(57)【要約】【課題】無停電電源装置で制御の簡易化、バックアップ時間の延長化、バッテリの小容量，小型化などを図る。【解決手段】受電点１にスイッチ７と停電検出手段８、リアクトル側に交流側が接続された並列インバータ２、この並列インバータ２とスイッチ７との接続点と負荷への給電点６との間に、交流側が直列に接続された直列インバータ４および、並列インバータ２の直流側と直列インバータ４の直流側の双方に接続された電力蓄積手段３をそれぞれ有する常時商用給電式無停電電源装置において、給電点６の電圧を一定に保ちながら、直列インバータ４の出力がほぼゼロとなるように並列インバータ２の出力を調整することにより、掲記課題の解決を図る。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電点に設けられるスイッチと、このスイッチの受電点側とは異なる側の端子に交流側が接続された第１の電力変換器と、この第１の電力変換器と前記スイッチとの接続点と負荷への給電点との間に交流側が直列に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側との双方に接続された電力蓄積要素と、受電点に設けられる停電検出手段とを備え、
受電点が接続されている電源が停電していないときは、前記スイッチを導通状態として、前記電源から前記電力蓄積要素に電力を充電するとともに、負荷への給電点に電力を供給し、
受電点が接続されている電源が停電したときは、前記スイッチを開いて前記電力蓄積要素に蓄えられた電力を用いて前記第１の電力変換器から負荷への給電点に電力を供給し、前記第２の電力変換器にて負荷への給電点の電圧を調整する常時商用給電式無停電電源装置において、
前記電源が停電したときは、前記負荷への給電点の電圧を設定された値に保ちながら、前記第２の電力変換器の出力が小さくなるように、前記第１の電力変換器の出力を調整することを特徴とする常時商用給電式無停電電源装置。
【請求項２】
前記スイッチと前記第１の電力変換器との接続点と、前記負荷への給電点との間を第２の電力変換器を介さずにバイパス接続することのできる第２のスイッチを設け、
受電点が接続されている電源が停電して、前記第１の電力変換器から負荷への給電点へ電力を供給し、前記第２の電力変換器で負荷への給電点の電圧を調整しているときに、負荷への給電点の電圧を保ちながら、第２の電力変換器の出力が小さくなるように第１の電力変換器の出力を調整し、第２の電力変換器の電圧がほぼゼロとなった後に、第２の電力変換器を前記第２のスイッチによりバイパスすることを特徴とする請求項１に記載の常時商用給電式無停電電源装置。
【請求項３】
前記第２の電力変換器を前記第２のスイッチによりバイパスするとともに、第２の電力変換器を停止することを特徴とする請求項２に記載の常時商用給電式無停電電源装置。
【請求項４】
受電点に設けられるスイッチと、このスイッチの受電点側とは異なる側の端子に交流側が接続された第１の電力変換器と、この第１の電力変換器と前記スイッチとの接続点と負荷への給電点との間に交流側が直列に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側との双方に接続された電力蓄積要素と、受電点に設けられる停電検出手段とを備え、
受電点が接続されている電源が停電していないときは、前記スイッチを導通状態として、前記電源から前記電力蓄積要素に電力を充電するとともに、負荷への給電点に電力を供給し、
受電点が接続されている電源が停電したときは、前記スイッチを開いて前記電力蓄積要素に蓄えられた電力を用いて前記第１の電力変換器から負荷への給電点に電力を供給する常時商用給電式無停電電源装置において、
前記電源が停電して前記電力蓄積要素の供給する電圧が低下し、前記第１の電力変換器の出力電圧が必要とされる値を満たせない場合に、第２の電力変換器の出力電圧を第１の電力変換器の出力電圧に重畳させ、負荷の給電点に必要とされる電圧を供給することを特徴とする常時商用給電式無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、受電点側の停電時にも負荷へ電力を供給可能な無停電電源装置、特に常時商用給電式無停電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２はこの種の無停電電源装置の例を示す構成図、図９はその動作説明図である。また、図３は図２で単相の場合の例を示す回路図である。以下、これらの図を参照して説明する。
図２，図３の無停電電源装置は図示のように、第１の変換器としての並列インバータ２、第２の変換器としての直列インバータ４、電力蓄積要素３（例えば鉛蓄電池や電気二重層コンデンサなど）から構成される。なお、この無停電電源装置は、図１０，図１１に示すように、電源装置１０の負荷１１への受電点を単独、または複数の負荷１１に接続して電力を供給する。９は電源を示す。
【０００３】
図９（ａ）は、例えば図２の電源装置の受電点１の電圧と並列インバータ２の出力電圧を示す。この電圧は、交流電圧の電圧実効値（または電圧振幅）を表わしている。この図では、時刻ｔ１において停電が発生し、電圧が低下したときのそれぞれの電圧の値の推移を示している。また、停電を検出するためには、通常、ある程度時間がかかるため、図９では停電検出が完了して停電時の制御に移行した時刻を、時刻ｔ２として記載している。
ここで、時刻ｔ１において停電が発生しても、時刻ｔ２になってから停電時の制御に切り替わるため、従来の制御の場合には、並列インバータ２は通常時の制御、すなわち電源から充電を行なうための制御をｔ２まで継続し、電源電圧の低下にしたがって並列インバータ２の出力電圧も低下してしまっている。
【０００４】
そして、停電したことを検出して、時刻ｔ２において制御を停電時の制御に切り替えて図２のスイッチ（ＳＷ）７を開き、電圧を維持するように動作する。このとき、この低下した電圧をそのまま負荷への給電点の電圧としてしまうと、負荷の接続されている給電点の電圧が低下して、負荷の機器に障害が発生する可能性があるが、停電してから停電を検知するまでには時間が必要であるため、並列インバータ２のみの構成としたのでは、停電時の制御に切り替わるまでの間は、負荷への給電点の電圧を維持することができないため、図２，図３のような構成、すなわち並列インバータ２の出力電圧に直列に電圧を足し込むことが可能な構成の直列インバータ４を設け、この直列インバータ４の負荷への給電点６側の電圧が規定の電圧になるよう、通常時から制御をするようにしている。
【０００５】
このようにすると、直列インバータ４の制御は停電時にも切り替える必要が無く、停電検出の遅れのために停電に伴って並列インバータ２の電圧が低下しても、その低下分の電圧を直列インバータ４で補うことができ、負荷への給電点６側の電圧を維持して、負荷の障害が発生しないようにすることができる。図９（ｂ），（ｃ）はこの動作を示しており、図９（ｂ）は直列インバータ４から供給する電圧、図９（ｃ）は負荷への給電点の電圧を示す。なお、直列部の制御を瞬時電圧制御する場合には、電圧位相も考慮する必要があるので、単純に振幅値または絶対値で並列インバータの出力電圧と直列インバータの出力電圧を加算しても、負荷への給電点の電圧とならない場合があるため、注意が必要である。
また、鉛蓄電池等の電力蓄積要素の場合、停電時に給電を行なったことにより電圧が低下するので、ある程度電圧が低下すると、並列インバータは必要な定格電圧を出力することができなくなるため、そこで給電を停止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図２，３に示す装置を図９のように動作させると、電力変換器を２台同時にしかも協調動作させる必要があるため、制御が複雑となり安定に動作させるのが困難になると言う問題がある。また、２台の電力変換器を同時に動作させるため効率が低くなり、給電時間が短くなる、または電力蓄積要素の大型化により装置が大型化するなどの問題がある。さらには、電力蓄積要素の電圧が低下すると、電力蓄積要素にまだエネルギーが残っているにもかかわらず、出力電圧が十分に出せないため装置を停止せざるを得ないという問題もある。
したがって、この発明の課題は、簡単な制御で安定な動作が可能で、しかも給電時間を長くし電力蓄積要素の小容量化，小型化を可能にすることなどにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、受電点に設けられるスイッチと、このスイッチの受電点側とは異なる側の端子に交流側が接続された第１の電力変換器と、この第１の電力変換器と前記スイッチとの接続点と負荷への給電点との間に交流側が直列に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側との双方に接続された電力蓄積要素と、受電点に設けられる停電検出手段とを備え、
受電点が接続されている電源が停電していないときは、前記スイッチを導通状態として、前記電源から前記電力蓄積要素に電力を充電するとともに、負荷への給電点に電力を供給し、
受電点が接続されている電源が停電したときは、前記スイッチを開いて前記電力蓄積要素に蓄えられた電力を用いて前記第１の電力変換器から負荷への給電点に電力を供給し、前記第２の電力変換器にて負荷への給電点の電圧を調整する常時商用給電式無停電電源装置において、
前記電源が停電したときは、前記負荷への給電点の電圧を設定された値に保ちながら、前記第２の電力変換器の出力が小さくなるように、前記第１の電力変換器の出力を調整することを特徴とする。
【０００８】
上記請求項１の発明においては、前記スイッチと前記第１の電力変換器との接続点と、前記負荷への給電点との間を第２の電力変換器を介さずにバイパス接続することのできる第２のスイッチを設け、
受電点が接続されている電源が停電して、前記第１の電力変換器から負荷への給電点へ電力を供給し、前記第２の電力変換器で負荷への給電点の電圧を調整しているときに、負荷への給電点の電圧を保ちながら、第２の電力変換器の出力が小さくなるように第１の電力変換器の出力を調整し、第２の電力変換器の電圧がほぼゼロとなった後に、第２の電力変換器を前記第２のスイッチによりバイパスすることができ（請求項２の発明）、または、前記第２の電力変換器を前記第２のスイッチによりバイパスするとともに、第２の電力変換器を停止することができる（請求項３の発明）。
【０００９】
また、請求項４の発明では、受電点に設けられるスイッチと、このスイッチの受電点側とは異なる側の端子に交流側が接続された第１の電力変換器と、この第１の電力変換器と前記スイッチとの接続点と負荷への給電点との間に交流側が直列に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側との双方に接続された電力蓄積要素と、受電点に設けられる停電検出手段とを備え、
受電点が接続されている電源が停電していないときは、前記スイッチを導通状態として、前記電源から前記電力蓄積要素に電力を充電するとともに、負荷への給電点に電力を供給し、
受電点が接続されている電源が停電したときは、前記スイッチを開いて前記電力蓄積要素に蓄えられた電力を用いて前記第１の電力変換器から負荷への給電点に電力を供給する常時商用給電式無停電電源装置において、
前記電源が停電して前記電力蓄積要素の供給する電圧が低下し、前記第１の電力変換器の出力電圧が必要とされる値を満たせない場合に、第２の電力変換器の出力電圧を第１の電力変換器の出力電圧に重畳させ、負荷の給電点に必要とされる電圧を供給することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。これは図２，図３に示すような無停電電源装置における並列インバータ，直列インバータの制御回路で、図３の各部の電圧ＶＳ，ＶＴ，ＶＯおよび電流ｉＳを検出する検出器を適宜設けるものとする。
図１において、１２は受電電流指令生成部、１３は電流調節器、１４はＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ：位相同期ループ）回路、１５は実効値演算回路、１６，２３は切替器、１７は停電検出回路、１８，２２はＰＷＭ（パルス幅）変調器、１９は停電時変化率リミッタ、２０，２１は電圧調節器、２４は加算器である。
【００１１】
まず、図１により、電源が健全時の制御動作について説明する。
図１では、健全時には並列インバータ２は受電電流制御を行なうように構成されており、受電電流として必要な受電電流指令ｉｓ＊を受電電流指令生成部１２により生成させ、これと実際の検出値ｉｓとの偏差を取り、電流調節器１３を用いて偏差が無くなるようにする。なお、この調節器１３は電源の健全時のみ動作させる。
一方、検出されたＶＳをＰＬＬ回路１４に入力し、ＶＳに同期した正弦波信号を発生させる。また、ＶＳは実効値演算回路１５にも入力し、ＶＳの実効値を演算する。実効値演算回路１５には低域通過フィルタ要素を設けて、出力が急激に変化しないようにしておく。この出力は、切替器１６を経て停電時変化率リミッタ１９に入力される。この停電時変化率リミッタ１９は停電時のみ変化率リミッタとして動作するもので、健全時は入力をそのまま出力する。その切り替えは、停電検出回路１７の出力を受けて行なわれる。
【００１２】
ＶＳは停電検出回路１７にも入力され、ＶＳを測定している点が停電しているか否かを判断する。停電を検出する方法としては、例えば、入力されたＶＳの実効値を演算し、その大きさが或る設定値を下回ったとき停電と判定する方法を採用することができる。
上記調節器１３の出力は、停電時変化率リミッタ１９の出力とＰＬＬ回路１４の出力との積と足し合わされ、これがＰＷＭ変調器１８に入力されて並列インバータのゲート駆動信号を生成するようにしている。こうして、電源の健全時には受電電流がｉｓ＊となるように並列インバータが動作することになる。
【００１３】
次に、停電が発生したときの動作について説明する。
停電が発生すると電圧ＶＳが低下するので、実効値演算回路１５の出力が低下し始め、並列インバータの出力電圧も低下し始める。その後、停電検出回路１７が停電を検出し、切替器１６が停電時側に切り替わると、停電時変化率リミッタ１９は出力の変化率を制限する動作に切り替わる。切替器１６は停電時側に切り替わることによりＶＳの定格値（１００％）を出力するようになるが、停電時変化率リミッタ１９の出力は、動作切り替わり前にはＶＳの低下している実効値を出力していたので、急に出力が定格値に変化するのではなく、停電時変化率リミッタ１９に設定された最大変化率でもって、ＶＳの定格値まで出力を上昇させるようにする。
【００１４】
停電時には、ＰＬＬ回路１４は停電検出回路１７の信号を受けて自走モードに切り替わり、商用電源とほぼ同周波数の正弦波信号をＰＬＬ自身が持つクロックの周波数に基づいて出力するようになる。停電時には切替器２３も停電時側に切り替わるので、ＰＷＭ変調器１８の入力が加算器２４の出力から、電圧調節器２０の出力へと切り替わることになる。電圧調節器２０は停電時のみ動作する調節器で、停電時変化率リミッタ１９の出力とＰＬＬ回路１４の出力との積を電圧指令ＶＴ＊とし、実際の検出電圧ＶＴが指令値と等しくなるように、出力を調整する動作をする。
【００１５】
次に、直列インバータの動作について説明する。なお、直列インバータは健全時も停電時も動作は変わらず、出力電圧制御を行なうため、停電検出回路１７の信号を受けて動作を変更する部分はない。
直列インバータの制御は調節器２１による電圧制御であり、電圧指令ＶＯ１＊とＰＬＬ回路１４の出力との積を交流の電圧指令ＶＯ＊とし、その検出値ＶＯとの偏差が電圧調節器２１に入力され、ここでＶＯがＶＯ＊に追従するように制御され、その結果、出力電圧がＰＬＬ回路１４の出力信号と同相の定格振幅の正弦波電圧となるように動作する。
【００１６】
以上の動作を示すのが図４である。図４（ａ）は並列インバータ２の出力電圧と、受電点１の電圧を示す。受電点１の電圧は停電が発生した時刻ｔ１から図９と同様に低下しているが、並列インバータ２の出力電圧が時刻ｔ２からｔ３にかけて上昇している点が特徴で、図１の停電時変化率リミッタ１９の出力が徐々に定格値になるように動作する効果であり、図９と異なるところである。
直列インバータの動作は図４（ｂ）に示すように、並列インバータの出力がｔ２からｔ３にかけて徐々に上昇することにより、直列インバータが負担すべき電圧は図示のように徐々に減少し、ｔ３においてほぼゼロとなっている。このように動作しても、負荷への給電点の電圧は図４（ｃ）に示すように、動揺は発生しない。
【００１７】
次に、直列インバータ４の出力がほぼゼロとなった場合の制御について、図５〜図７を参照して説明する。
直列インバータ４は例えば図３に示すように、電源ラインにトランス５を介して接続されている。そこで、このトランス５の２次側と直列インバータ４との間に第２スイッチとして、図７（ａ）のようにサイリスタスイッチＳＷ２１を設けるか、図７（ｂ）のようにサイリスタスイッチＳＷ２１に加えて機械式の接点ＳＷ２２を設けるか、または、図７（ｃ）のようにトランス５の１次側にサイリスタスイッチＳＷ２３を設けておき、図１の調節器２１の出力λＳを入力して、これが規定値以下のとき直列インバータ４の出力はほぼゼロであるとして検出するコンパレータ２５を用い、図５のように第２スイッチに対して閉指令を出すか、または図６のように第２スイッチへの閉指令と同時に直列インバータ４の停止指令を出すようにする。こうすることで、直列インバータ４の出力がほぼゼロとなったことを検出して、直列インバータ４を電源ラインからバイパスさせることができ、あるいは、直列インバータ４を停止してその運転損失を低減することができる。
【００１８】
図８はこの発明の第２の実施の形態を説明するための説明図である。同図（ｃ）は制御ブロックを示すが、停電時に機能する部分のみを示す。この制御ブロックでは、検出した直流電圧（電力蓄積要素の電圧）Ｅｄｃから並列インバータで出力可能な電圧の振幅を並列部電圧決定部２６で演算して、振幅指令として出力する。その後、基準クロックから生成される基準正弦波を振幅指令に掛け合わせ、交流の指令値を生成している。その後の動作は、図１の場合と同様である。
このようにした場合の動作を図８（ａ），（ｂ）に示す。図８（ａ）の実線で示すように、電力蓄積要素３の直流電圧が低下すると、並列インバータからは定格電圧よりも小さな出力しか出せなくなる。そこで、図８（ｂ）のように、直列インバータの出力を並列インバータの出力に加算することにより、負荷へ定格電圧を供給する。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、第２の電力変換器の出力をほぼゼロにすることにより、負荷への給電点の電圧が第１の電力変換器の交流側の電圧からのみ制御できるようになるので、第１の電力変換器は第２の電力変換器の状態を考慮することなく制御できるようになり、制御が単純となる。また、第２の電力変換器は電圧をゼロに保てば良いため、こちらの制御も指令値を演算する必要もなく、制御は単純となる。なお、第２の電力変換器が電圧を発生しているときは、発生した電圧と通過する電流との積で求まる電力を電源ラインから第２の電力変換器が授受を行なうが、その中に有効電流成分を含む場合には、授受した有効電力を電源ラインに返すために第１の電力変換器が電流を出力する必要があり、電流が流れることによる損失が発生する。第２の電力変換器の出力電圧がゼロであればこのような有効電力は生じないため、授受した有効電力を電源ラインに返すための電流を流す必要がなくなり、この電流による損失をなくすことができる。
【００２０】
請求項２の発明のように、第２の電力変換器をバイパスさせる場合は、第２の電力変換器を通過する電流による損失をなくすことができる。
請求項３の発明のように、第２の電力変換器をバイパスさせ、かつ、停止させる場合はスイッチングも停止するので、スイッチングによる損失をなくすことができる。
請求項４の発明のよれば、電力蓄積要素の電圧が低下し、第１の電力変換器単独では十分な交流出力電圧を得ることができなくても、同じ直流電圧から第２の電力変換器から電圧を出力してこれを加算することにより、十分な電圧を得ることが可能となる。
以上のようにして、バックアップ時間の延長、電力蓄積要素の小容量，小型化および制御の簡易化を図るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図
【図２】常時商用給電式無停電電源装置の例を示す構成図
【図３】図２で単相の例を示す回路図
【図４】図１の動作説明図
【図５】第２スイッチの駆動構成図
【図６】第２スイッチの別の駆動構成図
【図７】第２スイッチの設置態様説明図
【図８】この発明の第２の実施の形態を示す構成図
【図９】従来の制御動作例を説明する説明図
【図１０】無停電電源装置の設置構成図
【図１１】無停電電源装置の別の設置構成図
【符号の説明】
１…受電点、２…並列インバータ、３…電力蓄積要素、４…直列インバータ、５…直列連系トランス、６…負荷への給電点、７，ＳＷ２１〜ＳＷ２３…スイッチ（ＳＷ）、８，１７…停電検出回路、９…電源、１０…常時商用給電式無停電電源装置、１１…負荷、１２…受電電流指令生成部、１３…電流調節器、１４…ＰＬＬ回路、１５…実効値演算回路、１６，２３…切替器、１８，２２…ＰＷＭ変調器、１９…停電時変化率リミッタ、２０，２１…電圧調節器、２４…加算器、２５…コンパレータ、２６…並列部電圧決定部。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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