(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-22
(45)【発行日】2024-08-30
(54)【発明の名称】無停電電源システム
(51)【国際特許分類】
H02J 9/06 20060101AFI20240823BHJP
H02J 3/38 20060101ALI20240823BHJP
H02J 3/32 20060101ALI20240823BHJP
【ＦＩ】
H02J9/06 120
H02J3/38 110
H02J3/38 130
H02J3/32
H02J3/38 180
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2020142347
(22)【出願日】2020-08-26
(65)【公開番号】P2022038061
(43)【公開日】2022-03-10
【審査請求日】2023-07-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000003942
【氏名又は名称】日新電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100121441
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 竜平
(74)【代理人】
【識別番号】100154704
【弁理士】
【氏名又は名称】齊藤 真大
(74)【代理人】
【識別番号】100129702
【弁理士】
【氏名又は名称】上村 喜永
(74)【代理人】
【識別番号】100206151
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 惇志
(74)【代理人】
【識別番号】100218187
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 治子
(72)【発明者】
【氏名】柏原 弘典
(72)【発明者】
【氏名】河▲崎▼ 吉則
(72)【発明者】
【氏名】西村 荘治
【審査官】佐藤 匡
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１８７１０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第６３３８１３１（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開２０１７－０５０２３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１４６３３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０２７０１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０９４０２６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ９／０６
Ｈ０２Ｊ ３／３８
Ｈ０２Ｊ ３／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、前記電力系統から前記負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源から前記負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源システムであって、前記電力線において前記分散型電源よりも前記電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する機械式スイッチと、
前記電力線において前記機械式スイッチに並列接続されたコンデンサと、
前記機械式スイッチよりも前記電力系統側の電圧を検出する系統側電圧検出部と、
前記系統側電圧検出部の検出電圧から前記電力系統の電圧異常を検出する系統異常検出部と、
前記分散型電源による給電を制御する制御部とを備え、
前記系統異常検出部により電圧異常が検出された場合には、前記機械式スイッチを開放するとともに、前記分散型電源から前記負荷への電力の供給を開始し、
前記コンデンサは、その静電容量Ｃが以下の（１）式を満足するものである無停電電源システム。
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉＳＷ （１）
ここで、Ｖは前記電力系統の定格電圧、Ｔは前記機械式スイッチの開放を開始してから、当該機械式スイッチの両端電圧の変化量が安定するまでの時間である過渡時間、ｉＳＷは前記機械式スイッチの開放を開始した時点で前記機械式スイッチに流れている電流である。
【請求項2】
前記電力線において前記分散型電源よりも前記電力系統側に設けられた解列スイッチを更に備え、前記制御部は、前記分散型電源から前記負荷への電力の供給を開始後、前記解列スイッチを開放し、前記分散型電源及び前記負荷を前記電力系統から切り離す請求項１に記載の無停電電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、常時商用給電方式の無停電電源システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
常時商用給電方式の無停電電源システムは、特許文献１に示すように、電力系統から負荷への給電を遮断する遮断器と、遮断器よりも負荷側に接続された蓄電池等の分散型電源とを備えている。
【0003】
この無停電電源システムは、電力系統の正常時には、遮断器を介して電力系統から負荷に給電するとともに分散型電源を系統連系運転させる。一方、電力系統の異常時には、遮断器を開放して電力系統から負荷への給電を遮断すると同時に、分散型電源の運転モードを電流制御から電圧制御に切り替えて自立運転させる。これにより、電力系統の異常時でも負荷に無停電で確実に電力を供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第３４０２８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記した無停電電源システムは、遮断器としてＩＧＢＴ等の半導体スイッチを用いるため、高速な開閉切替動作が可能となる一方で、素子のオン抵抗に起因する通電損失が小さくない。また、高圧・特別高圧のような高電圧環境下では、高価な半導体スイッチを複数台直列接続する必要があり、コストが増大するとともに制御回路も複雑になる。
【0006】
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、電力系統の異常時における補償動作を高速で行う電力システムを低コストで提供することをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
すなわち本発明に係る無停電電源システムは、電力系統の正常時に当該電力系統から負荷に給電し、前記電力系統の異常時に前記電力系統から前記負荷への給電を遮断するとともに、前記電力系統から前記負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源から前記負荷に給電する常時商用給電方式のものであって、前記電力線において前記分散型電源よりも前記電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する機械式スイッチと、前記電力線において前記機械式スイッチに並列接続されたコンデンサと、前記機械式スイッチよりも前記電力系統側の電圧を検出する系統側電圧検出部と、前記系統側電圧検出部の検出電圧から前記電力系統の電圧異常を検出する系統異常検出部と、前記分散型電源による給電を制御する制御部とを備え、前記系統異常検出部により電圧異常が検出された場合には、前記機械式スイッチを開放するとともに、前記分散型電源から前記負荷への電力の供給を開始し、前記コンデンサは、その静電容量Ｃが以下の（１）式を満足するものであることを特徴とする。
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉＳＷ （１）
ここで、Ｖは前記電力系統の定格電圧、Ｔは前記機械式スイッチの開放を開始してから、当該機械式スイッチの両端電圧の変化量が安定するまでの時間である過渡時間、ｉＳＷは前記機械式スイッチの開放時に前記機械式スイッチに流れる遮断電流である。
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉＳＷ （１）
ここで、Ｖは前記電力系統の定格電圧、Ｔは前記機械式スイッチの開放を開始してから、当該機械式スイッチの両端電圧の変化量が安定するまでの時間である過渡時間、ｉＳＷは前記機械式スイッチの開放時に前記機械式スイッチに流れる遮断電流である。
【0008】
このような無停電電源システムであれば、電力系統の異常が検出された場合には、機械式スイッチを開放するとともに分散型電源から負荷への電力の供給を開始するので、系統異常時にも補償対象負荷に電力を供給することができる。ここで、機械式スイッチに並列接続されたコンデンサは、そのインピーダンスが機械式スイッチのアーク抵抗よりも小さくなるようにしているので、機械式スイッチの開放時に、アークを生じさせることなくコンデンサに転流及び限流させることができる。そのため、電力系統の異常が検出された場合には、機械式スイッチをゼロ点関係なく高速に遮断することができ、高圧・特別高圧のような高電圧環境下でも、高価な半導体スイッチに代えて、安価な機械式スイッチを遮断器として使用することができる。これにより、電力系統の異常時における補償動作を高速で行う無停電電源システムを低コストで提供することができる。
【0009】
前記無停電電源システムは、前記電力線において前記分散型電源よりも前記電力系統側に設けられた解列スイッチを更に備え、前記制御部は、前記分散型電源から前記負荷への電力の供給を開始後、前記解列スイッチを開放し、前記分散型電源及び前記負荷を前記電力系統から切り離すように構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【0010】
このように構成した本発明によれば、電力系統の異常時における補償動作を高速で行う電力システムを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本実施形態の無停電電源システムの構成を示す模式図である。
【図2】転流回路がない場合における電流遮断時の動作波形の一例を示すグラフ。
【図3】他の実施形態の無停電電源システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に、本発明の実施形態に係る無停電電源システム１００について、図面を参照して説明する。
【0013】
本実施形態の無停電電源システム１００は、図１に示すように、電力系統１０と負荷３０との間に設けられた常時商用給電方式のものである。この無停電電源システム１００は、電力系統１０の正常時に電力系統１０から負荷３０に給電し、電力系統１０の短絡事故等により生じる電圧異常時に電力系統１０から負荷３０への給電を遮断するとともに、分散型電源２から負荷３０に給電する。
【0014】
具体的に無停電電源システム１００は、分散型電源２と、電力系統１０と分散型電源２及び負荷３０とを接続する開閉スイッチ３と、開閉スイッチ３に並列接続された転流回路４と、開閉スイッチ３よりも電力系統１０側に設けられた解列スイッチ６と、開閉スイッチ３よりも電力系統１０側の電圧を検出する系統側電圧検出部７と、系統側電圧検出部７の検出電圧により電力系統１０の電圧異常を検出する系統異常検出部８と、分散型電源２による給電を制御する制御部９とを備えている。
【0015】
分散型電源２は、電力系統１０から負荷３０に給電するための電力線Ｌ１に接続されている。この分散型電源２は、電力系統１０に連系されるものであり、例えば太陽光発電や燃料電池などの直流発電設備２１、二次電池（蓄電池）などの電力貯蔵装置（蓄電デバイス）２２、風力発電やマイクロガスタービンなどの交流で出力された電気エネルギーを直流に整流したうえで、電力変換装置を用いて系統連系をされる発電設備（不図示）、又は、同期発電機や誘導発電機等の交流発電設備２３である。直流発電設備２１及び電力貯蔵装置（蓄電デバイス）２２は、図示しない電力変換装置を備えている。なお、無停電電源システム１００は、少なくとも電力貯蔵装置２２を備えており、その他上記何れかの分散型電源２を有するものであってもよい。
【0016】
開閉スイッチ３は、電力線Ｌ１において分散型電源２の接続点よりも電力系統１０側に設けられて電力線Ｌ１を開閉するものであり、具体的には機械式スイッチ（以下、機械式スイッチ３ともいう）である。この機械式スイッチ３は、制御部９から送信される信号に応じて、所定の開極時間で開閉駆動されるように構成されている。
【0017】
転流回路４は、機械式スイッチ３を開放した際に電流が流れ込む（転流）ように構成され、これを限流させるものである。具体的にこの転流回路４は、機械式スイッチ３に対して並列接続され、互いに直列接続されているコンデンサ４１と抵抗素子４２とを備える。コンデンサ４１は、具体的には例えばフィルムコンデンサ等である。
【0018】
コンデンサ４１は、機械式スイッチ３を開放した際に、機械式スイッチ３に流れる電流を、アークを生じさせることなく瞬時に転流回路４に転流させ、機械式スイッチ３をゼロ点関係なく高速に遮断できるようにその静電容量Ｃが定められている。
【0019】
ここで、無停電電源システム１００が転流回路４を備えておらず、機械式スイッチ３を開放してアークが発生した時の動作波形の一例を図２に示す。本実施形態の無停電電源システム１００において、機械式スイッチ３を開放時にアークを生じさせることなく転流回路４に電流を転流させるには、転流回路４の抵抗が図２に示すアーク抵抗Ｒａｒｋの最小値（遮断電流ｉｓｗが最大時）よりも小さくなるように、抵抗４２を決定する必要がある。
【0020】
本実施形態のコンデンサ４１をより具体的に説明すると、電力系統１０の定格電圧をＶ、機械式スイッチ３の開放（又は開極）を開始してから、当該機械式スイッチ３の両端電圧の変化量が安定するまでの時間（過渡時間ともいう）をＴ、機械式スイッチ３の開放時に流れる遮断電流（最大時）をｉＳＷとして、以下の（１）式を満たすようにコンデンサ４１を構成している。また各パラメータの誤差を考慮すると、余裕をもって（１）’式を満たすようにコンデンサ４１を構成するのが好ましい。
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉＳＷ （１）
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞１．３×ｉＳＷ （１）’
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉＳＷ （１）
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞１．３×ｉＳＷ （１）’
【0021】
上記（１）式の意味を説明する。コンデンサ４１に流れる電流をｉｃ、コンデンサ４１に印加される電位差をｄｖ／ｄｔとすると、当該電流ｉｃは下記（２）式で表すことができる。
ｉｃ＝Ｃ×（ｄｖ／ｄｔ） （２）
機械式スイッチ３が閉じた状態では、電流はその殆どが低インピーダンスであるスイッチを介して流れるため、ｉｃ≒０となり、すなわちコンデンサ４１に印加される電位差ｄｖ／ｄｔ≒０、となっている。機械式スイッチ３を開放した瞬間、機械式スイッチ３の端子間の電圧変化によって、コンデンサ４１に流れる電流ｉｃが大きくなる。このとき、アークを生じさせさせることなく転流回路４への転流を完了できると仮定すれば、機械式スイッチ３を開放した瞬間にスイッチの端子間が回路の定格電圧まで上昇するといえる。従ってこの場合、（２）式のｄｖ／ｄｔは、“定格電圧Ｖ／スイッチの過渡時間Ｔ”となり、コンデンサ４１に流れる電流ｉｃは、（３）式となる。
ｉｃ＝Ｃ×（Ｖ／Ｔ） （３）
ｉｃ＝Ｃ×（ｄｖ／ｄｔ） （２）
機械式スイッチ３が閉じた状態では、電流はその殆どが低インピーダンスであるスイッチを介して流れるため、ｉｃ≒０となり、すなわちコンデンサ４１に印加される電位差ｄｖ／ｄｔ≒０、となっている。機械式スイッチ３を開放した瞬間、機械式スイッチ３の端子間の電圧変化によって、コンデンサ４１に流れる電流ｉｃが大きくなる。このとき、アークを生じさせさせることなく転流回路４への転流を完了できると仮定すれば、機械式スイッチ３を開放した瞬間にスイッチの端子間が回路の定格電圧まで上昇するといえる。従ってこの場合、（２）式のｄｖ／ｄｔは、“定格電圧Ｖ／スイッチの過渡時間Ｔ”となり、コンデンサ４１に流れる電流ｉｃは、（３）式となる。
ｉｃ＝Ｃ×（Ｖ／Ｔ） （３）
【0022】
（３）式から、過渡時間Ｔがより長い場合でもコンデンサ４１に流れる電流ｉｃを維持するためには、（過渡時間Ｔの長さに比例した）より大きなＣが必要であることがわかる。（３）式において、このことを「右辺の過渡時間Ｔの値を変えずに計算して算出される左辺のコンデンサ４１に流れる電流ｉｃ」と機械式スイッチ３の遮断電流ｉＳＷとの関係で述べると、以下となる。機械式スイッチ３を開放時に、アークを生じさせることなく遮断電流を転流回路４に転流させるためには、コンデンサ４１に流れる電流ｉｃと、機械式スイッチ３の遮断電流ｉＳＷとが以下の（４）式を満たすようにする必要がある。
ｉｃ＞ｉＳＷ （４）
当該（４）式に上記（２）式を当てはめることにより、上記（１）式が導かれる。
ｉｃ＞ｉＳＷ （４）
当該（４）式に上記（２）式を当てはめることにより、上記（１）式が導かれる。
【0023】
解列スイッチ６は、電力線Ｌ１において分散型電源２よりも（ここでは機械式スイッチ３よりも）電力系統１０側に設けられており、例えば機械式スイッチである。この解列スイッチ６は、制御部９により開閉制御される。
【0024】
系統側電圧検出部７は、電力線Ｌ１において機械式スイッチ３よりも電力系統１０側の電圧を、計器用変圧器を介して常時検出するものである。具体的に系統側電圧検出部７は、機械式スイッチ３及び転流回路４からなる並列回路よりも電力系統１０側に計器用変圧器を介して接続されている。系統側電圧検出部７は、検出した電圧を系統異常検出部８に入力する。
【0025】
系統異常検出部８は、系統側電圧検出部７により検出された検出電圧と、予め定められた整定値とを比較して、前記検出電圧が整定値以下である場合に、瞬時電圧低下を検出する。また、系統異常検出部８は、系統側電圧検出部７により検出された検出電圧から周波数変動（周波数上昇（ＯＦ）、周波数低下（ＵＦ））を検出する。なお、この周波数変動は、例えばステップ上昇や、ランプ上昇・下降である。その他、系統異常検出部８は、瞬時電圧低下、周波数変動及び停電に加えて、電圧上昇、位相変動、電圧不平衡、高調波異常又はフリッカの少なくとも１つを検出してもよい。
【0026】
制御部９は、無停電電源システム１００が備える各機器の運転／停止、開放／閉止等を制御するものである。この制御部９は、系統異常検出部８からの信号に応じて、（１）正常時モード、（２）異常時モード、の複数の制御モードを取るように構成されている。以下に、各制御モードについて説明する。
【0027】
（１）正常時モード
系統異常検出部８により系統異常が検出されていない場合（すなわち電力系統１０の正常時）、制御部９は機械式スイッチ３及び解列スイッチ６を閉じている。この場合、電力系統１０は、機械式スイッチ３を介して負荷３０に交流電力を供給する。転流回路４は機械式スイッチ３に並列接続されているが、機械式スイッチ３のインピーダンスは転流回路４のインピーダンスよりも小さいため、電力系統１０と負荷３０とは、機械式スイッチ３側で電力をやり取りする。なおこの正常時モードでは、分散型電源２は電力貯蔵装置２２の充電動作のみを行っており、負荷３０への電力の供給は行わない。
系統異常検出部８により系統異常が検出されていない場合（すなわち電力系統１０の正常時）、制御部９は機械式スイッチ３及び解列スイッチ６を閉じている。この場合、電力系統１０は、機械式スイッチ３を介して負荷３０に交流電力を供給する。転流回路４は機械式スイッチ３に並列接続されているが、機械式スイッチ３のインピーダンスは転流回路４のインピーダンスよりも小さいため、電力系統１０と負荷３０とは、機械式スイッチ３側で電力をやり取りする。なおこの正常時モードでは、分散型電源２は電力貯蔵装置２２の充電動作のみを行っており、負荷３０への電力の供給は行わない。
【0028】
（２）異常時モード
系統異常検出部８により瞬時電圧低下等の系統異常が検出された場合、制御部９は機械式スイッチ３を開放するともに、分散型電源２から負荷３０への電力の供給を開始する。この時、電力系統１０と分散型電源２とは転流回路４を介して接続された状態となるが、電力系統１０から分散型電源２に流れる電流は転流回路４のコンデンサ４１によって限流されるため、潮流は殆ど発生しない。この状態で制御部９は解列スイッチ６を開放し、電力系統１０と負荷３０とを完全に遮断する。
系統異常検出部８により瞬時電圧低下等の系統異常が検出された場合、制御部９は機械式スイッチ３を開放するともに、分散型電源２から負荷３０への電力の供給を開始する。この時、電力系統１０と分散型電源２とは転流回路４を介して接続された状態となるが、電力系統１０から分散型電源２に流れる電流は転流回路４のコンデンサ４１によって限流されるため、潮流は殆ど発生しない。この状態で制御部９は解列スイッチ６を開放し、電力系統１０と負荷３０とを完全に遮断する。
【0029】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の無停電電源システム１００によれば、電力系統１０の異常が検出された場合には、機械式スイッチ３を開放するとともに分散型電源２から負荷３０への電力の供給を開始するので、系統異常時にも補償対象負荷３０に電力を供給することができる。ここで、機械式スイッチ３に並列接続されたコンデンサ４１は、転流回路４のインピーダンスが機械式スイッチ３のアーク抵抗よりも小さくなるようにしているので、機械式スイッチ３の開放時に、アークを生じさせることなく転流回路４に電流を転流及び限流させることができる。そのため、電力系統１０の異常が検出された場合には、機械式スイッチ３をゼロ点関係なく高速に遮断することができ、高圧・特別高圧のような高電圧環境下でも、高価な半導体スイッチに代えて、安価な機械式スイッチ３を遮断器として使用することができる。これにより、電力系統１０の異常時における補償動作を高速で行う無停電電源システム１００を低コストで提供することができる。
このように構成した本実施形態の無停電電源システム１００によれば、電力系統１０の異常が検出された場合には、機械式スイッチ３を開放するとともに分散型電源２から負荷３０への電力の供給を開始するので、系統異常時にも補償対象負荷３０に電力を供給することができる。ここで、機械式スイッチ３に並列接続されたコンデンサ４１は、転流回路４のインピーダンスが機械式スイッチ３のアーク抵抗よりも小さくなるようにしているので、機械式スイッチ３の開放時に、アークを生じさせることなく転流回路４に電流を転流及び限流させることができる。そのため、電力系統１０の異常が検出された場合には、機械式スイッチ３をゼロ点関係なく高速に遮断することができ、高圧・特別高圧のような高電圧環境下でも、高価な半導体スイッチに代えて、安価な機械式スイッチ３を遮断器として使用することができる。これにより、電力系統１０の異常時における補償動作を高速で行う無停電電源システム１００を低コストで提供することができる。
【0030】
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【0031】
例えば、転流回路４は、直列接続されたコンデンサ４１と抵抗素子４２の両方を含んでいなくてもよく、コンデンサ４１のみを含んでいてもよい。
【0032】
他の実施形態の無停電電源システム１００は、図３に示すように、機械式スイッチ３及び転流回路４に対して並列接続された自己放電回路５を備えてもよい。このようにすれば、機械式スイッチ３と転流回路４により限流遮断した後、転流回路４のコンデンサ４１に残留する電荷を、自己放電回路５により放電することができる。自己放電回路５は、例えば、機械式スイッチ３及び転流回路４に対して並列接続され、互いに直列接続された抵抗素子５１及び開閉スイッチ５２等が挙げられる。この場合、自己放電回路５に含まれる開閉スイッチ５２は、機械式スイッチ３が開放している状態でのみ投入するようにする。自己放電回路５は、開閉スイッチ５２を含まなくてもよいが、その場合、自己放電回路５の抵抗値は、少なくとも機械式スイッチ３の通電抵抗よりも大きい値となるように構成する。
【0033】
解列スイッチ６は、電力線Ｌ１において機械式スイッチ３よりも電力系統１０側に設けられていたが、これに限らず、機械式スイッチ３よりも分散型電源２側に設けられてもよく、その両方に設けられていてもよい。
【0034】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【0035】
１００・・・電源システム
１０ ・・・電力系統
３０ ・・・負荷
Ｌ１ ・・・電力線
２ ・・・分散型電源
３ ・・・機械式スイッチ
４１ ・・・コンデンサ
７ ・・・系統側電圧検出部
８ ・・・系統異常検出部
９ ・・・制御部
１０ ・・・電力系統
３０ ・・・負荷
Ｌ１ ・・・電力線
２ ・・・分散型電源
３ ・・・機械式スイッチ
４１ ・・・コンデンサ
７ ・・・系統側電圧検出部
８ ・・・系統異常検出部
９ ・・・制御部
【図1】
【図2】
【図3】
