WO2018047572A1

WO2018047572A1 - 電力平準化装置

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Publication number: WO2018047572A1
Application number: PCT/JP2017/028884
Authority: WO
Inventors: 信幸多和田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2019-03-09
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Abstract

入力電圧範囲を狭くして電力変換効率を向上させることができる電力平準化装置を提供する。交流電源(11)からの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換部(12)と、電力変換部の出力側に直流電力を供給する蓄電部(14)とを備えている。蓄電部は、蓄電素子(14a)と、この蓄電素子および電力変換部の出力側との間に接続され、電力変換部の出力電流に応じて放電電力を制御する放電制御部(14b)と、蓄電素子を充電する充電制御部(14c)とを備えている。充電制御部は、蓄電素子の充電電圧が設定値以下となったときに、交流電力を直流電力に変換して蓄電素子を定電力充電する。放電制御部は、分圧回路と、電力変換部の出力電流を監視し、出力電流が設定電流より大きいときに分圧回路から電流を引き抜く電流監視部と、分圧回路の分圧電圧を設定電圧と比較して放電指令信号を生成する放電電流制御部とを備えている。

Description

電力平準化装置

　本発明は、負荷電力変動を抑制して電力平準化を行う電力平準化装置に関する。

　近年、クラウドコンピューティングやビッグデータ解析需要の拡大に伴い、データセンター内において、複数のコンピュータが同期して動作するシステムが増加している。コンピュータは、ＣＰＵの動作状態等により瞬間的に消費電力が変動するため、複数台のコンピュータが同調して動作すると瞬間的に大きな消費電力が発生しその電力を供給する入力系統に負担が掛かっている（例えば、トランス、発電機等のうなり、ケーブルやブレーカなどの配電設備への過大なストレス）。
　一方、高速化・大容量かにより電算機システム全体の消費電力が肥大化しており、電力供給ユニット（ＰＳＵ）等の電力変換部の損失低減要求が強くなっている。

　負荷電力変動を入力側に伝えないように電力平準化を行うために、図６に示すように、ダイオードブリッジ回路１００で交流電力を直流電力に変換し、アクティブ型の力率改善回路（ＰＦＣ）１０１で昇圧して入力コンデンサ１０２に蓄積し、このコンデンサ１０２の出力をＤＣ－ＤＣコンバータ１０３で負荷に応じた直流電力を出力するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
　また、交流電源の交流電力を直流電力に変換するＡＣ－ＤＣ変換回路と、ＡＣ－ＤＣ変換回路の出力側に電力を供給する二次電池とを備えた電源回路が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載された先行技術では、二次電池は並列に接続された充電回路及び放電回路を介してＡＣ－ＤＣ変換回路の出力側に接続されている。そして、充電回路及び放電回路が、制御回路によって、ＡＣ－ＤＣ変換回路の出力電流に応じて放電電力及び充電電力を制御するようにしている。

　さらに、交流電源を整流して直流電圧に変換して安定化電源回路に供給し、この安定化電源回路で負荷に必要な直流電圧を出力する電源回路が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３に記載された先行技術では、交流電源を降圧してから整流して充電用コンデンサを充電し、安定化電源回路及び負荷間の電圧低下時に充電用コンデンサの充電電圧を、安定化回路を介して負荷に供給するようにしている。
　また、正常時は交流電力を整流した直流主電圧を負荷に供給し、負荷に流れ込む過渡ピーク電流による交流電源電圧の低下時に、交流電源を整流して蓄積部に蓄えられたエネルギーを負荷に供給する瞬時電圧低下保護装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

米国特許第５９６０２０７号国際公開第０２／０６１９１７号実願昭５７－１４４７９９号（実開昭５９－４９２３５号）のマイクロフィルム特開平９－２６１８９５号公報

　ところで、一般的に、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０３の入力電圧範囲が狭いほど高効率化が可能である（トランス巻数比を上げることで、２次側部品の低耐圧化、１次回路の電流抑制による効果等）。例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータの入力電圧範囲が３６０～４００Ｖである場合と、入力電圧範囲が２５０～４００Ｖである場合とを比較すると、入力電圧範囲が３６０～４００Ｖの方が、入力電圧範囲が２５０～４００Ｖである場合に比較して２％程度効率が良くなる。
　しかし、上述した複数のコンピュータが同期して動作するシステムのように負荷変動が大きい場合には、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０３は広い入力電圧範囲で動作する必要があるため変換効率が低下するという課題がある。

　すなわち、図７（ａ）で実線図示のように、負荷電力が周期的に変化する場合には、力率改善回路１０１で賄えない電力を入力コンデンサ１０２で賄って負荷電力の変動を吸収し、入力側に電力変動を伝達させないようにする。このため、入力コンデンサ１０２の電圧は、破線図示のように周期的に減少および増加を繰り返し、この入力コンデンサ１０２の電圧を後段のＤＣ－ＤＣコンバータにより、電圧を一定化させて負荷に供給する。この場合には、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０３を広い入力範囲とせざるを得ない。
　しかしながら、上述した複数のコンピュータが同期して動作するシステムでは、図７（ｂ）で実線図示のように、負荷電力の変動が周期的ではなく、例えば短時間の電力変動が２回生じた後に、しばらく負荷変動がない状態が継続する場合が多い。このような負荷変動の場合、入力コンデンサ１０２の電圧は、破線図示のように負荷変動が生じたときに、負荷変動に応じた減少および増加を繰り返すが、負荷変動を生じていない場合には、力率改善回路１０１の出力電圧を保持することになる。このため、負荷変動を生じていない期間でＤＣ－ＤＣコンバータ１０３の電力変換効率が無駄に悪くなってしまう。しかも、入力コンデンサ１０２に蓄積する電力は、力率改善回路１０１の出力電圧のみで充電される。

　また、特許文献２に記載された先行技術には、二次電池がＡＣ－ＤＣ変換回路の出力側のみに接続されており、二次電池を交流電源の交流電力を直流電力に変換して充電することはできない。その上、二次電池の放電制御の具体的構成は開示されていない。
　さらに、特許文献３に記載された先行技術には、交流電源を整流して充電用コンデンサを充電することが開示されているだけで、充電用コンデンサの放電制御の具体的構成は開示されていない。
　また、特許文献４に記載された先行技術には、交流電源を整流して蓄電部に蓄積するが、放電制御部としてＤＣ－ＤＣ定電圧回路が開示されているだけで蓄電部の放電制御の具体的構成は開示されていない。

　そこで、本発明は、上述した従来例の課題に着目してなされたものであり、入力電圧範囲を狭くして電力変換効率を向上させることができる電力平準化装置を提供することを目的としている。

　上記目的を達成するために、本発明に係る電力平準化装置の一態様は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、電力変換部の出力側に直流電力を供給する蓄電部とを備えている。蓄電部は、蓄電素子と、該蓄電素子および電力変換部の出力側との間に接続され、電力変換部の出力電流に応じて放電電力を制御する放電制御部と、前記蓄電素子を充電する充電制御部とを備えている。充電制御部は、蓄電素子の充電電圧が設定値以下となったときに、交流電力を直流電力に変換して当該蓄電素子を定電力充電する。放電制御部は、分圧回路と、電力変換部の出力電流を監視し、出力電流が設定電流より大きいときに分圧回路から電流を引き抜く電流監視部と、分圧回路の分圧電圧を設定電圧と比較して放電指令信号を生成する放電電流制御部とを備えている。

　本発明の一態様によれば、負荷電力変動による電力変換部で賄えない不足電力分を放電制御部で蓄電部の放電電力を制御して賄うことにより、電力変換部の入力電圧範囲を狭くして入力電力を平準化することができる。

本発明に係る電力平準化装置の第１の実施形態を示すブロック図である。図１の放電制御部を示す回路図である。図１の充電制御部を示す回路図である。本発明に係る電力平準化装置の第２の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る電力平準化装置の第３の実施形態を示すブロック図である。従来例を示すブロック図である。従来例の負荷電圧変動とコンデンサ電圧との関係を示すタイムチャートである。

　次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものである。
　また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

　まず、本発明の一の態様を表す電力平準化装置の第１の実施形態について図１および図２を伴って説明する。
　電力平準化装置１０は、図１に示すように、例えば２３０Ｖの交流電力を出力する交流電源１１と、この交流電源１１からの交流電力が入力される電力変換部としてのＡＣ／ＤＣ変換器１２と、このＡＣ／ＤＣ変換器１２からの出力電力が供給される負荷１３と、ＡＣ－ＤＣ変換器１２と並列に接続された蓄電部１４とを備えている。
　ここで、ＡＣ／ＤＣ変換器１２は、力率改善回路（ＰＦＣ）１２ａとＤＣ－ＤＣコンバータ１２ｂとで構成されている。力率改善回路１２ａは、交流電力を直流電圧に変換する整流機能と、入力電流が予め設定した設定電流を超えないように、出力制限電流が設定されている。

　ＤＣ－ＤＣコンバータ１２ｂは、力率改善回路１２ａから出力される直流電力を負荷１３が必要とする直流電圧例えば１２Ｖの直流電力に変換して負荷１３にダイオードＤ１を介して出力する。
　蓄電部１４は、蓄電素子１４ａと、蓄電素子１４ａに蓄電された蓄電電力をＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力側に放電する放電制御部１４ｂと、交流電源１１から交流電力が入力されて蓄電素子１４ａを充電する充電制御部１４ｃと、を備えている。
　蓄電素子１４ａは、充放電可能な素子であって、電気２重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、電解コンデンサ、各種バッテリ（鉛、アルカリ、リチウムイオン他）等を適用することができる。

　放電制御部１４ｂは、図２に示すように、自身の出力電圧ＶＡ２が入力される入力端子ｔｉｎ２と、この入力端子ｔｉｎ２とグランドとの間に直列に接続された３つの分圧抵抗Ｒ１１、Ｒ１２およびＲ１３を有する分圧回路２０と、電流監視部２１と、放電電流制御部２２とを備えている。
　電流監視部２１は、ＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力電流を電圧値として検出する電流検出部ＣＤから入力される電流検出値ＩＡ１が予め設定したＡＣ／ＤＣ変換器１２が出力する許容上限電流値ＩＡ１ｕ以上であるとき電流を吸引するオペアンプ２１ａを備えている。このオペアンプ２１ａは、反転入力端子に電圧値でなる電流検出値ＩＡ１が入力され、非反転入力端子に許容上限電流値ＩＡ１ｕに相当する参照電圧Ｖｒｅｆ１が入力されている。そして、このオペアンプ２１ａの出力端子がダイオード２１ｂのカソードに接続され、ダイオード２１ｂのアノードが分圧回路２０の抵抗Ｒ１１およびＲ１２の接続点に接続されている。したがって、オペアンプ２１ａは、電流検出値ＩＡ１が設定電流値ＩＡ１ｕ以上となるまではハイレベルを維持し、電流検出値ＩＡ１が設定電流値ＩＡ１ｕ以上となったときにローレベルとなって分圧回路２０から電流を引き込む。

　放電電流制御部２２は、オペアンプ２２ａと、ＰＷＭ信号生成回路２２ｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃとで構成されている。
　オペアンプ２２ａは、反転入力端子に分圧回路２０の抵抗Ｒ１２およびＲ１３の接続点が接続され、非反転入力端子に１２Ｖに相当する参照電圧Ｖｒｅｆ２が入力されている。そして、このオペアンプ２２ａから分圧回路２０から入力される分圧電圧Ｖｄが参照電圧Ｖｒｅｆ２以上であるときにローレベルとなる放電制御信号Ｖｃを出力し、分圧電圧Ｖｄが参照電圧Ｖｒｅｆ２未満となると、その差分に応じた電圧レベルの放電制御信号Ｖｃを出力する。

　ＰＷＭ信号生成回路２２ｂは、オペアンプ２２ａから出力される放電制御信号Ｖｃとキャリア信号生成部ＣＳから入力される三角波信号または鋸歯状波信号でなるキャリア信号Ｓｃａと比較するコンパレータで構成されている。このコンパレータから放電制御信号Ｖｃがキャリア信号Ｓｃａを上回っている間にオン状態となり、放電制御信号Ｖｃがキャリア信号を下回っている間にオフ状態となるＰＷＭ信号が出力される。
　ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃは、蓄電素子１４ａとダイオードＤ２との間に接続され、蓄電素子１４ａの充電電圧ＶｂをＰＷＭ信号に基づいてＡＣ／ＤＣ変換器１２から出力される電圧ＶＡ１に対して許容範囲程度高い電圧ＶＡ２に昇圧し、蓄電素子１４ａの放電を可能とする。

　ここで、放電電流制御部２２は、電流監視用のコンパレータ２２ｄから出力される動作制御信号Ｓｍｃによって動作状態と停止状態とに制御される。コンバレータ２２ｄは、非反転入力端子に、ＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力電流を電圧値として検出する電流検出部ＣＤから出力される電流検出値ＩＡ１が供給され、反転入力端子に参照電圧Ｖｒｅｆ１より僅かに低い電圧に設定された参照電圧Ｖｒｅｆ６が供給されている。
　したがって、コンパレータ２２ｄは、電流検出値ＩＡ１が参照電圧Ｖｒｅｆ６を下回っている状態では、ローレベルの動作制御信号Ｓｍｃを放電電流制御部２２に出力し、放電電流制御部２２は動作停止状態となる。これに対して、電流検出値ＩＡ１が参照電圧Ｖｒｅｆ６を上回っている状態では、コンパレータ２２ｄからハイレベルの動作制御信号Ｓｍｃが放電電流制御部２２に出力され、放電電流制御部２２は動作状態となる。

　充電制御部１４ｃは、図１に示すように、充電回路２３と、充電制御回路２４とを有する。充電回路２３は、力率改善回路２３ａとＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｂとで構成され、電力充電指令Ｓｃｃが入力されたときに、交流電源１１からの交流電力を直流電力に変換して蓄電素子１４ａを充電する。
　このときの充電モードとしては、蓄電素子１４ａが電気２重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタである場合には、充電電圧Ｖｂが設定電圧に達するまでは定電流制御を行い、設定電圧に達すると定電圧制御を行なう。また、蓄電素子１４ａが各種バッテリであるときにもキャパシタと同様に定電流・定電圧制御を行い、さらに、蓄電素子１４ａが電解コンデンサである場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｂを省略して力率改善回路２３ａのみで定電力・定電圧充電を行う。

　充電制御回路２４は、蓄電素子１４ａの充電電圧Ｖｂを監視し、充電電圧Ｖｂが予め設定した通常設定値Ｖｂｕ（満充電電圧の例えば７０％）以下に低下したときに、ＡＣ－ＤＣ変換器１２の出力電流ＩＡ１が許容上限電流ＩＡ１ｓ１より低い充電許容電流ＩＡ１ｓ２未満であるとき、すなわち負荷１３の消費電力が小さいときに電力充電指令Ｓｃｃを充電回路２３に出力する。
　また、充電制御回路２４は、蓄電素子１４ａの充電電圧Ｖｂが通常設定値Ｖｂｕより低い要充電設定値Ｖｂｃ（例えば満充電電圧の例えば２０％）以下に低下したときに、ＡＣ－ＤＣ変換器１２の出力電流ＩＡ１にかかわらず電力充電指令Ｓｃｃを充電回路２３に出力する。

　ここで、充電制御回路２４は、図３に示すように、蓄電電圧検出部２５と、第１制御部２６と、第２制御部２７と、オア回路２８とを備えている。
　蓄電電圧検出部２５は、蓄電素子１４ａの充電電圧Ｖｂが入力される電源端子ｔｉｎ２と、この電源端子ｔｉｎ２とグランドとの間に直列接続された分圧抵抗Ｒ２１、Ｒ２２およびＲ２３を有する分圧回路２５ａを備えている。
　この分圧回路２５ａの抵抗Ｒ２１およびＲ２２の接続点には電流監視部２５ｂが接続されている。また、分圧回路２５の抵抗Ｒ２２およびＲ３２の接続点から蓄電電圧検出値Ｖｂｄが出力される。

　ここで、電流監視部２５ｂは、放電制御部１４ｂの電流監視部２１と同様にオペアンプ２９及びダイオード３０を有する。オペアンプ２９は、非反転入力端子に電流センサＣＤの電流検出値ＩＡ１が供給され、反転入力端子に参照電圧Ｖｒｅｆ３（ＡＣ－ＤＣ変換器１２の出力電流ＩＡ１の許容上限電流ＩＡ１ｓ１より低い充電許容電流ＩＡ１ｓ２に相当する電圧）が供給されている。また、ダイオード３０はアノードがオペアンプ２９の出力端子に接続され、カソードが分圧回路２５ａの抵抗Ｒ２１及びＲ２２の接続点に接続されている。

　第１制御部２６は、コンパレータ２６ａを備えている。このコンパレータ２６ａは、反転入力端子に蓄電電圧検出値Ｖｂｄが入力され、非反転入力端子に参照電圧Ｖｒｅｆ４が供給されている。参照電圧Ｖｒｅｆ４は、蓄電素子１４ａの満充電電圧Ｖｂｍａｘの例えば７０％に相当する電圧値に設定されている。したがって、コンパレータ２６ａから蓄電電圧検出値Ｖｂｄが参照電圧Ｖｒｅｆ４を下回ったときにローレベルからハイレベルとなる電圧低下検出信号Ｓｖｒがオア回路２８に出力される。
　第２制御部２７は、蓄電素子１４ａの蓄電電圧Ｖｂを分圧する分圧回路２７ａと、コンパレータ２７ｂを備えている。

　分圧回路２７ａは、蓄電素子１４ａの蓄電電圧Ｖｂが入力される入力端子ｔｉｎ３と、この入力端子ｔｉｎ３とグランドとの間に接続された分圧抵抗Ｒ２４およびＲ２５とで構成されている。そして、分圧抵抗Ｒ２４およびＲ２５の接続点から蓄電電圧検出値Ｖｂｄ２が出力される。
　コンパレータ２７ｂは、反転入力端子に分圧回路２７ａの蓄電電圧検出値Ｖｂｄが入力され、非反転入力端子に参照電圧Ｖｒｅｆ５が入力されている。この参照電圧Ｖｒｅｆ５は、蓄電素子１４ａの満充電電圧Ｖｂｍａｘの例えば２０％に相当する電圧値に設定されている。したがって、コンパレータ２７ｂから蓄電電圧検出値Ｖｂｄ２が参照電圧Ｖｒｅｆ５を下回ったときにローレベルからハイレベルに転換する要充電検出信号Ｓｖｃがオア回路２８に出力される。
　オア回路２８は、第１制御部２６の電圧低下検出信号Ｓｖｒおよび第２制御部２７の要充電検出信号Ｓｖｃの何れかがハイレベルとなったときに、ハイレベルとなる充電指令信号Ｓｃを充電回路ＣＨに出力する。

　次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
　今、蓄電素子１４ａの充電電圧Ｖｂが満充電圧Ｖｂｍａｘに近い状態に充電されているものとする。
　この状態では、蓄電部１４の充電制御部１４ｃは、分圧回路２５ａの分圧電圧Ｖｂｄが第１制御部２６のコンパレータ２６ａの参照電圧Ｖｒｅｆ４以上であり、コンパレータ２６ａから出力される電圧低下検出信号Ｓｖｒがローレベルとなる。また、第２制御部２７のコンパレータ２７ｂから出力される要充電検出信号Ｓｖｃもローレベルとなっている。このため、オア回路２８から電力充電指令Ｓｃｃは出力されず、充電回路２３は作動を停止している。

　また、負荷１３の消費電力がＡＣ／ＤＣ変換器１２から出力される直流電力で十分に賄える範囲内であるものとすると、ＡＣ／ＤＣ変換器１２から出力される電流ＩＡ１は、放電制御部１４ｂの電流監視用のコンパレータ２２ｄの参照電圧Ｖｒｅｆ６より低くなっている。このため、コンパレータ２２ｄから出力される動作制御信号Ｓｍｃがローレベルとなっており、放電電流制御部２２は動作停止状態にあり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃは動作を停止している。
　この結果、負荷１３の消費電力が小さい間は、蓄電素子１４ａの充電処理を行わない場合に、ＡＣ／ＤＣ変換器１２のみが作動状態となる。

　このＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃの停止状態から、ＡＣ／ＤＣ変換器１２から出力される電流ＩＡ１が増加して、放電制御部１４ｂの電流監視用のコンパレータ２２ｄの参照電圧Ｖｒｅｆ６より高く、放電制御部１４ｂの電流監視部２１のオペアンプ２１ａの参照電圧Ｖｒｅｆ１より低い状態（Ｖｒｅｆ６＜ＩＡ１＜Ｖｒｅｆ１）となると、電流監視用のコンパレータ２２ｄから出力される動作制御信号Ｓｍｃがハイレベルとなり、放電電流制御部２２が動作状態となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃが動作状態となる。
　しかしながら、この状態では、ＡＣ／ＤＣ変換器１２から出力される電流ＩＡ１が放電制御部１４ｂの電流監視部２１のオペアンプ２１ａの参照電圧Ｖｒｅｆ１より低くなっている。このため、オペアンプ２１ａの出力はハイレベルを維持し、ダイオード２１ｂを通じて分圧回路２０の電流を引き込むことはない。

　したがって、分圧回路２０の抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ１２及びＲ１３で分圧された分圧電圧Ｖｄが放電電流制御部２２のオペアンプ２２ａの反転入力端子に供給される。このため、オペアンプ２２ａから参照電圧Ｖｒｅｆ２との差分に応じた低い電圧レベルの放電制御信号Ｖｃが出力される。これに応じて、ＰＷＭ信号生成回路２２ｂから放電制御信号Ｖｃの電圧レベルに応じたＰＷＭ信号がＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃに出力され、このＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃの出力電圧が上昇する。このＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃの出力電圧の上昇は、例えば負荷１３の電圧が１２Ｖであるときに、ダイオードＤ２がオンしない程度に例えば１１Ｖまで上昇し、蓄電素子１４ａが負荷１３の消費電力を分担するための準備を行う。

　この状態から負荷１３の消費電力がさらに増加することにより、ＡＣ／ＤＣ変換器１２から出力される出力電流ＩＡ１がＡＣ／ＤＣ変換器１２で賄える許容上限電流値ＩＡ１ｕ以上となると、放電制御部１４ｂの電流監視部２１で、オペアンプ２１ａの出力はローレベルすなわちグランド電位となり、ダイオード２１ｂを通じて分圧回路２０の電流を引き込むことになる。
　このため、分圧回路２０の抵抗Ｒ２２およびＲ２３間から出力される分圧電圧Ｖｄは、オペアンプ２２ａの参照電圧Ｖｒｅｆ２より十分に小さくなり、オペアンプ２２ａから出力される放電制御信号Ｖｃの電圧レベルが急増する。したがって、ＰＷＭ信号生成回路２２ｂからオン状態の幅が広いＰＷＭ信号が得られ、このＰＷＭ信号がＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃに供給される。

　したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃで、ＰＷＭ信号のオン状態の幅に応じて蓄電素子１４ａの蓄電電圧Ｖｂを基準電圧ＶＡ２まで昇圧させる。このため、負荷１３の消費電力の不足分に応じた出力電流ＩＡ２が、蓄電素子１４ａから放電制御部１４ｂのＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｃを通じ、さらにダイオードＤ２を介して負荷１３側へ出力され、ＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力電流ＩＡ１に加算されて負荷１３へ供給される。
　このため、ＡＣ／ＤＣ変換器１２で賄い切れない電流量を蓄電素子１４ａからの電流量で賄うことができる。このとき、負荷１３への出力電圧は基準電圧ＶＡ１を維持するので、負荷１３で必要とする消費電力を供給することができる。

　この蓄電部１４からの電力供給によって、蓄電素子１４ａの充電電圧Ｖｂが減少し、充電制御部１４ｃの第１制御部２６の参照電圧Ｖｒｅｆ４未満に低下する。このとき、電流監視部２５ｂで監視するＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力電流ＩＡ１が充電許容電流ＩＡ１ｓ２を超えているときには、オペアンプ２９の出力がハイレベルとなっている。
　このため、分圧回路２５ａの抵抗Ｒ２１およびＲ２２の接続点へ電流がダイオード３０を介して供給されることにより、抵抗Ｒ２２およびＲ２３の接続点の分圧電圧Ｖｄはオペアンプ２６ａの参照電圧Ｖｒｅｆ４より上昇し、蓄電電圧低下検出信号Ｓｖｒがローレベルとなっている。

　このとき、第２制御部２７のコンパレータ２７ｂから出力される要充電検出信号Ｓｖｃもローレベルを維持するので、オア回路１８から出力される電力充電指令Ｓｃｃはローレベルを維持し、充電回路ＣＨによる蓄電素子１４ａの充電処理は実行されない。
　この状態で、負荷１３の消費電力が減少して、ＡＣ／ＤＣ変換器１２から出力される出力電流ＩＡ１の電圧値が参照電圧Ｖｒｅｆ３より減少すると、オペアンプ２９の出力がローレベルとなり、分圧回路２５ａの抵抗Ｒ２１およびＲ２２の接続点への電流の供給を停止する。

　このため、第１制御部２６のコンパレータ２６ａから出力される電流低下検出信号Ｓｖｒがハイレベルとなってオア回路２８からハイレベルの電力充電指令Ｓｃｃが充電回路２３のＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｂに出力される。このため、充電回路２３で、交流電源１１からの交流電力を直流電流に変換するとともに降圧して、蓄電素子１４ａを充電する。このとき、蓄電素子１４ａが電気２重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタであるときには充電電圧が設定電圧未満であるときには定電流制御を行い、設定電圧に達すると定電圧制御を行う。また、蓄電素子１４ａがバッテリで構成されているときには定電圧制御のみを行うようにしてもよく、蓄電素子１４ａが電解コンデンサで構成されているときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｂを省略して力率改善回路２３ａのみを設けるようにしてもよい。

　また、上記第１制御部２６による充電処理中に、蓄電素子１４の充電電圧Ｖｂがさらに低下して、第２制御部２７の参照電圧Ｖｒｅｆ５以下すなわち満充電電圧Ｖｂｍａｘの２０％未満に低下すると、第２制御部２７のコンパレータ２７ｂからハイレベルの要充電検出信号Ｓｖｃがオア回路２８に出力される。
　このため、オア回路２８から充電指令が連続的に出力されることになり、充電回路２３でＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力電流ＩＡ１の値にかかわらず蓄電素子１４ａの充電が行われる。

　このように、第１の実施形態によると、交流電源１１の交流電力が直接ＡＣ／ＤＣ変換器１２に供給され、このＡＣ／ＤＣ変換器１２の力率改善回路１２ａで交流電力を全波整流するとともに、力率改善処理を行う。さらにＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂで、負荷１３が必要とする直流電圧に降圧してダイオードＤ１を介して負荷１３に出力する。このとき、負荷１３の必要電流がＡＣ／ＤＣ変換器１２のみで賄える場合には、このＡＣ／ＤＣ変換器１２のみが駆動される。そして、負荷１３が必要とする電流を放電制御部１４ｂの電流監視部２１で監視する。負荷１３が必要とする電流がＡＣ／ＤＣ変換器１２で賄える電流を超えたときに、蓄電部１４の放電制御部１４ｂが駆動されて、蓄電素子１４ａの蓄電電圧Ｖｂを設定電圧ＶＡ２まで昇圧する。これにより、ＡＣ／ＤＣ変換器１２で賄える電流を超えた電流分に相当する放電電流が負荷１３に供給される。

　このため、ＡＣ／ＤＣ変換器１２を負荷１３で必要とする全電流範囲をカバーするように動作させる必要がなく、一定の入力電力で生成できる電圧及び電流を出力するように電力変換するだけでよく、入力電力の変動を生じることがない。
　この結果、ＡＣ／ＤＣ変換器１２の入力電圧範囲を狭くして電力変換効率を向上させることができ、同時に負荷１３の消費電力の変動によるＡＣ／ＤＣ変換器１２で賄えない電流分を蓄電素子１４ａの蓄電電力を放電させることにより賄うことができる。したがって、ＡＣ／ＤＣ変換器１２と蓄電部１４の放電制御部１４ｂの双方が動作している場合の変換効率を前述した従来例の変換効率に対して約１．０％向上させることができる。負荷１３の消費電力変動をＡＣ／ＤＣ変換器１２のみで賄える場合には、従来例の変換効率に対して２．０％向上させることができる。
　よって、第１の実施形態によると、負荷の消費電力変動がＡＣ／ＤＣ変換器１２の入力側に影響することがなく、ＡＣ／ＤＣ変換器１２の入力電圧を平準化することができるとともに、変換効率を向上させることができる。

　次に、本発明に係る入力電力平準化装置の第２の実施形態について図４を伴って説明する。
　この第２の実施形態では、蓄電素子の充電をＡＣ／ＤＣ変換器から出力される直流電力を使用して行うようにしたものである。
　すなわち、第２の実施形態では、図４に示すように、蓄電部１４の充電制御部１４ｃが放電制御部１４ｂと並列に設けられている。このため、充電制御部１４ｃでは、充電回路２３を構成する力率改善回路が省略されてＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｂのみで構成されている。このＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｂが第１の実施形態と同様の構成を有する充電制御回路２４からの電力充電指令によって制御される。また、ダイオードＤ２が省略されている。
　その他の構成は、前述した第１の実施形態の図１～図３と同様の構成を有する。

　この第２の実施形態では、蓄電部１４における蓄電素子１４ａの充電がＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力電力によって行われることを除いては第１の実施形態と同様の入力電力の平準化を行うことができる。
　このため、第２の実施形態でも、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。したがって、ＡＣ／ＤＣ変換器１２及び蓄電部１４の放電制御部１４ｂが動作している状態で、前述した従来例に比較して電力変換効率を１．０％向上させることができる。
　さらに、負荷１３の消費電力をＡＣ／ＤＣ変換器１２のみで賄える場合の電力変換効率を２．０％向上させることができる。

　次に、本発明に係る電力平準化装置の第３の実施形態について図５を伴って説明する。
　この第３の実施形態では、力率改善回路を共通化するようにしたものである。
　すなわち、第３の実施形態では、図５に示すように、交流電源１１に、第１の実施形態におけるＡＣ／ＤＣ変換器１２および充電制御部１４ｃに設けられた力率改善回路を独立させた力率改善回路３１を接続している。この力率改善回路３１の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂ及び蓄電部１４の充電制御部１４ｃにおけるＤＣ／ＤＣコンバータに供給するようにしている。その他の構成について第１の実施形態と同様の構成を有する。

　この第３の実施形態によると、第１の実施形態におけるＡＣ／ＤＣ変換器１２と充電制御部１４ｃとに個別に設けられた力率改善回路を共通化して独立させた力率改善回路の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂと、充電制御部１４ｃのＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂとに分配供給する。ここで、充電制御部１４ｃの電力は小容量であり、独自で力率改善回路を設ける場合には充電器効率が低下することになる。このため、第３の実施形態の構成とすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂの大容量の力率改善回路を、充電制御部１４ｃの力率改善回路として使用することができる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂと放電制御部１４ｂとを同時に動作させている状態での電力変換効率を前述した従来例の電力変換効率に比較して１．３％向上することができる。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂのみが動作する負荷変動がない期間の変換効率を２．０％向上させることができる。

　なお、上記各実施形態においては、電力変換系統が１系統である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電力変換系統が複数系統並列に接続されている場合にも本発明を適用することができる。

　１０…電力平準化装置、１１…交流電源、１２…ＡＣ／ＤＣ変換器、１３…負荷、１４…蓄電部、１４ａ…蓄電素子、１４ｂ…放電制御部、１４ｃ…充電制御部、２０…分圧回路、２１…電流監視部、２１ａ…オペアンプ、２２…放電電流制御部、２２ａ…オペアンプ、２２ｂ…ＰＷＭ信号生成回路、２２ｃ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２５…蓄電電圧検出部、２５ａ…分圧回路、２５ｂ…電流監視部、２６…第１制御部、２６ａ…コンパレータ、２７…第２制御部、２７ａ…コンパレータ、２８…オア回路、３１…力率改善回路

Claims

　交流電源からの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、
　前記電力変換部の出力側に直流電力を供給する蓄電部とを備え、
　前記蓄電部は、蓄電素子と、該蓄電素子および前記電力変換部の出力側との間に接続され、前記電力変換部の出力電流に応じて放電電力を制御する放電制御部と、前記蓄電素子を充電する充電制御部とを備え、
　前記充電制御部は、前記蓄電素子の充電電圧が設定値以下となったときに、前記交流電力を直流電力に変換して当該蓄電素子を定電力充電し、
　前記放電制御部は、分圧回路と、前記電力変換部の出力電流を監視し、出力電流が設定電流より大きいときに前記分圧回路から電流を引き抜く電流監視部と、前記分圧回路の分圧電圧を設定電圧と比較して放電指令信号を生成する放電電流制御部とを備えている
ことを特徴とする電力平準化装置。
　前記充電制御部は、設定値として通常設定値と該通常設定値より小さい要充電設定値とが設定され、前記蓄電素子の充電電圧が前記通常設定値以下となったときに、負荷の消費電力量が少ないときに前記蓄電素子を充電し、前記蓄電素子の充電電圧が前記要充電設定値以下となったときに、負荷の消費電力量にかかわらず前記蓄電素子を充電することを特徴とする請求項１に記載の電力平準化装置。
　前記放電制御部は、前記電力変換部の出力電流が許容上限電流以上となったときに、前記蓄電素子の蓄電電圧を昇圧して当該蓄電素子の放電制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力平準化装置。
　前記充電制御部は、分圧回路と、前記電力変換部の出力電流を監視し、出力電流が設定電流より大きいときに前記分圧回路に電流を加える電流監視部と、前記分圧回路の分圧電圧を設定電圧と比較して充電指令信号を生成する制御部とを備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電力平準化装置。
　交流電源が入力される共通の力率改善回路を備え、
　前記力率改善回路の出力をＤＣ／ＤＣコンバータで構成される電力変換部に入力するとともに、前記充電制御部に入力することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電力平準化装置。