(57)【要約】【課題】系統電源から供給される電力を時間的に平準化する一方で、停電時に負荷が必要とする電力量を確保可能な無停電電源装置を提供する。【解決手段】コントローラは、系統電源に対する電力需要が最大となるピークカット期間において、蓄電部に蓄えられた電力量が設定値以上である場合、系統電源からの電力供給を制限するようにコンバータを制御するとともに、蓄電部に蓄えられた電力を負荷に供給するように昇降圧チョッパ回路を制御する。一方で、コントローラは、ピークカット期間において、蓄電部に蓄えられた電力量が設定値を下回った場合、系統電源からの電力供給の制限を解除するようにコンバータを制御するとともに、蓄電部から負荷への電力供給を停止するように昇降圧チョッパ回路を制御する。設定値は、系統電源からの交流電力の供給が停止した場合に、蓄電部から負荷への電力供給が所定の期間継続可能なように定められる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータによって生成された直流電力を蓄える蓄電部と、
前記コンバータからの直流電力および前記蓄電部に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷に供給可能に構成されたインバータと、
前記蓄電部と前記インバータの直流入力側との間の電気的な接続および非接続を切り換える導通部と、
前記蓄電部を監視するとともに、前記コンバータと、前記インバータと、前記導通部とを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記系統電源に対する電力需要が最大となる期間を含む第１の時間帯において、
前記蓄電部に蓄えられた電力量が所定の設定値以上である場合、前記系統電源からの電力供給を制限するように前記コンバータを制御するとともに、前記蓄電部に蓄えられた電力を前記インバータを介して前記負荷に供給するように前記導通部を制御する一方で、
前記蓄電部に蓄えられた電力量が前記設定値を下回った場合、前記系統電源からの電力供給の制限を解除するように前記コンバータを制御するとともに、前記蓄電部から前記負荷への電力供給を停止するように前記導通部を制御し、
前記設定値は、前記系統電源からの電力供給が停止した場合に、前記蓄電部から前記負荷への電力供給が所定の期間継続可能なように定められる、無停電電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１の時間帯における電気料金よりも電気料金が安価である第２の時間帯において、前記蓄電部を充電するように前記コンバータを制御する、請求項１に記載の無停電電源装置。
【請求項３】
前記蓄電部は、リチウムイオン電池を含む、請求項１または２に記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に系統電源に対する電力需要は夜間に減少する一方で、朝または昼間に増加する。そこで、夜間に二次電池を充電し、二次電池に蓄えられた電力を朝または昼間に利用することで、系統電源から供給される電力を時間的に平準化するシステムが提案されている。
【０００３】
たとえば特開２００７−６０７９６号公報（特許文献１）は、電力バッファ装置システムを開示する。この電力バッファ装置は、商用系統と直流母線との間で交流直流変換する交直変換装置と、直流母線と負荷との間で電力を直流交流変換するインバータとを備える。また、電力バッファ装置は、瞬発力型電力バッファと、持続力型電力バッファと、制御装置とをさらに備える。瞬発力型電力バッファは、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して直流母線に接続される。持続力型電力バッファは、瞬発力型電力バッファに対して並列に第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して直流母線に接続される。制御装置は、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよび第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。制御装置は、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、深夜時間帯には、直流母線の直流電力を持続力型電力バッファに一定の電流で充電する一方で、朝の時間帯には、持続力型電力バッファから直流母線に一定の電流で放電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６０７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された電力バッファ装置システムでは、持続力型電力バッファから放電される電流が一定である。つまり、持続力型電力バッファに残存する電力量は、時間の経過に伴って単調に減少を続ける。したがって、上記朝の時間帯において、ある程度の電力量が放電された後に停電が発生した場合、持続力型電力バッファから負荷に供給可能な電力量が不足するおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、系統電源から供給される電力を時間的に平準化する一方で、停電時に負荷が必要とする電力量を確保することができる無停電電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある局面に従えば、無停電電源装置は、コンバータと、蓄電部と、インバータと、導通部と、制御部とを備える。コンバータは、系統電源から供給される交流電力を直流電力に変換する。蓄電部は、コンバータによって生成された直流電力を蓄える。インバータは、コンバータからの直流電力および蓄電部に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷に供給可能に構成される。導通部は、蓄電部とインバータの直流入力側との間の電気的な接続および非接続を切り換える。制御部は、蓄電部を監視するとともに、コンバータおよびインバータを制御する。制御部は、系統電源に対する電力需要が最大となる期間を含む第１の時間帯において、蓄電部に蓄えられた電力量が所定の設定値以上である場合、系統電源からの電力供給を制限するようにコンバータを制御するとともに、蓄電部に蓄えられた電力をインバータを介して負荷に供給するように導通部を制御する。一方で、制御部は、第１の時間帯において、蓄電部に蓄えられた電力量が設定値を下回った場合、系統電源からの電力供給の制限を解除するようにコンバータを制御するとともに、蓄電部から負荷への電力供給を停止するように導通部を制御する。設定値は、系統電源からの電力供給が停止した場合に、蓄電部から負荷への電力供給が所定の期間継続可能なように定められる。
【０００８】
好ましくは、制御部は、第１の時間帯における電気料金よりも電気料金が安価である第２の時間帯において、蓄電部を充電するようにコンバータを制御する。
【０００９】
好ましくは、蓄電部は、リチウムイオン電池を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、系統電源から供給される電力を時間的に平準化する一方で、停電時に負荷が必要とする電力量を確保可能な無停電電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の構成を概略的に示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示した無停電電源モジュールの構成を概略的に示す回路ブロック図である。
【図３】図２に示した蓄電部および制御部における信号伝達を説明するための図である。
【図４】各運転モードにおける系統電源から負荷への電力の供給経路を説明するための概念図である。
【図５】各運転モードにおける無停電電源モジュールの構成要素の制御を表す図である。
【図６】蓄電部の充電率の時間変化および系統電源からの供給電力の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図７】無停電電源モジュールにおいて、運転モードを切り替えるための処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１を参照して、系統電源１は無停電電源装置１００に交流電力を供給する。無停電電源装置１００は、負荷８に交流電力を供給する。負荷８は、交流電力を消費する電気機器であれば特に限定されない。
【００１４】
無停電電源装置１００は、並列に接続された無停電電源モジュール１０１〜１１０と、コントローラ（制御部）７とを備える。コントローラ７は、無停電電源モジュール１０１〜１１０の各々を制御する。本実施の形態では無停電電源モジュールを冗長化することで、無停電電源装置１００の信頼性を向上させている。無停電電源モジュール１０１〜１１０の構成は共通である。したがって、以下においては無停電電源モジュール１０１の構成について代表的に説明する。なお、無停電電源モジュールの台数は特に限定されるものではない。本実施の形態では無停電電源装置１００が複数台の無停電電源モジュールを備えるが、無停電電源モジュールの台数は１台であってもよい。
【００１５】
図２は、図１に示した無停電電源モジュール１０１の構成を概略的に示す回路ブロック図である。図３は、図２に示した蓄電部５１およびコントローラ７における信号伝達を説明するための図である。図２および図３を参照して、無停電電源モジュール１０１は、コンバータ２１と、インバータ３１と、昇降圧チョッパ回路４１と、蓄電部５１とを備える。
【００１６】
蓄電部５１は、たとえばＳＣｉＢ（登録商標）などのリチウムイオン電池を含む。蓄電部にリチウムイオン電池を採用することで、短時間（たとえば数時間以内）での充電が可能になる。また、リチウムイオン電池は、たとえば鉛蓄電池などに比べて繰り返し充放電しても劣化が生じにくいため使用可能な期間が長い。
【００１７】
蓄電部５１は、直列に接続された複数のセル５と、ＢＭＵ（Battery  Management  Unit）６１とを含む。また、蓄電部５１には、いずれも図示しないが、充放電電流Ｉを検出するための電流計と、各セルの電圧Ｖを検出するための電圧計と、各セルの温度Ｔを検出するための温度計とが設けられている。ＢＭＵ６１は、充放電電流Ｉと、電圧Ｖと、温度Ｔとに基づいて、蓄電部５１の異常を監視するとともに、蓄電部５１の充電率を算出する。ＢＭＵ６１は、蓄電部５１の充電率を含む信号ＳＯＣ１をコントローラ７に出力する。なお、充電率の算出方法としては、たとえば電流積算法など種々の公知の方法を採用することができるので、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００１８】
コントローラ７はタイマー７１を含む。コントローラ７は、タイマー７１により計測された時刻と、ＢＭＵ６１〜６ｎからそれぞれ受けた信号ＳＯＣ１〜ＳＯＣｎとに基づいて、制御信号ＣＴＲＬ２１〜２ｎ，ＣＴＲＬ３１〜３ｎ，ＣＴＲＬ４１〜４ｎを出力する。制御信号ＣＴＲＬ２１〜２ｎ，ＣＴＲＬ３１〜３ｎ，ＣＴＲＬ４１〜４ｎの各々は、たとえば電流指令値もしくは電圧指令値を含む信号または停止信号である。なお、コントローラ７は、無停電電源装置１００の外部から時刻を取得してもよい。
【００１９】
コンバータ２１は、コントローラ７からの制御信号ＣＴＲＬ２１に基づいて、系統電源１からの交流電力を直流電力に変換する。この直流電力はインバータ３１および昇降圧チョッパ回路４１に供給される。
【００２０】
コンバータ２１は、２段階パワーデマンド機能を有する。２段階パワーデマンド機能とは、系統電源１からコンバータ２１に供給される電力を２段階に制限する機能である。２段階に制限される電力の値は、コントローラ７からの制御信号ＣＴＲＬ２１により、それぞれ第１および第２パワーデマンド値としてコンバータ２１に与えられる。
【００２１】
昇降圧チョッパ回路（導通部）４１は、コントローラ７からの制御信号ＣＴＲＬ４１に基づいて、蓄電部５１の充電時にはコンバータ２１によって生成された直流電力を降圧して、その直流電力を蓄電部５１に供給する。一方、昇降圧チョッパ回路４１は、蓄電部５１の放電時には蓄電部５１から放電された直流電圧を昇圧して、その直流電力をインバータ３１に供給する。あるいは、蓄電部５１が充放電されない場合には、昇降圧チョッパ回路４１は、制御信号ＣＴＲＬ４１に基づいて停止する。言い換えると、昇降圧チョッパ回路４１は、蓄電部５１とインバータ３１の直流入力側との間の電気的な接続および非接続を切り換える。
【００２２】
インバータ３１は、コントローラ７からの制御信号ＣＴＲＬ３１に基づいて、コンバータ２１または昇降圧チョッパ回路４１からの直流電力を交流電力に変換して、その交流電力を負荷８に供給する。
【００２３】
無停電電源モジュール１０１は、時間帯に応じて切り換えられる３つの運転モードを有する。３つの運転モードは、通常モード、ピークカットモード、および回復充電モードである。各運転モードでは、上述の２段階パワーデマンド機能を用いることで、系統電源１からの電力供給が制限される。運転モードが切り換えられる時刻ならびに第１および第２パワーデマンド値は、無停電電源装置１００の使用者によって無停電電源装置１００の使用開始前に予め設定される。以下、各運転モードにおける系統電源１から負荷８への電力供給について詳細に説明する。
【００２４】
図４は、各運転モードにおける系統電源１から負荷８への電力の供給経路を説明するための概念図である。図４（Ａ）は、通常モードにおける電力の供給経路を示す。図４（Ｂ）は、ピークカットモードにおける電力の供給経路を示す。図４（Ｃ）は、回復充電モードにおける電力の供給経路を示す。図５は、各運転モードにおける無停電電源モジュール１０１の構成要素の制御を表す図である。
【００２５】
本実施の形態において、負荷８が消費する電力は３０ｋＶＡ以下である。この値に対応して、第１パワーデマンド値は３０ｋＶＡに設定される。第２パワーデマンド値は、第１パワーデマンド値よりも小さな値であって、たとえば２０ｋＶＡに設定される。なお、現実にはコンバータ２１、インバータ３１、または昇降圧チョッパ回路４１が電力を変換する際には電力損失が生じる。しかし、以下においては説明の明瞭化のために電力損失を考慮しない。
【００２６】
まず図４（Ａ）および図５を参照して、通常モードにおいて、コントローラ７は、第１パワーデマンド値の設定を指示する制御信号ＣＴＲＬ２１をコンバータ２１に出力する。コンバータ２１は、制御信号ＣＴＲＬ２１に基づいて、系統電源１からコンバータ２１に供給される電力を第１パワーデマンド値（３０ｋＶＡ）に制限する。
【００２７】
また、コントローラ７は、昇降圧チョッパ回路４１を停止させる。これにより、蓄電部５１は充放電されない。したがって、系統電源１から無停電電源モジュール１０１に供給されたすべての電力は負荷８で消費される。このため、系統電源１から供給される電力は第１パワーデマンド値（３０ｋＶＡ）以下となる。なお、厳密には通常モードにおいて、蓄電部５１の充電率は自然放電により低下し得る。したがって、自然放電による電力量の減少分を補うために、蓄電部５１を充電してもよい。
【００２８】
次に図４（Ｂ）および図５を参照して、ピークカットモードにおいて、コントローラ７は、第２パワーデマンド値の設定を指示する制御信号ＣＴＲＬ２１をコンバータ２１に出力する。コンバータ２１は、制御信号ＣＴＲＬ２１に基づいて、系統電源１からコンバータ２１に供給される電力を第２パワーデマンド値（２０ｋＶＡ）に制限する。
【００２９】
また、コントローラ７は、昇降圧チョッパ回路４１を昇圧制御することで、蓄電部５１に蓄えられた１０ｋＶＡの電力を負荷８に供給させる。これにより、系統電源１から供給される電力が第２パワーデマンド値（２０ｋＶＡ）以下であっても、負荷８に十分な電力を供給することができる。このように、ピークカットモードでは、蓄電部５１に蓄えられた電力が利用することで、系統電源１から供給される電力を低減することができる。
【００３０】
さらに図４（Ｃ）および図５を参照して、回復充電モードでは、第１または第２パワーデマンド値の設定による系統電源１からの電力供給の制限は解除される。このため、蓄電部５１は、たとえば１０ｋＶＡの電力を受けて充電される。すなわち、回復充電モードにおいて、系統電源１からの供給電力は４０ｋＶＡである。これにより、ピークカットモードの期間中に減少した蓄電部５１の電力量を回復することができる。所定の期間経過後に、蓄電部５１は満充電された状態に戻る。
【００３１】
図６は、蓄電部５１の充電率の時間変化および系統電源１からの供給電力の時間変化を示すタイミングチャートである。図６を参照して、横軸は２４時間表記の時刻を表す。縦軸は、蓄電部５１の充電率、または系統電源１から無停電電源モジュール１０１に供給される電力を表す。
【００３２】
本実施の形態において、１５時以降０時までの時間帯および３時以降１１時までの時間帯は通常期間である。１１時以降１５時までの時間帯はピークカット期間（第１の時間帯）である。０時以降３時までの時間帯は回復充電期間（第２の時間帯）である。上述のように、これらの時間帯は、無停電電源装置１００の使用者によって無停電電源装置１００の使用開始前に予め設定される。なお、無停電電源装置１００の使用者は、たとえば２３時以降７時までの時間帯には深夜電力割引を受けることができる。
【００３３】
また、無停電電源装置１００の使用者によって、蓄電部５１の充電率の設定値が予め定められる。以下に説明するように、停電時以外には蓄電部５１の充電率が設定値を大きく下回ることがないように、コンバータ２１および昇降圧チョッパ回路４１は制御される。本実施の形態において、充電率の設定値は充電率７５％に相当する値である。具体的な充電率の設定値は、負荷８の消費電力およびバックアップが必要な期間の長さ、すなわち停電発生時に無停電電源装置１００から負荷８に供給すべき電力量に応じて使用者により決定される。
【００３４】
６時以降１１時までの時間帯において、無停電電源モジュール１０１は通常モードに従って運転される。これにより、系統電源１からコンバータ２１に供給される電力は、３０ｋＶＡに制限される。また、蓄電部５１は充放電されないため、蓄電部５１の充電率は１００％に維持される。
【００３５】
時刻が１１時に達すると、無停電電源モジュール１０１は、通常モードからピークカットモードへと移行する。これにより、系統電源１からコンバータ２１に供給される電力は、２０ｋＶＡに制限される。一方で、負荷８には蓄電部５１からの１０ｋＶＡの電力が供給される。これにより、負荷８に合計３０ｋＶＡの電力を継続して供給することができる。このように、電力需要が大きい昼間の時間帯において、系統電源１から供給される電力を低減することができる。言い換えると、系統電源１が供給する電力を時間的に平準化することができる。
【００３６】
放電が継続されるため、蓄電部５１の充電率は徐々に低下する。本実施の形態において、蓄電部５１の充電率は１４時頃に設定値（充電率７５％）以下になる。これにより、ピークカット期間中であっても、無停電電源モジュール１０１は通常モードへと復帰する。したがって、蓄電部５１からの放電が停止されるため、蓄電部５１に蓄えられた電力量が設定値に相当する電力量を大きく下回ることが防がれる。よって、系統電源１からの電力供給が停止した場合に負荷８が必要とする電力量を蓄電部５１に確保することができる。
【００３７】
１４時頃に無停電電源モジュール１０１が通常モードに復帰して以降、０時までの時間帯において、無停電電源モジュール１０１は通常モードに従って運転される。この期間中、系統電源１から無停電電源モジュール１０１には３０ｋＶＡの電力が供給される。
【００３８】
時刻が０時に達すると、無停電電源モジュール１０１は、通常モードから回復充電モードへと移行する。回復充電モードにおいて、蓄電部５１には１０ｋＶＡの電力が供給される。したがって、系統電源１から無停電電源モジュール１０１に供給される電力は４０ｋＶＡに増加する。しかしながら、夜間の時間帯における電力需要は、昼間の時間帯における電力需要よりも小さい。したがって、系統電源１は、電力の増加分を余剰電力から供給することができる。一方、無停電電源モジュール１０１の使用者は、深夜電力割引を受けることで、昼間の時間帯に蓄電部５１を充電する場合に比べて電気料金を節約することができる。
【００３９】
本実施の形態において、蓄電部５１の充電率は２時頃に１００％に達する。これにより、無停電電源モジュール１０１は通常モードへと復帰する。以降、次のピークカット期間の開始時刻である１１時まで無停電電源モジュール１０１は通常モードに維持される。
【００４０】
図７は、無停電電源モジュール１０１において、運転モードを切り替えるための処理を示すフローチャートである。図７を参照して、たとえば無停電電源装置１００の使用者が操作スイッチ（図示せず）を操作することでコントローラ７に指示することにより一連の処理が開始される。
【００４１】
ステップＳ１１において、コントローラ７は、タイマー７１により計測された時刻がピークカット期間の開示時刻（図５では１１時）を経過したか否かを判定する。タイマー７１の時刻がピークカット期間の開示時刻以降である場合、処理はステップＳ１２に進む（ステップＳ１１においてＹＥＳ）。一方、タイマー７１の時刻がピークカット期間の開示時刻よりも前である場合、処理はステップＳ１１に戻る（ステップＳ１１においてＮＯ）。
【００４２】
ステップＳ１２において、コントローラ７は、通常モードからピークカットモードへと移行するように無停電電源装置１００を制御する。これにより、系統電源１から無停電電源装置１００に供給される電力が減少する。
【００４３】
ステップＳ１３において、コントローラ７は、蓄電部５１の充電率が予め設定された設定値（図５では７５％）以下であるか否かを判定する。蓄電部５１の充電率が設定値以下である場合、処理はステップＳ１５に進む（ステップＳ１３においてＹＥＳ）。一方、蓄電部５１の充電率が設定値よりも大きい場合、処理はステップＳ１４に進む（ステップＳ１３においてＮＯ）。
【００４４】
ステップＳ１４において、コントローラ７は、タイマー７１の時刻がピークカット期間の終了時刻（図５では１５時）を経過したか否かを判定する。タイマー７１の時刻がピークカット期間の終了時刻以降である場合、処理はステップＳ１５に進む（ステップＳ１４においてＹＥＳ）。一方、タイマー７１の時刻がピークカット期間の終了時刻よりも前である場合、処理はステップＳ１３に戻る（ステップＳ１４においてＮＯ）。
【００４５】
ステップＳ１５において、コントローラ７は、ピークカットモードから通常モードへと移行するように無停電電源装置１００を制御する。
【００４６】
ステップＳ１６において、コントローラ７は、タイマー７１の時刻が回復充電期間の開始時刻（図５では０時）を経過したか否かを判定する。タイマー７１の時刻が回復充電期間の開始時刻以降である場合、処理はステップＳ１７に進む（ステップＳ１６においてＹＥＳ）。一方、タイマー７１の時刻が回復充電期間の開始時刻よりも前である場合、処理はステップＳ１６に戻る（ステップＳ１６においてＮＯ）。
【００４７】
ステップＳ１７において、コントローラ７は、通常モードから回復充電モードへと移行するように無停電電源装置１００を制御する。これにより、蓄電部５１の充電が開始される。
【００４８】
ステップＳ１８において、コントローラ７は、蓄電部５１が満充電された状態であるか否かを判定する。蓄電部５１が満充電された状態である場合、処理はステップＳ１９に進む（ステップＳ１８においてＹＥＳ）。一方、蓄電部５１が満充電された状態でない場合、処理はステップＳ１８に戻り、充電が継続される（ステップＳ１８においてＮＯ）。
【００４９】
ステップＳ１９において、コントローラ７は、回復充電モードから通常モードへと移行するように無停電電源装置１００を制御する。
【００５０】
以上のように、本実施の形態によれば、ピークカットモードに従って運転することで、系統電源１から供給される電力のピーク値を低減することができる。その一方で、ピークカット期間中であっても蓄電部の充電率が設定値以下になった場合には、ピークカットモードから通常モードに切り換わる。すなわち、電力のピークカットよりも、無停電電源装置としての機能を維持することを優先する。これにより、停電時に負荷に供給すべき電力量を蓄電部に確保することができる。
【００５１】
なお、無停電電源モジュールの構成は、図２に示した構成に限定されるものではない。たとえば、無停電電源モジュールは、昇降圧チョッパ回路に代えて、リレーなどの電気的なスイッチを本発明に係る「導通部」として備えてもよい。
【００５２】
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、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。
【符号の説明】
【００５３】
１  系統電源、２１  コンバータ、３１  インバータ、４１  昇降圧チョッパ回路、５  セル、５１〜５ｎ  蓄電部、６１〜６ｎ  ＢＭＵ、７  コントローラ、８  負荷、１００  無停電電源装置、１０１〜１０ｎ  無停電電源モジュール。
【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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