JP6692168B2

JP6692168B2 - Ｕｐｓ機能を有する蓄電装置及びｕｐｓ機能を有する蓄電装置の制御方法

Info

Publication number: JP6692168B2
Application number: JP2016012393A
Authority: JP
Inventors: 誠司脇野
Original assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Current assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: JP2017135803A

Description

本発明は、ＵＰＳ機能を有する蓄電装置及びＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法に関する。

ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）機能を有する蓄電装置では、各種の負荷に交流電力を安定供給するために、常時インバータ方式が採用されている。

当該蓄電装置は、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、蓄電池と、蓄電池の直流電圧を昇圧してインバータ回路に出力する昇圧コンバータ回路と、昇圧コンバータ回路の出力電圧が所定電圧となるようにフィードバック制御する昇圧制御部と、を備えている。

コンバータ回路として、力率の改善を図りながら昇圧するＰＦＣ（Power Factor Correction）回路や、整流回路で整流された直流電圧を昇圧するコンバータ回路等が用いられている。

そして、商用電源の停電時には、昇圧制御部によって昇圧コンバータ回路が起動され、蓄電池の出力電圧が所定電圧に昇圧されてインバータ回路に入力されるように構成されている。

特許文献１には、負荷特性や応答性を損なわずに不連続モードの動作を最適かつ効率よく維持できる昇圧形ＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。

当該昇圧形ＤＣ−ＤＣコンバータは、インダクタンス素子と、直流の電圧を入力する入力端子と基準電位端子との間にノードを介してインダクタンス素子と直列に接続されるスイッチング素子と、ノードと出力端子との間に接続される整流素子と、出力端子と基準電位端子との間に接続される出力コンデンサと、一定周波数の主クロックで規定される各サイクルを可変のオン期間とオフ期間とに２分割し、オン期間中はスイッチング素子をオンさせ、オフ期間中は前記スイッチング素子をオフさせるスイッチング制御回路と、各サイクルの終了間際にインダクタンス素子から出力コンデンサに向かって電流が未だ流れているか否かを監視する電流監視回路と、各サイクル毎にオン期間を所定の上限以下に制限し、電流監視回路の監視結果に応じて次のサイクルにおけるオン期間の上限を可変制御するオン期間上限制御回路とを備えて構成されている。

当該特許文献１には、電流不連続モード時の伝達関数は１次ポールシステムとして近似でき安定動作できるが、電流連続モード時の伝達関数は２次ポールシステムになり、ＲＨＰ（右半面）の零点を有するので補償が複雑で困難なため、専ら電流不連続モードで動作するように構成することで、安定動作と回路構成の簡素化を図れる旨記載されている。

特開２００９−２０１２４７号公報

ところで、上述したＵＰＳ機能を有する蓄電装置は、商用電源から所定レベルの交流電圧が入力されている場合には、ＰＦＣ回路等のコンバータ回路を介して昇圧された所定の直流電圧（例えば、ＤＣ１５０Ｖ）がインバータ回路へ入力され、インバータ回路で生成された所定の交流電圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）が負荷に供給されるように構成されている。

そして、商用電源が停電した場合には、蓄電池の直流電圧が昇圧コンバータ回路で所定の直流電圧（例えば、ＤＣ１５０Ｖ）に昇圧された後にインバータ回路へ入力されるように構成されている。

さらに、商用電源に電圧変動が生じてもインバータ回路から安定した交流電圧が出力されるように、インバータ回路の入力段には大容量の電解コンデンサが設けられている。

このようなＵＰＳ機能を有する蓄電装置に接続された商用電源が停電すると、昇圧制御部によって昇圧コンバータ回路の出力電圧が所望の電圧（例えば、ＤＣ１５０Ｖ）になるようにフィードバック制御、具体的には所定のゲインのＰＩ制御により設定されるデューティ比でＰＷＭ制御が行なわれるように構成されている。そして、フィードバック制御のゲインは、通常、インバータに接続される負荷が重く、電流連続モードで動作するときを基準に設定されている。

しかし、商用電源の停電発生直後には上述した電解コンデンサに十分な電荷が残っており、昇圧コンバータ回路から見れば無負荷状態と同じような状態となるため、出力電流が少ない電流不連続モードで制御されるようになり、応答性が低下して安定した制御が困難になるという問題があった。

そのため、インダクタに流れる電流のピーク値を小さくして、常時電流連続モードで制御するように構成すると、インダクタの値を大きくする必要があり回路部品が大型になる。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、小さな値のインダクタを使用しながらも、電流不連続モードで制御される場合の応答性の低下を改善可能なＵＰＳ機能を有する蓄電装置及びＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるＵＰＳ機能を有する蓄電装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ回路と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、蓄電池と、前記蓄電池の直流電圧を昇圧して前記インバータ回路に出力する昇圧コンバータ回路と、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧が所定電圧となるようにフィードバック制御する昇圧制御部と、を備えているＵＰＳ機能を有する蓄電装置であって、前記昇圧制御部は、前記昇圧コンバータ回路を電流連続モードで制御するか電流不連続モードで制御するかを切り替え可能に構成されるとともに、電流連続モードと電流不連続モードとで前記フィードバック制御のゲインが異なる値に設定され、前記商用電源の停電を検知すると前記昇圧コンバータ回路を起動して電流不連続モードで制御し、その後前記蓄電池から前記昇圧コンバータ回路への入力電流に基づいて電流連続モードに切り替えるように構成されている点にある。

負荷が重い場合には電流連続モードで制御され、負荷が軽い場合には電流不連続モードで制御される。そして、電流連続モードで制御される場合のゲインと電流不連続モードで制御される際のゲインが異なる値に設定されているので、夫々のモードで適切な応答性能で制御可能になる。

そして、上述の構成によれば、商用電源が停電すると電流不連続モードで速やかに昇圧され、その後、例えばインバータ回路に設定されている所定の目標入力電圧近傍になると、電流連続モードに切り替えられる。電流不連続モードでは電流連続モードと異なるゲインでフィードバック制御されるので、インバータ回路の入力段に大きな容量のコンデンサが設けられている場合であっても、応答性の低下を生じることがない。電流不連続モードで制御されている際に当該入力電流が所定の閾値電流より上昇すると負荷が重くなったと判断して、電流不連続モードとは異なるゲインで電流連続モードによる制御に切り替えられる。

本発明によるＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法の第一の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、前記コンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、蓄電池と、前記蓄電池の直流電圧を昇圧して前記インバータ回路に出力する昇圧コンバータ回路と、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧が所定電圧となるようにフィードバック制御する昇圧制御部と、を備えているＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法であって、前記商用電源の停電を検知すると前記昇圧コンバータ回路を起動して、電流連続モードで所定ゲインによるフィードバック制御を行ない、その後前記蓄電池から前記昇圧コンバータ回路への入力電流に基づいて電流不連続モードに切り替えて異なるゲインによるフィードバック制御を行なう点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、小さな値のインダクタを使用しながらも、電流不連続モードで制御される場合の応答性の低下を改善可能なＵＰＳ機能を有する蓄電装置及びＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法を提供することができるようになった。

本発明によるＵＰＳ機能を有する蓄電装置の構成図本発明による制御部と昇圧コンバータ回路図従来の制御方式による制御信号波形及び回路電流波形図本発明の制御方式による制御信号波形及び回路電流波形図従来の制御方式と本発明の制御方式による出力電流及びインバータ入力電圧の比較図本発明による制御方式のフローチャート本発明による制御にて電流連続モードと電流不連続モードでゲインを変更した時の制御信号波形及び回路電流波形図

以下、本発明によるＵＰＳ機能を有する蓄電装置及びＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法の一例を図面に基づいて説明する。

図１には本発明によるＵＰＳ機能を有する蓄電装置１が示されている。
ＵＰＳ機能を有する蓄電装置１は商用電源１０から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ回路２０と、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路２０から入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路３０と、蓄電池４０と、蓄電池４０の直流電圧を昇圧してインバータ回路３０に出力する昇圧コンバータ回路５０と、昇圧コンバータ回路５０の出力電圧が所定電圧となるようにフィードバック制御する昇圧制御部６０を備えて構成されている。

常時インバータ方式のＵＳＰ機能を有する蓄電装置１においてＡＣ出力１５の電圧を維持するためにインバータ回路３０の入力部Ｂには大容量の電解コンデンサを搭載している。

昇圧制御部６０は、昇圧コンバータ回路５０を電流連続モードで制御するか電流不連続モードで制御するかを切り替え可能に構成されるとともに、電流連続モードと電流不連続モードとでフィードバック制御のゲインを異なる値に設定されている。

ここで、商用電源１０が停電した場合の動作について説明する。図５には商用電源が停電により停止した場合、従来制御によるインバータ回路１０への入力電圧と昇圧コンバータ回路５０の出力電流の波形図５（ａ）及び、本発明によるインバータ回路１０への入力電圧と昇圧コンバータ回路５０の出力電流の波形図５（ｂ）が示されている。

従来、商用電源１０が停止した場合、インバータ回路３０の入力部Ｂには大容量の電解コンデンサが搭載されているため、昇圧コンバータ回路５０の出力側から見た負荷は軽く、電流不連続モードで制御されながら蓄電池４０から電流が供給されていた。その為、大容量の電解コンデンサに蓄積される電荷量が少ないが、インバータ回路１０で消費される電流は変化しない事からインバータ回路３０の入力電圧が昇圧コンバータの出力電流が電流連続モードに切り替わるまで、一時的に落ち込み安定して電圧をインバータ回路３０に供給する事ができないという問題があった。

本発明では、商用電源１０が停止した場合、インバータ回路３０の入力部Ｂには大容量の電解コンデンサが搭載されているため、昇圧コンバータ回路５０の出力側から見た負荷は軽く、電流不連続モードで制御が開始される。しかし、昇圧制御部６０は昇圧コンバータ回路５０の出力電圧の変化を監視しながら、停電が発生した直後から制御部６０の内部に搭載されているＰＩ制御部でゲインを調整しながら電流連続モードに切り替えるように構成されている。昇圧コンバータ回路５０から流れる電流を増加させて、インバータ回路１０で消費される電流に見合った電流が昇圧コンバータ回路５０からインバータ回路３０に供給されて次第に電流連続モードに切り替わっていく。したがって、インバータ回路３０に負荷が大きく掛って電流が消費されても、インバータ回路１０の入力電圧が落ち込む事はなくなる。

商用電源１０が停電すると電流連続モードで速やかに昇圧され、その後、例えばインバータ回路３０に設定されている所定の目標入力電圧近傍になると、電流不連続モードに切り替えられる。電流不連続モードでは電流連続モードと異なるゲインでフィードバック制御されるので、インバータ回路３０の入力段に大きな容量の電解コンデンサが設けられている場合であっても、応答性の低下を生じることがない。

以上の制御方式を各素子の信号波形から説明する。
図３には従来の制御方式による回路図と昇圧コンバータ回路５０のインダクタＬ１に流れる電流Ｉ（Ｌ１）、昇圧コンバータ回路５０のスイッチング素子Ｔｒ１のスイッチング信号であるゲート−ソース間電圧ＶＧＳ及び制御部のＰＷＭ信号電圧を示す。

停電が発生すると、図３の電解コンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｏが変化する。電解コンデンサＣ２の容量は大きい為に、停電当初の電圧Ｖｏの変化は大きくない。しかし、停電当初の電圧Ｖｏの変化を受けて昇圧制御部が図３（ｄ）に示すＰＷＭ動作を始め、当初は図３（ｄ）のＰＷＭ動作電圧が（ｎ）の位置で図３（ｃ）に示すスイッチング信号であるゲート−ソース間電圧ＶＧＳが生成される。それに伴いインダクタＬ１には電流不連続モードの電流Ｉ（Ｌ１）が流れて、電磁エネルギーが蓄積される。

一方、インバータ３０では負荷Ｒ１の両端に当初電圧Ｖｏが出力されていたが、停電により蓄電池４０から昇圧コンバータ回路５０を経由して出力される電圧が電流不連続モードのために図３（ｃ）のＩｏｆｆ期間は電流が流れず、インバータ３０の負荷Ｒ１で消費される電力をまかなうだけの電流が供給できず、結果として昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏの低下が大きくなる。

出力電圧Ｖｏの低下が大きくなると、初めて出力電圧Ｖｏの変化を検出して昇圧制御部では図３（ｄ）のＰＷＭ動作電圧が（ｍ）に示す位置に変化し、図３（ｂ）に示すスイッチング信号であるゲート−ソース間電圧ＶＧＳが生成され、それに伴いインダクタＬ１には電流連続モードの電流Ｉ（Ｌ１）が流れつつ、電磁エネルギーが蓄積される。

電流連続モードの電流Ｉ（Ｌ１）が流れ始めるとインバータ３０の負荷Ｒ１で消費される電力をまかなうだけの電流が供給され結果として昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏは停電前の電圧に戻る。

以上の一連の動作の中で停電時には電流不連続モードから電流連続モードに切り替わるまで昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏは一時的に変動する。

次に、図４に本発明の制御方式による回路図と昇圧コンバータ回路５０のインダクタＬ１に流れる電流Ｉ（Ｌ１）、昇圧コンバータ回路５０のスイッチング素子Ｔｒ１のスイッチング信号であるゲート−ソース間電圧ＶＧＳ及び昇圧制御部６０のＰＷＭ信号電圧を示す。

停電または入力電圧変動が発生すると、図４の電解コンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｏが変化する。電解コンデンサＣ２の容量は大きい為に、停電当初の昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏの変化は大きくない。しかし、停電当初の昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏの変化を受けて昇圧制御部が図４（ｃ）に示すＰＷＭ動作を始める。この場合、従来の制御方式とは異なり、昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏの変化量に応じてＰＩ制御によるゲインが掛け合わされて図４（ｃ）のＰＷＭ動作が（ｏ）で図４（ｂ）に示すスイッチング信号であるゲート−ソース間電圧ＶＧＳを生成して、それに伴いインダクタＬ１には電流不連続モードから電流連続モードに遷移していく。インダクタＬ１には電流Ｉ（Ｌ１）が徐々に増加して、電磁エネルギーが蓄積される。

電流連続モードの電流Ｉ（Ｌ１）が流れ始めるとインバータ３０の負荷Ｒ１で消費される電力をまかなうだけの電流が供給され結果として昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏは停電前の電圧を低下させる事なく維持し続ける。

以上に説明した本発明による電圧制御方式による昇圧制御部６０の構成を図２に示す。昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏを抵抗分割によりその電圧変化を入力信号として取り込み、制御用の回路等によりＰＩ制御を行い、ゲインＫｐ、Ｋｉを電圧変化量等に掛け合わせてその結果をＰＷＭ回路の入力としている。ＰＷＭ回路はスイッチング素子の動作を行うためのパルス信号をドライブ回路経由でスイッチング素子のゲート電極に入力する。このスイッチング素子に入力されるパルス信号により昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏは制御される。

制御用の回路としてマイクロコンピュータを使用してもよい。この場合、昇圧コンバータ回路５０の出力電圧Ｖｏを抵抗分割によりその電圧変化を入力信号として取り込んだ後にその入力信号をＡ／Ｄ変換して、予めマイクロコンピュータに組み込まれたＰＩ制御用プログラムの入力として与える。ＰＩ制御用プログラムにて計算された結果をＤ／Ａ変換してＰＷＭ回路に入力する事により同様の制御が可能になる。

また、蓄電池４０が動作している間に、昇圧制御部６０は、蓄電池４０から昇圧コンバータ回路５０への入力電流に基づいて昇圧コンバータ回路５０を電流不連続モードで制御するか電流連続モードで制御するかを切り替えるようにも構成されている。

蓄電池４０から昇圧コンバータ回路５０への入力電流に基づいて負荷の軽重が判断でき、例えば電流連続モードで制御されている際に当該入力電流が所定の閾値電流より低下すると負荷が軽くなったと判断して、電流連続モードとは異なるゲインで電流不連続モードによる制御に切り替えられる。また例えば電流不連続モードで制御されている際に当該入力電流が所定の閾値電流より上昇すると負荷が重くなったと判断して、電流不連続モードとは異なるゲインで電流連続モードによる制御に切り替えられる。何れの場合も安定した応答性を実現できるようになる。

さらに、昇圧制御部６０は、電流連続モードで昇圧コンバータ回路５０を起動した後、所定時間経過すると電流不連続モードに切り替えるように構成されている。

電流連続モードで昇圧コンバータ回路５０を起動した後、インバータ回路３０に設定されている所定の目標入力電圧近傍まで昇圧される時間はほぼ一定であるため、当該時間が経過したときに電流不連続モードに切り替えてもよい。

本発明によるＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方式を図６のフローチャートに示す。まず、昇圧制御部６０は常に停電をモニターにしている。停電が検知できたならば（Ｓ１）出力電圧の変化を検知して電流不連続モードで昇圧コンバータ回路５０の動作を開始させる（Ｓ２）。ＰＩ制御にてゲインを調整して（Ｓ３）電流連続モードに切り替わり（Ｓ４）出力電圧もしくは蓄電池４０の出力電流や蓄電池４０の動作時間をモニターし、電流不連続モードに切り替えるべきかどうかを判断する（Ｓ５）。負荷に対して出力電圧が安定してきたならば電流不連続モードに切り替え（Ｓ６）、安定していなければゲインを再度調整して電流連続モードで運転を行う（Ｓ４）。負荷に対して出力電圧が安定している場合でも負荷の変動に備えてゲインの調整を行い（Ｓ７）停電が回復する迄の間蓄電池による運転を行う。

さらに、停電時に限らず、商用電源が供給されている場合であっても、電流連続モードと電流不連続モードを適宜切り替え、接続される負荷の大きさに対してもそれぞれのモードで最適な出力電圧が得られるように各電流モードでゲインを制御する事もできる。

一例として図７に示すように、電流連続モードと電流不連続モードがそれぞれ異なるゲインを持つ時、インダクタに流れる電流Ｉ（Ｌ１）も変化する。例えば、電流不連続モードでゲインｇ１の場合は経過時間とともに電流が流れない時間が短くなっていき、負荷が大きくなった場合でも一定の出力電圧を保持できる。また、電流連続モードでゲインｇ２の場合は経過時間とともにインダクタに流れる電流Ｉ（Ｌ１）が増加していき、この場合も負荷が大きくなった場合でも一定の出力電圧を保持できることがわかる。

昇圧コンバータ回路５０及びインバータ回路３０に備えたスイッチング素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタ以外に、入力部がＭＯＳ構造で出力部がバイポーラ構造のパワー半導体であるＩＧＢＴ等を用いることも可能である。

別実施形態として、以上で説明してきた昇圧コンバータ回路５０とは異なり蓄電池４０に商用電源１０から昇降圧コンバータ回路が接続されるような回路構成が考えられる。これは夜間等商用電源をあまり使用しない時に商用電源１０を通じて昇降圧コンバータ回路を用いて蓄電池４０に充電する目的で使用されるものである。

上述した実施形態は、何れも本発明によるＵＰＳ機能を有する蓄電装置の具体例を説明したに過ぎず、当該記載により本発明の範囲が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

１：ＵＰＳ機能を有する蓄電装置
１０：商用電源
１５：ＡＣ出力
２０：ＡＣ／ＤＣコンバータ回路
３０：インバータ回路
４０：蓄電器
５０：昇圧コンバータ
６０：昇圧制御部

Claims

商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ回路と、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
蓄電池と、
前記蓄電池の直流電圧を昇圧して前記インバータ回路に出力する昇圧コンバータ回路と、
前記昇圧コンバータ回路の出力電圧が所定電圧となるようにフィードバック制御する昇圧制御部と、
を備えているＵＰＳ機能を有する蓄電装置であって、
前記昇圧制御部は、前記昇圧コンバータ回路を電流連続モードで制御するか電流不連続モードで制御するかを切り替え可能に構成されるとともに、電流連続モードと電流不連続モードとで前記フィードバック制御のゲインが異なる値に設定され、
前記商用電源の停電を検知すると前記昇圧コンバータ回路を起動して電流不連続モードで制御し、その後前記蓄電池から前記昇圧コンバータ回路への入力電流に基づいて電流連続モードに切り替えるように構成されていることを特徴とするＵＰＳ機能を有する蓄電装置。
商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ回路と、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
蓄電池と、
前記蓄電池の直流電圧を昇圧して前記インバータ回路に出力する昇圧コンバータ回路と、
前記昇圧コンバータ回路の出力電圧が所定電圧となるようにフィードバック制御する昇圧制御部と、
を備えているＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法であって、
前記商用電源の停電を検知すると前記昇圧コンバータ回路を起動して、電流不連続モードで所定ゲインによるフィードバック制御を行ない、その後前記蓄電池から前記昇圧コンバータ回路への入力電流に基づいて電流連続モードに切り替えて異なるゲインによるフィードバック制御を行なうことを特徴とするＵＰＳ機能を有する蓄電装置の制御方法。