(57)【要約】【課題】燃料電池を高効率運転する。【解決手段】発電システム１を構成する系統連系インバータ４の制御部４５を、燃料電池２の物理的諸量に基づき、出力電流指令値ＩＬを演算して求める出力電流指令値演算手段４７と、出力電流指令値ＩＬ及び昇圧コイル電流ｉｌに基づき、昇圧制御信号を生成する昇圧制御信号生成手段４８と、昇圧電圧ｖｏ及びインバータ電流ｉａｃ、並びに昇圧電圧目標値ＶＯに基づき、インバータ制御信号を生成するインバータ制御信号生成手段４９とを備えて構成する。制御部４５によって、昇圧制御信号に基づき、出力電流指令値ＩＬに昇圧コイル電流ｉｌを一致させるように昇圧回路４１を昇圧制御するとともに、インバータ制御信号に基づき、昇圧電圧目標値ＶＯに昇圧電圧ｖｏを一致させるようにインバータ回路４２を周波数変換制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池で生成され所定の出力電流と出力電圧とからなる直流発電電力を商用系統からの商用電力と連系させて負荷に供給する系統連系インバータを備えた燃料電池発電システムであって、
系統連系インバータは、
スイッチング素子のゲート端子に入力される昇圧制御信号に基づき、燃料電池で生成された直流発電電力を所定の直流電力に昇圧する昇圧回路と、
昇圧回路の昇圧動作を制御する制御部と、
燃料電池からの出力電流を検出する出力電流検出手段と、を備えてなり、
制御部は、
燃料電池の燃料供給量、温度及び湿度を含む物理的諸量に基づき、燃料電池が最大発電電力出力状態となる際の電流値を出力電流指令値として演算により求める出力電流指令値演算手段と、
演算して求めた出力電流指令値、及び、出力電流検出手段で検出した出力電流に基づき、昇圧制御信号を生成する昇圧制御信号生成手段と、を備え、
生成された昇圧制御信号に基づき、求めた出力電流指令値に検出した出力電流を一致させるように昇圧回路を昇圧制御する、
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料電池からの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を備えてなり、
出力電流指令値演算手段は、
燃料電池の燃料供給量、温度及び湿度を含む物理的諸量に基づき、燃料電池が最大発電電力出力状態となる際の電圧値を出力電圧指令値として演算により求め、演算して求めた出力電圧指令値、及び、出力電圧検出手段で検出した出力電圧に基づき、出力電流指令値を演算して求める、
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
ブリッジ接続されたスイッチング素子のゲート端子に入力されるインバータ制御信号に基づき、昇圧された直流電力を所定の交流電力に周波数変換するインバータ回路を設けてなり、
昇圧回路から出力される昇圧電圧を検出する昇圧電圧検出手段と、
インバータ回路から出力されるインバータ電流を検出するインバータ電流検出手段と、を有し、
制御部は、
昇圧電圧検出手段で検出した昇圧電圧及びインバータ電流検出手段で検出したインバータ電流、並びに、予め設定した昇圧電圧目標値に基づき、インバータ制御信号を生成するインバータ制御信号生成手段を備え、
生成されたインバータ制御信号に基づき、設定した昇圧電圧目標値に検出した昇圧電圧を一致させるようにインバータ回路を周波数変換制御する、
請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池からの発電電力を商用系統からの商用電力と連系させて負荷に供給する際、燃料電池の最大電力点の変化に応じて出力電流を調整する系統連系インバータと燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池は、ＶＩ特性において、最大電力点以上の電流域では急激に電圧が低下する。したがって、この領域で使用した場合、高価な燃料電池を劣化損壊させる虞れがあった。この問題点を解消する技術として、特許文献１には、ＶＩ特性の最大電力点に追従して燃料電池の出力電流を変動させ、最大電力点以上の電流領域での使用を回避する技術が開示されている。また同様技術として、特許文献２には、電源の出力を検出して最大電力点を求め、その電力時における電流値以下の電流値が出力されるように制御する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１８４９７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２２２８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１、２の技術は、燃料電池の出力電力を最大電力点に追従して変動させるものではあるが、より運転効率を高めることが望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明では上記課題を鑑み、燃料電池の出力電力を最大電力点に追従させながら、燃料電池のさらなる高効率運転を実現する燃料電池発電システムの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池で生成され所定の出力電流と出力電圧とからなる直流発電電力を商用系統からの商用電力と連系させて負荷に供給する系統連系インバータを備えた燃料電池発電システムであって、系統連系インバータが、スイッチング素子のゲート端子に入力される昇圧制御信号に基づき、燃料電池で生成された直流発電電力を所定の直流電力に昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の昇圧動作を制御する制御部と、燃料電池からの出力電流を検出する出力電流検出手段と、を備えてなり、制御部が、燃料電池の燃料供給量、温度及び湿度を含む物理的諸量に基づき、燃料電池が最大発電電力出力状態となる際の電流値を出力電流指令値として演算により求める出力電流指令値演算手段と、演算して求めた出力電流指令値、及び、出力電流検出手段で検出した出力電流に基づき、昇圧制御信号を生成する昇圧制御信号生成手段と、を備え、生成された昇圧制御信号に基づき、求めた出力電流指令値に検出した出力電流を一致させるように昇圧回路を昇圧制御するように構成される。
【０００７】
請求項２の発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池からの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を備えてなり、出力電流指令値演算手段が、燃料電池の燃料供給量、温度及び湿度を含む物理的諸量に基づき、燃料電池が最大発電電力出力状態となる際の電圧値を出力電圧指令値として演算により求め、演算して求めた出力電圧指令値、及び、出力電圧検出手段で検出した出力電圧に基づき、出力電流指令値を演算して求めるように構成される。
【０００８】
請求項３の発明に係る燃料電池発電システムは、ブリッジ接続されたスイッチング素子のゲート端子に入力されるインバータ制御信号に基づき、昇圧された直流電力を所定の交流電力に周波数変換するインバータ回路を設けてなり、昇圧回路から出力される昇圧電圧を検出する昇圧電圧検出手段と、インバータ回路から出力されるインバータ電流を検出するインバータ電流検出手段と、を有し、制御部が、昇圧電圧検出手段で検出した昇圧電圧及びインバータ電流検出手段で検出したインバータ電流、並びに、予め設定した昇圧電圧目標値に基づき、インバータ制御信号を生成するインバータ制御信号生成手段を備え、
生成されたインバータ制御信号に基づき、設定した昇圧電圧目標値に検出した昇圧電圧を一致させるようにインバータ回路を周波数変換制御する、ように構成される。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１、２の発明によれば、出力電流指令値演算手段によって、燃料電池の最大発電電力点に追従するように、物理的諸量の変動に応じて出力電流指令値を増減調整することができ、燃料電池の高効率運転を維持可能となる。また昇圧制御信号生成手段によって、出力電流指令値に近づくように昇圧回路から出力される昇圧電圧を増減調整することができ、よって昇圧回路の昇圧比を大きくした場合であっても、昇圧電圧の変動が少ない安定動作を得ることができる。
【００１０】
請求項３の発明によれば、インバータ制御信号生成手段によって、昇圧電圧の変動に応じてインバータ電流を出力調整できる。よって、昇圧電圧を昇圧電圧目標値にほぼ保ちながら歪みの少ない交流電力を商用系統に接続された負荷に供給でき、燃料電池の高効率運転を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示すシステム構成図である。本発電システム１は、発電系統として所定の出力電流と出力電圧からなる直流発電電力を生成する燃料電池２と、燃料電池２からの直流発電電力を商用系統３からの商用電力に連系させて負荷ＲＬに供給する系統連系インバータ４とから構成されている。
【００１２】
系統連系インバータ４は、燃料電池２で生成された直流発電電力の出力電圧を所定の電圧に昇圧する昇圧回路４１と、昇圧回路４１の後段に設けられ、昇圧された直流電力を商用系統３の商用電力と同様の交流電力に周波数変換するインバータ回路４２と、昇圧回路４１の昇圧動作及びインバータ回路４２の周波数変換動作を制御する制御部４５とから構成されている。
【００１３】
昇圧回路４１は、燃料電池２の正極線に直列に接続された第１リアクトルＬ１及びダイオードＤと、第１リアクトルＬ１及びダイオードＤの連結点ａと燃料電池２の負極線との間に接続され、制御部４５で生成された昇圧制御信号を入力するゲート端子ＣＨを備え、入力された昇圧制御信号に基づきスイッチング動作するスイッチング素子Ｑ０と、ダイオードＤの出力端ｂと負極線との間に接続された平滑用の第１コンデンサＣ１と、を備えて構成されている。
【００１４】
インバータ回路４２は、制御部４５で生成されたインバータ制御信号を入力するゲート端子Ｇ１〜Ｇ４を備え、インバータ制御信号に基づくスイッチング動作によって、昇圧された直流電力を櫛形状の交流電力に変換するようにフルブリッジ接続された４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の出力端に直列接続され、交流波形を所定の電圧に昇圧する第２リアクトルＬ２と、第２リアクトルＬ２の出力端に並列接続された平滑用の第２コンデンサＣ２と、を備えて構成されている。
【００１５】
さらに、昇圧回路４１には、第１リアクトルＬ１を通過する燃料電池２からの出力電流としての昇圧コイル電流ｉｌを検出する出力電流検出手段としての昇圧コイル電流検出手段ＣＳ１が設けられている。また昇圧回路４１とインバータ回路４２との間には、昇圧回路４１から出力される昇圧電圧ｖｏを検出する昇圧電圧検出手段６２が設けられている。またインバータ回路４２には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から第２リアクトルＬ２を通過して出力されるインバータ電流ｉａｃを検出するインバータ電流検出手段ＣＳ２が設けられている。
【００１６】
制御部４５は、燃料電池２の燃料供給量、並びに燃料電池の設置環境における温度及び湿度を含む物理的諸量に基づき、燃料電池２が最大発電電力出力状態となる際の電流値を出力電流指令値ＩＬとして演算により求める出力電流指令値演算手段４７と、演算して求めた出力電流指令値ＩＬ、及び、昇圧コイル電流検出手段ＣＳ１で検出した昇圧コイル電流ｉｌに基づき、スイッチング素子Ｑ０のゲート端子ＣＨに入力される所定の周波数及びパルス幅を備えた昇圧制御信号を生成する昇圧制御信号生成手段４８と、昇圧電圧検出手段６２で検出した昇圧電圧ｖｏ及びインバータ電流検出手段ＣＳ２で検出したインバータ電流ｉａｃ、並びに予め設定した昇圧電圧目標値ＶＯに基づき、インバータ制御信号を生成するインバータ制御信号生成手段４９とを備えて構成されている。
【００１７】
図２のように、昇圧制御信号生成手段４８は、出力電流指令値演算手段４７で求めた出力電流指令値ＩＬと昇圧コイル電流検出手段ＣＳ１で検出した昇圧コイル電流ｉｌとの偏差を演算する第１加減算器５６と、この偏差に対して比例及び積分制御についての演算を行う第１ＰＩ演算器５７と、第１ＰＩ演算器５７の演算結果に基づき所定の周波数及びパルス幅の昇圧制御信号を成形して昇圧回路４１に出力する昇圧制御信号成形器５８と、を備えて構成されている。
【００１８】
また、図３のように、インバータ制御信号生成手段４９は、昇圧電圧検出手段６２で検出した昇圧電圧ｖｏと予め設定した昇圧電圧目標値ＶＯとの偏差を演算する第２加減算器６５と、この偏差に対して比例及び積分制御についての演算を行う第２ＰＩ演算器６６と、第２ＰＩ演算器６６の演算結果と商用電力に同期する位相波形とを乗算する同期乗算器６７と、同期結果とインバータ電流検出手段ＣＳ２で検出したインバータ電流ｉａｃとの偏差を演算する第３加減算器６８と、この偏差に対して比例及び積分制御についての演算を行う第３ＰＩ演算器６９と、第３ＰＩ演算器６９の演算結果に基づき所定の周波数及びパルス幅のインバータ制御信号を成形してインバータ回路４２に出力するインバータ制御信号成形器７０と、を備えて構成されている。
【００１９】
制御部４５は、出力電流制御プログラムによって、昇圧制御信号生成手段４８及びインバータ制御信号生成手段４９を、昇圧回路４１及びインバータ回路４２に協働させるように構成されている。そして、生成された昇圧制御信号に基づき、出力電流指令値ＩＬに昇圧コイル電流ｉｌを一致させるように昇圧回路４１を昇圧制御するとともに、生成されたインバータ制御信号に基づき、昇圧電圧目標値ＶＯに昇圧電圧ｖｏを一致させるようにインバータ回路４２を周波数変換制御する。
【００２０】
次に、上記構成の系統連系インバータ４による出力電流制御処理Ｓ１を説明する。
出力電流制御プログラムの起動によって、制御部４５は、昇圧制御信号生成手段４８において、燃料電池２の燃料供給量、温度及び湿度を含む物理的諸量に基づき、燃料電池２のＶＩ特性を参照して、燃料電池２が最大発電電力出力状態となる際の電流値を出力電流指令値ＩＬとして演算により求め、記憶手段であるいわゆるメモリの所定領域に読み書き自在に格納する。またインバータ制御信号生成手段４９においては、昇圧電圧目標値ＶＯが、所定の電圧値として予め設定され同様にメモリに格納される。
次に、昇圧コイル電流検出手段ＣＳ１で検出した昇圧コイル電流ｉｌ、昇圧電圧検出手段６２で検出した昇圧電圧ｖｏ、及びインバータ電流検出器ＣＳ２で検出したインバータ電流ｉａｃを、ＡＤコンバータ等を介して所定のデータ形式で取り込む。
【００２１】
昇圧制御信号生成手段４８において、第１加減算器５６では、メモリに格納された出力電流指令値ＩＬと昇圧コイル電流ｉｌとの偏差を演算する。第１演算器５７でこの偏差に対して比例及び積分制御についてのＰＩ演算を行う。そして昇圧制御信号成形手段５８によって、その演算結果と所定周波数の三角波とを比較器により合成し、出力電流指令値ＩＬの大きさに応じたパルス幅の昇圧制御信号を成形して昇圧回路４１に出力する。
【００２２】
またインバータ制御信号生成手段４９において、第２加減算器６５では、昇圧電圧検出手段６２で検出した昇圧電圧ｖｏと予め設定した昇圧電圧目標値ＶＯとの偏差を演算する。第２ＰＩ演算器６６によってこの偏差に対して比例及び積分制御についてのＰＩ演算を行い、同期乗算器６７では第２ＰＩ演算器６６の演算結果と商用電力に同期する位相の正弦波とを乗算する。さらに同期乗算器６７の同期結果と検出したインバータ電流ｉａｃとの偏差を第３加減算器６８によって演算して求め、第３ＰＩ演算器６９によってこの偏差に対してＰＩ演算を行う。そしてインバータ制御信号成形器７０によって、第３ＰＩ演算器６９の演算結果と所定周波数の三角波とを比較器により合成し、昇圧回路４１の出力電圧ｖｏの大きさに応じたパルス幅のインバータ制御信号を成形してインバータ回路４２に出力する。
【００２３】
上記構成の燃料電池発電システム１によれば、出力電流指令値演算手段４７によって、燃料電池２の最大発電電力点に追従するように、物理的諸量の変動に応じて出力電流指令値ＩＬを増減調整することができ、燃料電池２の高効率運転を維持可能となる。また昇圧制御信号生成手段４８によって、出力電流指令値ＩＬに近づくように昇圧回路４１から出力される昇圧電圧ｖｏを増減調整することができ、よって昇圧回路４１の昇圧比を大きくした場合であっても、昇圧電圧ｖｏの変動が少ない安定動作を得ることができる。またインバータ制御信号生成手段４９によって、昇圧電圧ｖｏの変動に応じてインバータ電流ｉａｃを出力調整できる。よって、昇圧電圧ｖｏを昇圧電圧目標値ＶＯにほぼ保ちながら歪みの少ない交流電力を商用系統３に接続された負荷ＲＬに供給でき、燃料電池２の高効率運転を維持できる。
【００２４】
次に、図４は本発明に係る燃料電池発電システムの変更例を示すシステム構成図、図５は昇圧制御信号生成手段の変更例を示すブロック図である。
図４のように、本燃料電池発電システム１０は、第１リアクトルＬ１に入力される燃料電池２からの出力電圧としての昇圧コイル電圧ｖｉを検出する出力電圧検出手段としての昇圧コイル電圧検出手段６４を、図１の発電システム１における昇圧回路４１の前段に設けて構成されている。
【００２５】
また、制御部７５の出力電流指令値演算手段７６は、燃料電池２の燃料供給量、並びに燃料電池の設置環境における温度及び湿度を含む物理的諸量に基づき、燃料電池２が最大発電電力出力状態となる際の電圧値を出力電圧指令値ＶＩとして演算により求める出力電圧指令値演算手段７７と、求めた出力電圧指令値ＶＩと検出した昇圧コイル電圧ｖｉとの偏差を演算する第４加減算器７８と、この偏差に対して比例及び積分制御についての演算を行う第４ＰＩ演算器７９と、を備えて構成されている。昇圧制御信号生成手段８０は、第４ＰＩ演算器７９から出力された演算結果を出力電流指令値ＩＬとして、昇圧コイル電流ｉｌとに基づき、昇圧制御信号を生成する。その他の構成は、図１の発電システム１と同様であり、同一符号の説明については省略する。この発電システム１０によっても、発電システム１と同様の作用効果を得ることができる。
【００２６】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】昇圧制御信号生成手段の構成を示すブロック図である。
【図３】インバータ制御信号生成手段の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムの他の実施形態を示すシステム構成図である。
【図５】昇圧制御信号生成手段の変更例の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２８】
１・・発電機システム、２・・燃料電池、３・・商用系統、４・・系統連系インバータ、４１・・昇圧回路、４２・・インバータ回路、４５・・制御部、４７・・昇圧コイル電流指令値演算手段、４８・・昇圧制御信号生成手段、４９・・インバータ制御信号生成手段、５６・・第１加減算器、５７・・第１ＰＩ演算手段、５８・・昇圧制御信号成形器、６２・・昇圧電圧検出器、６４・・昇圧コイル電圧検出手段、６５・・第２加減算器、６６・・第２ＰＩ演算器、６７・・同期乗算器、６８・・第３加減算器、６９・・第３ＰＩ演算器、７０・・インバータ制御信号成形手段、ＣＳ１・・昇圧コイル電流検出器、ＣＳ２・・インバータコイル電流検出器、ｉｌ・・昇圧コイル電流、ＩＬ・・昇圧コイル電流指令値、ｉａｃ・・インバータ電流としてのインバータコイル電流、Ｑ０〜Ｑ４・・スイッチング素子、ＲＬ・・負荷、ｖｏ・・昇圧電圧、ＶＯ・・昇圧電圧目標値。
【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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