JP7035758B2 - 電源システム - Google Patents

Description

この発明は、複数台の電源ユニットを備えた電源システムにおいて、何れかの電源ユニットが故障により停止していることを他の電源ユニットが検出して上位に通知することにより、異常判定処理やバックアップ運転を可能にした電源システムに関する。

図５は、並列接続された複数台の電源ユニットを有する電源システムの従来技術であり、特許文献１に記載されているものである。
図５において、１００Ａはマスタとして動作する電源ユニット、１００Ｂはスレーブとして動作する電源ユニット、１０１Ａ，１０１Ｂはコンバータ部、１０２Ａ，１０２Ｂはスイッチング素子Ｑ_１を制御するスイッチング制御回路、１０３Ａ，１０３Ｂはドループ生成回路、１０４Ａ，１０４Ｂは出力電圧検出回路、１０５ＡはＭＣＵ（マスタ）、１０５ＢはＭＣＵ（スレーブ）、１０６Ａ，１０６Ｂは出力電流検出回路、Ｖ_ｉは電源システムの入力電圧、Ｖ_ｏは出力電圧である。

ＭＣＵ（マスタ）１０５Ａは、図６（ａ）に示すように、ＭＣＵ（スレーブ）１０５Ｂに接続された通信部１１１、出力電流取得部１１２、駆動制御部１１３、加算部１１４、台数決定部１１５、過電流保護部１１６及びスイッチ制御部１１７を備え、ＭＣＵ（スレーブ）１０５Ｂは、図６（ｂ）に示すように、ＭＣＵ（マスタ）１０５Ａに接続された通信部１１１、出力電流取得部１１８、過電流保護部１１６及びスイッチ制御部１１７を備えている。

この従来技術では、負荷電流の急増時に必要台数の電源ユニットの起動に遅れが生じて一部の電源ユニットが過電流状態になるのを防止するため、マスタ側のＭＣＵ１０５Ａが図７に示すように動作している。
図７において、ＭＣＵ１０５Ａは、電源ユニット１００Ａの起動後に出力電流取得部１１２を介して自己の出力電流を検出し（ステップＳ１１，Ｓ１２）、電流検出値が閾値以上であれば、他の電源ユニット１００Ｂ等を含む全ユニットを駆動する（ステップＳ１３ＹＥＳ，Ｓ１４）。また、出力電流検出値が閾値未満であれば、他の電源ユニット１００Ｂ等の出力電流を通信部１１１を介して取得し、加算部１１４により自己の出力電流と加算して負荷電流を算出する（ステップＳ１３ＮＯ，Ｓ１５）。
次に、ＭＣＵ１０５Ａは、算出した負荷電流に基づいて電源ユニットの動作台数を決定し、スレーブとしての他の電源ユニット１００Ｂ等を駆動／停止させる（ステップＳ１６，Ｓ１７）。
上記の処理は、電源システム全体の電源がオフされるまで繰り返し実行される。（ステップＳ１８）。

特許第６２０２１９６号公報（段落［００１５］～［００２８］，［００４２］～［００４９］、図１～図３，図８等）

図５～図７に示した従来技術では、例えば、スレーブ側の電源ユニット１００Ｂのコンバータ部１０１Ｂが正常に動作していてもＭＣＵ（スレーブ）１０５Ｂに異常があってコンバータ部１０１Ｂの出力電流検出値をマスタ側の電源ユニット１００Ａが正確に取得できない場合がある。
このような場合には、マスタ側の電源ユニット１００Ａが、各電源ユニットの出力電流検出値に基づく負荷電流の算出や、スレーブ側の電源ユニットの駆動台数の決定等を適切に行うことができなくなり、一部の電源ユニットが過負荷状態になって装置の故障や破壊を招く恐れがあった。

そこで、本発明の解決課題は、複数台の電源ユニットのうちの何れかのユニットの運転停止を、当該停止ユニットからの送信情報に依存することなく判定可能としてその後の異常処理やバックアップ処理等を可能にした電源システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、互いに並列に接続された複数台の電源ユニットにより負荷に電力を供給する電源システムであって、各電源ユニットに対する起動停止指令を送信可能な制御・監視部を備えた電源システムにおいて、
前記電源ユニットは、前記電源システム内の他の電源ユニットの停止を判定する停止判定部をそれぞれ備え、
前記停止判定部は、
自己の電源ユニットの出力を測定したユニット測定値と、前記複数台の電源ユニットによる前記負荷への供給電力を測定した負荷測定値と、を用いて、所定時間内に変化した前記ユニット測定値の比率と前記負荷測定値の比率との偏差を演算し、前記偏差が所定のしきい値を超えた場合に前記他の電源ユニットが停止していることを判定して停止判定信号を前記制御・監視部に送信することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電源システムにおいて、前記他の電源ユニットに対して停止指令を送信していないにも関わらず前記停止判定信号を受信した前記制御・監視部は、前記電源システム内の起動可能な電源ユニットに対して起動指令を送信することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した電源システムにおいて、前記停止判定信号を受信した前記制御・監視部は、前記他の電源ユニットを除く全ての電源ユニットに対して起動指令を送信することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載した電源システムにおいて、前記停止判定信号を受信した前記制御・監視部は、前記他の電源ユニットが故障により停止していることを検出してアラームを発生することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１～４の何れか１項に記載した記載した電源システムにおいて、前記しきい値を、前記所定時間内に変化した前記負荷測定値の比率と前記電源システム内の電源ユニットの全台数とに基づいて設定することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１～５の何れか１項に記載した記載した電源システムにおいて、前記ユニット測定値及び前記負荷測定値が電力または電流であることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１～６の何れか１項に記載した記載した電源システムにおいて、前記電源ユニットが交流／直流変換を行う電力変換器であることを特徴とする。

本発明によれば、故障により停止した電源ユニットが自己の状態を上位の制御・監視部に直接通知できない場合であっても、当該電源ユニットの停止判定信号を他の健全な電源ユニットから制御・監視部に通知することが可能である。これにより、制御・監視部は、故障ユニット以外の電源ユニットを起動させるバックアップ処理やアラーム発生等の異常処理を迅速に行うことができ、一部の電源ユニットが過負荷状態になるのを防止することができる。

本発明の実施形態に係る電源システムの構成図である。 本発明の実施形態における停止判定部及び制御・監視部の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態において、ユニット測定値及び負荷測定値の変動パターンに応じた停止判定部の判定動作の説明図である。 電源ユニットの停止により運転台数が減少した時のユニット測定値、負荷測定値等を示す図である。 特許文献１に記載された電源システムの構成図である。 図５におけるＭＣＵ（マスタ）及びＭＣＵ（スレーブ）の構成図である。 図５におけるＭＣＵ（マスタ）の動作を示すフローチャートである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る電源システムの構成図である。同図において、電源システムＰＳは、三相電力系統４１に接続された変圧器４２の二次側の単相交流電力を直流電力に変換して負荷５０に供給する３台の電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３を備え、これらの電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３は互いに並列に接続されている。
ここで、電源ユニットの台数は任意の複数台であれば良い。

電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３の出力側には、各ユニットの出力電力Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３をそれぞれ測定するユニット出力測定部２１，２２，２３が設けられる。また、全ユニットの出力側の共通接続点と負荷５０との間には、負荷電力（各ユニットの出力電力の合計値）Ｌを測定する負荷測定部２０が設けられる。

電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３には、他の電源ユニットが停止状態であることを判定する停止判定部１１，１２，１３がそれぞれ設けられている。これらの停止判定部１１，１２，１３には、対応するユニット出力測定部２１，２２，２３による電力測定値（以下、ユニット測定値という）Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３と負荷測定部２０による電力測定値（以下、負荷測定値という）Ｌとがそれぞれ入力されている。停止判定部１１，１２，１３は、入力されたユニット測定値及び負荷測定値に基づいて他の電源ユニットが運転を停止していることを判定し、停止判定信号Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２，Ｓ_Ｂ３を生成して上位の制御・監視部３０に送信する。

制御・監視部３０は、電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３に対する動作指令（起動指令または停止指令）Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２，Ｓ_Ａ３を送信可能であると共に、停止判定信号Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２，Ｓ_Ｂ３に基づいてアラームを出力する機能を備えている。

この実施形態では、ユニット出力測定部２１，２２，２３及び負荷測定部２０が電力を測定しているが、それぞれ電流を測定して停止判定部１１，１２，１３における判定処理に用いても良い。

次に、この実施形態の動作を説明する。
図２は、電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３の停止判定部１１，１２，１３及び制御・監視部３０の動作を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、２台の電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２が運転されていて負荷電力を均等に分担しており、残りの電源ユニットＰＳＵ３は制御・監視部３０からの停止指令によりもともと運転を停止しているものとする。
ここでは、図２に基づいて、電源ユニットＰＳＵ１の停止判定部１１の動作を制御・監視部３０の動作と共に説明するが、他の電源ユニットＰＳＵ２の停止判定部１２の動作も同様である。

図２において、電源ユニットＰＳＵ１の停止判定部１１は、まず、時刻ｔ及び過去時刻（ｔ－１）における自己のユニット測定値Ｐ_１の変化の比率と負荷測定値Ｌの変化の比率とをそれぞれ計算する（ステップＳ１）。
ここで、時刻ｔと過去時刻（ｔ－１）とは、１サンプリング周期を隔てた時刻であり、上述したユニット測定値Ｐ_１の変化の比率をＰ_ｔ／Ｐ_ｔ－１とし、負荷測定値Ｌの変化の比率をＬ_ｔ／Ｌ_ｔ－１として表す。
なお、ユニット出力測定部２１，２２，２３及び負荷測定部２０が電流をそれぞれ測定する場合には、停止判定部１１が、時刻ｔ及び過去時刻（ｔ－１）における自己のユニットの出力電流測定値の変化の比率と負荷電流測定値の変化の比率とをそれぞれ計算する。

次に、停止判定部１１は、各測定値の比率の偏差εを以下の数式により計算する（ステップＳ２）。
ε＝（Ｐ_ｔ／Ｐ_ｔ－１）－（Ｌ_ｔ／Ｌ_ｔ－１）
更に、上記偏差εの絶対値｜ε｜が、所定のしきい値ε_ｕを超えたか否かを判断する（ステップＳ３）。このステップＳ３の判断結果に応じて、停止判定部１１は他の電源ユニットＰＳＵ２が停止しているか、あるいは正常に運転されているかを判定する。

以下では、ユニット測定値及び負荷測定値の変動に応じた停止判定部１１の判定動作を、上述した図２と、ユニット測定値及び負荷測定値の様々な変動パターンを示す図３を参照しつつ説明する。

図３（１）は、数式１のように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔまで、自己のユニット測定値Ｐ（Ｐ_１）及び負荷測定値Ｌがほとんど変化していない場合である。

この場合には、他の電源ユニットＰＳＵ２は正常に運転されていると判定し、次のサンプリング時刻まで処理をホールドし、現時点の処理を終了する（ステップＳ３ＮＯ）。

図３（２）は、数式２に示すように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔの間に自己のユニット測定値Ｐ及び負荷測定値Ｌが何れも増加しているが、偏差εの絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えていない場合である。

この場合には、負荷測定値Ｌの増加比率と自己のユニット測定値Ｐの増加比率との間に余り差がないため、他の電源ユニットＰＳＵ２は正常に運転されていると判定し、次のサンプリング時刻まで処理をホールドし、現時点の処理を終了する（ステップＳ３ＮＯ）。

図３（３）は、数式３に示すように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔの間で、負荷測定値Ｌはほとんど変化していないのに対して自己のユニット測定値Ｐが増加しており、偏差εの絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えている場合である（ステップＳ３ＹＥＳ）。

この場合、他の電源ユニットＰＳＵ２が停止した結果、それまで電源ユニットＰＳＵ２が分担していた出力を自己（電源ユニットＰＳＵ１）が補うために自己のユニット測定値Ｐが増加したと考えられる。よって、停止判定部１１は、電源ユニットＰＳＵ２が停止していると判定し、制御・監視部３０に停止判定信号Ｓ_Ｂ１を送信する（ステップＳ４）。

図３（４）は、数式４に示すように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔの間で自己のユニット測定値Ｐ及び負荷測定値Ｌが何れも増加しており、絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えている場合である（ステップＳ３ＹＥＳ）。

この場合は、図３（２）に比べて、自己のユニット測定値Ｐの増加比率が大きくなった結果、偏差εの絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えており、他の電源ユニットＰＳＵ２が停止したためにその分担出力を自己（電源ユニットＰＳＵ１）が補っていると考えられる。従って、停止判定部１１は、電源ユニットＰＳＵ２が停止していると判定し、制御・監視部３０に停止判定信号Ｓ_Ｂ１を送信する（ステップＳ４）。

図３（５）は、数式５に示すように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔの間で自己のユニット測定値Ｐ及び負荷測定値Ｌが何れも減少しているが、偏差εの絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えていない場合である。

この場合には、負荷測定値Ｌの減少比率と自己のユニット測定値Ｐの減少比率との間に余り差がないため、他の電源ユニットＰＳＵ２は正常に運転されていると判定し、次のサンプリング時刻まで処理をホールドし、現時点の処理を終了する（ステップＳ３ＮＯ）。

図３（６）は、数式６に示すように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔの間で、負荷測定値Ｌはほとんど変化していないのに対して自己のユニット測定値Ｐが減少しており、偏差εの絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えている場合である（ステップＳ３ＹＥＳ）。

この場合は、時刻ｔと過去時刻（ｔ－１）との間で他の電源ユニット、例えば電源ユニットＰＳＵ３が制御・監視部３０からの起動指令によって起動された結果、自己（電源ユニットＰＳＵ１）の分担出力が減少したと考えられるため、電源ユニットＰＳＵ２は正常に運転されていると判断することができる。
但し、絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えているため、ステップＳ３の判断結果はＹＥＳとなり、停止判定部１１は停止判定信号Ｓ_Ｂ１を制御・監視部３０に送信する（ステップＳ４）。しかし、時刻ｔ以前には、他の電源ユニットＰＳＵ３に対して停止指令が送られていたはずであるから、図２における後述のステップＳ５の判断はＮＯとなり、結果的に、電源ユニットＰＳＵ２は停止しておらず正常に運転されていると判定される。

図３（７）は、数式７に示すように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔの間で、自己のユニット測定値Ｐ及び負荷測定値Ｌが何れも減少し、偏差εの絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えている場合である（ステップＳ３ＹＥＳ）。

この場合は、図３（５）と比べると、負荷測定値Ｌの減少比率に対して自己のユニット測定値Ｐの減少比率が小さくなっており、他の電源ユニットＰＳＵ２が停止したことにより自己のユニット測定値Ｐの減少（分担出力の減少）が抑制されたと考えられる。
従って、停止判定部１１は、他の電源ユニットＰＳＵ２が停止していると判定し、制御・監視部３０に停止判定信号Ｓ_Ｂ１を送信する（ステップＳ４）。

図３（８）は、数式８に示すように、過去時刻（ｔ－１）から時刻ｔの間で、負荷測定値Ｌが減少しているのに対して自己のユニット測定値Ｐが増加し、絶対値｜ε｜がしきい値ε_ｕを超えている場合である（ステップＳ３ＹＥＳ）。

この場合は、他の電源ユニットＰＳＵ２が停止した結果、電源ユニットＰＳＵ２がそれまで分担していた出力を自己（電源ユニットＰＳＵ１）が補うために自己のユニット測定値Ｐが増加したと考えられる。よって、停止判定部１１は、電源ユニットＰＳＵ２が停止していると判定し、制御・監視部３０に停止判定信号Ｓ_Ｂ１を送信する（ステップＳ４）。

図２のフローチャートにおいて、制御・監視部３０は、他の電源ユニットＰＳＵ２に対して時刻ｔに停止指令を送信していないにも関わらず、電源ユニットＰＳＵ１から、前述した図３（６）のケースを除く停止判定信号Ｓ_Ｂ１を受信した場合（ステップＳ５ＹＥＳ）、その停止判定信号Ｓ_Ｂ１は電源ユニットＰＳＵ２の故障に起因した停止によるものと判定する（ステップＳ６）。
すなわち、図３に示したような各種の変動パターンは通常の起動停止時にも生じ得るが、何れかの電源ユニットに対して停止指令を送信していないにも関わらず、図３（３），（４），……等の変動パターンが発生して電源ユニットＰＳＵ１から停止判定信号Ｓ_Ｂ１を受信した場合には、電源ユニットＰＳＵ２が故障により停止したことを検出するものである。

制御・監視部３０は、停止判定信号Ｓ_Ｂ１により電源ユニットＰＳＵ２の故障による停止を検出したら、他の停止状態にある電源ユニット、例えば電源ユニットＰＳＵ３に対する起動指令Ｓ_Ａ３を生成して電源ユニットＰＳＵ３に送信すると共に、電源ユニットＰＳＵ２の故障を通報するためのアラームを発生する等の処理を実行する（ステップＳ６）。

なお、制御・監視部３０が、時刻ｔに停止指令を送信していないにも関わらず何れかの電源ユニットから停止判定信号を受信した場合には、もともと停止していた健全な全ての電源ユニットに起動指令を送信してこれらを起動することが望ましい。また、健全な電源ユニットが既に全台運転中である場合には、予備の電源ユニットを更に起動するようにしても良い。

以上のように、本実施形態によれば、ある電源ユニットが故障により停止した場合でも、制御・監視部３０は他の健全な電源ユニットからの停止判定信号に基づいて異常を検出可能であるため、その後に健全な電源ユニットを起動させてバックアップ運転を行う等の処理を講じることができる。これにより、運転中の健全な電源ユニットが過負荷になるおそれがなく、電源システムの安全かつ継続的な運転を維持することができる。また、制御・監視部３０からアラームを出力してユーザに保守・点検作業を促すことも可能である。

次に、図４は、ある電源ユニットの停止により運転台数が減少した時のユニット測定値、負荷測定値等を示す図である。この図４において、Ｎは電源システムが有する電源ユニットの全台数であり、２以上の自然数である。

Ｎ台の電源ユニットが負荷電力を均等に分担している状態で、時刻（ｔ－１）と時刻ｔとの間で１台の電源ユニットが停止し、時刻ｔでは運転中の電源ユニットが（Ｎ－１）台に減少したと仮定する。この場合、時刻（ｔ－１），ｔにおけるユニット測定値Ｐ及び負荷測定値Ｌは、負荷測定値Ｌ_ｔ－１，Ｌ_ｔ及び全台数Ｎの関数としてそれぞれ表すことができ、ユニット測定値Ｐの変化の比率（Ｐ_ｔ／Ｐ_ｔ－１）と負荷測定値Ｌの変化の比率（Ｌ_ｔ／Ｌ_ｔ－１）との偏差εは（Ｌ_ｔ／Ｌ_ｔ－１）・｛１／（Ｎ－１）｝となるから、前述した数式１～８の停止判定に用いるしきい値ε_ｕは数式９により設定すれば良い。
［数式９］
ε_ｕ＝（Ｌ_ｔ／Ｌ_ｔ－１）・｛１／（Ｎ－１）｝

本発明は、複数台のスイッチング電源が並列接続された電源システムや、無停電電源装置の直流電源部を構成する電源システムとして利用することができる。

１１，１２，１３： 停止判定部
２０： 負荷測定部
２１，２２，２３：ユニット出力測定部
３０：制御・監視部
４１：三相電力系統
４２：変圧器
５０：負荷
ＰＳ：電源システム
ＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３：電源ユニット

Claims (7)

1. 互いに並列に接続された複数台の電源ユニットにより負荷に電力を供給する電源システムであって、各電源ユニットに対する起動停止指令を送信可能な制御・監視部を備えた電源システムにおいて、
   前記電源ユニットは、前記電源システム内の他の電源ユニットの停止を判定する停止判定部をそれぞれ備え、
   前記停止判定部は、
   自己の電源ユニットの出力を測定したユニット測定値と、前記複数台の電源ユニットによる前記負荷への供給電力を測定した負荷測定値と、を用いて、所定時間内に変化した前記ユニット測定値の比率と前記負荷測定値の比率との偏差を演算し、前記偏差が所定のしきい値を超えた場合に前記他の電源ユニットが停止していることを判定して停止判定信号を前記制御・監視部に送信することを特徴とする電源システム。
2. 請求項１に記載した電源システムにおいて、
   前記他の電源ユニットに対して停止指令を送信していないにも関わらず前記停止判定信号を受信した前記制御・監視部は、前記電源システム内の起動可能な電源ユニットに対して起動指令を送信することを特徴とする電源システム。
3. 請求項２に記載した電源システムにおいて、
   前記停止判定信号を受信した前記制御・監視部は、前記他の電源ユニットを除く全ての電源ユニットに対して起動指令を送信することを特徴とする電源システム。
4. 請求項２または３に記載した電源システムにおいて、
   前記停止判定信号を受信した前記制御・監視部は、前記他の電源ユニットが故障により停止していることを検出してアラームを発生することを特徴とする電源システム。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載した記載した電源システムにおいて、
   前記しきい値を、前記所定時間内に変化した前記負荷測定値の比率と前記電源システム内の電源ユニットの全台数とに基づいて設定することを特徴とする電源システム。
6. 請求項１～５の何れか１項に記載した記載した電源システムにおいて、
   前記ユニット測定値及び前記負荷測定値が電力または電流であることを特徴とする電源システム。
7. 請求項１～６の何れか１項に記載した記載した電源システムにおいて、
   前記電源ユニットが交流／直流変換を行う電力変換器であることを特徴とする電源システム。

Images