JP5223711B2

JP5223711B2 - 無停電電源装置

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Publication number: JP5223711B2
Application number: JP2009028399A
Authority: JP
Inventors: 久詩幸林; 歳也山田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: JP2010187431A

Description

この発明は、複数台を互いに並列運転させつつ三相４線負荷に給電するために三相４線式の三相交流電圧を発生するそれぞれの無停電電源装置に関する。

図２は、この種の無停電電源装置を複数（ｋ）台並列運転してなる無停電電源システムの回路構成図である。

図２において、１０は商用電源などの交流電源、２０，３５，４０，４２，６０，６２は三相４線式出力の無停電電源装置、２１，４１，６１は連結リアクトル、１１はこの無停電電源システムから三相４線負荷１２への各相電流を検出する電流検出器である。

この連結リアクトル２１，４１，６１それぞれは、図示のように複数（ｋ）台の無停電電源装置を並列運転する際に、それぞれの無停電電源装置における出力間の相互干渉を軽減するために設置されている。なお、これらの連結リアクトルそれぞれのパーセントインピーダンス（％Ｚ）は数％程度に設定される。

図３は、その回路構成が同一である図２の無停電電源装置２０，４０，６０のうち、無停電電源装置２０の詳細回路構成図であり、下記特許文献１の図１に開示されている構成と同等である。

この無停電電源装置２０には、交流電源１０の電圧を整流電圧に変換するダイオード整流回路などからなるコンバータ２２と、この整流電圧を平滑する電解コンデンサなどからなるコンデンサ２３とを備えている。また、コンデンサ２３の両端に接続されるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とダイオードの逆並列回路などからなる２組の半導体スイッチ回路による中性相出力アーム２４と、コンデンサ２３の両端電圧を三相交流電圧に変換するＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路などからなる６組の半導体スイッチ回路によるインバータ２５とを備えている。また、インバータ２５が出力する三相交流電圧の高調波成分を除去するフィルタリアクトル２６及びフィルタコンデンサ２７と、中性点出力リアクトル２８とを備えている。さらに、無停電電源装置２０の各相の出力電流を検出する電流検出器２９と、該無停電電源装置２０の各相の出力電圧を検出する電圧検出器３０とを備えている。そして、中性相出力アーム２４の両半導体スイッチ回路を交互に１対１の時間比率でオン・オフ動作させる中性相駆動回路２１と、インバータ２５から所望の周波数・振幅の三相交流電圧を出力するための制御を行うインバータ制御回路３２またはインバータ制御回路３３とを備えている。

なお、この無停電電源装置２０において、交流電源１０が何らかの要因で喪失したときにも図２に示した三相４線負荷１２への給電を継続するために、図示しないバッテリ回路がコンデンサ２３の両端に接続されている。

図４は、その回路構成が同一である図２の無停電電源装置３５，４２，６２のうち、無停電電源装置３５の詳細回路構成図であり、下記特許文献１の図３に開示されている構成と同等である。

この無停電電源装置３５が図３に示した無停電電源装置２０と異なる点は、コンデンサ２３に代えて、等容量の電解コンデンサなどからなるコンデンサ３６とコンデンサ３７とを直列接続したものになっている。さらに、コンデンサ３６とコンデンサ３７の中間接続点が三相４線式出力の中性点に接続されている。

このように、コンデンサ３６とコンデンサ３７を直列接続した構成にすることにより、無停電電源装置３５の出力電圧が４００Ｖ程度のときにもコンデンサ３６およびコンデンサ３７の定格電圧をより低く設定できる特典を有するが、この無停電電源装置３５の動作原理は無停電電源装置２０と同じである。

なお、この無停電電源装置３５において、交流電源１０が何らかの要因で喪失したときにも図２に示した三相４線負荷１２への給電を継続するために、図示しないバッテリ回路がコンデンサ３６とコンデンサ３７の直列回路の両端、またはコンデンサ３７の両端に接続されている。

図５は、この発明の従来例としての回路構成を示し、無停電電源装置２０または無停電電源装置３５に備えるインバータ制御回路３２の詳細回路構成図である。

このインバータ制御回路３２には、指令値演算器７１と、加算演算器７２〜７４と、三相電力演算器７５と、設定器７６と、平均値演算器７７と、加算演算器７８と、電圧調節器７９と、三相正弦波発生器８０と、ＰＷＭ（パルス幅変調）演算器８１〜８３と、ゲート駆動回路８４とを備えている。

図５に示したインバータ制御回路３２の動作を、図２〜４に示した回路構成図を参照しつつ、以下に説明する。

先ず、指令値演算器７１では、三相４線負荷１２への各相電流を検出する電流検出器１１からの負荷電流検出値それぞれを図２に示す並列台数（ｋ）で除算演算した各相の電流指令値を生成している。これらの電流指令値から、図３または図４に示した電流検出器２９から得られる各相の出力電流検出値を加算演算器７２〜７４により減算演算してなる各相の電流偏差Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗを求めている。

また、三相電力演算器７５では、前記各相の電流流偏差Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗに基づいた三相平均電力演算を行い、この演算結果の有効電力成分を有効電力成分偏差Δｐとして出力し、該演算結果の無効電力成分を無効電力成分偏差Δｑとして出力している。

この有効電力成分偏差Δｐは並列運転する際の出力電圧の位相差に起因する値であり、また、無効電力成分偏差Δｑは並列運転する際の出力電圧の振幅差に起因する値であることが知られている。

設定器７６では無停電電源装置２０または無停電電源装置３５の出力の電圧設定値を設定している。また、電圧検出器３０から得られる前記無停電電源装置の各相の出力電圧検出値に平均値演算器７７を介することにより三相電圧平均値Ｖａｖを得ている。

従って、加算演算器７８では、前記無効電力成分偏差Δｑと電圧設定値と三相電圧平均値Ｖａｖとに対して図示の極性での加減算を行い、これを電圧偏差として電圧調節器７９に入力している。

電圧調節器７９では前記電圧偏差を零にするために、該偏差の比例―積分演算などの調節演算を行い、この演算結果は三相電圧指令値Ｖｓとして出力している。

すなわち三相正弦波発生器８０では、周知の技術を用いて、基準の三相正弦波に対して前記有効電力成分偏差Δｐに基づく位相補正を行いつつ、各相の電圧振幅値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗそれぞれを前記三相電圧指令値Ｖｓに基づいた値に設定した各相の正弦波状の電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを出力している。

ＰＷＭ演算器８１〜８３それぞれは、前記電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗと、例えば三角波状のキャリア信号とに基づく各相毎のパルス幅変調演算を行い、これらの演算結果に基づいて、ゲート駆動回路８４では、インバータ２５を構成する各相（各アーム）のＩＢＧＴへの駆動信号を生成している。

特開２０００−２２４８６２号公報特開２００７−１５１２１３号公報

図５に示した従来のインバータ制御回路３２を用いた無停電電源装置２０または無停電電源装置３５と、これらと同一構成の無停電電源装置４０，６０または無停電電源装置４２，６２とを並列運転しつつ、三相電源を使用する三相電源機器と、各相の相電圧を利用した単相電源機器とが混在する三相４線負荷１２に給電することが行われる。

このような給電状態では、中性相（Ｎ相）を介して各相毎にその大きさが異なる横流が生じることがあるが、従来のインバータ制御回路３２では、三相一括して横流を抑制する三相平均値での横流抑制手段のみを用いているために、各相毎の横流を十分に抑制できないという問題点があった。

例えば、上記特許文献２の図１に開示されている構成では、三相一括して横流を抑制しつつ、無停電電源装置と負荷との間のケーブルに起因した電圧降下も補償しているが、各相毎にその大きさが異なる横流が生じるときには、その抑制対策が考慮されていない。

この発明の目的は、上記問題点を解消した無停電電源装置を提供することにある。

上記問題点を解消するためのこの発明は、交流電源の電圧を整流電圧に変換するコンバータと、この整流電圧を平滑するコンデンサと、このコンデンサの両端に接続される２組の半導体スイッチ回路からなる中性相出力アームと、前記コンデンサの両端電圧を三相交流電圧に変換して出力するインバータと、この三相交流電圧の高調波成分を除去するフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサと、中性点出力リアクトルと、前記中性相出力アームの両半導体スイッチ回路を交互にオン・オフ動作させる中性相駆動回路と、前記インバータから所望の周波数・振幅の三相交流電圧を出力するための制御を行うインバータ制御回路とを備え、前記中性相出力アームの中間接続点と前記中性点出力リアクトルの一端とを接続し、該中性点出力リアクトルの他端を中性点にして三相４線式の三相交流電圧を出力する無停電電源装置において、
前記無停電電源装置を複数（ｋ）台並列運転させつつ三相４線負荷に給電するときの
それぞれの前記無停電電源装置のインバータ制御回路には、
前記三相４線負荷に流れる各相の負荷電流それぞれをｋ分の１した値と、それぞれの無停電電源装置の各相の出力電流との偏差それぞれから導出される三相有効電力成分偏差と三相無効電力成分偏差とに基づき該無停電電源装置における三相一括した横流を抑制する三相一括横流抑制手段と、前記各相の出力電流との偏差それぞれから導出される単相有効電力成分偏差それぞれに基づき前記無停電電源装置における各相毎にその横流を抑制する各相個別横流抑制手段とを備え、前記三相一括横流抑制手段から得られた前記インバータが出力する３相交流電圧の三相一括した電圧振幅指令値に、前記各相個別横流抑制手段から得られた該インバータが出力する各相交流電圧それぞれの電圧補正値を加算し、これらの加算した値を各相交流電圧の電圧振幅指令値としたことを特徴とする。

この発明では、三相４線式の三相交流電圧を出力する無停電電源装置それぞれに、三相一括横流抑制手段と各相個別横流抑制手段の双方を備えることにより、中性相を介した各相毎のその大きさが異なる横流に対しても、その横流を十分に抑制することができる。

この発明の実施例を示す無停電電源装置のインバータ制御回路の回路構成図無停電電源システムの回路構成図図２の部分詳細回路構成としての無停電電源装置の回路構成図図２の部分詳細回路構成としての図３とは別の無停電電源装置の回路構成図従来例を示す無停電電源装置のインバータ制御回路の回路構成図

図１は、この発明の実施例としての回路構成を示し、無停電電源装置２０または無停電電源装置３５に備えるインバータ制御回路３３の詳細回路構成図である。

このインバータ制御回路３３には、先述のインバータ制御回路３２と同様に、三相一括横流抑制手段としての指令値演算器７１，加算演算器７２〜７４，三相電力演算器７５，設定器７６，平均値演算器７７，加算演算器７８，電圧調節器７９と、三相正弦波発生器８０と、ＰＷＭ演算器８１〜８３と、ゲート駆動回路８４とを備えている。また、これらの他に、各相個別横流抑制手段としての単相電力演算器８５，８９，９３と、加算演算器８６，９０，９４と、ゲイン回路８７，９１，９５と、加算演算器８８，９２，９６と、三相電力平均演算器９７とが追加装備されている。

図１に示したインバータ制御回路３３の動作を、上述の追加装備された構成要素の動作を中心に、図２〜４に示した回路構成図を参照しつつ、以下に説明する。

先ず、加算演算器７２〜７４により得られた各相の電流偏差Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗのうち、単相電力演算器８５では、Δｉｕに基づく単相電力演算を行い、その有効電力成分を有効電力成分偏差として出力する。加算演算器８６では後述の各相の有効電力成分偏差の平均値と前記有効電力成分偏差との差を求め、得られた差を零にするためのゲインＫｕが設定されたゲイン回路８７を介することにより、Ｕ相の電圧補正値ΔＶｕを得ている。

同様に、単相電力演算器８９では、前記Δｉｖに基づく単相電力演算を行い、その有効電力成分を有効電力成分偏差として出力する。加算演算器９０では後述の各相の有効電力成分偏差の平均値と前記有効電力成分偏差との差を求め、得られた差を零にするためのゲインＫｖが設定されたゲイン回路９１を介することにより、Ｖ相の電圧補正値ΔＶｖを得ている。

同様に、単相電力演算器９３では、前記Δｉｗに基づく単相電力演算を行い、その無効電力成分を有効電力成分偏差として出力する。加算演算器９４では後述の各相の有効電力成分偏差の平均値と前記有効電力成分偏差との差を求め、得られた差を零にするためのゲインＫｗが設定されたゲイン回路９５を介することにより、Ｗ相の電圧補正値ΔＶｗを得ている。

これらの電圧補正値ΔＶｕ，ΔＶｖ，ΔＶｗそれぞれは、加算演算器８８，９２，９６により電圧調節器７９の出力である三相電圧指令値Ｖｓと加算され、この加算値それぞれは三相正弦波発生器８０における電圧振幅値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗそれぞれとしている。

なお、三相電力平均演算器９７は、単相電力演算器８５，８９，９３それぞれから得られた各相の有効電力成分偏差の平均値を求めるために設置されている。

その結果、このインバータ制御回路３３を用いた無停電電源装置２０または無停電電源装置３５と、これらと同一構成の無停電電源装置４０，６０または無停電電源装置４２，６２とを並列運転しつつ、中性相を介した各相毎のその大きさが異なる横流に対しても、その横流を十分に抑制することができる。また、追加装備された上述の各相個別横流抑制手段を動作させるためには、新たな検出器などを設ける必要性が無い。

１０…交流電源、１１…電流検出器、１２…三相４線負荷、２０，３５，４０，４２，６０，６２…無停電電源装置、２１，４１，６１…連結リアクトル、２２…コンバータ、２３…コンデンサ、２４…中性相出力アーム、２５…インバータ、２６…フィルタリアクトル、２７…フィルタコンデンサ、２８…中性点出力リアクトル、２９…電流検出器、３０…電圧検出器、３１…中性相駆動回路、３２，３３…インバータ制御回路、７１…指令値演算器、７２〜７４…加算演算器、７５…三相電力演算器、７６…設定器、７７…平均値演算器、７８…加算演算器、７９…電圧調節器、８０…三相正弦波発生器、８１〜８３…ＰＷＭ演算器、８４…ゲート駆動回路、８５，８９，９３…単相電力演算器、８６，８８，９０，９２，９４，９６…加算演算器、８７，９１，９５…ゲイン回路、９７…三相電力平均演算器。

Claims

交流電源の電圧を整流電圧に変換するコンバータと、この整流電圧を平滑するコンデンサと、このコンデンサの両端に接続される２組の半導体スイッチ回路からなる中性相出力アームと、前記コンデンサの両端電圧を三相交流電圧に変換して出力するインバータと、この三相交流電圧の高調波成分を除去するフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサと、中性点出力リアクトルと、前記中性相出力アームの両半導体スイッチ回路を交互にオン・オフ動作させる中性相駆動回路と、前記インバータから所望の周波数・振幅の三相交流電圧を出力するための制御を行うインバータ制御回路とを備え、
前記中性相出力アームの中間接続点と前記中性点出力リアクトルの一端とを接続し、該中性点出力リアクトルの他端を中性点にして三相４線式の三相交流電圧を出力する無停電電源装置において、
前記無停電電源装置を複数（ｋ）台並列運転させつつ三相４線負荷に給電するときの
それぞれの前記無停電電源装置のインバータ制御回路には、
前記三相４線負荷に流れる各相の負荷電流それぞれをｋ分の１した値と、それぞれの無停電電源装置の各相の出力電流との偏差それぞれから導出される三相有効電力成分偏差と三相無効電力成分偏差とに基づき該無停電電源装置における三相一括した横流を抑制する三相一括横流抑制手段と、
前記各相の出力電流との偏差それぞれから導出される単相有効電力成分偏差それぞれに基づき前記無停電電源装置における各相毎にその横流を抑制する各相個別横流抑制手段とを備え、
前記三相一括横流抑制手段から得られた前記インバータが出力する３相交流電圧の三相一括した電圧振幅指令値に、前記各相個別横流抑制手段から得られた該インバータが出力する各相交流電圧それぞれの電圧補正値を加算し、これらの加算した値を各相交流電圧の電圧振幅指令値としたことを特徴とする無停電電源装置。