JP3748394B2 - 無停電電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、電気系システムにおける無停電電源装置(Uninterruptible Power System:以下、UPSという。)の設置は、電源供給システムの信頼性向上のために不可欠なものとなっている。
例えば、このUPSの一つとして、商用電源と負荷とが連系用のリアクトルを介して接続される直送回路と、この直送回路と並列運転を行うインバータ部とから構成されるUPSがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、UPSが故障した場合、インバータは停止する。このため、この場合には、直送回路のみによる負荷への電力供給、即ち、直送給電となり、負荷電圧の定電圧化(電圧補償)は行われないことになる。更に、電圧補償が行われないため、例えば負荷力率が遅れ(遅れ負荷)の場合、直送回路に挿入された連系リアクトルにより、負荷電圧は、直送電圧より降圧されることになる。
【0004】
ところで、電圧補償を行う場合、連系リアクトルのインピーダンスが大きい程、連系時のインバータ容量は少なくて済む。一方、UPSの故障時、即ち直送給電時には、連系リアクトルのインピーダンスが小さい程、直送電圧に対する電圧降下を少なくすることができる。しかし、経済性の面から、連系リアクトルのインピーダンスを大きくし、インバータ容量を少なくするよう、装置を設計することが一般的である。
このため、UPSの故障時には、連系リアクトルに起因する電圧降下が大きくなってしまい、直送電圧の値によっては、負荷に悪影響を与えてしまうといった問題がある。
そこで、この問題の改善策の一つとして、UPSの故障時には連系リアクトルを短絡させる為のスイッチを設ける方法がある。しかし、係るスイッチには高速性(高速動作)が要求され、高価となってしまう。
【0005】
また、負荷力率が遅れ(遅れ負荷)であり、且つ入力電圧が低下した場合、インバータは、遅れ負荷分の無効電力、及び入力電圧の低下分を補償するための無効電力、の総和を供給する必要が生じる。つまり、インバータ容量が増大してしまう。
【0006】
また、更に、入力力率が進みになると、電力系統に対しては、進み電流による同期発電機の自己励磁現象などの悪影響が発生するという問題がある。加えて、入力力率が低下すると、入力容量が増加し、入力電源設備が増大するという問題もある。
【0007】
本発明の課題は、UPS故障時の、連系リアクトルによる電圧降下を防止するとともに、連系時の、遅れ負荷によるインバータ容量の増大を抑制することである。またもう1つの課題は、入力力率の低下による入力容量の増大を回避するとともに、入力力率の進みを防止することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項1記載の発明は、
連系リアクトルを有する直送回路と、該直送回路と並列運転を行うインバータとを備え、前記インバータが前記連系リアクトルを用いた無効電力の出力制御を行うことによって負荷電圧を電圧補償する並列給電を行う無停電電源装置(例えば、図1の無停電電源装置10)において、
前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電を検知する範囲超過検知手段(例えば、図1の検出器7)と、
前記範囲超過検知手段の検知に応じて、前記並列運転による並列給電から前記インバータの単独運転によるインバータ単独給電に切り換える切換手段(例えば、図1の直送ACスイッチ6)と、
を備えることを特徴とする。
【0009】
この請求項1記載の発明によれば、インバータの無効電力供給範囲を超える給電の検知に応じて、直送回路とインバータとの並列運転による並列給電から、インバータの単独運転によるインバータ単独給電に切り換えられる。ここで、無効電力供給範囲とは、インバータが供給する無効電力によって負荷電圧の電圧補償が可能な範囲である。この範囲はインバータ容量に深く関わり、無効電力供給範囲が大きい程、より大きなインバータ容量を要する。このため、インバータの無効電力供給範囲を超える給電が行われた場合、並列給電からインバータ単独給電に切り換えることで、連系時のインバータ容量の増大が抑制される。また、インバータが供給する無効電力が無効電力供給範囲以下に復帰した場合には、再度、インバータ単独運転から並列給電に移行することもできる。
また、インバータが供給可能な無効電力供給範囲を設けることで、連系リアクトル値を小さく設計することができ、無停電電源装置の故障時における連系リアクトルに起因する電圧降下を抑制することができる。更に、本発明の無停電電源装置は、インバータ単独給電の場合、いわゆる常時インバータ給電方式の無停電電源装置と同様の動作を行うため、並列給電及びインバータ単独給電の内の何れにおいても、負荷電圧の補償動作を行うことが可能となる。
【0010】
また、請求項2記載の発明のように、請求項1記載の無停電電源装置において、
前記直送回路の直送電圧を検出する直送電圧検出手段(例えば、図1の検出器7)を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記直送電圧検出手段により検出された直送電圧が所定電圧を超えた場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することとしてもよい。
【0011】
この請求項2記載の発明によれば、直送回路の直送電圧が所定電圧を超えた場合に、インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知される。
【0012】
また、請求項3記載の発明のように、請求項1または2記載の無停電電源装置において、
負荷電流を検出する負荷電流検出手段(例えば、図1の変流器8)を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記負荷電流検出手段により検出された負荷電流が所定電流を超えた場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することとしてもよい。
【0013】
この請求項3記載の発明によれば、負荷電流が所定電圧を超えた場合に、インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知される。
【0014】
また、請求項4記載の発明のように、請求項1〜3の何れか記載の無停電電源装置において、
当該無停電電源装置の入力力率を検出する入力力率検出手段を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記入力力率検出手段により検出された入力力率が所定力率以下となった場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することとしてもよい。
【0015】
この請求項4記載の発明によれば、当該無停電電源装置の入力力率が所定力率以下となった場合、インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態例について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明を適用した無停電電源装置(UPS)10の構成例を示すブロック図である。
図1において、UPS10の入力は直送入力20に、出力は負荷30に、それぞれ接続される。この直送入力20としては、例えば、特定需要家向けの3相AC400V或いはAC200Vの商用交流電源が使用される。また、UPS10に接続される負荷30は一般的に遅れ負荷であるため、以下においては、負荷30を、遅れ負荷として扱う。
【0020】
図1によれば、UPS10は、整流装置1、電力貯蔵装置2、インバータ3、インバータACスイッチ4、連系リアクトル5、直送ACスイッチ6、検出器7、及び変流器8より構成される。
【0021】
整流装置1は、入力端が直送入力20に、出力端がインバータ3に、それぞれ接続される。そして、入力される直送入力(交流電力)20を直流電力に変換し、変換後の直流電力をインバータ3に供給する。また、整流装置1は、その出力端が電力貯蔵装置2にも接続され、この電力貯蔵装置2を一定電圧に充電する充電器としての機能も有する。
【0022】
電力貯蔵装置2は、通常時においては、整流装置1によって、常時一定電圧を印加され、充電される。そして、例えば直送入力20の停電時などにおいては、整流装置1の出力端の電圧レベルが一定以下となるため、貯蔵していた直流電力を放出(放電)する。
また、この電力貯蔵装置2としては、メンテナンスフリー化、長寿命化の要求から、シール鉛蓄電池が主として使用される。更に、シール鉛蓄電池の保護回路として、蓄電池温度が高くなると充電電圧を下げる維持充電回路(不図示)が用いられることが一般的である。
【0023】
インバータ3は、入力端が整流装置1に、出力端がインバータACスイッチ4の一端に、それぞれ接続される。そして、整流装置1から入力される直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を、インバータACスイッチ4を介して負荷30に供給する。
このインバータ3の主回路デバイスは、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)により構成される。また、その制御方式としては、例えば瞬時値正弦波PWM制御により実現される。
【0024】
通常時、インバータ3は、直送回路との並列運転を行う。そして、直送電圧の変動に応じて、連系リアクトル5を利用することで、インバータ出力電流の位相を制御し、出力電圧の補償のための無効電力を出力する。
また、インバータ3は、その入力端が電力貯蔵装置2にも接続されている。そして、例えば直送入力20の停電時などにおいて、整流装置1からの直流電力の電圧レベルが一定値以下になると、電力貯蔵装置2から放出(放電)される直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を、インバータACスイッチ4を介して負荷30に供給することになる。
【0025】
また、直送ACスイッチ6が開放され、直送回路が負荷30から切り離された場合、インバータ3は、単独で、定電圧・定周波数運転を行う。そして、直送電源20或いは電力貯蔵装置2から供給される直流電源を、定電圧・定周波数の交流電力となるように変換・出力する。つまり、この時、UPS10は、いわゆる常時インバータ給電方式のUPSと同様の動作を行い、入力電圧の変動に対して、電圧補償を行うことになる。
【0026】
インバータACスイッチ4は、一端がインバータ3の出力端に、他端が変流器8の入力端(1次側)に、それぞれ接続される。
通常時、インバータACスイッチ4は閉状態であり、インバータ3の出力電力を、変流器8を介して負荷30に供給する。そして、例えばUPS10の故障時、即ちインバータ3の停止時には、インバータACスイッチ4は開状態となり、インバータ3を負荷30から切り離すことで、UPS10は、直送給電に移行する。
【0027】
連系リアクトル5は、一端が直送入力20に、他端が直送ACスイッチ6の一端に、それぞれ接続される。そして、インバータ3が、この連系リアクトル5を介して直送回路と並列運転することで、無効電力制御による電圧補償や、負荷30の高調波に対するアクティブフィルタ機能等が実現される。
また、この連系リアクトル5は、直送給電時の連系リアクトル5による電圧降下が負荷30に与える影響が極力小さくなるよう、その値が設計される。
【0028】
直送ACスイッチ6は、一端が連系リアクトルの他端に、他端が変流器8の入力端(1次側)に、それぞれ接続される。
通常時、直送ACスイッチ6は閉状態であり、連系リアクトル5を介した直送入力20を、変流器8を介して負荷30に供給する。そして、例えば直送入力20の停電時には、直送ACスイッチ6は開状態となり、直送回路を負荷30から切り離すことで、UPS10は、インバータ単独給電に移行する。
【0029】
変流器8は、入力端(1次側)が直送ACスイッチ6及びインバータACスイッチ4の他端に、出力端(2次側)が負荷30に、それぞれ接続される。そして、直送回路及びインバータ3から供給される交流電流を負荷30に供給する。この時、変流器8は、その2次側の回路により負荷電流量を検出するとともに、その検出結果を検出器7に出力する。
【0030】
検出器7は、連系リアクトル5の直送入力20側(接続点a)、及び変流器8(接続点b)に接続され、接続点aからは直送電圧を、また、接続点bからは負荷電流を、それぞれ検出する。そして、検出器7は、これらの検出値に基づき、直送ACスイッチ6の開閉を制御する。
【0031】
即ち、検出器7は、詳細は後述するが、検出した直送電圧及び負荷電流より、インバータ3の供給する無効電力によって電圧補償が可能な範囲(以下、無効電力供給範囲という。)であるかを監視している。そして、無効電力供給範囲を超えたと判断した場合、直送ACスイッチ6を開放することで直送回路を負荷30から切り離し、UPS10を、インバータ単独給電に移行させる。
その後、無効電力供給範囲に復帰したことを確認すると、検出器7は、直送ACスイッチ6を閉じ、UPS10を、再度、直送回路とインバータ3との並列運転による並列給電に移行させる。
【0032】
ところで、上述のように、連系リアクトル値を小さくすると、連系運転するインバータ3が出力する無効電力が大きくなるため、インバータ容量を大きくする必要がある。そのため、本実施形態においては、連系時のインバータ容量が少なくて済むように、無効電力供給範囲、即ち、インバータ3の無効電力供給によって電圧補償を行う範囲を制限する。
具体的には、インバータ3が電圧補償のために供給する無効電力がある一定値を超えた場合、即ち無効電力供給範囲を逸脱したと判断した場合には、直送ACスイッチ6を開放する。そして、インバータ3と直送回路との並列運転を停止させることで、インバータ単独給電に切り換えるよう、構成する。
【0033】
次に、上記無効電力供給範囲の制限について、説明する。
図2は、入力電圧が低下した場合の、インバータ3による昇圧動作時の電流ベクトルを示す図である。
この時、負荷30は遅れ負荷であるため、インバータ3は、遅れ負荷分の無効電力、及び低下した負荷電圧を昇圧するための無効電力、の総和を供給する必要がある。
【0034】
即ち、図2において、負荷30に流れる負荷電流をIzとすると、遅れ電流分、即ち負荷電流Izの虚数成分は、Ixとなる。つまり、遅れ負荷分の無効電力供給のために必要な進み電流は「Ix」となる。
また、出力電圧低下に対する昇圧補償のために必要な進み電流(昇圧電流)をIyとすると、インバータ3が昇圧のために流す進み電流は「Ix+Iy」となる。このため、この進み電流「Ix+Iy」が、上記無効電流供給可能範囲内であればよいことになる。
【0035】
しかし、このインバータ3が流す進み電流「Ix+Iy」、特に負荷電流の虚数成分Ixを検出するには複雑な回路を要する。そのため、以下の理由により、直送電圧及び負荷電流Izを検出することで、無効電力供給範囲内であるか否かの判定基準とする。
【0036】
即ち、インバータ3が流し得る進み電流「Ix+Iy」の上限値は、インバータ3の容量(インバータ容量)から決定される。また、負荷30による遅れ負荷電流Ixを見込むことで、電圧補償のために流す進み電流(昇圧電流)Iyの上限値が決定される。そして、昇圧電流Iyの上限値が決定されると、連系リアクトル値は既知であるので、入力電圧の変動に対して補償可能な上限値が定まることになる。
例えば、インバータ3によって電圧補償が可能な範囲は、定格電圧の10%であるとする。そして、遅れ負荷に対する補償分として3%を見込むと、入力電圧の変動に対する電圧補償が可能な範囲は、定格電圧の7%となる。
【0037】
このことにより、入力電圧の変動から、無効電力供給範囲内であるか否かを判断する。つまり、入力電圧の変動が、上記補償可能な上限値を超えた場合、電圧補償が不可能であると判断することになる。
【0038】
ところで、上述のように、負荷30による遅れ負荷電流Ixを見込むことで、昇圧電流Iyが決定される。そして、昇圧電流Iyが決定されることで、インバータ3の出力電流(インバータ出力電流)の上限値が、Iiと定まることになる。このことにより、負荷電流Izを検出することで、インバータ出力電流が、定められた上限値Iiに達したか否かを判断することができる。
【0039】
これらのことにより、直送電圧、及び負荷電流Izを検出することで、インバータ3の供給する無効電力によって電圧補償が可能な範囲、即ち無効電力供給範囲内であるか否かを判定することができる。そして、範囲内でないと判断した場合には、直送ACスイッチ6を開放することで、直送回路を負荷から切り離し、UPS10は、インバータ単独給電に移行する。
【0040】
次に、図1のUPS10の動作について、説明する。
UPS10の動作は、その給電方法の違いにより、(1)並列給電、(2)インバータ給電、そして(3)直送給電、の3つに分類できる。更に、(2)インバータ給電は、(2−1)整流装置によるインバータ給電、(2−2)電力貯蔵装置によるインバータ給電、の2つに分類できる。
以下、これらの給電方法毎に、順に説明する。
【0041】
(1)並列給電
先ず、直送回路とインバータ3との並列運転による並列給電について、説明する。
この並列給電は、通常時の給電方法であり、この時、直送ACスイッチ6、及びインバータACスイッチ4は、ともに閉状態となっている。そして、直送入力20を、連系リアクトル5を介して負荷30に直送するとともに、インバータ3が直送回路と並列運転することで、インバータ3により、出力電圧を一定とするための無効電力が負荷30に供給される。
【0042】
即ち、整流装置1は、入力される直送入力20(交流電力)を直流電力に変換し、変換後の直流電力を、インバータ3に出力する。この時、整流装置1は、電力貯蔵装置2を一定電圧に充電する充電動作も行う。そして、整流装置1から直流電力を入力されたインバータ3は、連系リアクトル5を利用することで出力電流の位相を制御し、電圧補償のための無効電力を出力する。
このように、インバータ3が出力する無効電力により、UPS10は、出力電圧の定電圧化(電圧補償)を図っている。
【0043】
また、検出器7は、接続点aから直送電圧を、一方、接続点bから負荷電流を、それぞれ検出する。そして、検出器7は、これらの検出結果より、インバータ3の供給する無効電力によって電圧補償が可能な範囲、即ち無効電力供給範囲内であるか否かを判断する。
【0044】
電圧補償が可能な範囲でないと判断した場合、検出器7は、閉じられている直送ACスイッチ6を開放し、直送回路を負荷30から切り離す。このことにより、UPS10は、その給電方法が、(1)並列給電から(2−1)整流装置によるインバータ給電へ移行することになる。
【0045】
(2−1)整流装置によるインバータ給電
次に、整流装置1によるインバータ給電について、説明する。
この時、直送ACスイッチ6は開状態に、一方インバータACスイッチ4は閉状態となっている。つまり、UPS10は、いわゆる常時インバータ給電方式のUPS10と同様の動作となる。
即ち、インバータ3により、入力電圧の変動に対する電圧補償がなされ、出力電力は、常に、定格電圧及び定格周波数を維持することになる。
【0046】
また、検出器7は、無効電力供給範囲であるか否かを、引き続き監視している。そして、検出値(直送電圧及び負荷電流)より、無効電力供給範囲内に復帰したと判断すると、開放されている直送ACスイッチ6を閉じる。つまり、UPS10は、再度(1)並列給電に移行することになる。
【0047】
(2−2)電力貯蔵装置によるインバータ給電
次に、電力貯蔵装置2によるインバータ給電について、説明する。
(1)並列給電において、図示しない停電検出器により、直送入力20の停電が検出されると、直送ACスイッチ6は開放される。この時、直送ACスイッチ6は開状態に、一方インバータACスイッチ4は閉状態となっている。つまり、UPS10は、いわゆる常時インバータ給電方式のUPS10と同様の動作となる。
【0048】
即ち、直送入力20の供給は遮断されているため、電力貯蔵装置2は、貯蔵されている電力を放出(放電)する。そして、インバータ3により、出力電力は、定格電圧及び定格周波数に維持されることになる。
【0049】
その後、停電検出器によって直送入力20の復電が検出されると、開放されている直送ACスイッチ6は閉じられる。そして、直送回路からの負荷30への電力供給を再開するとともに、インバータ3による連系運転を再開することで、UPS10は、(1)並列給電へ復帰することになる。
【0050】
(3)直送給電
次に、直送回路単独による直送給電について、説明する。
(1)並列給電において、UPS10が故障した場合、インバータ3は停止する。そして、インバータACスイッチ4が開放されることで、インバータ3は、負荷30から切り離される。
この時、直送ACスイッチ6は閉状態に、一方インバータACスイッチ4は開状態となっている。また、インバータ3は停止しているため、電圧補償は行われない。
【0051】
即ち、UPS10は、直送入力20を、連系リアクトル5を介して負荷30に供給することになる。尚、連系リアクトル5のインピーダンスは、負荷30に対する影響が極力小さくなるよう設計されているため、連系リアクトル5による出力電圧の電圧降下の影響は、最小限に抑えられる。
【0052】
その後、インバータ3が回復すると、開放されているインバータACスイッチ4は閉じられる。そして、インバータ3による連系運転が再開されることで、UPS10は、(1)並列給電へ復帰することになる。
【0053】
以上のように、インバータ3の無効電力供給範囲に基づいて、UPS10を動作させることで、連系リアクトル値を小さくし、負荷30に対する悪影響を軽減するとともに、インバータ容量の少ないUPS10を実現できる。
また、インバータ3の無効電力供給範囲でない場合であっても、並列給電からインバータ給電に切り換えることにより、負荷電圧の補償を行うことができる。
【0054】
尚、入力力率に基づいて、インバータ3の無効電力供給範囲を制限することもできる。
即ち、図1のUPS10において、直送入力20の後段に、直送入力20の入力力率を検出するための変流器を接続するように構成する。そして、この変流器を用いて検出された入力力率から、検出器7によって、以下の制御を行うこととする。
【0055】
(a)検出された入力力率が進みとなった場合、検出器7は、直送ACスイッチ6を開放する。つまり、UPS10は、(2−1)整流器によるインバータ給電に移行することになる。
【0056】
(b)検出された入力力率が低下し、一定値以下になった場合、検出器7は、直送ACスイッチ6を開放する。つまり、UPS10は、(2−1)整流器によるインバータ給電に移行することになる。
【0057】
このように、入力力率を検出することで、入力力率が進みになるのを防止するとともに、入力力率の低下による入力容量の増大を回避することが可能となる。尚、上記(a)、(b)何れの場合も、検出値より、無効電力供給範囲に復帰したと判断した場合には、開放した直送ACスイッチ6を再度閉じることで、UPS10は、(1)並列給電に移行することができる。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、UPS故障時の、連系リアクトルによる電圧降下を防止するとともに、連系時の、遅れ負荷によるインバータ容量の増大を抑制することができる。また、入力力率の低下による入力容量の増大、入力力率の進みを防止することも可能となる。
更に、並列運転からインバータ運転に切り換わった場合においても、電圧補償を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した無停電電源装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】インバータによる昇圧動作を説明するための電流ベクトル図である。
【符号の説明】
10 無停電電源装置(UPS)
1 整流装置
2 電力貯蔵装置
3 インバータ
4 インバータACスイッチ
5 連系リアクトル
6 直送ACスイッチ
7 検出器
8 変流器
20 直送入力
30 負荷
Claims (4)
- 連系リアクトルを有する直送回路と、該直送回路と並列運転を行うインバータとを備え、前記インバータが前記連系リアクトルを用いた無効電力の出力制御を行うことによって負荷電圧を電圧補償する並列給電を行う無停電電源装置において、
前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電を検知する範囲超過検知手段と、
前記範囲超過検知手段の検知に応じて、前記並列運転による並列給電から前記インバータの単独運転によるインバータ単独給電に切り換える切換手段と、
を備えることを特徴とする無停電電源装置。 - 請求項1記載の無停電電源装置であって、
前記直送回路の直送電圧を検出する直送電圧検出手段を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記直送電圧検出手段により検出された直送電圧が所定電圧を超えた場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することを特徴とする無停電電源装置。 - 請求項1または2記載の無停電電源装置であって、
負荷電流を検出する負荷電流検出手段を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記負荷電流検出手段により検出された負荷電流が所定電流を超えた場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することを特徴とする無停電電源装置。 - 請求項1〜3の何れか記載の無停電電源装置であって、
当該無停電電源装置の入力力率を検出する入力力率検出手段を備え、
前記範囲超過検知手段が、前記入力力率検出手段により検出された入力力率が所定力率以下となった場合に、前記インバータの無効電力供給範囲を超える給電として検知することを特徴とする無停電電源装置。
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