特許 7604649 無停電電源装置

(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】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】無停電電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20241216BHJP

   B66B 1/34 20060101ALI20241216BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20241216BHJP

【ＦＩ】

H02J9/06 160

B66B1/34 A

H02J7/34 G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023530988

(86)(22)【出願日】2022-11-16

(86)【国際出願番号】 JP2022042534

(87)【国際公開番号】W WO2024105806

(87)【国際公開日】2024-05-23

【審査請求日】2023-05-23

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松本 淳

【審査官】大濱 伸也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０５４７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２５３６５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ９／０６

Ｈ０２Ｊ ７／３４

Ｂ６６Ｂ １／３４

Ｂ６６Ｂ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電源および負荷の間に接続される無停電電源装置であって、
前記交流電源からの交流電力を直流電力に変換して直流母線に出力するコンバータと、
前記直流母線から受ける直流電力を蓄電装置に蓄える充電動作と、前記蓄電装置の直流電力を前記直流母線に出力する放電動作とを選択的に実行する双方向チョッパと、
前記直流母線から受ける直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給し、前記負荷が発生する回生電力を直流電力に変換して前記直流母線に出力するインバータと、
前記蓄電装置のＳＯＣに基づいて前記双方向チョッパを制御する制御装置とを備え、
前記蓄電装置には、ＳＯＣの使用可能範囲の上限値よりも小さく、かつ、前記使用可能範囲の下限値よりも大きいＳＯＣ基準値が設定されており、
前記交流電源の健全時には、前記制御装置は、前記蓄電装置のＳＯＣが前記ＳＯＣ基準値になるように前記双方向チョッパを制御し、
前記交流電源の停電時には、前記制御装置は、前記使用可能範囲に基づいて、前記負荷の力行運転に対応して前記放電動作を制御し、前記負荷の回生運転に対応して前記充電動作を制御し、
前記交流電源の健全時に、前記コンバータは、前記負荷の回生運転に対応して前記直流母線から受ける直流電力を交流電力に変換して前記交流電源に供給し、
前記蓄電装置のＳＯＣが前記ＳＯＣ基準値よりも大きい場合には、前記制御装置は、前記負荷の回生運転に対応して、前記蓄電装置のＳＯＣが前記ＳＯＣ基準値になるように、前記放電動作を制御する、無停電電源装置。

【請求項2】

前記ＳＯＣ基準値は、前記交流電源の停電が発生してから予め定められた補償時間が経過するまでに前記蓄電装置から前記負荷に電力を供給するために必要なＳＯＣ以上となるように設定される、請求項１に記載の無停電電源装置。

【請求項3】

前記ＳＯＣ基準値は、前記ＳＯＣ基準値に、前記負荷が発生する回生電力量の最大値を加算した値が前記上限値以下となるように設定される、請求項２に記載の無停電電源装置。

【請求項4】

前記交流電源の健全時には、前記制御装置は、前記蓄電装置のＳＯＣが前記ＳＯＣ基準値を超えた場合に前記充電動作を停止し、
前記交流電源の停電時には、前記制御装置は、前記蓄電装置のＳＯＣが前記上限値を超えた場合に前記充電動作を停止する、請求項１から３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。

【請求項5】

前記交流電源の健全時には、前記制御装置は、前記蓄電装置のＳＯＣが前記ＳＯＣ基準値未満となった場合に前記放電動作を停止し、
前記交流電源の停電時には、前記制御装置は、前記蓄電装置のＳＯＣが前記下限値未満となった場合に前記放電動作を停止する、請求項１から３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。

【請求項6】

前記蓄電装置は、リチウムイオン電池である、請求項１に記載の無停電電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、無停電電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

国際公開第２０１７／１７９１６２号明細書（特許文献１）には、交流電源からの交流電力を直流電力に変換して直流母線に出力するコンバータと、直流母線から受けた直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、直流母線と蓄電池との間で直流電力を授受する第１の双方向チョッパと、直流母線とリチウムイオン電池との間で直流電力を授受する第２の双方向チョッパとを備えた無停電電源装置が開示されている。

【0003】

この無停電電源装置では、蓄電池を、交流電源の停電時に使用する直流電力を貯蔵する電池として使用する。リチウムイオン電池を、負荷の力行運転と回生運転とが切り替わる度に充放電が行われる電池として使用する。交流電源の健全時には、蓄電池を充電させ、交流電源の停電時には蓄電池を放電させるように第１の双方向チョッパを制御する。負荷が回生運転している場合にはリチウムイオン電池を充電させ、負荷が力行運転している場合にはリチウムイオン電池を放電させるように第２の双方向チョッパを制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１７／１７９１６２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、負荷で発生した回生電力をリチウムイオン電池に蓄えることができるため、交流電源の停電時において、回生電力を交流電源に戻すことなく、直流母線の電圧の上昇を抑制することができる。また、負荷が力行運転している場合には、リチウムイオン電池を放電させることで、回生電力を有効に利用することができる。

【0006】

しかしながら、特許文献１では、停電を補償するための電池（蓄電池）と、回生電力を回収するための電池（リチウムイオン電池）とを用意する必要がある。また、これら２つの電池にそれぞれ対応して２つの双方向チョッパを備える必要がある。そのため、無停電電源装置の大型化、高重量化およびコストアップを招くことが懸念される。また、交流電源の状態および負荷の運転状態に応じた無停電電源装置の制御が複雑化することが懸念される。

【0007】

本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであって、本開示の目的は、簡素な構成で負荷で発生した回生電力を交流電源に戻すことなく直流母線の電圧の上昇を抑制することが可能な無停電電源装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様に係る無停電電源装置は、交流電源および負荷の間に接続される。無停電電源装置は、コンバータと、双方向チョッパと、インバータと、制御装置とを備える。コンバータは、交流電源からの交流電力を直流電力に変換して直流母線に出力する。双方向チョッパは、直流母線から受ける直流電力を蓄電装置に蓄える充電動作と、蓄電装置の直流電力を直流母線に出力する放電動作とを選択的に実行する。インバータは、直流母線から受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給し、負荷が発生する回生電力を直流電力に変換して直流母線に出力する。制御装置は、蓄電装置のＳＯＣに基づいて双方向チョッパを制御する。蓄電装置には、ＳＯＣの使用可能範囲の上限値よりも小さく、かつ、使用可能範囲の下限値よりも大きいＳＯＣ基準値が設定されている。交流電源の健全時には、制御装置は、蓄電装置のＳＯＣがＳＯＣ基準値になるように双方向チョッパを制御する。交流電源の停電時には、制御装置は、使用可能範囲に基づいて、負荷の力行運転に対応して放電動作を制御し、負荷の回生運転に対応して充電動作を制御する。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、簡素な構成で負荷で発生した回生電力を交流電源に戻すことなく直流母線の電圧の上昇を抑制することが可能な無停電電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る無停電電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。

【図2】制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。

【図3】制御装置のうちの双方向チョッパの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。

【図4】バッテリのＳＯＣと参照電圧ＶＢＲとの関係を示す図である。

【図5】商用交流電源の健全時であって、負荷が力行運転している場合の無停電電源装置の動作を説明する図である。

【図6】商用交流電源の健全時であって、負荷が回生運転している場合の無停電電源装置の動作を説明する図である。

【図7】商用交流電源の停電時であって、負荷が力行運転している場合の無停電電源装置の動作を説明する図である。

【図8】商用交流電源の停電時であって、負荷が回生運転している場合の無停電電源装置の動作を説明する図である。

【図9】商用交流電源の復電した場合であって、負荷が回生運転している場合の無停電電源装置の動作を説明する図である。

【図10】制御装置による双方向チョッパの制御を説明するためのフローチャートである。

【図11】制御装置による双方向チョッパの制御を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰り返さないものとする。

【0012】

図１は、本実施の形態に係る無停電電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。図１に示すように、無停電電源装置１００は、商用交流電源６および負荷８の間に接続される。

【0013】

負荷８は、無停電電源装置１００から供給される交流電力によって駆動する力行運転と、回生電力（交流電力）を発生する回生運転とを実行するように構成されている。負荷８は、例えばモータを含んで構成される。モータを加速させる場合のようにモータに電力を供給する場合には、負荷８は力行運転する。一方、モータを減速させる場合のようにモータが回転駆動されて発電機として動作する場合には、負荷８は回生運転する。負荷８が発生した回生電力は無停電電源装置１００に供給される。

【0014】

図１に示すように、無停電電源装置１００は、入力端子Ｔ１、直流端子Ｔ２、出力端子Ｔ３、コンバータ１、電流検出器ＣＤ１～ＣＤ３、直流ラインＬ１，Ｌ２、コンデンサＣ１、双方向チョッパ２、インバータ３、操作部４、および制御装置５を備える。

【0015】

入力端子Ｔ１は、商用交流電源６から交流電圧ＶＩを受ける。交流電圧ＶＩの瞬時値は、制御装置５によって検出される。交流電圧ＶＩの瞬時値に基づいて、停電の発生の有無などが判別される。

【0016】

直流端子Ｔ２は、バッテリ７（蓄電装置）に接続される。バッテリ７は、直流電力を蓄える。バッテリ７には、例えばリチウムイオン電池が用いられる。直流端子Ｔ２の直流電圧ＶＢ（すなわち、バッテリ７の端子間電圧ＶＢ）の瞬時値は、制御装置５によって検出される。

【0017】

出力端子Ｔ３は、負荷８に接続される。負荷８は、無停電電源装置１００から供給される交流電力によって駆動される。出力端子Ｔ３に現れる交流電圧ＶＯの瞬時値は、制御装置５によって検出される。

【0018】

なお、無停電電源装置１００は、商用交流電源６から三相交流電圧を受け、負荷８に三相交流電圧を供給するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図１では一相分の回路のみが示されている。

【0019】

コンバータ１は、交流端子１ａ、正電圧端子１ｂ、および負電圧端子１ｃを有する。双方向チョッパ２は、直流端子２ａ、正電圧端子２ｂ、および負電圧端子２ｃを有する。インバータ３は、交流端子３ａ、正電圧端子３ｂ、および負電圧端子３ｃを有する。

【0020】

コンバータ１の交流端子１ａは、入力端子Ｔ１に接続される。電流検出器ＣＤ１は、入力端子Ｔ１と交流端子１ａの間に流れる電流Ｉｉの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｆを制御装置５に与える。

【0021】

双方向チョッパ２の直流端子２ａは、直流端子Ｔ２に接続される。電流検出器ＣＤ２は、直流端子Ｔ２と直流端子２ａの間に流れる直流電流ＩＢの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号ＩＢｆを制御装置５に与える。

【0022】

インバータ３の交流端子３ａは、出力端子Ｔ３に接続される。電流検出器ＣＤ３は、交流端子３ａと出力端子Ｔ３の間に流れる電流Ｉｏの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｏｆを制御装置５に与える。

【0023】

直流ラインＬ１，Ｌ２の一方端子は、それぞれコンバータ１の正電圧端子１ｂ、および負電圧端子１ｃに接続される。直流ラインＬ１，Ｌ２の他方端子は、それぞれインバータ３の正電圧端子３ｂ、および負電圧端子３ｃに接続される。また、直流ラインＬ１，Ｌ２は、それぞれ双方向チョッパ２の正電圧端子２ａおよび負電圧端子２ｃにそれぞれ接続される。直流ラインＬ１，ｌ２は「直流母線」の一実施例に対応する。

【0024】

コンデンサＣ１は、直流ラインＬ１，Ｌ２間に接続され、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤを安定化および平滑化させる。直流電圧ＶＤの瞬時値は、制御装置５によって検出される。

【0025】

コンバータ１は、制御装置５によって制御され、商用交流電源６から交流電圧ＶＩが健全に供給されている場合（すなわち、商用交流電源６の健全時）であって、負荷８が力行運転している場合には、商用交流電源６から入力端子Ｔ１を介して供給される交流電圧ＶＩを直流電圧ＶＤに変換して、直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する。商用交流電源６から交流電圧ＶＩが健全に供給されていない場合（すなわち、商用交流電源６の停電時）には、コンバータ１の運転は停止される。

【0026】

制御装置５は、商用交流電源６の健全時には、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるようにコンバータ１を制御する。商用交流電源６の停電時には、制御装置５は、コンバータ１の運転を停止させる。

【0027】

双方向チョッパ２は、制御装置５によって制御される。商用交流電源６の健全時には、双方向チョッパ２は、コンバータ１から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して供給される直流電力をバッテリ７に蓄える。商用交流電源６の停電時であって、負荷８が力行運転している場合には、双方向チョッパ２は、バッテリ７の直流電圧ＶＢを直流電圧ＶＤに変換して、正電圧端子２ｂおよび負電圧端子２ｃ間に出力する。商用交流電源６の停電時であって、負荷８が回生運転している場合には、双方向チョッパ２は、インバータ３から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して回生される直流電力をバッテリ７に蓄える。双方向チョッパ２は、バッテリ７に直流電力を蓄える充電動作と、バッテリ７の直流電力を直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する放電動作とを選択的に実行可能に構成されている。

【0028】

制御装置５は、商用交流電源６の健全時には、直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ２を制御する。商用交流電源６の停電時であって、負荷８が力行運転している場合には、制御装置５は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ２を制御する。商用交流電源６の停電時であって、負荷８が回生運転している場合には、制御装置５は、直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ２を制御する。

【0029】

インバータ３は、制御装置５によって制御される。商用交流電源６の健全時であって、負荷８が力行運転している場合には、インバータ３は、コンバータ１から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して供給される直流電圧ＶＤを交流電圧ＶＯに変換して負荷８に供給する。商用交流電源６の健全時であって、負荷８が回生運転している場合には、インバータ３は、負荷８から出力端子Ｔ３を介して供給される交流電圧ＶＯを直流電圧ＶＤに変換して直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する。

【0030】

商用交流電源６の停電時であって、負荷８が力行運転している場合には、インバータ３は、バッテリ７から双方向チョッパ２および直流ラインＬ１，Ｌ２を介して供給される直流電圧ＶＤを交流電圧ＶＯに変換して負荷８に供給する。インバータ３の出力電圧ＶＯは所望の値に制御可能になっている。制御装置５は、交流出力電圧ＶＯが正弦波状の参照電圧ＶＯＲになるようにインバータ３を制御する。商用交流電源６の停電時であって、負荷８が回生運転している場合には、インバータ３は、負荷８から出力端子Ｔ３を介して供給される交流電圧ＶＯを直流電圧ＶＤに変換して直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する。

【0031】

操作部４は、無停電電源装置の使用者によって操作される複数のボタン、種々の情報を表示する画像表示部などを含む。使用者が操作部４を操作することにより、無停電電源装置の電源をオンおよびオフしたり、種々の情報を設定することが可能となっている。

【0032】

制御装置５は、交流電圧ＶＩ、交流電流Ｉｉ、直流電圧ＶＤ，ＶＢ、直流電流ＩＢ、交流電圧ＶＯ、交流電流Ｉｏ、操作部４からの信号などに基づいて無停電電源装置全体を制御する。

【0033】

図２は、制御装置５のハードウェア構成例を示すブロック図である。代表的には、制御装置５は、所定のプログラムが予め記憶されたマイクロコンピュータによって構成することができる。

【0034】

図２の例では、制御装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０と、メモリ１２と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路１４とを含む。ＣＰＵ１０、メモリ１２およびＩ／Ｏ回路１４は、バス１６を経由して、相互にデータの授受が可能である。メモリ１２の一部領域にはプログラムが格納されており、ＣＰＵ１０が当該プログラムを実行することで、後述する各種機能を実現することができる。Ｉ／Ｏ回路１４は、制御装置５の外部との間で信号およびデータを入出力する。

【0035】

あるいは、図２の例とは異なり、制御装置５の少なくとも一部については、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの回路を用いて構成することができる。また、制御装置５の少なくとも一部について、アナログ回路によって構成することもできる。

【0036】

図３は、制御装置５のうちの双方向チョッパ２の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御装置５は、ＳＯＣ（State Of Charge）算出部２０と、停電検出器２２と、充電制御部２４と、放電制御部２６と、負荷判定部２８と、制御部３０とを含む。図３に示された各ブロックの機能は、制御装置５によるソフトウェア処理およびハードウェア処理の少なくとも一方によって実現することができる。

【0037】

ＳＯＣ算出部２０は、直流電圧ＶＢ（バッテリ７の端子間電圧ＶＢ）の検出値および／または直流電流ＩＢの検出値を用いて、バッテリ７のＳＯＣを算出する。バッテリ７のＳＯＣは、バッテリ７の蓄電量を示す値であり、例えば、バッテリ７の満充電容量に対する現在の蓄電量を百分率で表したものである。ＳＯＣの算出方法については、直流電流ＩＢＴの積算値を用いる手法、バッテリ７の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）とＳＯＣとの関係を示すＯＣＶ－ＳＯＣカーブを用いる手法など、公知の手法を用いることができる。ＳＯＣの算出値を示す信号ＳＯＣｆは制御部３０に与えられる。

【0038】

停電検出器２２は、交流電圧ＶＩの検出値に基づいて、商用交流電源６の停電が発生したか否かを検出し、検出結果を示す信号ＤＦを出力する。具体的には、交流電圧ＶＩが予め設定された正常範囲内である場合には、停電検出器２２は、商用交流電源６が健全であると判定し、Ｌレベルの信号ＤＦを出力する。交流電圧ＶＩが正常範囲よりも低い場合には、停電検出器２２は、商用交流電源６の停電が発生していると判定し、Ｈレベルの信号ＤＦを出力する。停電検出器２２の出力信号ＤＦは充電制御部２４および制御部３０に与えられる。

【0039】

充電制御部２４は、直流電圧ＶＢ（バッテリ７の端子間電圧ＶＢ）の目標電圧である参照電圧ＶＢＲを生成する。具体的には、充電制御部２４は、停電検出器２２の出力信号ＤＦと、バッテリ７のＯＣＶ－ＳＯＣカーブとを用いて、参照電圧ＶＢＲを生成する。図４は、バッテリ７のＳＯＣと参照電圧ＶＢＲとの関係を示す図である。

【0040】

図４に示すように、バッテリ７のＳＯＣには、バッテリ７の充電および放電を制御するための目安となる判定値ＳＯＣｍｉｎ，ＳＯＣｎｏｒｍａｌ，ＳＯＣｍａｘが設定されている。ＳＯＣ＝０％はバッテリ７の空状態に対応し、ＳＯＣ＝１００％はバッテリ７の満充電状態に対応する。

【0041】

ＳＯＣには、過充電を防止するためにバッテリ７の充電を禁止する禁止領域と、過放電を防止するためのバッテリ７の放電を禁止する禁止領域とが設定されている。ＳＯＣの使用可能範囲は、これらの禁止領域に基づいて設定された上限値ＳＯＣｍａｘおよび下限値ＳＯＣｍｉｎを有している。ＳＯＣ＞ＳＯＣｍａｘになるとバッテリ７の充電が禁止され、ＳＯＣ＜ＳＯＣｍｉｎになるとバッテリ７の放電が禁止される。

【0042】

ＳＯＣｎｏｒｍａｌは、商用交流電源６の健全時にバッテリ７の充電および放電の制御に用いられる判定値である。ＳＯＣｎｏｒｍａｌは、ＳＯＣｍｉｎより大きく、ＳＯＣｍａｘよりも小さくなるように設定される。商用交流電源６の健全時には、ＳＯＣ＞ＳＯＣｎｏｒｍａｌになるとバッテリ７の充電が停止され、ＳＯＣ＜ＳＯＣｎｏｒｍａｌになるとバッテリ７の放電が停止される。すなわち、商用交流電源６の健全時には、ＳＯＣがＳＯＣｎｏｒｍａｌを保つように、バッテリ７の充電および放電が制御される。ＳＯＣｎｏｒｍａｌは「ＳＯＣ基準値」の一実施例に対応する。

【0043】

ＳＯＣｎｏｒｍａｌは、ＳＯＣｂａｃｋｕｐ以上となるように設定される。ＳＯＣｂａｃｋｕｐとは、無停電電源装置１００が有する、商用交流電源６の停電時のバックアップ電源としての機能（停電補償機能）を担保するためのＳＯＣである。ＳＯＣｂａｃｋｕｐは、停電補償用蓄電量に対応している。停電補償用蓄電量とは、商用交流電源６の停電が発生したときに、予め定められた補償時間に亘ってバッテリ７から負荷８に対して電力を供給し続けるために必要な蓄電量である。したがって、停電補償機能を担保するためには、商用交流電源６の健全時においてＳＯＣをＳＯＣｂａｃｋｕｐ以上に保つ必要がある。

【0044】

図４に示すように、ＳＯＣｎｏｒｍａｌ≧ＳＯＣｂａｃｋｕｐとすることにより、無停電電源装置１００の停電補償機能を担保することができる。その一方で、ＳＯＣｎｏｒｍａｌをＳＯＣｍａｘに近い値に設定すると、商用交流電源６の停電時であって、負荷８が回生運転した場合に、負荷８が発生した回生電力を無停電電源装置１００が回収できないという問題が生じるおそれがある。

【0045】

詳細には、商用交流電源６の停電時には、インバータ３から直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力される回生電力をコンバータ１を介して商用交流電源６に供給することができない。そのため、回生電力が直流ラインＬ１，Ｌ２間に接続されるコンデンサＣ１に蓄えられて、直流電圧ＶＤが上昇する。コンデンサＣ１が過電圧となって故障に至ることを防ぐために、従来の無停電電源装置では、回生電流を熱に変換する抵抗器を設ける方法が採られている。しかしながら、この方法では、回生電力が無駄に廃棄されてしまうことが懸念される。

【0046】

本実施の形態に係る無停電電源装置１００では、商用交流電源６の停電時であって、負荷８が回生運転している場合には、双方向チョッパ２は、インバータ３から直流ラインＬ１，Ｌ２間に回生される直流電力をバッテリ７に蓄える。したがって、直流電圧ＶＤの上昇を抑制することができる。また、回生電力を有効に利用することが可能となる。

【0047】

ただし、負荷８の回生運転時にバッテリ７のＳＯＣがＳＯＣｍａｘに近い状態である場合には、負荷８から回生される直流電力をバッテリ７が回収することができず、結果的に直流電圧ＶＤの上昇を招いてしまう可能性がある。

【0048】

この対策として、ＳＯＣｎｏｒｍａｌは、負荷８で発生する回生電力量の最大値Ｗｍａｘに基づいて設定される。回生電力量の最大値Ｗｍａｘとは、負荷８が回生運転したときに回生できると推定される電力量の最大値である。回生電力量の最大値Ｗｍａｘは、予め実験またはシミュレーションによってデータを取得しておき、制御装置５のメモリ１２に記憶させておくことができる。

【0049】

ＳＯＣｎｏｒｍａｌは、ＳＯＣｎｏｒｍａｌ，ＷｍａｘおよびＳＯＣｍａｘが、ＳＯＣｎｏｒｍａｌ＋Ｗｍａｘ≦ＳＯＣｍａｘの関係を満たすように設定される。この関係は、商用交流電源６の停電中に負荷８が回生運転のみを行った場合であっても、負荷８から回生される直流電力によってバッテリ７のＳＯＣがＳＯＣｍａｘを超えない、すなわち、バッテリ７の充電が禁止されないことを意図したものである。図４の例では、ＳＯＣｍａｘとＳＯＣｎｏｒｍａｌとの差分に相当する蓄電量が、回生電力量の最大値Ｗｍａｘに対応している。

【0050】

以上に述べたように、ＳＯＣｎｏｒｍａｌは、ＳＯＣｍｉｎ，ＳＯＣｂａｃｋｕｐ，ＳＯＣｍａｘ，Ｗｍａｘとの間に、ＳＯＣｍｉｎ＜ＳＯＣｂａｃｋｕｐ≦ＳＯＣｎｏｒｍａｌ＋Ｗｍａｘ≦ＳＯＣｍａｘの関係を満たすように設定される。言い換えると、バッテリ７には、当該関係を満たすことができる電池容量を有するバッテリが適用される。商用交流電源６の健全時には、バッテリ７をＳＯＣの使用可能範囲の上限値ＳＯＣｍａｘまで充電しないため、バッテリ７の劣化の進行を抑制することができる。よって、バッテリ７の寿命を延ばすことができる。

【0051】

充電制御部２４は、参照電圧ＶＢＲとして、２つの電圧ＶＢ１，ＶＢ２を有している。電圧ＶＢ１は、バッテリ７のＯＣＶ－ＳＯＣカーブにおいてＳＯＣがＳＯＣｎｏｒｍａｌとなるときのＯＣＶに基づいて設定されている。電圧ＶＢ２は、バッテリ７のＯＣＶ－ＳＯＣカーブにおいてＳＯＣがＳＯＣｍａｘとなるときのＯＣＶに基づいて設定されている。充電制御部２４は、停電検出器２２の出力信号ＤＦがＬレベルのとき、すなわち、商用交流電源６の健全時には、参照電圧ＶＢＲをＶＢ１に設定する。停電検出器２２の出力信号ＤＦがＨレベルのとき、すなわち、商用交流電源６の停電時には、充電制御部２４は、参照電圧ＶＢＲをＶＢ２に設定する。

【0052】

図３に戻って、放電制御部２６は、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣの目標電圧である参照電圧ＶＤＲを生成する。例えば、放電制御部２６は、操作部４からの信号などに基づいて、参照電圧ＶＤＲを生成する。

【0053】

負荷判定部２８は、電流検出器ＣＤ３による交流電流Ｉｏの検出値に基づいて、負荷８が力行運転しているか回生運転しているかを判定する。負荷判定部２８は、例えば、電流検出器ＣＤ３の出力信号Ｉｏｆから得られる三相交流電流Ｉｏを三相－二相変換（例えばｄｑ変換）して有効電流および無効電流を求める。負荷判定部２８は、有効電流が正の値である場合（すなわち、有効電流がインバータ３から負荷８に流れている場合）は負荷８が力行運転していると判定する。有効電流が負の値である場合（すなわち、有効電流が負荷８からインバータ３に流れている場合）は、負荷判定部２８は、負荷８が回生運転していると判定する。負荷判定部２８は、判定結果を示す信号ＤＬを出力する。負荷８が力行運転している場合には信号ＤＬはＨレベルにされる。負荷８が回生運転している場合には信号ＤＬはＬレベルにされる。

【0054】

制御部３０は、ＳＯＣ算出部２０からの信号ＳＯＣｆ、停電検出器２２からの信号ＤＦ、充電制御部２４からの参照電圧ＶＢＲ、放電制御部２６からの参照電圧ＶＤＲ、負荷判定部２８からの信号ＤＬ、および直流電圧ＶＢ，ＶＤなどに基づいて、双方向チョッパ２を制御する。

【0055】

信号ＤＦがＬレベルであり、信号ＤＬがＨレベルである場合（商用交流電源６の健全時であって、負荷８が力行運転している場合）には、制御部３０は、直流電圧ＶＢ（バッテリ７の端子間電圧ＶＢ）が参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ２を制御する。参照電圧ＶＢＲ＝ＶＢ１である。

【0056】

信号ＤＦがＬレベルであり、信号ＤＬがＬレベルである場合（商用交流電源６の健全時であって、負荷８が回生運転をしている場合）には、制御部３０は、直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ２を制御する。参照電圧ＶＢＲ＝ＶＢ１である。

【0057】

信号ＤＦがＨレベルであり、信号ＤＬがＨレベルである場合（商用交流電源６の停電時であって、負荷８が力行運転している場合）には、制御部３０は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ２を制御する。

【0058】

信号ＤＦがＨレベルである、信号ＤＬがＬレベルである場合（商用交流電源６の停電時であって、負荷８が回生運転している場合）には、制御部３０は、直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ２を制御する。参照電圧ＶＢＲ＝ＶＢ２である。

【0059】

次に、無停電電源装置１００の動作について説明する。
図５は、商用交流電源６の健全時であって、負荷８が力行運転している場合の無停電電源装置１００の動作を説明する図である。図中の矢印は、商用交流電源６、負荷８およびバッテリ７の間で遣り取りされる電力の流れを示している。

【0060】

図５に示すように、コンバータ１は、商用交流電源６から供給される交流電力を直流電力に変換して直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する。インバータ３は、コンバータ１から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して供給される直流電力を交流電力に変換して負荷８に供給する。

【0061】

双方向チョッパ２は、コンバータ１から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して供給される直流電力をバッテリ７に蓄える。制御装置５は、バッテリ７の直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ（＝ＶＢ１）になるように双方向チョッパ２を制御する。これにより、バッテリ７のＳＯＣがＳＯＣｎｏｒｍａｌになるように、バッテリ７が充電される。ＳＯＣ＞ＳＯＣｎｏｒｍａｌになると、制御装置５は、双方向チョッパ２を停止させることにより、バッテリ７の充電を停止する。

【0062】

図６は、商用交流電源６の健全時であって、負荷８が回生運転している場合の無停電電源装置１００の動作を説明する図である。

【0063】

図６に示すように、インバータ３は、負荷８で発生した回生電力（交流電力）を直流電力に変換して直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する。コンバータ１は、負荷８から直流ラインＬ１，Ｌ２に回生される直流電力を交流電力に変換して商用交流電源６に供給する。図６の例では、ＳＯＣ＝ＳＯＣｎｏｒｍａｌであるため、双方向チョッパ２は停止している。ただし、ＳＯＣ＜ＳＯＣｎｏｒｍａｌである場合には、双方向チョッパ２は、負荷８から回生される直流電力をバッテリ７に蓄えることができる。この場合、制御装置５は、バッテリ７の直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ（＝ＶＢ１）になるように双方向チョッパ２を制御する。ＳＯＣ＞ＳＯＣｎｏｒｍａｌになると、制御装置５は、双方向チョッパ２を停止させることにより、バッテリ７の充電を停止する。

【0064】

図７は、商用交流電源６の停電時であって、負荷８が力行運転している場合の無停電電源装置１００の動作を説明する図である。商用交流電源６の停電が発生すると、入力端子Ｔ１およびコンバータ１の交流端子１ａの間に設けられた電磁接触器（図示せず）がオフされることにより、商用交流電源６と無停電電源装置１００とが切り離される。コンバータ１の運転は停止される。

【0065】

図７に示すように、負荷８が力行運転している場合には、双方向チョッパ２は、バッテリ７の直流電力を直流ラインＬ１，Ｌ２を介してインバータ３に供給する。インバータ３は、バッテリ７から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して供給される直流電力を交流電力に変換して負荷８に供給する。

【0066】

制御装置５は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ２を制御する。バッテリ７のＳＯＣが低下してＳＯＣ＜ＳＯＣｍｉｎになると、制御装置５は、双方向チョッパ２を停止させることにより、バッテリ７の放電を停止する。

【0067】

図８は、商用交流電源６の停電時であって、負荷８が回生運転している場合の無停電電源装置１００の動作を説明する図である。図７と同様に、無停電電源装置１００と商用交流電源６とは切り離され、コンバータ１の運転は停止される。

【0068】

図８に示すように、インバータ３は、負荷８で発生した回生電力（交流電力）を直流電力に変換して直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する。双方向チョッパ２は、負荷８から直流ラインＬ１，Ｌ２に回生される直流電力をバッテリ７に蓄える。制御装置５は、バッテリ７の直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ（＝ＶＢ２）になるように双方向チョッパ２を制御する。これにより、バッテリ７のＳＯＣがＳＯＣｍａｘになるまでバッテリ７が充電される。ＳＯＣ＞ＳＯＣｍａｘになると、制御装置５は、双方向チョッパ２を停止させることにより、バッテリ７の充電を停止する。

【0069】

図９は、商用交流電源６が復電した場合であって、負荷８が回生運転している場合の無停電電源装置１００の動作を説明する図である。図８に示したように商用交流電源６の停電時に負荷８が発生した回生電力をバッテリ７に蓄えることによって、商用交流電源６の復電時にＳＯＣ＞ＳＯＣｎｏｒｍａｌとなっている場合がある。このような場合には、図９に示すように、双方向チョッパ２は、負荷８の回生運転時に、バッテリ７の直流電力を直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力することにより、ＳＯＣをＳＯＣｎｏｒｍａｌまで下げることができる。コンバータ１は、インバータ３およびバッテリ７から直流ラインＬ１，Ｌ２に供給される直流電力を交流電力に変換して商用交流電源６に供給する。これにより、回生電力を有効に利用することができる。

【0070】

制御装置５は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ２を制御する。バッテリ７のＳＯＣが低下してＳＯＣ≦ＳＯＣｍｉｎになると、制御装置５は、双方向チョッパ２を停止させることにより、バッテリ７の放電を停止する。

【0071】

図１０および図１１は、制御装置５による双方向チョッパ２の制御を説明するためのフローチャートである。図１０および図１１のフローチャートは、無停電電源装置１００の作動時に、制御装置５によって繰り返し実行される。

【0072】

図１０に示されるように、制御装置５は、ステップ（以下、単に「Ｓ」と表記する）０１により、交流電圧ＶＩの検出値に基づいて、商用交流電源６の停電が発生しているか否かを判定する。交流電圧ＶＩが正常範囲内である場合にはＳ０１はＮＯ判定とされ、交流入力電圧ＶＩが正常範囲よりも低い場合にはＳ０１はＹＥＳ判定とされる。

【0073】

商用交流電源６が健全である場合（Ｓ０１のＮＯ判定時）、制御装置５は、Ｓ０２に進み、電流検出器ＣＤ３による交流電流Ｉｏの検出値に基づいて、負荷８が力行運転しているか回生運転しているかを判定する。交流電流Ｉｏから求められる有効電流が正の値である場合にはＳ０２はＹＥＳ判定とされ、有効電流が負の値である場合にはＳ０２はＮＯ判定とされる。

【0074】

負荷８が力行運転している場合（Ｓ０２のＹＥＳ判定時）には、制御装置５は、Ｓ０３により、商用交流電源６から供給される交流電力が負荷８に供給されるように、コンバータ１およびインバータ３を制御する（図５参照）。

【0075】

負荷８の力行運転中、制御装置５は、Ｓ０４により、バッテリ７のＳＯＣとＳＯＣｎｏｒｍａｌとを比較する。ＳＯＣ≦ＳＯＣｎｏｒｍａｌであれば（Ｓ０４のＹＥＳ判定時）、制御装置５は、Ｓ０５に進み、コンバータ１から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して供給される直流電力をバッテリ７に蓄えるように、双方向チョッパ２を制御する。Ｓ０５では、制御装置５は、参照電圧ＶＢＲをＶＢ１に設定し、直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ２を制御する。ＳＯＣ＞ＳＯＣｎｏｒｍａｌである場合（Ｓ０４のＮＯ判定時）には、Ｓ０６により、双方向チョッパ２を停止することにより、バッテリ７の充電を停止する。

【0076】

Ｓ０２に戻って、負荷８が回生運転している場合（Ｓ０２のＮＯ判定時）には、制御装置５は、Ｓ０７により、負荷８が発生した回生電力が商用交流電源６に供給されるように、コンバータ１およびインバータ３を制御する（図６参照）。

【0077】

負荷８の回生運転中、制御装置５は、Ｓ０８により、バッテリ７のＳＯＣとＳＯＣｎｏｒｍａｌとを比較する。ＳＯＣ＞ＳＯＣｎｏｒｍａｌであれば（Ｓ０８のＹＥＳ判定時）、制御装置５は、Ｓ０９に進み、バッテリ７の直流電力を直流ラインＬ１，Ｌ２に出力するように、双方向チョッパ２を制御する（図９参照）。Ｓ０９では、制御装置５は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ２を制御する。ＳＯＣ≦ＳＯＣｎｏｒｍａｌである場合（Ｓ０８のＮＯ判定時）には、Ｓ１０により、双方向チョッパ２を停止することにより、バッテリ７の放電を停止する。

【0078】

Ｓ０１に戻って、商用交流電源６の停電が発生している場合（Ｓ０１のＹＥＳ判定時）には、制御装置５は、Ｓ１１に進み、入力端子Ｔ１とコンバータ１の交流端子１ａとの間に設けられた電磁接触器をオフすることにより、無停電電源装置１００を商用交流電源６から切り離す。

【0079】

続いて、制御装置５は、Ｓ１２に進み、電流検出器ＣＤ３による交流電流Ｉｏの検出値に基づいて、負荷８が力行運転しているか回生運転しているかを判定する。

【0080】

負荷８が力行運転している場合（Ｓ１２のＹＥＳ判定時）には、制御装置５は、Ｓ１３により、バッテリ７の直流電力が負荷８に供給されるように、双方向チョッパ２およびインバータ３を制御する（図７参照）。

【0081】

負荷８の力行運転中、制御装置５は、Ｓ１４により、バッテリ７のＳＯＣとＳＯＣｍｉｎとを比較する。ＳＯＣ＞ＳＯＣｍｉｎであれば（Ｓ１４のＹＥＳ判定時）、制御装置５は、Ｓ１５に進み、バッテリ７の直流電力を直流ラインＬ１，Ｌ２に出力するように、双方向チョッパ２を制御する。Ｓ１５では、制御装置５は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ２を制御する。ＳＯＣ≦ＳＯＣｍｉｎである場合（Ｓ１６のＮＯ判定時）には、Ｓ１６により、双方向チョッパ２を停止することにより、バッテリ７の放電を停止する。

【0082】

Ｓ１２に戻って、負荷８が回生運転している場合（Ｓ１２のＮＯ判定時）には、制御装置５は、Ｓ１７により、バッテリ７のＳＯＣとＳＯＣｍａｘとを比較する。ＳＯＣ＜ＳＯＣｍａｘであれば（Ｓ１７のＹＥＳ判定時）、制御装置５は、Ｓ１８に進み、インバータ３から直流ラインＬ１，Ｌ２を介して回生される直流電力をバッテリ７に蓄えるように、双方向チョッパ２を制御する（図８参照）。Ｓ１７では、制御装置５は、参照電圧ＶＢＲをＶＢ２に設定し、直流電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ２を制御する。ＳＯＣ≧ＳＯＣｍａｘである場合（Ｓ１７のＮＯ判定時）には、Ｓ１９により、双方向チョッパ２を停止することにより、バッテリ７の充電を停止する。

【0083】

以上説明したように、本実施の形態に係る無停電電源装置１００では、商用交流電源６の健全時には、バッテリ７のＳＯＣがＳＯＣの使用可能範囲の上限値ＳＯＣｍａｘよりも小さく、かつ、下限値ＳＯＣｍｉｎよりも大きいＳＯＣｎｏｒｍａｌ（ＳＯＣ基準値）になるように、双方向チョッパ２が制御される。これによると、商用交流電源６の停電時に負荷８が回生運転した場合に、負荷８が発生した回生電力を、双方向チョッパ２を介してバッテリ７が回収することができる。

【0084】

これによると、回生電力を商用交流電源６に戻すことなく直流電圧ＶＤの上昇を抑制することができる。また、負荷８が回生運転から力行運転に切り替わったときにはバッテリ７に蓄えられた回生電力を負荷８に供給することができるため、負荷８の回生電力を有効に利用することができる。さらに、商用交流電源６の健全時にはバッテリ７をＳＯＣの使用可能範囲の上限値ＳＯＣｍａｘまで充電しないため、バッテリ７の劣化の進行を抑制することができる。よって、バッテリ７の長寿命化を実現することができる。

【0085】

また上記構成において、ＳＯＣｎｏｒｍａｌを、停電補償用蓄電量に基づいたＳＯＣｂａｃｋｕｐ以上に設定することにより、商用交流電源６の停電時に負荷８が力行運転した場合には、バッテリ７に蓄えられた直流電力を用いて、負荷８を予め定められた補償時間に亘って駆動することができる。

【0086】

さらに、ＳＯＣｎｏｒｍａｌを、ＳＯＣｎｏｒｍａｌ＋Ｗｍａｘ（回生電力量の最大値）≦ＳＯＣｍａｘの関係を満たすように設定することにより、商用交流電源６の停電中に負荷８が回生運転のみを行った場合に、回生電力によってバッテリ７のＳＯＣがＳＯＣｍａｘを超えてバッテリ７の充電が禁止されることを回避できる。よって、回生電力を回収しきれずに直流電圧ＶＤの上昇を抑制することができる。

【0087】

特許文献１では、停電補償用の蓄電池とは別に、回生電力を回収するためのリチウムイオン電池を用いるため、２つの電池および２つの双方向チョッパが必要となり、無停電電源装置の大型化、高重量化およびコストアップを招いてしまう。また、無停電電源装置の制御が複雑化することが懸念される。本実施の形態では、１つのバッテリ７が停電補償と回生電力の回収とを担うことができるため、このような懸念点を解消することができる。

【0088】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の技術的範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0089】

１ コンバータ、２ 双方向チョッパ、３ インバータ、４ 操作部、５ 制御装置、６ 商用交流電源、７ バッテリ、８ 負荷、１０ ＣＰＵ、１２ メモリ、１４ Ｉ／Ｏ装置、１６ バス、２０ ＳＯＣ算出部、２２ 停電検出器、２４ 充電制御部、２６ 放電制御部、２８ 負荷判定部、３０ 制御部、１００ 無停電電源装置、Ｃ１ コンデンサ、ＣＤ１～ＣＤ３ 電流検出器、Ｌ１，Ｌ２ 直流ライン。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】