(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流系統からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにて変換された直流電力を交流電力に逆変換するインバータとを備え、前記インバータの出力側に交流系統の停電による影響を受けない高品質な電力を供給すべき負荷を接続して該負荷に交流電力を供給する高効率無停電電源装置において、
前記コンバータとインバータの間の直流部分には、前記インバータに対し直流電力を常に連続的に出力する直流発電装置と、前記コンバータにて変換された直流電力を蓄える蓄電装置を設け、
この直流発電装置により交流系統からの電力の供給の有無にかかわらず前記負荷を連続的に駆動すると共に、
前記負荷が直流発電装置の能力を上回った場合であってしかも交流系統が停電でない場合には、この交流系統からの電力を前記コンバータ及びインバータを介して、前記直流発電装置からの電力とともに前記負荷に供給し、
前記負荷が前記直流発電装置の出力を下回った場合には前記コンバータの運転方向を逆にして余剰電力分を前記交流系統に供給し、
前記蓄電装置を直流発電装置または交流系統からの電力により充電することを特徴とする高効率無停電電源装置。
【請求項２】
前記直流発電装置に直流−直流変換器を接続したことを特徴とする請求項１記載の高効率無停電電源装置。
【請求項３】
前記直流−直流変換器は前記直流発電装置の出力を一定に制御し、
前記負荷が前記直流発電装置の出力を上回った場合には不足電力分を前記コンバータおよび前記蓄電装置の少なくとも一方から補給して前記負荷に交流電力を供給するように構成したことを特徴とする請求項２記載の高効率無停電電源装置。
【請求項４】
前記直流−直流変換器の出力を電流制御とし、前記コンバータの出力を電圧制御としたことを特徴とする請求項３記載の高効率無停電電源装置。
【請求項５】
前記負荷が前記直流発電装置の出力範囲内であれば前記直流−直流変換器は前記直流発電装置の出力を前記負荷に追従するように制御し、
前記負荷が前記直流発電装置の出力範囲を越えた場合には不足電力分を前記コンバータおよび前記蓄電装置の少なくとも一方から補給して前記負荷に交流電力を供給するように構成したことを特徴とする請求項２記載の高効率無停電電源装置。
【請求項６】
前記直流−直流変換器の出力を電圧制御としたことを特徴とする請求項５記載の高効率無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力を一度直流電力に変換し、その直流電力を再び交流電力に逆変換する高効率無停電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、コンピュータや医療用機器などの負荷には、商用系統の停電による影響を受けない高品質な電力を供給することが望まれている。高品質電力を供給する無停電電源装置として、ＣＶＣＦ装置あるいはＵＰＳ電源装置と呼ばれる無停電電源装置が広く採用されている。この無停電電源装置は、交流系統からの交流電力をいったん直流電力に変換し、その直流電力を再び交流電力に逆変換してから負荷に与えるようになっており、電圧や周波数を整えた安定した電力を供給することができる。また、蓄電装置を組み合わせて直流電力の一部を蓄えることもでき、交流系統が停電した場合には蓄電装置が放電して負荷に電力を供給できる。急速な進歩を遂げる近年の高度情報化社会では、安定且つ無停電な高品質電力に対する需要がますます増大しており、高品質電力を供給する無停電電源装置に高い関心が集まっている。
【０００３】
ここで、図４を参照してＣＶＣＦ無停電電源装置の従来例について具体的に説明する。無停電電源装置には、交流電力を直流電力に変換するコンバータ２と、直流電力を再び交流電力に変換するインバータ３とが設けられている。コンバータ２とインバータ３との間である直流部分には蓄電装置としてバッテリー５が接続されている。また、コンバータ２には商用の交流系統１が接続され、インバータ３にはコンピュータなどの独立負荷４が接続されている。
【０００４】
以上の構成を有する無停電電源装置では、コンバータ２が交流系統１から交流電力を取り入れて直流電力に変換し、その一部をインバータ３に送り、残りをバッテリー５に送る。インバータ３は直流電力を再び交流電力に変換し、これを独立負荷４に供給する。また、交流系統１に異常が生じた場合には、バッテリー５が蓄えていた直流電力を放電してインバータ３に出力することにより、独立負荷４への電力供給が可能となる。このような無停電電源装置によれば、交流系統１の影響を受けない高品質電力を無停電で供給し続けることができる。
【０００５】
また、特許文献１のように、交流系統が長時間停止した場合に、バックアップ用蓄電設備の容量増加または非常用発電機を設置する代わりに、太陽光発電設備を設置し、バックアップ電源とする発明が従来から提案されている。さらに、特許文献２のように、交流系統の停電時に、燃料電池からの電力を負荷に供給する発明も提案されている。また、特許文献３の発明のように、常時は太陽電池のような直流発電装置を使用し、夜間などの直流発電装置の出力が失われた場合には、交流系統からの電力を負荷に供給するものも知られている。
【特許文献１】
特開２０００−１０２１９６号公報
【特許文献２】
実開平４−１１１２４７号公報
【特許文献３】
特開昭５７−１１９６３３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記無停電電源装置では、交流系統１から独立負荷４に電力を供給するまでに、コンバータ２における交流電力から直流電力への変換と、インバータ３における直流電力から交流電力への逆変換という２度の変換を行っている。このため、約１０％の電力ロスが発生していた。つまり従来では、商用系統が停電した場合に備えて常時１０％余分に電力を浪費していた。
【０００７】
また、商用の交流系統１の停電が万が一長期化した場合を想定して、バックアップ用の発電機を別途準備しておく必要があった。このバックアップ用の発電機は普段は使用されないが緊急時には所定の時間内に立ち上がらなくては意味がない。そこで、利用率がほぼ０の機器に対して常時メンテナンスや起動確認試験を実施していた。このように従来の無停電電源装置では、電力ロスが大きい点と、バックアップ用発電機にかかるコストがかさむ点とが問題となっていた。
【０００８】
特許文献１に記載の発明のように、バックアップ電源として太陽光発電設備を設置した場合は、バックアップ可能な状況は太陽光発電設備が発電可能な日中のみであり、夜間に長時間停電が発生した場合は太陽光発電設備によるバックアップができず、蓄電装置の電力不足と同時に負荷への給電が停止する。また、日中においても、日射量の変動により発電出力が変動するため、負荷への供給能力が不足する場合があるという課題があった。なお、太陽光発電設備をバックアップ電源とした場合は、設備利用率が低いにもかかわらず、常時メンテナンスが必要となり、設備維持のコストが増大する点も問題となっていた。
【０００９】
一方、特許文献２の発明のように、常時は交流系統の電力を負荷に供給し、交流系統の故障時や停電時に燃料電池からの電力を負荷に供給するものは、燃料電池はその起動・停止に時間がかかるため、交流系統の停電時などに直ちに燃料電池側から電力を負荷に供給することができないという問題があった。また、燃料電池の運転を継続させるために、独立負荷以外に、発電電力を消費する為の負荷を接続する必要があった。更に、交流系統が正常な時は、常時発電中の燃料電池から独立負荷へは電力を供給しないため、燃料電池は常時部分負荷での運転を行う必要があり、高効率の定格運転ができないという課題があった。
【００１０】
また、特許文献３の発明は、直流発電装置と交流系統の２系統から電力を供給する場合に、どのようにして効率よく直流発電装置を運転するかという技術を開示するものに止まり、連続して運転する直流発電装置を主体として負荷を運転する場合に、負荷の変動や交流系統の停電時において適切に対処する高効率無停電電源装置を提供するものではなかった。
【００１１】
本発明は、以上の問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、電力ロスを少なくして消費電力効率の向上を図ると共に、バックアップ用発電機にかかるコストを削減して経済的に優れた高効率無停電電源装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、交流系統からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにて変換された直流電力を交流電力に逆変換するインバータとを備え、前記インバータに負荷を接続して該負荷に交流電力を供給する高効率無停電電源装置において、次のような技術的な特徴を有している。
【００１３】
請求項１の発明は、
交流系統からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにて変換された直流電力を交流電力に逆変換するインバータとを備え、前記インバータの出力側に交流系統の停電による影響を受けない高品質な電力を供給すべき負荷を接続して該負荷に交流電力を供給する高効率無停電電源装置において、
前記コンバータとインバータの間の直流部分には、前記インバータに対し直流電力を常に連続的に出力する直流発電装置と、前記コンバータにて変換された直流電力を蓄える蓄電装置を設け、
この直流発電装置により交流系統からの電力の供給の有無にかかわらず前記負荷を連続的に駆動すると共に、
前記負荷が直流発電装置の能力を上回った場合であってしかも交流系統が停電でない場合には、この交流系統からの電力を前記コンバータ及びインバータを介して、前記直流発電装置からの電力とともに前記負荷に供給し、
前記負荷が前記直流発電装置の出力を下回った場合には前記コンバータの運転方向を逆にして余剰電力分を前記交流系統に供給し、
前記蓄電装置を直流発電装置または交流系統からの電力により充電することを特徴とする。
【００１４】
このような構成を有する請求項１の発明では、通常時は直流発電装置がインバータに直流電力を出力し、インバータから負荷に交流電力を供給する。そして、一時的な負荷のアンバランスや負荷に対する不足電力分がある場合のみ、コンバータにて変換した直流電力を使用する。すなわち請求項１の発明においては、直流発電装置が主たる電力供給源となり、交流系統からコンバータを経由してインバータに送る直流電力を少なくすることができる。したがって、コンバータにおける交流電力から直流電力への変換を抑制でき、電力ロスの発生を減らすことが可能である。
【００１５】
また、交流系統の停電の有無に関係なく、直流発電装置がインバータに直流電力を連続的に出力するため、非常時のバックアップ用発電機は不要となる。これにより、バックアップ用発電機のメンテナンスや起動確認試験にかかるコストを削減することができ、経済的に有利となる。更に、前記コンバータとインバータの間の直流部分に、直流発電装置と共に蓄電装置を設けることで、この蓄電装置により直流発電装置の電力不足分や交流系統の停電時における電力不足分を補うことができ、無停電電源装置としても優れている。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の高効率無停電電源装置において、前記直流発電装置に直流−直流変換器を接続したことを特徴とする。
【００１７】
以上の構成を有する請求項２の発明では、直流−直流変換器により直流発電装置からの出力を任意の値に制御することが可能となる。また、負荷端での短絡事故による直流発電装置の過負荷や、過渡的な直流発電装置への逆充電を防止することができる。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２記載の高効率無停電電源装置において、前記直流−直流変換器は前記直流発電装置の出力を一定に制御し、前記負荷が前記直流発電装置の出力を上回った場合には不足電力分を前記コンバータおよび前記蓄電装置の少なくとも一方から補給して前記負荷に交流電力を供給するように構成したことを特徴とする。
【００１９】
上記の構成を有する請求項３の発明では、負荷が変動した場合には、直流発電装置の出力と負荷との過不足分を、コンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が吸収あるいは補給する。このため、直流−直流変換器は直流発電装置の出力を一定に制御できる。したがって、直流発電装置の運転電流を定格負荷点近傍に常時維持することができ、直流発電装置は高い発電効率を得ることができる。
【００２０】
また、負荷が直流発電装置の出力を下回っているときには、直流発電装置からの出力のみを負荷に供給するので、コンバータにおける交流電力から直流電力への変換を実施しない。これにより変換する際の電力ロスを減らすことができる。一方、負荷が直流発電装置の出力を上回れば、コンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が不足電力分を補給するため、負荷への電力の安定供給が可能となる。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項３記載の高効率無停電電源装置において、前記直流−直流変換器の出力を電流制御とし、前記コンバータの出力を電圧制御としたことを特徴とするものである。
【００２２】
このような構成を有する請求項４の発明では、電流制御である直流−直流変換器は、直流発電装置から発生する直流電流が一定の値となるように直流発電装置を制御する。したがって、負荷が直流発電装置の出力を下回った場合には直流電圧が上昇し、逆に、負荷が直流発電装置の出力を上回った場合には直流電圧が低下する。一方、コンバータは電圧制御であるため直流電圧が常に一定になるように制御することができる。したがって、負荷が直流発電装置の出力を下回って直流電圧が上昇した場合には、直流電圧が低下するようにコンバータは運転方向を逆にして直流電圧の一部を交流に変換し、これを交流系統側に逆潮流させる。反対に、負荷が直流発電装置の出力を上回って直流電圧が低下した場合には、直流電圧が上昇するようにコンバータは交流電力から直流電力への変換量を増やし、コンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が電力を出力して不足電力分を補うことができる。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項２記載の高効率無停電電源装置において、前記負荷が前記直流発電装置の出力範囲内であれば前記直流−直流変換器は前記直流発電装置の出力を前記負荷に追従するように制御し、
前記負荷が前記直流発電装置の出力範囲を越えた場合には不足電力分を前記コンバータおよび前記蓄電装置の少なくとも一方から補給して前記負荷に交流電力を供給するように構成したことを特徴とする。
【００２４】
上記の構成を有する請求項５の発明では、負荷の変動が直流発電装置の出力範囲内であれば直流−直流変換器の制御により直流発電装置の出力を負荷に合わせることができる。つまり、直流発電装置は常に必要とされる分だけの直流電力を出力することができ、発電効率を高めることができる。また、直流発電装置の出力範囲内ではコンバータにおける交流電力から直流電力への変換を実施しないので、変換する際の電力ロスは軽減する。一方、負荷が直流発電装置の出力範囲を越えた場合には不足電力分をコンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方から補給するので、高品質な電力を負荷に安定して供給することができる。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項５記載の高効率無停電電源装置において、前記直流−直流変換器の出力を電圧制御としたことを特徴とするものである。
【００２６】
このような構成を有する請求項６の発明では、直流−直流変換器は電圧制御であるため、直流発電装置の出力電圧が常に一定になるように制御することができる。したがって、負荷が直流発電装置の出力範囲内において、負荷が直流発電装置の出力を下回れば直流電圧が上昇するので直流発電装置の発電出力が減少し、逆に、負荷が直流発電装置の出力を上回れば直流電圧が低下するので直流発電装置の発電出力が増大する。さらに負荷が直流発電装置の出力範囲を越えて増えた場合にはコンバータおよび蓄電装置の少なくとも一方が電力を出力して電圧を回復させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（１）第１の実施の形態
［構成］
請求項１、２、３、４記載の発明に対応する第１の実施の形態について、図１および図２に従って以下に説明する。図１は第１の実施の形態の構成図、図２はコンバータ２の制御ブロック図である。なお、図４に示した従来技術と同様の部分は同一の符号を付して説明は省略する。
【００２８】
図１に示すように、コンバータ２とインバータ３との間である直流部分にはインバータ３に対し直流電力を連続的に出力する直流発電装置７が直流−直流コンバータ６を介して接続されている。また、直流部分には高効率無停電電源装置の直流電圧を計測する電圧計８が設置され、直流−直流コンバータ６には直流−直流コンバータ６の出力電流を計測する電流計９が設置されている。
【００２９】
直流−直流コンバータ６は出力を電流制御とし、直流発電装置７の出力を一定に制御するように構成される。一方、コンバータ２は出力を電圧制御とし、図２に示すように、電圧計８にて計測される直流電圧計測値１０が常に一定値Ｖ１となるように交流電力から直流電力への変換量１１または直流電力から交流電力への変換量１２を制御するように構成される。また、バッテリー５の充電電圧Ｖ２は前記一定値Ｖ１よりも小さく設定されている。
【００３０】
［作用］
このような構成を有する第１の実施の形態では、直流発電装置７がインバータ３に直流電力を出力し、インバータ３から独立負荷４に交流電力を供給する。電流制御である直流−直流コンバータ６は、直流発電装置７から発生する直流電流が一定の値となるように直流発電装置７の出力を制御する。
【００３１】
負荷が変動して直流発電装置７の出力を下回ると、直流発電装置７の直流電圧が上昇する。このとき、コンバータ２は電圧を一定値Ｖ１に維持するため、直流電力から交流電力への変換量１２を増加させ、余剰発電出力を交流系統１側に逆潮流させる。
【００３２】
反対に、負荷が変動して直流発電装置７の出力を上回ると、直流発電装置７の直流電圧が低下する。このときもコンバータ２は電圧を一定値Ｖ１に維持するため、交流電力から直流電力への変換量１１を増加させ、不足電力分を補う。さらに直流発電装置７の直流電圧が低下し、Ｖ２以下となった場合には、バッテリー５が不足電力分を補給する。
【００３３】
［効果］
以上の第１の実施の形態によれば、直流−直流コンバータ６が直流発電装置７の出力を一定に制御するため、直流発電装置７の運転電流を定格負荷点近傍に常時維持することが可能となり、直流発電装置７は高い発電効率を得ることができる。また、負荷が大きくなり直流発電装置７の出力が足りない時には不足分をコンバータ２さらにはバッテリー５が補給することができ、負荷への電力の安定供給が可能となる。一方、負荷が小さくなり直流発電装置７の出力が余った時には交流系統１に供給し、コンバータ２における交流電力から直流電力への変換を実施しない。したがって変換する際の電力ロスを減らすことができ、消費電力効率が向上する。
【００３４】
しかも、交流系統１の停電の有無に関係なく、直流発電装置７がインバータ３に直流電力を連続的に出力するので、第１の実施の形態では非常時のバックアップ用発電機は不要となる。これにより、バックアップ用発電機のメンテナンスや起動確認試験にかかるコストを削減することができ、経済的に有利となる。また、直流−直流コンバータ６の出力電流制御機能により、独立負荷４での短絡事故による直流発電装置７の過負荷や、過渡的な直流発電装置７への逆充電を防止することができる。
【００３５】
（２）第２の実施の形態
［構成］
請求項５、６記載の発明に対応する第２の実施の形態について、図３に従って以下に説明する。図３は直流−直流コンバータ６の制御ブロック図である。なお、第２の実施の形態の基本的な構成は前記第１の実施の形態と同様であり、構成上の特徴は次の点にある。
【００３６】
すなわち、直流−直流コンバータ６では、出力を電圧制御とし、直流電圧計測値１０が一定値Ｖ０となるように直流電流設定値１３を演算して直流電流計測値１４がそれに見合うように直流発電装置７の発電量を決定するように構成されている。ただし、直流電流設定値１３が直流電流制限値１６を逸脱しないように直流電流リミッタ１７が設けられている。一方、コンバータ２は直流電圧計測値１０が常に一定値Ｖ１となるように交流電力から直流電力への変換量１１または直流電力から交流電力への変換量１２を制御するように構成される。また、バッテリー５の充電電圧Ｖ２は一定値Ｖ１よりも小さく設定されている。なお、一定値Ｖ１は前記一定値Ｖ０よりも小さく設定されている。すなわち、Ｖ０＞Ｖ１＞Ｖ２という大小関係になっている。
【００３７】
［作用］
以上の構成を有する第２の実施の形態では、直流発電装置７の出力を負荷に追従させるために、直流−直流コンバータ６は出力電圧が一定値Ｖ０となるように発電出力を調節する。
【００３８】
まず、負荷が直流発電装置７の発電出力を上回った場合、直流発電装置７の直流電圧値Ｖが低下するため（Ｖ＜Ｖ０）、直流−直流コンバータ６は発電出力を上昇させて電圧値Ｖを一定値Ｖ０に戻す。逆に、負荷が直流発電装置７の発電出力を下回った場合には、直流発電装置７の直流電圧値Ｖが上昇するため（Ｖ＞Ｖ０）、直流−直流コンバータ６は発電出力を減少させて電圧値Ｖを一定値Ｖ０に戻す。
【００３９】
一方、コンバータ２おびバッテリー５においては、それらの直流電圧の設定値であるＶ１、Ｖ２はＶ０＞Ｖ１＞Ｖ２という関係になっている。そのため、負荷が上昇して直流発電装置７の直流電圧値Ｖがさらに低下し、Ｖ１＞Ｖ＞Ｖ２となった場合には、直流発電装置７に加えてコンバータ２にて交流電力から直流電力への変換量１１を増加させ、電圧を回復させる。さらに負荷が上昇して直流発電装置７の直流電圧値Ｖがいっそう低下し、Ｖ２＞Ｖとなった場合には、直流発電装置７およびコンバータ２に加えバッテリー５が放電を行い、電圧を回復させる。なお、直流発電装置７およびコンバータ２は出力する電力が機器の使用から定まる最大値を逸脱しないように負荷制限を実施する。
【００４０】
逆に、負荷が減少して直流発電装置７の直流電圧値Ｖが上昇した場合には、直流電圧設定値の大小関係にＶ０＞Ｖ１＞Ｖ２に従い、バッテリー５、コンバータ２、直流発電装置７という順番で出力を減少させる。なお、過渡的に直流電圧が負荷の最大許容電圧Ｖｈに到達したときにはコンバータ２により直流電力の一部を交流電力に変換し、交流系統１側に逆潮流させ、最大許容電圧Ｖｈを越える電圧の上昇を防止する。
【００４１】
［効果］
以上の第２の実施の形態によれば、負荷の変動が直流発電装置７の出力範囲内であれば直流−直流コンバータ６の制御により直流発電装置７の出力を負荷に追従させることができる。つまり、直流発電装置７は常に必要とされる分だけの直流電力を出力することができ、発電効率を高めることができる。また、直流発電装置７の出力範囲内ではコンバータ２における交流電力から直流電力への変換を実施しないので、変換する際の電力ロスは軽減する。一方、負荷が直流発電装置７の出力範囲を越えた場合には不足電力分をコンバータ２、さらにはバッテリー５から補給するので、高品質な電力を負荷に安定して供給することができる。なお、第２の実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様、非常時のバックアップ用発電機の省略によるコストの削減、さらには直流−直流コンバータ６による直流発電装置７の過負荷や逆充電の防止といった効果がある。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高効率無停電電源装置によれば、インバータに対し直流電力を連続的に出力する直流発電装置を設け、これを主たる電力供給源とするという簡単な構成により、コンバータにおける交流電力から直流電力への変換を抑制して電力ロスを少なくし消費電力効率の向上を図ることができる。また、バックアップ用発電機を省いてコストを削減することが可能となり優れた経済性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の構成図。
【図２】  第１の実施の形態におけるコンバータ２の制御ブロック図。
【図３】  本発明の第２の実施の形態における直流−直流コンバータ６の制御ブロック図。
【図４】  従来の無停電電源装置の構成図。
【符号の説明】
１…交流系統
２…コンバータ
３…インバータ
４…独立負荷
５…バッテリー
６…直流−直流コンバータ
７…直流発電装置
８…電圧計
９…電流計
１０…直流電圧計測値
１１…交流電力から直流電力への変換量
１２…直流電力から交流電力への変換量
１３…直流電流設定値
１４…直流電流計測値
１５…直流電流リミッタ
１６…直流電流制限値
【図１】
0004630433.tif 000002
【図２】
0004630433.tif 000003
【図３】
0004630433.tif 000004
【図４】
0004630433.tif 000005