JP6595438B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置に関する。

一般に、複数の無停電電源装置を並列運転することが知られている。例えば、並列接続された複数台の常時商用型無停電電源装置の各交流スイッチの電流分担を良好に保つことが開示されている（特許文献１参照）。

特開２００８−９２７３４号公報

しかしながら、複数の無停電電源回路を並列運転させる場合、電流分担の状態とそれぞれの入出力の電流差などの電流状態を把握するには、各無停電電源回路の入力電流と出力電流をそれぞれ検出する必要がある。

例えば、既存の無停電電源装置に新たに無停電電源装置を追加して並列運転し、上述のような電流状態を把握しようとする場合、追加する無停電電源装置でも、入力電流と出力電流をそれぞれ検出するように構成しなければならない。

そこで、本発明の目的は、並列運転される複数の無停電電源回路を備え、電流を検出する箇所を少なくして、電流の状態を把握する無停電電源装置を提供することにある。

本発明の観点に従った無停電電源装置は、無停電で負荷に電力供給する第１の無停電電源回路と、前記第１の無停電電源回路と並列に接続され、無停電で前記負荷に電力供給する第２の無停電電源回路と、前記第１の無停電電源回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記第２の無停電電源回路の入力電流を検出する入力電流検出手段と、前記第１の無停電電源回路と前記第２の無停電電源回路との電流分担の状態を把握するために、前記出力電流検出手段により検出された前記出力電流と前記入力電流検出手段により検出された前記入力電流との差分を演算する差分演算手段とを備える。

本発明によれば、並列運転される複数の無停電電源回路を備え、電流を検出する箇所を少なくして、電流の状態を把握する無停電電源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

通常時、無停電電源装置（UPS, uninterruptible power system）１０は、交流電源８から供給される交流電力により負荷９に電力供給する。交流電源８は、例えば商用電源である。交流電源８の停電時では、無停電電源装置１０は、各ＵＰＳユニット１ａ，１ｂに実装された蓄電池１３ａ，１３ｂの蓄電エネルギーにより、負荷９に電力供給する。

無停電電源装置１０は、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂ、及び、制御装置２を備える。各ＵＰＳユニット１ａ，１ｂは、無停電で電力供給を行う無停電電源回路を備える。２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂを並列に接続することにより、無停電電源装置１０の容量を増加させている。ここでは、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂは、出力電流検出器３及び入力電流検出器４を除き、同一のハードウェアで構成されるものとして説明するが、異なってもよい。

ＵＰＳユニット１ａは、コンバータ１１ａ、インバータ１２ａ、蓄電池１３ａ、２つのコンデンサ１４ａ，１６ａ、２つのリアクトル１５ａ，１７ａ、２つのヒューズ１８ａ，１９ａ、及び、出力電流検出器３を備える。

コンバータ１１ａの入力側（交流側）は、リアクトル１５ａ及びヒューズ１８ａを順に介して、交流電源８に接続される。コンバータ１１ａの出力側（直流側）は、インバータ１２ａの入力側（直流側）に接続される。インバータ１２ａの出力側（交流側）は、リアクトル１７ａ及びヒューズ１９ａを順に介して、負荷９に接続される。蓄電池１３ａは、コンバータ１１ａとインバータ１２ａを接続する直流リンクに接続される。コンデンサ１４ａは、リアクトル１５ａとヒューズ１８ａとの間で接地される。コンデンサ１４ａとリアクトル１５ａは、入力側の交流フィルタを構成する。コンデンサ１６ａは、リアクトル１７ａとヒューズ１９ａとの間で接地される。コンデンサ１６ａとリアクトル１７ａは、出力側の交流フィルタを構成する。

ＵＰＳユニット１ｂは、コンバータ１１ｂ、インバータ１２ｂ、蓄電池１３ｂ、２つのコンデンサ１４ｂ，１６ｂ、２つのリアクトル１５ｂ，１７ｂ、２つのヒューズ１８ｂ，１９ｂ、及び、入力電流検出器４を備える。

コンバータ１１ｂの入力側は、リアクトル１５ｂ及びヒューズ１８ｂを順に介して、交流電源８に接続される。したがって、コンバータ１１ｂの入力側は、ＵＰＳユニット１ａのコンバータ１１ａの入力側と並列に接続される。コンバータ１１ｂの出力側は、インバータ１２ｂの入力側に接続される。インバータ１２ｂの出力側は、リアクトル１７ｂ及びヒューズ１９ｂを順に介して、負荷９に接続される。したがって、インバータ１２ｂの出力側は、ＵＰＳユニット１ａのインバータ１２ａの出力側と並列に接続される。蓄電池１３ｂは、コンバータ１１ｂとインバータ１２ｂを接続する直流リンクに接続される。コンデンサ１４ｂは、リアクトル１５ｂとヒューズ１８ｂとの間で接地される。コンデンサ１４ｂとリアクトル１５ｂは、入力側の交流フィルタを構成する。コンデンサ１６ｂは、リアクトル１７ｂとヒューズ１９ｂとの間で接地される。コンデンサ１６ｂとリアクトル１７ｂは、出力側の交流フィルタを構成する。

出力電流検出器３及び入力電流検出器４は、それぞれ出力電流Ｉａと入力電流Ｉｂを、たすき掛けのように別々のＵＰＳユニット１ａ，１ｂで検出するように設けられる。

出力電流検出器３は、ＵＰＳユニット１ａのリアクトル１７ａとヒューズ１９ａとの間に流れるインバータ１２ａの出力電流Ｉａを検出する。出力電流検出器３は、インバータ１２ａの出力電流Ｉａを検出するのであれば、何処に設けてもよい。出力電流検出器３は、検出した出力電流Ｉａを制御装置２に出力する。

入力電流検出器４は、ＵＰＳユニット１ｂのヒューズ１８ｂとリアクトル１５ｂとの間に流れるコンバータ１１ｂの入力電流Ｉｂを検出する。入力電流検出器４は、コンバータ１１ｂの入力電流Ｉｂを検出するのであれば、何処に設けてもよい。入力電流検出器４は、検出した入力電流Ｉｂを制御装置２に出力する。

制御装置２は、出力電流検出器３により検出された出力電流Ｉａ及び入力電流検出器４により検出された入力電流Ｉｂに基づいて、各ＵＰＳユニット１ａ，１ｂを制御する。制御装置２は、同一の指令値（ゲート信号など）により、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂを制御する。これにより、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂは、電流分担がほぼ均等で並列運転される。制御装置２は、コンバータ１１ａ，１１ｂ及びインバータ１２ａ，１２ｂのフィードバック制御、過電流保護、過負荷保護、及び、異常検出などを行う。なお、以降では、インバータ１２ａ，１２ｂの制御及び異常検出を主に説明し、他の機能については説明を省略する。

制御装置２は、インバータ制御部２１、出力電流換算部２２、入力電流換算部２３、減算器２４、及び、異常検知部２５を備える。

インバータ制御部２１は、指令値生成部２１１を備える。指令値生成部２１１は、２つのインバータ１２ａ，１２ｂの出力を制御するための共通の指令値を生成する。例えば、指令値は、出力電圧に対する指令値で、交流１００［Ｖ］である。なお、指令値は、出力電圧、出力電流、又は、出力電力のいずれに対する指令値でもよい。また、指令値は、予め設定されていてもよいし、比例積分制御（ＰＩ制御）などを用いたフィードバック制御により求められた値でもよい。インバータ制御部２１は、インバータ１２ａ，１２ｂの出力が指令値になるように、ゲート信号Ｓｇを生成する。インバータ制御部２１は、生成したゲート信号Ｓｇを２つのインバータ１２ａ，１２ｂにそれぞれ出力する。したがって、２つのインバータ１２ａ，１２ｂは、同じゲート信号Ｓｇにより制御される。

出力電流換算部２２は、出力電流検出器３から入力された出力電流Ｉａを、入力電流検出器４により検出された入力電流Ｉｂと比較するための値に換算する。例えば、出力電流換算部２２は、出力電流Ｉａを予め決められた定格値（規格値）に対する割合（パーセントなど）に換算した値にする。出力電流換算部２２は、出力電流Ｉａを換算した値を減算器２４に出力する。

入力電流換算部２３は、入力電流検出器４から入力された入力電流Ｉｂを、出力電流検出器３により検出された出力電流Ｉａと比較するための値に換算する。例えば、入力電流換算部２３は、入力電流Ｉｂを予め決められた定格値（規格値）に対する割合（パーセントなど）に換算した値にする。入力電流換算部２３は、入力電流Ｉｂを換算した値を減算器２４に出力する。

なお、入力電流換算部２３で用いる定格値は、出力電流換算部２２で用いる定格値とは基本的に異なるが、同じ値でもよい。また、出力電流Ｉａと入力電流Ｉｂが換算しなくてもそのまま比較できる値であれば、出力電流換算部２２及び入力電流換算部２３は無くてもよい。

減算器２４は、入力電流換算部２３により算出された入力電流Ｉｂの換算値から出力電流換算部２２により算出された出力電流Ｉａの換算値を減算して、差分を演算する。なお、差分は、出力電流Ｉａの換算値から入力電流Ｉｂの換算値を減算して求めてもよい。減算器２４は、演算した差分を異常検知部２５に出力する。

異常検知部２５は、減算器２４から入力された差分に基づいて、異常か否かを判断する。差分が予め設定された閾値以上であれば、異常検知部２５は、異常と判断して、異常検出信号Ｓｎｇを出力する。閾値は、差分が誤差とは言えない有意差を持つ大きさの最小値となるように決定される。インバータ制御部２１は、異常検出信号Ｓｎｇに基づいて、異常が発生したことを知らせるための警報を出力したり、無停電電源装置１０の保護停止などの保護動作をしたりする。

例えば、閾値を１０％とし、出力電流Ｉａの換算値が６０％、入力電流Ｉｂの換算値が４０％である場合、差分は２０％となり、閾値の１０％を超える。このとき、異常検知部２５は、異常と判断する。また、出力電流Ｉａの換算値が５５％、入力電流Ｉｂの換算値が５０％である場合、差分は５％となり、閾値の１０％を下回る。このとき、異常検知部２５は、正常と判断する。

本実施形態によれば、別々のＵＰＳユニット１ａ，１ｂで出力電流Ｉａ及び入力電流Ｉｂを検出して、出力電流Ｉａと入力電流Ｉｂとの差分を演算することで、電流分担などの状態を把握することができる。これにより、各ＵＰＳユニット１ａ，１ｂの入出力電流の不均衡、及び、ＵＰＳユニット１ａ，１ｂ間の電流不均衡の異常を検知することができる。したがって、電流検出器３，４により２箇所の電流を検出するだけで、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂについて、電流の状態を把握するための質の高い監視をすることができる。

仮に、出力電流検出器３と入力電流検出器４を共に１つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂにのみ設けた場合、ＵＰＳユニット１ａ，１ｂ間の電流不均衡を検出することができない。このような電流不均衡の状態は、ＵＰＳユニット１ａ，１ｂのうち流れる電流が少ない方は、直流過電圧になり易く、過電流を検出できない恐れがある。一方、ＵＰＳユニット１ａ，１ｂのうち流れる電流が多い方は、直流不足電圧になり易く、過電流を誤検出する恐れがある。

ここで、１つのＵＰＳユニットで構成された既存の無停電電源装置に、新たにＵＰＳユニットを追加して、本実施形態のように改造する場合について考える。このとき、既存の無停電電源装置には、追加するＵＰＳユニット用に、入出力電流を検出する回路が設けられていないことがある。このような場合でも、既存のＵＰＳユニットに設けられた入力電流検出回路又は出力電流検出回路のいずれか一方を、追加するＵＰＳユニットに付け替えることで、本実施形態と同等の構成にすることができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置１０Ａの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る無停電電源装置１０において、制御装置２を制御装置２Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

制御装置２Ａは、第１の実施形態に係る制御装置２において、インバータ制御部２１をインバータ制御部２１Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る制御装置２と同様である。

インバータ制御部２１Ａは、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂを個別に制御するための２つのインバータ駆動回路（ゲートドライブ回路）を備える。また、インバータ制御部２１Ａは、指令値生成部２１１、調整量演算部２１２、加算器２１３、及び、減算器２１４を備える。

指令値生成部２１１は、第１の実施形態と同様に、指令値を生成する。指令値生成部２１１は、生成した指令値を加算器２１３、及び、減算器２１４に出力する。

調整量演算部２１２は、減算器２４により演算された差分を等分する。調整量演算部２１２は、等分した値を指令値生成部２１１により生成される指令値と同じ次元に換算し、換算した値を調整量とする。調整量演算部２１２は、演算した調整量を加算器２１３及び減算器２１４に出力する。

加算器２１３は、指令値生成部２１１から入力された指令値に、調整量演算部２１２により演算された調整量を加算する。

減算器２１４は、指令値生成部２１１から入力された指令値から、調整量演算部２１２により演算された調整量を減算する。

インバータ制御部２１Ａは、インバータ１２ａの出力が加算器２１３により演算された値になるように、ゲート信号Ｓｇａを生成する。インバータ制御部２１Ａは、インバータ１２ｂの出力が減算器２１４により演算された値になるように、ゲート信号Ｓｇｂを生成する。これにより、２つのインバータ１２ａ，１２ｂの出力電流は、常に均等になるように調整される。

例えば、出力電流Ｉａの換算値が７０％、入力電流Ｉｂの換算値が３０％である場合、差分は４０％となる。また、調整量演算部２１２は、調整量として−２０％を算出する。加算器２１３は、指令値生成部２１１から出力された指令値に、出力電流Ｉａの換算値が−２０％になる値を加算する。減算器２１４は、指令値生成部２１１から出力された指令値から、入力電流Ｉｂの換算値が−２０％になる値を減算する。これにより、出力電流Ｉａの換算値と入力電流Ｉｂの換算値が共に５０％になるように制御される。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

別々のＵＰＳユニット１ａ，１ｂで検出された出力電流Ｉａと入力電流Ｉｂの差分を演算することにより、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂの間で、電流分担が均等になるように、互いに補償し合う制御をすることができる。これにより、２つのＵＰＳユニット１ａ，１ｂを常に電流分担の均衡が保たれた状態で並列運転することができる。

また、本実施形態であれば、常に電流分担が均等になるように、２つのインバータ１２ａ，１２ｂが制御されるため、異常検知部２５を設けなくてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ａ，１ｂ…ＵＰＳユニット、２…制御装置、３…出力電流検出器、４…入力電流検出器、８…交流電源、９…負荷、１０…無停電電源装置、１１ａ，１１ｂ…コンバータ、１２ａ，１２ｂ…インバータ、１３ａ，１３ｂ…蓄電池、１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ…コンデンサ、１５ａ，１５ｂ，１７ａ，１７ｂ…リアクトル、１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ…ヒューズ、２１…インバータ制御部、２２…出力電流換算部、２３…入力電流換算部、２４…減算器、２５…異常検知部、２１１…指令値生成部。

Claims (7)

1. 無停電で負荷に電力供給する第１の無停電電源回路と、
   前記第１の無停電電源回路と並列に接続され、無停電で前記負荷に電力供給する第２の無停電電源回路と、
   前記第１の無停電電源回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   前記第２の無停電電源回路の入力電流を検出する入力電流検出手段と、
   前記第１の無停電電源回路と前記第２の無停電電源回路との電流分担の状態を把握するために、前記出力電流検出手段により検出された前記出力電流と前記入力電流検出手段により検出された前記入力電流との差分を演算する差分演算手段と
   を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記差分演算手段により演算された前記差分に基づいて、異常を検知する異常検知手段
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記差分演算手段は、前記出力電流及び前記入力電流をそれぞれ比較するための値に換算して、前記差分を演算すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無停電電源装置。
4. 指令値を生成する指令値生成手段と、
   前記指令値生成手段により生成された前記指令値に基づいて、前記第１の無停電電源回路及び前記第２の無停電電源回路を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
5. 前記制御手段は、前記差分演算手段により演算された前記差分に基づいて、前記電流分担が均等になるように、前記第１の無停電電源回路及び前記第２の無停電電源回路を制御すること
   を特徴とする請求項４に記載の無停電電源装置。
6. 無停電で負荷に電力供給する第１の無停電電源回路及び無停電で前記負荷に電力供給する第２の無停電電源回路が並列に接続された無停電電源装置の制御装置であって、
   前記第１の無停電電源回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   前記第２の無停電電源回路の入力電流を検出する入力電流検出手段と、
   前記第１の無停電電源回路と前記第２の無停電電源回路との電流分担の状態を把握するために、前記出力電流検出手段により検出された前記出力電流と前記入力電流検出手段により検出された前記入力電流との差分を演算する差分演算手段と
   を備えたことを特徴とする無停電電源装置の制御装置。
7. 無停電で負荷に電力供給する第１の無停電電源回路及び無停電で前記負荷に電力供給する第２の無停電電源回路が並列に接続された無停電電源装置の制御方法であって、
   前記第１の無停電電源回路の出力電流を検出し、
   前記第２の無停電電源回路の入力電流を検出し、
   前記第１の無停電電源回路と前記第２の無停電電源回路との電流分担の状態を把握するために、検出した前記出力電流と検出した前記入力電流との差分を演算すること
   を含むことを特徴とする無停電電源装置の制御方法。

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