JP5804506B2 - マルチ出力無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用電源の異常時に内蔵のバッテリ（蓄電池）から外部機器へ電力を供給する無停電電源装置に関する。

無停電電源装置（Uninterrupted Power System：無停電電源装置）は、商用電源と外部機器（サーバコンピュータ等のＩＴ機器やその他の電気機器）との間に接続されて使用される。無停電電源装置は、商用電源が正常なときは商用電源の電力を外部機器へ供給すると共に、商用電源からの電力を内蔵のバッテリに充電する。そして無停電電源装置は、商用電源に停電などの異常が発生すると、バッテリに蓄えられている電力を外部機器へ供給することで、瞬時電圧低下や停電が外部機器に対して起こらないようにする。また無停電電源装置は、停電対策のみならず電力のピークカット（ピークシフト）対策としても利用される。

一般に無停電電源装置は、それぞれの外部機器に一台ずつ設置される。このため、複数台の外部機器が存在するフロアや部屋、工場などには多数の無停電電源装置が設置されることになる。これら複数の無停電電源装置は、それぞれ独立して動作するのが基本である。しかし、近年、複数の無停電電源装置を互いに接続することで、可用性（アベイラビリティ）を向上させる技術が提案ないし実用化されている。

例えば特許文献１には、複数の無停電電源装置を１本の電力伝送ラインで接続し、自己のバッテリ容量が十分残っている無停電電源装置からバッテリ容量不足の他の無停電電源装置へ電力伝送ラインを通じてバッテリ電力を供給できるようにする技術が記載されている。より具体的には、それぞれの無停電電源装置は、自己のバッテリと電力伝送ラインとの接続および非接続を制御する電力伝送制御部を有する。

特開２００９−１４０５０７号公報

しかしながら、バッテリ容量が十分残っているバッテリと残量が少ないバッテリとを同じ電力伝送ラインに接続すると、残量の多いバッテリから残量の少ないバッテリに過度の電流が流れてしまう。このため、残量の多いバッテリの放電電流の多くが、残量の少ないバッテリの充電のために費やされ、外部機器へ十分な電力を供給することができなくなる。

本発明の目的は、上述した課題、すなわち、無停電電源装置間で融通するバッテリ電力を外部機器への供給電力に十分に活用することができない、という課題を解決することににある。

本発明の一形態にかかるマルチ出力無停電電源装置は、
複数の無停電電源装置と、第１の電力伝送バスと、第２の電力伝送バスとを備え、
上記無停電電源装置は、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換する第１の変換部およびこの第１の変換部から出力される直流電力を外部機器へ供給する交流電力に変換する第２の変換部を含むメインユニットと、バッテリと、上記メインユニットと上記第１の電力伝送バスとの間に接続された第１のスイッチ部と、上記メインユニットと上記第２の電力伝送バスとの間に接続された第２のスイッチ部と、上記バッテリと上記第１の電力伝送バスとの間に接続された第３のスイッチ部と、上記バッテリと上記第２の電力伝送バスとの間に接続された第４のスイッチ部とを有する、といった構成を採る。

本発明は上述したような構成を有するため、無停電電源装置間で融通するバッテリ電力を外部機器への供給電力に十分に活用することが可能となる。

本発明の第１の実施形態のブロック図である。 本発明の第１の実施形態の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態のブロック図である。

[第１の実施形態]
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態にかかるマルチ出力無停電電源装置は、２台の無停電電源装置１、２と、無停電電源装置１、２間を接続する第１の電力伝送バス３および第２の電力伝送バス４と、制御装置７とを備えている。

無停電電源装置１は、常時インバータ給電方式の無停電電源装置であり、商用電源と外部機器（図示せず）との間に接続されている。無停電電源装置１は、メインユニット１４と、バッテリ１３と、スイッチ部５１〜５４とを有する。メインユニット１４は、商用電源が正常なときは商用電源の電力を外部機器へ供給すると共に、商用電源からの電力を内蔵のバッテリ１３に充電し、商用電源に停電などの異常が発生すると、バッテリ１３に蓄えられている電力を外部機器へ供給するユニットである。本実施形態では、メインユニット１４は、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換する整流器（第１の変換部）１１と、この整流器１１から出力される直流電力を外部機器へ供給する交流電力に変換するインバータ（第２の変換部）１２とから構成される。

メインユニット１４とバッテリ１３とは、スイッチ部５１〜５４を介して第１の電力伝送バス３と第２の電力伝送バス４とに接続される。具体的には、メインユニット１４の整流器１１とインバータ１２との接続点は、スイッチ部５１を介して第１の電力伝送バス３に接続されると共に、スイッチ部５２を介して第２の電力伝送バス４に接続される。またバッテリ１３は、スイッチ部５３を介して第１の電力伝送バス３に接続されると共に、スイッチ部５４を介して第２の電力伝送バス４に接続される。

無停電電源装置２は、無停電電源装置１と同様の構成を有する。すなわち、無停電電源装置２は、常時インバータ給電方式の無停電電源装置であり、商用電源と外部機器（図示せず）との間に接続されている。また無停電電源装置２は、整流器２１およびインバータ２２とから構成されるメインユニット２４と、バッテリ２３と、メインユニット２４およびバッテリ２３と第１の電力伝送バス３および第２の電力伝送バス４との間に接続されるスイッチ部６１〜６４とを有する。

ここで、バッテリ１３とバッテリ２３とは同じ電圧であるが、同じ容量であるとは限らない。例えば、バッテリ１３の方がバッテリ２３よりも大容量であっても良いし、その逆であっても良い。

制御装置７は、制御バス８を通じて無停電電源装置１、２に接続されている。制御装置７は、制御バス８を通じて無停電電源装置１、２の各スイッチ部５１〜５４、６１〜６４の開閉を制御する機能を有する。また、制御装置７は、制御バス８を通じて無停電電源装置１、２の状態（各部の稼働状況やバッテリ１３、２３の残量等）を検出する機能を有していて良い。

次に本実施形態の動作を説明する。

商用電源が正常で且つバッテリ１３、２３の残量が十分にある場合、無停電電源装置１、２のメインユニット１４、２４とバッテリ１３、２３は、第１の電力伝送バス３に接続されている。このとき、スイッチ部５１、５３、６１、６３が閉じ、スイッチ部５２、５４、６２、６４が開いている。この状態では、図２に太い実線で電力経路を示すように、無停電電源装置１、２のメインユニット１４、２４が商用電源の電力を外部機器へ供給すると共に、商用電源からの電力で常時バッテリ１３、２３を充電する動作が行われている。

図２に示す状態で商用電源に停電が発生し、図３に示すように商用電源からメインユニット１４、２４に対する電力の供給が停止すると、整流器１１、２１の出力電力が低下する。しかし、インバータ１２、２２へは、整流器１１、２１の出力電力に代えてバッテリ１３、２３に蓄積された電力が供給されるため、バッテリ１３、２３に蓄えられている電力がインバータ１２、２２を経由して外部機器へ供給されることになる。この結果、停電は外部機器に対しては発生しない。

図３に示す状態が続くと、バッテリ１３、２３の残容量が徐々に少なくなっていく。このとき、容量のより小さなバッテリの方が早く残容量が低下していき、出力電圧も低下していく。その結果、残容量の多いバッテリから残容量の少ないバッテリへ第１の電力伝送バス３を介して充電電流が流れ、メインユニット１４、２４側（すなわち外部機器側）へ流れる電流量が低下する。そこで、制御装置７は、バッテリ１３、２３の何れか一方の残容量が或る閾値以下に低下するか、或いはバッテリ１３、２３の残容量の差が或る閾値以上に拡大したことを検出すると、残容量の少ないバッテリを第１の電力伝送バス３から切り離す。具体的には、例えばバッテリ２３を第１の電力伝送バス３から切り離す場合、図４に示すようにスイッチ部６３を開く。これにより、バッテリ１３からバッテリ２３に向かう充電電流がなくなる。この状態では、バッテリ１３に蓄えられている電力が双方の無停電電源装置１、２のメインユニット１４、２４を通じて外部機器へ供給されることになる。

このように、残容量の低下したバッテリ２３を切り離すことにより、商用電源の停電時に無停電電源装置間で融通するバッテリ電力を外部機器への供給電力に十分に活用することが可能となる。

次に無停電電源装置１がピークカット機能を有するものとし、ピークカットに使用するバッテリ電力の一部を他の無停電電源装置２から融通する際の動作を説明する。

図２に示す状態において、無停電電源装置１のスイッチ部５１を閉、スイッチ部５２を開、スイッチ部５３を閉、スイッチ部５４を開とし、また整流器１１の動作を停止させると、無停電電源装置１は外部装置への供給電力をバッテリ１３に蓄えられた電力で賄うピークカット状態になる。図５の太い実線はこのときの電力経路を示している。他方、無停電源装置２はピークカットを実施しておらず、受電電力を外部機器に供給すると共に、受電電力でバッテリ２３を充電する状態にある。

図５に示す状態が続き、バッテリ１３の残容量が少なくなると、ピークカット動作を継続できなくなる。そこで、本実施形態では、無停電電源装置２のバッテリ２３に蓄えられた電力を無停電電源装置１に融通し、ピークカット動作がより長く継続できるようにする。具体的には、制御装置７は、無停電電源装置１のスイッチ部５４を開くと共にスイッチ部５３を閉じ、無停電電源装置２のスイッチ部６３を開くと共にスイッチ部６４を閉じる。これにより、図６の太い実線に示すように、残容量の低下した無停電電源装置１のバッテリ１３に代えて、残容量の十分ある無停電電源装置２のバッテリ２３に蓄えられた電力が第２の電力伝送バス４を通じて無停電電源装置１のメインユニット１４に供給され、ピークカット動作が継続される。このとき、残容量の低下したバッテリ１３は第２の電力伝送バス４から切り離されているため、バッテリ２３からの放電電流がバッテリ１３の充電のために費やされることはない。

また第２の電力伝送バス４から切り離した無停電電源装置１のバッテリ１３を第１の電力伝送バス３に接続したことにより、無停電電源装置２のメインユニット２４から第１の電力伝送バス３を通じて供給される充電電流によりバッテリ１３が充電されることになる。

このように本実施形態によれば、無停電電源装置間で融通するバッテリ電力を外部機器への供給電力に十分に活用することが可能となる。

なお、本実施形態は、無停電電源装置１、２として常時インバータ方式の無停電電源装置を使用したが、双方とも常時商用方式の無停電電源装置を使用しても良い。常時商用方式の場合、メインユニット１４、２４は整流器およびインバータに加え、商用電源からの受電電力とインバータの出力とを切換えて外部機器へ供給するスイッチ等を備える構成となる。また、無停電電源装置１、２の一方が常時インバータ方式、他方が常時商用方式であっても良い。

また本実施形態は、無停電電源装置の台数は２台であるが、３台以上の無停電電源装置が第１および第２の電力伝送バス３、４に接続されていても良い。

[第２の実施形態]
[概要]
本実施形態では、現状の無停電電源装置の機能を踏襲しながら電力総量規制に対して、夜間電力へのロードシフト機能を用意でき、バッテリについては必要最小の容量を準備することで突然の停電に対して、継続利用可能な機器を従来よりも多くすることが可能となる。特に夜間電力を個別のバッテリに蓄えることによって昼間に消費する電力を規制する使用法が用いられてきたが、この考え方をさらに進めて、バッテリ全てを共通化すれば蓄電可能量を増やすことができる。その際に、どのバッテリに充電可能な空きがあるのかの情報や、どの電池から放電すべきかなどを細かく制御する必要があり、センサ・遠隔制御技術を組み合わせることで実現可能である。また、無停電電源装置部分も常時商用方式と常時インバータ方式の複数を組み合わせることで、接続される機器の用途に応じた制御を行なうことを特徴としている。

従来の技術では、システム内の各無停電電源装置内にそれぞれバッテリが接続されており、実際に商用ラインの停電時に使用されるケースや夜間電力をバッテリに蓄え、昼間に消費する電力に使用することで電力総量規制に対応している。このため、バッテリをシステム内の多数の負荷系統に対してそれぞれ無停電電源装置、バッテリを準備しておく必要性があった。これにより、バッテリの容量、数ともに増大してしまう傾向にあり、バッテリも効率よく使用されていない状況であった。例えば、使用時間は短いがピーク電力が大きい機器を接続している場合には、ピークカット機能を持った常時インバータ方式の無停電電源装置に接続し、ピーク電力を低減する必要がある。しかし、それ以外の機器は一日を通して電力消費がほぼ一定であるため、常時インバータ方式では無停電電源装置での損失が大きくなる傾向にあり、インバータを介さずに電力供給可能な常時商用方式の無停電電源装置とバッテリを準備する必要がある。これにより複数の無停電電源装置および配下のバッテリを増やす必要があり、使用条件によっては、バッテリ機能が有効活用できていない状況である。

そこで、本実施形態にかかるマルチ出力無停電電源装置では、ピークカット機能を持った常時インバータ方式の無停電電源装置と常時商用方式の無停電電源装置を複数台組み合わせ、それぞれに接続されているバッテリについて蓄電したエネルギーを相互に融通しあえるよう接続している。負荷変動の少ない系統に対しては、常時商用方式の無停電電源装置に接続しておき、通常動作時は無停電電源装置内部での損失を減らしシステムの電源効率をアップさせる。これに対し、負荷変動が大きい系統に関しては、ピークカット機能を持った常時インバータ方式の無停電電源装置に接続しておき、バッテリからの電力供給を行うことで負荷使用時のピーク電力をカットし、電力総量規制等に対応する構成とする。この時、バッテリも常時商用方式の無停電電源装置と常時インバータ方式の無停電電源装置間で接続可能とし、無停電電源装置間で融通可能な構成とすることで、それまで個々にバッテリを搭載しバッテリ容量が増大していたものをシステム内で最適化して使用することが可能になる。

[構成]
図７は本実施形態のブロック図である。本実施形態にかかるマルチ出力無停電電源装置１１０は、システム制御を行う上位装置１０１にデータ通信バス１０９を通じて接続される制御基板１０２、単相１００Ｖを出力する常時インバータ方式の無停電電源装置１０３、単相２００Ｖを出力する常時商用方式の無停電電源装置１０４、単相２００Ｖを出力するピークカット型インバータ方式の無停電電源装置１０５、各無停電電源装置配下に接続されたバッテリ１０６、１０７、１０８から構成される。

システム制御を行う上位装置１０１については、各無停電電源装置１０３〜１０５を制御するため、制御基板１０２との間をデータ通信バス１０９により接続する構成となっており、各無停電電源装置１０３〜１０５の情報（稼働状況や図１の第１乃至第４のスイッチ部の状態など）およびバッテリ１０６〜１０８の情報（残容量など）を読み取ることが可能である。また、各無停電電源装置１０３〜１０５配下に接続されたバッテリ１０６〜１０８は、第１および第２の電力伝送バスを通じて、蓄えられたエネルギーを相互に融通できる構成となっている。さらに、接続される負荷の特性に応じて、各無停電電源装置およびバッテリの構成を設定し、制御基板１０２から各無停電電源装置の動作制御およびバッテリの状態監視をすることによって、どのバッテリが充電可能な空きがあるかの情報や、どの電池から放電すべきかなどを細かく制御することが可能となり、システム全体としてバッテリを最適化する構成となっている。

[動作]
上述したように本実施形態では、システム制御を行う上位装置１０１、制御基板１０２、単相１００Ｖを出力する常時インバータ方式の無停電電源装置１０３、単相２００Ｖを出力する常時商用方式の無停電電源装置１０４、単相２００Ｖを出力するピークカット型インバータ方式の無停電電源装置１０５、各無停電電源装置配下に接続されたバッテリ１０６〜１０８から構成されている。

単相１００Ｖを出力する常時インバータ方式の無停電電源装置１０３は、夜間にバッテリに電力を蓄えており、昼間の電力需要が高まった際に制御基板１０２を経由して上位装置１０１からバックアップ運転に以降する指示があると、昼間の商用電源での消費電力を下げる動作を行う。

単相２００Ｖを出力する常時商用方式の無停電電源装置１０４は、昼間と夜間で消費電力が変化しない系統に接続されており、通常の昼間の時間帯は商用運転を継続し、停電時のバックアップのみ対応する。常時商用運転のため、常時インバータ運転に比べ、無停電電源装置での損失を低減することができ、システムの電源効率をアップさせる。

単相２００Ｖを出力するピークカット型インバータ方式の無停電電源装置１０５については、昼間の極限られた時間帯で短時間の電力消費（ピーク電力大）の系統に接続して、ピーク電力が規定値をオーバした際にバッテリからの供給を行い、電力ピークカットを行う。これにより、昼間の電力消費の高い時間帯で短時間に消費電力のアップする系統のピークカットを行い、総電力が上昇することを防いでいる。この系統は通常は電力消費がほとんどないため、常時インバータ出力でもシステムの電力効率を悪化させることは少ない。

また、バッテリ１０６〜１０８は、それぞれの無停電電源装置配下に接続されているものの、制御基板１０２で状態監視を行っている。これにより、バッテリの使用状況を逐次確認でき、無停電電源装置に対し、どのバッテリに充電可能な空きがあるか、どの電池から放電すべきかなどを細かく管理している。さらに負荷の使用状況に応じて、バッテリのエネルギーを相互に融通し合うことで、必要以上にシステム内にバッテリを準備する必要がないようにし、システムとしてバッテリを有効活用できるよう、最適化したシステム構成をとることが可能となっている。

[効果]
システム内の各無停電電源装置内にそれぞれバッテリが接続されており、夜間電力をバッテリに蓄え昼間に消費する電力に使用することで電力総量規制に対応する方式では、バッテリをシステム内の多数の負荷系統に対してそれぞれ無停電電源装置、バッテリを準備しておく必要性があった。これにより、バッテリが増大してしまう傾向にあり、バッテリも効率よく使用されていない状況であった。使用時間は短いがピーク電力が大きい機器を接続している場合には、ピークカット機能を持った常時インバータ方式の無停電電源装置に接続し、ピーク電力を低減する必要がある。しかし、それ以外の機器は一日を通して電力消費がほぼ一定であるため、常時インバータ方式では無停電電源装置での損失が大きくなる傾向にあるため、インバータを介さずに供給する常時商用方式の無停電電源装置とバッテリを準備する必要がある。これにより複数の無停電電源装置および配下のバッテリを増やす必要がある。

本実施形態によるマルチ出力無停電電源装置では、ピークカット機能を持った常時インバータ方式の無停電電源装置１０５と常時商用方式の無停電電源装置１０４を複数台組み合わせ、それぞれに接続されているバッテリについて蓄電したエネルギーを相互に融通しあえるよう接続している。負荷変動の少ない系統に対しては、常時商用方式の無停電電源装置１０４に接続しておき、通常動作時は無停電電源装置内部での損失を減らしシステムの電源効率をアップさせる。また、負荷変動が大きく消費時間が短い系統に関しては、ピークカット機能を持った常時インバータ方式の無停電電源装置１０５に接続しておき、バッテリからの電力供給を行うことで商用電力使用時のピーク電力をカットし、電力総量規制等に対応可能となる。この時、バッテリも常時商用方式の無停電電源装置１０４と常時インバータ方式の無停電電源装置１０３、１０５間で接続可能とし、無停電電源装置間で融通可能な構成とし、上位装置１０１等から常に各無停電電源装置、バッテリの状態監視を行なうことで、それまで個々にバッテリを搭載しバッテリ容量が増大する傾向にあったものをシステム内で最適化して使用することが可能になる。

１、２…無停電電源装置（ＵＰＳ）
３…第１の電力伝送バス
４…第２の電力伝送バス
７…制御装置
８…制御バス
１１、２１…整流器
１２、２２…インバータ
１３、２３…バッテリ
１４、２４…メインユニット
５１〜５４、６１〜６４…スイッチ部

Claims (5)

1. 複数の無停電電源装置と、制御装置と、第１の電力伝送バスと、第２の電力伝送バスとを備え、
   前記無停電電源装置は、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換する第１の変換部および該第１の変換部から出力される直流電力を外部機器へ供給する交流電力に変換する第２の変換部を含むメインユニットと、バッテリと、前記メインユニットの前記第１の変換部の出力と前記第１の電力伝送バスとの間に接続された第１のスイッチ部と、前記メインユニットの前記第１の変換部の出力と前記第２の電力伝送バスとの間に接続された第２のスイッチ部と、前記バッテリと前記第１の電力伝送バスとの間に接続された第３のスイッチ部と、前記バッテリと前記第２の電力伝送バスとの間に接続された第４のスイッチ部とを有し、
   前記制御装置は、前記複数の無停電電源装置のメインユニットの前記第１の変換部の出力およびバッテリが前記第１および第３のスイッチ部を通じて前記第１の電力伝送バスに接続されている状態において、前記複数の無停電電源装置のうちの第１の無停電電源装置が外部機器に共有する電力の一部または全部をバッテリに蓄えられた電力を使用して供給するピークカット動作を行うとき、前記第１の無停電電源装置の前記第１乃至第４のスイッチ部の接続状態を切換えてメインユニットの前記第１の変換部の出力およびバッテリを前記第１の電力伝送バスから切り離して前記第２の電力伝送バスに接続する
   ことを特徴とするマルチ出力無停電電源装置。
2. 前記制御装置は、前記第１の無停電電源装置の前記バッテリの残容量が予め定められた基準以下に低下した場合、前記第１の無停電電源装置以外の無停電電源装置であってバッテリ残量が十分にある第２の無停電電源装置の前記第３および第４のスイッチ部の接続状態を切換えてバッテリの接続先を前記第１の電力伝送バスから前記第２の電力伝送バスに切り替えると共に、前記第１の無停電電源装置の前記第３および第４のスイッチ部の接続状態を切換えてバッテリの接続先を前記第２の電力伝送バスから前記第１の電力伝送バスに切換えることを特徴とする請求項１に記載のマルチ出力無停電電源装置。
3. 前記複数の無停電電源装置の一部が常時インバータ方式の無停電電源装置であり、残りの一部が常時商用方式の無停電電源装置であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチ出力無停電電源装置。
4. 複数の無停電電源装置と、制御装置と、第１の電力伝送バスと、第２の電力伝送バスとを備え、前記無停電電源装置が、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換する第１の変換部および該第１の変換部から出力される直流電力を外部機器へ供給する交流電力に変換する第２の変換部を含むメインユニットと、バッテリと、前記メインユニットの前記第１の変換部の出力と前記第１の電力伝送バスとの間に接続された第１のスイッチ部と、前記メインユニットの前記第１の変換部の出力と前記第２の電力伝送バスとの間に接続された第２のスイッチ部と、前記バッテリと前記第１の電力伝送バスとの間に接続された第３のスイッチ部と、前記バッテリと前記第２の電力伝送バスとの間に接続された第４のスイッチ部とを有するマルチ出力無停電電源装置の制御方法であって、
   前記制御装置が、前記複数の無停電電源装置のメインユニットの前記第１の変換部の出力およびバッテリが前記第１および第３のスイッチ部を通じて前記第１の電力伝送バスに接続されている状態において、前記複数の無停電電源装置のうちの第１の無停電電源装置が外部機器に共有する電力の一部または全部をバッテリに蓄えられた電力を使用して供給するピークカット動作を行うとき、前記第１の無停電電源装置の前記第１乃至第４のスイッチ部の接続状態を切換えてメインユニットの前記第１の変換部の出力およびバッテリを前記第１の電力伝送バスから切り離して前記第２の電力伝送バスに接続することを特徴とするマルチ出力無停電電源装置の制御方法。
5. 前記制御装置が、前記第１の無停電電源装置の前記バッテリの残容量が予め定められた基準以下に低下した場合、前記第１の無停電電源装置以外の無停電電源装置であってバッテリ残量が十分にある第２の無停電電源装置の前記第３および第４のスイッチ部の接続状態を切換えてバッテリの接続先を前記第１の電力伝送バスから前記第２の電力伝送バスに切り替えると共に、前記第１の無停電電源装置の前記第３および第４のスイッチ部の接続状態を切換えてバッテリの接続先を前記第２の電力伝送バスから前記第１の電力伝送バスに切換えることを特徴とする請求項４に記載のマルチ出力無停電電源装置の制御方法。

Images