JP5426440B2 - 直流給電システム - Google Patents

Description

本発明は、交流電力系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換して外部負荷へ出力する直流給電システムに関する。

近年、情報通信システムにおいて使用される情報通信機器の増加に伴い、情報通信システムで消費される電力が増加している。
そのため、こうした情報通信システムで使用される各種情報通信機器へ効率良く給電するための給電システムとして、商用電源等の交流電力系統から供給される交流電圧を整流装置にて直流電圧に変換し、外部負荷である各種情報通信機器に出力する直流給電システムが注目されている。また、この直流給電システムでは、高効率化のために、出力電圧を高電圧（例えば直流４００Ｖ）にする動きが進んでいる。

ところで、この種の直流給電システムには、通常、交流電力系統に系統事故等の異常が生じ、整流装置から所定の直流電圧を出力できなくなった場合のバックアップ用として、蓄電池を有する電圧補償装置と、交流電力系統若しくは整流装置から電力供給を受けて蓄電池を充電する充電装置とが設けられている（例えば、特許文献１等参照）。

特開平９−２００９７４号公報

上記のように、整流装置からなる直流給電システムに、蓄電池、電圧補償装置及び充電装置を設けた場合、交流電力系統に異常が生じた際に、蓄電池に蓄積された直流電力にて外部負荷へ直流電圧を供給することはできるが、電圧補償装置の運用方法によっては、交流電力系統に異常が生じた際に外部負荷への供給電圧が低下し、外部負荷の動作に影響を与えてしまうことがあった。

つまり、電圧補償装置の運用方法としては、上記特許文献１に記載のように電圧補償装置を常時動作させる常時運転方式と、交流電力系統に異常が生じたときにだけ電圧補償装置を動作させる異常時運転方式とが考えられる。

このうち、常時運転方式では、整流装置からの出力電圧が低下しても電圧補償装置によりその電圧低下を補償することができるので、外部負荷への供給電圧が低下することはない。

しかし、常時運転方式では、整流装置が正常動作しているときにでも電圧補償装置が無負荷運転され、その無負荷運転のための待機電力が消費されることから、直流給電システムの効率低下を招くという問題がある。

これに対し、異常時運転方式では、電圧補償装置を異常時にだけ動作させることから、常時運転方式に比べて、電圧補償装置による消費電力を抑え、直流給電システムの効率を高めることができる。

しかし、異常時運転方式の場合、図２（ａ）に示すように、電圧補償装置は、交流電力系統に異常が生じると（時点ｔ１）、その旨を、整流装置内の制御回路等から出力される動作停止信号に基づき検知し、電圧補償動作を開始する（時点ｔ３）ことから、その間（ｔ１−ｔ３間）、外部負荷には、所定の直流電圧を供給することができなくなるという問題がある。

また、図２（ａ）に示すように、交流電力系統に異常が生じて電圧補償装置が電圧補償動作を開始するまでの間（ｔ１−ｔ３間）、蓄電池から外部負荷へ直流電圧を供給するように構成することはできるが、蓄電池からの出力電圧は、通常、電圧補償装置による補償電圧よりも低いことから、外部負荷への供給電圧は正規の電圧よりも低くなり、外部負荷の動作に影響を与えてしまうことがある。

また、交流電力系統に異常が生じて電圧補償装置が電圧補償動作を開始するまでの間（ｔ１−ｔ３間）、蓄電池から外部負荷へ直流電圧を供給するには、交流電力系統の異常に伴い充電装置が蓄電池への充電を停止したときに、蓄電池から外部負荷側への放電を開始するように構成すればよいが、このようにしても、交流電力系統に異常が発生してから（時点ｔ１）、蓄電池から外部負荷への電圧供給が開始される（時点ｔ２）までの間に時間差ができる。

そして、この場合、時点ｔ１から時点ｔ２までの間は、整流装置の動作停止によって、外部負荷への供給電圧（負荷電圧）が過渡的に大きく低下する過渡電圧低下が発生することから、外部負荷を構成する情報通信機器側では、電源電圧が瞬断されて、情報通信機器が再起動され、情報通信を安定して実行することができなくなる、という問題が生じる。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、整流装置に加えてバックアップ用の蓄電池及び電圧補償装置を備え、電圧補償装置を異常時運転方式にて運用する直流給電システムにおいて、異常発生時の電圧補償装置の応答遅れによって外部負荷への供給電圧が低下して、外部負荷の動作に影響を与えるのを防止することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明の直流給電システムにおいては、従来の直流給電システムと同様、整流装置、蓄電池、充電装置及び電圧補償装置を備える。
そして、整流装置は、直流電力を一時蓄積して出力電圧を安定化させるコンデンサを備え、交流電力系統に異常が発生した際には、そのコンデンサに蓄積された直流電力にて電力供給線への直流電圧の出力（換言すれば外部負荷への直流電圧の供給）を継続する。

また、交流電力系統に異常が発生した際には、充電装置が、蓄電池への充電を停止して、蓄電池の電圧レベルを浮動充電電圧から解放電圧へ移行させる。
一方、電圧補償装置には、蓄電池の電圧レベルが浮動充電電圧から解放電圧に変化したことを検出する電圧変化検出回路が備えられている。そして、電圧変化検出回路が、蓄電池の電圧レベルが浮動充電電圧から解放電圧へ変化したことを検出すると、電圧補償装置は、蓄電池に充電された直流電力による外部負荷への供給電圧の補償動作を開始する。

つまり、本発明では、電圧補償装置を、異常発生時に動作させる点では、従来の異常時運転方式と同じであるが、電圧補償装置を異常時運転方式で運用するに当たって、電圧補償装置側での異常判定を、充電装置による充電停止に伴い生じる蓄電池からの出力電圧の変化に基づき行うことで、図２（ｂ）に示すように、電圧補償動作の開始タイミング（時点ｔ３′）が、従来の開始タイミング（時点ｔ３）よりも早くなるようにしている。

また、本発明では、整流装置にコンデンサを設けることで、図２（ｂ）に示すように、交流電力系統に系統事故等の異常が発生しても（時点ｔ１）、その後、コンデンサに蓄積された直流電力を利用して、整流装置から外部負荷への直流電圧の出力を継続できるようにしている。

このため、本発明の直流給電システムによれば、図２（ｂ）に示すように、交流電力系統に異常が発生してから（時点ｔ１）、電圧補償装置が電圧補償動作を開始する（時点ｔ３′）までの間に、外部負荷への供給電圧が低下して、外部負荷の動作に影響を与えるのを防止し、外部負荷への電圧供給を安定して実行することができる。

また、本発明によれば、従来に比べて、電圧補償装置による電圧補償動作の開始タイミングを早くすることができるが、これは、従来、整流装置の制御回路等から出力される動作停止信号に基づき開始判定を行っていたものを、蓄電池の電圧変動から判定するようにしたためであり、電圧補償装置の制御系の応答速度を高める必要はない。

このため、本発明の直流給電システムによれば、電圧補償装置を異常時運転方式で運用するに当たって、電圧補償装置内の制御回路を高速動作可能なものに変更することなく、異常発生時の電圧低下を防止することができ、低コストで実現できることになる。

実施形態の直流給電システム全体の構成を表すブロック図である。 電圧補償装置を異常時運転方式で運用する従来の直流給電システムの動作と本発明の動作とを比較して表すタイムチャートである。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態の直流給電システム２は、商用電力系統等の交流電力系統４から供給される交流電圧（本実施形態では三相交流電圧）を、所定の直流電圧（例えば直流４００Ｖ）に変換して、外部負荷６へ供給するものであり、三相交流電圧を整流して所定の直流電圧に変換する整流装置１０と、この整流装置１０から出力された直流電圧を外部負荷６へ供給するための電力供給線Ｌ１，Ｌ２とを備える。

また、本実施形態の直流給電システム２には、交流電力系統４に異常が生じ、整流装置１０から外部負荷６へ所定の直流電圧を供給することができなくなったときにでも、外部負荷６への電圧供給を継続できるようにするためのバックアップ用装置として、蓄電池２０、充電装置３０及び電圧補償装置４０が備えられている。

ここで、まず、整流装置１０は、交流電力系統４から供給される三相交流電圧を整流する整流回路１２と、整流回路１２からの出力電圧を安定化させるためのコンデンサＣ１と、整流回路１２からコンデンサＣ１を介して出力される直流電圧を、外部負荷６に供給すべき所定の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ１４と、このＤＣ−ＤＣコンバータ１４からの出力電圧が所定の直流電圧となるよう、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の駆動デューティを制御する出力制御回路１６とを備える。

また、整流装置１０には、交流電力系統４から供給される三相交流電圧の電圧値や電流値を監視することにより、交流電力系統４から三相交流電圧が正常に供給されているか否かを判断し、交流電力系統４から供給される三相交流電圧に異常が生じた場合には、その旨を表す異常検出信号を、出力制御回路１６に出力する異常検出回路１８が設けられている。

そして、出力制御回路１６は、異常検出回路１８から異常検出信号を受けると、整流回路１２から直流電圧が出力されなくなるので、整流回路１２からコンデンサＣ１への直流電圧の出力経路を遮断し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４を一定の駆動デューティで制御することで、コンデンサＣ１に充電された電力にて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４から外部負荷６への直流電圧の出力を継続させる。

なお、この状態では、コンデンサＣ１に蓄積された電荷が放電されるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４から外部負荷６への出力電圧が徐々に低下する（図２（ｂ）の整流装置制御継続期間参照）。

次に、充電装置３０は、交流電力系統４から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路３２と、整流回路３２から出力される直流電圧にて蓄電池２０を充電する充電回路３４と、蓄電池２０に蓄積された電力量が目標電力量となるよう充電回路３４を制御する充電制御回路３６とを備える。

また、充電装置３０にも、整流装置１０と同様、交流電力系統４から供給される三相交流電圧の電圧値や電流値を監視することにより、交流電力系統４から三相交流電圧が正常に供給されているか否かを判断し、交流電力系統４から供給される三相交流電圧に異常が生じた場合には、その旨を表す異常検出信号を出力する異常検出回路３８が設けられている。

そして、異常検出回路３８からの異常検出信号は、充電制御回路３６に入力され、充電制御回路３６は、この異常検出信号を受けると、充電回路３４の制御を停止すると共に、充電回路３４から蓄電池２０への充電経路を遮断することで、充電回路３４から蓄電池２０への充電を停止させ、蓄電池２０の電圧レベルを、充電時の浮動充電電圧から解放電圧へと移行させる。

なお、充電装置３０が蓄電池２０への充電を停止した際、蓄電池２０には充電回路３４から充電電圧が供給されなくなるので、蓄電池２０の解放電圧は、充電時の浮動充電電圧よりも低くなる。

次に、電圧補償装置４０は、蓄電池２０から電源供給を受けて電力供給線Ｌ１，Ｌ２に直流電圧を出力するためのＤＣ−ＤＣコンバータ４２と、このＤＣ−ＤＣコンバータ４２からの出力電圧（換言すれば電力供給線Ｌ１，Ｌ２間の電圧）が所定の直流電圧（例えば、上述した４００Ｖ）となるよう、ＤＣ−ＤＣコンバータ４２を制御する補償制御回路４４とを備える。

また、電圧補償装置４０には、蓄電池２０からの出力電圧を監視し、その電圧レベルが上述した充電時の浮動充電電圧から解放電圧へと低下し、充電装置３０が蓄電池２０への充電を停止しているとき（つまり、交流電力系統４側で異常が発生しているとき）に、その旨を表す検出信号を発生する電圧変化検出回路４６が設けられている。

そして、この電圧変化検出回路４６からの検出信号は、補償制御回路４４に入力され、補償制御回路４４は、その検出信号を受けると、その後検出信号が入力されなくなるまで、上述したＤＣ−ＤＣコンバータ４２の制御を実行する。

この結果、交流電力系統４に異常が生じ、整流装置１０から電力供給線Ｌ１，Ｌ２へ正規の直流電圧を出力することができなくなっても、外部負荷６には、電圧補償装置４０から正規の直流電圧が供給されることになる。

以上説明したように、本実施形態の直流給電システム２によれば、交流電力系統４が正常で、交流電力系統４から三相交流電圧が正常に供給されているときには、整流装置１０にて正規の直流電圧が生成されて、外部負荷６に供給されると共に、充電装置３０から蓄電池２０への充電が実施される。

そして、この状態では、電圧補償装置４０の補償制御回路４４が、ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の制御（換言すれば電圧補償動作）を停止することから、電圧補償装置４０での消費電力を低減することができる。

一方、交流電力系統４に系統事故等の異常が生じ、交流電力系統４から三相交流電圧が正常に供給されなくなると、整流装置１０は、コンデンサＣ１への充電電力を使って外部負荷６への電力供給を継続し、充電装置３０は、蓄電池２０への充電を停止して、蓄電池の電圧レベルを浮動充電電圧から解放電圧へ移行させる。

そして、電圧補償装置４０側では、蓄電池２０の電圧レベルが浮動充電電圧から解放電圧に変化すると、電圧変化検出回路４６がその旨を検出して、補償制御回路４４を起動し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の制御（換言すれば電圧補償動作）を開始させる。

このため、本実施形態の直流給電システム２によれば、図２（ｂ）に示したように、交流電力系統４側で系統事故等の異常が発生してから（時点ｔ１）、電圧補償装置４０が電圧補償動作を開始する（時点ｔ３′）までの間に、外部負荷６への供給電圧が大きく低下して、外部負荷６の動作に影響を与えるのを防止し、外部負荷６への電圧供給を安定して実行することができる。

また、本実施形態の直流給電システム２は、従来の直流給電システムに異常検出回路１８，３８や電圧変化検出回路４６を設けて、出力制御回路１６、充電制御回路３６、補償制御回路４４の処理動作を一部変更するだけで実現することができ、電圧補償装置４０における補償制御回路４４の応答速度等を高める必要はないため、低コストで実現できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、充電装置３０は、交流電力系統４から供給される三相交流電圧を受けて蓄電池２０を充電するものとして説明したが、整流装置１０から出力される直流電圧を利用して蓄電池２０を充電するようにしてもよい。そして、このようにすれば、充電装置３０に整流回路３２を設ける必要がないため、充電装置３０の構成を簡単にすることができる。

また、上記実施形態では、整流装置１０及び充電装置３０に、それぞれ、交流電力系統４の異常を検出する異常検出回路１８，３８を設けるものとして説明したが、異常検出回路は、整流装置１０及び充電装置３０の何れか一方に設けるか、或いは、これら各装置１０、３０とは別体の独立した装置として構成し、その一つの異常検出回路（装置）からの異常検出信号を、出力制御回路１６及び充電制御回路３６に入力するように構成してもよい。

２…直流給電システム、４…交流電力系統、６…外部負荷、１０…整流装置、１２…整流回路、１４…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１６…出力制御回路、１８，３８…異常検出回路、２０…蓄電池、３０…充電装置、３２…整流回路、３４…充電回路、３６…充電制御回路、４０…電圧補償装置、４２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、４４…補償制御回路、４６…電圧変化検出回路、Ｃ１…コンデンサ、Ｌ１，Ｌ２…電力供給線。

Claims (1)

1. 交流電力系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、外部負荷への電力供給線へ出力する整流装置と、
   前記交流電力系統又は前記整流装置から電力供給を受けて蓄電池を充電する充電装置と、
   前記蓄電池に充電された直流電力にて前記電力供給線から外部負荷への供給電圧を補償する電圧補償装置と、
   を備えた直流給電システムにおいて、
   前記整流装置は、直流電力を一時蓄積して出力電圧を安定化させるコンデンサを備え、前記交流電力系統に異常が発生した際には、前記コンデンサに蓄積された直流電力にて前記電力供給線への直流電圧の出力を継続するよう構成され、
   前記充電装置は、前記交流電力系統に異常が発生した際、前記蓄電池への充電を停止して、蓄電池の電圧レベルを浮動充電電圧から解放電圧へ移行させ、
   前記電圧補償装置は、前記蓄電池の電圧レベルが浮動充電電圧から解放電圧に変化したことを検出する電圧変化検出回路を備え、該電圧変化検出回路にて前記浮動充電電圧から前記解放電圧への電圧変化が検出されると、前記蓄電池に充電された直流電力による前記供給電圧の補償動作を開始することを特徴とする直流給電システム。

Images