制御回路８ｂと、スイッチ９ｂ，１０ｂ，１１ｂと、電流センサ１２ｂ，１３ｂ，１４ｂとを備える。制御回路８ｂは、運転状態判定部２１ｂと、制御部２２ｂとを備える。コンバータ５ｂは、交流電源１ｂに接続される。無停電電源装置４ｂの各要素の機能は、無停電電源装置４ａの対応する要素の機能と同一であるので、以後の詳細な説明は繰り返さない。

なお、図１に示された構成ではＤＣチョッパが各無停電電源装置に設けられている。しかし、ＤＣチョッパを省略した構成も本発明の実施の形態として採用することができる。

無停電電源装置４ａ，４ｂがともに正常である場合、スイッチ９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂがオンする。無停電電源装置４ａ，４ｂの各々では、コンバータが交流電源からの交流電力を直流電力に変換する。その直流電力の一部は蓄電池２に供給されて蓄電池２が充電される。電流ＩＢは、蓄電池に入力される電流を示す。

コンバータによって生成された直流電力のうちの残りはインバータに供給される。インバータはコンバータからの直流電力を交流電力に変換して負荷３に供給する。

無停電電源装置４ａ，４ｂのいずれか一方のコンバータが異常になった場合、そのコンバータが停止するとともに、そのコンバータと交流電源とを接続するスイッチ（スイッチ９ａ，９ｂの一方）がオフする。以下では、無停電電源装置４ａのコンバータ５ａが異常になった場合について代表的に説明する。無停電電源装置４ｂのコンバータ５ｂが異常になった場合の無停電電源システム１００の動作は、無停電電源装置４ａと無停電電源装置４ｂとが相互に置き換わる点を除いて、以下に説明される動作と同様である。

図２は、図１に示した無停電電源装置４ａのコンバータ５ａに異常が生じた場合の無停電電源システム１００の動作を説明するための第１の図である。図２を参照して、コンバータ５ａの異常時に、制御部２２ａは、コンバータ５ａを停止させる。さらに制御部２２ａは、スイッチ９ａをオフする。これにより制御部２２ａは、無停電電源装置４ａを直流運転に移行させる。直流運転とは、蓄電池２からインバータ６ａに直流電力を供給してインバータ６ａの運転を継続させるという運転方法である。

インバータ６ａが動作を継続することにより蓄電池２からは電流ＩＢｘが出力される。言い換えれば、インバータ６ａが蓄電池２から電流ＩＢｘを引き込む。一方、ＤＣチョッパ７ｂから蓄電池２に電流ＩＢ０が供給される。しかしＩＢ０＜ＩＢｘであるので、蓄電池２の電圧がＶＢから低下する。無停電電源装置４ｂの運転状態判定部２１ｂは、蓄電池２の電圧の低下により、コンバータ５ａの異常を検出する。制御部２２ｂは、運転状態判定部２１ｂによるコンバータ５ａの異常の検出に応じて、電流ＩＢ２が増加するようにコンバータ５ｂを制御する。

図３は、図１に示した無停電電源装置４ａのコンバータ５ａに異常が生じた場合の無停電電源システム１００の動作を説明するための第２の図である。図３を参照して、コンバータ５ｂは、インバータ６ａが引き込む電流と同じだけＤＣチョッパ７ｂから出力される充電電流が増加するように、コンバータ５ｂから出力される直流電力を増加させる。したがってＤＣチョッパ７ｂから出力される電流ＩＢ２はＩＢ０からＩＢ０＋ＩＢｘへと増加する。これにより蓄電池２の放電が実質的に生じなくなるので蓄電池２の電圧が回復する。すなわち蓄電池２の電圧が低下から上昇へと転じる。

運転状態判定部２１ａは、コンバータ５ａが停止中であり、かつ、蓄電池２の放電中にも関わらずバッテリ電圧が回復した場合には、コンバータ５ｂからインバータ６ａへの電力供給が行なわれていると判定する。この場合、制御部２２ａは、運転状態判定部２１ａの判定結果に基づいて、インバータ６ａを停止させる。さらに制御部２２ａは、スイッチ１０ａ，１１ａをオフする。

図４は、図１に示した無停電電源装置４ａのコンバータ５ａに異常が生じた場合の無停電電源システム１００の動作を説明するための第３の図である。図４を参照して、インバータ６ａが停止することにより、無停電電源装置４ｂのみが負荷５に電力を供給する。無停電電源装置４ｂは、蓄電池２の電圧が回復するまで蓄電池２を充電する。負荷３に供給される電流の１００％を無停電電源装置４ｂが負担する。したがって、インバータ６ｂは、負荷３の容量以上の容量を持つように構成される。インバータ６ａも同様に、負荷３の容量以上の容量を持つように構成される。コンバータ５ａ，５ｂの容量は、インバータ６ａ，６ｂの容量に応じて定められる。

以上の構成によれば、信頼性の高い給電を継続することができる無停電電源システムを実現できる。この点について、他の方式との比較に基づいて説明する。まず、本発明の実施の形態に係る無停電電源システムとは異なる給電方式について説明する。なお、以下においては、無停電電源装置４ａのコンバータ５ａが停止した場合を説明する。また、図中に示される「ＵＰＳ１（異常号機）」および「ＵＰＳ２（健全号機）」は、無停電電源装置４ａおよび無停電電源装置４ｂをそれぞれ指している。

図５は、本発明の実施の形態と比較される第１の給電方式を説明した図である。図５を参照して、時刻ｔ１以前には、無停電電源装置４ａ，４ｂが正常である。したがって無停電電源装置４ａ，４ｂの各々には、交流電源からの交流電力が入力される。この状態を、「ＵＰＳ運転状態」のグラフにおいて「交流入力」と示す。時刻ｔ１において、無停電電源装置４ａのコンバータ５ａが停止する。これにより、無停電電源装置４ａには、蓄電池２からの直流電力が入力される。この状態を「ＵＰＳ運転状態」のグラフにおいて「直流入力」と示す。

「充電電流」のグラフに示されるように、ＵＰＳ１のコンバータ５ａが停止した後も、ＵＰＳ２から蓄電池２に充電電流ＩＢ０が供給される。しかしながら蓄電池２の放電電流ＩＢｘは充電電流ＩＢ０よりも大きい。したがって、蓄電池２のバッテリ電圧は定格電圧ＶＢから下降する。なお、放電電流を示すため、ＩＢｘにはマイナスの符号が付されている。

時刻ｔ２において、バッテリ電圧が放電終止電圧に達する。このとき、ＵＰＳ１が停止するとともに、蓄電池２がＵＰＳ２から切り離される。「負荷分担」のグラフに示されるように、時刻ｔ２以前は、ＵＰＳ１とＵＰＳ２とは、負荷に供給される電流の５０％ずつを負担する。時刻ｔ２以後は、ＵＰＳ２の単独運転となるので、負荷３に供給される電流の１００％をＵＰＳ２が負担する。

この方法によれば、蓄電池２のバッテリ電圧が放電終止電圧に達したときに、蓄電池２が健全号機（無停電電源装置４ｂ）から切り離される。したがって、時刻ｔ２以後には蓄電池２が充電されなくなる。

図６は、本発明の実施の形態と比較される第２の給電方式を説明した図である。図６を参照して、時刻ｔ１において、無停電電源装置４ａのコンバータ５ａが停止する。これにより、「ＵＰＳ運転状態」のグラフに示されるように、蓄電池２からの直流電力が無停電電源装置４ａに入力される。したがって蓄電池２のバッテリ電圧が定格電圧ＶＢから下降する。

時刻ｔ４において、バッテリ電圧が第１の基準電圧ＶｒｅｆＡに達する。これにより、ＵＰＳ２（健全号機）から蓄電池２に供給される充電電流が増加するように、コンバータ５ｂが制御される。具体的には、ＵＰＳ２（健全号機）から蓄電池２に供給される充電電流がＩＢ０からＩＢ０＋ＩＢｘへと増加する。すなわち、ＵＰＳ２は、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの間の期間において蓄電池２からＵＰＳ１（異常号機）に供給される充電電流と同じ大きさだけ充電電流を増加させる。

ＵＰＳ２からの充電電流を増加させることにより、蓄電池２から実質的に放電されなくなるだけでなく、蓄電池２に充電電流ＩＢ０が供給される。したがって時刻ｔ４以後バッテリ電圧が上昇する。時刻ｔ５においてバッテリ電圧は、定格電圧ＶＢまで回復する。さらに無停電電源装置４ａには電流ＩＢｘが供給される。

この方式によれば、「ＵＰＳ運転状態」のグラフに示されるように、時刻ｔ１以後、ＵＰＳ１には直流電力が入力され、ＵＰＳ２には交流電力が入力される。これによりＵＰＳ１とＵＰＳ２とで負荷に供給される電流の５０％ずつを負担する状態が継続される。しかしながら、ＵＰＳ１のコンバータ５ａの停止が顕在化するのが遅れる可能性がある。さらに、ＵＰＳ１のインバータ６ａの入力が通常と異なることが検出できたとしても、コンバータ５ａの異常が生じているかどうかを判定することが難しい。

さらに、ＵＰＳ１のコンバータ５ａの異常に備えて、ＵＰＳ２（健全号機）のコンバータ５ｂは、通常よりも多くの電流を蓄電池２に供給するように動作しなければならない。ＤＣチョッパ７ｂについても同様である。したがってコンバータ５ｂおよびＤＣチョッパ７ｂの大型化が必要である。逆に、ＵＰＳ２のコンバータ５ａの異常に備えるためには、ＵＰＳ１のコンバータ５ａおよびＤＣチョッパ７ａの大型化が必要である。このような理由により、無停電電源システム全体が大型化するという課題がある。また、異常時の対応のためにコンバータおよびＤＣチョッパを大型化すると、正常時のコンバータおよびＤＣチョッパの動作効率が低下することが懸念される。

図７は、本発明の実施の形態に係る給電方式を説明した図である。図７を参照して、時刻ｔ６以前の動作は、図６に示された動作と同様である。本発明の実施の形態では、バッテリ電圧の回復の途中に、第２の基準電圧ＶｒｅｆＢが設定される。なお、ＶｒｅｆＢ＞ＶｒｅｆＡである。

時刻ｔ４以後、ＵＰＳ２（健全号機）から出力される充電電流の大きさは（ＩＢ０＋ＩＢｘ）である。すなわちコンバータ５ｂは、コンバータ５ｂから出力される直流電力を増加させる。時刻ｔ４から時刻ｔ６までの間の期間においては、蓄電池２の放電に代えてＵＰＳ２がＵＰＳ１に充電電流ＩＢｘを供給する。時刻ｔ６以後にはＵＰＳ１が停止しているため、蓄電池２にはＵＰＳ２から（ＩＢ０＋ＩＢｘ）の大きさの充電電流が供給される。これにより、バッテリ電圧、すなわちインバータ６ａに供給される直流電圧が低下から上昇へと転じる。

時刻ｔ６において、バッテリ電圧が第２の基準電圧ＶｒｅｆＢに達する。これによりＵＰＳ１の制御回路８ａは、ＵＰＳ１のインバータ６ａを停止させる。

時刻ｔ７において、バッテリ電圧が定格電圧ＶＢに達する。これにより、ＵＰＳ２の制御回路８ｂは、蓄電池２に供給する充電電流を（ＩＢ０＋ＩＢｘ）からＩＢ０へと切り替える。すなわち、ＵＰＳ２のコンバータ５ｂは、出力電力を減少させて、蓄電池２へと供給される充電電流を、蓄電池２のバッテリ電圧の低下前のレベルに戻す。

本発明の実施の形態によれば、蓄電池２のバッテリ電圧が放電終始電圧まで低下することがないので、蓄電池２をシステムから解列する必要がない。このため、蓄電池２を健全な無停電電源装置によって充電することができる。

さらに、健全な無停電電源装置からの充電電流は、限られた区間においてのみ増大する。すなわち、充電電流が増加する期間は、バッテリ電圧が第１の基準電圧ＶｒｅｆＡを低下した時点から、元の定格電圧ＶＢに回復するまでの間のみである。このように充電電流が増加する期間が限定されているので、コンバータおよびＤＣチョッパを大型化させなくても充電電流の増加に対応することができる。したがって、通常時の無停電電源システムの効率の低下を防ぐことができる。

また、本発明の実施の形態によれば、ある無停電電源装置のコンバータに異常が発生した場合には、その無停電電源装置のインバータも最終的には停止する。したがって、その無停電電源装置に異常が生じたことを検知することができる。

なお、上記の実施の形態では、無停電電源装置の数が２つである構成が示されているが、無停電電源装置の数が３つ以上であってもよい。このような構成では、１つの無停電電源装置のコンバータに異常が発生した際に、他の無停電電源装置（健全号機）の全体によって、図７に示された充電電流ＩＢｘを負担すればよい。したがって、１台の健全号機あたりの充電電流の増加量を小さくすることができる。

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ないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。

１ａ，１ｂ 交流電源、２ 蓄電池、３ 負荷、４ａ，４ｂ 無停電電源装置、５ａ，５ｂ コンバータ、６ａ，６ｂ インバータ、７ａ，７ｂ ＤＣチョッパ、８ａ，８ｂ 制御回路、９ａ，１０ａ，１１ａ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂ スイッチ、１２ａ，１３ａ，１４ａ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ 電流センサ、２１ａ，２１ｂ 運転状態判定部、２２ａ，２２ｂ 制御部、１００ 無停電電源システム。

Claims (4)

1. 負荷に対して並列に設けられた複数の無停電電源装置と、
   前記複数の無停電電源装置に対して共通に設けられ、直流電力を充電および放電する蓄電池とを備え、
   前記複数の無停電電源装置の各々は、
   交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、かつ直流側が前記蓄電池に電気的に接続されたコンバータと、
   前記コンバータおよび前記蓄電池のうちの少なくとも一方から直流電力を受けて、当該直流電力を、前記負荷に供給される交流電力へと変換するインバータと、
   前記コンバータの運転状態を監視して、監視結果に基づいて前記コンバータおよび前記インバータを制御する制御回路とを含み、
   前記制御回路は、前記コンバータが正常であるにもかかわらず前記蓄電池の直流電圧が低下した場合には、前記コンバータの出力電力を増加させて前記直流電圧を上昇させ、
   前記制御回路は、前記コンバータが停止しかつ、前記直流電圧が低下した場合には、前記直流電圧が低下から上昇へと転じた後、第１の基準電圧に達したことに応じて前記インバータを停止させる、無停電電源システム。
2. 前記制御回路は、前記コンバータが正常であるにもかかわらず前記直流電圧が第２の基準電圧よりも低下した場合に、前記コンバータの出力電力を増加させる、請求項１に記載の無停電電源システム。
3. 前記制御回路は、前記コンバータが正常であるにもかかわらず前記直流電圧が前記第２の基準電圧よりも低下した場合には、前記直流電圧が、定格電圧に回復したときに、前記コンバータの出力電力を減少させて前記蓄電池への充電電流を、前記直流電圧の低下前のレベルに戻す、請求項２に記載の無停電電源システム。
4. 前記第２の基準電圧は前記第１の基準電圧よりも低い、請求項２または請求項３に記載の無停電電源システム。

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