(57)【要約】【課題】  ＤＣ−ＤＣコンバータ部全体の損失を低減させることが可能な燃料電池の系統連系インバータを提供する。【解決手段】  ＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、フルブリッジインバータ回路１４と、絶縁トランス１６と、整流回路１７と、平滑回路１８と、絶縁トランス１６の入力電流を監視する比較器１９と、フルブリッジインバータ回路１４を制御するコンバータ制御部２０とを有し、比較器１９は絶縁トランス１６の入力電流が基準値を超えたら信号を出力する。コンバータ制御部２０は、比較器１９の出力信号とＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧情報とを基にフルブリッジインバータ回路１４のスイッチングキャリア周波数を制御し、絶縁トランス１６の入力電流が基準値を超えたらスイッチングキャリア周波数を１キャリア毎に所定値上げ、超えなければ所定値下げる制御を行う。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の直流出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを有し、商用電力系統に連系運転する燃料電池の系統連系インバータであって、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ部は、フルブリッジインバータ回路と、絶縁トランスと、整流回路と、平滑回路と、前記絶縁トランスの入力電流を監視する電流監視部と、前記フルブリッジインバータ回路を制御するコンバータ制御部とを有し、
前記コンバータ制御部は、前記フルブリッジインバータ回路のスイッチングキャリア周波数を制御するスイッチングキャリア周波数制御ブロックと、ＤＣ−ＤＣコンバータ部出力を制御する出力電圧制御ブロックとから成り、
前記スイッチングキャリア周波数制御ブロックは、電流監視部が予め設定された基準値を超える電流を検出したら、前記スイッチングキャリア周波数を上昇させる制御を行うことを特徴とする燃料電池の系統連系インバータ。
【請求項２】
コンバータ制御部は、電流監視部が基準値を超える電流を検出しなければ、スイッチングキャリア周波数を１キャリア毎に予め設定した調整幅分下げる請求項１記載の燃料電池の系統連系インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電電力を交流に変換して商用電力系統に連系させる際に使用する系統連系インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池や太陽光発電による発電電力を交流変換して商用電力系統と連系運転するシステムがＣＯ２削減対策として普及している。このようなシステムでは、発電した直流電圧を昇圧して商用電力に同期した交流電力を生成するために系統連系インバータが使用されているが、この系統連系インバータは、自然エネルギーの有効利用やＣＯ２削減を担うものであることから自身の運転効率の良さが求められている。
系統連系インバータの損失としては、ＤＣ−ＤＣコンバータ部で発生するスイッチング損失、昇圧トランス（絶縁トランス）で発生する鉄損、インバータ回路部で発生するスイッチング損失等があり、例えば特許文献１ではスイッチングキャリア周波数を調整してＤＣ−ＤＣコンバータ部のスイッチング損失の低減を図っている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−８５０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の出力電圧はＤＣ４８Ｖ程度であり、この出力を商用電力系統に連系させる為には、ＤＣ−ＤＣコンバータ部で例えばＤＣ４００Ｖ程度まで昇圧させることになる。燃料電池を連系させる場合はこのように昇圧率が大きい為、ＤＣ−ＤＣコンバータ部には大きな電流が流れ、電流に比例するスイッチング損失はＤＣ−ＤＣコンバータ部で特に大きいものとなっていた。
そのため、上述したようにＤＣ−ＤＣコンバータ部のスイッチングキャリア周波数を下げてスイッチングの回数自体を削減し、スイッチング損失の低減を図っていた。ところが、この場合、周波数を下げ過ぎるとＤＣ−ＤＣコンバータ部に設けられている昇圧トランスが飽和する方向に進むため、大電流が流れて損失が増加すると共に、やがて昇圧できなくなる問題を内在しており、ＤＣ−ＤＣコンバータ部全体の損失の低減については特に考慮が成されていなかった。
【０００５】
そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、昇圧トランスの飽和特性も考慮し、ＤＣ−ＤＣコンバータ部全体の損失を低減させることが可能な燃料電池の系統連系インバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、燃料電池の直流出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを有し、商用電力系統に連系運転する燃料電池の系統連系インバータであって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ部は、フルブリッジインバータ回路と、絶縁トランスと、整流回路と、平滑回路と、前記絶縁トランスの入力電流を監視する電流監視部と、前記フルブリッジインバータ回路を制御するコンバータ制御部とを有し、前記コンバータ制御部は、前記フルブリッジインバータ回路のスイッチングキャリア周波数を制御するスイッチングキャリア周波数制御ブロックと、ＤＣ−ＤＣコンバータ部出力を制御する出力電圧制御ブロックとから成り、前記スイッチングキャリア周波数制御ブロックは、電流監視部が予め設定された基準値を超える電流を検出したら、前記スイッチングキャリア周波数を上昇させる制御を行うことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、絶縁トランス入力電流を比較する基準値を例えば絶縁トランスの許容電流値に設定することで、絶縁トランスの入力電流値からスイッチングキャリア周波数が低い場合に発生する絶縁トランスの飽和を監視でき、スイッチング損失を下げる為にスイッチングキャリア周波数を下げても、絶縁トランスが飽和する事態を防ぐことができる。よって、飽和による大電流が流れて損失が増大することがなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ全体の損失を低減させることができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、コンバータ制御部は、電流監視部が基準値を超える電流を検出しなければ、スイッチングキャリア周波数を１キャリア毎に予め設定した調整幅分下げることを特徴とする。
この構成によれば、常にスイッチングキャリア周波数が低い状態でフルブリッジインバータ回路をスイッチング動作させることができ、スイッチング損失を低減させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、絶縁トランス入力電流を比較する基準値を絶縁トランスの許容電流値に設定することで、絶縁トランスの入力電流値からスイッチングキャリア周波数が低い場合に発生する絶縁トランスの飽和を監視でき、スイッチング損失を下げる為にスイッチングキャリア周波数を下げても、絶縁トランスが飽和する事態を防ぐことができる。よって、スイッチング損失と鉄損の双方を削減でき、ＤＣ−ＤＣコンバータ部の損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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の系統連系インバータの構成を示すブロック図であり、系統連系インバータ１は、燃料電池１０の出力電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータ部２と、昇圧された直流電圧を交流変換するインバータ部３と、波形成形するためのフィルタ部４と、商用電力１１に接続されている負荷１２に対して電力の供給をオン／オフ操作する開閉器部５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２とインバータ部３、そして開閉器部５を制御する制御部６とを備えている。
【００１１】
図２は図１のＤＣ−ＤＣコンバータ部２の回路図を示している。図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、燃料電池１０の出力から高周波交流電圧矩形波を生成する第１〜第４スイッチング素子１５（１５ａ〜１５ｄ）から成るフルブリッジインバータ回路１４と、生成された矩形波を昇圧する昇圧トランスである絶縁トランス１６と、ダイオードブリッジにより全波整流する全波整流回路１７と、コイル１８ａとコンデンサ１８ｂを備えて整流波形を平滑にする平滑回路１８と、絶縁トランス１６の入力電流を検出して予め設定された電流基準値と比較する比較器（電流監視部）１９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧と比較器１９の比較出力情報を基に、各スイッチング素子１５ａ〜１５ｄのオン／オフさせるスイッチングキャリア周波数を制御すると共に、オン／オフのデューティー比を制御するコンバータ制御部２０とを備えている。尚、コンバータ制御部２０は制御部６の一部を構成している。
【００１２】
比較器１９は、電流基準値として、絶縁トランス１６の磁気飽和を考慮した上限許容電流値が設定され、後述する図４（ｃ）に示すような絶縁トランス１６の飽和による大電流が流れた場合に制御部６に信号を出力する。尚、電流基準値としてはＤＣ−ＤＣコンバータ部２の定格電流を若干上回る値としても良い。
【００１３】
コンバータ制御部２０は、具体的に図３の制御構成図に示すように構成され、スイッチング素子１５のオン／オフのデューティー比を制御する出力電圧制御ブロック２０ａと、スイッチングキャリア周波数を制御するスイッチングキャリア周波数制御ブロック２０ｂとから構成されている。出力電圧制御ブロック２０ａは、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧のフィードバック値と出力目標電圧を比較してその差が０に近づくようにＰＩ演算を実施し、リミッタを経由した後、出力キャリア周波数でパルス幅変調し、その出力値でフルブリッジインバータ回路の第１〜第４スイッチング素子をオン／オフ制御する。
【００１４】
そして、スイッチングキャリア周波数制御ブロック２０ｂは、スイッチングキャリア周波数基準値を初期値として比較器１９から信号が出力されないときは１キャリア毎に予め指定された調整幅分、スイッチングキャリア周波数を低くする制御を実施する。そして、絶縁トランス１６が飽和し始めて電流が大きくなり、比較器１９から信号が出力されたら、逆にスイッチングキャリア周波数を調整幅分高くする制御を実施する。
【００１５】
図４はＤＣ−ＤＣコンバータ部２の要部波形図を示し、図４（ａ）はフルブリッジインバータ回路１４のスイッチング素子１５をオン／オフ制御させる制御信号波形、図４（ｂ）は絶縁トランス１６の正常時の入力波形、図４（ｃ）は絶縁トランスの飽和時の入力波形を示している。
上記制御により、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、スイッチングキャリア１回の期間で、図４（ａ）に示すように第１、第４スイッチング素子１５ａ，１５ｄがオン、第２、第３スイッチング素子１５ｂ，１５ｃがオフ、次の期間で反転させて各期間を交互に発生させ、高周波交流電圧矩形波を発生させる。そして、この動作により生じた高周波交流電圧矩形波が絶縁トランス１６で昇圧され、それを全波整流回路１７で全波整流され、平滑回路１８で平滑されて直流昇圧が実施される。
【００１６】
そして、絶縁トランス１６が飽和状態に無い正常な状態では、入力される電圧及び電流波形は図４（ｂ）に示す状態にあり、比較器１９から飽和を通知する信号は出力されない。そのため、１キャリア毎に予め指定された調整幅分、スイッチングキャリア周波数が低くなって行く（制御Ａ）。逆に、絶縁トランス１６が飽和し始めると、電流波形が図４（ｃ）に示すようになるため、比較器１９から信号が出力され、調整幅分スイッチングキャリア周波数を高くする制御が実施される（制御Ｂ）。こうして、制御Ａと制御Ｂの何れかが常に実行されてスイッチングキャリア周波数は絶縁トランス１６が飽和しない下限状態の周波数を維持する。
【００１７】
スイッチング損失について具体的に説明すると、まず第１スイッチング素子１５ａのみでみた場合、第１スイッチング素子１５ａがオンする瞬間に、第２スイッチング素子１５ｂが持つ容量成分を充電するため大電流が第１スイッチング素子１５ａに流れ込む。このときスイッチングオン損失が発生する。また、第１スイッチング素子１５ａがオンからオフに移行するときに、今まで流れていた電流が流れなくなるまでの過渡期の電流がインピーダンスが高くなっている第１スイッチング素子１５ａを流れることで、スイッチングオフ損失が発生する。そして、これらの損失が他の第２〜第４スイッチング素子１５ｂ〜１５ｄにも発生し、この損失は１秒間にスイッチングキャリア周波数回発生する。
従って、昇圧運転目標を満足できる状態で、最も低いスイッチングキャリア周波数で運転した場合が、最もスイッチング損失が少ない運転になる。
【００１８】
そして、絶縁トランス１６は小型化のために高周波絶縁トランスが使用されることになるが、このような絶縁トランスに低い周波数の矩形波を印加すると、直流電圧を印加する時間が長くなるため、トランスが飽和して図４（ｃ）に示すように急激に大きな電流が発生することになる。絶縁トランス１６は、製造上特性誤差（個体差）が大きい為、このような飽和に対して十分余裕有る周波数帯で使用されることになるため、従来はスイッチングキャリア周波数の下限値を限界値に設定することはできなかった。この点、上述した制御により限界値を自動選択して無理なくその周波数で動作させることができる。
【００１９】
このように、絶縁トランス入力電流を比較する基準値を絶縁トランスの許容電流値に設定することで、絶縁トランスの入力電流値からスイッチングキャリア周波数が低い場合に発生する絶縁トランスの飽和を監視でき、スイッチング損失を下げる為にスイッチングキャリア周波数を下げても、絶縁トランスが飽和する事態を防ぐことができ、飽和による大電流が流れて損失が増大することがない。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ全体の損失を低減させることができる。
また、常にスイッチングキャリア周波数が低い状態でＤＣ−ＤＣコンバータをスイッチング動作させることができ、スイッチング損失を低減させることができる。
【００２０】
尚、下げすぎたスイッチングキャリア周波数を高くする分を少しでも早く行う場合は「×Ｋ」の値を１を超える値にすれば良い。また、スイッチングキャリア周波数の小刻みな変動を嫌う場合は、比較器からの信号が出ない状態でのスイッチングキャリア周波数を記憶させ、その周波数で運転を継続させればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る燃料電池の系統連系インバータの実施形態の一例を示す構成図である。
【図２】図１のＤＣ−ＤＣコンバータ部の回路図ある。
【図３】図２のＤＣ−ＤＣコンバータ部の制御構成図である。
【図４】ＤＣ−ＤＣコンバータ部の波形説明図であり、（ａ）はフルブリッジインバータ回路のスイッチング信号、（ｂ）は絶縁トランスの正常時入力波形、（ｃ）は絶縁トランスの飽和時入力波形を示している。
【符号の説明】
【００２２】
１・・系統連系インバータ、２・・ＤＣ−ＤＣコンバータ部、３・・インバータ部、６・・制御部、１０・・燃料電池、１４・・フルブリッジインバータ回路、１５・・スイッチング素子、１６・・昇圧トランス（絶縁トランス）、１７・・全波整流回路、１９・・比較器（電流監視部）、２０・・コンバータ制御部、２０ａ・・出力電圧制御ブロック、２０ｂ・・スイッチングキャリア周波数制御ブロック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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