JP2009254082A - 電源システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源を冗長構成とした場合に、入力電力から出力電力への変換効率を向上させることができる電源システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】Ｎ個の電源ユニット３１及びＭ個の冗長電源ユニット３２は、交流電力２１を直流電力２２に変換して負荷５０に供給する。効率情報記録部４１は、電源ユニット３１及び冗長電源ユニット３２から各電源ユニットの電力変換効率情報を取得し、記録しておく。最適構成選択部４２は、記録された各電源ユニットの電力変換効率情報と負荷５０の消費電力とから、各電源ユニットの電力変換効率が最も高くなるような冗長構成の組み合わせを選択する。交流入力制御部４３は、選択された冗長構成となるように、電源ユニット３１及び冗長電源ユニット３２の入力電力をオンオフさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電源装置を用いて電源を冗長構成とした電源システム及びその制御方法に関する。

ＩＴ（Information Technology）機器及びネットワーク機器をはじめとする電気製品においては、機器の信頼性を高めるため、冗長構成をとることが広く行われている。

多くの電気製品に使用される電力は直流であるが、電力会社から供給される電力は交流であるため、大多数の電気製品は交流を直流に変換する固有の電源装置を搭載している。信頼性が必要とされるサーバ等の機器では、特許文献１に開示されているように、複数の電源装置（電源ユニット）を使用して、電源を冗長構成とすることが行われている。

特開平７−２１３０６０号公報

しかし、多数台の電源ユニットを使用したＮ＋Ｍ冗長構成（Ｎは常用系電源ユニットの数、Ｍは冗長系電源ユニットの数）においては、Ｍ値が大きい場合、冗長度が高くなるが１台当たりの電源ユニットの負荷が軽くなってしまう。

一般的に、電源ユニットの入力電力（交流）から出力電力（直流）への電力変換効率は、定格出力時を基準にして設計・製作されており、負荷によって変動する。そのため、上記のようにＭ値が大きく負荷が十分に軽い場合は、電力変換効率が低くなってしまうという問題点がある。即ち、この場合には、入力電力の大部分が変換時における損失（熱）として排出されてしまっていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、電源を冗長構成とした場合に、入力電力から出力電力への変換効率を向上させることができる電源システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電源システムは、
入力された電力を出力用電力に変換して負荷に供給する複数の電源装置を備え、該複数の電源装置を冗長構成とした電源システムにおいて、
各前記電源装置の消費電力に対する電力変換効率の情報を効率情報として記録する効率情報記録手段と、
前記負荷の消費電力を取得し、該負荷の消費電力と前記効率情報とに基づいて、前記冗長構成の組み合わせから最も電力変換効率が高い組み合わせを最適構成として選択する最適構成選択手段と、
選択された前記最適構成となるように、各前記電源装置への電力の入力をオンオフさせる入力制御手段と、を備える、
ことを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電源システムの制御方法は、
入力された電力を出力用電力に変換して負荷に供給する複数の電源装置を備え、該複数の電源装置を冗長構成とした電源システムの制御方法において、
各前記電源装置の消費電力に対する電力変換効率の情報を効率情報として記録するステップと、
前記負荷の消費電力を取得するステップと、
前記負荷の消費電力と前記効率情報とに基づいて、前記冗長構成の組み合わせから最も電力変換効率が高い組み合わせを最適構成として選択するステップと、
選択された前記最適構成となるように、各前記電源装置への電力の入力をオンオフさせるステップと、を備える、
ことを特徴とする。

本発明によれば、電源を冗長構成とした電源システムにおいて、入力電力から出力電力への変換効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る電源システムについて添付図面を参照して説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の電源システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の電源システム１０は、Ｎ＋Ｍ冗長構成電源ユニット３０、電源制御部４０を備えており、負荷５０に動作用の電力を供給する。

Ｎ＋Ｍ冗長構成電源ユニット３０は、常用系であるＮ（Ｎは正の整数）個の電源ユニット３１（３１−１〜３１−Ｎ）と、冗長系であるＭ（Ｍは２以上の整数）個の冗長電源ユニット３２（３２−１〜３２−Ｍ）とが並列に接続された構成を有している。

Ｎ個の電源ユニット３１は、それぞれ入力された交流電力２１を直流電力２２に変換して負荷５０に供給する。また、電源ユニット３１は、故障等が無ければ、負荷５０の動作時にはＮ個とも常時動作する。

Ｍ個の冗長電源ユニット３２は、電源ユニット３１と同様に、それぞれ入力された交流電力２１を直流電力２２に変換して負荷５０に供給する。また、冗長電源ユニット３２は、電源制御部４０からの指示に従って、選択された１〜Ｍ個の電源ユニットが、Ｎ個の電源ユニット３１と並行して動作する。

電源制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されており、効率情報記録部４１、最適構成選択部４２、及び交流入力制御部４３を備えている。

効率情報記録部４１は、電源ユニット３１−１〜３１−Ｎ及び冗長電源ユニット３２−１〜３２−Ｍについて、各電源ユニットの電力変換効率情報を記録する。

最適構成選択部４２は、効率情報記録部４１によって記録された電力変換効率情報に基づいて、電源ユニットの最適な冗長構成を選択する。

交流入力制御部４３は、電源ユニット３１及び冗長電源ユニット３２に対する交流電力２１の入力を制御する。

負荷５０は、電源ユニット３１及び冗長電源ユニット３２から直流電力を供給されて動作する、例えばサーバ等の電気機器である。

次に、本実施形態の動作について説明する。

効率情報記録部４１は、電源ユニット３１（３１−１〜３１−Ｎ）及び冗長電源ユニット３２（３２−１〜３２−Ｍ）から、各電源ユニットの電力変換効率情報を予め取得して記録する。即ち、効率情報記録部４１は、各電源ユニットについて負荷を変化させたとき（例えば、定格負荷に対して１０％、２０％、…１００％と負荷を変化させたとき）のそれぞれの交流電力から直流電力への変換効率を示す情報を保持している。

最適構成選択部４２は、負荷５０の負荷（消費電力）を監視し、取得した消費電力から電源ユニット３１及び冗長電源ユニット３２の１台当たりの消費電力を求め、電力変換効率が最適になる組み合わせを求める。

各電源ユニットの電力変換効率は、電力負荷によって変化する。１台当たりの電源ユニットの負荷が小さくなると、交流入力電力の大部分が直流変換時に損失（熱）として排出されてしまうため、電力変換効率は低くなってしまう。

電源ユニットの冗長構成の組み合わせは、各電源ユニットに故障等がないと仮定すれば、（Ｎ＋Ｍ）〜（Ｎ＋１）のＭ通り存在する。ここで、各電源ユニットの電力変換効率が、例えば負荷が８５％のときに最大であるとする。最適構成選択部４２は、Ｍ通りの組み合わせの中から、１台当たりの消費電力が定格の８５％に最も近くなるように、電源ユニットの個数を選択する。

交流入力制御部４３は、最適構成選択部４２によって選択された電源ユニットの個数（即ち、最適な冗長構成）となるように、電源ユニット３１及び冗長電源ユニット３２に対する交流電力２１の入力をＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）させる。本実施形態では、交流入力制御部４３は、Ｎ個の電源ユニット３１を全てＯＮとし、冗長電源ユニット３２の個数を調整してＯＮとする。なお、例えば機能電源ユニット３１のうち故障等がある場合には、その電源ユニットを除いて選択された個数分の電源ユニットをＯＮとする。

本実施形態の構成によれば、各電源ユニットの電力変換効率情報と負荷の消費電力とに基づいて冗長構成を選択するので、各電源ユニットの電力変換効率が向上し、熱として排出される損失量を抑制することができる。その結果、電源システムで消費される電力コストを低減させることができる。また、電源システムが例えば各電源ユニットを冷却するための冷却装置を備えている場合には、冷却すべき熱量が抑制されるため、冷却コストを低減させることも可能である。

ここで、最適冗長構成となるように電源制御部４０が電源ユニット３１及び冗長電源ユニット３２を制御する場合、直流電力の出力をＯＮ／ＯＦＦさせることとしてもよいが、本実施形態のように入力側をＯＮ／ＯＦＦさせることで、出力しない冗長電源ユニット３２に入力された交流電力が損失（熱）となってしまうことを防止することができるため効果的である。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本実施形態の電源システムの構成を示すブロック図である。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図２に示すように、本実施形態の電源システム１００は、Ｎ＋Ｍ冗長構成電源ユニット３００、電源制御部４００を備えており負荷５０に動作用の電力を供給する。

Ｎ＋Ｍ冗長構成電源ユニット３００は、Ｎ個の電源ユニット３１０（３１０−１〜３１０−Ｎ）と、Ｍ個の冗長電源ユニット３２０（３２０−１〜３２０−Ｍ）とから構成されている。

Ｎ個の電源ユニット３１０は、第１の実施形態の電源ユニット３１と同様に、交流電力２１を直流電力２２に変換して負荷５０に供給する常用系の電源ユニットである。また、電源ユニット３１０は、電源ユニット毎の電力変換情報が格納されたメモリ３３０を備えている。

Ｍ個の冗長電源ユニット３２０は、第１の実施形態の冗長電源ユニット３２と同様に、交流電力２１を直流電力２２に変換して負荷５０に供給する冗長系の電源ユニットである。また、冗長電源ユニット３２０は、電源ユニット毎の電力変換効率情報が格納されたメモリ３４０を備えている。なお、図２においては、図示の簡単化のため、電源ユニット３１０及び冗長電源ユニット３２０をそれぞれ１つのブロックとして表示している。

メモリ３３０及びメモリ３４０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置である。

電源制御部４００は、情報読取部４１１、記録部４１２、消費電力監視部４２１、単位消費電力算出部４２２、冗長構成決定部４２３、及び交流入力制御部４３を備えている。

情報読取部４１１は、メモリ３３０及びメモリ３４０にアクセスして、各電源ユニットの電力変換効率情報を取得し、記録部４１２に記録させる。

記録部４１２は、ＲＡＭ、ディスク装置等の記憶装置である。

消費電力監視部４２１は、負荷５０の消費電力を監視し、取得した消費電力情報を単位消費電力算出部４２２に供給する。

単位消費電力算出部４２２は、負荷５０の消費電力に対して、電源ユニット３１０及び冗長電源ユニット３２０の１台当たりの消費電力（以下、単位消費電力ともいう）を求める。

冗長構成決定部４２３は、単位消費電力算出部４２２によって求められた単位消費電力から、負荷５０の負荷（消費電力）に応じた最適な冗長構成を決定する。

次に、上記のように構成された本実施形態の電源システム１００の動作について、図２及び図３を参照して説明する。図３は、本実施形態における電源制御処理を示すフローチャートである。

なお、本実施形態の動作の説明に当たり、電源システム１００はサーバ装置についての電源システムであるものとし、電源ユニットの構成を３＋３（Ｎ＝３、Ｍ＝３）の冗長構成とする。

サーバ装置の起動時に、電源制御処理が開始されると、先ず、電力変換効率情報の読出しを行う（ステップＳ１１）。ここでは、電源ユニット３１０（３１０−１〜３１０−Ｎ）及び冗長電源ユニット３２０（３２０−１〜３２０−Ｍ）のそれぞれが備えるメモリ３３０及びメモリ３４０から、情報読取部４１１が電源ユニット毎の電力変換効率情報を読み出す。この電力変換効率情報は、第１の実施形態におけるものと同様である。

次に、電力変換効率情報の記録を行う（ステップＳ１２）。ここでは、情報読取部４１１が取得した電力変換効率情報を記録部４１２に記録する。

次に、負荷５０の消費電力の監視を行う（ステップＳ１３）。ここでは、消費電力監視部４２１が、負荷５０に供給される直流電圧及び電流を監視し、負荷５０の直流電力としての消費電力情報を取得し、この消費電力情報を単位消費電力算出部４２２に供給する。なお、消費電力情報は、記録部４１２又はその他の記憶装置に記録しておくこととしてもよい。

次に、電源ユニットを組み合わせたときの１台当たりの消費電力（単位消費電力）を求める（ステップＳ１４）。ここでは、単位消費電力算出部４２２は、消費電力監視部４２１から供給された負荷５０の消費電力情報から、冗長構成の組み合わせ数分の単位消費電力を算出する。

具体的には、単位消費電力の算出は以下のように行われる。本実施形態における電源ユニットは、上述したようにＮ＋Ｍの冗長構成である。単位消費電力算出部４２２は、負荷５０の消費電力に対し、Ｎ＋Ｍ、Ｎ＋Ｍ−１、Ｎ＋Ｍ−２、…Ｎ＋１で割り算を行い、１台の電源ユニット当たりの消費電力を算出する。本実施形態の例では、Ｎ＝３、Ｍ＝３であるから、電源ユニットの故障がないと仮定すると、冗長構成の場合の電源ユニットの個数は、６個、５個、及び４個の３通りである。単位消費電力算出部４２２は、負荷５０の消費電力を６，５，４のそれぞれの値で除算した単位消費電力を算出する。

次に、最適な冗長構成の選択を行う（ステップＳ１５）。ここでは、冗長構成決定部４２３が、単位消費電力算出部４２２によって算出された単位消費電力に基づいて、電力変換効率が最適となるように冗長構成を決定する。

各電源ユニットの電力変換効率は、電源ユニットの負荷（％）ごとに予め求められている。ここでは、例えば、各電源ユニットの電力変換効率が、負荷が８５％のときに最大であるとする。最適構成選択部４２は、電源ユニットの個数が６，５，４の組み合わせの中から、単位消費電力が定格の８５％に最も近くなるように、最適な電源ユニットの個数Ｎ＋Ｘを決定する。ここで、Ｘは冗長構成決定部４２３によって決定された冗長電源ユニット３２０の個数である。

また、冗長電源ユニット３２０の各電源ユニットについて、決定された最適個数に応じてＯＮ／ＯＦＦさせるルールを予め定めておく。冗長構成決定部４２３は、このルールに従って、冗長電源ユニット３２０のうちＯＮにするものを決定する。例えば、電源ユニットの個数が４個（Ｘ＝１）のときに最適であると決定された場合、冗長電源ユニット３２０−１をＯＮとし、冗長電源ユニット３２０−２，３２０−３をＯＦＦとする。このルールは任意に定めることができる。

次に、電源ユニットのＯＮ／ＯＦＦ制御を行う（ステップＳ１６）。ここでは、冗長構成決定部４２３によって決定されたＮ＋Ｘ冗長構成となるように、電源ユニット３１０及び冗長電源ユニット３２０への交流電力の入力をＯＮ／ＯＦＦさせる。これにより、電源ユニット３１０及び冗長電源ユニット３２０のうちＯＮとなったものが負荷５０に対して直流電力を供給する。

その後、処理はステップＳ１３に戻り、ステップＳ１３からステップＳ１６までの処理を繰り返す。なお、処理の繰り返しのタイミングは、個々の電源システムに応じて任意に定めることができる。

上述したように、本実施形態の例では、電源システムを３＋３冗長構成から３＋１冗長構成（４台構成）へすることで、１台当たりの電源ユニットの電力変換効率が高くなる。また、各々の電源ユニットは、等価な動作をしているため、電源システム全体として電力変換効率の高い構成を取ることが可能となる。

なお、電源制御システムは電源の状態を常に監視しておくことにより、１台の電源ユニットに故障が発生したときの、ＯＦＦとなっており待機状態にある電源をＯＮさせることにより、常に変換効率の最適な構成をとることが可能となる。

なお、この発明は上述した実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

例えば、電源制御部（４０，４００）を各電源ユニット内に配置しておくことにより、電源制御部の動作においても冗長構成をとることが可能となる。

上記の変形例について具体的に説明する。各電源ユニットは、最初の起動時に、予め決定されていたルール（例えば電源ユニットが収納される位置についてそれぞれ番号を配置し、番号が一番小さいものをマスターとする等）に基づき、１台の電源ユニットがマスター電源、他の電源ユニットがスレーブ電源として動作する。マスター電源として動作する電源ユニット内の電源制御部が、マスター電源及びスレーブ電源の各電源ユニットへの交流電力の入力を制御することにより、上述の実施形態で説明したものと同様の電源システムとして動作することが可能になる。

その他の変形例として、例えば、複数の電源ユニットを備え、対象となる装置に分散型給電を行う電源システムにおいても、装置の消費電力が非常に軽い場合、冗長構成をとっているとみなすことができる。そのため、上述したような電源制御部で複数の電源ユニットへの入力を制御することにより、第１又は第２の実施形態と同等の効果を得ることができる。従って、本発明は、複数の電源ユニットからの分散型給電によって動作する全ての電気機器に適用することができる。

このとき、上述の実施形態では、各電源ユニットが等価なものである場合について説明しているが、各電源ユニットが等価なものでない場合にも、予め求められた各電源ユニットの電力変換効率情報と負荷の消費電力とからシステム全体の電力変換効率が最も高くなるように電源ユニットの冗長構成を決定することとしてもよい。

また、負荷に接続される電源ユニットが予め決定されている場合には、電源ユニット内のメモリではなく電源制御部側に電力変換効率情報を格納しておくこととしてもよい。

また、上述の実施形態では、各電源ユニットが交流電力から直流電力に変換するものとして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、直流電力から電圧が異なる直流電力に変換する電源ユニットであってもよい。

本発明の第１の実施形態に係る電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る電源システムの構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０，１００・・・電源システム
２１・・・交流電力
２２・・・直流電力
３０，３００・・・Ｎ＋Ｍ冗長構成電源ユニット
３１，３１０・・・電源ユニット
３２，３２０・・・冗長電源ユニット
３３０，３４０・・・メモリ
４０，４００・・・電源制御部
４１・・・効率情報記録部
４２・・・最適構成選択部
４３・・・交流入力制御部
５０・・・負荷
４１１・・・情報読取部
４１２・・・記録部
４２１・・・消費電力監視部
４２２・・・単位消費電力算出部
４２３・・・冗長構成決定部

Claims (5)

1. 入力された電力を出力用電力に変換して負荷に供給する複数の電源装置を備え、該複数の電源装置を冗長構成とした電源システムにおいて、
   各前記電源装置の消費電力に対する電力変換効率の情報を効率情報として記録する効率情報記録手段と、
   前記負荷の消費電力を取得し、該負荷の消費電力と前記効率情報とに基づいて、前記冗長構成の組み合わせから最も電力変換効率が高い組み合わせを最適構成として選択する最適構成選択手段と、
   選択された前記最適構成となるように、各前記電源装置への電力の入力をオンオフさせる入力制御手段と、を備える、
   ことを特徴とする電源システム。
2. 前記複数の電源装置は、Ｎ（Ｎは正の整数）＋Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の電源装置が並列に接続されており、
   前記最適構成選択手段は、
   前記負荷の運転状況を監視して、前記負荷の消費電力を取得する消費電力取得手段と、
   前記負荷の消費電力を、Ｎ＋Ｍ、Ｎ＋Ｍ−１、・・・、Ｎ＋１のそれぞれの数で除算して、前記電源装置の１台当たりの消費電力を算出する単位消費電力算出手段と、
   前記電源装置の１台当たりの消費電力と前記効率情報とに基づいて、前記Ｎ＋Ｍ、Ｎ＋Ｍ−１、・・・、Ｎ＋１の組み合わせのうち前記電源装置の１台当たりの電力変換効率が最も高いものを前記最適構成と決定する決定手段と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 各前記電源装置は、当該電源装置の消費電力に対する電力変換効率の情報が格納された記憶装置を備え、
   前記効率情報記録手段は、
   各前記記憶装置から各前記電源装置の消費電力に対する電力変換効率の情報を取得し、前記効率情報として記録する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。
4. 前記複数の電源装置は、入力された交流電力を出力用の直流電力に変換して前記負荷に供給する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源システム。
5. 入力された電力を出力用電力に変換して負荷に供給する複数の電源装置を備え、該複数の電源装置を冗長構成とした電源システムの制御方法において、
   各前記電源装置の消費電力に対する電力変換効率の情報を効率情報として記録するステップと、
   前記負荷の消費電力を取得するステップと、
   前記負荷の消費電力と前記効率情報とに基づいて、前記冗長構成の組み合わせから最も電力変換効率が高い組み合わせを最適構成として選択するステップと、
   選択された前記最適構成となるように、各前記電源装置への電力の入力をオンオフさせるステップと、を備える、
   ことを特徴とする電源システムの制御方法。

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