JP7347752B2

JP7347752B2 - 無停電電源装置システム

Info

Publication number: JP7347752B2
Application number: JP2019122776A
Authority: JP
Inventors: 明佐藤; 康司加藤; 良介齋藤; 寿勝五十嵐
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2023-09-20
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: JP2023155360A; JP7729364B2; JP2021010234A

Description

本発明は、無停電電源装置システムに関する。

無停電電源装置システムにおいて、システムの信頼性を向上させるために、複数の無停電電源装置を並列に接続して冗長運転させる方式が知られている（特許文献１）。

図６は、特許文献１に記載された無停電電源装置システムの概略構成図である。図６において、複数の無停電電源装置（ＵＰＳ）１－１～１－３は、並列に接続され、入力側には交流電源２が接続され、出力側には負荷３が接続されている。

複数の無停電電源装置１－１～１－３は、交流電源２の交流を直流に変換するコンバータ１１－１～１１－３と、コンバータ１１－１～１１－３で変換された直流を交流に変換し変換された交流を負荷３に供給するインバータ１２－１～１２－３とで構成されている。

特許文献１では、図７に示すフローチャートに示すように、電力量合計が第１定格電力量合計よりも大きい場合に（ステップＳ５２のＹＥＳ）、インバータを起動する（ステップＳ５３）。電力量合計が第１定格電力量合計よりも小さい場合に（ステップＳ５２のＮＯ）、第２定格電力量合計が電力量合計よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ５４）。

第２定格電力量合計が電力量合計よりも大きい場合に（ステップＳ５４のＹＥＳ）、インバータを停止する（ステップＳ５５）。このように、図７に示すフローチャートによって、無停電電源装置の運転制御を行い、システム全体の省エネを図っている。

特許第５７３２１３４号公報

しかしながら、無停電電源装置の負荷率に対する効率を効率カーブによっては、負荷の条件次第で、無停電電源装置が２台で運転するよりも、無停電電源装置が３台で運転した方がシステムとしての効率が上がる条件がある。

効率カーブには、図８（ａ）に示すように、負荷率が大きくなるに従って効率が大きくなる効率カーブや図８（ｂ）に示すように、所定の負荷率で効率が最大となる効率カーブがある。図８（ｂ）に示す効率カーブの場合には、無停電電源装置が２台で運転するよりも、無停電電源装置が３台で運転した方がシステム効率が上がる。

本発明の課題は、システムの総損失電力が最小となる台数の無停電電源装置で運転することできる無停電電源装置システムを提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る無停電電源装置システムは、負荷に並列に接続され、前記負荷に電力を供給し、常用器Ｎ台及び予備器Ｍ台で構成される複数の無停電電源装置と、前記複数の無停電電源装置の運転・停止を制御する制御部と、前記複数の無停電電源装置に接続される蓄電池とを備え、前記無停電電源装置は、交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電力又は前記蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータを備え、負荷が必要とする電力を実際に稼働する前記常用器と前記予備器の合計である稼働台数で供給し、且つ実際に稼働する常用器の台数を少なくとも１台以上で可変し、最も少ない総損失電力となる稼働台数で運転することを特徴とする。

本発明によれば、常用器と予備器の合計である稼働台数で供給し、且つ実際に稼働する常用器の台数を少なくとも１台以上で可変し、最も少ない総損失電力となる稼働台数で運転する。従って、システムの総損失電力が最小となる台数の無停電電源装置で運転できる。

本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置システムの構成ブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置システムの制御部の処理を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置システムの構成ブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置システムの制御部の処理を示すフローチャートである。本発明の第３の実施形態に係る無停電電源装置システムの制御部の処理を示すフローチャートである。従来の無停電電源装置システムの構成を示す図である。図６に示す無停電電源装置システムの無停電電源装置の運転制御を示すフローチャートである。無停電電源装置の負荷率に対する効率カーブの２つの例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（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システムの構成ブロック図である。図１に示す無停電電源装置システムは、複数の無停電電源装置１－１～１－３と、制御部１５と、蓄電池４とを備えている。複数の無停電電源装置は、３つに限定されることなく、４つ以上であっても良い。

複数の無停電電源装置１－１～１－３は、並列に接続され、負荷３に電力を供給する。制御部１５は、複数の無停電電源装置１－１～１－３からの計測情報に基づき複数の無停電電源装置１－１～１－３の運転・停止を制御する。蓄電池４は、複数の無停電電源装置１－１～１－３に接続される。

複数の無停電電源装置１－１～１－３は、交流電源２の交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１－１～１１－３と、コンバータ１１－１～１１－３で変換された直流電力又は蓄電池４からの直流電力を交流電力に変換して負荷３に供給するインバータ１２－１～１２－３を備えている。

複数の無停電電源装置１－１～１－３は、負荷が必要とする電力を実際に稼働する常用器Ｎと予備器Ｍとの合計である稼働台数で供給し、且つ実際に稼働する常用器の台数を少なくとも１台以上で可変し、最も少ない総損失電力となる稼働台数で運転する。但し一般的には、予備器Ｍは通常１台から２台の固定とすることが多い。

制御部１５は、無停電電源装置の効率カーブ（負荷率に対する効率を表す変換効率）をテーブル化したものを記憶し、変換効率と給電電力と消費電力に基づきシステムの総損失電力を算出し、総損失電力に基づき無停電電源装置の運転制御を行う。このため、制御部１５は、メモリ２１と、総損失電力算出部２２と、総損失電力比較部２３と、運転台数制御部２４とを備えている。メモリ２１は、図８（ｂ）に示すような負荷率に対する効率を表す変換効率を記憶する。

総損失電力算出部２２は、メモリ２１に記憶された変換効率を読み出し、この変換効率と無停電電源装置１台当たりの給電電力と１台当たりの消費電力とに基づき、常用器Ｎと予備器Ｍとで構成される複数の無停電電源装置が稼働予定台数Ｌ台で負荷３に給電した場合のシステムの総損失電力を算出する。

総損失電力比較部２３は、総損失電力算出部２２で算出された稼働予定台数Ｌ台給電時の第１の総損失電力と、稼働予定台数Ｌ台を１台停止し稼働予定台数をＬ－１台とした時の給電時の第２の総損失電力とを比較する。

運転台数制御部２４は、第１の総損失電力が第２の総損失電力より高い時は稼働予定台数を１台減じて総損失電力算出部２２で総損失電力を算出し、第１の総損失電力が第２の総損失電力より低い時の台数を稼働台数Ｋに決定し、決定された稼働台数Ｋとなるように複数の無停電電源装置１－１～１－３を運転又は停止させる。

次に、このように構成された第１の実施形態に係る無停電電源装置システムの制御部１５の処理を図２に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。

ここでは、３台以上の無停電電源装置で構成される無停電電源装置システムにおいて、負荷電力が１台停止させてもインバータ給電可能な条件が成立した場合、以下の処理を行う。以下の例では、複数の無停電電源装置で構成される無停電電源装置システムを例示する。

まず、所定の台数の無停電電源装置を起動する（ステップＳ１１）。この時負荷の容量が不明のときは最大台数を起動する。次に、制御部１５は、以下の計算式（１）に従って、実システム容量を算出する。以下の説明では予備器はＭ台とする。

実システム容量＝システム容量×（稼働台数－予備器Ｍ）／（常用無停電電源装置台数）
システム容量＝無停電電源装置容量×常用無停電電源装置台数 …（１）
即ち、制御部１５は、実システム容量＝無停電電源装置容量×（稼働台数－予備器Ｍ）を算出する（ステップＳ１２）。

制御部１５は、実システム容量が実負荷容量よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ１３）。実システム容量が実負荷容量よりも大きい場合には（ステップＳ１３のＹＥＳ）、総損失電力算出部２２は、メモリ２１から読み出した変換効率と無停電電源装置１台当たりの給電電力と１台当たりの消費電力とに基づき、常用器Ｎと予備器Ｍとで構成される複数の無停電電源装置が稼働予定台数Ｌ台で負荷３に給電した場合のシステムの総損失電力を算出する（ステップＳ１４）。

具体的には、総損失電力算出部２２は、以下に示す計算式（２）により無停電電源装置１台当たりの給電電力を算出する。

２台で給電した場合、１台当たりの給電電力Ｐout_２＝Ｐload／２
（Ｌ－１）台で給電した場合、１台当たりの給電電力
Ｐout_Ｌ－１＝Ｐload／（Ｌ－１）
Ｌ台で給電した場合、１台当たりの給電電力
Ｐout_Ｌ＝Ｐload／Ｌ …（２）
ここで、Ｐloadは負荷電力である。

次に、総損失電力算出部２２は、以下に示す計算式（３）により無停電電源装置１台当たりの消費電力を算出する。

２台で給電した場合、１台当たりの消費電力
Ｐloss_２＝（（１／η）－１）×Ｐout_２
（Ｌ－１）台で給電した場合、１台当たりの消費電力
Ｐloss_(Ｌ－１)＝（（１／η）－１）×Ｐout_(Ｌ－１)
Ｌ台で給電した場合、１台当たりの消費電力
Ｐloss_Ｌ＝（（１／η）－１）×Ｐout_Ｌ …（３）
ここで、ηは、予め測定された情報で、メモリ２１に記憶されたＰoutでの変換効率である。

次に、総損失電力算出部２２は、以下に示す計算式（４）によりシステムの総損失電力を算出する。

２台で給電した場合のシステムの総損失電力
Ｐlossall_２＝Ｐloss_２×２
（Ｌ－１）台で給電した場合のシステムの総損失電力
Ｐlossall_(Ｌ－１)＝Ｐloss_(Ｌ－１) ×（Ｌ－１）
Ｌ台で給電した場合のシステムの総損失電力
Ｐlossall_Ｌ＝Ｐloss_Ｌ ×Ｌ …（４）

次に、総損失電力比較部２３は、総損失電力算出部２２で算出されたＬ台給電時の総損失電力と（Ｌ－１）台給電時の総損失電力とを比較する（ステップＳ１５）。Ｌ台給電時の総損失電力が（Ｌ－１）台給電時の総損失電力よりも小さい場合には（ステップＳ１５のＹＥＳ）、複数の無停電電源装置を稼働台数Ｋに決定する（ステップＳ１７）。

一方、Ｌ台給電時の総損失電力が（Ｌ－１）台給電時の総損失電力よりも大きい場合には稼働台数を減らして総損失電力が小さくなる可能性が有る。そこで、ステップＳ１５のＮＯの場合は、稼働予定台数Ｌ台を１台減らし（ステップＳ１６）、再びステップＳ１４及びステップＳ１５にて、Ｌ台給電時の総損失電力とＬ－１）台給電時の総損失電力を比較する。Ｌ台給電時の総損失電力が（Ｌ－１）台給電時の総損失電力よりも小さくなるか、又は常用器が稼働する台数が１台になるまでステップＳ１４、ステップＳ１５、ステップＳ１６を繰り返し、稼働台数Ｋを決定する。

このように、運転台数制御部２４は、Ｌ台給電時の総損失電力が（Ｌ－１）台給電時の総損失電力よりも小さくなったときのＬ台を稼働台数Ｋに決定し（ステップＳ１７）、決定された稼働台数Ｋとなるように複数の無停電電源装置を運転又は停止させる（ステップＳ１８）。

従って、システムの総損失電力が最小となる台数の無停電電源装置で運転できる。このため、システムの効率を向上することができる。

なお、ステップＳ１３において、実システム容量が実負荷容量よりも小さい場合には、全ての無停電電源装置を運転する（ステップＳ１９）。

なお、上記第１の実施の形態では、制御部１５は、複数の無停電電源装置１－１～１－３を停止させる場合、コンバータ１１－１～１１－３とインバータ１２－１～１２－３を停止させたが、例えば、インバータ１２－１～１２－３のみを停止させてよい。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置システムの構成ブロック図である。第２の実施形態に係る無停電電源装置システムにおいて、図３に示す制御部１５ａが、図１に示す制御部１５の構成にさらに、カウンタ２５と、時間判定部２６とを備える点が異なる。

カウンタ２５は、稼働台数Ｋ台の無停電電源装置が決定されると、時間をカウントする。時間判定部２６は、カウンタ２５でカウントされた時間が指定時間を超えたかどうかを判定し、カウントされた時間が指定時間を超えた場合には、総損失電力算出部２２に対して総損失を算出させる。

次に、このように構成された第２の実施形態に係る無停電電源装置システムの制御部１５ａの処理を図４に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。

ステップＳ１２～Ｓ１８の処理は、図２に示すステップＳ１２～Ｓ１８の処理と同じであるので、ここでは、ステップＳ２１～Ｓ２４の処理のみを説明する。

まず、所定の台数の無停電電源装置を起動する（ステップＳ２１）。次に、制御部１５ａは、稼働台数Ｋ台の無停電電源装置の給電電力が現負荷に給電できるかどうかを判定する（ステップＳ２２）。

稼働台数Ｋ台の無停電電源装置の給電電力が現負荷に給電できる場合には（ステップＳ２２のＹＥＳ）、カウンタ２５は、時間をカウントする（ステップＳ２３）。

次に、時間判定部２６は、カウンタ２５でカウントされた時間が指定時間を超えたかどうかを判定する（ステップＳ２４）。カウントされた時間が指定時間を超えた場合には（ステップＳ２４のＹＥＳ）、ステップＳ１２の処理に進む。即ち、総損失電力算出部２２が総損失電力を算出する。

カウントされた時間が指定時間を超えない場合には（ステップＳ２４のＮＯ）、ステップＳ２１の処理に戻る。また、ステップＳ２２において、稼働台数Ｋ台の無停電電源装置の給電電力で現負荷に給電できない場合には（ステップＳ２２のＮＯ）、全ての無停電電源装置を運転させる（ステップＳ２５）。

このように第２の実施形態に係る無停電電源装置システムによれば、指定時間毎に、ステップＳ１２における実システム容量の算出、ステップＳ１４におけるシステムの総損失電力を算出するので、現状の負荷の状態に応じて、システムの総損失電力が最小となる台数の無停電電源装置で運転できる。このため、システムの効率を向上することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る無停電電源装置システムの制御部の処理を示すフローチャートである。第３の実施形態に係る無停電電源装置システムは、第２の実施形態に係る無停電電源装置システムの図４に示すフローチャートに、さらに、ステップＳ２２とステップＳ２３との間に、ステップＳ２６の処理を追加した点が異なる。

ここでは、ステップＳ２６の処理のみを説明する。現在時刻の負荷電力と現在時刻よりも所定時間前、例えば１秒前の負荷電力とを比較する（ステップＳ２６）。現在時刻の負荷電力と現在時刻よりも１秒前の負荷電力とが同一値である場合には（ステップＳ２６のＹＥＳ）、ステップＳ２３の処理に進む。

一方、現在時刻の負荷電力と現在時刻よりも１秒前の負荷電力とが同一値でない場合には（ステップＳ２６のＮＯ）、ステップＳ２１の処理に戻る。

このように第３の実施形態に係る無停電電源装置システムによれば、現在時刻の負荷電力と現在時刻よりも１秒前の負荷電力とが同一値でない場合には、負荷の急変により、負荷電力が変化した場合に、無停電電源装置の稼働台数を適切に変更することができる。１秒前は、負荷電力が変化したことを検出できれば、使用条件に応じて時間を任意に変更しても良い。

なお、本発明は、第１乃至第３の実施形態に係る無停電電源装置システムに限定されるものではない。第１乃至第３の実施形態に係る無停電電源装置システムにおいて、制御部１５，１５ａは、各無停電電源装置の稼働時間を計算し、稼働時間が最も長い無停電電源装置を停止候補順位を第１順位とする。図２、図４、図５において、無停電電源装置を停止する条件が成立した場合、稼働時間が最も長い無停電電源装置を停止させてもよい。

１－１～１－３無停電電源装置（ＵＰＳ）
２交流電源
３負荷
４蓄電池
１１－１～１１－３コンバータ
１２－１～１２－３インバータ
２１メモリ
２２総損失電力算出部
２３総損失電力比較部
２４運転台数制御部
２５カウンタ
２６時間判定部

Claims

負荷に並列に接続され、前記負荷に電力を供給し、常用器Ｎ台及び予備器Ｍ台で構成される複数の無停電電源装置と、
前記複数の無停電電源装置の運転・停止を制御する制御部と、
前記複数の無停電電源装置に接続される蓄電池と
を備え、
前記無停電電源装置は、
交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力又は前記蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータ
を備え、
前記無停電電源装置は、前記負荷が必要とする電力を実際に稼働する前記常用器と前記予備器の合計である稼働台数で供給し、且つ実際に稼働する常用器の台数を少なくとも１台以上で総損失電力に基づいて可変し、最も少ない総損失電力となる稼働台数で運転する
無停電電源装置システム。
前記制御部は、
負荷率に対する効率を表す変換効率に基づき、前記複数の無停電電源装置が稼働予定台数Ｌ台で前記負荷に給電した場合のシステムの総損失電力を算出する総損失電力算出部と、
前記総損失電力算出部で算出された稼働予定台数Ｌ台での給電時の第１の総損失電力と、稼働予定台数Ｌ台を１台停止し稼働予定台数をＬ－１台とした時の給電時の第２の総損失電力とを比較する総損失電力比較部と、
第１の総損失電力が第２の総損失電力より高い時は稼働予定台数を１台減じて前記総損失電力算出部で総損失電力を算出し、第１の総損失電力が第２の総損失電力より低い時の台数を稼働台数Ｋに決定し、決定された稼働台数Ｋとなるように前記複数の無停電電源装置を運転又は停止させる運転台数制御部と
を備える
請求項１記載の無停電電源装置システム。
負荷に並列に接続され、前記負荷に電力を供給し、常用器Ｎ台及び予備器Ｍ台で構成される複数の無停電電源装置と、
前記複数の無停電電源装置の運転・停止を制御する制御部と、
前記複数の無停電電源装置に接続される蓄電池と
を備え、
前記無停電電源装置は、
交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力又は前記蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータと
を備え、
前記無停電電源装置は、前記負荷が必要とする電力を実際に稼働する前記常用器と前記予備器の合計である稼働台数で供給し、且つ実際に稼働する常用器の台数を少なくとも１台以上で可変し、最も少ない総損失電力となる稼働台数で運転し、
前記制御部は、
負荷率に対する効率を表す変換効率に基づき、前記複数の無停電電源装置が稼働予定台数Ｌ台で前記負荷に給電した場合のシステムの総損失電力を算出する総損失電力算出部と、
前記総損失電力算出部で算出された稼働予定台数Ｌ台での給電時の第１の総損失電力と、稼働予定台数Ｌ台を１台停止し稼働予定台数をＬ－１台とした時の給電時の第２の総損失電力とを比較する総損失電力比較部と、
第１の総損失電力が第２の総損失電力より高い時は稼働予定台数を１台減じて前記総損失電力算出部で総損失電力を算出し、第１の総損失電力が第２の総損失電力より低い時の台数を稼働台数Ｋに決定し、決定された稼働台数Ｋとなるように前記複数の無停電電源装置を運転又は停止させる運転台数制御部と
を備える
無停電電源装置システム。
前記総損失電力算出部は、前記無停電電源装置１台当たりの給電電力と１台当たりの消費電力と前記変換効率とに基づき、稼働予定台数Ｌで前記負荷に給電した場合のシステムの総損失電力を算出する請求項２または３記載の無停電電源装置システム。
前記制御部は、
稼働台数Ｋ台が決定すると、時間をカウントするカウンタと、
前記カウンタでカウントされた時間が指定時間を超えたかどうかを判定し、カウントされた時間が指定時間を超えた場合には、前記総損失電力算出部に対して総損失を算出させる時間判定部と、
を備える
請求項２乃至４のいずれか１項記載の無停電電源装置システム。
前記制御部は、現在時刻の第１負荷電力と前記現在時刻よりも所定時間前の第２負荷電力とを比較し、前記第１負荷電力と前記第２負荷電力とが同一値である場合には、前記カウンタに対して時間をカウントさせる請求項５記載の無停電電源装置システム。
前記制御部は、前記複数の無停電電源装置を停止させる場合に、前記インバータのみを停止させる請求項１乃至６のいずれか１項記載の無停電電源装置システム。