JP2011101593A

JP2011101593A - 電源システム

Info

Publication number: JP2011101593A
Application number: JP2011026452A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Matsumoto; 正松本; Kiyotaka Takehara; 清隆竹原; Akihiro Kikuchi; 彰洋菊池; Yoshihiro Tanigawa; 嘉浩谷川; Kenji Nakakita; 賢二中北
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2011-05-19
Also published as: JP5060274B2; JP2009159691A

Abstract

【課題】負荷変動が比較的大きい場合でも電源ユニットの電力変換効率を可能な限り高くし、結果的に省エネルギにつながる電源システムを提供する。
【解決手段】スイッチング電源である複数台の電源ユニット１０ａ〜１０ｄが、直流機器１０２が接続された直流供給線路Ｗｄｃに並列に接続される。給電制御手段２０は、給電状態とする複数台の電源ユニット１０ａ〜１０ｄを選択するときに、複数台のうちの１台の電源ユニットを除く残りの電源ユニットを最大の電力変換効率で動作させる。給電制御手段２０は、１台の電源ユニットの出力電力と残りの電源ユニットの出力電力とで、要求電力算定手段２１により算定された消費電力とするように、給電状態で動作する電源ユニット１０ａ〜１０ｄを選択し、選択した電源ユニット１０ａ〜１０ｄに給電状態で動作するように指示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として住宅、店舗、オフィスビルなどの建築物に配置された機器への給電に際して、複数台の電源ユニットを建築物に付設して給電する電源システムに関するものである。

従来から、電源の容量不足を補償する目的や電源の信頼性を向上させる目的で、複数台の電源ユニットを並列に接続して運転する技術が知られている。後者の技術は並列冗長運転と呼ばれているが、以下では両者を含めて並列運転という。

並列運転に際しては、一つの負荷回路に複数台の電源ユニットから給電する際に、電源ユニットの出力電圧のばらつきによって出力電圧の高い電源ユニットから出力電圧の低い電源ユニットに電流が逆流するのを防止するために、各電源ユニットの出力部に逆流阻止用のブロッキングダイオードを設けたり、電源ユニットの出力電圧の電圧差を吸収するために各電源ユニットの出力部に抵抗のようなインピーダンス要素を挿入したりする構成が広く採用されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００７−２０９１２１号公報特開２００７−１５９２２７号公報

ところで、上述のように並列運転を行う電源システムでは、複数台の電源ユニットからつねに給電しつづけており、また、特許文献２に記載のように、個々の電源ユニットの出力電流の差を小さくすることに着目して電源ユニットが制御されている。このような動作により、各電源ユニットに対する負荷が平均化されることになる。

一方、電源ユニットとしてスイッチング電源を用いる場合であって、１台の電源ユニットに着目すると、スイッチング素子によるスイッチング損失やインダクタの飽和などにより、出力電流と電力変換効率との間に、図７のような関係が生じる。一般的なスイッチング電源では、許容される出力電流の最大値Ｉｍａｘにおいてインダクタが飽和しないように設計されており、許容される出力電流の最大値Ｉｍａｘで電力変換効率が最大になるように設計されることが多い。

したがって、複数台の電源ユニットを用いて並列運転を行い、すべての電源ユニットからつねに給電しつづけるとともに、個々の電源ユニットの出力電流の差を小さくするように制御しているとすると、時間経過に伴う負荷変動が大きい場合には、各電源ユニットにおいて出力電流が許容される最大値Ｉｍａｘとなる状態が発生する頻度は少なく、通常は最大値Ｉｍａｘよりも小さい電流範囲Ｉ１−Ｉ２の電流を供給する期間が長くなる。

言い換えると、負荷変動の比較的大きい負荷回路において、複数台の電源ユニットを用いて並列運転を行うと各電源ユニットは電力変換効率が最大効率ηｍａｘ付近になるように運転される期間が少なくなるから、電力変換効率を高めることができず、エネルギの損失が大きくなるという問題が生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、負荷変動が比較的大きい場合でも電源ユニットの電力変換効率を可能な限り高くし、結果的に省エネルギにつながる電源システムを提供することにある。

請求項１の発明は、直流電力により駆動される直流機器が接続された直流供給線路に並列に接続され交流電力から直流電力への電力変換を行うスイッチング電源からなる複数台の電源ユニットと、各電源ユニットに対して直流供給線路を通して直流機器に直流電力を供給する給電状態と直流機器に直流電力を供給しない休止状態との選択を指示する給電制御手段と、直流機器の動作状態に応じて直流機器が要求する消費電力を算定する要求電力算定手段とを有し、給電制御手段は、給電状態とする複数台の電源ユニットを選択するときに、前記複数台のうちの１台の電源ユニットを除く残りの電源ユニットを最大の電力変換効率で動作させ、前記１台の電源ユニットの出力電力と前記残りの電源ユニットの出力電力とで前記要求電力算定手段により算定された消費電力とするように、給電状態で動作する電源ユニットを選択し、選択した電源ユニットに給電状態で動作するように指示することを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記給電制御手段は、前記直流機器での消費電力の範囲ごとに前記電源ユニットの台数を関係付けた台数データ記憶部を備え、前記要求電力算定手段により算定された消費電力を台数データ記憶部に照合することにより求めた台数の電源ユニットに対して給電状態で動作するように指示することを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、前記給電制御手段は、前記電源ユニットから供給する電力と電力変換効率とを関係付けた効率データ記憶部を備え、効率データ記憶部を用いて給電状態とする電源ユニットを選択することを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記電源ユニットのうちの一部は、他の電源ユニットとは最大出力電力が異なることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項１の発明において、前記電源ユニットのうちの一部は、他の電源ユニットとは最大出力電力が異なっており、前記給電制御手段は、前記直流機器での消費電力の範囲ごとに電源ユニットの組合せを関係付けた組合せデータ記憶部を備え、前記要求電力算定手段により算定された消費電力を組合せデータ記憶部に照合することにより求めた組合せの電源ユニットに対して給電状態で動作するように指示することを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記直流機器は複数台設けられ、前記電源ユニットは、他の電源ユニットおよび直流機器と通信可能であって直流電力の主たる供給先となる直流機器に関係付けてあり、前記給電制御手段は、主たる供給先の直流機器が要求する消費電力の合計が１台の電源ユニットの最大出力電力を超えるときに主たる供給先の直流機器が異なる他の電源ユニットから電力を補充することを特徴とする。

請求項７の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記給電制御手段は、電源ユニットを給電状態とした使用時間を計時し各電源ユニットごとに累積使用時間を計時する動作時間計時手段を備え、動作時間計時手段により計時された各電源ユニットの累積使用時間を均衡させるように時間経過に伴って給電状態とする電源ユニットを入れ換えることを特徴とする。

請求項８の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記電源ユニットは、出力電力量を監視する電力量監視手段を備え、前記給電制御手段は、各電源ユニットの電力量監視手段により検出される出力電力量の累積値を均衡させるように時間経過に伴って給電状態とする電源ユニットを入れ換えることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、負荷となる直流機器が要求する消費電力を算定し、複数台の電源ユニットを給電状態とするときに、１台の電源ユニットを除いて残りの電源ユニットを最大の電力変換効率で動作させるように、給電状態で動作する電源ユニットを選択するから、電力変換効率が最大になる条件で給電する電源ユニットの台数をできるだけ多くし、電力変換効率が最大にならない可能性のある電力ユニットを１台だけとすることになる。この条件で運転すれば、各電源ユニットで均等に負荷分担する場合よりも全体の電力変換効率を高くすることができる。すなわち、負荷が要求する電力を供給するにあたって、負荷変動が比較的大きい場合でも給電状態とする電源ユニットの電力変換効率を可能な限り高くすることができ、電源ユニットを１台だけ用いる場合よりも電力変換に伴う損失を低減して省エネルギを実現することができる。しかも、給電制御手段が、給電状態とする電源ユニットを選択し、選択した電源ユニットに給電状態で動作するように指示するから、電源ユニットの選択に複数の組み合わせが考えられる場合に、組み合わせを評価してから、電源ユニットを給電状態とすることができる。また、各電源ユニットは直流機器に直流電力を供給するからスイッチング電源を用いることにより出力電力を調節可能な種々構成を選択することができる。

請求項２の発明の構成によれば、要求電力算定手段により算定された消費電力を台数データ記憶部に照合することで、電源ユニットの電力変換効率を最大化するような台数を簡単に決めることができる。

請求項３の発明の構成によれば、電源ユニットの出力電力と電力変換効率とを関係付けた効率データ記憶部を設けているから、電源ユニットの電力変換効率が最大になる出力電力を効率データ記憶部から容易に求めることができる。

請求項４の発明の構成によれば、最大出力電力の異なる電源ユニットを組み合わせることにより、直流機器に要求される種々の消費電力に対して電力変換効率の高い組合せを得ることが可能になる。

請求項５の発明の構成によれば、最大出力電力の異なる複数台の電源ユニットを設けている場合には、要求電力算定手段により算定された消費電力を組合せデータ記憶部に照合することで、電源ユニットの電力変換効率を最大化するような組合せを簡単に決めることができる。

請求項６の発明では、電源ユニットごとに電力を主に供給する直流機器を対応付けてある場合、たとえば、部屋ごとに電源ユニットを関係付け、当該部屋に設けた直流機器に当該部屋に関係付けた電源ユニットから電力を供給するような場合であって、当該部屋に関係付けた電源ユニットだけでは当該部屋内の直流機器に供給する電力が不足するときには、他の部屋の直流機器に対応付けてある電源ユニットから供給する電力を増加させることにより電力を補充することができる。つまり、通常の動作では、電源ユニットは独立しているから、直流供給線路の上で近接した直流機器に電力を供給することにより、直流供給線路による電力損失を抑止し、電力が不足する場合には、遠方の電源ユニットから電力の融通を受けることにより、電力不足が生じないようにすることができる。しかも、各電源ユニットは供給する電力に不足が生じるときには、他の電源ユニットから電力が融通されるから、各電源ユニットの最大出力電力の余裕度を小さくし、各電源ユニットに小容量のものを用いることができ、結果的に電源ユニットの小型化につながる。

請求項７の発明の構成によれば、複数台の電源ユニットについて個々の電源ユニットが給電する時間のばらつきを低減することになり、また、請求項８の発明の構成によれば、複数台の電源ユニットについて個々の電源ユニットの出力電力量の累積値のばらつきを低減することになるから、いずれの構成においても、電源ユニットの劣化の程度が均一化される。たとえば、電源ユニットの劣化に伴って電源ユニットを交換する場合に、劣化が進んでいない電源ユニットまでも交換するという不都合を回避できる。したがって、交換作業の頻度を減らすことになる。

実施形態を示す要部ブロック図である。同上に用いる電源ユニットを示すブロック図である。同上に用いる直流機器を示すブロック図である。同上における配電系統の例を示す図である。（ａ）（ｂ）は同上に用いる給電制御手段の構成例を示すブロック図である。同上の全体構成を示す構成図である。電源ユニットの動作説明図である。

以下に説明する実施形態は、本発明を適用する建築物として戸建て住宅の家屋を想定して説明するが、本発明の技術思想を集合住宅に適用することを妨げるものではない。図６は本実施形態を適用する電源システムの全体構成である。家屋Ｈには、図６に示すように、直流電力を出力する直流電力供給部（電力供給部）１０１と、直流電力により駆動される負荷としての直流機器１０２とが設けられ、直流電力供給部１０１の出力端部に接続した直流供給線路Ｗｄｃを通して直流機器１０２に直流電力が供給される。直流電力供給部１０１と直流機器１０２との間には、直流供給線路Ｗｄｃに流れる電流を監視し、異常を検知したときに直流供給線路Ｗｄｃ上で直流電力供給部１０１から直流機器１０２への給電を制限ないし遮断する直流ブレーカ１１４が設けられる。

直流供給線路Ｗｄｃは、直流電力の給電路であるとともに通信路としても兼用されており、高周波の搬送波を用いてデータを伝送する通信信号を直流電圧に重畳することにより直流供給線路Ｗｄｃに接続された機器間での通信を可能にしている。この技術は、交流電力を供給する電力線において交流電圧に通信信号を重畳させる電力線搬送技術と類似した技術である。

直流供給線路Ｗｄｃは、直流電力供給部１０１を介して宅内サーバ１１６に接続される。宅内サーバ１１６は、宅内の通信網（以下、「宅内網」という）を構築する主装置であり、宅内網において直流機器１０２が構築するサブシステムなどと通信を行う。

図示例では、サブシステムとして、パーソナルコンピュータ、無線アクセスポイント、ルータ、ＩＰ電話機のような情報系の直流機器１０２からなる情報機器システムＫ１０１、照明器具のような照明系の直流機器１０２からなる照明システムＫ１０２，Ｋ１０５、来客対応や侵入者の監視などを行う直流機器１０２からなるインターホンシステムＫ１０３、火災感知器のような警報系の直流機器１０２からなる住警器システムＫ１０４などがある。各サブシステムは、自立分散システムを構成しており、サブシステム単独でも動作が可能になっている。

上述した直流ブレーカ１１４は、サブシステムに関連付けて設けられており、図示例では、情報機器システムＫ１０１、照明システムＫ１０２およびインターホンシステムＫ１０３、住警器システムＫ１０４、照明システムＫ１０５に関連付けて４個の直流ブレーカ１１４を設けている。１台の直流ブレーカ１１４に複数個のサブシステムを関連付ける場合には、サブシステムごとに直流供給線路Ｗｄｃの系統を分割する接続ボックス１２１が設けられる。図示例においては、照明システムＫ１０２とインターホンシステムＫ１０３との間に接続ボックス１２１が設けられている。

情報機器システムＫ１０１としては、壁コンセントあるいは床コンセントの形態で家屋Ｈに先行配置（家屋Ｈの建築時に施工）される直流コンセント１３１に接続される直流機器１０２からなる情報機器システムＫ１０１が設けられる。

照明システムＫ１０２、Ｋ１０５としては、家屋Ｈに先行配置される照明器具（直流機器１０２）からなる照明システムＫ１０２と、天井に先行配置される引掛シーリング１３２に接続する照明器具（直流機器１０２）からなる照明システムＫ１０５とが設けられる。引掛シーリング１３２には、家屋Ｈの内装施工時に施工業者が照明器具を取り付けるか、または家人自身が照明器具を取り付ける。

照明システムＫ１０２を構成する直流機器１０２である照明器具に対する制御の指示は、赤外線リモコン装置を用いて与えるほか、直流供給線路Ｗｄｃに接続されたスイッチ１４１から通信信号を用いて与えることができる。すなわち、スイッチ１４１は直流機器１０２とともに通信の機能を有している。また、スイッチ１４１の操作によらず、宅内網の別の直流機器１０２あるいは宅内サーバ１１６から通信信号により制御の指示がなされることもある。照明器具への指示には、点灯、消灯、調光、点滅点灯などがある。

上述した直流コンセント１３１、引掛シーリング１３２には、任意の直流機器１０２を接続することができ、接続された直流機器１０２に直流電力を出力するから、以下では直流コンセント１３１、引掛シーリング１３２を区別する必要がない場合には「直流アウトレット」と呼ぶ。

これらの直流アウトレットは、直流機器１０２に直接設けた接触子（図示せず）または接続線を介して設けた接触子（図示せず）が差し込まれる差込式の接続口が器体に開口し、接続口に差し込まれた接触子に直接接触する接触子受けが器体に保持された構造を有している。すなわち、直流アウトレットは接触式で給電を行う。直流アウトレットに接続された直流機器１０２が通信機能を有する場合には、直流供給線路Ｗｄｃを通して通信信号を伝送することが可能になる。直流機器１０２だけではなく直流アウトレットにも通信機能が設けられている。

宅内サーバ１１６は、宅内網に接続されるだけではなく、インターネットを構築する広域網ＮＴに接続される接続口を有している。宅内サーバ１１６が広域網ＮＴに接続されている場合には、広域網ＮＴに接続されたコンピュータサーバであるセンタサーバ２００によるサービスを享受することができる。

センタサーバ２００が提供するサービスには、広域網ＮＴを通して宅内網に接続された機器（主として直流機器１０２であるが通信機能を有した他の機器も含む）の監視や制御を可能にするサービスがある。このサービスにより、パーソナルコンピュータ、インターネットＴＶ、移動体電話機などのブラウザ機能を備える通信端末（図示せず）を用いて宅内網に接続された機器の監視や制御が可能になる。

宅内サーバ１１６は、広域網ＮＴに接続されたセンタサーバ２００との間の通信と、宅内網に接続された機器との間の通信との両方の機能を備え、宅内網の機器に関する識別情報（ここでは、ＩＰアドレスを用いるものとする）の取得の機能を備える。

宅内サーバ１１６は、センタサーバ２００との通信機能を用いることにより、広域網ＮＴに接続された通信端末からセンタサーバ２００を通して宅内の機器の監視や制御を可能にする。センタサーバ２００は、宅内の機器と広域網ＮＴ上の通信端末とを仲介する。

通信端末から宅内の機器の監視や制御を行う場合は、監視や制御の要求をセンタサーバ２００に記憶させ、宅内の機器は定期的に片方向のポーリング通信を行うことにより、通信端末からの監視や制御の要求を受信する。この動作により、通信端末から宅内の機器の監視や制御が可能になる。

また、宅内の機器において火災検知など通信端末に通知すべきイベントが生じたときには、宅内の機器からセンタサーバ２００に通知し、センタサーバ２００から通信端末に対して電子メールによる通知を行う。

宅内サーバ１１６における宅内網との通信機能のうち重要な機能は、宅内網を構成する機器の検出と管理である。宅内サーバ１１６では、ＵＰｎＰ（Universal Plug and Play）を応用して宅内網に接続された機器を自動的に検出する。宅内サーバ１１６はブラウザ機能を有する表示器１１７を備え、検出した機器の一覧を表示器１１７に表示する。この表示器１１７はタッチパネル式もしくは操作部が付設された構成を有し、表示器１１７の画面に表示された選択肢から所望の内容を選択する操作が可能になっている。したがって、宅内サーバ１１６の利用者（施工業者あるいは家人）は、表示器１１７の画面上で機器の監視ないし制御が可能になる。表示器１１７は宅内サーバ１１６とは分離して設けてもよい。

宅内サーバ１１６では、機器の接続に関する情報を管理しており、宅内網に接続された機器の種類や機能とアドレスとを把握する。したがって、宅内網の機器を連動動作させることができる。機器の接続に関する情報は上述のように自動的に検出されるが、機器を連動動作させるには、機器自身が保有する属性により自動的に関係付けを行うほか、宅内サーバ１１６にパーソナルコンピュータのような情報端末を接続し、情報端末のブラウザ機能を利用して機器の関係付けを行うこともできる。

機器の連動動作の関係は各機器がそれぞれ保持する。したがって、機器は宅内サーバ１１６を通すことなく連動動作することができる。各機器について、連動動作の関係付けを行うことにより、たとえば、機器であるスイッチの操作により、機器である照明器具の点灯あるいは消灯の動作を行うことが可能になる。また、連動動作の関係付けはサブシステム内で行うことが多いが、サブシステムを超える関係付けも可能である。

ところで、直流電力供給部１０１は、基本的には、商用電源のように宅外から供給される交流電源ＡＣの電力変換により直流電力を生成する。図示する構成では、交流電源ＡＣは、分電盤１１０に内器として取り付けられた主幹ブレーカ１１１を通して、電力変換装置１１２に入力される。電力変換装置１１２は、後述する電源ユニット１０を複数台（実施形態では４台）備える。各電源ユニット１０（図１参照）は、スイッチング電源を含むＡＣ／ＤＣコンバータをそれぞれ備える。電力変換装置１１２は、負荷の大きさに応じて運転する電源ユニット１０の台数を増減させる。電力変換装置１１２から出力される直流電力は、協調制御部１１３を通して各直流ブレーカ１１４に接続される。

直流電力供給部１０１には、交流電源ＡＣから電力が供給されない期間（たとえば、商用電源ＡＣの停電期間）に備えて二次電池１６２が設けられている。また、直流電力を生成する太陽電池１６１や燃料電池１６３を併用することも可能になっている。交流電源ＡＣから直流電力を生成する電力変換装置１１２を備える主電源に対して、太陽電池１６１や二次電池１６２や燃料電池１６３は分散電源になる。なお、図示例において、太陽電池１６１、二次電池１６２、燃料電池１６３は出力電圧を制御する回路部を含み、二次電池１６２は放電だけではなく充電を制御する回路部も含んでいる。

分散電源のうち太陽電池１６１や燃料電池１６３は必ずしも設けなくてもよいが、二次電池１６２は設けるのが望ましい。二次電池１６２は主電源や他の分散電源により適時充電され、二次電池１６２の放電は、交流電源ＡＣから電力が供給されない期間だけではなく必要に応じて適時に行われる。二次電池１６２の充放電や主電源と分散電源との協調は、協調制御部１１３により行われる。すなわち、協調制御部１１３は、直流電力供給部１０１を構成する主電源および分散電源から直流機器１０２への電力の配分を制御する直流電力制御部として機能する。なお、太陽電池１６１、二次電池１６２、燃料電池１６３の出力を交流電力に変換し、電力変換装置１１２の入力電力として用いる構成を採用してもよい。

直流機器１０２の駆動電圧は機器に応じた複数種類の電圧から選択されるから、協調制御部１１３にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、主電源および分散電源から得られる直流電圧を必要な電圧に変換するのが望ましい。通常は、１系統のサブシステム（もしくは１台の直流ブレーカ１１４に接続された直流機器１０２）に対して１種類の電圧が供給されるが、１系統のサブシステムに対して３線以上を用いて複数種類の電圧を供給するように構成してもよい。あるいはまた、直流供給線路Ｗｄｃを２線式とし、線間に印加する電圧を時間経過に伴って変化させる構成を採用することも可能である。ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流ブレーカと同様に複数に分散して設けてもよい。

上述した電力変換装置１１２、協調制御部１１３、直流ブレーカ１１４、太陽電池１６１、二次電池１６２、燃料電池１６３には通信機能が設けられており、主電源および分散電源や直流機器１０２を含む負荷の状態に対処する連携動作を行うことを可能にしている。この通信に用いる通信信号は、直流機器１０２に用いる通信信号と同様に直流電圧に重畳する形式で伝送する。

上述の例では主幹ブレーカ１１１から出力された交流電力を電力変換装置１１２により直流電力に変換するために、電力変換装置１１２を分電盤１１０内に配置しているが、主幹ブレーカ１１１の出力側において分電盤１１０内に設けた分岐ブレーカ（図示せず）で交流供給線路を複数系統に分岐し、各系統の交流供給線路にＡＣ／ＤＣコンバータを設けて系統ごとに直流電力に変換する構成を採用してもよい。

この場合、家屋Ｈの各階や各部屋を単位として直流電力供給部１０１を設けることができるから、直流電力供給部１０１を系統別に管理することができ、しかも、直流電力を利用する直流機器１０２との間の直流供給線路Ｗｄｃの距離が小さくなるから、直流供給線路Ｗｄｃでの電圧降下による電力損失を低減させることができる。また、主幹ブレーカ１１１および分岐ブレーカを分電盤１１０に収納し、電力変換装置１１２と協調制御部１１３と直流ブレーカ１１４と宅内サーバ１１６とを分電盤１１０とは別の盤に収納してもよい。

以下では、図１を参照して本実施形態の要部について説明する。図１において実線は電力の供給経路を示し、破線は通信経路を示している。上述のように、通信信号は直流電圧に重畳しているが、通信信号を伝送する通信路を直流供給線路Ｗｄｃとは別に設けてもよい。直流電力供給部１０１は、並列運転される複数台（図示例は３台）の電源ユニット１０ａ〜１０ｄを備える。また、各電源ユニット１０ａ〜１０ｄは同仕様に構成される。

図６に示す構成では、太陽電池１６１、二次電池１６２、燃料電池１６３を直流電力供給部１０１に設けているが、以下に説明する実施形態では、太陽電池１６１と二次電池１６２と燃料電池１６３とは電源ユニット１０ａ〜１０ｄには含まず、太陽電池１６１と二次電池１６２と燃料電池１６３とを用いる場合には、交流電源ＡＣの系統と連携する分散電源として用いる。したがって、以下に説明する実施形態では、協調制御部１１３としての機能は直流電力供給部１０１よりも前段に設けられることになる。

電源ユニット１０ａ〜１０ｄ（各電源ユニット１０ａ〜１０ｄは同構成であるから、以下では区別の必要がなければ電源ユニット１０と表記する）は、図２に示すように、直流電圧を出力し出力電圧が調節可能な電源回路部１１を備え、インピーダンス要素１２を介して直流供給線路Ｗｄｃの線間に電圧を印加し、負荷である直流機器１０２に給電する。したがって、電源回路部１１の負荷回路は、直流機器１０２だけではなく、インピーダンス要素１２と直流供給線路Ｗｄｃも含んでいることになる。インピーダンス要素１２は、小抵抗を用いる。

電源回路部１１は、交流電源ＡＣを整流するダイオードブリッジのような整流器と、チョッパ方式やフライバック方式のＤＣ／ＤＣコンバータとを組み合わせたスイッチング電源であるＡＣ／ＤＣコンバータからなる。つまり、各電源ユニット１０は交流電源ＡＣからの入力電力を直流電力に電力変換する。電源回路部１１の電力変換効率は、出力電流が許容された範囲の最大となるときに最大効率となるように設計される。すなわち、電源ユニット１０は、出力電力が最大であるときに電力変換効率が最大になる。

インピーダンス要素１２は、各電源ユニット１０において、直流機器１０２への電源供給経路に挿入されており、電源ユニット１０の出力電圧の電圧差を吸収する。つまり、電源ユニット１０の出力における電圧−電流特性に傾斜を持たせたことになり（この傾斜に相当する抵抗は「傾斜抵抗」と呼ばれている）、傾斜抵抗により電源ユニット１０の出力電圧を均衡させることができる。

本実施形態では、電源ユニット１０に、直流機器１０２や他の電源ユニット１０との間で通信する給電側通信部１３と、給電側通信部１３を通して適宜のタイミングで取得した指令値に従って電源回路部１１を制御する出力制御部１４とを設けている。出力制御部１４は、電源回路部１１の出力電圧を制御することが可能である。

各電力ユニット１０において電源回路部１１を給電状態とするか休止状態とするかの選択の指示は、電源ユニット１０とは別に設けた給電制御手段２０が行う。給電制御手段２０は、各電源ユニット１０の給電側通信部１３と通信可能であり、後述する方法で給電状態とする電源ユニット１０を選択し、選択した電源ユニット１０には給電状態を指示し、非選択の電源ユニット１０には休止状態を指示する。

給電制御手段２０において給電状態とする電源ユニット１０を選択するには、直流供給線路Ｗｄｃに供給すべき電力を求める必要がある。そこで、要求電力算定手段２１において直流機器１０２と通信することにより、各直流機器１０２が要求する消費電力を取得する。

直流機器１０２は、図３に示すように、期待される動作を行う主機能部３０と、他装置との間で通信を可能とする受電側通信部３１とを備える。さらに、直流機器１０２の運手状態に応じた消費電力の情報があらかじめ記憶されている動作状態記憶部３２が設けられる。動作状態記憶部３２には、直流機器１０２に運転と停止との２つの動作状態しか取らないときには、運転時の消費電力の情報と停止時の待機電力とが直流機器１０２を識別するための識別情報に関係付けて登録される。また、運転時に複数種類の動作状態を持つ場合（たとえば、照明機器において複数段階に調光可能な場合）には、各動作状態別に要求する消費電力の情報が登録される。

要求電力算定手段２１では、直流機器１０２が動作状態を変更する際に、直流機器１０２が次の動作状態で要求する消費電力の情報を直流機器１０２から受け取り、直流供給線路Ｗｄｃに接続されている直流機器１０２の全体で必要になる消費電力の総量を求める。また、直流供給線路Ｗｄｃにおいて直流機器１０２が接続されている位置に応じた電圧降下があるから、要求電力算定手段２１では、直流供給線路Ｗｄｃで生じる損失分を見込んで、直流供給線路Ｗｄｃに接続されている直流機器１０２が要求する電力（つまりは、電力変換装置１０１から直流供給線路Ｗｄｃに供給すべき電力の総量）を算定する。

要求電力算定手段２１で算定された消費電力は、給電制御手段２０に引き渡される。給電制御手段２０では、直流機器１０２の次の動作状態において要求される消費電力がすべての電源ユニット１０を同時に運転したときの出力電力の最大値を超えるときには、あらかじめ定めた規則に従って、直流機器１０２への通知を行う。たとえば、動作状態を変更しようとしている直流機器１０２に対して動作状態の変更を禁止する通知を行うか、他の直流機器１０２を停止させる指示を行うか、いずれかの直流機器１０２に対して消費電力を引き下げる動作状態に移行するように指示する。

一方、要求電力算定手段２１で算定された消費電力を電源ユニット１０で充足できるときには、給電制御手段２０において、当該消費電力に見合う電力を供給するのに必要であって、かつ各電力ユニット１０の電力変換効率が最大になるように給電状態とする電源ユニット１０の台数を求める。

ここでは、電源ユニット１０は同仕様であるものとする。この場合、直流機器１０２の消費電力の総量（直流供給線路Ｗｄｃでの損失分を含む）がわかれば、給電状態とすべき電源ユニット１０の最小台数は、消費電力を電源ユニット１０の出力電力の最大値で除算すれば算出することができる。

ただし、電源ユニット１０が最大出力電力のときに電力変換効率を最大にするように設計されていない場合には、上述の条件では電力変換効率を最大にすることができない。そこで、給電制御手段２０において、表１のように電源ユニット１０から供給する電力（出力電力）と電力変換効率とを関係付けた効率データ記憶部（図示せず）を設けておき、複数台の電源ユニット１０から電力を供給する場合には、効率データ記憶部における関係を用いて、電力変換効率が最大になる出力電力で、直流機器１０２の消費電力を除算し、除算結果の切り上げを行って給電状態とする電源ユニット１０の台数を決定する。

このことは、要求電力算定手段２１で求めた消費電力から電力変換効率を最大にした電源ユニット１０の出力電力を減算し、残りの消費電力が、電力変換効率を最大にした電源ユニット１０の出力電力を超えている場合には、残りの消費電力から電力変換効率を最大にした電源ユニット１０の出力電力を減算するという処理を繰り返し、最終的に残りの消費電力が１台の電源ユニット１０で電力変換効率が最大になるときの出力電力以下の電力で充足できるようになった時点の台数を用いることと等価である。

このようにして電源ユニット１０の台数を決定すれば、電力変換効率が最大にならない可能性のある電力ユニット１０は１台だけになるから、各電源ユニット１０で均等に負荷分担する場合よりも全体の電力変換効率を高くすることができる。

例を挙げると、表１の動作において、消費電力が６０Ｗである場合に、３台の電源ユニット１０を給電状態として２０Ｗずつを供給すると、各電源ユニット１０での電力変換効率がそれぞれ６０％であるから、入力電源である交流電源ＡＣの必要電力は１００Ｗになる。これに対して、６０Ｗを１台の電源ユニット１０で供給すると電力変換効率が８０％であるから、交流電源ＡＣの必要電力は７５Ｗになり、電力の利用率が高くなる。

上述の例では、６０Ｗの電力を供給する組合せには、２台の電源ユニット１０を用いて、１台からは電力変換効率が最大となる５０Ｗを供給し、他の１台からは１０Ｗを供給することも考えられる。このように複数の組合せが考えられる場合は、供給制御手段２０に判断演算手段を設け、判断演算手段において、各組合せについて、それぞれ交流電源ＡＣに要求される電力を演算により求め、演算結果のうち必要な電力が最小になる組合せを選択すればよい。

上述の例では、２台の電源ユニット１０を用いて５０Ｗ、１０Ｗの組合せで供給すると、５０／０．９＋１０／０．５≒７５．６Ｗになり、１台の電源ユニット１０を用いて６０Ｗを供給する場合は、６０／０．８≒７５Ｗになるから、１台の電源ユニット１０を用いるほうがやや望ましいと言える。組合せは、電源ユニット１０の仕様によっても異なるから、複数通りの組合せに対して、上述のような判断演算手段により電力の利用率を評価し、電力の利用率がもっとも高い組合せを選択すると、省エネルギを推進することができる。

また、３台の電源ユニット１０が家屋Ｈにおける部屋ごとに配置され、かつ各電源ユニット１０からそれぞれ５０Ｗ、３０Ｗ、２０Ｗの電力を供給する場合を想定すると、交流電源ＡＣでは合計で１３１．７Ｗ（≒５０／０．９＋３０／０．７＋２０／０．６）になるが、２台の電源ユニット１０を用いて５０Ｗずつの電力を供給すれば、１１１．１Ｗになり、電力の利用率が高くなる。

上述の説明で触れているように、各部屋ごとなどの単位区画（部屋をさらに天井と壁などの複数の単位区画に区分したり、複数の部屋を１つにまとめて単位区画とすることも可能）で電源ユニット１０を設けるようにすると、電源ユニット１０を単位区画の直流機器１０２に対応付けることができる。各電源ユニット１０は他の電源ユニット１０や直流機器１０２とは通信可能に構成されており、動作する直流機器１０２に応じて主としてどの電源ユニット１０から給電するかを決めておくことにより、単位区画ごとの給電が可能になる。

この構成では、各電源ユニット１０にそれぞれ直流電力の主たる供給先となる直流機器１０２を通信により関係付けているが、電源ユニット１０同士は直流供給線路Ｗｄｃに並列接続されている。通常は、各単位区画の直流機器１０２には、当該単位区画に関係付けた電源ユニット１０から電力を供給するが、供給する電力に不足が生じる場合には、上述した動作と同様にして、電力変換効率が高くなるように電源ユニット１０を連携させて運転することにより、直流機器１０２から要求される電力を補充することが可能になる。つまり、通常は単位区画に分けて給電するが、必要に応じて電力を融通することになる。

上述の動作により、各単位区画に近い場所に電源ユニット１０を配置することになり、電源ユニット１０と直流機器１０２との間の直流供給線路Ｗｄｃでの損失を抑制することができる。とくに、一般に、直流供給線路Ｗｄｃの線間電圧は商用電源のような交流電源ＡＣの線間電圧よりも低く設定されるから、直流供給線路Ｗｄｃでの損失を抑制することは電力の利用率を高めることになり、結果的に省エネルギにつながる。

電源ユニット１０を単位区画ごとに配置する場合には、図４に示すように、交流電源ＡＣの分電盤Ｄ１において分岐ブレーカを用いて複数系統に分岐し、各系統ごとの交流供給線路を介して電源ユニット１０に電力を供給すればよい。電源ユニット１０は、単位区画ごとに配置した分散分電盤Ｄ２に設け、分散分電盤Ｄ２から当該単位区画の直流機器１０２へ配電する。

ところで、上述の動作を行うには、各単位区画の直流供給線路Ｗｄｃを横断する直流供給線路Ｗｄｃが必要になる。すなわち、図４に示しているように、電源ユニット１０（１箇所に複数台の電源ユニット１０があってもよい）を並列に接続する直流供給線路Ｗｄｃを設けることになる。ただし、上述の構成では、常時は各単位区画の電源ユニット１０を連携させる必要がないから、単位区画ごとの電源ユニット１０の間を横断する直流供給線路Ｗｄｃに、各電源ユニット１０を必要に応じて接続する切換部１５を設けるのが望ましい。切換部１５は給電制御手段２０と通信可能であり、必要に応じて給電制御手段２０が切換部１５を介して電源ユニット１０を横断用の直流供給線路Ｗｄｃに接続する。

上述の処理を行えば電源ユニット１０の電力変換効率を最大化することができるが、直流機器１０２の動作状態に変動が多い場合には、処理負荷が大きくなる可能性がある。これに対して、以下の技術を採用すれば、給電状態とする電源ユニット１０の台数を簡便に決めることができる。

すなわち、給電制御手段２０に、表２のように、直流機器１０２での消費電力の範囲ごとに電源ユニット１０の台数を関係付けた台数データ記憶部（図示せず）を設け、要求電力算定手段２１で求めた消費電力を台数データ記憶部に照合して、給電状態とする電源ユニット１０の台数を決定する。

台数データ記憶部にあらかじめ適正な台数を設定しておけば、消費電力に応じて給電状態にすべき電源ユニット１０の台数を単純に決定することができる。つまり、要求電力算定手段２１で求めた消費電力を台数データ記憶部に照合することで、電源ユニット１０の電力変換効率を最大化するような台数を簡単に決めることができる。

なお、電源ユニット１０において所要の電力を供給できるように電源ユニット１０が給電状態になった後に、直流機器１０２の動作を変更することにより、直流機器１０２において受電電力に不足が生じるのを防止することができる。

ところで、上述した動作では、電力変換装置１０１の出力電力の最大値に比較して直流機器１０２が要求する消費電力が小さいときには、特定の電力ユニット１０ばかりが給電状態になる可能性がある。このように、各電源ユニット１０において給電状態となる累積時間にばらつきがあると、電源ユニット１０の劣化の程度にもばらつきが生じる。給電制御手段２０は、上述のように給電状態とする電源ユニット１０の台数を決めるだけではなく、電源ユニット１０の劣化の程度を均等化する機能も備える。

すなわち、給電制御手段２０は、図５（ａ）に示すように、各電源ユニット１０ごとに給電状態としたときの累積使用時間を計時する動作時間計時手段２２と、動作時間記憶手段２２で計時した累積使用時間を各電源ユニット１０ごとに記憶する累積時間記憶手段２３と、累積時間記憶手段２３に記憶された各電源ユニット１０の累積使用時間が均衡するように、給電状態とする電源ユニット１０を入れ換える判定手段２４とを備える。

たとえば、３台の電源ユニット１０を用いる場合に、電源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを１時間用いた後に、電源ユニット１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを２時間用い、さらに電源ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｄを１時間用いるとすると、次には、電源ユニット１０ａ、１０ｃ、１０ｄを１時間用いるというように、給電状態とする電源ユニット１０を入れ換える。この例の場合、電源ユニット１０ａは３時間、電源ユニット１０ｂ〜１０ｄは４時間の累積使用時間になるから、累積使用時間が平均化される。電源ユニット１０を入れ換えるタイミングは、直流機器１０２に給電している間の適宜のタイミングでよい。また、入れ換えの対象となる電源ユニット１０が同時に給電状態となる期間を一時的に設けることにより、電力不足が瞬時的に生じるのを防止するのが望ましい。

判定手段２４は、直流機器１０２が要求する消費電力に応じて給電状態とする電源ユニット１０の台数を決めるだけではなく、どの電源ユニット１０を給電状態とするかを各電源ユニット１０の累積使用時間に応じて選定する機能も備える。この動作により、電源ユニット１０の累積使用時間が平均化され、結果的に劣化の程度に極端な差が生じることが防止され、劣化した電源ユニット１０の交換のようなメンテナンスの頻度を低減させることができる。

電源ユニット１０の劣化の程度を均衡させるために、累積使用時間に代えて直流機器１０２に供給した総電力量を用いるようにしてもよい。つまり、図５（ｂ）のように、各電源ユニット１０の出力電力量をそれぞれ監視する電力量監視手段２０と、電力量監視手段２０により検出した電力量の累積値を各電源ユニット１０ごとに記憶する電力量記憶手段２６と、電力量記憶手段２６に記憶された各電源ユニット１０の出力電力量の累積値が均衡するように、給電状態とする電源ユニット１０を入れ換える判定手段２７とを備える。図５（ｂ）に示した構成の動作は図５（ａ）に示した構成と基本的には同様であり、判定手段２７は、直流機器１０２が要求する消費電力に応じて給電状態とする電源ユニット１０の台数を決めるとともに、各電源ユニット１０が出力した電力量の累積値が平均化されるように、どの電源ユニット１０を給電状態とするかを決定するのである。したがって、使用時間と同様に電源ユニット１０の劣化の程度のばらつきを低減することができる。

なお、上述した構成例では、給電制御手段２０および要求電力算定手段２１を電力変換装置１０１あるいは協調制御部１１３に設けた例を示したが、宅内サーバ１１６に設けたり、他の装置とは独立した装置として設けたりすることも可能である。また、場合によってはセンタサーバ２００に設けることも可能である。

上述した構成例では、同仕様の電源ユニット１０を用いる場合について例示したが、最大出力電力が異なる電源ユニット１０を組み合わせて用いるようにしてもよい。この場合、直流機器１０２に要求される種々の消費電力に対して電力変換効率の高い組合せを得ることが可能になる。

いま、３台の電源ユニット１０を用いるものとし、各電源ユニット１０を区別するためにＡ，Ｂ，Ｃの符合を用いる。また、各電源ユニットＡ，Ｂ，Ｃにおいて電力変換効率が最大になるときの出力電力を、それぞれ１０Ｗ、２０Ｗ、３０Ｗとする。

このように電力変換効率が最大になるときの出力電力が異なる（したがって、最大出力電力も異なる）場合には、直流機器１０２に要求される電力に対して電力変換効率を最大にする電源ユニットＡ，Ｂ，Ｃの組合せは演算によって求めることが可能であるが、表３のようなデータを格納した組合せデータ記憶部（図示せず）を給電制御手段２０に設けておくのが望ましい。

組合せデータ記憶部では、直流機器１０２が要求する電力の範囲（表では範囲として示していないが、１段目は０〜１０Ｗ、２段目は１０〜２０Ｗを表す）ごとに、電力変換効率を最大にする電源ユニットＡ，Ｂ，Ｃの組合せがあらかじめ設定してある。

給電制御手段２０では、要求電力算定手段２１で求めた電力を組合せデータ記憶部に照合することにより、直流機器１０２が要求している電力を供給するにあたって、どの電源ユニットＡ，Ｂ，Ｃを組み合わせればよいかを簡単に求めることができる。

表３からわかるように、直流機器１０２が要求する消費電力がどのように変化しても、各電源ユニットＡ，Ｂ，Ｃをほぼ最大の電力変換効率で使用することが可能になり、結果的に電力の利用効率が高くなる。

１０（１０ａ〜１０ｄ）電源ユニット
２０給電制御手段
２１要求電力算定手段
２２動作時間計時手段
２５電力量監視手段
１０２直流機器
Ｗｄｃ直流供給線路

Claims

直流電力により駆動される直流機器が接続された直流供給線路に並列に接続され交流電力から直流電力への電力変換を行うスイッチング電源からなる複数台の電源ユニットと、各電源ユニットに対して直流供給線路を通して直流機器に直流電力を供給する給電状態と直流機器に直流電力を供給しない休止状態との選択を指示する給電制御手段と、直流機器の動作状態に応じて直流機器が要求する消費電力を算定する要求電力算定手段とを有し、給電制御手段は、給電状態とする複数台の電源ユニットを選択するときに、前記複数台のうちの１台の電源ユニットを除く残りの電源ユニットを最大の電力変換効率で動作させ、前記１台の電源ユニットの出力電力と前記残りの電源ユニットの出力電力とで前記要求電力算定手段により算定された消費電力とするように、給電状態で動作する電源ユニットを選択し、選択した電源ユニットに給電状態で動作するように指示することを特徴とする電源システム。
前記給電制御手段は、前記直流機器での消費電力の範囲ごとに前記電源ユニットの台数を関係付けた台数データ記憶部を備え、前記要求電力算定手段により算定された消費電力を台数データ記憶部に照合することにより求めた台数の電源ユニットに対して給電状態で動作するように指示することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記給電制御手段は、前記電源ユニットから供給する電力と電力変換効率とを関係付けた効率データ記憶部を備え、効率データ記憶部を用いて給電状態とする電源ユニットを選択することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記電源ユニットのうちの一部は、他の電源ユニットとは最大出力電力が異なることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電源システム。
前記電源ユニットのうちの一部は、他の電源ユニットとは最大出力電力が異なっており、前記給電制御手段は、前記直流機器での消費電力の範囲ごとに電源ユニットの組合せを関係付けた組合せデータ記憶部を備え、前記要求電力算定手段により算定された消費電力を組合せデータ記憶部に照合することにより求めた組合せの電源ユニットに対して給電状態で動作するように指示することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記直流機器は複数台設けられ、前記電源ユニットは、他の電源ユニットおよび直流機器と通信可能であって直流電力の主たる供給先となる直流機器に関係付けてあり、前記給電制御手段は、主たる供給先の直流機器が要求する消費電力の合計が１台の電源ユニットの最大出力電力を超えるときに主たる供給先の直流機器が異なる他の電源ユニットから電力を補充することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電源システム。
前記給電制御手段は、電源ユニットを給電状態とした使用時間を計時し各電源ユニットごとに累積使用時間を計時する動作時間計時手段を備え、動作時間計時手段により計時された各電源ユニットの累積使用時間を均衡させるように時間経過に伴って給電状態とする電源ユニットを入れ換えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電源システム。
前記電源ユニットは、出力電力量を監視する電力量監視手段を備え、前記給電制御手段は、各電源ユニットの電力量監視手段により検出される出力電力量の累積値を均衡させるように時間経過に伴って給電状態とする電源ユニットを入れ換えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電源システム。