JP6642014B2

JP6642014B2 - Power system

Info

Publication number: JP6642014B2
Application number: JP2016003229A
Authority: JP
Inventors: 山田　隆二; 隆二山田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: JP2017127045A

Description

本発明は、三相交流電源から一台または複数台の直流電源装置を介して負荷に直流電力を供給する電源システムに関し、例えば、データセンタ等に適用される電源システムに関するものである。 The present invention relates to a power supply system for supplying DC power to a load from a three-phase AC power supply via one or more DC power supply devices, and for example, to a power supply system applied to a data center or the like.

図８は、従来の電源システムを示している。図８において、１は三相交流電源、２は無停電電源装置（以下、ＵＰＳともいう）、３１，３２，３３はＵＰＳ２の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の出力側に接続された直流電源装置である。また、４１，４２，４３は、直流電源装置３１〜３３にそれぞれ接続されるサーバ等の負荷である。
ここで、直流電源装置３１，３２，３３は、図示するようにＰＦＣ（Power Factor Correction）回路３１ａ，３２ａ，３３ａと絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂ，３２ｂ，３３ｂとを、それぞれ縦続接続して構成されることが多い。 FIG. 8 shows a conventional power supply system. 8, 1 is a three-phase AC power supply, 2 is an uninterruptible power supply (hereinafter also referred to as UPS), 31, 32, and 33 are connected to the output side of each phase (U, V, W phase) of UPS2. DC power supply. Reference numerals 41, 42, and 43 denote loads of servers and the like connected to the DC power supply devices 31 to 33, respectively.
Here, the DC power supplies 31, 32, and 33 are configured by cascade-connecting PFC (Power Factor Correction) circuits 31a, 32a, and 33a and insulated DC / DC converters 31b, 32b, and 33b, respectively, as shown in the figure. Often done.

ＰＦＣ回路は、単相交流電力を直流電力に変換し、その際に、入力電流波形を入力電圧と概ね同位相の正弦波形に制御する機能を有するものであり、図９は、その典型的な構成図である。
図９において、１０１は単相交流電源（例えば、図８のＵＰＳ２の一相分の出力）、１０２はコンデンサ、１０３〜１０６は単相整流回路を構成するダイオード、１０７はリアクトル、１０８はＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子、１０９はダイオード、１１０はコンデンサである。また、１１１はＰＦＣ回路の負荷であり、図８の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂ等がこれに該当する。ＰＦＣ回路の動作は周知であるため、ここでは説明を省略するが、スイッチング素子１０８の高調波スイッチングにより、前述した機能を実現するようになっている。 The PFC circuit has a function of converting a single-phase AC power into a DC power and controlling an input current waveform to a sine waveform having substantially the same phase as the input voltage at that time. FIG. It is a block diagram.
9, reference numeral 101 denotes a single-phase AC power supply (for example, an output for one phase of the UPS 2 in FIG. 8); 102, a capacitor; 103 to 106, a diode constituting a single-phase rectifier circuit; 107, a reactor; Is a semiconductor switching element, 109 is a diode, and 110 is a capacitor. Further, reference numeral 111 denotes a load of the PFC circuit, which corresponds to the isolated DC / DC converter 31b in FIG. Since the operation of the PFC circuit is well known, the description is omitted here, but the above-described function is realized by the harmonic switching of the switching element 108.

次に、図１０は、図８の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂ等の具体的な構成図である。図１０において、２０７はコンデンサ、２０８〜２１１はインバータを構成する半導体スイッチング素子、２１２は絶縁用のトランス、２１３〜２１６は単相整流回路を構成するダイオード、２１７はリアクトル、２１８はコンデンサである。 Next, FIG. 10 is a specific configuration diagram of the isolated DC / DC converter 31b and the like in FIG. In FIG. 10, 207 is a capacitor, 208 to 211 are semiconductor switching elements forming an inverter, 212 is an insulating transformer, 213 to 216 are diodes forming a single-phase rectifier circuit, 217 is a reactor, and 218 is a capacitor.

このＤＣ／ＤＣコンバータの動作の概要を説明する。スイッチング素子２０８，２１１をオンすると、トランス２１２の一次側には正の電圧（＋Ｅ）が印加され、スイッチング素子２０９，２１０をオンすると、トランス２１２の一次側には負の電圧（−Ｅ）が印加される。この動作を高調波にて交互に行うことで、コンデンサ２０７の直流電圧Ｅを数１０〜数１００［ｋＨｚ］の高調波交流電圧に変換する。 An outline of the operation of the DC / DC converter will be described. When the switching elements 208 and 211 are turned on, a positive voltage (+ E) is applied to the primary side of the transformer 212. When the switching elements 209 and 210 are turned on, a negative voltage (-E) is applied to the primary side of the transformer 212. Applied. By alternately performing this operation with harmonics, the DC voltage E of the capacitor 207 is converted into a harmonic AC voltage of several tens to several hundreds [kHz].

上記の高調波交流電圧をトランス２１２により絶縁して所定の大きさに変圧した後、ダイオード２１３〜２１６により整流し、リアクトル２１７及びコンデンサ２１８により整流、平滑して直流電圧に変換する。インバータの上アームのスイッチング素子２０８，２１０、または下アームのスイッチング素子２０９，２１１を同時にオンすると、トランス２１２の一次電圧は０［Ｖ］となり、このとき、瞬時電力の伝達量は０［Ｗ］となる。 The above-mentioned harmonic AC voltage is insulated by a transformer 212 and transformed into a predetermined magnitude, then rectified by diodes 213 to 216, rectified and smoothed by a reactor 217 and a capacitor 218, and converted into a DC voltage. When the upper-arm switching elements 208 and 210 or the lower-arm switching elements 209 and 211 of the inverter are simultaneously turned on, the primary voltage of the transformer 212 becomes 0 [V], and at this time, the transmission amount of instantaneous power is 0 [W]. Becomes

トランス２１２の一次電圧が０［Ｖ］となる期間を、前述した正電圧（＋Ｅ），負電圧（−Ｅ）の印加期間に挟んでその時比率を制御することにより、トランス２１２の一次電圧の絶対値の一周期内の平均値を０〜Ｅ［Ｖ］の範囲で任意に制御することができる。この技術はパルス幅変調（ＰＷＭ）として周知であり、図示しない制御装置からパルス幅指令を与えることにより、結果としてＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧または出力電流を任意の値に制御することが可能である。 By controlling the duty ratio of the period in which the primary voltage of the transformer 212 becomes 0 [V] between the application periods of the positive voltage (+ E) and the negative voltage (-E), the absolute value of the primary voltage of the transformer 212 is controlled. The average value within one cycle of the value can be arbitrarily controlled within a range of 0 to E [V]. This technique is known as pulse width modulation (PWM), and the output voltage or output current of the DC / DC converter can be controlled to an arbitrary value by giving a pulse width command from a controller (not shown). is there.

図１０において、エネルギー蓄積要素としてはコンデンサ２０７，２１８及びリアクトル２１７が存在し、この回路の動作周波数は数１０〜数１００［ｋＨｚ］である。一般に、エネルギー蓄積要素の容量は動作周波数の１周期分の電力脈動を平滑するために必要な値に選定され、動作周期に比例、すなわち動作周波数に反比例するので、コンデンサ２０７，２１８及びリアクトル２１７のエネルギー容量は極めて小さい値になる。
これに対し、図９における入力電力は、入力周波数すなわち交流電源１０１（図８の交流電源１）の商用周波数（一般的には５０または６０［Ｈｚ］）の２倍の脈動を生じるので、ＰＦＣ回路の出力側のコンデンサ１１０には、上記の脈動を平滑する大容量が必要になり、その容量は、前述したコンデンサ２０７，２１８の容量の１００〜１０００倍となる。 In FIG. 10, capacitors 207 and 218 and a reactor 217 exist as energy storage elements, and the operating frequency of this circuit is several tens to several hundreds [kHz]. In general, the capacity of the energy storage element is selected to be a value necessary for smoothing the power pulsation for one cycle of the operating frequency, and is proportional to the operating cycle, that is, inversely proportional to the operating frequency. The energy capacity becomes a very small value.
On the other hand, the input power in FIG. 9 generates a pulsation twice as high as the input frequency, that is, the commercial frequency (generally 50 or 60 [Hz]) of the AC power supply 101 (AC power supply 1 in FIG. 8). The capacitor 110 on the output side of the circuit needs a large capacity to smooth the pulsation, and the capacity is 100 to 1000 times the capacity of the capacitors 207 and 218 described above.

上記のように、図９の回路では平滑用のコンデンサ１１０が大容量化し、大型化するという問題点に鑑み、例えば下記の特許文献１には、整流回路の出力側の平滑コンデンサを省略可能としたＡＣ−ＤＣコンバータが開示されている。
このＡＣ−ＤＣコンバータでは、三相の交流入力電圧を三相全波整流することにより直流電圧の脈動を抑制し、平滑コンデンサの省略を可能にして装置の小型化を図っている。 As described above, in view of the problem that the smoothing capacitor 110 has a large capacity and a large size in the circuit of FIG. 9, for example, Patent Document 1 below discloses that the smoothing capacitor on the output side of the rectifier circuit can be omitted. A disclosed AC-DC converter is disclosed.
In this AC-DC converter, the pulsation of the DC voltage is suppressed by three-phase full-wave rectification of the three-phase AC input voltage, and the smoothing capacitor can be omitted to reduce the size of the device.

特開２０１２−８５４４７号公報（段落［００１９］〜［００２０］、図１５等）JP 2012-85447 A (paragraphs [0019] to [0020], FIG. 15 and the like)

近年、情報化の進展に伴い、データセンタ等の消費電力が大きくなっている。電力料金の節減、環境負荷の低減等、様々な角度から消費電力の抑制が求められるなか、データセンタ等に適用される電源システムにも、電力変換に伴う損失の低減、すなわち高効率化が求められている。
現在までは、主に個々の電源機器に着目して効率改善の努力がなされてきたが、その改善策も限界に近付きつつあり、これに代わるシステム全体での高効率化を実現する技術が必要である。 2. Description of the Related Art In recent years, power consumption of data centers and the like has increased with the progress of computerization. As power consumption is required to be reduced from various angles, such as saving electricity costs and reducing environmental impact, power systems used in data centers, etc., must also reduce the loss associated with power conversion, that is, increase efficiency. Have been.
Until now, efforts have been made to improve efficiency by focusing mainly on individual power supply devices, but the improvement measures are approaching their limits, and there is a need for an alternative technology to achieve higher efficiency in the entire system. It is.

また、特に都市部においてはデータセンタ等を建設できる土地が枯渇しており、電源システムに対する小型化の要求も大きくなっているが、消費電力の抑制と同様に、個々の電源機器の小型化も限界に近付いている。 Also, especially in urban areas, the land where data centers can be constructed has been depleted, and the demand for smaller power supply systems has been increasing. You are approaching the limit.

ここで、前述の特許文献１に記載されたＡＣ−ＤＣコンバータによれば、整流回路の出力側の平滑コンデンサを省略することが可能であるが、複数種類の入力電源を利用可能にするためにトランスの一次巻線のタップを切り替えるリレーやその制御回路等が新たに必要となり、これによって装置の小型化という所期の目的を十分に達成することができないおそれがある。また、この特許文献１では、スイッチングに伴って発生する入力側の高調波電流や、交流電源に停電や瞬時電圧低下（以下、瞬低という）等の異常が発生した場合のバックアップ対策について、十分に考慮されていなかった。 Here, according to the AC-DC converter described in Patent Document 1 described above, it is possible to omit the smoothing capacitor on the output side of the rectifier circuit. A relay for switching the tap of the primary winding of the transformer, a control circuit for the relay, and the like are newly required, so that the intended purpose of downsizing the device may not be sufficiently achieved. Further, in this Patent Document 1, sufficient measures are taken for backup current in the event of occurrence of abnormalities such as power failure or instantaneous voltage drop (hereinafter referred to as instantaneous voltage drop) in the AC power supply due to harmonic current on the input side generated due to switching and AC power supply. Was not taken into account.

そこで、本発明の解決課題は、システム全体の小型化を図りつつ、高調波電流の抑制や交流電源異常時のバックアップを可能にして負荷に安定した直流電力を供給する電源システムを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a power supply system capable of suppressing harmonic currents and backing up when an AC power supply is abnormal and supplying stable DC power to a load while reducing the size of the entire system. is there.

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、三相交流電源に接続された三相トランスと、
前記三相トランスから出力され、かつ、互いに位相のずれた複数系統の三相交流電圧を直流電圧にそれぞれ変換する複数台の直流電源装置と、
前記三相交流電源の異常時に前記直流電源装置の直流出力電圧をそれぞれ維持するための複数台のバックアップ装置と、を備え、
前記直流電源装置が、三相交流電圧を整流する三相整流回路と、前記三相整流回路の直流出力電圧をインバータ及び絶縁用トランスを介し交流電圧に変換した後に整流して負荷へ供給する直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、からなる電源システムにおいて、
前記三相トランスの入力電流の歪が規定値以下となるように、前記複数台の直流電源装置にそれぞれ接続された負荷の消費電力のバランスを制御する手段を備えると共に、
前記直流電源装置内の前記三相整流回路の直流出力電圧の脈動成分の最低値に対して前記負荷が要求する所定の直流電圧が前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力されるように、前記絶縁用トランスの変圧比を設定するものである。 In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 includes a three-phase transformer connected to a three-phase AC power supply ,
A plurality of DC power supplies that are output from the three-phase transformer and convert a plurality of three-phase AC voltages having different phases from each other into DC voltages ,
And a plurality of backup devices for maintaining the DC output voltage of the DC power supply abnormality of the three-phase AC power source, respectively,
The DC power supply converts a DC output voltage of the three-phase rectifier circuit into an AC voltage via an inverter and an insulating transformer, and then rectifies the DC output voltage to a load. And a DC / DC converter for generating a voltage .
A means for controlling the balance of the power consumption of the loads respectively connected to the plurality of DC power supplies, so that the distortion of the input current of the three-phase transformer is equal to or less than a specified value,
As predetermined DC voltage which the load is required for the lowest value of the pulsation component of the DC output voltage of the three-phase rectifier circuit in the DC power supply output from the DC / DC converter, the insulating transformer Is set.

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電源システムにおいて、前記バックアップ装置が、前記三相交流電源と前記三相整流回路との間に接続され、前記三相交流電源の異常時に蓄電装置の直流電力を交流電力に変換して前記三相整流回路に供給する無停電電源装置であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the power supply system according to the first aspect, the backup device is connected between the three-phase AC power supply and the three-phase rectifier circuit, and stores power when the three-phase AC power supply is abnormal. It is an uninterruptible power supply device that converts DC power of the device into AC power and supplies the AC power to the three-phase rectifier circuit.

請求項３に係る発明は、請求項１に記載した電源システムにおいて、前記バックアップ装置が、前記直流電源装置と前記負荷との接続点に接続されて直流電力を双方向に変換・伝達可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、当該ＤＣ／ＤＣコンバータにより充放電制御される蓄電装置と、を備えた直流無停電電源装置であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the power supply system according to the first aspect, the backup device is connected to a connection point between the DC power supply device and the load and is capable of bidirectionally converting and transmitting DC power. A DC uninterruptible power supply device comprising: a DC / DC converter; and a power storage device that is controlled to be charged and discharged by the DC / DC converter.

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電源システムにおいて、前記複数系統の三相交流電圧を、前記三相トランスの出力側のＹ結線された巻線の電圧とΔ結線された巻線の電圧とによって生成することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the power supply system according to any one of the first to third aspects, the three-phase AC voltages of the plurality of systems are supplied to a Y-connected winding on the output side of the three-phase transformer. characterized that you generated by the voltage of the voltage and the Δ-connected windings.

本発明によれば、直流電源装置の入力側の三相整流回路が平滑コンデンサを備えておらず、また、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ内の平滑コンデンサが小容量で済むことにより、システム全体として小型化、低コスト化を図ることができる。
更に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ内のトランスの変圧比を所定値に設定することで負荷への供給電圧を一定に保つと共に、三相交流電源と直流電源装置との間にＵＰＳを介在させ、あるいは、三相交流電源から互いに位相のずれた複数系統の三相交流電圧を生成して直流電源装置にそれぞれ供給することにより、三相交流電源側へ流出する高調波電流を抑制することができる。 According to the present invention, the three-phase rectifier circuit on the input side of the DC power supply device does not have a smoothing capacitor, and the smoothing capacitor in the insulated DC / DC converter requires only a small capacity. Cost and cost can be reduced.
Further, by setting the transformation ratio of the transformer in the insulated DC / DC converter to a predetermined value, the supply voltage to the load is kept constant, and a UPS is interposed between the three-phase AC power supply and the DC power supply, Alternatively, it is possible to suppress a harmonic current flowing out to the three-phase AC power supply side by generating a plurality of systems of three-phase AC voltages having phases shifted from each other from the three-phase AC power supply and supplying them to the DC power supply device. .

本発明の基本形態に係る電源システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a power supply system according to a basic embodiment of the present invention. 図１における直流電源装置の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a DC power supply device in FIG. 1. 図２におけるＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an output voltage waveform of the AC / DC converter in FIG. 2. 三相整流回路の各相の入力電流波形を示す図である。It is a figure showing an input current waveform of each phase of a three-phase rectifier circuit. 本発明の参考形態に係る電源システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a power supply system according to a reference embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る電源システムの構成図である。It is a configuration diagram of a power supply system according to the implementation embodiments of the present invention. 図６における三相三巻線トランスの出力電流及び入力電流の波形図である。FIG. 7 is a waveform diagram of an output current and an input current of the three-phase three-winding transformer in FIG. 6. 従来の電源システムの構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional power supply system. ＰＦＣ回路の典型的な構成図である。It is a typical block diagram of a PFC circuit. 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの具体的な構成図である。It is a specific block diagram of an insulation type DC / DC converter.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の基本形態に係る電源システムの構成図である。図１において、三相交流電源１にはバックアップ装置としてのＵＰＳ２が接続され、ＵＰＳ２の出力側には直流電源装置５１〜５３が互いに並列に接続されている。これらの直流電源装置５１〜５３には、サーバ等の負荷４１〜４３がそれぞれ接続されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a power supply system according to a basic embodiment of the present invention. In FIG. 1, a UPS 2 as a backup device is connected to a three-phase AC power supply 1, and DC power supplies 51 to 53 are connected in parallel to an output side of the UPS 2. Loads 41 to 43 such as servers are connected to these DC power supply devices 51 to 53, respectively.

図示されていないが、ＵＰＳ２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ、平滑回路及びバッテリーバックアップ回路、並びにＤＣ／ＡＣコンバータからなる、いわゆるダブルコンバータシステムとして構成されている。 Although not shown, the UPS 2 is configured as a so-called double converter system including an AC / DC converter, a smoothing circuit and a battery backup circuit, and a DC / AC converter.

直流電源装置５１〜５３は何れも同一の構成であり、それぞれ、三相整流回路（ＡＣ／ＤＣコンバータ）５１ａ，５２ａ，５３ａと絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂ，５２ｂ，５３ｂとを備えている。ここでは、三相整流回路５１ａとＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂとを有する直流電源装置５１の構成を、図２に基づいて説明する。 Each of the DC power supplies 51 to 53 has the same configuration, and includes three-phase rectifier circuits (AC / DC converters) 51a, 52a, 53a and insulated DC / DC converters 51b, 52b, 53b, respectively. Here, the configuration of a DC power supply device 51 having a three-phase rectifier circuit 51a and a DC / DC converter 51b will be described with reference to FIG.

図２において、三相整流回路５１ａは、ダイオード２０１〜２０６をブリッジ接続して構成され、各相の入力端子が三相交流電源１のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の出力端子にそれぞれ接続されている。
また、三相整流回路５１ａに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂは、前述した図１０と同様に構成されており、その構成部品には図１０と同一の符号を付してある。 In FIG. 2, the three-phase rectifier circuit 51a is configured by bridge-connecting diodes 201 to 206, and the input terminals of each phase are connected to the U-phase, V-phase, and W-phase output terminals of the three-phase AC power supply 1, respectively. ing.
The DC / DC converter 51b connected to the three-phase rectifier circuit 51a is configured in the same manner as in FIG. 10 described above, and the components thereof are denoted by the same reference numerals as in FIG.

すなわち、図２に示すように、三相整流回路５１ａの正負出力端子間にはコンデンサ２０７が接続され、その両端には、インバータを構成する半導体スイッチング素子２０８〜２１１がブリッジ接続されている。
上記インバータの交流出力端子は絶縁用のトランス２１２の一次側に接続され、その二次側には、ダイオード２１３〜２１６をブリッジ接続してなる単相整流回路が接続されている。この単相整流回路の出力側には、リアクトル２１７とコンデンサ２１８との直列回路が接続され、コンデンサ２１８の両端の直流電圧が図１の負荷４１に供給される。 That is, as shown in FIG. 2, a capacitor 207 is connected between the positive and negative output terminals of the three-phase rectifier circuit 51a, and semiconductor switching elements 208 to 211 constituting an inverter are bridge-connected to both ends.
An AC output terminal of the inverter is connected to a primary side of an insulating transformer 212, and a secondary side thereof is connected to a single-phase rectifier circuit formed by bridge-connecting diodes 213 to 216. A series circuit of a reactor 217 and a capacitor 218 is connected to the output side of the single-phase rectifier circuit, and a DC voltage across the capacitor 218 is supplied to the load 41 in FIG.

図３は、三相整流回路５１ａの出力電圧Ｅの波形を示している。この波形は、周知のように三相各相の入力電圧（線間電圧）の整流値、すなわち絶対値の包絡線を描いたものとなる。前述した図９のように単相交流電圧を整流した場合と異なり、出力電圧Ｅは概ね平均値付近で一定であり、０まで低下することはない。 FIG. 3 shows a waveform of the output voltage E of the three-phase rectifier circuit 51a. As is well known, this waveform describes a rectified value of the input voltage (line voltage) of each of the three phases, that is, an envelope of an absolute value. Unlike the case where the single-phase AC voltage is rectified as shown in FIG. 9 described above, the output voltage E is substantially constant near the average value and does not decrease to zero.

図９に示したＰＦＣ回路のコンデンサ１１０は、商用周波数の２倍の脈動を平滑し得る容量が必要であるが、本実施形態では、三相整流回路５１ａの出力電圧Ｅに含まれる脈動成分が少ないため、三相整流回路５１ａ内に平滑コンデンサを備える必要がなく、出力電圧Ｅの包絡線を形成する脈動成分は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂの入力側のコンデンサ２０７により吸収することができる。 The capacitor 110 of the PFC circuit shown in FIG. 9 needs to have a capacity capable of smoothing a pulsation twice the commercial frequency, but in the present embodiment, the pulsating component included in the output voltage E of the three-phase rectifier circuit 51a is Since it is small, there is no need to provide a smoothing capacitor in the three-phase rectifier circuit 51a, and the pulsating component forming the envelope of the output voltage E can be absorbed by the capacitor 207 on the input side of the DC / DC converter 51b.

ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂにおいては、図３に示す電圧Ｅの脈動成分の最低値Ｅ_ｍに対して、負荷４１に必要な電圧がコンデンサ２１８の両端電圧として得られるように、トランス２１２の変圧比（巻数比）を設定しておく。電圧Ｅが最低値Ｅ_ｍより上昇するとＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂの出力側のコンデンサ２１８の両端電圧も上昇しようとするが、トランス２１２の一次側への印加電圧のパルス幅が狭くなるようにスイッチング素子２０８〜２１１をＰＷＭ制御することにより、動作周期内の平均値を一定に保つことができ、これによってコンデンサ２１８の電圧も一定に保たれる。ここで、上記のＰＷＭ制御動作は、商用周波数の脈動周期に対して十分に短い周期で行われる。 In the DC / DC converter 51b, with respect to a minimum value _{E m} of the pulsating component of the voltage E shown in FIG. 3, such that the voltage required for the load 41 is obtained as a voltage across the capacitor 218, the transformation ratio of the transformer 212 ( Turn ratio) is set in advance. Although the voltage E also the voltage across the output side of the capacitor 218 rises to the DC / DC converter 51b than the minimum value E _m attempts to rise, the switching element so that the pulse width of the applied voltage to the primary side of the transformer 212 is narrowed By performing PWM control on 208 to 211, the average value in the operation cycle can be kept constant, and the voltage of the capacitor 218 is also kept constant. Here, the above-described PWM control operation is performed in a cycle sufficiently shorter than the pulsation cycle of the commercial frequency.

ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂは、スイッチング素子２０８〜２１１を高周波にてスイッチングさせることにより、エネルギー蓄積要素であるコンデンサ２０７，２１８及びリアクトル２１７の容量は小さくて済む。このため、負荷が要求する消費電力が一定である場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂの入力電力は負荷の消費電力と瞬時値的にもほぼ等しい（ここでは、回路損失を無視する）。 In the DC / DC converter 51b, by switching the switching elements 208 to 211 at a high frequency, the capacity of the capacitors 207 and 218 and the reactor 217, which are energy storage elements, can be small. For this reason, when the power consumption required by the load is constant, the input power of the DC / DC converter 51b is also almost instantaneously equal to the power consumption of the load (here, circuit loss is ignored).

従って、三相整流回路５１ａから見ると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂは一種の定電力負荷、すなわち電圧に対して電流が反比例する負荷となる。大まかには、電圧Ｅは一定値の直流電圧とみなせるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂは、定電流負荷、すなわち電流Ｉ_ｄが一定の負荷とみなすことができる。つまり、三相整流回路５１ａから見たＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂは、交流入力電圧及び負荷の消費電力が一定である場合、あたかもリアクトルによる平滑機能を有する定電流直流負荷のように振る舞う。 Therefore, when viewed from the three-phase rectifier circuit 51a, the DC / DC converter 51b is a kind of constant power load, that is, a load in which the current is inversely proportional to the voltage. Broadly, since the voltage E which can be regarded as the DC voltage of the predetermined value, DC / DC converter 51b may be a constant current load, i.e. the current I _d regarded as constant load. That is, when the AC input voltage and the power consumption of the load are constant, the DC / DC converter 51b viewed from the three-phase rectifier circuit 51a behaves like a constant current DC load having a smoothing function by a reactor.

ところで、定電流直流負荷を持つ三相整流回路の各相の入力電流波形は、図４に示すような歪波となり、この波形に含まれる高調波成分が入力側に流出することは一般に望ましくないとされている。
図１には示されていないが、ＵＰＳ２が、ＡＣ／ＤＣコンバータ、平滑回路及びバッテリーバックアップ回路、並びにＤＣ／ＡＣコンバータからなる、いわゆるダブルコンバータシステムとして構成されている場合、高調波成分は平滑回路により吸収可能である。更に、ＵＰＳ２内のＡＣ／ＤＣコンバータにおいて入力電流を正弦波にする制御を行うことにより、システム外への高調波電流の流出は防止される。 By the way, the input current waveform of each phase of the three-phase rectifier circuit having the constant current DC load becomes a distorted wave as shown in FIG. 4, and it is generally undesirable that the harmonic components contained in this waveform flow out to the input side. It has been.
Although not shown in FIG. 1, when the UPS 2 is configured as a so-called double converter system including an AC / DC converter, a smoothing circuit and a battery backup circuit, and a DC / AC converter, harmonic components are smoothed. Can be absorbed. Further, by controlling the input current to be a sine wave in the AC / DC converter in the UPS 2, it is possible to prevent the harmonic current from flowing out of the system.

なお、この図２では、三相整流回路５１ａに平滑コンデンサが設けられていないため、三相交流電源１の瞬低が発生した場合には出力電圧も直ちに低下するおそれがあるが、ＵＰＳ２の存在によって図１の直流電源装置５１〜５３の入力端での瞬低は防止されており、二重に対策を講じる必要はない。 In FIG. 2 , since a smoothing capacitor is not provided in the three-phase rectifier circuit 51a, the output voltage may immediately decrease when the three-phase AC power supply 1 instantaneously drops. Thus, the instantaneous sag at the input terminals of the DC power supply devices 51 to 53 in FIG. 1 is prevented, and it is not necessary to take measures twice.

図１においては、ＵＰＳ２の出力側に３台の直流電源装置５１〜５３が並列に接続されているが、直流電源装置の並列接続数は何ら限定されるものではない。また、直流電源装置５１〜５３には負荷４１〜４３がそれぞれ個別に接続されているが、直流電源装置５１〜５３の出力側を共通の引き通し線により並列接続し、この引き通し線に負荷を接続することも可能である。 In FIG. 1, three DC power supplies 51 to 53 are connected in parallel to the output side of the UPS 2, but the number of DC power supplies connected in parallel is not limited at all. The loads 41 to 43 are individually connected to the DC power supplies 51 to 53, respectively. The output sides of the DC power supplies 51 to 53 are connected in parallel by a common lead-through line, and the load Can also be connected.

次に、図５は本発明の参考形態を示す構成図である。図５において、５１は単一の直流電源装置、あるいは、図１のように複数台の直流電源装置を並列接続した直流電源装置群を示している。なお、三相整流回路５１ａ及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ｂの構成は図２と同様である。 Next, FIG. 5 is a configuration diagram showing a reference embodiment of the present invention. 5, reference numeral 51 denotes a single DC power supply or a group of DC power supplies in which a plurality of DC power supplies are connected in parallel as shown in FIG. The configurations of the three-phase rectifier circuit 51a and the insulation type DC / DC converter 51b are the same as those in FIG.

また、６１はバックアップ装置としての直流無停電電源装置であり、直流電力を双方向に変換・伝達可能なＤＣ／ＤＣコンバータ６１ｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１ｂの非負荷側に接続されたバッテリー等の蓄電装置６１ｃとを備えている。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１ｂは絶縁機能の有無を問わず、蓄電装置６１ｃに対する充放電制御機能を少なくとも備えていれば良い。
図５では、図１に示したようなＵＰＳ２が設けられておらず、直流電源装置５１は三相交流電源１に直接接続されている。 Reference numeral 61 denotes a DC uninterruptible power supply as a backup device, which includes a DC / DC converter 61b capable of bidirectionally converting and transmitting DC power, and a battery connected to the non-load side of the DC / DC converter 61b. And a power storage device 61c. Here, the DC / DC converter 61b may have at least a charge / discharge control function for the power storage device 61c regardless of whether or not the DC / DC converter 61b has an insulation function.
5 , the UPS 2 as shown in FIG. 1 is not provided, and the DC power supply 51 is directly connected to the three-phase AC power supply 1.

図５において、三相交流電源１の健全時には、三相交流電源１による直流電源装置５１の出力電力により負荷４１に給電するとともに、上記出力電力の一部をＤＣ／ＤＣコンバータ６１ｂが直流／直流変換して蓄電装置６１ｃを充電する。また、三相交流電源１に停電や瞬低が発生した異常時には、蓄電装置６１ｃが有する直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ６１ｂにより直流／直流変換して負荷４１に供給する。 In FIG. 5 , when the three-phase AC power supply 1 is healthy, the load 41 is supplied with the output power of the DC power supply device 51 by the three-phase AC power supply 1, and a part of the output power is supplied to the DC / DC converter 61b by the DC / DC converter 61b. Conversion is performed to charge the power storage device 61c. In addition, in the event of a power failure or instantaneous drop in the three-phase AC power supply 1, the DC power of the power storage device 61 c is DC / DC converted by the DC / DC converter 61 b and supplied to the load 41.

直流無停電電源装置６１は、単一の直流電源装置５１に１：１で対応させて設けても良いし、複数台の直流電源装置が並列接続された直流電源装置群に対して１台または任意の複数台の直流無停電電源装置６１を並列に接続しても良い。
図５によれば、三相交流電源１の異常時においても直流無停電電源装置６１によって負荷４１への給電が可能であるため、直流電源装置５１としては三相交流電源１の異常時における出力保持能力を備えていなくても良く、大容量のコンデンサを備える必要がない。 The DC uninterruptible power supply 61 may be provided in a one-to-one correspondence with the single DC power supply 51, or one DC power supply may be provided for a DC power supply group in which a plurality of DC power supplies are connected in parallel. Arbitrary plural DC uninterruptible power supplies 61 may be connected in parallel.
According to FIG. 5 , even when the three-phase AC power supply 1 is abnormal, power can be supplied to the load 41 by the DC uninterruptible power supply 61, so that the DC power supply 51 is an output when the three-phase AC power supply 1 is abnormal. It is not necessary to have a holding capacity, and there is no need to provide a large-capacity capacitor.

一方、図５の構成では、直流電源装置５１の入力側にＵＰＳ２が存在しないため、直流電源装置５１から発生する高調波電流を吸収できずに交流電源１側に流出するおそれがある。図６に示す実施形態は、この問題を解決するためのものである。 On the other hand, in the configuration of FIG. 5, since the UPS 2 does not exist on the input side of the DC power supply 51, there is a possibility that the harmonic current generated from the DC power supply 51 cannot be absorbed and flows out to the AC power supply 1. Implementation form is shown in Fig. 6 is intended to solve this problem.

図６において、三相交流電源１には三相三巻線トランス７０が接続されている。このトランス７０は、入力側の巻線７１がＹ（スターまたは星形）結線され、出力側の巻線７２ａがΔ（デルタまたは三角）結線、同じく巻線７２ｂがＹ結線されたトランスであり、その出力側の巻線７２ａ，７２ｂにより各々３０°の位相差を有する二系統の三相交流電圧を生成する。
Δ結線された巻線７２ａには、図５と同様に直流電源装置５１が接続され、その出力側には直流無停電電源装置６１及び負荷４１が接続される。また、Ｙ結線された巻線７２ｂには直流電源装置５２が接続され、その出力側には直流無停電電源装置６２及び負荷４２が接続される。 In FIG. 6, a three-phase three-winding transformer 70 is connected to the three-phase AC power supply 1. This transformer 70 is a transformer in which the input-side winding 71 is connected in a Y (star or star) connection, the output-side winding 72a is connected in a Δ (delta or triangle) connection, and the winding 72b is also connected in a Y connection. The output side windings 72a and 72b generate two systems of three-phase AC voltages each having a phase difference of 30 °.
The DC power supply 51 is connected to the Δ-connected winding 72a in the same manner as in FIG. 5, and the DC uninterruptible power supply 61 and the load 41 are connected to the output side. The DC power supply 52 is connected to the Y-connected winding 72b, and the DC uninterruptible power supply 62 and the load 42 are connected to the output side.

図７は、巻線７２ａ，７２ｂに三相整流回路５１ａ，５２ａが接続されている場合の巻線７２ａ，７２ｂの出力電流、及び、巻線７１の入力電流（巻線７２ａ，７２ｂの出力電流合成値）を示す波形図である。
図７から明らかなように、巻線７１の入力電流はほぼ正弦波に近く、この波形は１２相整流（あるいは１２パルス整流）によって得られる電流波形として周知である。この場合、三相交流電源１側に小容量のフィルタ（図示せず）を設ければ、入力電流に含まれる高調波成分を許容限度内に抑制することができる。 FIG. 7 shows output currents of the windings 72a and 72b when the three-phase rectifier circuits 51a and 52a are connected to the windings 72a and 72b, and input currents of the windings 71 (output currents of the windings 72a and 72b). FIG. 9 is a waveform diagram illustrating a composite value.
As is apparent from FIG. 7, the input current of the winding 71 is almost a sine wave, and this waveform is well known as a current waveform obtained by 12-phase rectification (or 12-pulse rectification). In this case, if a small-capacity filter (not shown) is provided on the three-phase AC power supply 1 side, the harmonic component contained in the input current can be suppressed within an allowable limit.

ところで、仮に図２におけるコンデンサ２０７が、図３に示した脈動成分（入力周波数の６倍周波数の脈動成分）を平滑するのに十分な大容量である場合には、良く知られているように、三相整流回路５１ａの入力電流波形は、各相間の交流入力電圧のピーク付近にのみ電流が流れるようなピーク値の大きな波形となる。この場合、図６，図７に示した方法を用いても入力電流歪の残留量が大きくなり、この歪を除去するには、大容量のフィルタを交流部分に設けることが必要になる。
すなわち、コンデンサ２０７の容量が小さくて済むことは、直流電源装置５１内の直流部分の小型化のみならず、入力電流の高調波成分の抑制効果を高めて交流部分のフィルタの小型化に寄与できるという利点がある。 By the way, if the capacitor 207 in FIG. 2 has a sufficiently large capacity to smooth the pulsation component (pulsation component having a frequency six times the input frequency) shown in FIG. 3, it is well known. The input current waveform of the three-phase rectifier circuit 51a has a large peak value such that a current flows only near the peak of the AC input voltage between the phases. In this case , even if the methods shown in FIGS . 6 and 7 are used, the residual amount of the input current distortion becomes large. In order to remove the distortion, it is necessary to provide a large-capacity filter in the AC section.
That is, the small capacity of the capacitor 207 can contribute not only to the downsizing of the DC portion in the DC power supply device 51 but also to the effect of suppressing the harmonic component of the input current and to downsizing of the filter in the AC portion. There is an advantage.

なお、図６の電源システムでは、三相三巻線トランス７０を設けたことにより、一見、システム全体が大型化すると共にトランス７０の損失が高効率化を阻害するように見える。しかし、この種のシステムでは、本来的に、高電圧を受電してＵＰＳや直流電源装置の定格に適合した電圧に変換するトランスが必要であるから、このトランスの機能を三相三巻線トランス７０に持たせれば部品の追加は不要であり、システム全体の大型化や損失の増加等の問題を回避することができる。 In the power supply system of FIG. 6, the provision of the three-phase three-winding transformer 70 makes it seem at first glance that the system as a whole becomes larger and that the loss of the transformer 70 hinders high efficiency. However, this type of system originally requires a transformer that receives high voltage and converts it to a voltage that meets the rating of the UPS or DC power supply, so the function of this transformer is a three-phase three-winding transformer. If it is provided with 70, no additional components are required, and problems such as an increase in the size of the entire system and an increase in loss can be avoided.

更に、図６において、電流等の歪を十分抑制するためには、巻線７２ａ側の負荷４１の消費電力と巻線７２ｂ側の負荷４２の消費電力とがバランスしている必要がある。例えば、負荷４１，４２がデータセンタ内のサーバであった場合、その消費電力は各々の情報処理量に応じて時々刻々変化する。負荷が多数存在する場合には、自然にバランスするように負荷量（消費電力）を予め割り振っておくことも可能であるが、図６に示す如く共通の制御装置８０を設けておき、負荷４１，４２の情報処理量が概ね等しくなるように負荷４１，４２を能動的に制御すれば、一層効果的に負荷量をバランスさせることができる。 Further, in FIG. 6, in order to sufficiently suppress distortion such as current, the power consumption of the load 41 on the winding 72a side and the power consumption of the load 42 on the winding 72b side need to be balanced. For example, when the loads 41 and 42 are servers in a data center, the power consumption changes momentarily according to the respective information processing amounts. When a large number of loads exist, the load amount (power consumption) can be allocated in advance so as to balance naturally, but a common control device 80 is provided as shown in FIG. , 42 are actively controlled so that the information processing amounts of the loads 41, 42 are substantially equal, the load amounts can be more effectively balanced.

なお、図６に示した直流無停電電源装置６１，６２の代わりに、三相交流電源１側に常時商用給電方式のＵＰＳを設け、交流電源１の健全時はＵＰＳの入出力側を直結し、停電時には蓄電装置に接続されたインバータを運転して負荷に給電する場合、ＵＰＳには高調波電流の除去機能がない。しかし、このような場合であっても、図６のように三相三巻線トランス７０を用いて二系統の交流出力電流に所定の位相差を持たせることにより、交流電源１側に高調波電流が流出するのを防止することができる。 Instead of the DC uninterruptible power supply devices 61 and 62 shown in FIG. 6, a UPS of the commercial power supply system is always provided on the three-phase AC power supply 1 side, and when the AC power supply 1 is healthy, the input / output side of the UPS is directly connected. When a power failure causes an inverter connected to a power storage device to operate to supply power to a load, the UPS does not have a function of removing a harmonic current. However, even in such a case, as shown in FIG. 6, by providing a predetermined phase difference between the two AC output currents using the three-phase three-winding transformer 70, the harmonics are supplied to the AC power supply 1 side. It is possible to prevent the current from flowing out.

１：三相交流電源
２：無停電電源装置（ＵＰＳ）
４１〜４３：負荷
５１〜５３：直流電源装置
５１ａ，５２ａ，５３ａ：三相整流回路（ＡＣ／ＤＣコンバータ）
５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ：絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
６１，６２：直流無停電電源装置
６１ｂ，６２ｂ：ＤＣ／ＤＣコンバータ
６１ｃ，６２ｃ：蓄電装置
７０：三相三巻線トランス
７１，７２ａ，７２ｂ：巻線
８０：制御装置
２０１〜２０６，２１３〜２１６：ダイオード
２０７，２１８：コンデンサ
２０８〜２１１：半導体スイッチング素子
２１２：トランス
２１７：リアクトル 1: Three-phase AC power supply 2: Uninterruptible power supply (UPS)
41 to 43: Loads 51 to 53: DC power supply devices 51a, 52a, 53a: Three-phase rectifier circuit (AC / DC converter)
51b, 52b, 53b: Insulated DC / DC converters 61, 62: DC uninterruptible power supply devices 61b, 62b: DC / DC converters 61c, 62c: Power storage device 70: Three-phase three-winding transformers 71, 72a, 72b: Winding Line 80: controllers 201 to 206, 213 to 216: diodes 207, 218: capacitors 208 to 211: semiconductor switching element 212: transformer 217: reactor

Claims

A three-phase transformer connected to a three-phase AC power supply ,
A plurality of DC power supplies that are output from the three-phase transformer and convert a plurality of three-phase AC voltages having different phases from each other into DC voltages ,
And a plurality of backup devices for maintaining the DC output voltage of the DC power supply abnormality of the three-phase AC power source, respectively,
The DC power supply converts a DC output voltage of the three-phase rectifier circuit into an AC voltage via an inverter and an insulating transformer, and then rectifies the DC output voltage to a load. And a DC / DC converter for generating a voltage .
A means for controlling the balance of the power consumption of the loads respectively connected to the plurality of DC power supplies, so that the distortion of the input current of the three-phase transformer is equal to or less than a specified value,
As predetermined DC voltage which the load is required for the lowest value of the pulsation component of the DC output voltage of the three-phase rectifier circuit in the DC power supply output from the DC / DC converter, the insulating transformer A power supply system characterized by setting a transformation ratio.

The power supply system according to claim 1,
The backup device,
An uninterruptible power supply device that is connected between the three-phase AC power supply and the three-phase rectifier circuit, and that converts DC power of a power storage device into AC power and supplies the AC power to the three-phase rectifier circuit when the three-phase AC power supply is abnormal A power supply system, characterized in that:

The power supply system according to claim 1,
The backup device,
A DC / DC converter connected to a connection point between the DC power supply and the load and capable of bidirectionally converting and transmitting DC power; and a power storage device controlled by the DC / DC converter to be charged and discharged. A power supply system comprising a DC uninterruptible power supply.

The power supply system according to any one of claims 1 to 3,
The three-phase AC voltage of a plurality of systems, the power supply system characterized that you generated by the voltage of the voltage and the Δ-connected winding of the three-phase transformer on the output side of the Y-connected windings.