(57)【要約】      （修正有）【課題】エネルギー消費の観点から高い効果を可能とする無停電電源システム及び制御方法を提供する。【解決手段】本発明の無停電電源システムは、複数のコンバータ１０２および制御装置１２２を備える。複数のコンバータは、無停電電源システム１００の電源側１０４および負荷側１０６の間に並列して接続される。それぞれのコンバータは、電源側から負荷側に電力を供給するために、制御装置によって個別に活性化される。制御方法は、連続可動な電力供給システムの負荷側におけるシステム負荷水準を決定するステップ、システム負荷水準およびアクティブコンバータの数に依存するシステム効率に基づく必要なアクティブコンバータの数を決定するステップ並びに上記決定に基づいて必要な数のコンバータの活性化するステップを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコンバータ（１０２）および制御装置（１２２）を備える無停電電源システム（１００）を制御する方法であって、前記複数のコンバータ（１０２）は前記無停電電源システム（１００）の電源側（１０４）および負荷側（１０６）の間に並列して接続され、それぞれのコンバータ（１０２）は前記電源側（１０４）から前記負荷側（１０６）に電力を供給するために前記制御装置（１２２）によって個別に活性化され、
前記無停電電源システム（１００）の前記負荷側（１０６）におけるシステム負荷水準を決定するステップと、
前記システム負荷水準およびアクティブコンバータ（１０２）の数に依存するシステム効率に基づいて必要なアクティブコンバータ（１０２）の前記数を決定するステップと、
上記決定に基づいて必要な前記数のコンバータを活性化させるステップとを備える方法。
【請求項２】
前記システム負荷水準およびアクティブコンバータ（１０２）の数に依存するシステム効率に基づいて必要なアクティブコンバータ（１０２）の前記数を決定する前記ステップは、アクティブコンバータ（１０２）の前記数に依存する前記システム効率およびコンバータ負荷水準に依存する公知のコンバータ効率を決定するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アクティブコンバータ（１０２）の前記数に依存する前記システム効率およびコンバータ負荷水準に依存する公知のコンバータ効率を決定する前記ステップは、それぞれのコンバータ（１０２）個別に、アクティブコンバータ（１０２）の前記数に依存する前記システム効率およびコンバータ負荷水準に依存する公知のコンバータ効率を決定するステップと、それぞれの個別のコンバータ（１０２）の前記効率に依存して前記システム効率を決定するステップとを備えることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
アクティブコンバータ（１０２）の前記数に依存するシステム効率およびコンバータ負荷水準に依存する公知のコンバータ効率を決定する前記ステップは、
前記システム負荷水準およびアクティブコンバータの前記数に基づいてシステム効率を決定するステップと、
あるコンバータ（１０２）が除去および／またはあるコンバータ（１０２）が付加されたときに前記システム負荷水準およびアクティブコンバータの前記数に基いてシステム効率を決定するステップと、
あるコンバータ（１０２）が付加および／またはあるコンバータ（１０２）が除去されたときにアクティブコンバータ（１０２）の前記数に基づいて決定された前記システム効率およびアクティブコンバータ（１０２）の前記数により最大のシステム効率を決定するステップを備え、
前記システム負荷水準およびアクティブコンバータ（１０２）の前記数に依存するシステム効率に基づいて必要なアクティブコンバータの数を決定する前記ステップは、最大のシステム効率を有するアクティブコンバータ（１０２）の前記数を選択するステップを備えることを特徴とする、先の請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記方法は前記コンバータ（１０２）のために効率曲線または効率テーブルを提供する追加的なステップを備え、
前記システム負荷水準およびアクティブコンバータ（１０２）の前記数に基づいてシステム効率を決定する前記ステップが、効率曲線または効率テーブルにおける動作点およびこの動作点における前記コンバータ効率を特定するステップを備えることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
最大のシステム効率を有するアクティブコンバータ（１０２）の前記数を選択する前記ステップは、電流システム効率を有する最大のシステム効率を比較するステップ、および最大のシステム効率が予め定義されたしきい値と一体の前記電流システム効率を上回るケースにおける最大のシステム効率を有するアクティブコンバータ（１０２）の前記数を選択するステップとを備えることを特徴とする、先の請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
最大のシステム効率を有する前記アクティブコンバータ（１０２）の数を選択する前記ステップは、前記システム負荷のための負荷バンドを定義するステップ、および前記システム負荷が負荷バンドでないケースにおける最大のシステム効率を有するアクティブコンバータ（１０２）の前記数を選択する前記ステップを備えることを特徴とする、先の請求項４から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
アクティブコンバータ（１０２）の数に依存する前記システム負荷水準およびシステム効率に基づいて必要なアクティブコンバータ（１０２）の数を決定する前記ステップは、前記ＵＰＳシステム（１００）の動作モードおよび冗長性の水準の追加的な考慮のもとで必要なアクティブコンバータの前記数を決定するステップを備えることを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記動作モードはコンバータ（１０２）が完全に操作的な、アクティブモードとも称されるダブルコンバージョン方式、および前記負荷が高調波を含んでもよい負荷電流を低減された高調波を有するユーティリティ電流／ソース電流に変換することによって支持されるラインインタラクティブ方式を備えることを特徴とする、先の請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、活性化時間に基づき全体効率に影響する使用可能状態を変化させてアクティブでないコンバータを持続するステップを備え、前記コンバータは異なる使用可能状態でその操作状態をアクティブ状態から非アクティブ状態あるいはその逆に変化させる指令を受けるシステム通信水準を持続することを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
アクティブでないコンバータ（１０２）を使用可能状態を変化させて持続する前記ステップは、
前記電源側（１０４）および前記負荷側（１０６）に接続させ、前記コンバータを通電し、部分的に活性化されるが前記負荷側（１０６）における電力供給には貢献せずにアクティブでないコンバータ（１０２）を維持するステップと、
前記電源側（１０４）および前記負荷側（１０６）に接続させ、前記コンバータ（１０２）が通電されるが活性化されずに、アクティブでないコンバータ（１０２）を持続するステップと、
前記電源側（１０４）および前記負荷側（１０６）に接続させ、前記コンバータ（１０２）に通電せずにアクティブでないコンバータ（１０２）を持続するステップとを備えることを特徴とする、先の請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
無停電電源システム（１００）をアップグレードするソフトウェアパッケージであって、先の請求項１から１１のいずれかに記載の方法を実行するために前記無停電電源システムを制御する指示を含む前記ソフトウェアパッケージ。
【請求項１３】
複数のコンバータ（１０２）および制御装置（１２２）を備える無停電電源システム（１００）であって、前記複数のコンバータ（１０２）は前記無停電電源システム（１００）の電源側（１０４）および負荷側（１０６）の間に並列して接続され、それぞれのコンバータ（１０２）は前記電源側（１０４）から前記負荷側（１０６）に電力を供給するために前記制御装置（１２２）によって個別に活性化され、前記制御装置（１２２）が上記請求項１から１１のいずれかに記載の方法を実行する、無停電電源システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は無停電電源システム（ＵＰＳ）およびそのようなＵＰＳを制御する方法に関する。特に、本発明は三相交流電源を備え、典型的には産業上利用される複数のコンバータを有するＵＰＳの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
複数の並列したコンバータを備える無停電電源（ＵＰＳ）システムの提供が技術上知られている。コンバータは電源を負荷の要求に応じて出力電力に変換する役割を果たす。それゆえ、コンバータは典型的には、通常動作時に一次電源と接続し、一次電源の故障時に二次電源に接続して負荷に荷電する。一次および二次電源は任意の種類の電源でよく、それぞれのコンバータに独立して提供されても、コンバータのグループに共通してまたはすべてのコンバータで提供されてもよい。典型的に一次電源は交流電源であり、二次電源は直流電源である。
【０００３】
典型的なコンバータの設計は一次および二次電源に順に接続する第１および第２の入力コンバータと接続した直流リンクおよび負荷の要求に応じた出力電力を提供する出力コンバータユニットを備える。それゆえ、出力コンバータユニットは負荷の種類に応じて直流／交流コンバータあるいは直流／直流コンバータでもよい。
【０００４】
複数の並列したコンバータを備えるＵＰＳシステムの実施には多数の利点がある。特に複数の並列コンバータを備えたシステム設計の利点は障害時にコンバータの負荷および冗長性を変化させるためのＵＰＳの拡張可能性にある。さらに、実際の負荷に依存して、必要とされないコンバータをスタンバイ状態またはシャットダウンし、ＵＰＳシステムのエネルギー消費を低減してもよい。
【０００５】
にも関わらず、そのようなＵＰＳシステムは負荷水準に深く依存するシステム効率の曲線すなわちシステム効率対負荷水準を有する。個別のＵＰＳのための軽い負荷においてＵＰＳコンバータを有することによる不可避の基礎負荷および単純な操作による補助機能が全体損失の合理的な一部分たり得る。加えて、メイン回路の損失もまた、たとえば単に抵抗性負荷抵抗の電流二乗に基づくかまたは非連続から連続電流へのケースにおけるフィルタ電流エンベロープ上であるかなどの負荷に依存する。
【０００６】
動作上のコストを低減するためにＵＰＳシステムの設置は全体損失の最小化のために役立つ。これらの費用は単にＵＰＳシステムの電力の単純な費用に基づくのではなく、動作上の費用たとえばＵＰＳシステムの損失から熱冷却することも含む。さらに、ＵＰＳシステムの全体的な設計もまたたとえばより高い水準の冷却を改善するのためのシステムを設置するときなどに損失に依存して増加費用が生じ得る。
【０００７】
ＵＰＳシステムのエネルギー消費は、今日では異なる操作状態でのコンバータの操作によって低減される。それゆえ、並列システムの個々のコンバータのシステム水準制御は、負荷を支持するかコンバータが実質的に負荷を支持していない場所で「レディ」状態でそれらを動作可能である。それゆえ、「レディ」状態のコンバータはＵＰＳシステムの全体的なエネルギー消費を低減する。異なるレディ状態の実施により、コンバータは必要に応じて短時間で負荷を支持するために起動可能である。
【０００８】
異なる操作状態における個々のコンバータの操作のための基準は負荷を支持するために必要な個々のコンバータ数でを定めるシステム負荷水準である。さらに、冗長性の水準も定められることができる。負荷の支持に必要な数のコンバータが活動状態で、残りのコンバータは休止する。ＵＰＳシステムは連続的に活動ＵＰＳを追加／除去して負荷水準への任意の充電のための活動コンバータを連続的に採用する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の開示
本発明の目的はエネルギー消費に関して無停電電源システムを動作させることを可能とする、高い効果を可能とする無停電電源システムを制御する方法およびこの方法を実行する無停電電源システムを提供する。
【００１０】
この目的は独立請求項により達成される。より有利な実施例は従属請求項に与えられる。
【００１１】
特に、本発明は無停電電源システムを制御する方法を提供し、無停電電源システムは、複数のコンバータおよび制御装置を備え、複数のコンバータは無停電電源システムの電源側および負荷側の間に並列して接続され、それぞれのコンバータは電源側から負荷側に電力を供給するために制御装置によって個々に活性化され、無停電電源システムの負荷側におけるシステム負荷水準を決定するステップと、システム負荷水準およびアクティブコンバータの数に依存するシステム効率に基づいてアクティブコンバータの必要数を決定し、以上の決定をもとに必要な数のコンバータを活性化するステップとを備える。
【００１２】
本発明はまた複数のコンバータおよび制御装置を備え、複数のコンバータは電源側および無停電電源システムの負荷側の間に並列して接続され、それぞれのコンバータは電源側から負荷側に電力を供給するために制御装置によって個々に活性化され、制御装置が上記方法を実行する無停電電源システムを提供する。
【００１３】
本発明はさらに、無停電電源システムをアップグレードし、上記方法を実行するために無停電電源システムを制御する指示を含むソフトウェアパッケージを提供する。
【００１４】
本発明の基本的な思想はコンバータが高いコンバータ効率すなわちコンバータの全体的なエネルギーと比較して少ない損失で動作されるような方法で無停電電源（ＵＰＳ）システムの動作が実行されることである。この追加的な制御パラメーターにより、ＵＰＳシステムの損失は低減され、さらにＵＰＳシステムの設計すなわち冷却に関して促進する。従来の方法で制御された、従来のＵＰＳシステムと比較して、典型的に所定のシステム負荷水準において負荷の支持のために負荷水準がほぼ最大負荷水準まで多数のコンバータが活性化される。さらに、システム負荷の支持のために多数のコンバータが活性化されているので、ＵＰＳシステムは素早く負荷への充電に対応し、とりわけ追加的なコンバータを活性させることなく負荷の電力消費を増す。したがって、実際には負荷を支持していないが、活性化されているかスタンバイ状態のコンバータの数を低減させることができる。それゆえ、これらのコンバータの電力消費も低減される。これらのコンバータは実際に負荷を支持していないので、これらのコンバータの電力消費は完全にＵＰＳシステムの損失を増加する。ＵＰＳシステム効率は制御システム内に蓄積されるシステムパラメーターとして提供される。にもかかわらず、制御装置はまたコンバータの効率を決定する手段も実行する。
【００１５】
以上で議論されたとおり、この発明方法の負荷支持の全体的な信頼性は従来技術の方法と比較して何ら低減されない。
【００１６】
システム効率は制御装置内に蓄積されるシステムパラメーターとして提供される。にもかかわらず、制御装置はまたコンバータの効率を決定する手段も実行する。
【００１７】
以上の方法はハードウェア内で何らの変化も必要とならないよう単にソフトウェア、とりわけＵＰＳシステムのファームウェアによって実施されてもよい。それゆえ、ハードウェアにかかる費用は増加しない。追加的に、既存のＵＰＳシステムも上記の方法を実施および実行するために容易に修正されることができる。さらに、費用上の利益とともに、動作モードにおける既存または今後行われる取付けによりＵＰＳシステムの柔軟性も増す。
【００１８】
本発明の修正された実施例によれば、システム負荷水準およびアクティブコンバータの数に依存するシステム効率に基づいて必要なアクティブコンバータの数を決定するステップは、アクティブなコンバータの数に依存するシステム効率およびコンバータ負荷水準に依存する公知のコンバータ効率を決定することを備える。それゆえ、コンバーターは動作状態において高いコンバータ効率すなわちコンバータの全体的なエネルギー消費と比較して少ない損失で動作される。わずかな電力でコンバータを動作するのは最大の効率で動作することではない。それゆえ、従来の方法で制御された従来のＵＰＳシステムと比較して、所定の負荷水準において負荷水準がほぼ最大負荷水準まで典型的にはより多くのコンバータが実際に負荷を支持する。さらに、実際に負荷を支持するコンバータの増加により、ＵＰＳシステムは素早く負荷に充電し、とりわけ追加的なコンバータの活性化なしで負荷の電力消費を増す。したがって、実際に負荷を支持していないがアクティブまたはスタンバイ状態のコンバータの数を低減できる。それゆえ、これらのコンバータの熱消費もまた低減される。これらのコンバータは実際に負荷を支持していないので、これらのコンバータの電力消費はＵＰＳシステムの損失を増大する。コンバータが効率的な方法で操作されることにより、全体的なＵＰＳシステム効率も増す。それゆえ、システム効率はコンバータの効率に依存して決定される。コンバータ効率は制御装置内に蓄積されるシステムパラメータとして提供される。にもかかわらず、制御装置はまたコンバータの効率性を決定する手段も実行する。
【００１９】
本発明の修正された実施例によれば、アクティブコンバータの数およびコンバータ負荷水準に依存するコンバータ効率によってシステム効率を決定するステップは、アクティブコンバータの数に依存するシステム効率とそれぞれのコンバータのコンバータ負荷水準に依存するコンバータ効率とを決定することおよびそれぞれのコンバータの効率に依存するシステム効率を決定することを備える。それゆえ、それぞれのコンバータの効率は個別に考慮される。これは負荷に対して異なる効率の異なるコンバータが使用されるケースにおいて特に重要である。したがって、ＵＰＳシステムはたとえば負荷水準が変化したケースにおいて一定の負荷水準においてより高い効率のコンバータに取り換えるなどの修正が可能である。にもかかわらず、全体的なシステム効率は電流システム負荷水準に信頼して適合される。
【００２０】
代替的な実施例では、コンバータ効率はコンバータ負荷水準に依存するすべてのコンバータによって決定され、すべてのコンバータは負荷に対して同様の曲線を有すると推測される。これは制御装置において単純な制御に特に有用である。それゆえ、コンバータ効率はこの曲線により近づけられる。これはＵＰＳシステムにおいて１つの同一の種類のコンバータのみ使用される場合特に適切である。
【００２１】
本発明の修正された実施例によれば、アクティブコンバータの数に依存するシステム効率およびコンバータ負荷水準に依存するコンバータ効率を決定するステップは、１つのコンバータが除去されおよび／または１つのコンバータが追加された際にシステム負荷水準およびアクティブなコンバータの数に基づいて決定されるシステム効率を決定するステップ、１つのコンバータが追加されおよび／または１つのコンバータが除去された際アクティブなコンバータの数と同様にアクティブなコンバータの数に基づくシステム効率によって決定される最大システム効率の決定およびシステム負荷水準およびアクティブコンバータの数に依存するシステム効率に基づいた最大のシステム効率のアクティブコンバータ数の選択を備えるアクティブコンバータの必要数を決定するステップを備える。それゆえ、制御装置は現在のアクティブコンバータの数に基づいておよび追加的に上昇および下降の数の変化に基づいたＵＰＳシステムの全体的なシステム効率を比較する。それゆえ、現在アクティブなコンバータ数に基づくＵＰＳシステムの全体的なシステム効率が、増加または減少したコンバータの数よりも低い場合に、現在アクティブなコンバータの数は、全体的に増加したシステム効率を得るために変化される。
【００２２】
本発明の修正された実施例によれば、この方法はコンバータのための効率曲線または効率テーブルを提供するステップとシステム負荷基準およびアクティブなコンバータの数に基づいて決定するステップの追加的なステップを備え、システム効率は効率抑制または効率テーブルにおける動作点および動作点におけるコンバータ効率の特定を備える。これは最高のコンバータ効率を特定するための単純な手段を提供する。詳細な水準は効率曲線または効率テーブルの分解能によって適合されてもよい。ＵＰＳシステムのコンバータの数に依存して、より高いまたはより低い詳細水準が適切たりえる。好ましくは、コンバータの数が大きくなればなるほど、効率曲線または効率テーブルの分解能も高くなる。テーブルはルックアップテーブルとして実施される。
【００２３】
本発明の修正された実施例によれば、最大のシステム効率を有するアクティブコンバータの数を選択するステップは、電流システム効率と最大のシステム効率とを比較することおよび最高システム効率が既に定義されたしきい値とともに電流システム効率よりも優れている場合における最高のシステム効率を有するアクティブコンバータの数を選択することを備える。しきい値の使用はＵＰＳシステムに安定性を加え、特にシステム全体の効率が異なるアクティブコンバータの数でもほぼ同等の場合にアクティブコンバータの数の頻繁な修正を避ける。したがって、最少システムゲインがコンバータを追加または削除するために必要である。しきい値はＵＰＳシステムの構成の修正すなわちアクティブコンバータ数の修正のために超えなければならない最小のしきい値を定義する。しきい値は好ましくはユーザー定義値であり、ＵＰＳシステムのシステム特性に基づく。
【００２４】
本発明の修正された実施例によれば、最高のシステム効率を有するアクティブコンバータの数を選択するステップはシステム負荷のための負荷バンドを定義することおよびシステム負荷が負荷バンド外の場合における最高のシステム効率を備えるアクティブコンバータの数の選択することを備える。少なくとも与えられたＵＰＳシステムの構成すなわち所定の数のコンバータを有するＵＰＳシステムではシステム効率は異なる構成すなわち異なる数のアクティブコンバータの負荷に基づいて決定されてもよい。これはコンバータが同一あるいは少なくともほぼ同一の効率曲線を有する場合に特に有効である。それゆえ、負荷に依存して、アクティブコンバータの数は容易に決定可能である。さらに、定義された負荷バンドにより、ＵＰＳシステムに安定性が付加され、特に異なる数のアクティブコンバータにおいて全体的なシステム効率がほぼ同等である場合にアクティブコンバータの数を頻繁に修正することを避けることができる。コンバータの追加または削除の必要のない負荷バンド幅はシステム特性に基づいた少なくとも１つのゼロでない値のセットが好ましく、さらにユーザーによって設定されるのが好ましい。
【００２５】
本発明の修正された実施例によれば、システム負荷水準に基づいた必要なアクティブコンバータ数およびアクティブコンバータの数に依存するシステム効率を決定するステップは、ＵＰＳシステムの動作モードおよび冗長性の水準の追加的な考慮のもとで必要とされるアクティブコンバータの数を決定することを備える。これらの設定は取り換えが必要なようにたとえば負荷の変化やコンバータの障害の場合における所望の応答時間に依存する。これは、このコンバータが非常に短い応答時間で負荷を支持可能であるよう、アクティブではあるが負荷を支持していないコンバータによって容易に達成可能である。それゆえ、負荷支持に貢献しないアクティブコンバータはアイドル損失を付加する。設定は典型的にはユーザーによって行われる。追加的にアクティブでないコンバータは、要求される応答時間に依存して、たとえばその直流リンクおよび／または利用可能なエネルギー貯蔵装置により、使用可能な異なる状態にあるが内部コンバータユニットはトリガ信号で活性化されるよう部分的または全体的にオフにされる。
【００２６】
本発明の修正された実施例によれば、動作モードはコンバータが全体的に操作可能なアクティブモードとも称されるダブルコンバージョンモードおよび高調波の低減された実用電流／ソース電流に高調波を含める可能性のあることにより負荷が支持される、ラインインタラクティブ方式を備える。それゆえ、これらの形態はＵＰＳシステムの動作の追加的な最適化を実行するために必要に応じて選択される。
【００２７】
本発明の修正された実施例によれば、この方法はアクティブでないコンバータを活動時間および全体的な効率を基礎として使用可能状態を変化させるように持続するステップを備え、コンバータは異なる使用可能状態により動作状態を活動状態から非活動状態に、またはその逆に切り替えるためのコマンドを受けるためにシステム通信水準を持続する。制御装置は典型的にはそれぞれのコンバータに指示を送る。アクティブでないそれぞれのコンバータはその使用可能状態に基づく損失を追加する。にもかかわらず、全体のシステム効率と異なる要求がコンバータを使用可能な異なる状態で動作させることを必要にさせることができる。にもかかわらず、全体のシステム効率を計算する際には、異なる使用可能状態もまた考慮されてもよい。特に、アクティブコンバータの負荷水準は異なる使用可能状態の非活性化コンバータもまたこのマージンの考慮のもとで適合されることができるよう容易かつ迅速に負荷に提供される、負荷マージンを可能とする。負荷支持に貢献しないアクティブコンバータの数にも同様のことがいえる。
【００２８】
本発明の修正された実施例によれば、使用可能な状態を変化させる、アクティブでないコンバータを維持するステップは、コンバータに充電され、少なくとも部分的に活性化されるが負荷側への電力の供給には貢献しないよう、電源側および負荷側に接続されてアクティブでないコンバータを維持すること、コンバータに加圧はされるが活性化はされないよう電源供給側および負荷側に接続されてアクティブでないコンバータを維持すること、およびコンバータが充電されないよう、電源側および負荷側に接続されてアクティブでないコンバータを維持することを備える。したがって、使用可能の状態に依存して、コンバータは短いまたは増加した応答時間で活性化されることができ、したがって、制御装置は、他のアクティブコンバータに並列したコンバータを負荷によって許容可能な時間尺度、典型的には半サイクルまたは１０ミリ秒未満で十分に早く活性化できる。使用可能の状態はシステムまたはコンバータ反応時間、必要とされる冗長性水準、公知の負荷活動および使用可能状態を変化させることによる休止損失の水準によって決定されることができる。
【００２９】
図面の簡潔な説明
本発明のこれらおよび他の態様は以降に説明される実施例を参照して明確に明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】複数の並列コンバータを有する第１の実施例によるＵＰＳの典型的な構成を概略図で示す。
【図２】コンバータの構成を詳細に示す、第１の実施例によるＵＰＳシステムの詳細図を示し、例として１つのコンバータのみを概略図で示す。
【図３】単一のコンバータのための負荷水準の効率曲線を示す。
【図４】異なる状態のコンバータを有する、第１の実施例による簡素化されたＵＰＳシステムを示す。
【図５】第１の使用可能状態におけるコンバータのタイミング図を示す。
【図６】第２の使用可能状態におけるコンバータのタイミング図を示す。
【図７】第３の使用可能状態におけるコンバータのタイミング図を示す。
【図８】第１の実施例のＵＰＳシステムによって実行される発明の方法を図示するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
発明の詳細な説明
図１は第１の好ましい実施例による無停電電源（ＵＰＳ）システム１００の典型的な構成を示す。ＵＰＳシステム１００はＵＰＳシステムの電源側１０４および負荷側１０６の間に並列に接続された複数の並列したコンバータ１０２を備える。
【００３２】
電源側１０４において、ＵＰＳシステム１００は一次電源としての交流電源１０８および２次電源としての直流電源１１０を備え、交流電力バス１１２および直流電力バス１１４を通じてそれぞれコンバータ１０２に並列して接続される。代替的な実施例では、複数の交流電源１０８および／または複数の直流電源１１０は交流電力バス１１２および直流電力バス１１４にそれぞれ接続される。
【００３３】
負荷側１０６において、ＵＰＳシステム１００は出力電力バス１１６を通じて負荷１１８と接続する。さらに、コンバータ１０２は通信バス１２０を通じて制御装置１２２に接続される。通信バス１２０は負荷側１０６に示されているものの、通信バス１２０は負荷側１０６または電源側１０４から独立していることが注意されるべきである。それぞれのコンバータ１０２は個別に活性・非活性化され、あるいはコミュニケーションバスを通じたそれぞれのコミュニケーションにおいて制御装置１２２によって任意の動作モードに設定される。
【００３４】
それぞれのコンバータ１０２は同一の構成を有する。にもかかわらず、代替的な実施例では、コンバータ１０２は異なる特性を提供されてもよい。それぞれのコンバータ１０２は電源側１０４において第１および第２の入力コンバータユニット１３２、１３４と接続する直流リンク１３０を備える。第１および第２の入力コンバータユニット１３２、１３４は交流電力バス１１２および直流電力バス１１４を通じて交流電源１０８および直流電源１１０にそれぞれ接続される。それゆえ、第１の入力コンバータユニット１３２は第１の入力コンバータユニット１３２は交流／直流コンバータユニットであり、第２の入力コンバータユニット１３４は直流／直流コンバータユニットである。負荷側１０６において、直流リンク１３０は負荷１１８に必要な出力電力を提供する出力コンバータユニット１３６と接続される。それゆえ、出力コンバータユニット１３６は負荷１３６の種類に応じて交流／直流コンバータでも直流／直流コンバータでもよい。出力コンバータユニット１３６は出力電力バス１１６を通じて負荷１１８に接続される。出力コンバータユニット１３６はこの実施例では直流／直流コンバータである。
【００３５】
それぞれのコンバータはさらにコンバータユニット１３２、１３４、１３６の動作を制御するための制御ユニット１３８を備え、制御ユニット１３８は通信バス１２０を通じて制御装置１２２から指令を受領する。。
【００３６】
それぞれのコンバータはさらにまた負荷障害の場合においてコンバータユニット１３２、１３４、１３６と直流リンク１３０の迂回を可能とする迂回ユニット１４０を備える。それゆえ、迂回ユニット１４０はコンバータ電源能力を超える過負荷または障害除去状態において、たとえば負荷側においてヒューズを飛ばすために活性化される。迂回ユニット１４０は出力電力バス１１６および交流電源１０８と接続される。代替的な実施例において、迂回ユニット１４０は図２に示されるように、迂回交流電源１４２に接続される。
【００３７】
さらに、図２に示されるように、この実施例では交流電源１０８の中性点である共通の基準１４４がコンバーター１０２に提供される。
【００３８】
図３は単一のコンバータ１０２への過負荷水準の効率を示す効率曲線を示す。この効率曲線はすべての異なるコンバータ１０２のために制御装置１２２に保存される。図３に見られるように、正味の電力で動作されるコンバータ１０２は典型的に最大の効率で動作されない。最大の効率はこの例示的な効率曲線では約４０％の負荷水準で得られ、それより負荷水準が高くても低くても減少する。図３に見られるように、コンバータ効率は低い負荷水準では貧弱で、負荷依存でないシステム機能で形成された基本負荷として、全体損失の一部を形成する。負荷が増加するにつれ、効率が向上するが、それは他の損失、たとえばインダクタに基づくような抵抗性の渦電流がなおも微量ではあるが、電力が負荷１１８に供給されるためである。効率は典型的にはシステムハードウェアが操作の最善のコスト効率の動作点を超えるにつれ、たとえば抵抗損失のための配線交差により、低減する。
【００３９】
効率抑制の詳細な水準はＵＰＳシステム１００のコンバータ１０２の数に依存して選択される。コンバータ１０２の数が大きくなればなるほど、効率曲線の分解能も高くなる。この実施例では、コンバータ１０２の効率は制御装置１２２に保存されるシステムパラメータとして提供される。それゆえ、図３に示される効率曲線は制御装置１２２に保存される。効率曲線は異なるパラメータを有する類似または同一の構成を有するコンバータ１０２の場合に異なってもよい。
【００４０】
次に図８に関してより好ましい実施例によるＵＰＳシステム１００の制御方法が説明される。この方法はソフトウェア特に制御装置上で実行されるＵＰＳシステムのファームウェアで実行される。望まれる場合には、この方法のいくつかのステップはコンバータ１０２の制御ユニット１３８で実行されてもよい。
【００４１】
ステップＳ１００では、ＵＰＳシステム１００の負荷側１０６におけるシステム負荷水準が決定される。システム負荷水準は負荷１１８の現在の電力消費に依存する。
【００４２】
ステップＳ１１０において、望ましいアクティブコンバータの数は、システム負荷水準およびアクティブコンバータ１０２の数に依存するシステム効率に基いて決定される。それゆえ、ステップＳ１１２において、アクティブコンバータ１０２の数のために負荷水準が決定され、すべてのアクティブコンバータ１０２の効率が決定される。特に、それぞれのコンバータ１０２の負荷水準はコンバータ１０２の効率を決定するために図３の効率曲線と比較され、効率曲線の動作点が特定され、この動作点におけるコンバータ効率によりコンバータ効率が決定される。全体的なシステム効率はコンバータ１０２の効率に基いて計算される。
【００４３】
代替的な実施例では、コンバータ負荷水準に依存するコンバータ効率は個別の効率曲線にそれぞれ基づいたそれぞれのコンバータ１０２のために決定される。
【００４４】
ステップＳ１１４では、上記のステップ１１２が繰り返され、アクティブコンバータ１０２の数が１つずつ増えるという仮定のもとで計算される。それゆえ、システム効率はシステム負荷水準およびアクティブコンバータ１０２の数プラス１に基づいて決定され、システム負荷水準は仮定されたアクティブコンバータへの負荷電力の分布とそれぞれのコンバータ１０２への計算の基礎として使用される。この計算に基づいて、全体的なシステム効率が決定される。
【００４５】
ステップＳ１１６において、上記のステップ１１２が繰り返され、アクティブコンバータ１０２の数が１つずつ減るという仮定のもとで計算される。それゆえ、システム効率はシステム負荷水準およびアクティブコンバータ１０２の数マイナス１に基づいて決定され、システム負荷水準は仮定されたアクティブコンバータへの負荷電力の分布とそれぞれのコンバータ１０２への計算の基礎として使用される。この計算に基づいて、全体的なシステム効率が決定される。
【００４６】
ステップ１１８において、望まれるアクティブコンバータ１０２の数はアクティブコンバータの数のための全体的なシステム効率の上記決定に基づいて決定され、アクティブコンバータ１０２の数のための全体的なシステム効率を、アクティブコンバータ１０２の数プラス１のための全体的なシステム効率、アクティブコンバータ１０２の数マイナス１のための全体的なシステム効率と比較することを備える。アクティブコンバータの数は最大のシステム効率が予め定義されたしきい値とともに電流システム効率を上回るケースにおける最大のシステム効率をもたらす値に設定される。しきい値は最小しきい値を定義し、それはＵＰＳシステム１００の構成を修正するため、すなわちアクティブコンバータの数を修正するために上回る必要がある。しきい値はＵＰＳシステムのシステム特性に基づいたユーザー定義値である。
【００４７】
代替的な実施例において、ステップＳ１１０では、システム負荷のための負荷バンドが定義され、システム負荷が負荷バンド以外の場合の最大のシステム効率を有するアクティブコンバータ１０２の数が修正される。所定のコンバータ１０２の数を有する所定のＵＰＳシステム１００の構成において、システム効率は異なる構成の負荷すなわち異なるアクティブコンバータ数の負荷に基づいて決定される。それゆえ、負荷水準に依存してアクティブコンバータの数は直接減少する。
【００４８】
ステップＳ１２０において、上記決定に基づく必要な数のコンバータ１０２が活性化される。ステップＳ１００に回帰する方法はシステム負荷水準を連続的に監視し、最大効率においてＵＰＳシステムを動かす。図１のＵＰＳシステムを直流電源１１０を示すことなく簡素な方法で描く図４に見られるように、直流電力バス１１４および迂回ユニット１４０は例として、ＵＰＳシステム１００は交流電源ニュートラルおよび負荷基準を中心に据えた２面直流リンク１３０を有する。他の構成は除外されていない。この例において、交流電力バス１１２と接続したコンバータ１０２およびＵＰＳ２...ＵＰＳＮ＋ｘとマークされる太線の接続を有する出力バス１１６は負荷支持に貢献する。図４の上部でＵＰＳ１と示されるコンバータ１０２は負荷支持に貢献しない。
【００４９】
修正された実施例では、ステップＳ１１０はさらにＵＰＳシステム１００の動作モードおよび冗長性の水準の追加的考慮下における必要なアクティブコンバータ１０２の数の決定を含む。これらの設定はユーザー設定で、取り換えが必要なようたとえば負荷変更またはアクティブコンバータ１０２の障害に対する所望の応答時間に依存する。それゆえ、負荷１１８を支持することなく追加的なコンバータが活性化され、アイドル損失に貢献する。
【００５０】
動作モードは、コンバータ１０２が完全に動作可能なアクティブ形態とも称されるダブルコンバージョンモードおよび低減された高調波を有する実用電流／ソース電流に、高調波を含んでもよい負荷電流を変換するよう支持されたラインインタラクティブモードとを備える。これらのモードは必要なＵＰＳシステム１００の動作の追加的な最適化を実行するよう選択される。
【００５１】
さらに修正された実施例において、アクティブでないコンバータ１０２は必要な応答時間に依存して使用可能な異なる状態に維持されコンバータ１０２がたとえばトリガ信号で活性化され、全体的なシステム効率に異なる損失を増加させることができる。使用可能な異なる状態は異なる活性化時間および異なる全体効率の効果を暗示する。いずれの場合においても、コンバータ１０２は制御装置１１８から指令を受けて異なる使用可能状態によって動作状態を活性化から非活性化あるいはその逆に変化させるようにシステム通信水準を維持する。
【００５２】
様々な迅速性水準におけるアクティブでないコンバータ１０２の維持は、コンバータ１０２を通電され、少なくとも部分的に活性化されるが、負荷側１０６への電力供給に貢献しない、アクティブでないコンバータ１０２を電源側１０４および負荷側１０６に接続することを維持すること、コンバータ１０２は通電されるが非活性化され、コンバータ１０２をアクティブでない電源側１０４および負荷側１０６に接続され維持すること、コンバータ１０２が通電されない、アクティブでない電源側１０４および負荷側１０６に接続することでコンバータ１０２を維持することを備える。使用可能状態に依存してコンバータ１０２は、短いまたは長い応答時間で活性化され制御装置１２２が負荷１１８によって受け入れ可能な時間スケールで他のアクティブコンバータ１０２と並列して接続したコンバータを十分早く、典型的には半サイクルまたは１０ｍｓより早く活性化できる。使用可能状態はＵＰＳシステムまたはコンバータ１０２の反応時間、必要とされる冗長性水準、負荷１１８の公知の行動および異なる使用可能状態におけるアイドル損失の状態によって決定される。
【００５３】
図５によれば、負荷支持に貢献しないコンバータ１０２は交流電源１０８および負荷１１８に接続されるが、コンバータユニット１３２、１３４、１３６のいずれも電力オンされていない。直流リンク１３０は出力コンバータユニット１３６の制御されたユニットの反平行／フリーホイールダイオードを通じて、負荷側１０６からの交流電源１０８からの交流ピーク値において維持される。それゆえ、図４において描かれたＵＰＳ１と数字が付されたコンバータのための出力コンバータユニット１３６を通じた電流路が形成される。
【００５４】
この状態において、損失の源は、コンバータ１０２の通信および制御を支持するコンバータ１０２の補助電源１４６であり、補助電源は特にコンバータ１０２をオンにするためにコンバータの使用可能性を維持する必要のある制御ユニット１３８を支持する。コンバータ１０２の反応はミリ秒のオーダーで達成される。この構成において、負荷１１８は第１の入力コンバータユニット１３２および出力コンバータユニット１３６がオンにされたときわずかな過渡がみえてもよい。これは典型的には降圧型のコンバータ／インバータを備える出力コンバータユニットが、適切なレギュレーションを維持するために直流リンク１３０の電圧水準および瞬間的な出力電圧の間にヘッドルームを必要とするため発生する。第１のコンバータユニットの応答は、必要なヘッドルームでレギュレーションとリンクさせるために通常数ミリ秒のオーダー内にある。
【００５５】
負荷支持に貢献しないコンバータ１０２はまた図６を参照して議論される。コンバータ１０２は交流電源１０８および負荷１１８と接続され第１のコンバータユニット１３２は出力リンク１３０を適切な通常動作水準で維持するためにオンされる。代替的に、出力コンバータユニット１３６は負荷側１０６から出力リンク１３０を維持することができる。
【００５６】
図５で論じられた状態よりも損失はやや高い。それは、非常に低い負荷である第１のコンバータユニット１３２または出力コンバータユニット１３６が、図５を参照して論じた補助機能のみが支持されるとき、図５を参照して議論された状態と比較して追加されなければならないためである。第１のコンバータユニット１３２は損失を最小化するよう動作されてもよく、出力コンバータユニット１３６のためのヘッドルームを維持する。この動作状態において、負荷１１８は、実践的に過渡がなくなるが、それはオン状態となった瞬間に適切に作動するよう出力コンバータユニット１３６がリンクおよび出力電圧の間で十分なヘッドルームを持つためである。
【００５７】
図７によれば、負荷支持に貢献しないコンバータ１０２は交流電源１０８および負荷１１８に接続されるが、コンバータユニット１３２、１３４、１３６のいずれも電力がオンされていない。直流リンク１３０はダウンする。補助電源１４６は先に論じたように制御および通信を支持する。制御装置１２２からの指令をオン状態にする応答は、コンバータユニット１３６をオン状態にすることができる前に直流リンクが予め充電されていなければならないので遅い。応答時間は秒のオーダーにある。しかしながら、この動作状態の損失は最少なので、ＵＰＳシステム１００によって冗長性の高い水準が提供されるとき、このモードが選択されることができ、コンバータ１０２の予期せぬ電力は起こる可能性が低い。
【００５８】
図面および以上の説明により本発明が図示および説明されたものの、そのような図および説明は図または例にすぎず、限定的なものではなく、本発明は開示された実施例に限定されない。実施例で開示された以外の変化が図、開示または付加された請求項の研究により、当業者が請求項の発明を実施するにあたり、理解し、発効される。請求項内の単語「備える」は他の要素またはステップを除外するものではなく、不定詞「ａ」または「ａn」は複数を除外するものではない。一定の手段が相互に異なる従属請求項に復唱される単なる事実はこれらの手段を組み合わせては有利に使用できないことを示すものではない。請求項内の任意の参照符号は範囲を限定するものと解釈されてはならない。
【００５９】
参照符号リスト
【符号の説明】
【００６０】
１００  無停電電源（ＵＰＳ）システム
１０２  コンバータ
１０４  電源側
１０６  負荷側
１０８  交流電源
１１０  直流電源
１１２  交流電力バス
１１４  直流電力バス
１１６  出力電力バス
１１８  負荷
１２０  通信バス
１２２  制御装置
１３０  直流リンク
１３２  第１の入力コンバータユニット
１３４  第２の入力コンバータユニット
１３６  出力コンバータユニット
１３８  制御ユニット
１４０  迂回ユニット
１４２  迂回交流電源
１４４  共通基準
１４６  補助電源
【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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【外国語明細書】
2016214068000001.pdf