JP2015154552A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷への供給電力を維持しつつ、充電電流制限を可能にする。【解決手段】電源装置４０は、負荷７１に電力を供給する蓄電池７０と、並列接続された複数（ｎ）台の電源ユニット５０と、これらのｎ台の電源ユニット５０を制御する監視制御部６６と、を備えている。ｎ台の電源ユニット５０は、出力電流を所定の値に制限する定電流垂下特性と、所定の値以上の出力電流を出力する必要がある場合には出力電圧を垂下させて出力電流を増加させる定電力垂下特性と、を有し、負荷７１へ電力を供給すると共に、蓄電池７０を充電する。監視制御部６６は、電源ユニット１台当たりの垂下電力Ｐｓｅｔ（＝最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘ／ｎ）を算出し、この垂下電力Ｐｓｅｔの値を各電源ユニット５０にそれぞれ設定して各電源ユニット５０の定電力垂下特性をそれぞれ制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、負荷へ電力を供給する電源ユニットの停止時に、蓄電池から負荷への電力供給を継続することにより、負荷へ無停電で安定した電力供給を行う電源装置に関するものである。

図２は、特許文献１、２等に記載された従来の電源装置の概略を示す構成図である。
交流（以下「ＡＣ」という。）電源１には、電源装置１０が接続されている。電源装置１０は、ＡＣ電源１から供給されるＡＣ電力と、蓄電池２０から供給される直流（以下「ＤＣ」という。）電力と、を入力し、負荷２１の消費電力である負荷電力をその負荷２１へ供給するＤＣの無停電電源装置である。

電源装置１０は、ＡＣ電源１に接続された入力端子１１を有し、この入力端子１１に、複数の電源ユニット１２（＝１２−１〜１２−ｎ）が並列に接続されている。各電源ユニット１２は、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換してＤＣの出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ／ｎをそれぞれ接続点１３へ出力するＡＣ／ＤＣコンバータであり、出力電流Ｉｏ／ｎが閾値を超えると、出力電圧Ｖｏを垂下させる定電流垂下特性を有している。複数の電源ユニット１２は、電源ユニット故障時の負荷電力供給維持のために並列冗長構成になっている。

接続点１３からは、出力電圧Ｖｏと合流された出力電流Ｉｏとが出力される。接続点１３には、出力端子１７と入出力端子１８とが分岐接続され、その出力端子１７に、負荷２１が接続され、更に、その入出力端子１８に、蓄電池２０が接続される。出力端子１７からは、負荷電圧Ｖｌ及び負荷電流Ｉｌが出力される。入出力端子１８は、蓄電池２０への充電電圧Ｖｂ及び充電電流Ｉｂの出力、又は蓄電池２０の放電電流を入力する端子である。

接続点１３と出力端子１７との間には、負荷電流Ｉｌを検出する電流検出器１４と、負荷電圧Ｖｌを検出する電圧検出器１５と、が設けられている。電流検出器１４及び電圧検出器１５の出力側には、制御部１６が接続されている。制御部１６は、電流検出器１４及び電圧検出器１５の検出信号を入力し、複数の電源ユニット１２の運転状態を監視してそれらを制御する機能を有している。

このように構成される電源装置１０において、複数の電源ユニット１２は、負荷２１へ所望の負荷電圧Ｖｌ及び負荷電流Ｉｌを供給すると共に、蓄電池２０へ充電電圧Ｖｂ及び充電電流Ｉｂを供給する。又、蓄電池２０は、電源ユニット停止時に電源ユニット１２に代わって負荷２１への電力供給を継続する。これにより、負荷２１へ無停電で安定した電力供給を行うことができる。

特開平６−２８０４２号公報 特開２０１３−４６４５４号公報

しかしながら、従来の電源装置１０では、次の（１）〜（４）のような課題があった。
（１） 従来の電源装置１０では、負荷２１の要求する負荷電流Ｉｌが電源ユニット最大出力電流Ｉｏ＿ｍａｘに対して非常に小さく、なお且つ、蓄電池２０が十分に充電されていない状況において、（最大出力電流Ｉｏ＿ｍａｘ−負荷電流Ｉｌ）が蓄電池２０の充電電流Ｉｂとなり、過大な充電電流Ｉｂによって蓄電池２０の劣化（寿命）や破損が発生する虞がある。

（２） 前記（１）の対策として、充電電流Ｉｂを計測する計測部１９と、この計測結果に基づいて充電電流Ｉｂを制御する充電電流制御部１６ａと、を設け、複数の電源ユニット１２の最大出力電流Ｉｏ＿ｍａｘを制限することが考えられる。しかし、このような構成では、負荷２１の消費する負荷電力が略一定の特性を示す定電力負荷（Ｖｌ×Ｉｌ＝一定）に対する供給において、（最大出力電流Ｉｏ＿ｍａｘ＜負荷電流Ｉｌ）となって電源ユニット１２が垂下し、負荷電圧Ｖｌが負荷２１の動作電圧範囲（下限値）Ｖｌｉｍを下回ることにより、負荷２１が停止してしまう虞がある。

（３） 図３は、従来の図２中の複数台の電源ユニット１２の出力特性を示す図である。図３において、横軸は複数台の電源ユニット１２の合流出力電流Ｉｏ、及び、縦軸は複数台の電源ユニット１２の出力電圧Ｖｏである。

例えば、電源ユニット１２において、出力電圧Ｖｏ＝４８Ｖ、最大出力電流Ｉｏ＿ｍａｘ＝１００Ａに設定した時の最大出力電力はＰｏ＿ｍａｘ＝４．８ｋＷとなる。電源ユニット１２は、出力電流Ｉｏが１００Ａより小さい通常運転時Ｎｍｏｄには、出力電圧Ｖｏが４８Ｖの定電圧出力を行い、出力電流Ｉｏが閾値電流１００Ａを超えると、定電流垂下特性により、一定の出力電流Ｉｏ（＝１００Ａ）を維持しつつ出力電圧Ｖｏが４８Ｖ以下に低下して行く。

この電源装置１０に負荷電圧Ｖｌ＝４８Ｖ時に負荷電流Ｉｌ＝９０Ａ（消費電力Ｐｌ＝４．３２ｋＷ）の負荷２１を接続すると、（最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘ＞負荷電力Ｐｌ）となり、負荷２１への供給が可能である。しかし、蓄電池２０の電圧がＶｂ＜４３．２Ｖとなった場合、（Ｐｌ＿ｍａｘ＜Ｐｌ＝４．３２ｋＷ）となってしまうため、負荷２１の動作電圧範囲（下限値）Ｖｌｉｍ以下の負荷停止領域ＳＴａへ移行して、負荷２１が停止してしまう虞がある。

仮に、蓄電池２０の電圧がＶｂ＝４１Ｖであったとすると、負荷２１が必要とする負荷電流Ｉｌは、（Ｉｌ＝４．３２ｋＷ÷４１．０Ｖ＝１０５．４Ａ）となり、電源ユニット１２の最大出力電流Ｉｏ＿ｍａｘを超えてしまうため、負荷２１が停止する虞がある。又、最大出力電流Ｉｏ＿ｍａｘを１０５．４Ａ以上に設定した場合、出力電圧Ｖｏ＝４８Ｖ時の最大出力電力が（Ｐｏ＿ｍａｘ＝４８Ｖ×１０５．４Ａ＝５．０６ｋＷ）となり、無駄な電力が発生する。

（４） 蓄電池回復充電時に、ＡＣ電源１から過大な入力電力を受電してしまうことにより、ＡＣ電源系統（電力系統）から電源装置１０への供給電力の急激な増加が発生する虞がある。

本発明の電源装置は、負荷に電力を供給する蓄電池と、前記負荷へ電力を供給すると共に前記蓄電池を充電する電源ユニットと、前記電源ユニットの定電力垂下特性を制御する制御部と、を備えている。前記電源ユニットは、出力電流を所定の値に制限する定電流垂下特性と、前記所定の値以上の前記出力電流を出力する必要がある場合には出力電圧を垂下させて前記出力電流を増加させる前記定電力垂下特性と、を有している。

そして、前記制御部は、前記電源ユニットの最大出力電力をＰｏ＿ｍａｘ、前記負荷の消費する負荷電力をＰｌ、前記蓄電池の放電終止電圧をＶｂ＿ｍｉｎ、及び前記蓄電池への最大充電電流をＩｂ＿ｍａｘとしたときに、下記の式を満足するように、前記最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘの値を前記電源ユニットに設定して前記定電力垂下特性を制御することを特徴とする。
Ｐｏ＿ｍａｘ＝（Ｐｌ／Ｖｂ＿ｍｉｎ＋Ｉｂ＿ｍａｘ）×Ｖｂ＿ｍｉｎ
＝Ｐｌ＋（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）

本発明の他の電源装置は、負荷に電力を供給する蓄電池と、前記負荷へ電力を供給すると共に前記蓄電池を充電する並列接続されたｎ（但し、ｎ；複数）台の電源ユニットと、前記ｎ台の電源ユニットの定電力垂下特性を制御する制御部と、を備えている。前記ｎ台の電源ユニットは、出力電流を所定の値に制限する定電流垂下特性と、前記所定の値以上の前記出力電流を出力する必要がある場合には出力電圧を垂下させて前記出力電流を増加させる前記定電力垂下特性と、を有している。

そして、前記制御部は、前記ｎ台の電源ユニットの最大出力電力をＰｏ＿ｍａｘ、前記電源ユニット１台当たりの最大出力電力である垂下電力をＰｓｅｔ、前記負荷の消費する負荷電力をＰｌ、前記蓄電池の放電終止電圧をＶｂ＿ｍｉｎ、及び前記蓄電池への最大充電電流をＩｂ＿ｍａｘとしたときに、下記の式を満足するように、前記垂下電力Ｐｓｅｔの値を前記各電源ユニットに設定して前記定電力垂下特性を制御することを特徴とする。
Ｐｓｅｔ＝Ｐｏ＿ｍａｘ／ｎ
Ｐｏ＿ｍａｘ＝（Ｐｌ／Ｖｂ＿ｍｉｎ＋Ｉｂ＿ｍａｘ）×Ｖｂ＿ｍｉｎ
＝Ｐｌ＋（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）

本発明の電源装置によれば、負荷電圧Ｖｌ及び負荷電流Ｉｌの検出値から算出される負荷電力Ｐｌと、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎの設定値から決まる最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘに、電源ユニット出力電力を設定するだけで、負荷への供給電力を維持しつつ、充電電流制限が可能となる。更に、電源ユニットからの余剰な出力電力を抑制することにより、出力電力とほぼ比例関係にある電源ユニットの入力電力も抑制することが可能となり、省エネルギー化に貢献することが可能である。

図１は本発明の実施例１における電源装置の概略を示す構成図である。 図２は従来の電源装置の概略を示す構成図である。 図３は従来の図２中の複数台の電源ユニットの出力特性を示す図である。 図４は図１中の各電源ユニットの概略を示す構成図である。 図５は図１中の複数台の電源ユニットの垂下特性と負荷の負荷特性を示す図である。 図６は図１中の複数台の電源ユニットと負荷及び蓄電池充電電流の関係を示す図である。 図７は図１の電源装置における電源ユニット垂下電力設定の動作を示すフローチャートである。 図８は本発明の実施例２における電源装置の概略を示す構成図である。 図９は図８中の電源ユニットと負荷及び蓄電池充電電流の関係を示す図である。 図１０は本発明の実施例３における電源装置の概略を示す構成図である。 図１１は本発明の実施例４における電源装置の概略を示す構成図である。 図１２は本発明の実施例５における電源ユニットの概略を示す構成図である。

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１における電源装置の概略を示す構成図である。

ＡＣ電源３１には、電源装置４０が接続されている。電源装置４０は、ＡＣ電源３１から供給されるＡＣ電力と、蓄電池７０から供給されるＤＣ電力と、を入力し、負荷７１の消費電力である負荷電力をその負荷７１へ供給するＤＣの無停電電源装置である。

ＡＣ電源３１は、例えば、商用のＡＣ単相２００Ｖ又はＡＣ３相２００Ｖであり、これに対応して、電源装置４０も、ＡＣ単相用又はＡＣ３相用のＤＣ電源装置である。なお、説明を簡単にするために、以下、ＡＣ電源３１はＡＣ単相２００Ｖであり、電源装置４０も、ＡＣ単相用の電源装置であるとして説明する。

電源装置４０は、ＡＣ電源３１に接続された入力端子４１を有し、この入力端子４１に、複数台の電源ユニット５０（＝５０−１〜５０−ｎ）が並列に接続されている。各電源ユニット５０は、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換してＤＣの出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ／ｎをそれぞれ接続点６３へ出力するＡＣ／ＤＣコンバータである。各電源ユニット５０は、出力電流Ｉｏ／ｎを所定の値に制限する定電流垂下特性と、設定される垂下電力Ｐｓｅｔに基づき、その所定の値以上の出力電流Ｉｏ／ｎを出力する必要がある場合には出力電圧Ｖｏを垂下させて出力電流Ｉｏ／ｎを増加させる定電力垂下特性と、を有し、更に、運転状態を表す運転状態信号Ｓ５０を出力する機能を有している。この複数台の電源ユニット５０は、電源ユニット故障時の負荷電力供給維持のために並列冗長構成になっている。

接続点６３からは、出力電圧Ｖｏと合流された出力電流Ｉｏとが出力される。接続点６３には、出力端子６７と入出力端子６８とが分岐接続され、その出力端子６７に、負荷７１が接続され、更に、その入出力端子６８に、蓄電池７０が接続される。出力端子６７からは、負荷電圧Ｖｌ及び負荷電流Ｉｌが出力される。入出力端子６８は、蓄電池７０への充電電圧Ｖｂ及び充電電流Ｉｂの出力、又は蓄電池７０の放電電流を入力する端子である。

接続点６３と出力端子６７との間には、電流検出器６４及び電圧検出器６５が設けられている。電流検出器６４は、負荷電流Ｉｌを検出してこの負荷電流Ｉｌに対応した電圧の電流検出信号Ｓ６４を出力するものであり、ホール効果素子等により構成されている。電圧検出器６５は、負荷電圧Ｖｌを検出してこの負荷電圧Ｉｌに対応した電圧の電圧検出信号Ｓ６５を出力するものであり、抵抗分圧回路等により構成されている。

電流検出器６４及び電圧検出器６５の出力側には、制御部としての監視制御部６６が接続されている。監視制御部６６は、電流検出器６４の電流検出信号Ｓ６４、電圧検出器６５の電圧検出信号Ｓ６５、及び各電源ユニット５０の運転状態信号Ｓ５０を入力し、複数台の電源ユニット５０の運転状態を監視すると共に、各電源ユニット５０に対して所定の垂下電力Ｐｓｅｔを設定してその各電源ユニット５０の定電力垂下特性を制御する機能等を有している。

監視制御部６６は、電流検出手段としての出力電流監視部６６ａ、電圧検出手段としての出力電圧監視部６６ｂ、運転状態監視手段としての運転状態監視部６６ｃ、条件設定手段としての条件設定部６６ｄ、演算手段としての演算部６６ｅ、及び、垂下電力設定手段としての垂下電力設定部６６ｆを有し、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）等で構成されている。

出力電流監視部６６ａは、所定のサンプリング時間ｔ（ｓｅｃ）毎に、電流検出器６４の電流検出信号Ｓ６４を入力して負荷電流Ｉｌを検出し、その負荷電流Ｉｌを監視する機能を有している。出力電圧監視部６６ｂは、所定のサンプリング時間ｔ（ｓｅｃ）毎に、電圧検出器６５の電圧検出信号Ｓ６５を入力して負荷電圧Ｖｌを検出し、その負荷電圧Ｖｌを監視する機能を有している。運転状態監視部６６ｃは、各電源ユニット５０から出力される運転状態信号Ｓ５０を入力して複数台の電源ユニット５０（＝５０−１〜５０−ｎ）の並列運転台数ｎを監視し、運転台数信号Ｓ６６ｃを出力すると共に、電源ユニット５０が故障して運転台数が減少した時には、警報信号を出力する機能等を有している。条件設定部６６ｄは、運転状態監視部６６ｃから出力される運転台数信号Ｓ６６ｃを入力して運転台数ｎを設定すると共に、蓄電池７０への最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘと、蓄電池７０の放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎと、を設定する機能を有している。

演算部６６ｅは、検出された負荷電流Ｉｌ及び負荷電圧Ｖｌと、設定された最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎとに基づき、負荷電圧Ｖｌと負荷電流Ｉｌとを乗算して負荷７１の消費電力である負荷電力Ｐｌ（＝Ｖｌ×Ｉｌ）を算出し、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎを乗算し、この乗算結果（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）と負荷電力Ｐｌとを加算して最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘ
Ｐｏ＿ｍａｘ＝Ｐｌ＋（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）
を算出し、電源ユニット１台当たりの垂下電力Ｐｓｅｔ（＝Ｐｏ＿ｍａｘ／ｎ）を算出する機能を有している。更に、垂下電力設定部６６ｆは、算出された垂下電力Ｐｓｅｔを各電源ユニット５０に対して設定する機能を有している。

図４（ａ）〜（ｄ）は、図１中の各電源ユニット５０の概略を示す構成図であり、同図（ａ）は、電源ユニット５０の全体の構成、同図（ｂ）は、同図（ａ）中の出力電圧安定化回路５８の構成例、同図（ｃ）は、同図（ａ）中の垂下制御回路５９の構成例、及び、同図（ｄ）は、同図（ａ）中のＰＷＭ制御回路６２の構成例をそれぞれ示す図である。

電源ユニット５０は、ＡＣ電源３１から供給されるＡＣ電力を入力する２つの入力端子５１ａ，５１ｂを有し、この入力端子５１ａ，５１ｂに、整流回路５２が接続されている。整流回路５２は、入力されるＡＣ電力を整流してＤＣ電力を出力する回路であり、ダイオードブリッジ回路等により構成されている。整流回路５２の＋側出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３を介して、整流回路５２の−側出力端子に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５３は、変圧器（以下「トランス」という。）５３ａと、このトランス５３ａの１次巻線５３ａ１に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子５３ｂ等と、を有している。トランス５３ａは、巻数Ｎｐの１次巻線５３ａ１と、巻数Ｎｓの２次巻線５３ａ２と、により構成されている。スイッチング素子５３ｂと整流回路５２の−側出力端子との間には、電流検出器５４が設けられている。電流検出器５４は、１次側のＤＣ電流Ｉｄを検出してこのＤＣ電流Ｉｄに対応した電圧の電流検出信号Ｓ５４を出力するものであり、ホール効果素子等により構成されている。

トランス５３ａにおける２次巻線５３ａ２の２つの電極には、整流・平滑回路５５が接続されている。整流・平滑回路５５は、２次巻線５３ａ２の出力電力を整流する２つの整流ダイオード５５ａ，５５ｂと、その整流された出力電力を平滑するチョークコイル５５ｃ及び平滑コンデンサ５５ｄと、を有している。整流・平滑回路５５の＋側出力端子及び−側出力端子には、ＤＣの出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ／ｎを出力する＋側出力端子５６ａ及び−側出力端子５６ｂが接続されている。−側出力端子５６ｂは、グランドＧＮＤに接続されている。整流・平滑回路５５の＋側出力端子と＋側出力端子５６ａとの間には、電圧検出器５７が設けられている。電圧検出器５７は、出力電圧Ｖｏを検出してこの出力電圧Ｖｏに対応した電圧の電圧検出信号Ｓ５７を出力するものであり、抵抗分圧回路等により構成されている。

電圧検出器５７の出力側には、出力電圧安定化回路５８及び垂下制御回路５９が接続されている。出力電圧安定化回路５８は、例えば、誤差増幅器５８ａ等で構成され、電圧検出信号Ｓ５７及び基準電圧Ｖｒｅｆを入力し、これらの電圧検出信号Ｓ５７と基準電圧Ｖｒｅｆとを誤差増幅器５８ａで比較して、この比較結果が零になるような安定化信号Ｓ５８を出力する回路である。

垂下制御回路５９は、垂下電力Ｐｓｅｔが入力されると、定電圧垂下モードになり、電流検出信号Ｓ５４及び電圧検出信号Ｓ５７に基づき、その垂下電力Ｐｓｅｔを維持するような出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ／ｎを出力端子５６ａ，５６ｂから出力させるような垂下制御信号Ｓ５９を出力する回路である。垂下制御回路５９は、例えば、乗算器５９ａ及び誤差増幅器５９ｂ等により構成されている。乗算器５９ａは、電圧検出信号Ｓ５７と、出力電流Ｉｏ／ｎに対応する電圧信号（＝電流検出信号Ｓ５４×Ｎｐ／Ｎｓ、但し、Ｎｐ／Ｎｓはトランス５３ａの１次巻線Ｎｐと２次巻線Ｎｓとの巻数比）と、を乗算し、この乗算結果である乗算信号Ｓ５９ａを出力する回路である。誤差増幅器５９ｂは、乗算信号Ｓ５９ａと垂下電力Ｐｓｅｔとを比較し、この比較結果が零になるような垂下制御信号Ｓ５９を出力する回路である。

出力電圧安定化回路５８及び垂下制御回路５９の出力側には、それぞれ逆電流阻止用のダイオード６０，６１を介して、パルス幅変調（以下「ＰＷＭ」という。）制御回路６２が接続されている。ＰＷＭ制御回路６２は、例えば、コンパレータ６２ａ等により構成され、コンパレータ６２ａにより、ダイオード６０又は６１を介して入力される安定化信号Ｓ５８又は垂下制御信号Ｓ５９を、基準となる三角波信号ＣＰｓと比較し、オンデューティが可変されたＰＷＭ信号Ｓ６２を出力して、スイッチング素子５３ｂをオン／オフ動作させる回路である。

なお、各電源ユニット５０では、図示しない監視部により、出力端子５６ａ，５６ｂから出力される出力電力Ｖｏを監視して、正常に運転しているか、あるいは故障しているかの運転状態を表す運転状態信号Ｓ５０を、図１中の監視制御部６６へ出力する機能を有している。

（電源ユニットの垂下特性と負荷特性）
図５は、図１中の複数台の電源ユニット５０の垂下特性と負荷７１の負荷特性を示す図である。図５において、横軸は電流Ｉ及び縦軸は電圧Ｖである。

負荷７１の消費電力である負荷電力Ｐｌは、図５中の破線で示すように、電源ユニット５０の出力電圧Ｖｏ（＝負荷電圧Ｖｌ）の低下に伴って一定の定電力特性（Ｐｌ＝負荷電圧Ｖｌ×負荷電流Ｉｌ）を示す。これに対して、図５中の実線で示すように、複数台の電源ユニット５０の出力電力Ｐｏを、Ｐｏ≧Ｐｌになるように垂下特性を調整（即ち、出力電力Ｐｏ＝出力電圧Ｖｏ×出力電流Ｉｏ＝一定となるように定電力特性を調整）することにより、蓄電池７０の電圧Ｖｂが低下した状態においても、負荷７１への供給電力が不足することは無い。この時、複数台の電源ユニット５０の最大出力電力を、Ｐｏ＝（Ｐｌ／Ｖｂ＋Ｉｂ）×Ｖｂに設定することにより、負荷７１への供給電力を維持しつつ、蓄電池充電電流Ｉｂを任意の値以下に制限することが可能となる。

（電源ユニットと負荷及び蓄電池充電電流の関係）
図６は、図１中の複数台の電源ユニット５０と負荷７１及び蓄電池充電電流Ｉｂの関係を示す図である。図６において、横軸は電流Ｉ及び縦軸は電圧Ｖである。

蓄電池７０の電圧がＶｂで与えられた時、充電電流Ｉｂは、
Ｉｂ＝Ｉｏ−Ｉｌ＝（Ｐｏ−Ｐｌ）／Ｖｂ
となる。充電電流Ｉｂは、蓄電池７０の電圧Ｖｂが最小の時に最大となるため、蓄電池Ｖｂに蓄電池放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎを代入して出力電力Ｐｏを決定すれば、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘの値を制限することができる。

（電源ユニットの動作）
図４の電源ユニット５０は、通常運転時において、次のように動作する。

複数台の電源ユニット５０は、例えば、図３に示すように、出力電圧がＶｏ＝４８Ｖ、最大出力電流がＩｏ＿ｍａｘ＝１００Ａの時、最大出力電力がＰｏ＿ｍａｘ＝４．８ｋＷであると仮定する。

各電源ユニット５０において、ＡＣ電源３１から供給されるＡＣ電力が、入力端子５１ａ，５１ｂに入力されると、そのＡＣ電力が、整流回路５２によってＤＣ電力に整流される。整流されたＤＣ電力は、ＰＷＭ信号Ｓ６２によってオン／オフ動作するスイッチング素子５３ｂにより、ＡＣ電力に変換される。変換されたＡＣ電力のＡＣ電圧は、トランス５３ａによって所定電圧に変換される。変換された所定電圧のＡＣ電力は、ダイオード５５ａ，５５ｂによってＤＣ電力に整流された後、チョークコイル５５ｃ及び平滑コンデンサ５５ｄによって平滑され、平滑されたＤＣの出力電流Ｉｏ／ｎ及び出力電圧Ｖｏ（＝４８Ｖ）からなる出力電力Ｐｏが、出力端子５６ａ，５６ｂから出力される。

各電源ユニット５０から出力された出力電流Ｉｏ／ｎは、合流されて出力電流Ｉｏとなり、図１中の接続点６３から出力される。

図１中の負荷７１の変動等により、各電源装置５０の出力端子５６ａ，５６ｂから出力される出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒｅｆ（＝４８Ｖ）から変動したとする。

出力電圧安定化回路５８は、電圧検出器５７の電圧検出信号Ｓ５７と基準電圧Ｖｒｅｆ（＝４８Ｖ）とを比較し、この比較結果である安定化信号Ｓ５８が零になるように、ダイオード６０及びＰＷＭ制御回路６２を通して、ＰＷＭ信号Ｓ６２のオンデューティを変化させる。変化したオンデューティのＰＷＭ信号Ｓ６２により、スイッチング素子５３ｂがオン／オフ動作し、図５及び図６に示すように、出力電圧Ｖｏが一定の４８Ｖに維持され、図１中の接続点６３から出力される。

図１中の接続点６３から定電圧の出力電圧Ｖｏ（＝４８Ｖ）が出力されている時、蓄電池７０は、充電電流Ｉｂにより、図６中の蓄電池７０の電圧Ｖｂに示すように、定電圧充電される。

図１中の負荷７１が定電力特性を有し、複数台の電源ユニット５０の出力電圧Ｖｏが図５中の一定電圧４８Ｖより低下した場合の動作を説明する。

各電源ユニット５０内の垂下制御回路５９は、図１中の垂下電力設定部６６ｆによって垂下電力Ｐｓｅｔが設定されると、定電力垂下モードへ移行し、垂下電力Ｐｓｅｔを維持するような出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ／ｎを出力させるように、ダイオード６１及びＰＷＭ制御回路６２を通して、ＰＷＭ信号Ｓ６２のオンデューティを可変し、スイッチング素子５３ｂをオン／オフ動作させて定電力動作を行わせる。これにより、図１中の蓄電池７０は、図６に示すように、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ以下の充電電流Ｉｂ（＝Ｉｏ−Ｉｌ）で充電される。そのため、蓄電池７０の劣化や破損を防止できる。

（電源装置の全体の動作）
図７は、図１の電源装置４０における電源ユニット垂下電力設定の動作を示すフローチャートである。

この図７を参照しつつ、図１の電源装置４０の全体の動作を説明する。
電源装置４０の動作が開始され、ステップＳＰ１において、監視制御部６６内の運転状態監視部６６ｃは、各電源ユニット５０から与えられる運転状態信号Ｓ５０に基づき、複数台の電源ユニット５０の運転台数を表す運転台数信号Ｓ６６ｃを条件設定部６６ｄへ出力する。これにより、条件設定部６６ｄには、電源ユニット並列運転台数ｎが設定され、ステップＳＰ２へ進む。ステップＳＰ２において、条件設定部６６ｄに、蓄電池７０の最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘの値が設定され、ステップＳＰ３へ進む。ステップＳＰ３において、条件設定部６６ｄに、蓄電池７０の放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎの値が設定され、ステップＳＰ４へ進む。

ステップＳＰ４において、出力電圧監視部６６ｂは、所定のサンプリング時間ｔ（ｓｅｃ）毎に、電圧検出器６５の電圧検出信号Ｓ６５を入力し、現在の負荷電圧Ｖｌ（ｉ）を計測する。更に、出力電流監視部６６ａも、所定のサンプリング時間ｔ（ｓｅｃ）毎に、電流検出器６４の電流検出信号Ｓ６４を入力し、現在の負荷電流Ｉｌ（ｉ）を計測し、ステップＳＰ５へ進む。

ステップＳＰ５において、演算部６６ｅは、計測された現在の負荷電圧Ｖｌ（ｉ）と負荷電流Ｉｌ（ｉ）とから、現在の負荷電力Ｐｌ（ｉ）（＝Ｖｌ（ｉ）×Ｉｌ（ｉ））を算出し、ステップＳＰ６へ進む。ステップＳＰ６において、演算部６６ｅは、算出された負荷電力Ｐｌ（ｉ）と、設定された最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎと、から次式に従って複数台の電源ユニット５０の垂下電力Ｐｏ＿ｍａｘを算出し、ステップＳＰ７へ進む。
Ｐｏ＿ｍａｘ＝Ｐｌ（ｉ）＋（Ｖｂ＿ｍｉｎ×Ｉｂ＿ｍａｘ）

ステップＳＰ７において、演算部６６ｅは、電源ユニット１台当たりの垂下電力Ｐｓｅｔ（＝Ｐｏ＿ｍａｘ／ｎ）を算出し、ステップＳＰ８へ進む。ステップＳＰ８において、垂下電力設定部６６ｆは、各電源ユニット５０の垂下電力を垂下電力Ｐｓｅｔの値に設定する。すると、各電源ユニット５０は、定電力垂下モードへ移行し、垂下電力Ｐｓｅｔを維持するような出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ／ｎを出力するように、定電力動作を行う。これにより、蓄電池７０は、図６に示すように、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ以下の充電電流Ｉｂ（＝Ｉｏ−Ｉｌ）で充電される。そのため、蓄電池７０の劣化や破損を防止できる。

次に、ステップＳＰ９において、条件設定部６６ｄは、電源ユニット並列運転台数ｎ、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ、及び放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎの値に変更があるか否かを判定し、変更があれば（Ｙｅｓ）、ステップＳＰ１０へ進み、変更が無ければ（Ｎｏ）、それらの設定値（ｎ，Ｉｂ＿ｍａｘ，Ｖｂ＿ｍｉｎ）を変更せずに、ステップＳＰ４における負荷電圧Ｖｌ（ｉ）及び負荷電流Ｉｌ（ｉ）のサンプリング処理へ戻る。ステップＳＰ１０において、条件設定部６６ｄは、設定値（ｎ，Ｉｂ＿ｍａｘ，Ｖｂ＿ｍｉｎ）を変更値に再設定してから、ステップＳＰ４のサンプリング処理に戻り、以後、同様の処理を行う。

本実施例１における具体例として、電源ユニット故障時の負荷電力供給維持のために並列冗長構成を有する電源装置４０において、垂下電力Ｐｏ＿ｍａｘの値が、
Ｐｏ＿ｍａｘ≧｛（ｎ＋１）Ｐｌ＋（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）｝／ｎ
となるように、図６中の最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘの値を設定すれば、運用中に並列接続された複数台の電源ユニット５０の内、例えば１台が故障しても、負荷７１への電力供給を維持しつつ、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘを制限することが可能となる。

（実施例１の変形例）
出力電圧安定化回路５８及び垂下制御回路５９は、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）等により構成しても良い。

（実施例１の効果）
本実施例１の電源装置４０によれば、負荷電圧Ｖｌ及び負荷電流Ｉｌの計測値から算出される負荷電力Ｐｌと、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎの設定値と、から決まる最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘに、電源ユニット出力電力Ｐｏを設定するだけで、負荷７１への供給電力を維持しつつ、蓄電池７０への充電電流制限が可能となる。又、複数台の電源ユニット５０からの余剰な出力電力Ｐｏを抑制することにより、出力電力Ｐｏとほぼ比例関係にある電源ユニット５０の入力電力も抑制することが可能となり、省エネルギー化に貢献することが可能である。

（実施例２の構成）
図８は、本発明の実施例２における電源装置の概略を示す構成図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例２の電源装置４０は、実施例１の電源装置４０と同様の構成であるが、その動作が異なる。

（実施例２の動作）
図９は、図８中の電源ユニット５０と負荷７１及び蓄電池充電電流Ｉｂの関係を示す図であり、実施例１の図６と対応している。図９において、横軸は電流Ｉ及び縦軸は電圧Ｖである。

本実施例２の電源装置４０では、監視制御部６６で設定される電源ユニット１台当たりの垂下電力Ｐｓｅｔを、実施例１の垂下電力Ｐｓｅｔよりも小さく設定し、実線で示される電源装置４０の定電力特性を、実施例１の定電力特性よりも図９中の矢印方向に移動している。

複数台の電源ユニット５０の出力電流Ｉｏを負荷電流Ｉｌよりも小さくして（Ｉｏ＜Ｉｌ）、複数台の電源ユニット５０の出力電流Ｉｏを制限する。電流の不足分（＝Ｉｌ−Ｉｏ）は、蓄電池７０を強制放電させてこの放電電流Ｉｂにより供給する。

（実施例２の効果）
本実施例２の電源装置４０によれば、複数台の電源ユニット５０の出力電流Ｉｏを制限しているので、複数台の電源ユニット５０の出力電力Ｐｏとほぼ比例関係にある電源ユニット５０の入力電力を制限（ピークカット）して、より省エネルギー化に貢献することが可能である。

（実施例３の構成）
図１０は、本発明の実施例３における電源装置の概略を示す構成図であり、実施例２を示す図８中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例３では、実施例２と同様の電源装置４０の出力端子６７側に、他のＤＣ電源（例えば、太陽電池）７２及び太陽光発電（以下「ＰＶ」という。）コンバータ７３が接続されている。

（実施例３の動作）
本実施例３では、太陽電池７２から出力されるＤＣ電力をＰＶコンバータ７３へ与える。ＰＶコンバータ７３では、太陽電池７２の出力電力に対して最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を行い、出力電流Ｉｐｖを負荷７１へ供給する。

この際、ＰＶコンバータ７３の出力電流Ｉｐｖを優先し、複数台の電源ユニット５０の出力電流Ｉｏを負荷電流Ｉｌよりも小さくして（Ｉｏ＜Ｉｌ）、複数台の電源ユニット５０の出力電流Ｉｏを制限する。電流の不足分は、蓄電池７０を強制放電させてこの放電電流Ｉｂにより供給する。

（実施例３の変形例）
ＰＶコンバータ７３を蓄電池７０側に接続して、余剰電力発生時には蓄電池７０に充電する構成に変形しても良い。又、太陽電池７２及びＰＶコンバータ７３に代えて、燃料電池等の他のＤＣ電源を使用しても良い。

（実施例３の効果）
本実施例３の電源装置４０によれば、太陽電池７２等の他のＤＣ電源との連携を行っているので、複数台の電源ユニット５０の入力電力を制限して、より省エネルギー化に貢献することが可能である。

（実施例４の構成）
図１１は、本発明の実施例４における電源装置の概略を示す構成図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

実施例１の電源装置４０では、複数台の電源ユニット５０（＝５０−１〜５０−ｎ）を設けた並列冗長構成になっている。これに対し、本実施例４の電源装置４０Ａでは、実施例１の複数台の電源ユニット５０に代えて、１台の電源ユニット５０Ａが設けられている。本実施例４の電源ユニット５０Ａは、実施例１の電源ユニット５０と同一の構成であり、故障等の運転状態を表す運転状態信号Ｓ５０Ａを出力して、実施例１と同様の監視制御部６６へ与える機能を有している。

（実施例４の動作）
本実施例４の電源装置４０Ａでは、実施例１と同様に、電源ユニット５０Ａから出力される運転状態信号Ｓ５０Ａと、電流検出器６４から出力される電流検出信号Ｓ６４と、電圧検出器６５から出力される電圧検出信号Ｓ６５と、が監視制御部６６へ与えられる。監視制御部６６が動作して、この監視制御部６６から垂下電力Ｐｓｅｔが出力され、電源ユニット５０Ａに設定される。すると、電源ユニット５０Ａは、定電力垂下モードへ移行し、垂下電力Ｐｓｅｔを維持するような出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを出力するように、定電力動作を行う。これにより、蓄電池７０は、最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ以下の充電電流Ｉｂ（＝Ｉｏ−Ｉｌ）で充電されるため、蓄電池７０の劣化や破損を防止できる。

（実施例４の変形例）
監視制御部６６内の運転状態監視部６６ｃは、電源ユニット５０Ａから出力される運転状態信号Ｓ５０Ａに基づき、電源ユニット５０Ａの故障を知らせる警報信号Ｓ６６ｃ−１を出力する構成にしても良い。これにより、電源ユニット５０Ａの故障を外部から確認でき、メンテナンスが容易になる。又、電源装置４０Ａの構成を簡単にするために、運転状態信号Ｓ５０Ａ及び運転状態監視部６６ｃを削減しても良い。

（実施例４の効果）
本実施例４では、実施例１と略同様の効果がある。

（実施例５の構成）
図１２は、本発明の実施例５における電源ユニットの概略を示す構成図であり、実施例１を示す図４中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例１〜４の電源装置４０，４０Ａでは、ＡＣ電源３１を入力してＤＣ電力Ｐｏを出力する構成になっているが、そのＡＣ電力３１に代えてＤＣ電力を入力し、所定のＤＣ電力Ｐｏを出力する構成にしても良い。この場合の電源ユニット５０Ｂの構成例が、図１２に示されている。

本実施例４の電源ユニット５０Ｂでは、ＤＣ電力３１Ｂを入力する入力端子５１ａ，５１ｂを有し、実施例１の整流回路５２を省略して、その入力端子５１ａ，５１ｂを、実施例１と同様のＤＣ／ＤＣコンバータ５３に接続している。

（実施例５の動作）
本実施例４の電源ユニット５０Ｂでは、入力端子５１ａ，５１ｂから入力されたＤＣ電力３１Ｂが、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３でＡＣ電力に変換され、整流・平滑回路５５で所定のＤＣ電力に変換され、出力端子５６ａ，５６ｂから所定の出力電力Ｐｏが出力される。

（実施例５の効果）
本実施例５では、実施例１〜４と略同様の効果がある。

（実施例１〜５の他の変形例）
本発明は、上記実施例１〜５に限定されず、更に他の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）、（ｂ）のようなものがある。

（ａ） 電源ユニット５０，５０Ａ，５０Ｂは、図示以外の回路構成に変更しても良い。例えば、トランス５３ａの１次側に設けられた電流検出器５４は、そのトランス５３ａの２次側に設けても良い。これにより、垂下制御回路５９において、（電流Ｉｄ×Ｎｐ／Ｎｓ）から出力電流Ｉｏを算出する処理を省略できる。

（ｂ） 図７の電源ユニット垂下電力設定処理は、他の処置手順に変更しても良い。

４０，４０Ａ 電源装置
５０，５０−１〜５０−ｎ，５０Ａ，５０Ｂ 電源ユニット
５３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５５ 整流・平滑回路
５４，６４ 電流検出器
５７，６５ 電圧検出器
５８ 出力電圧安定化回路
５９ 垂下制御回路
６２ ＰＷＭ制御回路
６６ 監視制御部
６６ａ 出力電流監視部
６６ｂ 出力電圧監視部
６６ｃ 運転状態監視部
６６ｄ 条件設定部
６６ｅ 演算部
６６ｆ 垂下電力設定部
７０ 蓄電池
７１ 負荷
７２ 太陽電池

Claims (9)

1. 負荷に電力を供給する蓄電池と、
   出力電流を所定の値に制限する定電流垂下特性と、前記所定の値以上の前記出力電流を出力する必要がある場合には出力電圧を垂下させて前記出力電流を増加させる定電力垂下特性と、を有し、前記負荷へ電力を供給すると共に前記蓄電池を充電する電源ユニットと、
   前記電源ユニットの前記定電力垂下特性を制御する制御部と、
   を備える電源装置であって、
   前記制御部は、
   前記電源ユニットの最大出力電力をＰｏ＿ｍａｘ、前記負荷の消費する負荷電力をＰｌ、前記蓄電池の放電終止電圧をＶｂ＿ｍｉｎ、及び前記蓄電池への最大充電電流をＩｂ＿ｍａｘとしたときに、下記の式を満足するように、前記最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘの値を前記電源ユニットに設定して前記定電力垂下特性を制御することを特徴とする電源装置。
   Ｐｏ＿ｍａｘ＝（Ｐｌ／Ｖｂ＿ｍｉｎ＋Ｉｂ＿ｍａｘ）×Ｖｂ＿ｍｉｎ
   ＝Ｐｌ＋（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）
2. 前記制御部は、
   前記最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び前記放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎの値を設定する条件設定手段と、
   所定のサンプリング時間毎に前記負荷へ供給する負荷電流Ｉｌを検出する電流検出手段と、
   前記所定のサンプリング時間毎に前記負荷へ印加する負荷電圧Ｖｌを検出する電圧検出手段と、
   前記負荷電圧Ｖｌと前記負荷電流Ｉｌとを乗算して前記負荷電力Ｐｌを算出し、前記最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び前記放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎを乗算し、この乗算結果（Ｖｂ＿ｍｉｎ×Ｉｂ＿ｍａｘ）と前記負荷電力Ｐｌとを加算して前記最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘを算出する演算手段と、を有し、
   算出された前記最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘの値を前記電源ユニットに設定することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 負荷に電力を供給する蓄電池と、
   出力電流を所定の値に制限する定電流垂下特性と、前記所定の値以上の前記出力電流を出力する必要がある場合には出力電圧を垂下させて前記出力電流を増加させる定電力垂下特性と、を有し、前記負荷へ電力を供給すると共に前記蓄電池を充電する並列接続されたｎ（但し、ｎ；複数）台の電源ユニットと、
   前記ｎ台の電源ユニットの前記定電力垂下特性を制御する制御部と、
   を備える電源装置であって、
   前記制御部は、
   前記ｎ台の電源ユニットの最大出力電力をＰｏ＿ｍａｘ、前記電源ユニット１台当たりの最大出力電力である垂下電力をＰｓｅｔ、前記負荷の消費する負荷電力をＰｌ、前記蓄電池の放電終止電圧をＶｂ＿ｍｉｎ、及び前記蓄電池への最大充電電流をＩｂ＿ｍａｘとしたときに、下記の式を満足するように、前記垂下電力Ｐｓｅｔの値を前記各電源ユニットに設定して前記定電力垂下特性を制御することを特徴とする電源装置。
   Ｐｓｅｔ＝Ｐｏ＿ｍａｘ／ｎ
   Ｐｏ＿ｍａｘ＝（Ｐｌ／Ｖｂ＿ｍｉｎ＋Ｉｂ＿ｍａｘ）×Ｖｂ＿ｍｉｎ
   ＝Ｐｌ＋（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）
4. 前記制御部は、
   前記最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘの値が、
   Ｐｏ＿ｍａｘ≧｛（ｎ＋１）Ｐｌ＋（Ｉｂ＿ｍａｘ×Ｖｂ＿ｍｉｎ）｝／ｎ
   となるように前記最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘの値を設定することを特徴とする請求項３記載の電源装置。
5. 前記制御部は、
   前記最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び前記放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎの値を設定する条件設定手段と、
   所定のサンプリング時間毎に前記負荷へ供給する負荷電流Ｉｌを検出する電流検出手段と、
   前記所定のサンプリング時間毎に前記負荷へ印加する負荷電圧Ｖｌを検出する電圧検出手段と、
   前記負荷電圧Ｖｌと前記負荷電流Ｉｌとを乗算して前記負荷電力Ｐｌを算出し、前記最大充電電流Ｉｂ＿ｍａｘ及び前記放電終止電圧Ｖｂ＿ｍｉｎを乗算し、この乗算結果（Ｖｂ＿ｍｉｎ×Ｉｂ＿ｍａｘ）と前記負荷電力Ｐｌとを加算して前記最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘを算出し、前記最大出力電力Ｐｏ＿ｍａｘを前記ｎで除算して前記垂下電力Ｐｓｅｔを算出する演算手段と、を有し、
   算出された前記垂下電力Ｐｓｅｔの値を前記各電源ユニットにそれぞれ設定することを特徴とする請求項３又は４記載の電源装置。
6. 前記電源ユニットから出力される前記出力電流と、前記蓄電池から放電される放電電流と、を合流して前記負荷へ供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の電源装置。
7. 電源から出力される電源電流と、前記電源ユニットから出力される前記出力電流と、前記蓄電池から放電される放電電流と、を合流して前記負荷へ供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の電源装置。
8. 前記電源ユニットは、交流電力を直流電力に変換するコンバータにより構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の電源装置。
9. 前記電源ユニットは、直流電力を所定の直流電力に変換するコンバータにより構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の電源装置。

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