(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源の電圧の低下異常を検出する異常電圧検出回路と、
前記商用電源健全時には導通状態になって前記商用電源から負荷に交流電力を供給し、商用電源異常時には遮断状態になる交流スイッチと、
蓄電池と、
前記交流スイッチと前記蓄電池との間に配置されて、商用電源健全時には前記商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により前記蓄電池を充電する順変換動作及び前記負荷に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として前記蓄電池を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、
前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電圧制御指令を出力する電圧制御系及び前記電圧制御指令に加算されて前記電力変換器に順変換動作及び前記アクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を出力する電流制御系を備えて、無停電で負荷に交流電力を供給するための制御指令を前記電力変換器に出力する制御指令発生手段と、
前記商用電源と同期した基準正弦波電圧を作成する基準電圧作成回路とを具備し、
前記電流制御系が、直流電圧指令により指令された直流指令電圧と前記電力変換器の直流側電圧との差電圧と前記基準電圧作成回路の出力との乗算値に基づいて入力電流指令値を求め、前記入力電流指令値から負荷電流値を減算した値に基づいて前記電流制御指令を出力するように構成され、
前記電流制御系は、更に前記異常電圧検出回路が前記電圧の低下異常を検出しているときには、前記入力電流指令値として前記交流スイッチを通る交流電流または該交流電流に相当する値を用いるように構成されていることを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
商用電源の電圧の低下異常を検出する異常電圧検出回路と、
前記商用電源健全時には導通状態になって前記商用電源から負荷に交流電力を供給し、商用電源異常時には遮断状態になる交流スイッチと、
蓄電池と、
前記交流スイッチと前記蓄電池との間に配置されて、商用電源健全時には前記商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により前記蓄電池を充電する順変換動作及び前記負荷に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として前記蓄電池を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、
前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電圧制御指令を出力する電圧制御系及び前記電圧制御指令に加算されて前記電力変換器に順変換動作及び前記アクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を出力する電流制御系を備えて、無停電で負荷に交流電力を供給するための制御指令を前記電力変換器に出力する制御指令発生手段と、
前記商用電源と同期した基準正弦波電圧を作成する基準電圧作成回路とを具備し、
前記制御指令発生手段が前記電流制御指令と前記電圧制御指令とを加算して前記電力変換器に出力するように構成され、
前記電流制御系が、前記基準電圧作成回路の出力と負荷電流値とから前記負荷に供給する瞬時の有効電力に相当する瞬時負荷側有効電力値を求め、前記瞬時負荷側有効電力値から交流成分を除去することによって入力電流が正弦波となるような瞬時入力側有効電力指令値を求め、前記瞬時入力側有効電力指令値から前記瞬時負荷側有効電力値を減算した値に基づいて前記電流制御指令を出力するように構成され、
前記電流制御系は、更に前記異常電圧検出回路が前記電圧の低下異常を検出しているときには、前記瞬時入力側有効電力指令値として前記基準電圧作成回路の出力と前記交流スイッチを通る交流電流の値とから求めた瞬時有効電力値を用いるように構成されていることを特徴とする無停電電源装置。
【請求項３】
前記商用電源の停電を検出する停電検出回路と、
前記電力変換器と前記蓄電池との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータとを更に具備し、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記停電検出回路が前記商用電源の停電を検出している間、前記蓄電池から前記電力変換器に直流電力を供給するように構成されている請求項２に記載の無停電電源装置。
【請求項４】
前記電力変換器は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電池に並列接続されたコンデンサを含んでおり、
前記異常電圧検出回路が前記商用電源の電圧の低下を検出してから前記停電検出回路が前記商用電源の停電を検出するまでの間は、前記電力変換器は前記コンデンサを電源として前記負荷に前記交流電流を供給する請求項３に記載の無停電電源装置。
【請求項５】
前記電流制御系は、前記商用電源健全時には、前記交流スイッチを通る交流電流と前記乗算値との差を定数倍した値と前記交流スイッチを通る交流電流との加算値を前記入力電流指令値として出力するように構成されている請求項２に記載の無停電電源装置。
【請求項６】
前記停電検出回路は、前記コンデンサの端子電圧が予め定めた電圧以下になったときに前記商用電源の停電を検出するように構成されている請求項４に記載の無停電電源装置。
【請求項７】
商用電源の電圧の低下異常を検出する異常電圧検出回路と、
前記商用電源健全時には導通状態になって前記商用電源から負荷に交流電力を供給し、商用電源異常時には遮断状態になる交流スイッチと、
蓄電池と、
前記交流スイッチと前記蓄電池との間に配置されて、商用電源健全時には前記商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により前記蓄電池を充電する順変換動作及び前記負荷に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として前記蓄電池を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、
前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電圧制御指令を出力する電圧制御系及び前記電圧制御指令に加算されて前記電力変換器に順変換動作及び前記アクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を出力する電流制御系を備えて、無停電で負荷に交流電力を供給するための制御指令を前記電力変換器に出力する制御指令発生手段と、
前記商用電源と同期した基準正弦波電圧を作成する基準電圧作成回路と、
前記商用電源の停電を検出する停電検出回路と、
前記電力変換器と前記蓄電池との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータとを具備し、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記停電検出回路が前記商用電源の停電を検出している間、前記蓄電池から前記電力変換器に直流電力を供給するように構成され、
前記電力変換器は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電池に並列接続されたコンデンサを含んでおり、
前記異常電圧検出回路が前記商用電源の電圧の低下を検出してから前記停電検出回路が前記商用電源の停電を検出するまでの間は、前記電力変換器は前記コンデンサを電源として前記負荷に前記交流電流を供給することを特徴とする無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源健全時には交流スイッチを介して負荷へ給電を行い、商用電源に停電が発生したときには交流スイッチを遮断して、予め蓄電池に貯えておいた直流電力を電力変換器により交流電力に変換して負荷に給電する常時商用給電方式による無停電電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平８−５１７３５号公報や、特開平９-５６０８７号公報や、特開平１０−１４２５１号公報等には、電流制御指令と電圧制御指令とを加算した指令をアクティブフィルタ機能付き電力変換器のＰＷＭコンパレータに入力して、アクティブフィルタ機能付き電力変換器のゲート信号を作成する無停電電源装置の制御回路が示されている。従来の制御回路では、商用電源で電圧の低下が発生したときでも、停電検出回路が商用電源の停電を検出するまでは、商用電源が健全なものとして電流制御指令を出力している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのため従来の無停電電源装置では、商用電源で電圧異常（電圧の低下）が発生したときにも、停電状態になるまでは異常が発生していないことを前提する電流制御指令が入力されるため、電力変換器から商用電源側に流れでようとする電流によって、負荷に供給される出力電圧に大きな歪みが発生する問題があった。
【０００４】
また従来の無停電電源装置には、電力変換器と蓄電池との間にＤＣ／ＤＣコンバータを備えたものもある。しかし従来は、商用電源で電圧異常が発生したときに、ＤＣ／ＤＣコンバータが頻繁に動作して蓄電池から電力変換器側に直流電力を供給する動作を行うため、蓄電池の寿命が短くなる問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、出力電圧の歪みを従来よりも小さくすることができる無停電電源装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、蓄電池の寿命を延ばすことができる無停電電源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の無停電電源装置は、商用電源の電圧の低下異常を検出する異常電圧検出回路と、商用電源健全時には導通状態になって商用電源から負荷に交流電力を供給し、商用電源異常時には遮断状態になる交流スイッチと、蓄電池と、交流スイッチと蓄電池との間に配置されて、商用電源健全時には商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により蓄電池を充電する順変換動作及び負荷に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として蓄電池を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令を出力する電圧制御系及び電圧制御指令に加算されて電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を出力する電流制御系を備えて、無停電で負荷に交流電力を供給するための制御指令を電力変換器に出力する制御指令発生手段と、商用電源と同期した基準正弦波電圧を作成する基準電圧作成回路とを具備する。
【０００８】
制御指令発生手段は、電流制御指令と電圧制御指令とを加算して電力変換器に出力するように構成されている。そして電流制御系は、直流電圧指令により指令された直流指令電圧と電力変換器の直流側電圧との差電圧と基準電圧作成回路の出力との乗算値に基づいて入力電流指令値を求め、入力電流指令値から負荷電流値を減算した値に基づいて電流制御指令を出力するように構成されている。また更に電流制御系は、異常電圧検出回路が電圧の低下異常を検出しているときには、入力電流指令値として交流スイッチを通る交流電流または該交流電流に相当する値を用いるように構成されている。入力電流指令値から負荷に流れる負荷電流値を差し引いた値は、電力変換器を流れる電流を示す指令値となり、この指令値から電力変換器の交流側に流れ込む電流値を差し引いた値が電力変換器の電流指令の補正値即ち電流制御指令となる。ここで交流電流に相当する値とは、所定の関係で交流電流に比例した値である。電圧の低下異常が発生した場合には、電圧の低下と共に交流スイッチを通る交流電流はゼロに向かって徐々に低下する。そのため、この交流電流または該交流電流に相当する値を入力電流指令値として用いると、電圧の低下とともに電流制御指令が小さくなり、出力電圧の歪みを従来よりも小さくすることができる。
【０００９】
なお電流制御系を、商用電源健全時には、交流スイッチを通る交流電流と乗算値との差を定数倍した値と交流スイッチを通る交流電流との加算値を入力電流指令値として出力するように構成してもよい。このようにすると出力をより正弦波に近づけることができる。
【００１０】
電流制御系でＰＱ演算を用いる場合には、電流制御系を基準電圧作成回路の出力と負荷電流値とから負荷に供給する瞬時の有効電力に相当する瞬時負荷側有効電力値を求め、この瞬時負荷側有効電力値から交流成分を除去することによって入力電流が正弦波となるような瞬時入力側有効電力指令値を求め、瞬時入力側有効電力指令値から瞬時負荷側有効電力値を減算した値に基づいて電流制御指令を出力するように構成する。そして更に、電流制御系を異常電圧検出回路が電圧の低下異常を検出しているときには、瞬時入力側有効電力指令値として基準電圧作成回路の出力と交流スイッチを通る交流電流の値とから求めた瞬時有効電力値を用いるように構成する。ＰＱ演算を用いる場合にも、電圧の低下異常を検出しているときに、瞬時入力側有効電力指令値として基準電圧作成回路の出力と交流スイッチを通る交流電流の値とから求めた瞬時有効電力値を用いると、この場合にも電圧の低下とともに電流制御指令が小さくなり、出力電圧の歪みを従来よりも小さくすることができる。
【００１１】
また本発明では、商用電源の停電を検出する停電検出回路と、電力変換器と蓄電池との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータとを更に具備してもよい。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは、停電検出回路が商用電源の停電を検出している間、蓄電池から電力変換器に直流電力を供給するように構成する。このようにすれば、蓄電池の無駄な放電を防止して、蓄電池の寿命を延ばすことができる。なおこの場合には、電力変換器がＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電池に並列接続されたコンデンサを含んでいれば、異常電圧検出回路が商用電源の電圧の低下を検出してから停電検出回路が商用電源の停電を検出するまでの間は、電力変換器がコンデンサを電源として負荷に交流電流を供給するようにすればよい。このようにすれば、蓄電池の代わりにこのコンデンサを放電することにより、負荷に交流電力を供給することができる。なおコンデンサは充放電を繰り返しても、蓄電池を頻繁に放電する場合と比べて、早期に寿命に到ることはないので、特に支障は生じない。停電検出回路の構成は任意である。例えば、商用電源の出力の平均値が予め定めた値以下になっている時間が予め定めた時間以上になったときを停電と判定してもよい。また停電検出回路を、コンデンサの端子電圧が予め定めた電圧以下になったときに商用電源の停電を検出するように構成してもよい。前者の場合には、予め定めた時間をコンデンサが予め定めた電圧以下になるまでの時間よりも短く設定する。後者の場合であれば、コンデンサを過放電させることなく、コンデンサの放電から蓄電池の放電へとスムーズに切り換えることができる。なおこの技術的思想は、単独でも使用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は本発明の無停電電源装置の実施の形態の一例の構成を概略的に示すブロック回路図である。商用電源ＡＣは三相交流であるが、図１には単相分即ち一相分の結線と制御系だけを図示してある。図１において、交流スイッチＳＷ、電圧制御型の電力変換器１及びＤＣ／ＤＣ変換器２、蓄電池３は基本的に従来のものと同じである。商用電源ＡＣと電力変換器１との間に配置された交流スイッチＳＷは、一相分に対応するものであり、逆並列接続された２つのサイリスタＴｈ１及びＴｈ２を備えている。交流スイッチＳＷの回路の入力部と中性点との間には、コンデンサＣ０が配置されている。商用電源ＡＣが健全な状態であれば、負荷Ｌには交流スイッチＳＷを介して商用電源ＡＣから交流電力が供給される。したがって交流スイッチＳＷは、商用電源が健全な状態にあるときに導通状態になって商用電源ＡＣから負荷Ｌに交流電力を供給し、商用電源ＡＣが完全な停電状態になると遮断状態になって商用電源ＡＣから負荷Ｌへの交流電力の供給を停止する。この例においては、交流スイッチＳＷのサイリスタＴｈ１及びＴｈ２に対して特別な強制消弧回路を設けていないが、後に詳しく説明するように、商用電源ＡＣに異常が発生すると、電力変換器１から供給される電流によって、サイリスタＴｈ１及びＴｈ２は消弧する。
【００１３】
また電圧制御型の電力変換器１は、商用電源ＡＣが健全なときには、商用電源ＡＣからの交流電力を直流電力に変換して、ＤＣ／ＤＣ変換器２を介して蓄電池３を充電する順変換動作を行うとともに、負荷Ｌに流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行う。また電力変換器１は、主として停電検出回路１５が停電を検出している期間、蓄電池３を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷Ｌに交流電力を供給する逆変換動作を行う。この電力変換器１は、交流側端子部と中性点との間にコンデンサＣ１を備え、また交流端子部と電力変換コンバータＰＣＶの交流端子との間に直列に配置されたリアクトルＬを備え、さらに電力変換コンバータＰＣＶの直流端子と中性点との間にはコンデンサＣ２を備えている。なおこのコンデンサＣ２は、ＤＣ／ＤＣ変換器２を介して蓄電池３に並列接続されていると見ることもできる。電圧制御型の電力変換器１のより具体的な構成及び動作に関しては、特開平９−５６０８７号公報等の公知文献に詳細に説明されている。
【００１４】
交流スイッチＳＷの入力側の交流ラインには、商用電源ＡＣから供給される交流電圧を検出する計器用変圧器Ｔ１が配置されており、また電力変換器１の交流端子部側の交流ラインにはこの交流ラインの交流電圧を検出する計器用変圧器Ｔ２が配置されており、更に電力変換器１の直流端子部側の直流ラインにはこの直流ラインの直流電圧を検出する計器用変圧器Ｔ３が配置されている。また負荷Ｌへ交流電力を供給する交流ラインには、負荷電流を測定する変流器ＣＴ１が配置され、交流スイッチの負荷側の交流ラインには交流電流を測定する変流器ＣＴ２が配置され、電力変換器１の内部のコンデンサＣ１とリアクトルＬとの接続点とリアクトルＬとの間には、電力変換器１を流れる交流電流を測定する変流器ＣＴ３が配置されている。
【００１５】
制御指令発生手段１０は、電流制御系１１と、電圧制御系１２と、商用電源ＡＣから出力される交流電圧に同期して基準正弦波を出力する基準電圧作成回路１３と、商用電源ＡＣの電圧の低下異常を検出する異常電圧検出回路１４と、商用電源ＡＣの停電を検出する停電検出回路１５とを備えている。異常電圧検出回路１４は、所定のバンド幅を形成するようにオフセット電圧を異ならせた２種類の基準交流電圧信号を作り、商用電源ＡＣからの交流電圧Ｖｉｎがこの２種類の基準交流電圧信号間のバンド幅を超えたまたは外れている期間だけ、商用電源ＡＣの出力電圧に電圧の低下異常が発生していることを示す電圧異常検出信号を出力するように構成されている。なおこのような機能を果す異常電圧検出回路１４の構成は、公知であるため構成の詳細は省略する。また停電検出回路１５は、商用電源ＡＣの出力を整流して平均値電圧を求め、この平均値電圧が予め定めた停電判定基準電圧値以下になっている時間が予め定めた時間以上になると、商用電源ＡＣで停電が発生したと判定して停電検出信号を出力するように構成されている。図１においては、１６は電圧制御型の電力変換器１をＰＷＭ制御するPWM制御信号を出力するＰＷＭ回路である。
【００１６】
電流制御系１１は、直流電圧制御回路１１Ａと電流制御回路１１Ｂとから構成されている。電流制御系１１の一例の詳細は図２に示す通りである。直流電圧制御回路１１Ａは、任意に外部から与えられる直流電圧指令により指令された直流指令電圧Ｖｄｃと計器用変圧器Ｔ３により検出した電力変換器１の直流側電圧Ｖｄｃ´との差電圧を求め、この差電圧を定数倍（ｋdc）して出力する。図２の例では、停電検出回路１５が商用電源ＡＣの停電を検出している期間だけオフ状態となるスイッチ回路ＳＷ２が含まれている。なおこのスイッチ回路ＳＷ２は、必ずしも設ける必要がなく、このスイッチ回路ＳＷ２を設けない場合には、停電検出回路１５の出力を直流電圧制御回路１１Ａに入力する必要はない。
【００１７】
電流制御回路１１Ｂは、直流電圧制御回路１１Ａの出力（前述の差電圧の定数倍値）と基準電圧作成回路１３の出力との乗算値に基づいて電力変換器１の入力電流に相当する入力電流指令値Ｉｏを求める。そして電流制御回路１１Ｂは、商用電源ＡＣが健全な状態にあるときには、内蔵するスイッチ回路ＳＷ１が切り換わらずに、この入力電流指令値Ｉｏから、変流器ＣＴ１により検出した負荷Ｌに流れる負荷電流値Ｉoutと変流器ＣＴｓにより検出した電力変換器１に交流側から流れ込む電流値Icnvとを差し引いた値（Ｉｏ−Ｉout−Icnv）を電流制御指令として出力する。電圧制御型の電力変換器１を制御する場合には、後述する電圧制御回路１２から出力される電圧制御指令に電流制御指令が加え合わされた制御指令が、ＰＷＭ回路１６に入力される。なお商用電源ＡＣの電圧が正常な状態では、電圧制御信号は電流制御信号よりも小さい。したがって電力変換器１は、順変換動作とアクティブフィルタ動作とを行う。
【００１８】
商用電源ＡＣの電圧に電圧の低下異常が発生したことを異常電圧検出回路１４が検出して電圧異常検出信号が出力されると、その検出信号が出力されている期間だけ、スイッチ回路ＳＷ１が切り換わって、入力電流指令値Ｉｏの代わりに、交流スイッチＳＷを通る交流電流すなわち変流器ＣＴ２で検出した入力電流Ｉinを入力電流指令値として用いる。したがって電圧の低下異常が発生しているときには、Iin−Ｉout−Ｉcnvが電流制御指令として出力される。このようにすると、商用電源側で電圧の低下異常が発生したときにも入力電流指令値として交流スイッチＳＷを通る交流電流Ｉinが供給されるため、電流制御指令は、電圧の低下に伴って徐々に小さくなる。具体的には、このときの電流制御指令は、電力変換器１から負荷Ｌ側に供給される電流値に相当する。その結果、電圧の低下に伴う交流電流Ｉinの低下に従って電力変換器１の出力はこれを補うように変化する。したがってこの例によれば、電圧の低下異常が発生したときの電圧の歪みが、従来よりも小さくなる。交流電流Ｉinがゼロになって、サイリスタがオフとなる。その後は、電力変換器１のＰＷＭ回路１６には、電圧制御指令だけが入力され、電力変換器１は逆変換動作を開始する。このときはまだ商用電源ＡＣが停電にいたっていないため、電力変換器１内のコンデンサＣ２が電源となって（コンデンサＣ２が放電して）、負荷に交流電力が供給される。その結果、電力変換器１内を流れる電流Ｉcnvはそれまでとは逆方向に流れるようになるが、負荷電流Ioutは変わらない。
【００１９】
電圧の低下から停電に到ると、最終的に交流スイッチＳＷを通って負荷Ｌに供給される交流電流がゼロになるため、自然と電流制御指令はゼロになる。この間、電力変換器１は、基本的にコンデンサＣ２を電源とする逆変換器即ちインバータとして動作している。停電を検出すると、停電検出回路１５の出力でスイッチ回路ＳＷ２がオフ状態になり、かりに異常電圧検出回路１４が誤動作または誤検出をしていても、電流制御指令はゼロになる。
【００２０】
停電検出回路１５が停電状態を検出すると、ＤＣ／ＤＣ変換器２は蓄電池３を放電するための変換動作を開始する。ＤＣ／ＤＣ変換器２は、停電検出回路１５から停電検出信号が入力されている間は、蓄電池３に蓄積された直流電力に基づいて電力変換器１に一定の直流電圧を供給するように昇圧動作をする。ＤＣ／ＤＣ変換器２は、停電検出信号が入力されるまでは、蓄電池３の充電電圧を一定電圧にするような充電動作を行うが、蓄電池３を放電する放電動作は行わない。その結果、以後は電力変換器１は蓄電池３を電源としてインバータ動作を行い、負荷Ｌへは無停電で給電が行われる。なおコンデンサＣ２が過放電状態になる前に（具体的には半サイクル経過する程度の時間内で）、停電を検出するように停電検出回路１５が構成されている。
【００２１】
電圧制御系１２は、基準電圧作成回路１３から出力される基準正弦波電圧信号と、電力変換器１の交流端子側の交流電圧を検出する計器用変圧器Ｔ２が検出した交流電圧とを入力として、電力変換器１に逆変換動作（直流電力を交流電力に変換する動作）を行わせるための電圧制御指令を出力する。なおこの電圧制御系１２から出力される電圧制御指令は、商用電源ＡＣが健全なときには、前述の電流制御指令よりも小さい値であるため、電力変換器がこの電圧制御指令によって逆変換動作をすることはない。前述のように異常電圧検出回路１４が、電圧の低下異常を検出し、交流電源ＡＣの電圧が異常低下して行く過程において、電圧制御指令が電流制御指令よりも大きくなると、電力変換器１は積極的に逆変換動作を開始する。
【００２２】
基準電圧作成回路１３は、商用電源ＡＣが正常なときに取り込んだ商用電源の交流電圧の位相情報に基づいて、商用電源ＡＣから出力されていた交流電圧と位相が一致した基準正弦波電圧信号を作成して電流制御系１１及び電圧制御系１２に出力する。
【００２３】
この例では、停電検出回路１５が停電（一相の欠相を含む）を検出すると、停電の発生を検出している間、停電検出回路１５は停電検出信号を電流制御系１１とＤＣ／ＤＣ変換器２とに出力する。
【００２４】
本実施の形態の制御指令発生手段１０では、電圧制御系１２から出力される電圧制御指令と電流制御系１１から出力される電流制御指令とを加え合わせ点ＳＰ１で加算して電力変換器１に出力するように構成してある。このように制御指令発生手段１０を構成すると、切替スイッチを用いることなく、制御指令発生手段１０は電圧制御指令と電流制御指令とを瞬時に切り替えて電力変換器１に出力する。
【００２５】
次にこの例において、停電が発生したときに、交流スイッチＳＷが遮断状態になるときの動作を図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。まず電力変換器１は、電圧制御型電力変換器であるため、電圧源と見ることができる。そのため商用電源ＡＣと電力変換器１とは、負荷から見るとリアクトルＬ（図１）と交流スイッチＳＷのサイリスタＴｈ１及びＴｈ２とを介して並列運転していると考えることができる。電力変換器１は、商用電源ＡＣが健全であるときには、アクティブフィルタとして動作し、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、電力変換器１には正弦波状の入力電流ｉが流れている。そして図３（Ｂ）に破線で示すように商用電源ＡＣで瞬時電圧低下等の電圧低下が発生して商用電源ＡＣの出力電圧Ｖｓと電力変換器１を電圧源とみなしたときの出力電圧Ｖｃとの間に電圧差が発生したときには、電力変換器１側から交流スイッチＳＷを通って電源側に交流電流ｉccが流れようとする。この例では、この交流電流ｉccを流そうとする電位差がサイリスタＴｈ１及びＴｈ２に逆バイアスとなって印加されて、サイリスタＴｈ１及びＴｈ２は高速で遮断する。そしてこの例では、実際に交流電源ＡＣで停電や瞬時電圧低下が発生しなければ電流ｉccは流れようとしない。言い換えると、交流電源ＡＣ側の電圧の低下に依存してサイリスタＴｈ１及びＴｈ２が消弧されるため、従来のようにノイズによって誤動作することがない。
【００２６】
電圧波形が一部欠けるような半サイクル以下の瞬時電圧低下が発生したときには、サイリスタＴｈ１及びＴｈ２が消弧されて、電力変換器１の直流端子側の直流電圧が低下する。しかし次の半サイクル後に電圧波形が元に戻ると、交流スイッチＳＷは導通状態になって通常の運転に戻る。
【００２７】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、商用電源ＡＣの入力のうちＵ相に半サイクル以下の瞬時電圧低下が発生したときの、図１及び図２の実施の形態における入力電圧及び電流、負荷への出力電圧及び電流、電力変換器１の直流電圧Ｖdcをそれぞれ示している。本実施の形態によれば、比較的短い時間の電圧低下が発生した場合でも、アクティブフィルタ動作といわゆるインバータ動作との切り替え、即ち電流制御指令による制御と電圧制御指令による制御との切り替えがスムーズに行われ、無瞬断での切り替えが可能になる。なおこの例では、電圧低下が半サイクル以下であり、しかも電圧低下の程度が少ないため、蓄電池３からの放電は行われずコンデンサＣ２からの放電だけで負荷Ｌに無停電で交流電力を供給している。
【００２８】
これに対して図５は、Ｕ相において短絡が発生した場合における、入力電圧及び電流、負荷への出力電圧及び電流、電力変換器１の直流電圧Ｖdcをそれぞれ示している。この例のようにＵ相で短絡が発生すると、Ｕ相の入力電流は急激に０になり、交流スイッチＳＷのサイリスタは遮断する。しかし制御指令発生手段１０が電流制御指令から電圧制御指令にスムーズに切り替えが行なわれるため、Ｕ相の出力電圧は多少落ち込んでいるが、無瞬断で切り替えができるために負荷には影響がない。その他の相はサイリスタが遮断状態にはならないため，最大でも半波の期間だけは電流が流れ続ける。しかし過渡状態を考慮した制御系であるため、出力電圧に歪みはない。同様に、停電回復時にも入力電流は徐々に増加しているが、負荷への影響はない。直流電圧は、停電が発生した後に徐々に低下し、その後徐々に上昇している。そして低下から上昇に切り替わるポイント（切り替え点）で、停電検出回路１５が停電と判断して，ＤＣ／ＤＣ変換器２が蓄電池３から電力変換器１に直流電力の供給を開始する。その結果、それ以後商用電源ＡＣが健全な状態に復帰するまでは電力変換装置１は、蓄電池３を電源とするインバータとなって負荷にＵ相の交流電力を供給する。
【００２９】
上記の実施の形態によれば、常時商用給電方式の無停電電源装置において、商用電源停電時に商用給電のモードから蓄電池からの給電モードへ切り替わる際の出力電圧を無瞬断で切り替えることができ、あらゆる負荷に対応することができる。
【００３０】
図６は、図１の実施の形態において用いることができる制御指令発生手段１０の変形例の構成を示すブロックである。この例では、電流制御系１１の電流制御回路１１Ｂを、商用電源健全時には、交流スイッチＳＷを通る交流電流Ｉinと乗算値Ｉｏとの差を定数倍（ｋ2）した値と交流スイッチＳＷを通る交流電流Ｉinとの加算値を入力電流指令値として出力するように構成している。この例では、異常電圧検出回路１４が電圧の低下異常を検出するとスイッチＳＷ１をオフ状態（開状態）にする。その結果、電源電圧が低下異常状態になっているときには、図２の電流制御系１１と同様に、入力電流相当電流指令値として交流スイッチＳＷを通る交流電流Ｉinが用いられる。このようにすると負荷への出力をより正弦波に近づけることができる。
【００３１】
上記例では、停電検出回路１５として、平均電圧を検出して停電を検出する構造のものを採用したが、他の停電検出回路を用いることもできる。例えば、電力変換器１のコンデンサＣ２の電圧を測定し、この電圧が予め定めた値より小さくなったときに停電が発生したと判定する停電検出回路を用いてもよい。
【００３２】
図７は、電流制御系１１における演算をＰＱ演算により実施する本発明の他の実施の形態の構成を示すブロックである。図７において、図１に示した実施の形態と同様の構成要素には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この実施の形態では、電流制御回路１１Ｂは、第１乃至第３の３相−２相変換器１１Ｃ〜１１Ｅと，第１及び第２のｐｑ演算器１１Ｆ及び１１Ｇと、ローパスフィルタ１１Ｈと、スイッチ回路１１Ｉと、逆ｐｑ演算器１１Ｊと、２相−３相変換器１１Ｋとを備えている。直流電圧制御回路１１Ａの構成は図２に示した先の実施の形態と同じである。
【００３３】
この例では、基準電圧作成回路１３から出力された基準正弦波電圧信号が３相−２相変換器１１Ｃにより２相に変換され、変流器ＣＴ１の三相出力が３相−２相変換器１１Ｄにより２相に変換され、変流器ＣＴ３の三相出力が３相−２相変換器１１Ｅにより２相に変換されている。そしてこれら３相−２相変換器の出力が、第１及び第２のｐｑ演算器１１Ｆ及び１１Ｇに入力される。第１のｐｑ演算器１１Ｆは負荷側の瞬時有効電力（瞬時負荷側有効電力）及び瞬時虚電力を演算し、第２のｐｑ演算器１１Ｇは商用電源側の瞬時有効電力及び瞬時虚電力を演算する。第１及び第２のｐｑ演算器１１Ｆ及び１１Ｇのｐ１及びｐ２出力からは、瞬時有効電力が出力される。第１のｐｑ演算器１１Ｆのｐ１出力からの瞬時負荷側有効電力は、ローパスフィルタ１１Ｈに入力されて直流成分が除去され、スイッチ回路１１Ｉの一方の接続端子（図面上“正”と表記されている端子）に入力電流が正弦波となるような瞬時入力側有効電力指令値として供給される。また第２のｐｑ演算器１１Ｇのｐ２出力からの電源側の瞬時有効電力は、スイッチ回路１１Ｉの他方の接続端子（図面上“異”と表記されている端子）に供給される。スイッチ回路１１Ｉは、異常電圧検出回路１４が電圧の低下異常を検出して異常電圧検出信号を出力すると、スイッチ接触子を“正”の端子位置から“異”の端子位置へと切り換える。
【００３４】
商用電源ＡＣの電圧が正常な場合には、スイッチ接触子が“正”の端子位置にある。このときにはローパスフィルタ１１Ｈで直流成分が除去され、この直流成分が除去された瞬時負荷側有効電力が瞬時入力側有効電力指令値として差し引き点ＳＰ４に入力される。差し引き点ＳＰ４ではこの瞬時入力側有効電力指令値から瞬時負荷側有効電力値が減算され、この減算値に基づいて電流制御指令が作られる。
【００３５】
商用電源ＡＣの電圧が低下して電圧低下異常が発生すると、スイッチ回路１１Ｉのスイッチ接触子が“正”の端子位置から“異”の端子位置へと切り換わり、
第２の演算器１１Ｇのｐ２出力から出力された電源側の瞬時有効電力即ち基準電圧作成回路１３の出力と交流スイッチＳＷを通る交流電流の値とから求めた瞬時有効電力値が、スイッチ回路１１Ｉを通して入力電流指令値として差し引き点ＳＰ４に入力される。このように商用電源ＡＣで電圧の低下異常が発生したときに、この電圧の低下に伴って低下する電源側の瞬時有効電力を瞬時入力側有効電力指令値として用いれば、図１の実施の形態と同様に、電圧の低下とともに電流制御指令が小さくなり、出力電圧の歪みを従来よりも小さくすることができる。
【００３６】
差し引き点ＳＰ４の出力は加え合わせ点ＳＰ５に入力され、この加え合わせ点ＳＰ５にはスイッチ回路ＳＷ２の出力が入力されている。このスイッチ回路ＳＷ２には、差し引き点ＳＰ７で求めた直流指令電圧Ｖrefと測定した直流側電圧Ｖdc´の差分をｋdc倍した信号が入力される。この信号は、停電検出回路１５が停電を検出してスイッチ回路ＳＷ２がオフ状態になると、差し引き点ＳＰ５に加えられなくなる。その結果、誤動作が防止される。
【００３７】
停電が発生するまでは、スイッチ回路ＳＷ２がオン状態にあるため、瞬時有効電力の差分に直流側で必要とされる電力分ｋdc・（Ｖdc−Ｖdc´）が加え合わせ点ＳＰ５で加算されたものが、逆ｐｑ演算器１１Ｊのｐｘ入力に入力される。その結果、蓄電池３の充電動作が許容される。これに対して停電を検出すると、スイッチ回路ＳＷ２がオフ状態になり、負荷側瞬時有効電力値と瞬時入力側有効電力指令値との差分だけが逆ｐｑ演算器１１Ｊのｐｘ入力に入力される。その結果、蓄電池３の充電動作は停止される。
【００３８】
また加え合わせ点ＳＰ６から出力された瞬時虚電力の加算分は、−１の伝達要素を通ることによりそれぞれの瞬時虚電力を０から引いた値として、逆ｐｑ演算器１１Ｊのｑｘ入力に入力される。逆ｐｑ演算器１１Ｊは、入力された補償すべき瞬時有効電力と補償すべき瞬時虚電力とを入力として逆ｐｑ演算を行いその演算結果を２相−３相変換器１１Ｋに出力する。２相−３相変換器１１Ｋは、電力変換器１で補償すべき高調波電流の指令値を出力する。差し引き点ＳＰ８には高調波電流の指令値と電力変換器１の交流端子側に実際に流れている電流値とが入力され、その差分がｋc倍されて電圧制御指令と加算される加え合わせ点ＳＰ１に入力される。停電検出回路１５が停電を検出している場合には、加え合わせ点ＳＰ１からは電圧制御御指令とこの電圧制御指令に応じて生じた電流制御指令とを加え合わせたものが出力される。停電検出回路１５が停電を検出していない状態では、加え合わせ点ＳＰ１からは主として電流制御指令が電力変換器１のＰＷＭ制御回路に入力されることになる。このときの電圧制御指令は電流制御指令と比べて非常に小さくなっている。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、異常電圧検出回路が電圧の異常低下を検出しているときに、電流制御系が入力電流指令値として交流スイッチを通る交流電流を用いるので、商用電源側で電圧の低下異常が発生したときには、電圧の低下とともに電流制御指令が小さくなるため、電圧の低下が発生したときの出力電圧の歪みを、従来よりも小さくできる利点がある。
【００４０】
また本発明では、停電検出回路が停電を検出している間だけ、ＤＣ／ＤＣコンバータが蓄電池からの直流電力を電力変換器に供給するため、蓄電池の放電回数を最小にすることができて、蓄電池の寿命が短くなるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の無停電電源装置の実施の形態の一例の構成を概略的に示すブロック回路図である。
【図２】  電流制御系の構成の一例を示すブロックである。
【図３】  （Ａ）及び（Ｂ）は、停電が発生したときに、交流スイッチが遮断状態になるときの動作を説明するための回路図及び波形図である。
【図４】  （Ａ）〜（Ｃ）は、商用電源ＡＣの入力のうちＵ相に半サイクル以下の瞬時電圧低下が発生したときの、実施の形態における入力電圧及び電流、負荷への出力電圧及び電流、電力変換器の直流電圧をそれぞれ示す図である。
【図５】  Ｕ相において短絡が発生した場合における、実施の形態の入力電圧及び電流、負荷への出力電圧及び電流、電力変換器の直流電圧をそれぞれ示す図である。
【図６】  電流制御系の他の構成例を示すブロック図である。
【図７】  本発明の他の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  電力変換器
２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
３  蓄電池
１０  制御指令発生手段
１１  電流制御系
１２  電圧制御系
１３  基準電圧作成回路
１４  異常電圧検出回路
１５  停電検出回路
ＡＣ  商用電源
ＳＷ  交流スイッチ
Ｌ  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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