JP6110381B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は電源システムに関する。特に、本発明は、複数の電源装置を備える電源システムに関する。

無停電電源装置は、負荷への電力の供給が途絶えるのを防ぐために用いられる。容量の拡充および信頼性の向上のために、負荷に対して互いに並列に接続された複数の無停電電源装置を備えた電源システムが、これまでに提案されている。

たとえば特開２００９−１００６１８号公報（特許文献１）は、複数の無停電電源装置を並列に制御するための方法を開示する。具体的には、各々の無停電電源装置の出力電流および出力電圧は、当該無停電電源装置が負荷に対して供給すべき電流に従って制御される。

たとえば特開２００５−３３８９０号公報（特許文献２）は、複数の無停電電源装置を含むシステムの制御方法を開示する。各々の無停電電源装置は、同期制御回路を含む。同期制御回路は、商用電源からの電圧を電流に変換する。複数の無停電電源装置の間に電源電圧の位相差が生じた場合、その電流に基づいて、出力電圧を補正するための基準電圧が生成される。各々の無停電電源装置は、その基準電圧にしたがって、その出力電圧を補正する。

特開２００９−１００６１８号公報 特開２００５−３３８９０号公報

上記のシステムは、複数の無停電電源装置を並列に動作させることを前提として構成されている。したがって、１台の無停電電源装置のみで負荷への電力の供給が可能な場合であっても、複数の無停電電源装置が並列に動作する。複数の無停電電源装置を並列に動作させることでシステムの効率が低下する可能性が生じる。

本発明の目的は、複数の無停電電源装置を備えた電源システムの効率を向上させることである。

本発明のある局面に係る電源システムは、負荷に対して並列に設けられた複数の無停電電源装置を備える。複数の無停電電源装置の各々は、電力供給部と、スイッチとを含む。電力供給部は、負荷に電力を供給するように構成されるとともに、負荷の容量よりも大きな容量を有する。スイッチは、電力供給部と負荷との間に設けられる。電源システムは、複数の無停電電源装置の中から１つの電源装置を選択して、その電源装置のスイッチをオン状態に設定する制御部をさらに備える。

本発明によれば、複数の無停電電源装置を備えた電源システムの効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。 無停電電源装置１０，２０が正常である場合における電源システム１０１の動作を説明するための図である。 無停電電源装置１０に異常が生じた場合における電源システム１０１の動作を説明するための図である。 第１の実施の形態に係る電源システムの比較例の構成を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。図１を参照して、電源システム１０１は、無停電電源装置１０，２０を備える。無停電電源装置１０，２０は負荷５に対して並列に設けられる。負荷５は交流負荷である。

無停電電源装置１０，２０は互いに同一の構成を有する。以下では、無停電電源装置１０の構成が代表的に説明される。無停電電源装置１０は、コンバータ回路１１と、インバータ回路１２と、コンデンサ１３と、スイッチ１４と、電圧センサ１５と、電流センサ１６と、直流電源１７と、直流変換回路１８と、制御回路１９とを備える。

コンバータ回路１１は、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する。インバータ回路１２は、直流電力を交流電力に変換する。コンデンサ１３は、インバータ回路１２に入力される直流電力を平滑化する。

スイッチ１４は、制御回路１９によって制御される。スイッチ１４がオンすると、インバータ回路１２と負荷５とが電気的に接続される。

電圧センサ１５は、インバータ回路１２の出力電圧を検出する。電圧センサ１５は、その検出電圧Ｖを示す信号を制御回路１９に送信する。電流センサ１６は、インバータ回路１２の出力電流を検出する。電流センサ１６は、その検出電流Ｉを示す信号を制御回路１９に送信する。

直流電源１７は、たとえば蓄電池である。直流電源１７は、交流電源１が停電した場合に、インバータ回路１２に直流電力を供給する。交流電源１から交流電力が供給されるときには、直流電源１７は、コンバータ回路１１から出力される直流電力の一部を蓄える。直流変換回路１８は、直流電源１７の電圧とインバータ回路１２の入力電圧とを相互に変換する。

制御回路１９は、スイッチ１４を制御する。さらに、制御回路１９は、電圧センサ１５の検出電圧値および電流センサ１６の検出電流値に基づいてインバータ回路１２を制御する。制御回路１９はさらにコンバータ回路１１を制御してもよい。

スイッチ１４のオン状態において、制御回路１９は、検出電圧値および検出電流値がともに正常かどうかを判断する。これらの検出電圧値および検出電流値の少なくとも一方に異常が発生した場合には、制御回路１９は、スイッチ１４をオフする。さらに制御回路１９は、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の状態を監視する。コンバータ回路１１およびインバータ回路１２のうち少なくとも一方に異常が発生した場合にも、制御回路１９は、スイッチ１４をオフする。

無停電電源装置２０は、コンバータ回路２１と、インバータ回路２２と、コンデンサ２３と、スイッチ２４と、電圧センサ２５と、電流センサ２６と、直流電源２７と、直流変換回路２８と、制御回路２９とを備える。各要素の機能は、無停電電源装置１０の対応する要素の機能と同一であるので、以後の詳細な説明を繰り返さない。なお、この実施の形態では、コンバータ回路２１は交流電源２に接続される。

制御回路１９，２９は、本発明における「制御部」を構成する。図１に示された構成によれば、無停電電源装置ごとに制御回路が配置される。制御回路１９と制御回路２９とは相互に通信する。スイッチ１４，２４の各々の状態に関する情報が、制御回路１９と制御回路２９との間で共有される。制御回路１９，２９が１つの制御回路に統合されていてもよい。

図２は、無停電電源装置１０，２０が正常である場合における電源システム１０１の動作を説明するための図である。図２を参照して、制御回路１９，２９は、無停電電源装置１０，２０のうちの無停電電源装置１０を、負荷５に電力を供給すべき電源装置として選択する。たとえば、初期設定に従って、電源システム１０１の起動時に無停電電源装置１０が選択されてもよい。この場合、まず、無停電電源装置１０，２０がともに起動する。次に、制御回路１９は、スイッチ１４をオンにする。スイッチ１４がオンすると、インバータ回路１２が負荷５に電気的に接続される。これにより、無停電電源装置１０が稼働状態となる。すなわち、無停電電源装置１０は負荷５に電力を供給する。

制御回路２９は、スイッチ２４をオフに保持する。無停電電源装置２０は、実際には負荷５には電力を供給しない。しかし、無停電電源装置２０は、負荷５への電力の供給が可能な状態のまま待機する。この状態を本明細書では「待機状態」と呼ぶ。

制御回路１９は、インバータ回路１２を制御するための電圧指令値および電流指令値を生成する。電圧センサ１５の検出電圧値および電流センサ１６の検出電流値が制御回路１９にフィードバックされる。電圧指令値および検出電圧値の間の差分と、電流指令値および検出電流値の間の差分とに基づいて、制御回路１９はインバータ回路１２を制御するための制御信号を生成する。制御回路１９は、その制御信号をインバータ回路１２に送信する。なお、インバータ回路１２の制御には、たとえばＰＷＭ（パルス幅変調）など公知の制御方式を用いることができる。

インバータ回路１２の容量は負荷５の容量よりも大きい。したがって、インバータ回路１２のみによって負荷５に交流電力を供給することができる。コンバータ回路１１の容量は、インバータ回路１２の容量に従って定められる。

制御回路１９は、無停電電源装置１０が正常か否かを判断する。具体的には制御回路１９は、検出電圧値および検出電流値がともに正常か否かを判断する。さらに、制御回路１９は、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２がともに正常か否かを判断する。検出電流値および検出電圧値がともに正常であり、かつ、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２がともに正常である場合には、制御回路１９は、無停電電源装置１０の動作を継続させる。

図３は、無停電電源装置１０に異常が生じた場合における電源システム１０１の動作を説明するための図である。図３を参照して、電圧センサ１５の検出電圧値および電流センサ１６の検出電流値の少なくとも一方に異常が発生した場合には、制御回路１９は、スイッチ１４をオフする。たとえば、インバータ回路１２の出力電圧の歪み、あるいはインバータ回路１２の出力電流の急激な変化が生じた場合には、検出電流値および電流センサ１６の検出電流値の少なくとも一方に異常が発生する可能性がある。このような場合には、制御回路１９は、スイッチ１４をオフする。あるいは、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の少なくとも一方に異常が発生した場合に、制御回路１９は、スイッチ１４をオフする。制御回路１９はスイッチ１４がオフ状態であることを示す情報を制御回路２９に送信する。

制御回路２９は制御回路１９からの情報に基づいて、スイッチ２４をオン状態に設定する。したがって無停電電源装置２０が稼働状態となる。すなわち、無停電電源装置１０に代わり、無停電電源装置２０が負荷５に電力を供給する。インバータ回路２２の容量は、負荷５の容量以上である。したがって、インバータ回路２２のみによって、負荷５に電力を供給することができる。負荷５への電力供給が途切れないようにスイッチ１４，２４が制御されることが好ましい。

図４は、第１の実施の形態に係る電源システムの比較例の構成を示した図である。図４を参照して、電源システム１０１Ａは、無停電電源装置１０Ａ，２０Ａを備える。無停電電源装置１０Ａは、インバータ回路１２Ａを備える。インバータ回路１２Ａは制御回路１９Ａにより制御される。無停電電源装置２０Ａは、インバータ回路２２Ａを備える。インバータ回路２２Ａは制御回路２９Ａにより制御される。インバータ回路１２Ａ，２２Ａの各々の容量は、負荷５の容量より小さい。負荷５に電力を供給するために無停電電源装置１０Ａ，２０Ａは並列運転される。なお、無停電電源装置１０Ａ，２０Ａの他の部分の構成は、無停電電源装置１０，２０の対応する部分の構成と同様である。

無停電電源装置１０Ａ，２０Ａの両方が交流電力を負荷５に供給する。インバータ回路１２Ａとインバータ回路２２Ａとの間で、交流電力の実効値および位相が同期するように、インバータ回路１２Ａ，２２Ａが制御される。しかしながら、たとえば、インバータ回路１２Ａ，２２Ａの出力経路に含まれるインピーダンス成分などの要因によって、インバータ回路１２Ａの出力電圧とインバータ回路２２Ａの出力電圧との間に位相差が発生することが起こり得る。この位相差によって、インバータ回路１２Ａ，２２Ａの間に横流電流が発生する。図４に示されるように、たとえば横流電流７がインバータ回路１２Ａから出て、インバータ回路２２Ａの交流側に入力される。横流電流７が生じた場合には、インバータ回路１２Ａ，２２Ａを流れる電流が増加する。このため電源システム１０１Ａの損失が増加する。

横流電流を抑制するために、電源システム１０１Ａは電流センサ３，４を備える。電流センサ３は、無停電電源装置１０Ａと負荷５との間の電流経路に配置される。電流センサ４は、無停電電源装置２０Ａと負荷５との間の電流経路に配置される。すなわち、無停電電源装置ごとに電流センサが設けられる。制御回路１９Ａは、電流センサ３によって検出された電流値を受ける。制御回路２９Ａは、電流センサ４によって検出された電流値を受ける。制御回路１９Ａ，２９Ａの各々は、対応する電流センサから送られた電流値に基づいて、横流電流を抑制するための電流指令値を生成する。

図４に示された構成によれば、無停電電源装置と負荷５との間に電流センサを設ける必要がある。さらに、制御回路１９Ａ，２９Ａの各々は、横流電流を抑制するための電流指令値を演算する必要がある。

これに対して、第１の実施の形態によれば、無停電電源装置１０，２０の中から１つの無停電電源装置（たとえば無停電電源装置１０）が選択される。その選択された無停電電源装置のスイッチがオン状態に設定される。他方の無停電電源装置（たとえば無停電電源装置２０）のスイッチがオフ状態に設定される。単独の無停電電源装置が負荷５に電力を供給するので、横流電流が実質的に発生しない。

したがって、横流電流を抑制するための構成が不要となる。すなわち図４に示された電流センサ３，４が不要となる。電流センサ３，４が不要となるため、電源システムのコストを低減することができる。さらに、横流電流を抑制するための制御も不要となるので、制御回路１９，２９による制御を簡略化することができる。

さらに、第１の実施の形態によれば、無停電電源装置１０の動作中において、電圧センサ１５の検出電圧値および電流センサ１６の検出電流値の少なくとも一方に異常が発生した場合には、無停電電源装置２０が選択される。あるいは、無停電電源装置１０の動作中において、インバータ回路１２およびコンバータ回路１１の少なくとも一方に異常が発生した場合には、無停電電源装置２０が選択される。この場合には、無停電電源装置１０のスイッチ１４がオフ状態に設定されるとともに、無停電電源装置２０のスイッチ２４がオン状態に設定される。無停電電源装置１０に異常が生じた場合には、無停電電源装置２０が負荷５に電力を供給する。したがって負荷５への電力の供給を継続できる。

なお、上記の説明においては、最初に無停電電源装置１０が負荷５に電力を供給する。しかし、最初に無停電電源装置２０が負荷５に電力を供給してもよい。このような構成によれば、無停電電源装置２０の異常時に、無停電電源装置２０に代えて無停電電源装置１０が負荷５に電力を供給する。

［実施の形態２］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。図１および図５を参照して、電源システム１０２は、直流変換回路１８，２８が省略されている点において電源システム１０１と異なる。インバータ回路１２に入力される直流電力の電圧は、直流電源１７の電圧と略同じである。同様にインバータ回路２２に入力される直流電力の電圧は、直流電源２７の電圧と略同じである。したがって直流変換回路１８，２８を省略することができる。

なお、電源システム１０２の他の部分の構成は、電源システム１０１の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態による効果と同様の効果を得ることができる。

［実施の形態３］
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。図１および図６を参照して、電源システム１０３は、無停電電源装置１０，２０が交流電源１に共通に接続される点において電源システム１０１と異なる。第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態による効果と同様の効果を得ることができる。

なお、インバータ回路１２に入力される直流電力の電圧が直流電源１７の電圧と略同じである場合には、無停電電源装置１０から直流変換回路１８を省略してもよい。同じく、インバータ回路２２に入力される直流電力の電圧が直流電源２７の電圧と略同じである場合には、無停電電源装置２０から直流変換回路２８を省略してもよい。

［実施の形態４］
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る電源システムの構成を示したブロック図である。図７を参照して、電源システム１０４は、３以上の無停電電源装置を備える。各々の無停電電源装置の構成は、図１または図５に示された構成と同様である。無停電電源装置１０，２０，・・・，Ｎは、共通の交流電源に接続されてもよい。あるいは、無停電電源装置１０，２０，・・・，Ｎは、個別の交流電源に接続されてもよい。

無停電電源装置１０，２０，・・・，Ｎの中から１つの無停電電源装置が選択される。その選択された無停電電源装置のスイッチがオン状態に設定される。残りの無停電電源装置は、各無停電電源装置の制御回路によって非稼働状態に設定される。具体的にはスイッチがオフ状態に設定される。

１つの実施形態において、電源システム１０４は以下のように動作する。複数の無停電電源装置には稼働に関する順序が予め割り当てられる。制御回路は、その順序にしたがって、対応の無停電電源装置を非稼働状態から、待機状態、稼働状態へと移行させる。「非稼動状態」とは、たとえば無停電電源装置に電源が投入されていない状態である。

たとえば電源システム１０４が起動すると、無停電電源装置１０の制御回路がスイッチをオン状態に設定する。無停電電源装置２０は待機状態にある。無停電電源装置１０，２０以外の無停電電源装置は制御回路によって非稼動状態に設定される。

無停電電源装置１０の異常によって、無停電電源装置１０のスイッチがオフされるとともに無停電電源装置２０のスイッチがオンされる。無停電電源装置２０のスイッチがオンすることによって、次の無停電電源装置（たとえば無停電電源装置Ｎ）が選択される。選択された無停電電源装置の制御回路は、その無停電電源装置を待機状態に設定する。なお、上記の制御は一例であって、無停電電源装置１０が稼働状態であるときに、残りの無停電電源装置がすべて待機状態であってもよい。

第１の実施の形態によって説明されるように、横流電流を抑制するための制御を実行するためには、無停電電源装置ごとに電流センサが必要である。無停電電源装置の数が増えるに従って電流センサの数も増える。第４の実施の形態によれば、横流電流を抑制するための制御が不要となる。したがって、第４の実施の形態によれば、複数の無停電電源装置を並列運転する場合に比べて、電源システムのコストを顕著に低減することができるととともに、電源システムの制御を顕著に簡略化できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２ 交流電源、３，４，１６，２６ 電流センサ、５ 負荷、７ 横流電流、１０，２０，１０Ａ，２０Ａ，Ｎ 無停電電源装置、１１，２１ コンバータ回路、１２，１２Ａ，２２，２２Ａ インバータ回路、１３，２３ コンデンサ、１４，２４ スイッチ、１５，２５ 電圧センサ、１７，２７ 直流電源、１８，２８ 直流変換回路、１９，１９Ａ，２９，２９Ａ 制御回路、１０１，１０１Ａ，１０２，１０３，１０４ 電源システム。

Claims (3)

1. 負荷（５）に対して並列に設けられた複数の無停電電源装置（１０，２０，Ｎ）を備え、
   前記複数の無停電電源装置（１０，２０，Ｎ）の各々は、
   前記負荷（５）に電力を供給するように構成されるとともに、前記負荷（５）の容量よりも大きな容量を有する電力供給部（１２，２２）と、
   前記電力供給部（１２，２２）と前記負荷（５）との間に設けられたスイッチ（１４，２４）とを含み、
   前記複数の無停電電源装置（１０，２０，Ｎ）の中から第１の電源装置（１０）を選択して、前記第１の電源装置（１０）の前記スイッチ（１４）をオン状態に設定する制御部（１９，２９）をさらに備え、
   前記負荷（５）は、交流負荷であり、
   前記電力供給部（１２，２２）は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路であって、
   前記複数の無停電電源装置の各々は、
   前記インバータ回路の出力電圧を検出する電圧センサ（１５，２５）と、
   前記インバータ回路の出力電流を検出する電流センサ（１６，２６）とを含み、
   前記制御部（１９，２９）は、前記第１の電源装置（１０）の前記電圧センサ（１５）の検出電圧値および前記第１の電源装置（１０）の前記電流センサ（１６）の検出電流値に基づいて、前記第１の電源装置（１０）の前記インバータ回路（１２）を制御し、前記検出電圧値および前記検出電流値のうちの少なくとも一方に異常が発生した場合には、前記第１の電源装置（１０）の前記スイッチ（１４）をオフ状態に設定するとともに、前記複数の無停電電源装置（１０，２０，Ｎ）のうちの第２の電源装置（２０）の前記スイッチ（２４）をオン状態に設定し、
   前記複数の無停電電源装置の前記制御部同士は相互に通信して、前記スイッチの状態に関する情報を、前記制御部同士で共有する、電源システム。
2. 前記複数の無停電電源装置（１０，２０，Ｎ）の各々は、
   交流電源からの交流電力を前記直流電力に変換して、前記インバータ回路に前記直流電力を供給するコンバータ回路（１１，２１）をさらに含み、
   前記制御部（１９，２９）は、前記第１の電源装置（１０）の前記コンバータ回路（１１，２１）および前記インバータ回路のうちの少なくとも一方に異常が生じたことを検出した場合に、前記複数の無停電電源装置（１０，２０，Ｎ）のうちの前記第２の電源装置（２０）を選択する、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記複数の無停電電源装置（１０，２０，Ｎ）は、第３の電源装置（Ｎ）をさらに含み、
   前記制御部（１９，２９）は、前記第１の電源装置（１０）の稼働時において前記第３の電源装置（Ｎ）を非稼動状態に設定し、前記第２の電源装置（２０）の稼働時において、前記第３の電源装置（Ｎ）を待機状態に設定する、請求項２に記載の電源システム。

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