特許 7091804 電源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-20

(45)【発行日】2022-06-28

(54)【発明の名称】電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20220621BHJP

   H02M 3/00 20060101ALI20220621BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 H

H02M3/00 W

H02M3/00 C

H02M7/12 W

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018080328

(22)【出願日】2018-04-19

(65)【公開番号】P2019193337

(43)【公開日】2019-10-31

【審査請求日】2021-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091281

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 雄一

(72)【発明者】

【氏名】大井 章弘

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 亮平

【審査官】土井 悠生

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１２７１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２１００１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２０１９８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０３９２１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１９６６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４６１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３０９２４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００７－３３００２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０６０６５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ １／００－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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可能性情報を含む判定信号を生成する動作判定部をそれぞれ備え、
前記動作判定部は、
自己の電源ユニットの出力を測定したユニット測定値の所定時間内の変化率であるユニット測定値変化率と、前記電源ユニットの全台数のうち前記制御・監視部により設定された運転指令台数Ｎ（Ｎは２以上の整数）と（Ｎ－１）との比率である出力増加率と、を算出し、前記ユニット測定値変化率と前記出力増加率との差が所定の判定値以上である時に前記判定信号を前記制御・監視部に送信すると共に、
前記制御・監視部は、前記判定信号の受信時に、前記他の電源ユニットの故障による停止または負荷の変動を検出することを特徴とする電源システム。

【請求項2】

請求項１に記載した電源システムにおいて、
前記制御・監視部は、
前記運転指令台数Ｎのうちの一部の電源ユニットから前記判定信号を受信した時に、当該電源ユニットを除く他の電源ユニットの故障による停止を検出することを特徴とする電源システム。

【請求項3】

請求項２に記載した電源システムにおいて、
前記制御・監視部は、前記他の電源ユニットの故障を検出した時に、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。

【請求項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たことを示すアラームを発生することを特徴とする電源システム。

【請求項5】

請求項１に記載した電源システムにおいて、
前記制御・監視部は、
前記運転指令台数Ｎに等しい台数の電源ユニットから前記判定信号を受信した時に、負荷の変動を検出することを特徴とする電源システム。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

図３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３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。

【0003】

ＭＣＵ（マスタ）１０５Ａは、図４（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４（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。

【0004】

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５に示すように動作している。
図５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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

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

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

図３～図５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。

【0007】

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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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可能性情報を含む判定信号を生成する動作判定部をそれぞれ備え、
前記動作判定部は、
自己の電源ユニットの出力を測定したユニット測定値の所定時間内の変化率であるユニット測定値変化率と、前記電源ユニットの全台数のうち前記制御・監視部により設定された運転指令台数Ｎ（Ｎは２以上の整数）と（Ｎ－１）との比率である出力増加率と、を算出し、前記ユニット測定値変化率と前記出力増加率との差が所定の判定値以上である時に前記判定信号を前記制御・監視部に送信すると共に、
前記制御・監視部は、前記判定信号の受信時に、前記他の電源ユニットの故障による停止または負荷の変動を検出することを特徴とする。

【0009】

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、前記制御・監視部は、前記運転指令台数Ｎのうちの一部の電源ユニットから前記判定信号を受信した時に、当該電源ユニットを除く他の電源ユニットの故障による停止を検出することを特徴とする。

【0010】

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、前記制御・監視部は、前記他の電源ユニットの故障を検出した時に、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。

【0011】

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たことを示すアラームを発生することを特徴とする。

【0012】

請求項５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、前記制御・監視部は、前記運転指令台数Ｎに等しい台数の電源ユニットから前記判定信号を受信した時に、負荷の変動を検出することを特徴とする。

【0013】

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が電力または電流であることを特徴とする。

【0014】

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。

【発明の効果】

【0015】

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情報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。
また、電源ユニットの故障による停止と負荷の変動とを判別可能であるため、故障検出精度を高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係る電源システムの構成図である。

【図2】本発明の実施形態における動作判定部及び制御・監視部の動作を示すフローチャートである。

【図3】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4】図３におけるＭＣＵ（マスタ）及びＭＣＵ（スレーブ）の構成図である。

【図5】図３におけるＭＣＵ（マスタ）の動作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】

【0017】

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。

【0018】

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が接続されている。
また、電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３には、他の電源ユニットが停止していること、または停止している可能性が高いことを判定する動作判定部１１，１２，１３がそれぞれ設けられている。これらの動作判定部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がそれぞれ入力されると共に、後述する制御・監視部３０から運転指令台数Ｎが入力されている。

【0019】

運転指令台数Ｎは、電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２，ＰＳＵ３のうち何台に運転指令が送信されているかを示す数値であり、各ユニットが故障していなければ現在の運転台数に等しい。一般に、電源ユニットの全台数をＮ_ｍとし、少なくとも２台の電源ユニットが並列運転されている場合には、運転指令台数（運転台数）ＮはＮ_ｍ≧Ｎ≧２である。
この実施形態では、２台の電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２が運転されているものとし（すなわち、Ｎ＝２）、残りの電源ユニットＰＳＵ３は、制御・監視部３０から送信された停止指令により停止しているものと仮定する。

【0020】

動作判定部１１，１２，１３は、それぞれに入力されたユニット測定値Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３及び運転指令台数Ｎ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、または停止している可能性が高いことを判定し、これを停止可能性情報として上位の制御・監視部３０に判定信号Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２，Ｓ_Ｂ３を送信可能である。
なお、本実施形態ではユニット出力測定部２１，２２，２３が電力を測定しているが、それぞれ電流を測定して動作判定部１１，１２，１３における判定処理に用いても良い。

【0021】

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、前述の判定信号Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２，Ｓ_Ｂ３に基づいて、電源ユニットが故障により停止していることを判定してアラームを出力する機能を備えている。

【0022】

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の動作判定部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。ここでは、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。
以下、図２に基づいて、電源ユニットＰＳＵ１の動作判定部１１の動作を制御・監視部３０の動作と共に説明する。

【0023】

図２において、電源ユニットＰＳＵ１の動作判定部１１は、過去時刻（ｔ－１）に対する時刻ｔのユニット測定値Ｐ_１の変化率（ユニット測定値変化率）Ｋを算出する（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る。
なお、ユニット出力測定部２１，２２，２３が電流を測定する場合、動作判定部１１は、過去時刻（ｔ－１）及び時刻ｔにおける出力電流測定値に基づいてユニット測定値変化率Ｋを算出する。

【0024】

次に、動作判定部１１は、制御・監視部３０から与えられた運転指令台数Ｎを用いて、数式１により出力増加率Ｘを算出する（ステップＳ２）。
［数式１］
Ｘ＝Ｎ／（Ｎ－１）
この出力増加率Ｘは、仮に１台の電源ユニットが停止した時に、運転中の各電源ユニットが分担する出力が増加する比率に相当する。

【0025】

次いで、動作判定部１１は、数式２に示すごとく、前述したユニット測定値変化率Ｋと出力増加率Ｘとの差の絶対値が所定の判定値ｅｐｓ以上であるか否かを判断する（ステップＳ３）。なお、判定値ｅｐｓは十分に小さい値である。
［数式２］
｜Ｋ－Ｘ｜≧ｅｐｓ

【0026】

例えば、他の電源ユニットＰＳＵ２が故障により停止したか、あるいは、負荷５０の入力電力が大幅に変動（増加または減少）した場合には、自己ユニットＰＳＵ１の分担出力が変化して｜Ｋ－Ｘ｜≧ｅｐｓとなるため（ステップＳ３ＹＥＳ）、動作判定部１１は、他の電源ユニットＰＳＵ２の故障による停止または負荷電力の変動の可能性ありと判定し、判定信号Ｓ_Ｂ１として停止可能性情報を制御・監視部３０に送信する（ステップＳ４）。これに対し、｜Ｋ－Ｘ｜＜ｅｐｓである場合には（ステップＳ３ＮＯ）、他の電源ユニットＰＳＵ２の故障による停止や負荷電力の変動の可能性はないと判断し、処理を終了する。

【0027】

次に、制御・監視部３０は、運転中の電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２のうちの一部、例えば電源ユニットＰＳＵ１から上記の判定信号Ｓ_Ｂ１を受信した場合には（ステップＳ５ＹＥＳ）、他方の電源ユニットＰＳＵ２が異常（故障により停止していること）であると判定する。この場合の電源ユニットＰＳＵ２の異常には、動作判定部１２の故障や電源ユニットＰＳＵ２の本体（交流／直流変換部）の故障によるものを含む。

【0028】

こうして電源ユニットＰＳＵ２の異常を判定した場合には、もともと停止している他の電源ユニット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、電源ユニットＰＳＵ３のように健全な他の電源ユニットが２台以上ある場合には、それらの全てを起動させることが望ましい。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。

【0029】

一方、運転中の全ての電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２から、停止可能性情報としての判定信号Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２を受信した場合（ステップＳ５ＮＯ）、これらの判定信号Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２は、電源ユニットの故障による停止ではなく、負荷電力の変動に起因していると判断して処理を終了する。
つまり、制御・監視部３０は、電源ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２が何れも故障しておらず健全であれば、各ユニットＰＳＵ１，ＰＳＵ２の分担出力が何れもほぼ同じ値だけ変化した結果、判定信号Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２を発生させたと判断するものである。

【0030】

上記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判定信号に基づいて異常を検出可能であり、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と共に、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ができる。

【0031】

更に、制御・監視部３０が運転中の全ての電源ユニットから判定信号を受信した場合には、電源ユニットの故障による停止ではなく、負荷電力の変動によるものであることを判別可能であるから、電源システムの故障検出精度を高めることができる。

【産業上の利用可能性】

【0032】

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。

【符号の説明】

【0033】

１１，１２，１３： 動作判定部
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】