JP5811309B1 - 直流電源装置の制御方法及び制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図8は、この従来技術の構成図であり、100は交流電源、200a,200bはAC−DCコンバータ、300a,300bはバックアップ電源、400は直流電圧が印加される負荷である。ここで、AC−DCコンバータ200a,200b及びバックアップ電源300a,300bは、何れも直流電源ユニットとして機能するものであり、互いに並列に接続されている。
また、バックアップ電源300a,300bは同一の構成であり、例えばバックアップ電源300aは、停電検出回路301、二次電池302、電池モニタ303、双方向DC−DCコンバータ304、制御回路305、半導体スイッチング素子306、平滑コンデンサ307、電流検出器308を備えている。
なお、250a,250b,350a,350b,650a,650b,750a,750bはコネクタを示す。
更に、本発明と直接関係するものではないが、305gは充電上限値算出回路、305hは充電制御回路、305iは逆流検出保護回路、305jは動作モード切替回路である。
この場合、図9の制御回路305では、バックアップ電源300a,300bの出力電流のうち最大値に比例した電圧が端子305kに印加される。仮に、バックアップ電源300bの出力電流がバックアップ電源300aより大きい場合、バックアップ電源300aの制御回路305では電流誤差増幅回路305cの出力が正となり、電圧誤差増幅回路305dからは電圧指令値を増加させる出力信号が得られる。
特許文献1では、上記のような動作により、バックアップ電源300a,300bの出力電流をバランスさせている。
図11は、このドループ特性の一例を示している。図中の実線が本来の出力電流−出力電圧特性(Io−Vo特性)であり、各ユニットの定格出力電圧を直流12[V](100[%])とした時のものである。通常、このドループ特性は、
Vo=電圧指令値−K×Io
として表すことができ、Kはドループ係数を示している。
図1において、商用電源等の交流電源10には、並列運転される電源ユニットPSU0〜PSU3を介して負荷20が接続されている。負荷20は、直流電圧が供給されるものであれば特に限定されないが、例えばマザーボード21を内蔵したサーバやストレージである。
また、電源ユニットPSU0〜PSU3に対して出力側が並列になるように、複数台(図示例では4台)のバッテリユニットBBU4〜BBU7が接続されている。バッテリユニットBBU4〜BBU7の構成は何れも同一であり、バッテリ41と、バッテリ41の直流電圧を所定の大きさの直流電圧に変換するDC−DC変換部42と、その出力側と負荷20との間に接続されたダイオード43と、を備えている。
なお、電源ユニット及びバッテリユニットの台数は、図1の例に何ら限定されるものではなく、必要とされる電源容量に応じて任意の台数が並列接続される。
更に、各ユニットPSU0〜PSU3,BBU4〜BBU7の出力電流をそれぞれIpsu0〜Ipsu3,Ibbu4〜Ibbu7とし、出力電圧をそれぞれVpsu0〜Vpsu3,Vbbu4〜Vbbu7とする。
なお、図2は、数式5〜数式8による電源ユニットPSU0〜PSU3のドループ特性を示しており、各ユニットの定格出力電圧を直流12[V](100[%])とした場合のものである。
このようにして演算した出力電圧指令値に従って電源ユニットPSUnをそれぞれ運転することにより、各電源ユニットPSUnの出力電流Ipsunをバランスさせた状態で並列運転することが可能になる。
まず、電源ユニットPSU0を運転している状態で、例えば電源ユニットPSU1のみを起動し、その出力電圧Vpsu1を徐々に上昇させる。この電圧Vpsu1が電源ユニットPSU0の出力電圧Vpsu0を上回って電源ユニットPSU1から電流Ipsu1が流れると、以下の数式15〜数式17が成立する。
Iout=Ipsu0+Ipsu1
[数式16]
Vpsu0−Vout=R0×Iout
[数式17]
Vpsu1−Vpsu0=R1×Ipsu1
[数式18]
Vpsu2−Vpsu0=(R1+R2)×Ipsu2
ここで、R1は先に求められているので、キャリブレーション中の電源ユニットPSU2の出力電圧Vpsu2及び出力電流Ipsu2がわかれば、配線抵抗R2を算出することができる。
[数式19]
Vpsu3−Vpsu0=(R1+R2+R3)×Ipsu3
ここで、R1,R2は先に求められているので、キャリブレーション中の電源ユニットPSU3の出力電圧Vpsu3及び出力電流Ipsu3がわかれば、配線抵抗R3を算出することができる。
なお、この場合のバッテリユニットBBU4〜BBU7のドループ特性は、それぞれ数式20〜23となり、各ユニットBBU4〜BBU7について出力電圧指令値をそれぞれ求め、各々の電圧指令値に従って各ユニットBBU4〜BBU7を運転すれば、出力電流Ibbu4〜Ibbu7をバランスさせることができる。
図3において、例えば電源ユニットPSU0内のDC−DC変換部32(42)の出力側には、逆流防止素子63が接続されている。この逆流防止素子63は、OR−ing MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のように超低オン抵抗の半導体素子であって複数のユニットを並列運転する際に電流の逆流を防止するためのものであり、電流通流時の電圧降下は無視できるレベルである。
更に、シリアル通信部61dは、背面ボード70を介して管理マイコン80のシリアル通信部81に接続されている。
各ユニットのアドレスを認識する方法は上記の方法に何ら限定されるものではなく、他の方法を用いても良いのは言うまでもない。
まず、電源ユニットPSU0の運転中に電源ユニットPSU1の制御マイコン61がキャリブレーション要求を出力すると(ステップS1)、これを受信した管理マイコン80はそのキャリブレーション要求の適否を判定する(S2)。具体的には、他の電源ユニットがキャリブレーション動作中であれば、今回発生したキャリブレーション要求を不許可とし、そうでない場合には許可する。ここで、キャリブレーション要求がどの電源ユニットから出力されたかは、管理マイコン80が前述した方法でアドレスを認識することにより特定可能である。
なお、キャリブレーション要求は、電源ユニットのホットスワップ(活線装着)時に自動的に発生させても良い。
ここで、全ての電源ユニットPSU0,PSU1,PSU2,PSU3を並列運転する場合には、電源ユニットPSU1の出力電圧指令値は前述した数式6の通りであるから、管理マイコン80は、数式6により電源ユニットPSU1の出力電圧指令値を演算するために必要な抵抗値(3R1)を補正抵抗として算出し、この補正抵抗を電源ユニットPSU1に送信する。(S10)。
電源ユニットPSU1は、受信した補正抵抗及び出力電圧Vpsu1と、全ての電源ユニットを並列運転する際の共通した同一値である出力電流Ipsu1と、ドループ係数Kとを用いて、数式6により電源ユニットPSU1の出力電圧指令値を演算する。(S11)。
なお、電源ユニットPSU2が自己の出力電圧指令値を演算するためには、前述の数式7により、配線抵抗R1,R2を用いた補正抵抗(3R1+2R2)が必要であると共に、電源ユニットPSU3が自己の出力電圧指令値を演算するためには、前述の数式8により、配線抵抗R1,R2,R3を用いた補正抵抗(3R1+2R2+R3)が必要である。
例えば、3台の電源ユニットPSU0,PSU2,PSU3を稼働系とし、電源ユニットPSU1を待機系とする場合、管理マイコン80は、電源ユニットPSU2に対して、前述の数式13に基づき補正抵抗(2R1+2R2)を演算して送信し、電源ユニットPSU3に対して、前述の数式14に基づき補正抵抗(2R1+2R2+R3)を演算して送信する。
また、電源ユニットPSU0に関しては、どのようなシステム構成でも数式5(=数式12)に従って出力電圧指令値を演算すれば良く、補正抵抗を考慮する必要はない。
なお、各電源ユニットPSUnの出力電圧Vpsun、共通の出力電流Ipsun、ドループ係数K、及び、各電源ユニットPSUnに対する補正抵抗は管理マイコン80が集約可能であるから、各電源ユニットPSUnの出力電圧指令値を管理マイコン80が全て演算し、その後に各電源ユニットPSUnに送信しても良い。
BBU4〜BBU7:バッテリユニット(バックアップ用ユニット)
10:交流電源
20:負荷
21:マザーボード
31:AC−DC変換部
32:DC−DC変換部
33:ダイオード
41:バッテリ
42:DC−DC変換部
43:ダイオード
50:出力点
61:制御マイコン
61a:A/D変換部
61b:PWM回路
61c:汎用入出力部
61d:シリアル通信部
62:直流電流検出器
63:逆流防止素子
64:レベル変換部
65:プルアップ抵抗
70:背面ボード
80:管理マイコン
81:シリアル通信部
Claims (3)
- ドループ特性を有する複数台の直流電源ユニットを並列運転して負荷に直流電力を供給する直流電源装置の制御方法であって、前記複数台の直流電源ユニットを並列運転するために各直流電源ユニットの出力電圧指令値を演算するキャリブレーション動作として、
1台の直流電源ユニットの運転時に、この直流電源ユニットと共に並列運転される他の1台の直流電源ユニットの出力電圧を徐々に上昇させ、前記1台の直流電源ユニットの出力端子と前記他の1台の直流電源ユニットの出力端子との間の配線抵抗を、前記他の1台の直流電源ユニットの出力電圧、出力電流、及び前記直流電源装置の出力点の電圧を用いて算出し、
並列運転される2台の直流電源ユニットに共通する同じ大きさの出力電流、前記他の1台の直流電源ユニットの出力電圧、ドループ係数、及び前記1台の直流電源ユニットの出力端子と前記他の1台の直流電源ユニットの出力端子との間の配線抵抗を用いて、前記他の1台の直流電源ユニットの出力電圧指令値を演算することを特徴とする直流電源装置の制御方法。 - ドループ特性を有する複数台の直流電源ユニットを並列運転して負荷に直流電力を供給する直流電源装置の制御装置であって、前記複数台の直流電源ユニットとの間で通信可能な外部の管理手段を有し、
前記直流電源ユニットは、
自己の出力電圧及び出力電流を検出する手段と、自己の出力電圧指令値を演算する演算手段と、を備え、
前記管理手段は、
前記複数台の直流電源ユニットの出力端子間の配線抵抗、前記複数台の直流電源ユニットの出力電圧、出力電流及び出力電圧指令値、並びにドループ係数を用いて表わしたドループ特性を備えると共に、前記出力端子間の配線抵抗を、各直流電源ユニットの出力電圧、出力電流、及び前記直流電源装置の出力点の電圧を用いて予め算出し、かつ、前記複数台の直流電源ユニットを並列運転する際に、各直流電源ユニットに対して前記出力端子間の配線抵抗に基づく補正抵抗をそれぞれ算出して送信する手段を備え、
前記複数台の直流電源ユニットは、前記演算手段により、全ての直流電源ユニットに共通する同じ大きさの出力電流、各直流電源ユニットの出力電圧、前記ドループ係数、及び前記補正抵抗を用いて、自己の出力電圧指令値をそれぞれ演算することを特徴とする直流電源装置の制御装置。 - 請求項2に記載した直流電源装置の制御装置において、
前記複数台の直流電源ユニットが、交流電力を直流電力に変換して前記負荷に供給する複数台の主給電用ユニット、または、前記主給電用ユニットの運転停止時に直流電力を前記負荷に供給する複数台のバックアップ用ユニットであることを特徴とする直流電源装置の制御装置。
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