JP6658949B1 - 無停電電源システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統の異常時において過電流を抑制しつつ、電力変換器の起動を速やかに行う。【解決手段】電力系統１０の正常時に電力系統１０から負荷３０に給電し、電力系統１０の異常時に電力系統１０から負荷３０への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部４から負荷３０に給電する常時商用給電方式の無停電電源システム１００であって、電力系統１０から負荷３０への給電を遮断する遮断器２と、遮断器２よりも負荷側に接続され、エネルギー貯蔵部４のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器５と、電力変換器５を制御する電力変換器制御部９３とを備え、電力変換器制御部９３は、電力系統１０の異常検出後に電力変換器５を電流フィードバック制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、常時商用給電方式の無停電電源システム及びその制御方法に関するものである。

常時商用給電方式の無停電電源システムは、特許文献１に示すように、電力系統から負荷への給電を遮断する遮断器と、当該遮断器よりも負荷側に接続されてエネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器とを備えている。

この無停電電源システムでは、電力系統の正常時に遮断器を介して当該電力系統から負荷に給電し、電力変換器は停止されている。一方、電力系統の短絡事故時に遮断器を開放して電力系統から負荷への給電を遮断すると同時に、電力変換器を電圧フィードバック制御により起動して、エネルギー貯蔵部から負荷に給電する。

しかしながら、遮断器により完全に遮断される前に電力変換器を電圧フィードバック制御で起動すると、電力系統の事故点に向って過電流が流れて、電力変換器の出力電圧が低下してしまう。その結果、電力変換器の電圧フィードバック制御に偏差が生じ、当該偏差が作用して電圧出力が数サイクル乱れてしまう。

この過電流に対処するものとして、特許文献２に示すように、電力変換器の出力電流を検出して、過電流を検出すると一時的に電圧フィードバック制御を停止して、電圧オープンループ制御で電力変換器を制御することにより、出力電圧が乱れる期間を短縮している。

ところが、電力系統の短絡事故中に電力変換器を電圧制御で動作させるためには、様々な事故条件を想定して過電流に対応すべく余裕を持って装置全体の電流耐量を大きく設計する必要がある。その結果、その分の余計なコストがかかってしまう。

現状では過電流を防止するためには、遮断器が事故点を解列するまで電力変換器を一定期間待機させる必要がある。また、遮断器の解列を待って電力変換器を遮断するものでは、通信遅れ等によって電力変換器の起動が遅れてしまう。

特開平４−１１７１４４号公報 特開平１０−１４２５１号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、電力系統の異常時において過電流を抑制しつつ電力変換器の起動を速やかに行うことをその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システムは、電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムであって、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続されて、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、前記電力変換器を制御する電力変換器制御部とを備え、前記電力変換器制御部は、前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替えることを特徴とする。

また、本発明に係る無停電電源システムの制御方法は、電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムの制御方法であって、前記無停電電源システムは、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続されて、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器とを備えたものであり、前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替えることを特徴とする。

このような本発明であれば、電力系統の異常検出後に電力変換器を電流フィードバック制御により起動しているので、電力系統が短絡事故等の異常中であっても過電流を防止しながら装置を起動させることができ、装置全体の電流耐量を抑制することができる。また、遮断器が事故点を解列するのを待つことなく電力変換器を起動させているので、遮断器による解列時には電力変換器が起動された状態であり、電圧異常の補償動作を速やかに行うことができる。

本発明に係る無停電電源システムは、前記負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出部を更に備えている。この構成において、前記変換器制御部は、前記負荷電流検出部により得られた前記電力系統の異常検出前の負荷電流を指令値として前記電流フィードバック制御を開始することが望ましい。ここで、電力変換器制御部による電流指令値を異常検出前の負荷電流と同じにすることが最も望ましいが、電流指令値を異常検出前の負荷電流未満としても良い。一方で、電流指令値を異常検出前の負荷電流よりも大きくした場合、遮断器開放時に過電圧となる可能性がある。
この構成であれば、電流フィードバック制御から電圧フィードバック制御に切り替えた際の電圧変動を抑制することができる。

電流制御の立ち上がりを高速にするためには、前記電力変換器制御部は、前記電力変換器を前記電流フィードバック制御とともに電流フィードフォワード制御により起動することが望ましい。

本発明の無停電電源システムは、前記電力変換器から出力される変換器電圧を検出する変換器電圧検出部を更に備えている。この構成において、前記電力変換器制御部は、前記変換器電圧検出部により得られた変換器電圧を用いて前記遮断器の開放を判断し、前記電流フィードバック制御から前記電圧フィードバック制御に切り替えることが望ましい。
この構成であれば、遮断器が開放したタイミングに合わせて電圧フィードバック制御に切り替えることができ、補償動作を速やかに行うことができる。

その他、遮断器が開放したタイミングに合わせて電圧フィードバック制御に切り替えるためには、前記電流フィードバック制御から前記電圧フィードバック制御に切り替える態様としては、前記電力変換器制御部は、前記遮断器が開放されたことを示す遮断器開放信号を取得したとき、又は、前記電力系統の異常検出信号を取得してから所定時間が経過したときが考えられる。

このように構成した本発明によれば、電力系統の異常時において過電流を抑制しつつ変換器の起動を速やかに行うことができる。

本実施形態の無停電電源システムの構成を示す模式図である。 同実施形態の無停電電源システムの動作状態を示す模式図である。 同実施形態の電力変換器制御部の具体的構成を示すブロック図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 変形実施形態の電力変換器制御部の具体的構成を示すブロック図である。 変形実施形態の電力変換器制御部の具体的構成を示すブロック図である。

以下に、本発明に係る無停電電源システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の無停電電源システム１００は、図１に示すように、電力系統１０と負荷３０との間に設けられた常時商用給電方式のものである。この無停電電源システム１００は、電力系統１０の正常時に電力系統１０から負荷３０に給電し、電力系統１０の短絡事故等により生じる電圧異常時に電力系統１０から負荷３０への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部４から負荷３０に給電する。

具体的に無停電電源システム１００は、電力系統１０から負荷３０への給電を遮断する遮断器２と、電力系統１０の系統電圧を検出する系統電圧検出部３と、エネルギー貯蔵部４と、遮断器２よりも負荷側に接続された電力変換器５と、負荷３０に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出部６と、電力変換器５から出力される変換器電流を検出する変換器電流検出部７と、電力変換器５から出力される変換器電圧を検出する変換器電圧検出部８と、遮断器２及び電力変換器５を制御する制御装置９とを備えている。

遮断器２は、電力系統１０から電力に給電するための電力線Ｌ１に設けられている。この遮断器２は、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切替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、遮断時間を２ｍ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、遮断時間を２ｍ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、この遮断器２は、制御装置９により開閉制御される。

系統電圧検出部３は、電力線Ｌ１において遮断器２よりも系統側の電圧を、計器用変圧器３１を介して検出するものである。系統電圧検出部３により得られた系統電圧（以下、検出電圧ともいう。）は制御装置９に入力されて遮断器２及び電力変換器５等の制御に用いられる。

エネルギー貯蔵部４は、例えば二次電池等の蓄電池、フライホイール、燃料電池、電気二重層キャパシタ、揚水発電方式のもの、圧縮空気貯蔵方式のもの、超電導電力貯蔵方式のもの等のエネルギー貯蔵装置である。エネルギー貯蔵装置のエネルギーは、電力変換器５により交流電力に変換されて、負荷３０に給電される。なお、電力変換器５は、半導体スイッチング素子を用いて構成されたものであり、制御装置９により制御される。

負荷電流検出部６は、電力線Ｌ１において電力変換器５の接続点Ｘよりも負荷側に接続されており、負荷３０に流れる負荷電流を計器用変流器６１を介して検出するものである。負荷電流検出部６により得られた負荷電流は制御装置９に入力されて電力変換器５の制御に用いられる。

変換器電流検出部７は、電力変換器５から電力線Ｌ１の接続点Ｘの間に接続されており、電力変換器５から出力されて接続点Ｘに流れる変換器電流を計器用変流器７１を介して検出するものである。変換器電流検出部７により得られた変換器電流は制御装置９に入力されて電力変換器５の制御に用いられる。

変換器電圧検出部８は、電力変換器５から電力線Ｌ１の接続点の間に接続されて、電力変換器５から出力される変換器電圧を計器用変圧器８１を介して検出するものである。変換器電圧検出部８により得られた変換器電圧は制御装置９に入力され電力変換器５の制御に用いられる。

制御装置９は、系統電圧検出部３の検出電圧を用いて電力系統１０の電圧異常を検出して遮断器２及び電力変換器５等を制御するものである。

具体的に制御装置９は、系統電圧検出部３の検出電圧により電力系統１０の電圧異常を検出する異常検出部９１と、異常検出部９１の検出結果に基づいて遮断器２を遮断する遮断器制御部９２と、電力系統１０の電圧異常時に電力変換器５を動作させる電力変換器制御部９３とを備えている。

以下、無停電電源システム１００の動作とともに各部９１〜９３の機能について図２を参照して説明する。

（１）電力系統１０の正常時
系統電圧検出部３は系統電圧を常時検出しており、その検出電圧を異常検出部９１に入力している。異常検出部９１は、系統電圧検出部３の検出電圧と予め定められた整定値とを比較する。なお、本実施形態の前記整定値は、瞬低を検出するための電圧値である。

電力系統１０が正常の場合には、前記検出電圧は整定値以上であり、遮断器２は閉じた状態となる。これにより、電力系統１０から負荷３０に交流電力が供給される（図２（ａ））。

なお、電力系統１０の正常時には電力変換器制御部９３は電力変換器５を起動させず、電力変換器５は停止状態である。

（２）電力系統１０の異常時
電力系統１０が異常の場合には、前記検出電圧は整定値未満となる。このとき、異常検出部９１は、系統電圧が異常であることを示す異常検出信号を遮断器制御部９２に出力する。異常検出信号が入力された遮断器制御部９２は、遮断器２を遮断するための遮断制御信号を出力して遮断器２を遮断する。これにより、電力系統１０から負荷３０への交流電力の供給が遮断される（図２（ｂ）、（ｃ））。

また、異常検出部９１は、異常検出信号を電力変換器制御部９３に出力する。異常検出信号が入力された電力変換器制御部９３は、電力変換器５に起動制御信号を出力して、電力変換器５を起動させる（図２（ｃ））。

＜電力変換器制御部９３の具体的な構成＞
次に、電力変換器制御部９３の具体的な構成について図３を参照して説明する。

電力変換器制御部９３は、負荷電流検出部６により負荷電流を監視している。

異常検出部９１により系統電圧の異常が検出されると、電力変換器制御部９３は、当該異常発生直前（例えば１００ｍｓ）の負荷電流を電流指令値（目標値）として電流フィードバック制御で電力変換器５を起動する。

具体的に電力変換器制御部９３は、負荷電流検出部６により検出された負荷電流を所定時間（例えば１００ｍｓ）遅らせる遅延部９３ａと、当該遅延部９３ａにより遅延された負荷電流及び異常検出信号を取得して、異常検出信号を取得したタイミングの遅延された負荷電流（遅延信号）を保持する保持部９３ｂと、変換器電流検出部７により検出された変換器電流が前記電流指令値となるように電流フィードバック制御を行う電流フィードバック制御部９３ｃと、当該電流フィードバック制御部９３ｃにより得られた電圧振幅指令値（フィードバック指令値）及び異常検出直前の位相と同期した基準位相指令値を掛け合わせて変換器電圧出力指令値を算出する積算部９３ｄとを有している。

なお、前記基準位相指令値は、変換器電圧検出部８により検出された変換器電圧の位相を検出する位相保持部９３ｅと、当該位相保持部９３ｅにより検出された位相から基準電圧を生成する基準電圧生成部９３ｆとから生成される。

電圧異常検出直後から上記の電流フィードバック制御により電力変換器５を動作させた後に、遮断器２が開放されると、電力変換器５から電力系統に流れていた事故電流が負荷に向かって流れ込む（図２（ｂ）→（ｃ））。このとき、電力変換器５の変換器電圧が上昇する。電力変換器５の変換器電圧が所定値を超えると遮断器２が開放されたとして電圧フィードバック制御に切り替わる。

具体的に電力変換器制御部９３は、変換器電圧検出部８により検出された変換器電圧が所定値を超えた場合にそのことを示す判定信号を出力する判定部９３ｇと、当該判定部９３ｇからの判定信号を取得して、電流フィードバック制御から電圧フィードバック制御に切り替える切替部９３ｈと、変換器電圧検出部８により検出された変換器電圧が電圧指令値となるように電圧フィードバック制御を行う電圧フィードバック制御部９３ｉと、を有している。当該切替部９３ｈは、積算部９３ｄに出力する電圧振幅指令値を、電流フィードバック制御部９３ｃの信号から電圧フィードバック制御部９３ｉの信号に切り替える。

本実施形態では、電圧フィードバック制御における初期指令値として、切り替える直前の電流フィードバック制御部９３ｃにより生成された電圧振幅指令値を用いている。この切り替える直前の電流フィードバック制御部９３ｃにより生成された電圧振幅指令値は、判定部９３ｇからの判定信号を取得した保持部９３ｊにより生成されるものであり、当該判定信号を取得した時点での電圧振幅指令値である。そして、電圧フィードバック制御部９３ｉにより得られた電圧振幅指令値と基準位相指令値とが積算部９３ｄにより掛け合わされて変換器電圧出力指令値が算出される。

その他、本実施形態では、切替部９３ｈによる電流フィードバック制御から電圧フィードバック制御への切り替えは、遮断器開放信号を取得したとき、又は、異常検出信号を取得した時点から時限部９３ｋにより生成される所定時間経過したことを示す時限信号を取得したときに行っている。前記判定信号、遮断開放信号及び時限信号は、論理和演算部９３ｌにより論理和演算されて切替部９３ｈに入力される。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の無停電電源システム１００によれば、電力系統１０の異常検出直後に電力変換器５を電流フィードバック制御により起動しているので、電力系統１０が短絡事故等の電圧異常中であっても過電流を防止しながら電力変換器５を起動させることができ、装置全体の電流耐量を抑制することができる。電力変換器５の電流フィードバック制御の実施時間は１サイクル未満である。

また、遮断器２が事故点を解列するのを待つことなく電力変換器５を起動させているので、遮断器２による解列時（遮断完了時）には電力変換器５が起動された状態であり、電圧異常の補償動作を速やかに行うことができる。

さらに電力変換器制御部９３は、電力系統１０の異常検出前の負荷電流を電流指令値として電流フィードバック制御を開始するので、遮断器２が開放された際の負荷電圧の振動を抑制することができる。

その上電力変換器制御部９３は、変換器電圧検出部８により得られた変換器電圧を用いて遮断器２の開放を判断し、電流フィードバック制御から電圧フィードバック制御に切り替えているので、遮断器２が開放したタイミングに合わせて電圧フィードバック制御に切り替えることができ、補償動作を速やかに行うことができる。

図４に本実施形態の無停電電源システム１００によるシミュレーション結果を示す。
事故検出トリガである異常検出信号を取得したタイミングで電力変換器５を電流フィードバック制御で起動させて、変換器電圧の変動により制御切替トリガを生成して電圧フィードバック制御に切り替えているので、遮断器２の動作に関わらず、電力変換器５を制御して補償動作を行うことができている。

＜変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の電力変換器制御部９３は、図５に示すように、電流フィードバック制御部に加えて電流フィードフォワード制御部９３ｍを有していても良い。この電流フィードフォワード制御部９３ｍは、前記保持部９３ｂにより保持された遅延信号を電流指令値として電圧振幅指令値（フィードフォワード指令値）を算出する。このフィードフォワード指令値は、電流フィードバック制御部９３ｃのフィードバック指令値と加算されて積算部９３ｄに入力される。

また、前記実施形態の電圧フィードバック制御部９３ｉは、切り替える直前の電流フィードバック制御部９３ｃにより生成された電圧振幅指令値を初期指令値としているが、図６に示すように、電流フィードバック制御部９３ｃの電圧振幅指令値を用いずに、電圧目標値を設定するようにしても良い。

さらに、電力線Ｌ１において電力変換器５の接続点Ｘよりも負荷側に負荷電圧検出部を設けて、負荷３０に印加される負荷電圧を検出しても良い。この場合、電力変換器制御部９３は、負荷電圧を用いて遮断器２の開放を判断し、電流フィードバック制御から電圧フィードバック制御に切り替えるようにしても良い。

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・・・無停電電源システム
１０ ・・・電力系統
３０ ・・・負荷
２ ・・・遮断器
３ ・・・系統電圧検出部
４ ・・・エネルギー貯蔵部
５ ・・・電力変換器
６ ・・・負荷電流検出部
７ ・・・変換器電流検出部
８ ・・・変換器電圧検出部
９１ ・・・異常検出部
９２ ・・・遮断器制御部
９３ ・・・電力変換器制御部

Claims (7)

1. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムであって、
   前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、
   前記遮断器よりも前記負荷側に接続されて、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を制御する電力変換器制御部と、
   前記負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出部とを備え、
   前記電力変換器制御部は、前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替えるものであり、前記負荷電流検出部により得られた前記電力系統の異常検出前の負荷電流を指令値として前記電流フィードバック制御を開始する、無停電電源システム。
2. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムであって、
   前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、
   前記遮断器よりも前記負荷側に接続されて、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を制御する電力変換器制御部とを備え、
   前記電力変換器制御部は、前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御とともに電流フィードフォワード制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替える、無停電電源システム。
3. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムであって、
   前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、
   前記遮断器よりも前記負荷側に接続されて、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を制御する電力変換器制御部と、
   前記電力変換器から出力される変換器電圧を検出する変換器電圧検出部とを備え、
   前記電力変換器制御部は、前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替えるものであり、前記変換器電圧検出部により得られた変換器電圧を用いて前記遮断器の開放を判断し、前記電流フィードバック制御から前記電圧フィードバック制御に切り替える、無停電電源システム。
4. 前記変換器制御部は、前記遮断器が開放されたことを示す遮断器開放信号を取得したとき、又は、前記電力系統の異常検出信号を取得してから所定時間が経過したときに、前記電流フィードバック制御から前記電圧フィードバック制御に切り替える、請求項１乃至３の何れか一項に記載の無停電電源システム。
5. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムの制御方法であって、
   前記無停電電源システムは、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続され、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、前記負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出部とを備えたものであり、
   前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替え、前記負荷電流検出部により得られた前記電力系統の異常検出前の負荷電流を指令値として前記電流フィードバック制御を開始する、無停電電源システムの制御方法。
6. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムの制御方法であって、
   前記無停電電源システムは、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続され、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器とを備えたものであり、
   前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御とともに電流フィードフォワード制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替える、無停電電源システムの制御方法。
7. 電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、エネルギー貯蔵部から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムの制御方法であって、
   前記無停電電源システムは、前記電力系統から前記負荷への給電を遮断する遮断器と、前記遮断器よりも前記負荷側に接続され、前記エネルギー貯蔵部のエネルギーを交流電力に変換する電力変換器と、前記電力変換器から出力される変換器電圧を検出する変換器電圧検出部とを備えたものであり、
   前記電力系統の異常検出後に前記電力変換器を電流フィードバック制御により起動し、その後、電圧フィードバック制御に切り替えるとともに、前記変換器電圧検出部により得られた変換器電圧を用いて前記遮断器の開放を判断し、前記電流フィードバック制御から前記電圧フィードバック制御に切り替える、無停電電源システムの制御方法。