JP6250858B1 - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電電力容量が小さく、長時間の給電が可能な電力供給システムを実現すること。【解決手段】商用電源が停電すると、制御装置１２は、二次電池１１から機器１５へ電力が供給されるように制御する。そして、二次電池１１の残量が所定の下限値以下となったら、発電機１０を運転し、発電機１０から機器１５へ電力を供給する。二次電池１１の残量が所定の上限値以上となったら、制御装置１２は、二次電池１１から機器１５へ電力が供給されるように制御し、発電機１０を停止する。商用電源が回復すると、発電機１０を運転して、発電機１０からの電力が二次電池１１に供給されるように制御する。また、商用電源から二次電池１１に電力を供給しないように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、商用電源の停電時に電気機器に電力を供給する電力供給システムであって、発電機と二次電池とを備えたものに関する。

災害等により商用電源が停止した場合でも給電を継続できるようにした電力供給システムとして、発電機を備えた電力供給システムが広く知られている。

近年、災害等による長期停電にも対応できる電力供給システムが求められていて、たとえば７２時間以上の長時間の給電が必要となるケースも生じている。しかし従来の電力供給システムでは、長時間の給電の場合、発電機のエンジンを駆動するための燃料が多くなり、それに合わせて燃料タンクも大きくなり、燃料タンクの設置場所が限られる問題があった。たとえば、山頂や屋上などに燃料タンクが設置されるケースが多く、燃料の残量確認などのために点検に行くことの労力が大きかった。

また、従来の電力供給システムでは、計画停電や落雷による停電など、短時間の停電でも発電機が運転開始してしまい、近隣への騒音が問題となっていた。

そこで、発電機に加えて二次電池を有した電力供給システムが開発されている（特許文献１、２参照）。このような電力供給システムによれば、発電機からの給電と二次電池からの給電を交互に繰り返すことにより、発電機での燃料消費を低減することができ、長時間の給電が可能となる。

特許文献１には、二次電池による電力供給と発電機による電力供給を交互に繰り返すことが記載され、二次電池の残量によって切り換えることが記載されている。特許文献１では、停電直後は二次電池から電力を供給し、二次電池の残量が所定値より以下となったら発電機を運転して発電機から電力を供給するとともに、二次電池を充電し、二次電池の残量が十分に回復すると、発電機を停止して二次電池から電力を供給することが記載されている。

特許文献２には、二次電池、発電機、および太陽電池を有した電力供給システムが記載されている。特許文献２では、停電が発生すると太陽電池または二次電池から電力を供給する。二次電池の電圧値が所定値以下になると、発電機を運転して発電機から電力を供給するとともに、二次電池を充電する。二次電池の電圧値が所定値まで回復すると、発電機を停止して二次電池から電力を供給する。このようにして、太陽電池または二次電池からの電力供給と、発電機からの電力供給を交互に繰り返すことが記載されている。

実用新案登録第３１８１８６１号 特開２０１５−７０６３７号公報

しかし、従来の電力供給システムでは、商用電源の回復後の二次電池充電のために受電電力容量が大きくなるという問題があった。

そこで本発明の目的は、受電電力容量が小さく、長時間の給電が可能な電力供給システムを実現することである。

本発明は、商用電源の停電時に負荷へ電力を供給する電力供給システムにおいて、
負荷に電力を供給する二次電池と、交流電力を発生させる発電機と、発電機からの交流電力を直流電力に変換して負荷および二次電池に電力を供給する第１のＡＣ−ＤＣコンバータと、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して負荷および二次電池に電力を供給する第２のＡＣ−ＤＣコンバータとを備えた電源装置と、二次電池から負荷への電力の供給と、発電機から電源装置を介した負荷および二次電池への電力の供給とを制御する制御装置と、を有し、制御装置は、商用電源の停電時には、二次電池から負荷へ電力を供給するように制御し、二次電池の残量が所定の下限値となったら、発電機を運転して発電機から電源装置を介して負荷へ電力を供給して二次電池から負荷への電力供給を停止するとともに、発電機から電源装置を介して二次電池へ電力を供給して二次電池を充電するように制御し、二次電池の残量が所定の上限値となったら、二次電池から負荷へ電力を供給し、発電機を停止して発電機から電源装置を介した負荷および二次電池への電力供給を停止するように制御し、商用電源の回復時には、発電機からの電力供給中の回復であれば発電機の運転を継続して、二次電池からの電力供給中の回復であれば二次電池からの電力供給を停止して発電機の運転を開始して、発電機から電源装置を介して供給する電力の少なくとも一部を二次電池に供給して二次電池を充電するように制御し、商用電源から電源装置を介して供給する電力は二次電池に供給しないように制御する、ことを特徴とする電力供給システムである。

制御装置は、商用電源の回復時において、発電機からの電力の全てを二次電池に供給するように制御してもよい。

また、制御装置は、商用電源の回復後において、二次電池の残量が所定値まで回復したら、発電機を停止して二次電池への電力供給を停止し、商用電源からの電力の極一部を二次電池に供給して二次電池をトリクル充電するように制御してもよい。

また、商用電源の停電中における、発電機の給電時間と二次電池の給電時間の和に対する発電機の給電時間の割合が、２５〜６０％となるように、下限値および上限値を設定してもよい。

本発明によれば、商用電源の回復時に、二次電池の充電に電力を割く必要がなく、受電電力容量を小さくすることができる。また、商用電源の回復後に再度停電したときにも二次電池により継続的に電力供給することができる。

実施例１の電力供給システムの構成を示した図。 実施例１の電力供給システムの動作を示した模式図。 実施例１の電力供給システムの動作を示した模式図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の電力供給システムの構成を示した図である。図１のように、実施例１の電力供給システムは、発電機１０と、二次電池１１と、制御装置１２と、電源装置１３と、スイッチ１４と、を有している。実施例１の電力供給システムは、通常は商用電源から機器１５（外部負荷）に電力が供給され、商用電源の停電時には、発電機１０あるいは二次電池１１から機器１５に電力が供給されるシステムである。機器１５は、たとえば無線通信設備などである。

発電機１０は、エンジン、およびエンジンを駆動するための燃料を保持する燃料タンクを有している。発電機１０は、燃料によってエンジンを運転し、交流電力を発生させる。発電機１０は単相発電機であっても三相発電機であってもよく、極数も任意でよい。発電機１０の運転および停止は、制御装置１２によって制御され、商用電源の停電時、および商用電源の回復時に運転され、それ以外の期間は停止される。発電機１０から出力された交流電力は、電源装置１３に入力される。そして、電源装置１３によって交流電力が直流電力に変換された後、機器１５および二次電池１１へと供給される。発電機１０により発電される電力量は、機器１５で必要とされる電力量と、二次電池１１の充電に必要とされる電力量と、電源装置１３において損失する電力量とを合わせた電力量以上とする。

二次電池１１は、発電機１０または商用電源によって充電され、商用電源の停電時には、所定の条件の元で、機器１５へ直流電力を供給する。二次電池１１の充電、放電の制御は、制御装置１２によって制御され、二次電池１１の残量に応じて行われる。二次電池１１には任意の種類のものを使用することができ、たとえば、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池、鉛蓄電池、ニッケル・水素電池、などを使用することができる。

制御装置１２は、商用電源からの電力供給、発電機からの電力供給、二次電池からの電力供給の３者の電力供給元を切り換える制御を行う装置である。また、制御装置１２は、商用電源の停止の有無や、二次電池の残量を監視する。そして、それらの状態に応じて制御装置１２のＣＰＵによって電力供給元を切り換える。この切り替えの制御の詳細については、後述の電力供給システムの動作の説明において述べる。

電源装置１３は、２つのＡＣ−ＤＣコンバータを有する。その一方のＡＣ−ＤＣコンバータにより、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して機器１５および二次電池１１に供給する。また、他方のＡＣ−ＤＣコンバータにより、発電機１０からの交流電力を直流電力に変換して機器１５および二次電池１１に供給する。

電源装置１３の後段には、スイッチ１４が設けられている。このスイッチ１４によって、電源装置１３の出力側と機器１５の入力側との接続と、二次電池１１の出力側と機器１５の入力側との接続が選択される。スイッチ１４の切り換えは、制御装置１２によって制御される。

次に、実施例１の電力供給システムの動作について、図２、３を参照に説明する。図２、３は、商用電源、発電機１０、二次電池１１から機器１５への給電のタイミングを示した模式図である。図中、斜線部により給電している時間帯を示している。

まず、商用電源から電力が供給されている場合の動作について説明する。この場合、商用電源からの交流電力は、電源装置１３に入力される。電源装置１３に入力された交流電力は直流電力に変換されて出力される。制御装置１２は、スイッチ１４を電源装置１３の出力側に接続するように制御し、電源装置１３からの直流電力は機器１５へ供給される。また、制御装置１２は、その直流電力の一部が二次電池１１にも供給されるように制御し、二次電池１１はトリクル充電される。ここでトリクル充電は、二次電池１１の自然放電を補償するため、微弱な電流を継続的に二次電池１１に流して充電する方法である。また、制御装置１２は、発電機１０の停止状態を保持する。スイッチ１４は電源装置１３の出力側に接続されているため、二次電池１１から機器１５へは電力供給されない。

次に、商用電源が停電したときの動作について説明する。制御装置１２は、商用電源からの交流電力の供給の有無を常時監視しており、商用電源の停電を感知すると次のように動作する。まず、制御装置１２は、二次電池１１から機器１５へ電力が供給されるように制御する。具体的にはスイッチ１４を二次電池１１の出力側に接続するように制御する。停電直後の電力供給を発電機１０から行うのではなく、二次電池１１から行うことで、発電機１０の燃料消費を軽減している。

制御装置１２は、二次電池１１の残量を常時監視する。そして、二次電池１１の残量が所定の下限値以下となったら、発電機１０を運転する。その後、制御装置１２は、スイッチ１４を電源装置１３の出力側に接続するように制御する。これにより、発電機１０から出力される交流電力を電源装置１３によって直流電力に変換し、直流電力を機器１５へ供給する。また、このスイッチ１４の選択により、二次電池１１から機器１５への電力供給は停止される。なお、発電機１０の運転から実際に電力が供給されるまでに数十秒かかるため、その間は二次電池１１から機器１５へ電力を供給する。また、制御装置１２は、電源装置１３から出力される直流電力の一部を二次電池１１に供給し、二次電池１１を充電する。このようにして、発電機１０から出力される電力の一部を機器１５へ供給し、一部を二次電池１１の充電のために供給する。

二次電池１１の残量が所定の上限値以上となったら、制御装置１２は、スイッチ１４を二次電池１１の出力側に接続するように制御し、二次電池１１から機器１５への電力供給を開始する。合わせて、発電機１０の運転を停止して発電機１０から機器１５および二次電池１１への電力供給を停止する。

その後、商用電源が回復するまで、制御装置１２は、二次電池１１の残量に応じて、二次電池１１からの給電と発電機１０からの給電を交互に繰り返すように制御する。これにより、発電機１０での燃料消費が低減され、機器１５への長時間の給電が可能となる。また、発電機１０の運転時間が減ることで、発電機１０の動作による騒音が発生する時間も減り、騒音障害も軽減される。

二次電池１１の残量の下限値および上限値は、二次電池１１の容量、発電機１０の発電量などに応じて任意に設定することができる。下限値は、たとえば満充電に対する割合で１０〜３０％とすることができる。また、上限値は、たとえば８０〜１００％とすることができる。またもちろん、下限値および上限値は、満充電に対する割合（％）で規定するのではなく、容量の絶対値で規定してもよい。また、二次電池１１の残量に直接的あるいは間接的に依存する値によって規定してもよい。たとえば、二次電池１１の電圧値によって下限値および上限値を規定してもよい。

また、残量の上限値、下限値は固定する必要はなく、気候条件などによって下限値、上限値を変動させてもよい。二次電池１１からの給電がより最適化され、発電機１０の燃料消費をより低減することができる。

なお、発電機１０の給電時間の割合（発電機１０の給電時間Ｔ１と二次電池１１の給電時間Ｔ２の和に対する発電機１０の給電時間Ｔ１の割合、つまりＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２））は、６０％以下とすることが望ましい。６０％以下であれば、発電機１０の給電時間は十分に短くなり、燃料消費も十分に低減されるため、機器１５への給電をより長時間行うことができる。また、発電機１０の給電時間の割合は、２５％以上とすることが望ましい。２５％未満では、二次電池１１への充電が十分に行われない可能性があるためである。より望ましくは３０〜５５％、さらに望ましくは３５〜５０％である。発電機１０の給電時間の割合は、たとえば二次電池１１の残量の下限値および上限値により設定することができる。

次に、商用電源が回復したときの動作について説明する。

商用電源が回復すると、電源装置１３に交流電力が入力され、直流電力に変換される。制御装置１２は、商用電源の回復を検知すると、スイッチ１４を電源装置１３の出力側に接続するように制御し、直流電力が機器１５へ供給されるように制御する。

ここで、発電機１０から機器１５へ給電中に商用電源が回復した場合には、そのまま発電機１０の運転を継続する（図２参照）。一方、二次電池１１から機器１５へ給電中に商用電源が回復した場合には、停止していた発電機１０を運転する（図３参照）。スイッチ１４は電源装置１３の出力側に接続するように制御されるため、二次電池１１から機器１５への電力供給は停止される。ただし、いずれの場合も、発電機１０から電源装置１３を経て出力される直流電力が、機器１５へ供給されないように制御する。

発電機１０からの交流電力は、電源装置１３によって直流電力に変換されるが、制御装置１２は、その直流電力すべてが二次電池１１に供給されるように制御し、機器１５側には発電機１０からの直流電力が出力されないように制御する。また、制御装置１２は、商用電源から二次電池１１に電力を供給しないように制御し、商用電源からの電力は機器１５にのみに供給されるようにする。つまり、発電機１０からの電力のみによって二次電池１１が充電されるように制御する。

なお、実施例１では商用電源回復後に運転する発電機１０の電力は、すべてを二次電池１１の充電に当てているが、少なくとも一部を充電に当てればよい。ただし、実施例１のように全ての電力を二次電池の充電に当てる方がよい。より効率的に二次電池１１の充電を行うことができ、発電機の運転時間を短縮でき、燃料消費を低減することができる。

二次電池１１の充電が進み、残量が所定値（たとえば満充電）まで回復すると、制御装置１２は、発電機１０の運転を停止して、二次電池１１の充電を停止する。その後、制御装置１２は、商用電源から電源装置１３を経て変換された直流電力の極一部を二次電池１１に継続的に供給するように制御し、二次電池１１をトリクル充電する。

このように、実施例１の電力供給システムでは、商用電源の回復時に、その商用電源の電力によって二次電池１１を充電するのではなく、発電機１０を運転して発電機１０からの電力によって二次電池１１を充電している。商用電源の電力の一部を二次電池１１の充電に割く必要がないため、電源設備容量を低減することができる。また、発電機１０からの直流電力すべてを二次電池１１に供給するため、二次電池１１は急速に充電することができ、商用電源の回復後に再度停電した場合であっても、二次電池１１から機器１５に安定して電力を供給することができる。

以上、実施例１の電力供給システムによれば、商用電源の回復時に二次電池１１の充電に電力を割く必要がなく、受電電力容量の低減を図ることができる。また、商用電源の回復後、短期間で再度停電した場合であっても、発電機１０によって二次電池１１は急速に充電されているため、二次電池１１からスムーズに電力供給でき、電力供給の安定性、継続性が向上する。また、実施例１の電力供給システムでは、二次電池１１の残量に応じて、発電機１０からの給電と二次電池１１からの給電を交互に切り換えるため、発電機１０の運転時間が低減されて燃料消費も低減されるので、機器１５に長期間給電することができる。たとえば７２時間以上の給電にも対応することができ、大規模災害時などの非常用電源として実施例１の電力供給システムは特に有効である。

なお、実施例１の電力供給システムでは、さらに太陽電池を有していてもよい。太陽電池による機器１５への給電、あるいは二次電池１１の充電と併用することで、より安定した長期間の給電が可能となる。

本発明は災害時などに非常用電源として利用することができる。

１０：発電機
１１：二次電池
１２：制御装置
１３：電源装置
１４：スイッチ
１５：機器

Claims (4)

1. 商用電源の停電時に負荷へ電力を供給する電力供給システムにおいて、
   前記負荷に電力を供給する二次電池と、
   交流電力を発生させる発電機と、
   前記発電機からの交流電力を直流電力に変換して前記負荷および前記二次電池に電力を供給する第１のＡＣ−ＤＣコンバータと、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して前記負荷および前記二次電池に電力を供給する第２のＡＣ−ＤＣコンバータとを備えた電源装置と、
   前記二次電池から前記負荷への電力の供給と、前記発電機から前記電源装置を介した前記負荷および前記二次電池への電力の供給とを制御する制御装置と、
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記商用電源の停電時には、
   前記二次電池から前記負荷へ電力を供給するように制御し、
   前記二次電池の残量が所定の下限値となったら、前記発電機を運転して前記発電機から前記電源装置を介して前記負荷へ電力を供給して前記二次電池から前記負荷への電力供給を停止するとともに、前記発電機から前記電源装置を介して前記二次電池へ電力を供給して前記二次電池を充電するように制御し、
   前記二次電池の残量が所定の上限値となったら、前記二次電池から前記負荷へ電力を供給し、前記発電機を停止して前記発電機から前記電源装置を介した前記負荷および前記二次電池への電力供給を停止するように制御し、
   前記商用電源の回復時には、
   前記発電機からの電力供給中の回復であれば前記発電機の運転を継続して、前記二次電池からの電力供給中の回復であれば前記二次電池からの電力供給を停止して前記発電機の運転を開始して、前記発電機から前記電源装置を介して供給する電力の少なくとも一部を前記二次電池に供給して前記二次電池を充電するように制御し、前記商用電源から前記電源装置を介して供給する電力は前記二次電池に供給しないように制御する、
   ことを特徴とする電力供給システム。
2. 前記制御装置は、前記商用電源の回復時において、前記発電機からの電力の全てを前記二次電池に供給するように制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記制御装置は、前記商用電源の回復後において、前記二次電池の残量が所定値まで回復したら、前記発電機を停止して前記二次電池への電力供給を停止し、前記商用電源からの電力の極一部を前記二次電池に供給して前記二次電池をトリクル充電するように制御する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力供給システム。
4. 前記商用電源の停電中における、前記発電機の給電時間と前記二次電池の給電時間の和に対する前記発電機の給電時間の割合が、２５〜６０％となるように、前記下限値および前記上限値を設定する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力供給システム。