無停電電源装置
【課題】たとえ、非常用交流発電装置の容量が交流負荷の容量に対して十分ではなくても安定した運転特性を発揮できる無停電電源装置を得ることを目的とする。
【解決手段】商用交流電源１が停電し電力変換装置６をインバータとして運転し電気二重層キャパシタ７を電源として交流負荷５に電力を供給する停電放電モードから、商用交流電源１の停電が所定の時間を越えて継続したとき非常用交流発電装置２から交流負荷５に電力を供給するとともに電力変換装置６をコンバータとして運転しその直流出力により電気二重層キャパシタ７を充電する停電充電モードへの移行時、上記停電放電モードにおいて電力変換装置６から交流負荷５へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後電力変換装置６により電気二重層キャパシタ７を充電する上記停電充電モードの動作を開始するようにした。
【解決手段】商用交流電源１が停電し電力変換装置６をインバータとして運転し電気二重層キャパシタ７を電源として交流負荷５に電力を供給する停電放電モードから、商用交流電源１の停電が所定の時間を越えて継続したとき非常用交流発電装置２から交流負荷５に電力を供給するとともに電力変換装置６をコンバータとして運転しその直流出力により電気二重層キャパシタ７を充電する停電充電モードへの移行時、上記停電放電モードにおいて電力変換装置６から交流負荷５へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後電力変換装置６により電気二重層キャパシタ７を充電する上記停電充電モードの動作を開始するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置と蓄電装置と非常用交流発電装置とを備え、商用交流電源の停電時にも交流負荷への交流電力の供給を可能とする無停電電源装置に係り、特に、その非常用交流発電装置の容量を大きくすることなく安定した動作特性が得られる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の無停電電源装置においては、商用交流電源が健全なときは、その商用交流電源から交流負荷に電力を供給するとともにその電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する（健全充電モード）。そして、商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したときは電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し蓄電装置を電源として交流負荷に電力を供給する（停電放電モード）。更に、商用交流電源の電圧の低下が所定の時間を越えて継続したときは非常用交流発電装置から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する（停電充電モード）。
以上により、たとえ、商用交流電源が停電しても、交流負荷へは連続して交流電力の供給を可能とする無停電電力供給が実現する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−６１２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この無停電電源装置で必要となる、非常用交流発電装置は発電機とその発電機を駆動する原動機とからその主回路が構成されるが、同装置は、例えば、経済性や設置スペース等との関係で、交流負荷の容量に対して必ずしも余裕のある容量のものを採用できない場合がある。
この場合、特に、上記停電放電モードから停電充電モードに移行して非常用交流発電装置から交流負荷への電力供給を開始すると、非常用交流発電装置の動作特性、交流負荷の負荷特性、更には、この開始するタイミングの電圧位相等により非常用交流発電装置の出力にサグ（瞬時電圧降下）が発生し得る。
【０００５】
非常用交流発電装置の出力にサグが発生すると、その電圧降下に無停電電源装置の制御系が反応して再び停電放電モードに戻り、場合によっては以上の動作を繰り返すハンチング現象に発展する可能性がある。この場合、交流負荷への供給電圧が不安定となり、コンピュータ装置や半導体製造装置等供給電圧の変動に鋭敏な負荷では、運転停止等の重大故障に至る恐れがある。
【０００６】
この発明は、以上のような従来の問題点を解消するためになされたもので、たとえ、非常用交流発電装置の容量が交流負荷の容量に対して余裕が少なくても安定した運転特性を発揮できる無停電電源装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係る無停電電源装置は、商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、商用交流電源が健全なときは商用交流電源から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する健全充電モードと、商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し蓄電装置を電源として交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、商用交流電源の電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき非常用交流発電装置から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう選択切換装置、スイッチ、および電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記制御装置は、停電放電モードから停電充電モードへの移行時、停電放電モードにおいて電力変換装置から交流負荷へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後電力変換装置により蓄電装置を充電する停電充電モードの動作を開始するようにしたものである。
【０００８】
また、第２の発明に係る無停電電源装置は、商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、商用交流電源が健全なときは商用交流電源から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する健全充電モードと、商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し蓄電装置を電源として交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、商用交流電源の電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき非常用交流発電装置から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう選択切換装置、スイッチ、および電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記健全充電モードにおける充電電流設定値に対して停電充電モードにおける充電電流設定値を小さくしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明にあっては、停電放電モードから停電充電モードへの移行時、停電放電モードにおいて電力変換装置から交流負荷へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後電力変換装置により蓄電装置を充電する停電充電モードの動作を開始するようにしたので、非常用交流発電装置の出力電流は、従来のように停電放電モードの終了と同時に立ち上がるのではなく、上記電流漸減制御に応じて漸増ししかる後停電充電モードに移行する。従って、非常用交流発電装置の出力開始時の電圧波形の変動が抑制され停電放電モードから停電充電モードへの移行が円滑になされる。
【００１０】
停電充電モードの動作開始で、非常用交流発電装置は交流負荷への電流に加えて蓄電装置を充電するための充電電流の供給を担うことになるが、第２の発明にあっては、健全充電モードにおける充電電流設定値に対して停電充電モードにおける充電電流設定値を小さくしたので、その分、非常用交流発電装置の出力電流が低減しそれに伴いその出力電圧波形の変動が抑制され停電放電モードから停電充電モードへの移行が円滑になされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における無停電電源装置の構成を示す回路図である。図において、主回路は、商用交流電源１と非常用交流発電装置２とのいずれかが選択切換装置３で選択され、スイッチ４を介して交流負荷５に接続される構成となっている。ここで、商用交流電源１は、３相の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用交流電源である。非常用交流発電装置２は、例えば、３相出力の回転発電機Ｇとこの回転発電機Ｇを回転駆動するディーゼルエンジン等の原動機Ｐとこれらを制御する制御装置から構成され、無停電電源装置としての動作は後述する制御装置８からの指令信号によってなされる。選択切換装置３は、固定電極と可動電極とこの可動電極を駆動する駆動機構とから構成され同様に後述する制御装置８からの指令信号により操作される。
【００１２】
スイッチ４は、例えば、半導体スイッチング素子とこの素子をオンオフするためのドライブ装置とから構成された高速スイッチで、同様に後述する制御装置８からの指令信号により操作される。交流負荷５は、無停電供給が必要とされる、例えば、コンピュータ装置や半導体製造装置等の重要負荷が相当する。
【００１３】
更に、交流負荷５には電力変換装置６を介して、蓄電装置としての電気二重層キャパシタ７が接続されている。電力変換装置６は、半導体スイッチング素子とこの素子をオンオフするためのドライブ装置とから構成され、交流／直流変換装置、即ち、３相の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとしての動作と直流／交流変換装置、即ち、直流電圧を３相の交流電圧に変換するインバータとしての動作との双方向電力変換が可能なもので、無停電電源装置としての動作は後述する制御装置８からの指令信号によってなされる。そして、電力変換装置６の交流側が交流負荷５に接続され、電力変換装置６の直流側が電気二重層キャパシタ７に接続されている。
【００１４】
制御装置８は、無停電電源装置としての制御動作を実行し、以上の非常用交流発電装置２、選択切換装置３、スイッチ４および電力変換装置６に指令信号を送出する（図では破線で示す）。なお、この無停電電源装置の制御には、商用交流電源１の電圧検出信号、非常用交流発電装置２の発電機Ｇの出力電圧が確立したときに立ち上がる発電確立信号、交流負荷５の電圧検出信号、更には、電力変換装置６の交流側および直流側の電流検出信号等が必要となり制御装置８に取り込まれるが、個々の図示はここでは省略している。
【００１５】
次に、図２に示すタイミングチャートをも参照して動作について詳細に説明する。
時刻ｔ１までの期間では、商用交流電源１が健全であり、選択切換装置３は、商用交流電源１側の固定電極を選択しており、商用交流電源１から選択切換装置３および閉状態のスイッチ４を経て交流負荷５に電力が供給されている。同期間、電力変換装置６はコンバータ動作で電気二重層キャパシタ７を充電している（健全充電モード）。この時点の充電電流βは、電気二重層キャパシタ７が本来の規定電圧までの満充電がなされた後その満充電状態を維持するため漏洩分を補給するためのいわゆるフローティング充電電流を指す。従って、このフローティング充電電流βは、満充電に至るまでの充電電流設定値αに比較して十分小さい値である（α≧β）。
【００１６】
次に、時刻ｔ１で商用交流電源１の電圧が所定の下限値未満に低下する停電状態となると、これを図１では図示を省略している不足電圧検出継電器で検出し、制御装置８は、直ちにスイッチ４を開とするとともに、電力変換装置６をインバータ動作に切り換え電気二重層キャパシタ７を電源として電力変換装置６から交流出力を交流負荷５に供給する。電気二重層キャパシタ７の放電動作となる（停電放電モード）。
なお、停電を判定する電圧下限値としては、例えば、コンピュータ装置等の電源電圧変動に敏感な負荷では、定格値の９０％程度の値に設定される。
【００１７】
時刻ｔ１の直後の時刻ｔ２になると、制御装置８は、非常用交流発電装置２側を選択するよう選択切換装置３を切り換えるとともに、非常用交流発電装置２を始動させる。これにより、非常用交流発電装置２の出力電圧が立ち上がる。
なお、制御装置８は、常に商用交流電源１の電圧位相を入力保持しており、電力変換装置６のインバータ動作を立ち上げるときは健全時の商用交流電源１の電圧位相とずれることなく電力変換装置６の交流出力電圧を立ち上げることが可能であり、交流負荷５へは連続した交流電圧が供給される。
【００１８】
非常用交流発電装置２が始動後その回転数が所定の定格値に達した時刻ｔ３になると、発電確立信号が立ち上がる。制御装置８は、この発電確立信号の立ち上がりを受けて、非常用交流発電装置２の出力電圧と交流負荷５の電圧との同期をとるよう原動機Ｐを調整する。
なお、発電確立信号が立ち上がるまでに商用交流電源１が復電し健全状態となった場合は、選択切換装置３を元の切り換え位置に戻しスイッチ４を閉として健全充電モードに復帰する。
【００１９】
同期が完了すると、時刻ｔ４でスイッチ４を投入して非常用交流発電装置２から交流負荷５に電力を供給する体制への移行を開始する。
従来の装置では、この時刻ｔ４で停電放電モードを打ち切り、直ちに、非常用交流発電装置２から交流負荷５へ交流電力を供給するとともに電力変換装置６を介して電気二重層キャパシタ７を充電する停電充電モードに移行していた。このため、既述したように、非常用交流発電装置２の出力電流が急峻に立ち上がる結果、出力電圧にサグが発生し交流負荷５への安定電力供給に支障が生じ得ることになった。
【００２０】
この発明では、図２に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて、交流負荷５に供給する電力変換装置６からの放電電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御を行う。例えば、傾きｄｉ／ｄｔ＝−ｋ（ｋは一定の正の定数）となる電流漸減制御を行う。この間、交流負荷５には一定の電流が流れようとするので、この電力変換装置６の電流漸減制御に伴って、図２に示すように、非常用交流発電装置２の出力電流は、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて、傾きｄｉ／ｄｔ＝１−ｋで漸増する。この結果、従来の出力電流が急峻に立ち上がる場合に比較して出力電圧の瞬時変動が抑制されサグの発生が防止されるわけである。
【００２１】
そして、電力変換装置６の電流漸減制御で電流が零になった後時刻ｔ５から停電充電モードの動作を開始する。即ち、非常用交流発電装置２から選択切換装置３およびスイッチ４を経て交流負荷５に交流電力を供給するとともに、電力変換装置６をコンバータとして動作させその直流出力で電気二重層キャパシタ７を充電する。
この場合、従来の装置では、電気二重層キャパシタ７を充電する電流の値としては、キャパシタ素子の耐量に支障のない範囲で極力短時間での満充電を実現するため決められた比較的大きな値である、健全充電モードにおける設定値αにより制御していた。
【００２２】
しかるに、この発明においては、この停電充電モードでは、上述の健全充電モードにおける充電電流設定値αより所定量小さい充電電流設定値γにより制御するようにしている。この停電充電モードでは、非常用交流発電装置２からの出力電流は、交流負荷５に供給する電流に電力変換装置６を経て電気二重層キャパシタ７に供給する電流を加算した値となるため、電気二重層キャパシタ７へ供給する電流（充電電流）がαからγに低減することでその分非常用交流発電装置２の出力電流も低減することになる。この結果、従来の場合に比較し、この停電充電モード立ち上げ時の非常用交流発電装置２の出力電圧の瞬時変動が抑制されサグの発生が防止され交流負荷５への安定電力供給が担保される。
充電電流設定値をαからγに低減することで満充電状態に達するまでの時間が長くなるが特に問題は生じず、やがて満充電に至りフローティング充電電流βまで低減する。
【００２３】
その後、商用交流電源１の異常が修復され、時刻ｔ６で商用交流電源１が復電すると、この復電を電圧検出結果から検知した制御装置８は、電力変換装置６をインバータ動作に切り換えるとともにスイッチ４を開とする。これにより、電気二重層キャパシタ７を電源として電力変換装置６から交流出力を交流負荷５に供給し、非常用交流発電装置２の出力電流は零となる。直ちに、選択切換装置３を商用交流電源１側に切り換え、時刻ｔ７でスイッチ４を投入すると元の健全充電モードが開始される。この場合は、本来の設定値αで充電が開始されるので、短時間に満充電に至る。
商用交流電源１の復電により、非常用交流発電装置２は所定のシーケンスで運転を停止し、再始動に備える態勢となる。
【００２４】
この発明による効果を以下のシミュレーション結果に基づき説明する。
なお、シミュレーションで設定した各機器の諸元は以下の通りである。
商用交流電源：６０Ｈｚ、２１０Ｖ、４００ｋＶＡ変圧器で受電。
非常用交流発電装置：６０Ｈｚ、２２０Ｖ、６０ｋＶＡ、１０秒即時始動形
電気二重層キャパシタ：６０Ｈｚ、２１０Ｖ、５０ｋＶＡ１５秒補償形
交流負荷：２１．２ｋＷ、抵抗形
【００２５】
図３（ａ）は、上述した本願発明を適用しない従来の無停電電源装置における、非常用交流発電装置２および電力変換装置６の出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。同波形は、図２では時刻ｔ３以降の部分が対応し、電力変換装置６の出力電圧に同期するよう非常用交流発電装置２の出力電圧を調整しているところである。両者の電圧が一致し、即ち、同期判定が成立し、図３（ａ）の時間軸３６ｍｓｅｃ付近でスイッチ４が投入されているが、非常用交流発電装置２の出力電圧波形が大きく乱れ、即座にスイッチ４が遮断動作を行い、再び同期を取る動作に戻っている。即ち、ハンチングの現象が生じていることが判る。
【００２６】
これに対し、図３（ｂ）は、この発明の実施の形態１による無停電電源装置における、非常用交流発電装置２および電力変換装置６の出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。時間軸３５ｍｓｅｃ付近で同様にスイッチ４が投入されている。しかし、ここでは電圧変動は僅かなレベルに留まっており、スイッチ４は投入状態を維持し、停電充電モードへの移行が円滑になされていることが判る。
【００２７】
以上のように、この発明の実施の形態１における無停電電源装置では、停電放電モードから停電充電モードへの移行時、停電放電モードにおいて電力変換装置６から交流負荷５へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後、停電充電モードの動作を開始するようにし、かつ、停電充電モードにおける充電電流設定値γを健全充電モードにおける充電電流設定値αに対して小さくしたので、このモード移行時に発生する非常用交流発電装置２の出力電圧の変動が効果的に抑制され、たとえ、非常用交流発電装置２の容量が交流負荷５の容量に対して十分ではなくても安定した運転特性を得ることが出来る。
【００２８】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、モード移行時の非常用交流発電装置２の出力電圧変動抑制策として、停電放電モードにおいて電力変換装置６から交流負荷５へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後、停電充電モードの動作を開始するという対策と、停電充電モードにおける充電電流設定値γを健全充電モードにおける充電電流設定値αに対して小さくするという対策の両者を採用した場合について説明した。しかし、実施の形態１とは効果の量的な差はあっても、上述のいずれか一方の対策のみを採用してもモード移行時の非常用交流発電装置２の出力電圧変動を抑制する効果は奏するものであり、先に提起した本願発明の課題を達成し得ると言える。
【００２９】
なお、以上の各実施の形態では、蓄電装置として電気二重層キャパシタを使用した場合について説明したが、他の種類の蓄電装置を使用しても本願発明は上述したと同様の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１における無停電電源装置の構成を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１における無停電電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１における無停電電源装置に基づく効果を説明するためシミュレーションによる従来の場合と比較した電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ 商用交流電源、２ 非常用交流発電装置、３ 選択切換装置、４ スイッチ、
５ 交流負荷、６ 電力変換装置、７ 電気二重層キャパシタ、８ 制御装置。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置と蓄電装置と非常用交流発電装置とを備え、商用交流電源の停電時にも交流負荷への交流電力の供給を可能とする無停電電源装置に係り、特に、その非常用交流発電装置の容量を大きくすることなく安定した動作特性が得られる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の無停電電源装置においては、商用交流電源が健全なときは、その商用交流電源から交流負荷に電力を供給するとともにその電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する（健全充電モード）。そして、商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したときは電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し蓄電装置を電源として交流負荷に電力を供給する（停電放電モード）。更に、商用交流電源の電圧の低下が所定の時間を越えて継続したときは非常用交流発電装置から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する（停電充電モード）。
以上により、たとえ、商用交流電源が停電しても、交流負荷へは連続して交流電力の供給を可能とする無停電電力供給が実現する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−６１２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この無停電電源装置で必要となる、非常用交流発電装置は発電機とその発電機を駆動する原動機とからその主回路が構成されるが、同装置は、例えば、経済性や設置スペース等との関係で、交流負荷の容量に対して必ずしも余裕のある容量のものを採用できない場合がある。
この場合、特に、上記停電放電モードから停電充電モードに移行して非常用交流発電装置から交流負荷への電力供給を開始すると、非常用交流発電装置の動作特性、交流負荷の負荷特性、更には、この開始するタイミングの電圧位相等により非常用交流発電装置の出力にサグ（瞬時電圧降下）が発生し得る。
【０００５】
非常用交流発電装置の出力にサグが発生すると、その電圧降下に無停電電源装置の制御系が反応して再び停電放電モードに戻り、場合によっては以上の動作を繰り返すハンチング現象に発展する可能性がある。この場合、交流負荷への供給電圧が不安定となり、コンピュータ装置や半導体製造装置等供給電圧の変動に鋭敏な負荷では、運転停止等の重大故障に至る恐れがある。
【０００６】
この発明は、以上のような従来の問題点を解消するためになされたもので、たとえ、非常用交流発電装置の容量が交流負荷の容量に対して余裕が少なくても安定した運転特性を発揮できる無停電電源装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係る無停電電源装置は、商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、商用交流電源が健全なときは商用交流電源から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する健全充電モードと、商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し蓄電装置を電源として交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、商用交流電源の電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき非常用交流発電装置から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう選択切換装置、スイッチ、および電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記制御装置は、停電放電モードから停電充電モードへの移行時、停電放電モードにおいて電力変換装置から交流負荷へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後電力変換装置により蓄電装置を充電する停電充電モードの動作を開始するようにしたものである。
【０００８】
また、第２の発明に係る無停電電源装置は、商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、商用交流電源が健全なときは商用交流電源から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する健全充電モードと、商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し蓄電装置を電源として交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、商用交流電源の電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき非常用交流発電装置から交流負荷に電力を供給するとともに電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう選択切換装置、スイッチ、および電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記健全充電モードにおける充電電流設定値に対して停電充電モードにおける充電電流設定値を小さくしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明にあっては、停電放電モードから停電充電モードへの移行時、停電放電モードにおいて電力変換装置から交流負荷へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後電力変換装置により蓄電装置を充電する停電充電モードの動作を開始するようにしたので、非常用交流発電装置の出力電流は、従来のように停電放電モードの終了と同時に立ち上がるのではなく、上記電流漸減制御に応じて漸増ししかる後停電充電モードに移行する。従って、非常用交流発電装置の出力開始時の電圧波形の変動が抑制され停電放電モードから停電充電モードへの移行が円滑になされる。
【００１０】
停電充電モードの動作開始で、非常用交流発電装置は交流負荷への電流に加えて蓄電装置を充電するための充電電流の供給を担うことになるが、第２の発明にあっては、健全充電モードにおける充電電流設定値に対して停電充電モードにおける充電電流設定値を小さくしたので、その分、非常用交流発電装置の出力電流が低減しそれに伴いその出力電圧波形の変動が抑制され停電放電モードから停電充電モードへの移行が円滑になされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における無停電電源装置の構成を示す回路図である。図において、主回路は、商用交流電源１と非常用交流発電装置２とのいずれかが選択切換装置３で選択され、スイッチ４を介して交流負荷５に接続される構成となっている。ここで、商用交流電源１は、３相の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用交流電源である。非常用交流発電装置２は、例えば、３相出力の回転発電機Ｇとこの回転発電機Ｇを回転駆動するディーゼルエンジン等の原動機Ｐとこれらを制御する制御装置から構成され、無停電電源装置としての動作は後述する制御装置８からの指令信号によってなされる。選択切換装置３は、固定電極と可動電極とこの可動電極を駆動する駆動機構とから構成され同様に後述する制御装置８からの指令信号により操作される。
【００１２】
スイッチ４は、例えば、半導体スイッチング素子とこの素子をオンオフするためのドライブ装置とから構成された高速スイッチで、同様に後述する制御装置８からの指令信号により操作される。交流負荷５は、無停電供給が必要とされる、例えば、コンピュータ装置や半導体製造装置等の重要負荷が相当する。
【００１３】
更に、交流負荷５には電力変換装置６を介して、蓄電装置としての電気二重層キャパシタ７が接続されている。電力変換装置６は、半導体スイッチング素子とこの素子をオンオフするためのドライブ装置とから構成され、交流／直流変換装置、即ち、３相の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとしての動作と直流／交流変換装置、即ち、直流電圧を３相の交流電圧に変換するインバータとしての動作との双方向電力変換が可能なもので、無停電電源装置としての動作は後述する制御装置８からの指令信号によってなされる。そして、電力変換装置６の交流側が交流負荷５に接続され、電力変換装置６の直流側が電気二重層キャパシタ７に接続されている。
【００１４】
制御装置８は、無停電電源装置としての制御動作を実行し、以上の非常用交流発電装置２、選択切換装置３、スイッチ４および電力変換装置６に指令信号を送出する（図では破線で示す）。なお、この無停電電源装置の制御には、商用交流電源１の電圧検出信号、非常用交流発電装置２の発電機Ｇの出力電圧が確立したときに立ち上がる発電確立信号、交流負荷５の電圧検出信号、更には、電力変換装置６の交流側および直流側の電流検出信号等が必要となり制御装置８に取り込まれるが、個々の図示はここでは省略している。
【００１５】
次に、図２に示すタイミングチャートをも参照して動作について詳細に説明する。
時刻ｔ１までの期間では、商用交流電源１が健全であり、選択切換装置３は、商用交流電源１側の固定電極を選択しており、商用交流電源１から選択切換装置３および閉状態のスイッチ４を経て交流負荷５に電力が供給されている。同期間、電力変換装置６はコンバータ動作で電気二重層キャパシタ７を充電している（健全充電モード）。この時点の充電電流βは、電気二重層キャパシタ７が本来の規定電圧までの満充電がなされた後その満充電状態を維持するため漏洩分を補給するためのいわゆるフローティング充電電流を指す。従って、このフローティング充電電流βは、満充電に至るまでの充電電流設定値αに比較して十分小さい値である（α≧β）。
【００１６】
次に、時刻ｔ１で商用交流電源１の電圧が所定の下限値未満に低下する停電状態となると、これを図１では図示を省略している不足電圧検出継電器で検出し、制御装置８は、直ちにスイッチ４を開とするとともに、電力変換装置６をインバータ動作に切り換え電気二重層キャパシタ７を電源として電力変換装置６から交流出力を交流負荷５に供給する。電気二重層キャパシタ７の放電動作となる（停電放電モード）。
なお、停電を判定する電圧下限値としては、例えば、コンピュータ装置等の電源電圧変動に敏感な負荷では、定格値の９０％程度の値に設定される。
【００１７】
時刻ｔ１の直後の時刻ｔ２になると、制御装置８は、非常用交流発電装置２側を選択するよう選択切換装置３を切り換えるとともに、非常用交流発電装置２を始動させる。これにより、非常用交流発電装置２の出力電圧が立ち上がる。
なお、制御装置８は、常に商用交流電源１の電圧位相を入力保持しており、電力変換装置６のインバータ動作を立ち上げるときは健全時の商用交流電源１の電圧位相とずれることなく電力変換装置６の交流出力電圧を立ち上げることが可能であり、交流負荷５へは連続した交流電圧が供給される。
【００１８】
非常用交流発電装置２が始動後その回転数が所定の定格値に達した時刻ｔ３になると、発電確立信号が立ち上がる。制御装置８は、この発電確立信号の立ち上がりを受けて、非常用交流発電装置２の出力電圧と交流負荷５の電圧との同期をとるよう原動機Ｐを調整する。
なお、発電確立信号が立ち上がるまでに商用交流電源１が復電し健全状態となった場合は、選択切換装置３を元の切り換え位置に戻しスイッチ４を閉として健全充電モードに復帰する。
【００１９】
同期が完了すると、時刻ｔ４でスイッチ４を投入して非常用交流発電装置２から交流負荷５に電力を供給する体制への移行を開始する。
従来の装置では、この時刻ｔ４で停電放電モードを打ち切り、直ちに、非常用交流発電装置２から交流負荷５へ交流電力を供給するとともに電力変換装置６を介して電気二重層キャパシタ７を充電する停電充電モードに移行していた。このため、既述したように、非常用交流発電装置２の出力電流が急峻に立ち上がる結果、出力電圧にサグが発生し交流負荷５への安定電力供給に支障が生じ得ることになった。
【００２０】
この発明では、図２に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて、交流負荷５に供給する電力変換装置６からの放電電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御を行う。例えば、傾きｄｉ／ｄｔ＝−ｋ（ｋは一定の正の定数）となる電流漸減制御を行う。この間、交流負荷５には一定の電流が流れようとするので、この電力変換装置６の電流漸減制御に伴って、図２に示すように、非常用交流発電装置２の出力電流は、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて、傾きｄｉ／ｄｔ＝１−ｋで漸増する。この結果、従来の出力電流が急峻に立ち上がる場合に比較して出力電圧の瞬時変動が抑制されサグの発生が防止されるわけである。
【００２１】
そして、電力変換装置６の電流漸減制御で電流が零になった後時刻ｔ５から停電充電モードの動作を開始する。即ち、非常用交流発電装置２から選択切換装置３およびスイッチ４を経て交流負荷５に交流電力を供給するとともに、電力変換装置６をコンバータとして動作させその直流出力で電気二重層キャパシタ７を充電する。
この場合、従来の装置では、電気二重層キャパシタ７を充電する電流の値としては、キャパシタ素子の耐量に支障のない範囲で極力短時間での満充電を実現するため決められた比較的大きな値である、健全充電モードにおける設定値αにより制御していた。
【００２２】
しかるに、この発明においては、この停電充電モードでは、上述の健全充電モードにおける充電電流設定値αより所定量小さい充電電流設定値γにより制御するようにしている。この停電充電モードでは、非常用交流発電装置２からの出力電流は、交流負荷５に供給する電流に電力変換装置６を経て電気二重層キャパシタ７に供給する電流を加算した値となるため、電気二重層キャパシタ７へ供給する電流（充電電流）がαからγに低減することでその分非常用交流発電装置２の出力電流も低減することになる。この結果、従来の場合に比較し、この停電充電モード立ち上げ時の非常用交流発電装置２の出力電圧の瞬時変動が抑制されサグの発生が防止され交流負荷５への安定電力供給が担保される。
充電電流設定値をαからγに低減することで満充電状態に達するまでの時間が長くなるが特に問題は生じず、やがて満充電に至りフローティング充電電流βまで低減する。
【００２３】
その後、商用交流電源１の異常が修復され、時刻ｔ６で商用交流電源１が復電すると、この復電を電圧検出結果から検知した制御装置８は、電力変換装置６をインバータ動作に切り換えるとともにスイッチ４を開とする。これにより、電気二重層キャパシタ７を電源として電力変換装置６から交流出力を交流負荷５に供給し、非常用交流発電装置２の出力電流は零となる。直ちに、選択切換装置３を商用交流電源１側に切り換え、時刻ｔ７でスイッチ４を投入すると元の健全充電モードが開始される。この場合は、本来の設定値αで充電が開始されるので、短時間に満充電に至る。
商用交流電源１の復電により、非常用交流発電装置２は所定のシーケンスで運転を停止し、再始動に備える態勢となる。
【００２４】
この発明による効果を以下のシミュレーション結果に基づき説明する。
なお、シミュレーションで設定した各機器の諸元は以下の通りである。
商用交流電源：６０Ｈｚ、２１０Ｖ、４００ｋＶＡ変圧器で受電。
非常用交流発電装置：６０Ｈｚ、２２０Ｖ、６０ｋＶＡ、１０秒即時始動形
電気二重層キャパシタ：６０Ｈｚ、２１０Ｖ、５０ｋＶＡ１５秒補償形
交流負荷：２１．２ｋＷ、抵抗形
【００２５】
図３（ａ）は、上述した本願発明を適用しない従来の無停電電源装置における、非常用交流発電装置２および電力変換装置６の出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。同波形は、図２では時刻ｔ３以降の部分が対応し、電力変換装置６の出力電圧に同期するよう非常用交流発電装置２の出力電圧を調整しているところである。両者の電圧が一致し、即ち、同期判定が成立し、図３（ａ）の時間軸３６ｍｓｅｃ付近でスイッチ４が投入されているが、非常用交流発電装置２の出力電圧波形が大きく乱れ、即座にスイッチ４が遮断動作を行い、再び同期を取る動作に戻っている。即ち、ハンチングの現象が生じていることが判る。
【００２６】
これに対し、図３（ｂ）は、この発明の実施の形態１による無停電電源装置における、非常用交流発電装置２および電力変換装置６の出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。時間軸３５ｍｓｅｃ付近で同様にスイッチ４が投入されている。しかし、ここでは電圧変動は僅かなレベルに留まっており、スイッチ４は投入状態を維持し、停電充電モードへの移行が円滑になされていることが判る。
【００２７】
以上のように、この発明の実施の形態１における無停電電源装置では、停電放電モードから停電充電モードへの移行時、停電放電モードにおいて電力変換装置６から交流負荷５へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後、停電充電モードの動作を開始するようにし、かつ、停電充電モードにおける充電電流設定値γを健全充電モードにおける充電電流設定値αに対して小さくしたので、このモード移行時に発生する非常用交流発電装置２の出力電圧の変動が効果的に抑制され、たとえ、非常用交流発電装置２の容量が交流負荷５の容量に対して十分ではなくても安定した運転特性を得ることが出来る。
【００２８】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、モード移行時の非常用交流発電装置２の出力電圧変動抑制策として、停電放電モードにおいて電力変換装置６から交流負荷５へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後、停電充電モードの動作を開始するという対策と、停電充電モードにおける充電電流設定値γを健全充電モードにおける充電電流設定値αに対して小さくするという対策の両者を採用した場合について説明した。しかし、実施の形態１とは効果の量的な差はあっても、上述のいずれか一方の対策のみを採用してもモード移行時の非常用交流発電装置２の出力電圧変動を抑制する効果は奏するものであり、先に提起した本願発明の課題を達成し得ると言える。
【００２９】
なお、以上の各実施の形態では、蓄電装置として電気二重層キャパシタを使用した場合について説明したが、他の種類の蓄電装置を使用しても本願発明は上述したと同様の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１における無停電電源装置の構成を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１における無停電電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１における無停電電源装置に基づく効果を説明するためシミュレーションによる従来の場合と比較した電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ 商用交流電源、２ 非常用交流発電装置、３ 選択切換装置、４ スイッチ、
５ 交流負荷、６ 電力変換装置、７ 電気二重層キャパシタ、８ 制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と上記交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が上記交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、上記商用交流電源が健全なときは上記商用交流電源から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する健全充電モードと、上記商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき上記電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し上記蓄電装置を電源として上記交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、上記商用交流電源の上記電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき上記非常用交流発電装置から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう上記選択切換装置、上記スイッチ、および上記電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記制御装置は、上記停電放電モードから上記停電充電モードへの移行時、上記停電放電モードにおいて上記電力変換装置から上記交流負荷へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後上記電力変換装置により上記蓄電装置を充電する上記停電充電モードの動作を開始するようにしたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
上記制御装置は、上記非常用交流発電装置の発電確立信号を取り込み、上記電流漸減制御は、上記発電確立信号が立ち上がった後動作させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
【請求項３】
商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と上記交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が上記交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、上記商用交流電源が健全なときは上記商用交流電源から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する健全充電モードと、上記商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき上記電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し上記蓄電装置を電源として上記交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、上記商用交流電源の上記電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき上記非常用交流発電装置から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう上記選択切換装置、上記スイッチ、および上記電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記健全充電モードにおける充電電流設定値に対して上記停電充電モードにおける充電電流設定値を小さくしたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項４】
上記蓄電装置は、電気二重層キャパシタで構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
【請求項１】
商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と上記交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が上記交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、上記商用交流電源が健全なときは上記商用交流電源から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する健全充電モードと、上記商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき上記電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し上記蓄電装置を電源として上記交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、上記商用交流電源の上記電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき上記非常用交流発電装置から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう上記選択切換装置、上記スイッチ、および上記電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記制御装置は、上記停電放電モードから上記停電充電モードへの移行時、上記停電放電モードにおいて上記電力変換装置から上記交流負荷へ供給していた電流を一旦零まで漸減させる電流漸減制御をした後上記電力変換装置により上記蓄電装置を充電する上記停電充電モードの動作を開始するようにしたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
上記制御装置は、上記非常用交流発電装置の発電確立信号を取り込み、上記電流漸減制御は、上記発電確立信号が立ち上がった後動作させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
【請求項３】
商用交流電源と非常用交流発電装置とのいずれかを選択して交流負荷と接続する選択切換装置と、この選択切換装置と上記交流負荷との間に挿入されたスイッチと、交流側が上記交流負荷に接続され直流側が蓄電装置に接続された電力変換装置と、上記商用交流電源が健全なときは上記商用交流電源から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する健全充電モードと、上記商用交流電源の電圧が所定の下限値未満に低下したとき上記電力変換装置を直流／交流変換装置として運転し上記蓄電装置を電源として上記交流負荷に電力を供給する停電放電モードと、上記商用交流電源の上記電圧の低下が所定の時間を越えて継続したとき上記非常用交流発電装置から上記交流負荷に電力を供給するとともに上記電力変換装置を交流／直流変換装置として運転しその直流出力により上記蓄電装置を充電する停電充電モードとの動作をするよう上記選択切換装置、上記スイッチ、および上記電力変換装置を制御する制御装置とを備えた無停電電源装置において、
上記健全充電モードにおける充電電流設定値に対して上記停電充電モードにおける充電電流設定値を小さくしたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項４】
上記蓄電装置は、電気二重層キャパシタで構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−６８５８９（Ｐ２０１０−６８５８９Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３１１１０（Ｐ２００８−２３１１１０）
【出願日】平成２０年９月９日（２００８．９．９）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【出願人】（３９００２２４６０）株式会社指月電機製作所 (99)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月９日（２００８．９．９）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【出願人】（３９００２２４６０）株式会社指月電機製作所 (99)
【Ｆターム（参考）】
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