JP3813090B2 - 無瞬断直流供給システム - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池を用いた無瞬断直流供給システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図4に従来用いられている無瞬断直流供給システムの構成図を示す。図4において、無瞬断直流供給システムは商用の交流電力を整流して直接負荷に電力を供給する直送用整流装置1、鉛蓄電池2、商用の交流電力を整流して蓄電池に充電する充電用整流装置3で構成されており、この出力が負荷4に供給されている。次に図5に無瞬断直流供給システムにおいて通常の場合の電力供給ルートを太線で示した構成図を示す。図5において、直送用整流装置1は入力した商用電源20の交流200Vを直流−48Vに変換し、同一フロアーに設置されている負荷4に供給する。この時充電用整流装置3は入力した商用電源20の交流200Vを直流−48Vに変換し、この直流電圧を鉛蓄電池2に供給する。これにより鉛蓄電池2は常時満充電の状態に保たれる。次に図6に停電時の電力供給ルートを太線で示した無瞬断直流供給システムの構成図を示す。停電により商用電源20が遮断状態になった場合は、満充電状態の鉛蓄電池2がバックアップ電源として放電を開始し、直送用整流装置1を介して無瞬断で直流−48Vを負荷4へ供給する。この後、商用電源20が回復すると、図5に示す通常の供給ルートに無瞬断で戻り、充電用整流装置3による鉛蓄電池2の充電が再開される。
【0003】
次に図7に通信ビル5における標準的な無瞬断直流供給システムの設置状況図を示す。図7においては事故等により商用電源20からの電源供給が遮断され、各負荷への電源供給断という危険を分散させるため、一負荷に対し一無瞬断直流供給システムを導入している。すなわち、負荷(No.1)41に対しては直送用整流装置(No.1)11、鉛蓄電池(No.1)21、充電用整流装置(No.1)31が接続されており、負荷(No.2)42に対しては直送用整流装置(No.2)12、鉛蓄電池(No.2)22、充電用整流装置(No.2)32が接続されており、負荷(No.3)43に対しては直送用整流装置(No.3)13、鉛蓄電池(No.3)23、充電用整流装置(No.3)33が接続されている。また各負荷41、42、43に安定した直流−48Vを供給するため、各直送用整流装置11、12、13内部の+端子導帯61、62、63のそれぞれと同一フロアーに設置された接地端子箱71、72、73間に通信用アース81、82、83を布設し、+端子のゼロ電位を確立する構成としている。なお、上階層(フロア502,503,504)における接地端子箱に接続されている通信用アース線81、82、83は接地母線700を介してフロア501(最下層)の接地端子箱70に接続されており、この接地端子箱70はグランドレベルに接地されている。
【0004】
また図8に通信ビル5における自家発電設備として設置されている燃料電池9を使用した場合の運用形態イメージ図を示す。燃料電池9は、発電部分のセルスタック10から直流電力を発生するが、燃料電池内インバーター15により直流から交流電力に変換し、商用電源20と系統連系した運用形態をとっている。
上記のように、従来は一負荷に対して一無瞬断直流供給システムを導入した構成としているため、通信ビル5内には複数の充電用整流装置を設置しなければならない。これにより個々の充電用整流装置のコスト増大が課題となってくる。さらに通信ビル5において燃料電池9を導入している場合は、燃料電池9内でインバータ15により直流から交流へ変換するため、インバーター効率によるエネルギー損失と、商用電源20と燃料電池9の出力とが連系した交流電源を直流−48Vへ変換する充電用整流装置効率によるエネルギー損失が課題となる。
【0005】
このような充電用整流装置コスト増大の解決策として、例えば通信ビル5で複数の直送用整流装置11、12、13、鉛蓄電池21、22、23と一充電用整流装置30にて無瞬断直流供給システムを構築することが考えられ、この場合のシステム構成図を図9に示す。この場合、直流−48Vの給電線121、122、123は+と−の2芯ケーブルで布設され、通信用アース81、82、83は1芯ケーブルで直送用整流装置11、12、13の各+端子導帯61、62、63に布設されている。この場合、各給電線121、122、123の+端子と通信用アース81、82、83とで図10の破線矢印のようなループ回路100が形成されてしまう。このループ回路が形成されると、各直送用整流装置11、12、13の通信用アース間に電位差が有る場合、通信用アース81、82、83及び接地母線700に図11に太線矢印で示すような迷走電流が流れてしまうおそれが生じる。また図12に示すように、各鉛蓄電池21、22、23と充電用整流装置30の間にそれぞれスイッチ(1)131、スイッチ(2)132、スイッチ(3)133を設け、2組以上の鉛蓄電池を同時に充電させない方式によって上記+端子のループ回路形成を防ぐこともできるが、この場合、鉛蓄電池を間欠充電することにより電池内部負極の劣化が加速されることになり、鉛電池の寿命が急激に短くなってしまう。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、図8で述べた問題点である充電用整流装置コスト増大とエネルギー損失、図9のシステムで述べたような問題点となってしまっていた迷走電流の防止と蓄電池の間欠充電による寿命の短縮化等の課題を解決することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明においては、直送用整流装置を1基および少なくとも1個以上の二次電池を含み複数の負荷に無瞬断で直流電力を供給する無瞬断直流供給システムを基本構成としている。この基本構成に対して上記の二次電池の充電用電源として上記それぞれの二次電池を充電する直流発電装置を備え、かつ、この直流発電装置は前記の二次電池とそれぞれスイッチを介して接続されており、また、この直流発電装置として、DC−DCコンバータを含む燃料電池装置を用いたことを特徴としている。さらに、この各スイッチは順次1個づつ接続状態とされ、同時に二つ以上のスイッチが接続状態になることがないように切り換えながら前記の二次電池を1個づつ順次充電する構成とし、さらに交流電力供給系と、瞬断対策用としての直流電力供給系とを別個に外部から電力供給する構成としている。
【0008】
ここで、前記の二次電池としてニッケル水素蓄電池を用いた構成としたこと、および、前記の直流発電装置としてDC−DCコンバータを含む燃料電池装置を用いた構成の無瞬断直流供給システムについても開示している。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明による実施の形態の一例で、3つの負荷に電力供給する構成で、燃料電池を用いた無瞬断直流供給システムを、通信ビル5に設置した図である。図1において、通信ビル5は4階層(4フロア)構造となっており、第1階層501には3負荷それぞれのバックアップ電源となる3系統のニッケル水素電池と上階層における各通信用アースを統合してグランドレベルに接地する接地端子箱70が設置されている。第2階層502には負荷(No.1)41及びその直送整流装置(No.1)11及び接地端子箱71が設けられており、これらの接続関係は図7において述べたものと同様である。また、第3階層、第4階層においては第2階層と同じ構成で負荷(No.2)が第3階層に、負荷(No.3)が第4階層に設置されている。また図1の構成では、燃料電池9の出力側のインバータ15の代りにDC/DCコンバータ16を設置し、これによりニッケル水素蓄電池171、172、173の充電用整流装置30を省略し、燃料電池9から直接に充電電力を供給する構成としている。
【0010】
図2は通常の場合の負荷への電力供給ルートを太線矢印で示したものである。直送用整流装置11、12、13は入力した商用電源20の交流200Vを直流−48Vに変換し、同一フロアに設置されている負荷41、42、43へ供給する。この時、燃料電池9は発電部分のセルスタック10から直流電力を発生し、燃料電池9内部のDC/DCコンバータ16により直流−48Vへ変換後、ニッケル水素蓄電池171、172、173へ供給し満充電を保つ。この際2組以上のニッケル水素蓄電池を同時に充電すると、従来の技術の項で述べたように無瞬断直流供給システムの+端子にてループ回路が形成されてしまうので、燃料電池9とニッケル水素蓄電池171、172、173の間にスイッチ131、132、133を設ける。この構成により、はじめにスイッチ(1)131のみを閉じニッケル水素蓄電池(No.1)171の充電を行い、満充電に達した時点でスイッチ(1)131を開いて遮断状態とし、同時にスイッチ(2)132を閉じて接続状態としてニッケル水素蓄電池(No.2)172の充電を開始する。この動作をニッケル水素電池(No.3)173以降順次繰り返すことにより、全てのニッケル水素蓄電池が満充電状態に保たれるようにしておく。
【0011】
図3に商用電源20が停電状態となったときの電力供給ルートを太線で示す。すなわち、燃料電池9とニッケル水素蓄電池171、172、173間のスイッチ131、132、133を全て開放して遮断状態とし、これにより燃料電池9は出力を停止した待機状態となる。一方、正常給電状態で満充電となっている各ニッケル水素蓄電池171、172、173はバックアップ電源として放電を開始し、直送用整流装置11、12、13を介して無瞬断で直流−48Vを負荷41、42、43へ供給する。この後、商用電源20が回復すると、図2に示した通常の供給ルートに無瞬断で戻り、ニッケル水素蓄電池171、172、173の充電が再開される。
【0012】
以上の説明では、バックアップ電源としてニッケル水素蓄電池171、172、173を使用しているが、これら電池はニッケル水素蓄電池に限定するものではなく、Liイオン電池等繰り返し充放電に対して電極劣化が少ない長寿命高信頼性の二次電池であれば如何なる電池でも適用が可能である。同様に、燃料電池9に対しても、太陽電池等の他の直流発電装置であれば燃料電池に限定するものではない。さらに、本実施の形態においては通信用を例に説明したが、本発明による直流電力の供給システムは電源の瞬断を嫌う何れの電気機器に対しても適用可能であることは勿論である。
【0013】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の充電用整流装置に替わり直流発電装置1台で直接蓄電池の充電をすることで、充電用整流装置のコスト増大を防ぐこと、およびエネルギー損失を抑制することができる。
【0014】
次に鉛蓄電池に替わりニッケル水素蓄電池等の繰り返し充放電に対して電極劣化が少ない蓄電池(二次電池)を運用することで、直流発電装置から供給される直流−48Vでの間欠充電を電池寿命を短縮することなく実行することができる。また、蓄電池の間欠充電を行なう構成とすることにより、複数の直送用整流装置をバックアップする場合でも+端子にてループ回路が形成されることが無くなり、通信用アースに迷走電流が流れる危険性を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成を示すシステム構成図。
【図2】本発明によるシステムが通常の電力給電を行なっている場合のシステム構成図。
【図3】本発明によるシステムで、商用電源が停電した場合の給電系統を示すシステム構成図。
【図4】従来の無瞬断直流供給システムの構成図。
【図5】従来の無瞬断直流供給システムの通常の給電状態を示すシステム構成図。
【図6】従来の無瞬断直流供給システムでの停電時の給電状態を示すシステム構成図。
【図7】従来の通信ビルにおける標準的な無瞬断直流供給システムの設置系統図。
【図8】通信ビルにおける燃料電池の運用形態を示す系統図。
【図9】複数の直送用整流装置と一充電用整流装置とを用いて通信ビルに構築した場合の無瞬断直流供給システムの構成図。
【図10】複数の直送用整流装置と一充電用整流装置にて無瞬断直流供給システムを構築した場合の、+端子ループが形成された場合の回路図。
【図11】複数の直送用整流装置と一充電用整流装置で構築した場合の、通信用アースに流れる迷走電流を示すシステム構成図。
【図12】複数の直送用整流装置と一充電用整流装置にて無瞬断直流供給システムを構築した場合の、スイッチを用いた+端子ループ防止回路を含むシステム構成図。
【符号の説明】
1:直送用整流装置 2:鉛蓄電池
3:充電用整流装置 4:負荷
5:通信ビル 9:燃料電池
10:セルスタック 11:直送用整流装置(No.1)
12:直送用整流装置(No.2) 13:直送用整流装置(No.3)
15:インバータ
20:商用電源 21:鉛蓄電池(No.1)
22:鉛蓄電池(No.2) 23:鉛蓄電池(No.3)
30:充電用整流装置 31:充電用整流装置(No.1)
32:充電用整流装置(No.2) 33:充電用整流装置(No.3)
41:負荷(No.1) 42:負荷(No.2)
43:負荷(No.3)
61,62,63:+端子導帯
70、71,72,73:接地端子箱
81,82、83:通信用アース
100:ループ回路
121、122,123:給電線
131,132,133:スイッチ
501:第1階層 502:第2階層
503:第3階層 504:第4階層
700:接地母線
Claims (2)
- 直送用整流装置および前記直送用整流装置に接続する少なくとも1個以上の二次電池を含み前記直送用整流装置に接続する複数の負荷に無瞬断で直流電力を供給する無瞬断直流供給システムにおいて、
前記二次電池充電用電源として上記それぞれの二次電池を充電する直流発電装置を備え、
前記直流発電装置は燃料電池と前記燃料電池に接続するDC−DCコンバータとで構成され、かつ前記二次電池とそれぞれスイッチを介して接続されており、前記各スイッチは順次1個づつ接続状態とされ、同時に二つ以上のスイッチが接続状態になることがないように切り換えて前記二次電池を1個づつ順次充電する構成とし、
電力供給系として、交流電力供給系と、瞬断対策用として前記交流電力供給系とは別に設けられた前記直流発電装置からの直流電力供給系と、により前記無瞬断直流供給システムの外部からそれぞれ別個に電力供給する構成を特徴とする無瞬断直流供給システム。 - 請求項1に記載の無瞬断直流供給システムにおいて、前記二次電池としてニッケル水素蓄電池を用いたことを特徴とする無瞬断直流供給システム。
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