JP6196108B2 - 無停電電源システムとそのコントローラおよび制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電池を用いた無停電電源装置を制御する技術に関する。

サーバコンピュータなどの重要な設備を停電から守るために、無停電電源システム（Uninterruptible Power Supply：ＵＰＳ）が利用されている。オフィスやデータセンタなどはもとより、ＳＯＨＯ（small office home office）や一般家庭でも使われるようになってきている。

特開２００４−２２９３４９号公報

近年、わが国ではエネルギーマネジメントへの関心が高まっており、電力のピークカット技術に注目が集まっている。しかし、この種の機能を備えるＵＰＳは知られていない。ＵＰＳに求められる機能は電力を安定して供給できることであり、それ以外の機能を持たせようとする積極的な動機は生まれにくかった。そもそもＵＰＳに用いられる大容量の蓄電池は残量をモニタできなかったので、常に満充電の状態にしておくことを求められていた。

しかし技術革新により、大容量で急速充電可能、しかも残容量をモニタ可能な蓄電池が開発されつつある。この種の蓄電池を用いれば、ピークカット機能を有してエネルギーマネジメントに資する無停電電源システムを提供できる可能性がある。
目的は、電力のピークカット機能を備えた無停電電源システムとそのコントローラおよび制御方法を提供することにある。

実施形態によれば、無停電電源システムは、整流部と、充放電可能な蓄電部と、インバータ部とを有する。整流部は、交流系統に接続された交流電力を直流電力に変換する。蓄電部は、整流部の直流側に接続される。インバータ部は、整流部の直流側に接続された直流電力を交流電力に変換する。さらに無停電電源システムは、アシスト制御部と、計算部と、停止部とを備える。アシスト制御部は、蓄電部の放電を制御して交流系統からの受電量を削減する。計算部は、蓄電部の残り放電可能時間を逐次計算する。停止部は、残り放電可能時間が既定の下限値に達するとアシスト制御を終了させる。

図１は、実施形態に係わる無停電電源システムの一例を示す機能ブロック図である。 図２は、図１に示される無停電電源システムの動作を説明するためのタイムチャートである。

図１は、実施形態に係わる無停電電源システムの一例を示す機能ブロック図である。このシステムは、無停電電源装置２、蓄電池６およびコントローラ８を備える。このうち蓄電池６は、例えばリチウムイオン電池などを利用することができる。

無停電電源装置２は、需要家設備（図示せず）に備わる負荷７と、系統１との間に配設される。

無停電電源装置２は、整流器３と、チョッパ５と、インバータ４とを備える。整流器３は系統１に接続され、系統１から受電した交流電力を整流してインバータ４、チョッパ５に供給する。インバータ４は入力された直流電力を逆変換して負荷７に供給する。チョッパ５は、蓄電池６の充電時には整流器３からの直流電力をチョッピングして蓄電池６に供給し、蓄電池６の放電時には蓄電池６からの直流電力をチョッピングしてインバータ４に供給する。

コントローラ８は、設定部８１、停止部８２、計算部８３、容量モニタ８４、電流センサ８５およびスケジューラ８６を備える。
スケジューラ８６は、複数の動作モードの開始時刻を設定可能であり、予め設定された時刻になると無停電電源装置２の入力電力を変更する。アシストモードは蓄電池６を放電させ負荷７への給電をアシストすることで系統１からの受電量を削減するモードである。アシストモードにおいては、負荷電力見合いで設定された入力電力Ｐｉｎ１よりも小さい入力電力Ｐｉｎ２が設定される。通常運転モードは蓄電池６への充電も行うモードであり、負荷電力見合いで設定された入力電力Ｐｉｎ１を解除して、入力電力を整流器３の定格値とする。

設定部８１は、蓄電池６の残り放電可能時間の下限値を、例えばユーザの入力操作などに応じて予め設定する。この下限値（設定値）は停止部８２に渡されて内部メモリ（図示せず）などに記憶される。
容量モニタ８４は、蓄電池６の蓄電容量をモニタする。電流センサ８５は、蓄電池６から負荷７に流れる電流値を検知する。
計算部８３は、容量モニタ８４により取得された蓄電池６の蓄電容量と、電流センサ８５により取得された電流値とに基づいて、蓄電池６の残り放電可能時間を計算する。この計算された値は停止部８２に渡される。

停止部８２は、残り放電可能時間の設定値（設定部８１から）と、計算値（計算部８３から）とを比較する。比較の結果、設定値≧計算値であれば停止部８２はアシストモードを終了させる。つまり、アシストモードがスケジューラ８６により開始されてから残り放電可能時間が既定の下限値に達すると、停止部８２はアシストモード停止信号（ｃ）を無停電電源装置２に出力する。次に、上記構成における作用を説明する。

図２は、図１に示される無停電電源システムの動作を説明するためのタイムチャートである。図２において、負荷７は例えば一定の負荷電力（ｅ）で動作しているとする。このときの負荷電力をＰｌｏａｄと表記する。このとき無停電電源装置２は、負荷容量（Ｐｌｏａｄ）見合いで設定された入力電力Ｐｉｎ１で運転されている。

この状態からアシスト時刻ｔ１が到来すると、無停電電源装置２にアシストモード指令信号（ｂ）が与えられる。これによりアシストモードが開始され、無停電電源装置２は系統１からの受電量を例えばＰｉｎ２にまで絞り込み、蓄電池６は放電モードで動作し、（Ｐｉｎ１−Ｐｉｎ２）に相当するバックアップ電力を負荷７に供給する。

アシストモードにおいて、コントローラ８は蓄電池６の残り放電可能時間を逐次、計算する。残り放電可能時間が下限値（図２に示されるＣｌｏｗ）に達すると、停止部８２はその時点（時刻ｔ２）でアシストモード停止信号（ｃ）を出力し、アシストモード指令信号（ｂ）を解除する（Ｐｉｎ２値解除指令）。これにより整流器３への入力電力、すなわち系統１からの受電量（ｄ）は再びＰｉｎ１に戻る。ｔ１が予め設定された時刻であるのに対し、ｔ２は蓄電池６の容量やＰｌｏａｄなどにより変動する。

アシストモードは期間（ｔ１〜ｔ２）にわたって継続され、この期間において、無停電電源システムの入力電力を低減できる。

次にコントローラ８は、図２に示される時刻ｔ３が到来すると無停電電源装置２に通常運転信号を出力し、負荷電力見合モード指令信号（ａ）を解除する。そうするとＰｉｎ１が解除され（Ｐｉｎ１値解除指令）、蓄電池６の充電が通常の整流器３の能力分で開始される。

蓄電池６の容量が１００％となると（図２に示される時刻ｔ４）、コントローラ８は、負荷電力見合モード指令信号を無停電電源装置２に与え、整流器３への入力電力をＰｉｎ１に戻すように制御する（Ｐｉｎ１値指令）。これにより受電量は再びＰｉｎ１になり、負荷電力に応じた運転が開始される。

このとき、電力需要がピークとなる時間帯に合わせてｔ１を設定し、電力需要の低下する時間帯に合わせてｔ３を設定することで、電力のピークカットを実現することができる。

以上述べたように、この実施形態では、急速充電の可能な蓄電池６（リチウムイオン電池など）を無停電電源装置２に接続し、その蓄電池６の放電タイミングおよび充電タイミングを制御することで、無停電電源システム２への入力電力、つまり系統１からの受電量を或る一定期間にわたって低減できるようにしている。これにより需要家設備全体の電力がピークになる時間帯に蓄電池６からのバックアップ電力でアシストすることで、需要家設備全体のピーク電力を抑制することが可能になる。

また、リチウムイオン電池などの急速充電が可能な蓄電池６を無停電電源装置２と組み合わせ、その蓄電池６の能力を最大限に発揮するシステムを構築することができる。

これらのことから、電力のピークカット機能を備えた無停電電源システムとそのコントローラおよび制御方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…系統、２…無停電電源装置（ＵＰＳ）、３…整流器、４…インバータ、５…チョッパ、６…蓄電池、７…負荷、８…コントローラ、８１…設定部、８２…停止部、８３…計算部、８４…容量モニタ、８５…電流センサ、８６…スケジューラ

Claims (12)

1. 交流系統に接続された交流電力を直流電力に変換する整流部と、
   前記整流部の直流側に接続された充放電可能な蓄電部と、
   前記整流部の直流側に接続された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
   前記蓄電部の放電を制御して前記交流系統からの受電量を削減するアシスト制御部と、
   アシスト制御時における前記蓄電部の残り放電可能時間を逐次計算する計算部と、
   前記残り放電可能時間が既定の下限値に達すると前記アシスト制御を終了させる停止部とを具備する、無停電電源システム。
2. 前記計算部は、
   前記蓄電部の蓄電容量をモニタする容量モニタと、
   前記蓄電部から流れる電流値を検知するセンサとを備え、
   前記蓄電容量および前記電流値に基づいて前記残り放電可能時間を計算する、請求項１に記載の無停電電源システム。
3. さらに、前記下限値をユーザの入力操作に応じて設定する設定部を具備する、請求項１に記載の無停電電源システム。
4. 前記蓄電部は、リチウムイオン電池である、請求項１に記載の無停電電源システム。
5. 交流系統に接続された交流電力を直流電力に変換する整流部と、前記整流部の直流側に接続された充放電可能な蓄電部と、前記整流部の直流側に接続された直流電力を交流電力に変換するインバータ部とを有する無停電電源装置のコントローラであって、
   前記蓄電部の放電を制御して前記交流系統からの受電量を削減するアシスト制御部と、
   アシスト制御時における前記蓄電部の残り放電可能時間を逐次計算する計算部と、
   前記残り放電可能時間が既定の下限値に達すると前記アシスト制御を終了させる停止部とを具備する、コントローラ。
6. 前記計算部は、
   前記蓄電部の蓄電容量をモニタする容量モニタと、
   前記蓄電部から流れる電流値を検知するセンサとを備え、
   前記蓄電容量および前記電流値に基づいて前記残り放電可能時間を計算する、請求項５に記載のコントローラ。
7. さらに、前記下限値をユーザの入力操作に応じて設定する設定部を具備する、請求項５に記載のコントローラ。
8. 前記蓄電部は、リチウムイオン電池である、請求項５に記載のコントローラ。
9. 交流系統に接続された交流電力を直流電力に変換する整流部と、前記整流部の直流側に接続された充放電可能な蓄電部と、前記整流部の直流側に接続された直流電力を交流電力に変換するインバータ部とを有する無停電電源装置をコントローラが制御する方法であって、
   前記コントローラが、前記蓄電部の放電を制御して前記交流系統からの受電量を削減することと、
   前記コントローラが、アシスト制御時における前記蓄電部の残り放電可能時間を逐次計算することと、
   前記コントローラが、残り放電可能時間が既定の下限値に達すると前記アシスト制御を終了させることとを具備する、制御方法。
10. 前記計算することは、
    前記蓄電部の蓄電容量をモニタすることと、
    前記蓄電部から流れる電流値を検知することと、
    前記蓄電容量および前記電流値に基づいて前記残り放電可能時間を計算することとを含む、請求項９に記載の制御方法。
11. さらに、ユーザにより入力された前記下限値を前記コントローラが設定することを含む、請求項９に記載の制御方法。
12. 前記蓄電部は、リチウムイオン電池である、請求項９に記載の制御方法。

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