(57)【要約】【課題】停電時に電力貯蔵器により内燃機関の始動を円滑に行うととともに、負荷に対して変動の少ない電力供給を行うことが可能な電源装置を提供することを目的としている。【解決手段】電源装置１は、電力を貯蔵する蓄電デバイス４と、商用電源喪失時に負荷１０に電力を供給する内燃機関による発電機５と、商用電源２と発電機５とを切換える第一のスイッチＳＷ１と、商用電源１あるいは発電機５の交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換器７と、直流電圧を変換する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、直流から交流に変換する第二の電力変換器９と、第一の電力変換器７あるいは双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８からの直流電力を交流電力に変換する第二の電力変換器９と、第二の電力変換器９と商用電源１とを切換える第二のスイッチＳＷ２と、により構成されている。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を貯蔵する電力貯蔵器と、
商用電源喪失時に前記電力貯蔵器の貯蔵電力により始動される内燃機関によって駆動され、前記負荷に電力を供給する発電機と、
前記商用電源と前記発電機とを切換える第一のスイッチと、
前記商用電源あるいは前記発電機の交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換器と、
前記第一の電力変換器と前記電力貯蔵器との間に設けられ、直流電圧を変換する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第一の電力変換器および前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、第一の電力変換器あるいは前記電力貯蔵器の直流電力を交流電力に変換する第二の電力変換器と、
第二の電力変換器と商用電源とを切換える第二のスイッチと、を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記商用電源の電力を前記電力貯蔵器に貯蔵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】
前記商用電源喪失時に、前記発電機の出力電力が安定するまで、前記電力貯蔵器から電力を前記負荷に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記商用電源喪失時に、前記発電機の電力の一部を前記電力貯蔵器に貯蔵することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記商用電源喪失時に、前記発電機および前記電力貯蔵器の電力を併せて前記負荷に供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項６】
前記発電機を一定出力で駆動させ、負荷変動分を前記電力貯蔵器からの電力で補完することを特徴とする請求項５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、停電時に内燃機関による電力の供給を行う電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
停電時等により商用電源からの電力供給が停止された場合に、内燃機関を駆動させて、負荷への電力供給を継続させる電源装置がある。停電発生時から内燃機関による安定的な電力が供給されるまでに、所定の時間が必要であり、このため重要な負荷設備においてはこの時間遅れが問題となる。そこで、内燃機関が安定な動作に移るまで、電力貯蔵器から負荷に電力を供給する無停電電源装置が既に供用されている。この停電発生から内燃機関への移行時間を短縮することが求められている。
【０００３】
このような電源装置の例として、特許文献１に示される電源装置では、発電装置と電力貯蔵器との間に起動用インバータを設置して、発電装置を起動するときに、起動用インバータを介して電力貯蔵器からの電力が発電装置に供給される。よって、発電装置が電力貯蔵器からの電力に基づいて電動機として動作することで、発電装置の起動時間を短縮することができる。また、発電装置からの電力が不安定な状態において、発電装置の電力と電力貯蔵器の電力とを合成して負荷に供給するため、負荷に対して安定した電力を供給することができる。
【０００４】
また、特許文献２に示される非常用電源装置では、通常運転時には商用電源から負荷に電力を供給するとともに、バッテリを充電する。停電直後には、バッテリからの電力をインバータで交流電力に変換し、交流電力を負荷に供給するとともに、セルモータを回して高周波（４００Ｈｚ）の発電機を作動させる。そして、一定時間が経過して発電機からの出力電圧が安定すると、発電機からの交流電力を整流回路に供給して直流電力とし、直流電力をインバータで交流電力に変換し、ＵＰＳスイッチを介して負荷に供給するようにしている。これにより、非常用電源装置のコストを低くするとともに、バッテリからの放電回数を少なくすることができるため、バッテリの寿命を長くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０４４００号公報
【特許文献２】特開２００１−１０３６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の電源装置にあっては、電力貯蔵器を一体化（共用化）するシステムが開示されているが、コンデンサおよび３種類(起動用、充放電用、出力用)の双方向インバータを使用しており、システムが複雑になるとともに、双方向に電流が流れるため効率が悪くなる。また、負荷量が増大してもエンジン／発電機は負荷一定運転を保って高効率運転を行うことができないといった問題があった。
【０００７】
また、特許文献２の非常用電源装置にあっては、非常用発電機の起動用電力を無停電電源装置に内蔵したバッテリから直接的に給電する非常用電源装置の一例が開示されているが、無停電電源装置には逆流防止用ダイオードが配設されており、非常用発電機の定常運転域の負荷変動においては、バッテリの充電／放電を行うことができず、従って、非常用発電機が負荷一定運転を保っての高効率運転を行うことができないといった問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、停電時に電力貯蔵器により内燃機関の始動を円滑に行うととともに、負荷に対して変動の少ない電力供給を行うことが可能な電源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、電力を貯蔵する電力貯蔵器と、商用電源喪失時に前記電力貯蔵器の貯蔵電力により始動される内燃機関によって駆動され、前記負荷に電力を供給する発電機と、前記商用電源と前記発電機とを切換える第一のスイッチと、前記商用電源あるいは前記発電機の交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換器と、前記第一の電力変換器と前記電力貯蔵器との間に設けられ、直流電圧を変換する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第一の電力変換器および前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、第一の電力変換器あるいは前記電力貯蔵器の直流電力を交流電力に変換する第二の電力変換器と、第二の電力変換器と商用電源とを切換える第二のスイッチと、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電源装置によれば、負荷給電用の電力貯蔵器と内燃機関の始動用直流モータを駆動させる電力貯蔵器とを一体化（共用化）するとともに、内燃機関／発電機の定常運転における負荷給電時には、内燃機関／発電機を負荷一定運転とし、かつ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた蓄電デバイスの充電あるいは放電の制御を行うことにより、負荷変動に対処することできるので、内燃機関の燃料消費率を下げて、高効率運転を実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る電源装置を適用した電源システムの全体構成図を示す。
【図２】実施の形態１に係る電源装置における商用電源使用時（正常時）の状態を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る電源装置における商用電源停電発生時の状態を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る電源装置における発電機始動時の状態を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る電源装置における発電機定常運転時の状態を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る電源装置における商用電源復電時の状態を示す図である。
【図７】実施の形態１に係る電源装置の一連の動作における負荷給電、蓄電デバイス蓄電量および発電機出力の時間推移を示す図である。
【図８】実施の形態１に係る電源装置における発電機始動時の状態の他の実施態様を示す図である。
【図９】実施の形態２に係る電源装置における商用電源使用時（正常時）の状態を示す図である。
【図１０】実施の形態２に係る電源装置における商用電源停電発生時の状態を示す図である。
【図１１】実施の形態２に係る電源装置の一連の動作における負荷給電、蓄電デバイス蓄電量および発電機出力の時間推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の電源装置は、商用電源停電時（喪失時）に内燃機関の発電機により負荷への電力の供給を継続するもので、蓄電デバイスによる内燃機関の始動、負荷への電力供給を行うものである。以下、本発明の実施の形態に係る電源装置について、図１から図１１に基
づいて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電源装置を適用した電源システムの全体構成を示す図であり、図２は、実施の形態１に係る電源装置における商用電源使用時（正常時）の状態を示す図であり、図３は、実施の形態１に係る電源装置における商用電源停電発生時の状態を示す図であり、図４は、実施の形態１に係る電源装置における発電機始動時の状態を示す図であり、図５は、実施の形態１に係る電源装置における発電機定常運転時の状態を示す図である。また、図６は、実施の形態１に係る電源装置における商用電源復電時の状態を示す図である。さらに、図７は、実施の形態１に係る電源装置の一連の動作における負荷給電、蓄電デバイス蓄電量および発電機出力の時間推移を示す図である。
【００１４】
まず、図１を用いて、本実施の形態１の電源装置を適用した電源システムの全体構成について説明する。電源装置１は、商用電源２と負荷１０との間に設置され、商用電源２から供給される交流電力の供給状態を監視する停電検出リレー（２７Ｒ）３と、電力を貯蔵する蓄電デバイス４と、商用電源喪失時に蓄電デバイス４の電力により始動され負荷１０に電力を供給する内燃機関による発電機５と、内燃機関を始動する始動用直流モータ６と、商用電源２と発電機５とを切換える第一のスイッチＳＷ１と、商用電源２あるいは発電機５の交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換器（コンバータ）７と、第一の電力変換器７と蓄電デバイス４との間に設けられ、直流電圧を変換する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８に接続され、直流から交流に変換する第二の電力変換器９と、第一の電力変換器７あるいは双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８からの直流電力を交流電力に変換する第二の電力変換器（インバータ）９と、負荷１０に交流電力を供給するために第二の電力変換器９と商用電源２とを切換える第二のスイッチＳＷ２と、内燃機関始動スイッチＳＷ３と、により構成されている。
【００１５】
次に、本発明の実施の形態１に係る電源装置の一連の動作の詳細について図２から図７を参照して説明する。
[商用電源使用時（正常時）]
図２に示す正常時の電源装置１の動作について説明する。第一の切換えスイッチＳＷ１と第二の切換えスイッチＳＷ２はいずれも商用電源２側に設定されている。従って、負荷１０には、商用電源２側から電力が供給されている。同時に、第一の切換えＳＷ１を通して、第一の電力変換器（コンバータ）７により商用電源２の交流電力が直流に変換された後、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８で電圧が調整された後、電力貯蔵器である蓄電デバイス４に貯蔵される。
【００１６】
[商用電源停電時（喪失時）]
図３に示す商用電源２が停電等で電力が供給されなくなった場合の電源装置１の動作について説明する。商用電源から電力が供給されなくなると、まず、商用電源２からの交流電力の供給状態を監視している停電検出リレー（２７Ｒ）３により停電が発生したことが検出される。この状態では、負荷１０への電力の供給は断たれる。停電検出リレー（２７Ｒ）３の停電検出により、内燃機関始動スイッチＳＷ３が導通状態になり、蓄電デバイス４から内燃機関の始動用直流モータ６に直流電力が供給され、発電機５に繋がっている内燃機関を始動させる。
【００１７】
[発電機の始動時]
図４に示す商用電源２の停電後、発電機５が始動された場合の電源装置１の動作について説明する。内燃機関が始動され、発電機５による発電が開始され交流電力の供給が始まる。発電機５からの交流電力が安定すると、第一の切換えスイッチＳＷ１は、発電機５側に切換えられる。また、同時に、第二の切換えスイッチＳＷ２も負荷１０側に切換えられ
る。発電機５から供給される電力は、一旦、第一の電力変換器（コンバータ）７により交流電力から直流電力に変換される。この直流電力は、第二の電力変換器（インバータ）９により商用電源周波数に合わせた交流電力として、第二の切換えスイッチＳＷ２を通して負荷１０に供給される。この際、停電開始から発電機５の出力電力が安定し、負荷１０に電力が供給されるまで、数十秒の時間遅れが生じる。第一の電力変換器（コンバータ）７により交流電力から直流電力に変換された発電機５から供給される電力の一部は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８で電圧が調整された後、蓄電デバイス４にも貯蔵される。
【００１８】
[発電機の定常運転時]
続いて、図５に示す発電機５の定常運転時の場合の電源装置１の動作について説明する。定常運転では、内燃機関は安定した状態となり負荷一定運転に入る。これに従って、発電機５の出力電力も一定となる。内燃機関は負荷１０の変動により燃料消費率（単位電力、単位時間あたりの消費燃料)が増加する。蓄電デバイス４と負荷１０の間に設けた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８により負荷変動を蓄電デバイス４の充電／放電により平坦化させることが可能である。その結果、燃料消費率を下げることができる、内燃機関の高効率運転が可能となる。
【００１９】
[商用電源の復電時]
図６に示す商用電源２が復旧し電力供給の再開時の場合の電源装置１の動作について説明する。停電検出リレー（２７Ｒ）３により商用電源２から電力の供給が再開されたことが検出されると、第二の切換えスイッチＳＷ２は、商用電源２側に切換えられ、負荷１０に電力が供給される。内燃機関は負荷運転後、低負荷でのアフタークーリング運転を行う必要があるので、アフタークーリング運転中は蓄電デバイス４への蓄電のみ行う。この冷却運転が終われば、第一の切換えＳＷ１も商用電源２側を選択し、内燃機関を停止させ、図２の正常時の電源装置１の状態に復帰する。
【００２０】
図１から図６の電源装置１の一連の動作における負荷給電、蓄電デバイス蓄電量および発電機出力の時間推移を図７に示す。これらは、本発明の電源装置を非常用電源装置として用いる場合の動作を示すものである。発電機により、負荷に電力が供給されるまで、停電期間があるが、非常用電源装置としては、停電開始から発電機の出力電力が安定し、負荷に電力が供給されるまで、４０秒以内であればよいことになっている。
【００２１】
なお、図４は、商用電源２の停電後、発電機５が始動された場合の初期投入時の負荷１０が小さい場合における電源装置１の動作を示すものであるが、負荷１０が大きい場合には、図８に示すように、負荷給電時、負荷量が多ければ、蓄電デバイス４は充電ではなく放電することも可能である。通常、内燃機関／発電機容量は、初期投入時の負荷により左右されることが多い（定格負荷が少なくても初期投入時の負荷により、大容量内燃機関／発電機が要求される。）。蓄電デバイス４が初期負荷の一部を担うことで、内燃機関／発電機を小容量化することが可能であり、電源装置を小型化することができる。
【００２２】
このように、実施の形態１に係る電源装置によれば、負荷給電用の電力貯蔵器と内燃機関の始動用直流モータを駆動させる電力貯蔵器とを一体化（共用化）するとともに、内燃機関／発電機の定常運転における負荷給電時には、内燃機関／発電機を負荷一定運転とし、かつ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた蓄電デバイスの充電あるいは放電の制御を行うことにより、負荷変動に対処することできるので、内燃機関の燃料消費率を下げて、高効率運転を実現することができるという効果が期待できる。
【００２３】
実施の形態２．
実施の形態２に係る電源装置は、図１に示す電源システムに適用された実施の形態１に係る電源装置と同様であり、図９は、実施の形態２に係る電源装置における商用電源使用
時（正常時）の状態を示す図であり、図１０は、実施の形態２に係る電源装置における商用電源停電発生時の状態を示す図である。また、図１１は、実施の形態２に係る電源装置の一連の動作における負荷給電、蓄電デバイス蓄電量および発電機出力の時間推移を示す図である。
【００２４】
実施の形態２に係る電源装置と実施の形態１に係る電源装置との相違点は、電源装置を無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ）として利用する点である。実施の形態２に係る電源装置の構成要素は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態２に係る電源装置の一連の動作の詳細について図９から図１１を参照して説明する。
[商用電源使用時（正常時）]
図９に示す正常時の電源装置１の動作について説明する。第一の切換えスイッチＳＷ１は商用電源２側に、第二の切換えスイッチＳＷ２は第二の電力変換器（インバータ）９に設定されている。商用電源２から供給される電力は、一旦、第一の電力変換器（コンバータ）７により交流電力から直流電力に変換される。この直流電力は、第二の電力変換器（インバータ）９により商用電源周波数に合わせた交流電力として、第二の切換えスイッチＳＷ２を通して負荷１０に供給される。同時に、第一の切換えＳＷ１を通して、第一の電力変換器（コンバータ）７により商用電源２の交流電力が直流に変換された後、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８で電圧が調整された後、電力貯蔵器である蓄電デバイス４に貯蔵される。従って、実施の形態１と異なる点は、第一の切換えスイッチＳＷ１が商用電源２側に設定され、商用電源２から負荷１０に直接、電力が供給されるのではなく、第一の電力変換器（コンバータ）７と第二の電力変換器（インバータ）９とを通して負荷１０に電力が供給される点である。
【００２６】
[商用電源停電時（喪失時）]
図１０に示す商用電源２が停電等で電力が供給されなくなった場合の電源装置１の動作について説明する。商用電源２から電力が供給されなくなると、まず、商用電源２からの交流電力の供給状態を監視している停電検出リレー（２７Ｒ）３により停電が発生したことが検出される。停電検出リレー（２７Ｒ）３の停電検出により、蓄電デバイス４から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、電圧変換された直流電力を第二の電力変換器（インバータ）９により商用電源周波数に合わせた交流電力として負荷１０に電力を供給する。同時に、内燃機関始動スイッチＳＷ３が導通状態になり、蓄電デバイス４から内燃機関の始動用直流モータ６に直流電力が供給され、発電機５に繋がっている内燃機関を始動させる。
【００２７】
発電機５の始動時、発電機５の定常運転時および商用電源２の復電時の電源装置１の動作は、実施の形態１において説明したものと同様であるので説明を省略する（図４から図６参照。）。
【００２８】
図１１に、実施の形態２に係る電源装置１の一連の動作における負荷給電、蓄電デバイス蓄電量および発電機出力の時間推移を示す。図１１は、本発明の電源装置１を無停電電源装置として用いる場合の動作を示すものである。停電が検出された後、瞬時に蓄電デバイスから給電することができ、ほぼ停電時間を解消することができる。
【００２９】
実施の形態２は、商用電源をコンバータで直流に変換し、蓄電デバイスを充電しながら常時商用電源に同期した交流を定電圧定周波数制御インバータで発生させるものである。原理的に商用電源停止時の切り替え変動が起こらないため、特に電圧低下や電力波形の乱れの許されない用途に用いることができる。
【００３０】
このように、実施の形態２に係る電源装置によれば、商用電源の停電の発生と同時に蓄電デバイスから電力を供給することにより、停電時間を解消することができるとともに、実施の形態１と同様、内燃機関／発電機の定常運転における負荷給電時には、内燃機関／発電機を負荷一定運転とし、かつ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた蓄電デバイスの充電あるいは放電の制御を行うことにより、負荷変動に対処することできるので、内燃機関の燃料消費率を下げて、高効率運転を実現することができるという効果が期待できる。
【００３１】
なお、蓄電デバイスとしては、二次電池や電気二重層キャパシタを利用することができ、二次電池には、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等がある。
【００３２】
また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００３３】
また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１  電源装置
２  商用電源
３  停電検出リレー
４  蓄電デバイス
５  内燃機関／発電機
６  始動用直流モータ
７  第一の電力変換器（コンバータ）
８  双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
９  第二の電力変換器（インバータ）
１０  負荷
ＳＷ１  第一の切換えスイッチ
ＳＷ２  第二の切換えスイッチ
ＳＷ３  内燃機関始動スイッチ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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