WO2020245951A1 - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

電力供給システム（１）は、主電源（２）から受電した交流電力を直流電力に変換して負荷（３）に供給する、直流給配電システムである。電力供給システム（１）は、電力変換器（１０）と、負荷状態検出部（２０）と、制御部（３０）とを備える。電力変換器（１０）は、主電源（２）から受電した交流電力を配電電圧指令値Ｖｒｅｆに応じた電圧の直流電力に変換して負荷（３）に供給する。負荷状態検出部（２０）は、負荷（３）の動作状態を検出する。制御部（３０）は、複数の動作モードのうちから選択された動作モードで動作して配電電圧指令値Ｖｒｅｆを生成する。複数の動作モードは、負荷状態検出部（２０）によって検出された負荷動作情報に基づいて配電電圧指令値Ｖｒｅｆを生成する配電電圧制御モードと、予め定められた設定値または外部装置（４）から取得された外部指令値を配電電圧指令値Ｖｒｅｆとする配電電圧固定モードとを含む。

Description

電力供給システム

　本発明は、複数の負荷に電力を分配して供給する電力供給システムに関する。

　近年、再生可能エネルギーの活用または停電時の対応のために、蓄電池の利用が拡大している。蓄電池の活用において用いられる電力供給システムとして、たとえば、直流電力を給配電する直流給配電システムが用いられる。直流給配電システムでは、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換することなく出力するため、電力変換回数が減少し、経済性を向上できるという利点がある。また、直流給配電システムの出力電圧の規格などは現在決まっておらず、自由度がある。そのため、負荷に応じた電圧の直流電力を負荷に出力する直流給配電システムが提案されている。

　たとえば、特許第５０９２９９７号公報（特許文献１）には、複数の負荷領域を有する負荷回路に電源電圧を供給するシステム電源が開示されている。このシステム電源は、負荷回路における複数の負荷領域にそれぞれ対応して設けられる複数の電圧変換回路（ＤＣＤＣコンバータ）と、各負荷領域の消費電流に対する最適な電源電圧を複数の負荷領域毎に予め記憶するデータテーブルと、負荷回路の消費電流を検出する電流検出部と、データテーブルを参照して負荷回路の消費電流に対応する最適な電源電圧を負荷回路に供給するための処理を行なう電圧制御部とを備える。

特許第５０９２９９７号公報

　しかしながら、特許文献１に示されるシステム電源においては、特性の異なる複数の負荷に対応するために、負荷と同数の電圧変換回路およびデータテーブルを設ける必要があり、システム全体としてのコストが増加してしまうという問題がある。

　本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、コストを抑制しつつ、負荷効率を改善することができる電力供給システムを提供することである。

　本開示による電力供給システムは、負荷に電力を供給する電力供給システムであって、変換器と、検出部と、制御部とを備える。変換器は、主電源から受電した交流電力または直流電力を電圧指令値に応じた電圧の電力に変換し、変換された電力を負荷に供給するように構成される。検出部は、負荷の動作状態を検出するように構成される。制御部は、複数の動作モードのうちから選択された動作モードで動作して電圧指令値を生成するように構成される。複数の動作モードは、検出部によって検出された負荷の動作状態に基づいて電圧指令値を生成する第１モードと、予め定められた設定情報または外部装置から取得された外部指令情報に基づいて電圧指令値を生成する第２モードとを含む。

　本開示によれば、コストを抑制しつつ、負荷効率を改善することができる電力供給システムを提供することができる。

電力供給システムの構成を概略的に示す図（その１）である。 制御部が配電電圧制御モードで動作する場合の処理手順の一例を示すフローチャートである。 制御部が動作モードを選択する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 電力供給システムの構成を概略的に示す図（その２）である。 配電電圧と配電損失との対応関係の一例を示す図である。 電力供給システムの構成を概略的に示す図（その３）である。 制御部の動作モードの変化の一例を示す図である。 電力供給システムの構成を概略的に示す図（その４）である。

　以下、本開示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返さない。

　実施の形態１．
　＜電力供給システムの構成＞
　図１は、本実施の形態１による電力供給システム１の構成を概略的に示す図である。電力供給システム１は、主電源２および複数の負荷３に接続される。電力供給システム１は、主電源２から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を直流電力線Ｌを介して複数の負荷３に給配電する。すなわち、電力供給システム１は、負荷に直流電力を給配電する直流給配電システムである。

　複数の負荷３は、電力供給システム１とは別の外部装置４から受ける負荷動作指令によって制御される。外部装置４は、ＥＭＳ（Energy　Management　System）あるいはサーバといった装置を含む。外部装置４は、直流電力線Ｌの配電状態と負荷３の動作状態とを監視し、その結果に基づいて負荷動作指令を生成して負荷３に出力する。

　複数の負荷３の各々は、電源回路ＰＳと、主機能部Ｍとを含む。電源回路ＰＳは、直流電力線Ｌより受けた電力を、主機能部Ｍに適した電力に変換して主機能部Ｍに出力する。主機能部Ｍは、電源回路ＰＳから供給される電力で動作するように構成される。

　電力供給システム１は、上述の直流電力線Ｌに加えて、電力変換器１０と、複数の負荷状態検出部２０と、制御部３０とを備える。

　負荷状態検出部２０は、負荷３の消費電力および負荷３を流れる電流などを検出するとともに、検出した結果を負荷動作情報として制御部３０に出力する。また、負荷状態検出部２０は、負荷３が外部装置４から受ける負荷動作指令を負荷３から取得し、取得した結果を制御部３０および外部装置４に出力する機能を備えてもよい。

　外部装置４は、外部指令情報を制御部３０に出力する。外部指令情報には、負荷状態検出部２０から受けた負荷動作情報、制御部３０による配電電圧指令値Ｖｒｅｆの生成に用いられる情報などが含まれる。配電電圧指令値Ｖｒｅｆの生成に用いられる情報には、後述するように、配電電圧指令値Ｖｒｅｆ自体、あるいは、負荷３の定格電圧などが含まれる。

　制御部３０は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）と、メモリと、入出力バッファとを含んで構成される。制御部３０は、負荷状態検出部２０からの負荷動作情報および外部装置４からの外部指令情報に基づいて配電電圧指令値Ｖｒｅｆを生成して電力変換器１０に出力する。

　電力変換器１０は、主電源２に接続される。また、電力変換器１０は、直流電力線Ｌを通して複数の負荷３に接続される。電力変換器１０は、主電源２から受けた交流電力を、制御部３０からの配電電圧指令値Ｖｒｅｆに応じた電圧の直流電力に変換し、変換された直流電力を直流電力線Ｌに出力する。これにより、電力変換器１０の出力電力が直流電力線Ｌを介して複数の負荷３に供給される。

　各負荷３の最適動作電圧は、負荷３の種類によってそれぞれ異なる。負荷３の種類は、たとえば、照明機器およびオフィスオートメーション機器などの一般負荷と、空調装置などの動力負荷とに分類される。また、電力供給システム１が工場に適用される場合、動力負荷には、コンベアおよびプレス機などの工場動力負荷も含まれる。一般負荷と動力負荷とは、動作特性が大きく異なるため、異なる負荷３の種類として分類し、それぞれに適した電圧を供給することによって各負荷３の効率を向上させることが可能である。

　＜電力供給システムの動作＞
　次に、電力供給システム１の動作について説明する。電力変換器１０は、直流電力線Ｌを通して複数の負荷３に接続される。このとき、複数の負荷３は、できるだけ同じ種類であることが望ましい。

　一般的に、負荷に交流電力を給配電する交流給配電システムにおいては、負荷に配電する交流電力の電圧が規格化されている。一方、本実施の形態に係る電力供給システム１のような直流給配電システムでは、負荷に配電する直流電力の電圧は規格化されていないため、交流給配電システムに比べ、負荷に配電する電圧の大きさに自由度がある。そのため、電力変換器１０が直流電力線Ｌに出力する直流電力の電圧（以下、単に「配電電圧」ともいう）を負荷３の状態に応じて変化させたほうが、負荷３における電力効率が改善することが期待される。ただし、配電電圧は、負荷３の動作を阻害しないように、負荷３毎に定められた入力電圧制限範囲内に制限されることが望ましい。入力電圧制限範囲は、各負荷３の動作状態に基づいて変動する場合がある。

　以上の点を踏まえ、本実施の形態による制御部３０は、複数の動作モードのうちから選択された動作モードで動作して、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを生成するように構成される。複数の動作モードには、配電電圧制御モード（第１モード）と、配電電圧固定モード（第２モード）とが含まれる。以下、配電電圧制御モードおよび配電電圧固定モードについて順番に説明する。

　＜配電電圧制御モード＞
　配電電圧制御モードは、複数の負荷３の消費電力が最小となるように、あるいは、複数の負荷３の電力効率が最適となるように、負荷状態検出部２０より取得した負荷動作情報に基づいて配電電圧指令値Ｖｒｅｆを決定および生成するモードである。

　本実施の形態では、配電電圧制御モードにおいて、複数の負荷３の消費電力が最小となるように配電電圧指令値Ｖｒｅｆを調整する方法について説明する。

　負荷３の消費電力は、主機能部Ｍにおける消費電力と電源回路ＰＳにて発生する損失の合計で示すことができる。主機能部Ｍの消費電力は、負荷３に対する負荷動作指令が一定である場合は、ほとんど変化しない。そのため、電源回路ＰＳの損失が減少するように配電電圧指令値Ｖｒｅｆを調整することで負荷３の消費電力を最小にすることができ、経済性の改善が可能となる。

　図２は、制御部３０が配電電圧制御モードで動作する場合の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、予め定められた条件が成立する毎（たとえば予め定められた周期毎）に繰り返し実行される。

　まず、制御部３０は、複数の負荷３の動作情報を更新する処理を行なう（ステップＳ１０）。たとえば、制御部３０は、複数の負荷３の現在の動作状態を把握するために、負荷状態検出部２０から負荷動作情報を取得してメモリに記録する。なお、今回の演算サイクルで記録された負荷動作情報は、次回の演算サイクルにおいて負荷動作情報の前回値として用いられる。

　次いで、制御部３０は、配電電圧指令値Ｖｒｅｆの許容範囲Ｒを算出する処理を行なう（ステップＳ２０）。許容範囲Ｒは、上限値Ｖｌｉｍｈｉから下限値Ｖｌｉｍｌｏｗまでの範囲として定められる。制御部３０は、たとえば、負荷動作情報に基づいて許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉおよび下限値Ｖｌｉｍｌｏｗを算出する。

　なお、許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉおよび下限値Ｖｌｉｍｌｏｗは、負荷動作情報に基づいて算出される値であることに限定されず、たとえば負荷３の仕様によって予め決められた固定値であってもよい。

　また、許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉおよび下限値Ｖｌｉｍｌｏｗは、負荷３の種類に応じて、固定値と算出値とが選択的に用いられてもよい。たとえば、負荷３が一般負荷である場合、負荷３に要する電圧は負荷３の動作状態によってはそれほど変動しないことに鑑み、許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉおよび下限値Ｖｌｉｍｌｏｗを負荷３の仕様によって予め決められた固定値としてもよい。一方、負荷３が電動機のような動力負荷である場合、負荷３に要する電圧は負荷３の動作状態によって大きく変動し得る。これは、動力負荷である電動機から発生する誘起電圧が、電動機の回転速度によって大きく変動するためである。この点に鑑み、負荷３が電動機のような動力負荷である場合には、動力負荷の動作状態（電動機の回転速度など）に基づいて許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉおよび下限値Ｖｌｉｍｌｏｗを変動させるようにしてもよい。

　次いで、制御部３０は、配電電圧指令値Ｖｒｅｆの更新処理を行なう（ステップＳ３０）。この処理では、前回の演算サイクルで配電電圧指令値Ｖｒｅｆを変動させたことによって、負荷３の消費電力が減少したか否かの効果確認が行なわれ、その結果に応じて配電電圧指令値Ｖｒｅｆの更新方向を増加方向とするのか減少方向とするのかが決められる。具体的には、制御部３０は、負荷動作情報の今回値と負荷動作情報の前回値とを比較し、負荷３の消費電力の変動方向を判定する。そして、制御部３０は、負荷３の消費電力が減少あるいは変化なしの場合には配電電圧指令値Ｖｒｅｆを前回と同じ方向に変動させ、負荷３の消費電力が増加する場合には配電電圧指令値Ｖｒｅｆを前回とは反対の方向に変動させる。

　たとえば、制御部３０は、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを次のように更新する。負荷３の消費電力が減少している場合または変化していない場合、制御部３０は、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを下記の式（１）のように更新する。

　　　Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶ×Ｆ　…（１）
　一方、負荷３の消費電力が増加している場合、制御部３０は、下記の式（２）のように調整方向フラグＦの符号を反転させるとともに、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを下記の式（３）のように更新する。

　　　Ｆ＝Ｆ×（－１）　…（２）
　　　Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶ×Ｆ　…（３）
　式（１）、式（３）において、左辺の「Ｖｒｅｆ」は更新後の配電電圧指令値Ｖｒｅｆであり、右辺の「Ｖｒｅｆ」は更新前の配電電圧指令値Ｖｒｅｆであり、「ΔＶ」は予め定められた微小電圧である。また、右辺の「Ｆ」は、調整方向フラグであり、配電電圧指令値Ｖｒｅｆの更新方向を決めるためのパラメータである。調整方向フラグＦの初期値は「１」または「－１」に設定することができる。

　このようにすることで、負荷３の消費電力が減少あるいは変化なしの場合には配電電圧指令値Ｖｒｅｆを前回と同じ方向に変動させ、負荷３の消費電力が増加する場合には配電電圧指令値Ｖｒｅｆを前回とは反対の方向に変動させることができる。このような処理が繰り返されることによって、負荷３の消費電力が最小（極小）となるように、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを調整することができる。

　次いで、制御部３０は、配電電圧指令値Ｖｒｅｆのリミッタ処理を行なう（ステップＳ４０）。具体的には、制御部３０は、ステップＳ３０で算出された更新後の配電電圧指令値ＶｒｅｆがステップＳ２０で算出された許容範囲Ｒ内に含まれない場合、配電電圧指令値Ｖｒｅｆが許容範囲Ｒ内に含まれるように配電電圧指令値Ｖｒｅｆを制限する。

　なお、配電電圧制御モードは負荷動作情報の今回値と前回値とを比較することで負荷３の消費電力が減少する方向に配電電圧指令値Ｖｒｅｆを更新するモードである。そのため、リミッタ処理によって配電電圧指令値Ｖｒｅｆが上限値Ｖｌｉｍｈｉあるいは下限値Ｖｌｉｍｌｏｗに固定されてしまうと、負荷動作情報の変化が発生せず比較が難しくなってしまう。そのため、リミッタ処理において、配電電圧指令値Ｖｒｅｆが許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉあるいは下限値Ｖｌｉｍｌｏｗに固定されることを抑制することが望ましい。

　そこで、制御部３０は、許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉおよび下限値Ｖｌｉｍｌｏｗを用いて以下のような処理を行なうことによって、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを許容範囲Ｒ内に制限しつつ、配電電圧指令値Ｖｒｅｆが許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉあるいは下限値Ｖｌｉｍｌｏｗに固定されないようにする。

　配電電圧指令値Ｖｒｅｆが許容範囲Ｒの下限値Ｖｌｉｍｌｏｗ未満である場合、制御部３０は、下記の式（４）のように調整方向フラグＦの符号を反転させるとともに、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを下記の式（５）のように更新することで、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを下限値Ｖｌｉｍｌｏｗよりも微小電圧ΔＶだけ高い値にする。

　　　Ｆ＝Ｆ×（－１）　…（４）
　　　Ｖｒｅｆ＝Ｖｌｉｍｌｏｗ＋（ΔＶ×Ｆ）　…（５）
　一方、配電電圧指令値Ｖｒｅｆが許容範囲Ｒの上限値Ｖｌｉｍｈｉを超えている場合、制御部３０は、下記の式（６）のように調整方向フラグＦの符号を反転させるとともに、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを下記の式（７）のように更新することで、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを上限値Ｖｌｉｍｈｉよりも微小電圧ΔＶだけ低い値にする。

　　　Ｆ＝Ｆ×（－１）　…（６）
　　　Ｖｒｅｆ＝Ｖｌｉｍｈｉ＋（ΔＶ×Ｆ）　…（７）
　以上のような処理が繰り返されることによって、配電電圧指令値Ｖｒｅｆが、許容範囲Ｒ内に含まれる範囲で、負荷３の消費電力が最小（極小）となるように調整される。

　なお、配電電圧制御モードでは、負荷３の実際の消費電力が最小（極小）となるように配電電圧指令値Ｖｒｅｆが調整されるため、負荷３と電力供給システム１との接続環境あるいは負荷３の経年劣化によって負荷３の特性が変化した場合にも、その変化に追従することができる。すなわち、特許文献１に示されるシステム電源のように負荷の消費電流と最適電圧との対応関係を予め規定するデータテーブルを参照して配電電圧を決める場合には負荷の特性変化に追従することができない。これに対し、本実施の形態による配電電圧制御モードでは、予め規定されたデータテーブルを用いるのではなく、負荷３の実際の消費電力を用いて配電電圧が調整されるため、負荷の特性変化に追従することができる。

　＜配電電圧固定モード＞
　配電電圧固定モードは、負荷３の動作状態が急変した時などにも配電電圧の過不足が生じないように、予め設定された設定情報または外部装置４から与えられる外部指令情報に基づいて、配電電圧指令値Ｖｒｅｆを決定および生成する動作モードである。

　言い換えれば、配電電圧固定モードにおいて、配電電圧指令値Ｖｒｅｆは、負荷３の動作急変時などに配電電圧の過不足が生じないように、設定情報にて予め設定された設定値、または、外部装置４にて指定された外部指令値に制御される。

　＜動作モードの切り替え＞
　電力供給システム１では、電気代の低減による経済性改善のために、基本的には、配電電圧制御モードで動作するように構成される。しかしながら、配電電圧制御モードでは、上述したように負荷３の動作状態の変化を検出しながら配電電圧指令値Ｖｒｅｆを微小電圧ΔＶずつ更新するため、配電電圧が最適値に収束するのに要する時間は、負荷３の動作状態の収束にかかる時間よりも長くなってしまう。そのため、負荷３の動作が急激に変動した場合に、配電電圧が不足または過剰になることがあり、負荷３の動作が阻害されることが懸念される。

　この点に鑑み、制御部３０は、配電電圧制御モード中に予め定められた切り替え条件が成立した場合、動作モードを配電電圧制御モードから配電電圧固定モードに切り替えるように構成される。

　予め定められた切り替え条件には、負荷３の動作が急変するあるいは急変したと判定された、という条件が含まれる。負荷３の動作が急変するあるいは急変したと判定する手法については、いくつかの手法が考えられる。たとえば、制御部３０は、負荷３の動作指令値（たとえば電動機の回転数）を負荷状態検出部２０より取得し、取得された負荷３の動作指令値の変動率が閾値以上である場合に、負荷３の動作が急変すると判定して、動作モードを配電電圧固定モードに切り替えるようにしてもよい。また、たとえば、負荷３が電動機である場合には、電動機の回転数を増加させる場合に加速のために負荷トルクが増加し、負荷トルクの増加により同時に負荷３に流れる電流が増加する。そこで、制御部３０は、負荷状態検出部２０から取得される負荷３に流れ込む電流または消費電力を監視し、それらの変動率が閾値以上である場合に負荷３の動作が急変したと判定して動作モードを配電電圧固定モードに切り替えるようにしてもよい。上記のような切り替えによって、特に電動機の加速動作などの負荷状態の急変時に十分な直流電圧を負荷３に供給することができる。

　また、予め定められた切り替え条件に、負荷３の起動前であるという条件が含まれるようにしてもよい。負荷３の起動時には負荷３に付随して接続されるコンデンサなどへの突入電流が原因で過渡的な電圧降下が発生し、この影響で配電電圧が不足する可能性があるため、負荷３の起動時は電圧降下分を考慮して配電電圧を予め十分高い値にしておくことが望ましい。この点に鑑み、負荷３の起動前に予め配電電圧固定モードに切り替えておくようにしてもよい。たとえば、制御部３０は、負荷状態検出部２０あるいは外部装置４から負荷動作指令の情報を予め取得し、取得された情報に基づいて負荷３の起動前であると判定される場合に動作モードを配電電圧固定モードに切り替えておくことができる。

　制御部３０は、配電電圧固定モード中に予め定められた復帰条件が成立した場合、動作モードを配電電圧固定モードから配電電圧制御モードに切り替える（復帰させる）ように構成される。予め定められた復帰条件には、負荷３の動作状態が安定または定常動作に移行したと判定された、という条件が含まれる。

　たとえば、制御部３０は、負荷状態検出部２０によって検出された負荷３の消費電力の平均値を一定の周期で計測し、負荷３の消費電力の平均値の今回値と前回値との差が規定値（たとえば定格電力の数パーセント）以内である場合に負荷３の動作が安定したと判定して、動作モードを配電電圧制御モードに切り替えるようにしてもよい。また、たとえば、負荷３が電動機である場合において、制御部３０は、電動機の回転数の検出値または予測値が負荷３の回転数指令値に収束している場合に、負荷３の動作状態が定常動作に移行したと判定して動作モードを配電電圧制御モードに切り替えるようにしてもよい。

　なお、負荷３の種類によって動作モードを切り替えるようにしてもよい。たとえば、負荷３が情報機器のような動作の信頼性が優先される種類の負荷である場合には、動作中に配電電圧が変動すると負荷３の動作に悪影響を及ぼす可能性がある。また、負荷３の種類によっては配電電圧の変動が許容できない場合も考えられる。これらのような種類の負荷３であると判定される場合には、動作モードを配電電圧固定モードにしておくようにしてもよい。

　図３は、制御部３０が動作モードを選択する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、予め定められた条件が成立する毎（たとえば予め定められた周期毎）に繰り返し実行される。

　まず、制御部３０は、現在の動作モードが配電電圧制御モードであるか否かを判定する（ステップＳ５０）。現在の動作モードが配電電圧制御モードである場合（ステップＳ５０においてＹＥＳ）、制御部３０は、予め定められた切り替え条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ５２）。なお、予め定められた切り替え条件については、上述したとおりであるため詳細な説明は繰り返さない。

　予め定められた切り替え条件が成立した場合（ステップＳ５２においてＹＥＳ）、制御部３０は、動作モードとして上述の配電電圧固定モードを選択する（ステップＳ７０）。これにより、動作モードが配電電圧制御モードから配電電圧固定モードに切り替えられる。

　一方、予め定められた切り替え条件が成立していない場合（ステップＳ５２においてＮＯ）、制御部３０は、動作モードとして上述の配電電圧制御モードを選択する（ステップＳ８０）。これにより、動作モードが配電電圧制御モードに維持される。

　現在の動作モードが配電電圧制御モードでない場合（ステップＳ５０においてＮＯ）、制御部３０は、現在の動作モードが配電電圧固定モードであるか否かを判定する（ステップＳ６０）。現在の動作モードが配電電圧固定モードである場合（ステップＳ６０においてＹＥＳ）、制御部３０は、予め定められた復帰条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ６２）。なお、予め定められた復帰条件については、上述したとおりであるため詳細な説明は繰り返さない。

　予め定められた復帰条件が成立した場合（ステップＳ６２においてＹＥＳ）、制御部３０は、動作モードとして上述の配電電圧制御モードを選択する（ステップＳ８０）。これにより、動作モードが配電電圧固定モードから配電電圧制御モードに復帰される。

　一方、予め定められた復帰条件が成立していない場合（ステップＳ６２においてＮＯ）、制御部３０は、動作モードとして上述の配電電圧固定モードを選択する（ステップＳ７０）。これにより、動作モードが配電電圧固定モードに維持される。

　以上のように、本実施の形態による制御部３０は、負荷状態検出部２０からの負荷動作情報および外部装置４からの外部指令情報の少なくとも一方に基づいて動作モードを選択して、配電電圧を切り替える。これにより、負荷３の動作が急変するような状況においては配電電圧固定モードで配電電圧を制御することで、電圧不足などによって負荷３の動作が阻害されることを抑制することができる。また、負荷３の動作が安定しているような状況においては、配電電圧制御モードで配電電圧を負荷３の動作に応じた値に調整することで、負荷３の消費電力を低減することができる。

　また、本実施の形態による電力供給システム１においては、複数の負荷３に対して１つの電力変換器１０を備えるだけでよく、また、負荷３の消費電流と最適電圧との対応関係を規定するデータテーブルを予め記憶しておく必要もない。そのため、特許文献１に示されるように負荷と同数の変換回路およびデータテーブルを設ける場合に比べて、システム全体としてのコストを抑制することができる。その結果、コストを抑制しつつ、負荷効率を改善することができる電力供給システム１を提供することができる。

　＜変形例＞
　上述の実施の形態１では、制御部３０の動作モードとして、配電電圧制御モードおよび配電固定制御モードが設けられる場合について説明した。

　しかしながら、制御部３０の動作モードとして、配電電圧制御モードおよび配電固定制御モードに加えて、他の動作モードが設けられても良い。たとえば、他の動作モードとして、直流電力線Ｌに接続されるすべての負荷３が停止された場合において、一定時間経過後に直流電力線Ｌへの電力供給を停止する配電停止モードを設けてもよい。配電停止モードでは、電力変換器１０の動作を停止できるため、電力変換器１０の待機電力を削減できる。

　上記の実施の形態１では、電力供給システム１が直流給配電システムであり、配電電圧制御モードにおいて直流電力の電圧を調整することで負荷３の消費電力の低減する例について説明した。

　しかしながら、電力供給システム１は、主電源２から受ける電力（交流電力または直流電力）を、指令値に応じた振幅の交流電力に変換して負荷に給配電する交流給配電システムであってもよい。この場合、配電電圧が交流電力となるため、配電電圧制御モードの配電電圧指令値Ｖｒｅｆの更新処理（図２のステップＳ３０）において上記の実施の形態１と同様の手法で交流電力の振幅を調整することで、負荷３の消費電力を低減することができる。また、配電電圧指令値Ｖｒｅｆの上限値Ｖｌｉｍｈｉを交流電圧の振幅の上限値とし、配電電圧指令値Ｖｒｅｆの下限値Ｖｌｉｍｌｏｗを交流電圧の振幅の下限値とするようにすればよい。なお、交流電力の周波数については調整を行なわず、負荷３および交流配電系統の仕様にて定められた周波数で、交流電力の供給を実施するようにすればよい。

　実施の形態２．
　図４は、本実施の形態２による電力供給システム１ａの構成を概略的に示す図である。電力供給システム１ａは、上述の図１に示す電力供給システム１に対して、複数の負荷状態検出部２０を１つの負荷状態検出部２０ａに変更するとともに、電力の供給先である負荷３を一般負荷３Ａに変更した点が異なる。その他の構造は、上述の実施の形態１と同じであるため、ここでの詳細な説明は繰返さない。

　図４に示すように、電力供給システム１ａには、複数の一般負荷３Ａが接続されている。一般負荷３Ａの各々は、主機能部ＭＡと、主機能部ＭＡに電力を供給する電源回路ＰＡとを含む。たとえば、一般負荷３Ａが照明機器である場合、主機能部ＭＡは発光ダイオードなどの光源を含み、電源回路ＰＡは光源の点灯用電源回路を含む。

　負荷状態検出部２０ａは、複数の一般負荷３Ａの消費電力の合計値を計測する電力計２１を含む。一般負荷３Ａに要する電圧はその動作状況によってあまり変化しないため、仕様などにて示される入力電圧制限範囲内の電圧が一般負荷３Ａに入力されていれば、一般負荷３Ａは正常に動作可能となる。したがって、一般負荷３Ａの動作阻害を防止する観点では、一般負荷３Ａそれぞれの動作状態を１つずつ検出する必要がない。この点に鑑み、本実施の形態による負荷状態検出部２０ａは、複数の一般負荷３Ａの消費電力の合計値を一括して計測し、計測された合計値を負荷動作情報として制御部３０に出力する。これにより、一般負荷３Ａ毎にそれぞれ負荷状態検出部を設ける場合に比べて、負荷状態検出部の数を低減してコスト削減に寄与することができる。

　一般負荷３Ａのなかには、起動時などに十分な直流電圧を供給しないと起動時の動作が不可能になるようなものも存在する。また、複数の一般負荷３Ａを一斉に起動する場合には、一般負荷３Ａの起動時の突入電流により直流電力の電圧が過渡的に電圧降下するため、仮に配電電圧制御モードを選択して配電電圧が比較的低く制御されると、過渡的な電圧降下により電圧が不足し起動に失敗する可能性がある。

　そこで、本実施の形態２による制御部３０は、起動時に十分な直流電圧を必要とする一般負荷３Ａを起動する場合、または複数の一般負荷３Ａを一斉に起動する場合には、動作モードを配電電圧固定モードに切り替える。なお、配電電圧固定モードへの切り替えは、複数の一般負荷３Ａの起動信号を管理する外部装置４からの切り替え要求を制御部３０が受けた場合に行なわれてもよいし、一般負荷３Ａ自身からの切り替え要求を制御部３０が受けた場合に行なわれてもよい。

　図４において、電力変換器１０と負荷状態検出部２０ａとの距離をできるだけ短くすることで、負荷状態検出部２０ａから複数の一般負荷３Ａまでの配線部分も一般負荷３Ａ側に含めて配電電圧制御モードの対象とすることができる。これにより電力変換器１０と一般負荷３Ａとの間の配線による損失を含めて配電電圧を調整可能となる。

　図５は、配電電圧と配電損失との対応関係の一例を示す図である。図５において、横軸は配電電圧（単位：Ｖ）を示し、縦軸は配電損失（単位：Ｗ）を示す。図５において、一点鎖線は一般負荷３Ａの損失を示し、二点鎖線は配線の導通損失を示し、実線はそれらの合計損失を示す。

　一般負荷３Ａの損失は、電源回路ＰＡが主機能部ＭＡへ出力する電圧と電源回路ＰＡが電力供給システム１ａから受ける配電電圧との差をできるだけ小さくすることによって、減少する。そのため、一般負荷３Ａの損失は、一点鎖線に示すように、配電電圧が低いほど、減少する。

　一方で、配線の導通損失は配線内に流れる電流値の２乗に比例するところ、一般負荷３Ａの消費電力が一定である場合には、配電電圧が減少するにつれて、配線を流れる電流が増加する。そのため、配線の導通損失は、二点鎖線に示すように、配電電圧が高いほど、減少する。

　したがって、一般負荷３Ａの損失だけでなく、一般負荷３Ａの損失と配線の導通損失との合計損失（実線）が最小となるように、配電電圧を調整することが望ましい。本実施の形態２による制御部３０は、配電電圧制御モードにおいて、負荷状態検出部２０ａから複数の一般負荷３Ａまでの配線をも含めた消費電力の合計値が最小となるように配電電圧指令値Ｖｒｅｆを調整することができる。その結果、図４に示す合計損失が最小となるように配電電圧を調整することが可能である。

　実施の形態３．
　図６は、本実施の形態３による電力供給システム１ｂの構成を概略的に示す図である。電力供給システム１ｂは、上述の図１に示す電力供給システム１に対して、電力の供給先である負荷３を動力負荷３Ｂに変更した点が異なる。その他の構造は、上述の実施の形態１と同じであるため、ここでの詳細な説明は繰返さない。

　動力負荷３Ｂは、圧縮機およびコンベアなどの機能を実現するために必要な電動機を含む主機能部ＭＢと、主機能部ＭＢに電力を供給して主機能部ＭＢに含まれる電動機の動作を制御する電源回路ＰＢとを含む。

　負荷状態検出部２０は、動力負荷３Ｂに流れる電流または消費電力と、動力負荷３Ｂより取得した動力負荷３Ｂの動作状態（たとえば、電動機の回転数または回転数指令値、電源回路ＰＢの出力電圧など）とを含む情報を、負荷動作情報として、制御部３０に出力する。また、負荷状態検出部２０は、動力負荷３Ｂの状態を統括して制御する外部装置４にも負荷動作情報を出力する。

　動力負荷３Ｂは、その動作状態によって動作に必要な直流電圧が変動する。また、動力負荷３Ｂの状態が変動する場合においては、状態の変動後に動力負荷３Ｂに必要な直流電圧に加えて、動力負荷３Ｂの制御動作のための電圧も必要になるため、配電電圧の大きさにある程度の余裕があることが好ましい。そのため、負荷動作状態を検出しながら配電電圧を逐次変動させる配電電圧制御モードでは、配電電圧が不足して動力負荷３Ｂの動作状態の制御動作を阻害することが懸念されるため、動作モードを配電電圧固定モードに切り替えることが望ましい。

　そこで、本実施の形態３による制御部３０は、動力負荷３Ｂの動作状態が急変する場合には、動作モードを配電電圧固定モードに切り替える。なお、配電電圧固定モードへの切り替えは、外部装置４あるいは負荷状態検出部２０からの切り替え要求を制御部３０が受けた場合に行なわれてもよいし、動力負荷３Ｂ自身からの切り替え要求を制御部３０が受けた場合に行なわれてもよいし、外部装置４あるいは負荷状態検出部２０からの情報（電動機の回転数指令など）に基づいて動力負荷３Ｂの動作状態が急変すると制御部３０が判定した場合に行なわれてもよい。

　制御部３０は、動作モードが配電電圧固定モードに切り替えられた場合、たとえば、予め設定された設定値、または外部装置４からの外部指令情報より指定された外部指令値のどちらかに配電電圧指令値Ｖｒｅｆを設定し、設定された配電電圧指令値Ｖｒｅｆを電力変換器１０に出力する。

　図７は、動力負荷３Ｂに含まれる電動機の回転数が急変する場合における、制御部３０の動作モードの変化の一例を示す図である。図７において、横軸は時間を示し、縦軸は上から順に制御部３０の動作モード、電動機の回転数、配電電圧を示す。

　時刻ｔ１以前においては、制御部３０の動作モードが配電電圧制御モードに設定されている。時刻ｔ１にて電動機の回転数指令値が急増すると、その後の時刻ｔ２にて、制御部３０は、動作モードを配電電圧制御モードから配電電圧固定モードに切り替える。なお、電動機の回転数指令値が急増したか否かの判定は、上述のように、外部装置４あるいは負荷状態検出部２０が行なってもよいし、外部装置４あるいは負荷状態検出部２０からの情報に基づいて制御部３０が行なってもよい。

　時刻ｔ２にて、配電電圧固定モードに切り替えられたことによって、配電電圧指令値Ｖｒｅｆは、予め設定された設定値、または外部装置４にて指定された外部指令値まで増加される。これに伴い、配電電圧は、時刻ｔ２にて増加し始め、時刻ｔ３にて配電電圧指令値Ｖｒｅｆに達している。

　一方、電動機の回転数は、回転数指令値が急増した時刻ｔ１から規定の待機時間Ｔ１が経過するまでの期間は、回転数指令値が急激する前の値に維持されている。待機時間Ｔ１が経過した時刻ｔ３にて電動機の回転数が増加し始め、時刻ｔ４にて電動機の回転数が回転数指令値に達している。

　その後の時刻ｔ５にて、電動機の回転数が回転数指令値に制御されたことが判定されると、制御部３０は、電動機が定常状態に安定したと判定し、動作モードを再び配電電圧制御モードに切り替える。これにより、配電電圧指令値Ｖｒｅｆは、電動機の状態に応じた値に調整される。

　配電電圧制御モードでは、配電電圧指令値Ｖｒｅｆの上限値Ｖｌｉｍｈｉおよび下限値Ｖｌｉｍｌｏｗが、動力負荷３Ｂに含まれる電動機の起電力に基づいて設定される。そのため、配電電圧指令値Ｖｒｅｆが電動機の起電力を下回る値に調整されることは抑制される。

　これら一連の動作を実施することで、動力負荷３Ｂの急激な動作変動に対しても配電電圧の不足または過剰といった問題を回避できる。

　実施の形態４．
　図８は、本実施の形態４による電力供給システム１ｃの構成を概略的に示す図である。電力供給システム１ｃは、主電源２から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を複数の一般負荷３Ａおよび動力負荷３Ｂに給配電する、直流給配電システムである。複数の一般負荷３Ａおよび動力負荷３Ｂは、電力供給システム１ｃとは別の外部装置４ｃから受ける負荷動作指令によって制御される。

　電力供給システム１ｃは、電力変換器１０ｃと、２系統の直流電力線ＬＡ，ＬＢと、複数の負荷状態検出部２０と、制御部３０ｃとを備える。

　電力変換器１０ｃは、主電源２に接続される。また、電力変換器１０ｃは、直流電力線ＬＡを介して複数の一般負荷３Ａに接続され、直流電力線ＬＢを介して複数の動力負荷３Ｂに接続される。このように、本実施の形態４においては、２系統の直流電力線ＬＡ，ＬＢが設けられており、各直流電力線Ｌに接続される負荷が同じ種類とされる。

　一般的に、負荷の動作特性は負荷の種類によって異なるため、負荷に適した配電電圧も負荷の種類によって異なる。上述の図１に示す電力供給システム１は、単一の直流電力線Ｌのみを持つため、仮に複数の種類の負荷が接続されると、負荷それぞれの配電電圧を調整することが困難である。これに対し、本実施の形態４による電力供給システム１ｃにおいては、一般負荷３Ａおよび動力負荷３Ｂという２種類の負荷に対して２系統の直流電力線ＬＡ，ＬＢが設けられるため、２種類の負荷それぞれに適した配電電圧を供給することが容易となる。なお、電力変換器１０に接続される負荷の種類が３種類以上である場合には、負荷の種類の数と同数の直流電力線を設けるようにすればよい。

　電力変換器１０ｃは、主電源２から供給される交流電力を、制御部３０ｃから受ける配電電圧指令値ＶｒｅｆＡ，ＶｒｅｆＢにそれぞれ対応する２系統の電圧の直流電力に変換し、変換された２系統の電圧の直流電力を直流電力線ＬＡ，ＬＢにそれぞれに出力する。

　なお、電力変換器１０ｃは、主電源２から供給される交流電力を２系統の直流電力に直接変換してもよいし、一旦は単一の直流電力に変換した後に複数の直流電力に変換してもよい。いずれの場合であっても、電力変換器１０は、直流電力線ＬＡへの電力供給と、直流電力線ＬＢへの電力供給とを、それぞれ別々に制御可能に構成される。

　制御部３０ｃは、２系統の直流電力線ＬＡ，ＬＢにそれぞれ対応する制御部３０Ａ，３０Ｂを含む。制御部３０Ａは、直流電力線ＬＡに接続される複数の一般負荷３Ａの負荷動作情報に基づいて直流電力線ＬＡに対する配電電圧指令値ＶｒｅｆＡを決定し、決定された配電電圧指令値ＶｒｅｆＡを電力変換器１０ｃに出力する。同様に、制御部３０Ｂは、直流電力線ＬＢに接続される複数の動力負荷３Ｂの負荷動作情報に基づいて直流電力線ＬＢに対する配電電圧指令値ＶｒｅｆＢを決定し、決定された配電電圧指令値ＶｒｅｆＢを電力変換器１０ｃに出力する。

　制御部３０Ａの動作モードと制御部３０Ｂの動作モードとは、独立して設定することができる。たとえば、直流電力線ＬＡに接続される一般負荷３Ａにサーバーなどといった高い動作信頼性が求められる負荷が含まれる場合には、その動作信頼性を高めるために、制御部３０Ａの動作モードを配電電圧固定モードにて固定するようにしてもよい。一方、直流電力線ＬＢに接続される動力負荷３Ｂに空調装置などといった負荷が含まれる場合には、動力負荷３Ｂの動作に合わせて配電電圧を変動させることが許容されるため、制御部３０Ｂの動作モードを基本的には配電電圧制御モードに設定し、負荷３の動作状態に応じて動作モードを配電電圧固定モードに切り替えるようにしてもよい。このように、各直流電力線ＬＡ，ＬＢにおいて動作モードの切り替えの有無、および基本的に動作するモードの設定を分けてもよい。

　以上のように、本実施の形態４における電力供給システム１ｃにおいては、直流電力線ＬＡ，ＬＢにそれぞれ対応した制御部３０Ａ，３０Ｂを実装している。そのため、直流電力線ＬＡ，ＬＢそれぞれにおいて配電電圧を別々に調整することができる。

　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。本開示の範囲は上記した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。

　１，１ａ，１ｂ，１ｃ　電力供給システム、２　主電源、３　負荷、３Ａ　一般負荷、３Ｂ　動力負荷、４，４ｃ　外部装置、１０，１０ｃ　電力変換器、２０，２０ａ　負荷状態検出部、２１　電力計、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０ｃ　制御部、Ｌ，ＬＡ，ＬＢ　直流電力線、Ｍ，ＭＡ　主機能部、ＰＡ，ＰＢ，ＰＳ　電源回路。

Claims (8)

1. 　負荷に電力を供給する電力供給システムであって、
   　主電源から受電した交流電力または直流電力を電圧指令値に応じた電圧の電力に変換し、変換された電力を前記負荷に供給するように構成された変換器と、
   　前記負荷の動作状態を検出するように構成された検出部と、
   　複数の動作モードのうちから選択された動作モードで動作して前記電圧指令値を生成するように構成される制御部とを備え、
   　前記複数の動作モードは、
   　　前記検出部によって検出された前記負荷の動作状態に基づいて前記電圧指令値を生成する第１モードと、
   　　予め定められた設定情報または外部装置から取得された外部指令情報に基づいて前記電圧指令値を生成する第２モードとを含む、電力供給システム。
2. 　前記変換器は、前記主電源から受電した交流電力または直流電力を前記電圧指令値に応じた電圧の直流電力に変換し、変換された直流電力を前記負荷に供給する、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 　前記制御部は、前記第１モードで動作する場合、前記負荷の動作状態、前記設定情報、前記外部指令情報の少なくともいずれかに基づいて前記電圧指令値の許容範囲を決定し、前記電圧指令値が許容範囲に含まれるように前記電圧指令値を制限する、請求項１または２に記載の電力供給システム。
4. 　前記制御部は、前記負荷の動作状態に基づいて前記動作モードを選択する、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
5. 　前記制御部は、前記外部指令情報に基づいて前記動作モードを選択する、請求項１～４のいずれか１項に記載の電力供給システム。
6. 　前記検出部は、前記負荷の消費電力および電流の少なくとも一方を前記負荷の動作状態として検出するように構成され、
   　前記制御部は、前記検出部によって検出された前記負荷の消費電力の変動率、または前記検出部によって検出された電流の変動率に基づいて前記動作モードを選択する、請求項１～５のいずれか１項に記載の電力供給システム。
7. 　前記制御部は、前記負荷の起動時において前記第２モードを選択し、前記負荷の起動後に前記第１モードを選択する、請求項１～５のいずれか１項に記載の電力供給システム。
8. 　前記変換器は、複数の配電系統に電力を供給可能に構成され、
   　前記制御部は、前記複数の配電系統にそれぞれ対応する複数の前記制御部を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の電力供給システム。

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