(57)【要約】【課題】負荷装置が必要とする電流を安定的に供給すると共に、電源ユニットを常に所望の負荷率となる電流値で運転さることが可能な電源装置を提供すること。【解決手段】本発明の電源装置２は、電源１と蓄電池８、負荷装置９に接続されており、電源装置２は１台以上の電源ユニット３と電流センサ４、電圧センサ５、計測部６、制御部７から構成されている。電源装置の出力電流と蓄電池の充放電電流を組み合わせることで、負荷装置が必要とする電流を安定的に供給すると共に、電源ユニットを常に変換効率の良い負荷率となる電流値で運転させ、電源装置を高効率で運転させることが可能である。このため、負荷電力変動が大きい負荷装置に対しても高信頼な電力を高効率で給電することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を所望の電圧又は電流の電力に変換し出力し、運転台数を切り替え可能な複数の電源ユニットと、
前記電源ユニットの出力端に接続された蓄電池と、
前記電源ユニット及び前記蓄電池から負荷装置への出力電流を測定する電流センサと、
前記蓄電池の電圧を測定する電圧センサと、
前記電流センサで測定された電流値および前記電圧センサで測定された電圧値に基づき、前記電源ユニットの運転台数制御及び前記各電力ユニットの出力制御を行う制御部と
を備え、前記制御部は、前記電力ユニットの少なくとも１つを停止して前記負荷装置の必要とする電流を出力可能であり、且つ、前記蓄電池が充電又は放電可能である場合、前記電源ユニットを所望の負荷率となるように定電流制御したときの出力電流及び前記蓄電池の充放電電流の総和としての電流が前記負荷装置の必要とする電流と等しくなるよう、前記電源ユニットの運転台数を制御し且つ前記運転する電源ユニットを定電流制御することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
少なくとも前記電力ユニットの１つが停止し、且つ、前記蓄電池が充電可能である場合、前記電源ユニットを所望の負荷率となるように定電流制御したときの出力電流が前記負荷装置の必要とする電流よりも大きく、且つ、前記電源ユニットの運転台数が最も少なくなるよう前記電源ユニットの運転台数を設定し、余剰電流を前記蓄電池に充電し、
少なくとも前記電力ユニットの１つが停止し、且つ、前記蓄電池が放電可能である場合、前記電源ユニットを所望の負荷率となるように定電流制御したときの出力電流が前記負荷装置の必要とする電流よりも小さく、且つ、前記電源ユニットの運転台数が最も多くなるよう前記電源ユニットの運転台数を設定し、不足電流を前記蓄電池から放電することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記電圧センサで測定された電圧値が所定の第１の閾値より低い場合、充電が必要であると判定し、前記電圧センサで測定された電圧値が所定の第２の閾値より高い場合、放電可能であると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、少なくとも前記電力ユニットの１つが停止し、且つ、前記電圧センサで測定された電圧値が前記第１の閾値より大きく、前記第２の閾値より小さい場合、前記電源ユニットの運転台数を維持し、前記電源ユニットの出力電流及び前記蓄電池の充放電電流の総和としての電流が前記負荷装置の必要とする電流と等しくなるように前記電源ユニットを定電流制御することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記制御部の代わりに、外部ネットワークとの通信を制御する通信部を備え、外部の装置を前記制御部として利用可能なことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無停電電源が必要とされるサーバや通信装置等に電力を供給する高効率な電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、データセンタで使用されるサーバ等の情報装置は負荷の量に応じて消費電力が大幅に変動するようになってきている。このため、電源装置は効率の良い負荷率（電源装置の出力容量／電源装置の最大出力容量）で運転する時間が減少し、その結果、電源装置の電力変換効率は低下する。この対策として複数の電源ユニットから構成される電源装置では、負荷電力の変動に合わせて電源装置の電源ユニットの運転台数を切り替える方法を用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１３５３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電源ユニットの出力電力容量に対して負荷装置の電力変動が小さく、電源ユニットの運転台数を切り替えるための閾値内に負荷装置の電力変動が収まる場合、負荷装置の電力変動に追随して電源ユニットの運転台数を切り替えることで変換効率を改善することはできない。
【０００５】
また、負荷装置の消費電力が極端に小さい状態、つまり、電源装置の運転台数を１台に切り替える閾値よりも負荷装置の消費電力が小さい場合も、電源ユニットの運転台数を変更することで変換効率は改善できない。
【０００６】
このように、従来技術では、負荷装置の電力が小さい場合や電源装置の電源ユニット容量に比べて負荷装置の電力変動が小さい場合では、電源ユニットの運転台数制御による効率の改善が難しいという課題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、負荷装置が必要とする電流を安定的に供給すると共に、電源ユニットを常に所望の負荷率となる電流値で運転さることが可能な電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、電源装置であって、電力を所望の電圧又は電流の電力に変換し出力し、運転台数を切り替え可能な複数の電源ユニットと、前記電源ユニットの出力端に接続された蓄電池と、前記電源ユニット及び前記蓄電池から負荷装置への出力電流を測定する電流センサと、前記蓄電池の電圧を測定する電圧センサと、前記電流センサで測定された電流値および前記電圧センサで測定された電圧値に基づき、前記電源ユニットの運転台数制御及び前記各電力ユニットの出力制御を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記電力ユニットの少なくとも１つを停止して前記負荷装置の必要とする電流を出力可能であり、且つ、前記蓄電池が充電又は放電可能である場合、前記電源ユニットを所望の負荷率となるように定電流制御したときの出力電流及び前記蓄電池の充放電電流の総和としての電流が前記負荷装置の必要とする電流と等しくなるよう、前記電源ユニットの運転台数を制御し且つ前記運転する電源ユニットを定電流制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源装置において、前記制御装置は、少なくとも前記電力ユニットの１つが停止し、且つ、前記蓄電池が充電可能である場合、前記電源ユニットを所望の負荷率となるように定電流制御したときの出力電流が前記負荷装置の必要とする電流よりも大きく、且つ、前記電源ユニットの運転台数が最も少なくなるよう前記電源ユニットの運転台数を設定し、余剰の電流を前記蓄電池に充電し、少なくとも前記電力ユニットの１つが停止し、且つ、前記蓄電池が放電可能である場合、前記電源ユニットを所望の負荷率となるように定電流制御したときの出力電流が前記負荷装置の必要とする電流よりも小さく、且つ、前記電源ユニットの運転台数が最も多くなるよう前記電源ユニットの運転台数を設定し、不足の電流を前記蓄電池から放電することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電源装置において、前記制御部は、前記電圧センサで測定された電圧値が所定の第１の閾値より低い場合、充電が必要であると判定し、前記電圧センサで測定された電圧値が所定の第２の閾値より高い場合、放電可能であると判定することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電源装置において、前記制御部は、少なくとも前記電力ユニットの１つが停止し、且つ、前記電圧センサで測定された電圧値が前記第１の閾値より大きく、前記第２の閾値より小さい場合、前記電源ユニットの運転台数を維持し、前記電源ユニットの出力電流及び前記蓄電池の充放電電流の総和としての電流が前記負荷装置の必要とする電流と等しくなるように前記電源ユニットを定電流制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の電源装置において、前記制御部が、前記制御部の代わりに、外部ネットワークとの通信を制御する通信部を備え、外部の装置を前記制御部として利用可能なことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、負荷装置が必要とする電流を安定的に供給すると共に、電源ユニットを常に所望の負荷率となる電流値で運転さることを可能にする効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る電源装置の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電源装置において用いる電源装置運転台数決定テーブルである。
【図３】本発明の一実施形態に係る電源装置において用いる制御フローチャートである。
【図４】電源ユニットの負荷−変換効率特性を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る電源装置において用いる運転電源ユニット決定テーブルである。
【図６】本発明の一実施形態に係る電源装置の動作を示す、負荷変動がない場合のタイムチャートである。
【図７】本発明の一実施形態に係る電源装置の動作を示す、負荷変動がある場合のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、電源装置の出力電流に合わせて電源ユニットの運転台数を切り替える制御に加え、蓄電池の充放電を利用することで変換効率の改善を行う。すなわち、負荷電力変動に合わせて電源ユニットの運転台数を切り替える制御を行うと同時に、電源ユニットの変換効率が高くなる出力電流値で電源ユニットを定電流運転させる。
【００１６】
また、電源装置の出力電流が負荷装置の所要電流に対して不足する場合、蓄電池の放電電流が不足分の電流を補うことで負荷装置に必要な電流を供給する。一方、電源装置出力電流が負荷装置の所要電流よりも大きい場合、電源装置は負荷装置に電流を供給すると同時に、余剰電流で蓄電池の充電を行う。
【００１７】
以上のように、電源装置の出力電流と蓄電池の充放電電流を組み合わせることで、負荷装置が必要とする電流を安定的に供給すると共に、電源ユニットを常に変換効率の良い負荷率となる電流値で運転させ、電源装置を高効率で運転させることが可能である。このため、負荷電力変動が大きい負荷装置に対しても高信頼な電力を高効率で給電することが可能となる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態に係る電源装置の構成図を示す。本発明の電源装置２は、電源１と蓄電池８、負荷装置９に接続されており、電源装置２は１台以上の電源ユニット３と電流センサ４、電圧センサ５、計測部６、制御部７から構成されている。尚、本実施形態では制御部７を電源装置２に内蔵しているが、制御部７の代わりに電源装置２に通信装置を実装し、その通信装置を介して外部の装置を制御部として用いることもできる。
【００２０】
電源１は、商用電源または非常用発電機、燃料電池、風力発電、太陽電池等のエネルギー源である。
【００２１】
電源ユニット３は、電源１からの電力を所望の電圧・電流の電力に変換する機能をもつ。また電源ユニット３は、制御部７からの制御信号を受信することにより、電源ユニット３のオン・オフと、電源ユニット３の定電圧運転と定電流運転の運転方法の切り替えと、電源ユニット３の出力電圧と出力電流の設定値を変更できる。
【００２２】
電流センサ４及び電圧センサ５は、それぞれ電源装置２の出力電流と蓄電池８の電圧を検出して、アナログ信号として出力する機能を有する。電源装置２の出力電流は、電源装置２に接続される負荷装置９が必要とする電流と等しいものとする。
【００２３】
計測部６は前記電流センサ４及び電圧センサ５の検出値を取得し、取得したアナログ信号をアナログ／デジタル変換に変換する機能を有する。また変換したデジタル信号を制御部７に入力する機能を有する。
【００２４】
制御部７は、電源ユニット３の最適な運転台数を決定するための図２に示す電源装置運転台数決定テーブルを備え、これを参照することで最適な電源ユニット３の運転台数を算出する。制御部７は、計測部６から入力される蓄電池電圧値及び電源装置出力電流値に基づいて、図３の制御フローチャートと図２の制御テーブルを参照して１台以上搭載されている電源ユニット３の運転台数及び出力電流を決定する機能を有する。更に、図５の運転電源ユニット決定テーブルを参照することで、上記方法にて決定した運転台数に基づいて、運転又は停止させる電源ユニット３を決定し、各電源ユニット３に制御信号を送る機能を有する。
【００２５】
図３の制御フローチャートを元に電源装置の動作の説明をする。
【００２６】
例として、電源装置２は８台の電源ユニット３から構成されているものとする。また各電源ユニット３の出力電流容量は１００Ａであり、図４に、電源ユニット３の負荷−変換効率特性を示すように、負荷率６０％の時に電源ユニットの変換効率は最大になるものとする。
【００２７】
はじめに、運転台数制御を開始する前の段階では全ての電源ユニット３が定電圧モードで稼働しているものとし、制御部７は運転モード係数をＮ＝０に設定する（Ｓ１０１）。ここで、運転モード係数がＮ＝０であることは、電源ユニットの台数制御を行わない状態を示す。
【００２８】
次に制御部７は、電流センサ４が電源装置２の出力電流を検出し（Ｓ１０２）、計測部６によってデジタル信号に変換された電源装置２の出力電流値Ｉloadと規定電流値Ｉn0を比較する（Ｓ１０３）。規定電流値Ｉn0は、電源装置２が電源ユニット３を全台数運転に切り替わる電流設定閾値である。
【００２９】
Ｉload＞Ｉn0の場合、電源ユニット３の負荷率が十分に高く、電源ユニット３の変換効率も高いため、電源ユニット３の運転台数の制御は行わず（Ｓ１０９）、電源ユニット３を定電圧モードで運転させる（Ｓ１１０）。一方、Ｉn0＞Ｉloadとなる場合では、電源ユニット３の運転台数制御により電源ユニット３の負荷率を改善することが可能であるため、電源ユニット３の運転台数制御方法を決定するための処理に進む。
【００３０】
制御部７は、Ｉn0＞Ｉloadとなる場合、電圧センサ５が蓄電池８の電圧を検出し（Ｓ１０４）、計測部６によってデジタル信号に変換された蓄電池８の電圧値Ｖbattと蓄電池閾値最高電圧ＶH、蓄電池閾値最低電圧ＶLとを比較する（Ｓ１０４）。Ｖbatt＞ＶHとなる場合、電源装置２の出力が負荷装置９の所要電流より少なくなるように電源ユニット３の運転台数と出力電流の制御を行い、蓄電池８から放電させる制御を行う運転モード係数Ｎ＝１（放電モード）に切り替える（Ｓ１０６）。一方、ＶL＞Ｖbattとなる場合、電源装置２の出力電流を負荷装置９の所要電流を満足するように電源ユニット３の運転台数と出力電流の制御を行い、蓄電池８に充電させる制御を行うため運転モード係数Ｎ＝２（充電モード」）へ切り替える（Ｓ１０８）。なお、ＶH＞Ｖbatt＞ＶLとなる場合については、運転モード係数Ｎの値は変更せず、前回の運転モード係数Ｎを維持する（Ｓ１０７）。
【００３１】
Ｓ１０６、Ｓ１０８の処理をした場合、制御部７は、現在の運転モード係数Ｎから、電源ユニット３の運転台数及び出力の制御方法を決定する（Ｓ１１１）。運転モード決定係数Ｎ＝０となる場合、電源ユニット制御部７は電源装置に搭載されている全ての電源ユニット３が定格電圧を出力する定電圧モードで運転させる。一方、運転モード決定係数Ｎ＝１又はＮ＝２となる場合、制御部７は図２の電源ユニット運転台数制御テーブルを参照し、運転台数及び、定電流モードで運転する際の出力電流値を決定する。
【００３２】
例えば、運転モード決定係数Ｎ＝１且つ電源装置２の出力電流値Ｉload＝２５０［Ａ］となる場合、４台の電源ユニット３が出力電流６０［Ａ］の定電流モードで運転する設定になる。すなわち、蓄電池８が放電可能な場合、変換効率の良い負荷率で運転された電源ユニット３の出力電流の合計が電源装置２の出力電流値Ｉloadより小さい範囲で最大となるように電源ユニット３の運転台数を設定する。
【００３３】
一方、運転モード決定係数Ｎ＝２且つ電源装置２の出力電流値Ｉload＝２５０［Ａ］となる場合、５台の電源ユニット３が出力電流６０［Ａ］の定電流モードで運転する設定になる。すなわち、蓄電池８が充電可能な場合、変換効率の良い負荷率で運転された電源ユニット３の出力電流の合計が電源装置２の出力電流値Ｉloadより大きい範囲で最小となるように電源ユニット３の運転台数を設定する。
【００３４】
Ｓ１１０、Ｓ１１１の処理をした後、制御部７は、図５を参照して運転させる電源ユニット３と停止させる電源ユニット３を決定し、各電源ユニット３に制御信号を送信する（Ｓ１１２）。各電源ユニット３は制御部７からの制御信号に基づいて、電源ユニット３の運転のオン・オフや、電源ユニット３の定電圧運転と定電流運転の運転方法、電源ユニット３の出力電圧と出力電流を切り替える。
【００３５】
以上の制御を一定時間毎に繰り返すことで、電源装置を常に高効率で運転させることが可能となる。尚、電源ユニット３の運転方法により出力電流値Ｉloadと比較する規定電流値は異なるものを使用する。電源ユニットの電圧が定電圧制御時は、規定電流値として電源ユニット３を全台数運転に切り替わる電流設定閾値であるＩn0を用いて出力電流値Ｉloadとの比較を行う（Ｓ１０３）。一方、放電モードあるいは充電モードへ移行して定電流制御である場合、規定電流値として、定電圧制御時のＩｎ0ではなく、定電流制御時用の規定電流値であるＩｎ1を用いて出力電流値Ｉloadとの比較を行う（Ｓ１１４）。
【００３６】
次に、負荷変動の有無による動作の変化について説明する。図６に、負荷変動がない場合のタイムチャートを示し、図７に負荷変動がある場合のタイムチャートを示す。尚、図６では、負荷装置９は一定であるが蓄電池電圧Ｖbattが変動するため、出力電流値Ｉloadが変化している。また、蓄電池電圧Ｖbattは、電源装置２の出力端の電圧Ｖloadと等しいものとする。
【００３７】
まず、図６に示すような負荷変動がない場合について説明する。尚、初期状態では、電源装置２は放電モードで運転しているとする。
（１）時刻Ｔ1，Ｔ3では蓄電池電圧Ｖbattが蓄電池閾値電圧ＶL以下になるため、電源ユニット３の運転台数を増加させ、蓄電池に充電させる。
（２）時間Ｔ2，Ｔ4では蓄電池電圧Ｖbattが上限の蓄電池閾値電圧ＶHになるため、電源ユニット３の運転台数を減少させ、蓄電池から放電させる。
【００３８】
次に、図７に示すような負荷変動がある場合について説明する。負荷電力変動がある場合の電源ユニット３の運転台数の制御は以下の通りとなる。尚、初期状態は蓄電池の放電モードで運転しているとする。
（１）時刻Ｔ1では負荷電流Ｉloadの増加により、設定閾値を上回ったため、電源ユニットの運転台数を増加させる。
（２）時刻Ｔ2では蓄電池電圧Ｖbattが蓄電池閾値ＶLとなったため、電源ユニットを増加させ、蓄電池に充電させる。
（３）時刻Ｔ3では蓄電池電圧Ｖbattが蓄電池閾値ＶHとなったため、電源ユニットを減少させ、蓄電池から放電させる。
（４）時刻Ｔ4では負荷電流Ｉloadの減少により、設定閾値を下回ったため、電源装置のユニットを減少させる。
（５）時刻Ｔ5では蓄電池電圧Ｖbattが蓄電池閾値ＶLとなったため、電源ユニットを増加させ、蓄電池に充電させる。
（６）時刻Ｔ6では蓄電池電圧Ｖbattが蓄電池閾値ＶHとなったため、電源ユニットを減少させ、蓄電池から放電させる。
（７）時刻Ｔ7では負荷電流Ｉloadの増加により、設定閾値を上回ったため、電源装置のユニットを増加させる。
【符号の説明】
【００３９】
１  電源
２  電源装置
３  電源ユニット
４  電流センサ
５  電圧センサ
６  計測部
７  制御部
８  蓄電池
９  負荷装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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