(57)【要約】【課題】燃料電池と蓄電とを組み合わせたシステムにおいて、蓄電池への蓄電と、夜間電力の蓄電による電力ピークシフト、および蓄電システムに蓄積された電力を系統に逆潮流しないようにしながら負荷の大きさが急峻に変動する負荷へのピーク電力供給とを組み合わせたシステムに好適な系統連系形電源システムを提供することにある。【解決手段】燃料電池と、蓄電池と、前記燃料電池と電源系統との間に接続され、直流を交流に変換する第１の電力変換器と、前記燃料電池と前記蓄電池との間に接続され、前記蓄電池の電力を放電し、前記燃料電池と前記蓄電池との間の電力線から前記蓄電池に電力を充電する第２の電力変換器とを備え、前記電力系統に接続された負荷の要求電力が前記燃料電池の発電電力を超えた場合、前記電源系統から電力を前記負荷に供給し、前記電源系統からの電力が予め決められた電力を超えないように前記蓄電池から電力を前記負荷に供給し、前記燃料電池の発電量よりも前記負荷の消費電力が小さいとき前記燃料電池の電力を前記蓄電池に充電する機能を備えた燃料電池システム。【選択図】図１
2004039506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、蓄電池と、前記燃料電池と電源系統との間に接続され、直流を交流に変換する第１の電力変換器と、前記燃料電池と前記蓄電池との間に接続され、前記蓄電池の電力を放電する第２の電力変換器とを備え、前記電力系統に接続された負荷の要求電力が前記燃料電池の発電電力を超えた場合、前記電源系統から電力を前記負荷に供給し、前記電源系統からの電力が予め決められた電力を超えないように前記蓄電池から電力を前記負荷に供給する機能を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、蓄電池と、前記燃料電池と電源系統との間に接続され、直流を交流に変換する第１の電力変換器と、前記燃料電池と前記蓄電池との間に接続され、前記蓄電池の電力を放電し、前記燃料電池と前記蓄電池との間の電力線から前記蓄電池に電力を充電する第２の電力変換器とを備え、前記電力系統に接続された負荷の要求電力が前記燃料電池の発電電力を超えた場合、前記電源系統から電力を前記負荷に供給し、前記電源系統からの電力が予め決められた電力を超えないように前記蓄電池から電力を前記負荷に供給し、前記燃料電池の発電量よりも前記負荷の消費電力が小さいとき前記燃料電池の電力を前記蓄電池に充電する機能を備えた燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記燃料電池の発電電力と前記蓄電手段の出力電力とを直流側で連系する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２において、前記燃料電池の発電電力と前記蓄電手段の出力電力とを電源系統側で個別に連系する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１において、電源系統の電力値、電源系統への交流電力出力値、電源系統からの交流電力入力値、蓄電手段から放電される電力値、蓄電手段に充電される電力値、あるいは各電力値の積算値を計測、もしくは演算する機能を備え、それらの値を表示、もしくは外部からモニタできるようにした燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムと蓄電システムとを併用した系統連系形の電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムは、燃料電池の発電電力を負荷に供給すると共に、余剰電力を電源系統に蓄電できる。一方、電力ピークシフト手段として、蓄電池を用い、電気料金の安い夜間電力を蓄電し、電力の利用度の大きい昼間に使用する蓄電システムが知られている。
【０００３】
分散電源と蓄電とを組み合わせたシステムとして、特開平１０−２０１１２９号公報に記載されているように、太陽光発電の入力に対して開閉器を介して蓄電池を接続し、受電端の電力検出値が所定の値を超えているとき、蓄電池に接続された開閉器をオンし、蓄電池から電力を放電させる方式がある。これにより、受電端の電力が所定の値を超えないようにする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本方式では、太陽光発電の直流電力と蓄電池の直流電力とを、同じ電力変換器で交流電力に変換して電源系統に出力する。このため、分散電源の電力と蓄電池からの放電電力をと独立に制御できず、最大電力追従制御のような太陽光発電に固有な制御と、蓄電池の放電制御とを両立するのが難しいという問題点がある。
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池と蓄電とを組み合わせたシステムにおいて、蓄電池への蓄電と、夜間電力の蓄電による電力ピークシフト、および蓄電システムに蓄積された電力を系統に逆潮流しないようにしながら負荷の大きさが急峻に変動する負荷へのピーク電力供給とを組み合わせたシステムに好適な系統連系形電源システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、燃料電池と、蓄電池と、前記燃料電池と電源系統との間に接続され、直流を交流に変換する第１の電力変換器と、前記燃料電池と前記蓄電池との間に接続され、前記蓄電池の電力を放電する第２の電力変換器とを備え、前記電力系統に接続された負荷の要求電力が前記燃料電池の発電電力を超えた場合、前記電源系統から電力を前記負荷に供給し、前記電源系統からの電力が予め決められた電力を超えないように前記蓄電池から電力を前記負荷に供給する機能を備えた燃料電池システムとすることにより達成される。
【０００７】
また、上記目的は、燃料電池と、蓄電池と、前記燃料電池と電源系統との間に接続され、直流を交流に変換する第１の電力変換器と、前記燃料電池と前記蓄電池との間に接続され、前記蓄電池の電力を放電し、前記燃料電池と前記蓄電池との間の電力線から前記蓄電池に電力を充電する第２の電力変換器とを備え、前記電力系統に接続された負荷の要求電力が前記燃料電池の発電電力を超えた場合、前記電源系統から電力を前記負荷に供給し、前記電源系統からの電力が予め決められた電力を超えないように前記蓄電池から電力を前記負荷に供給し、前記燃料電池の発電量よりも前記負荷の消費電力が小さいとき前記燃料電池の電力を前記蓄電池に充電する機能を備えた燃料電池システムとすることにより達成される。
【０００８】
負荷への電力の供給は基本的に燃料電池が行う。そして、負荷の消費電力が燃料電池の発電量を超えた場合、電力系統から電力を供給する。さらに、蓄電池から放電される電力は、電源系統から負荷に供給される電力が、所定の大きさを超えた場合に、蓄電池から電力を放電し、その放電電力は、電源系統側の電力が、所定の大きさを超えないように制御される。このため、燃料電池発電電力が負荷の消費電力より大きく、蓄電池に蓄電されるような条件では、電源系統側の電力が所定の設定値以下となるため、蓄電池からの放電はない。
【０００９】
また、燃料電池の発電電力と負荷電力との差分が、蓄電池に対して蓄電される。これにより、燃料電池と蓄電池を組み合わせたシステムであっても、燃料電池の発電電力の大きさに係わらず、蓄電池に蓄電される電力は、燃料電池発電電力の余剰分のみとなり、蓄電池に蓄電された電力が系統に逆潮流されることはない。
【００１０】
また、電源系統側の電力を常時監視し、燃料電池発電電力分とは独立して、蓄電池からの放電電力を制御するため、高精度に電源系統の電力ピークを抑制できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１により説明する。電源系統１から負荷３に対して系統電力が供給されている。配線２の分電盤４に電源システム５が接続されており、また、電源システム５は、逆流防止ダイオード８を介して燃料電池７からの発電電力を入力する。電源システム５は、平滑コンデンサ５０１、第１の電力変換器である双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２、蓄電池５０６、第２の電力変換器である双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０５、開閉器５０３、系統電圧検出用トランス５０４、交流電流検出器６からの検出信号と系統電圧検出用トランス５０４からの検出信号とから系統電力を演算する電力検出手段５０７、電力検出手段５０７の演算結果に応じ蓄電池５０６からの放電あるいは充電を制御するための充放電制御手段５０８から構成される。
【００１２】
ここで、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０５は、充放電制御手段５０８の演算結果に基づき、蓄電池５０６からの放電電流や蓄電池５０６への充電電流を制御する。一方、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２は、燃料電池７からの発電電力を交流電力に変換し電源系統１に出力する。また、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２は、平滑コンデンサ５０１の直流電圧Ｖｄｃを調整する機能を持っており、この平滑コンデンサ５０１の直流電圧を調整することで、燃料電池７から最大電力を取り出せるように制御する。なお、この第１の電力変換器５０５は、必ずしも双方向でなくても良い。
【００１３】
分電盤４に設けた交流電流検出器６により検出された電源系統側の交流電流は、電力検出５０７において、系統電圧検出用トランス５０４の検出信号と乗算され、電源系統側の電力検出値となる。充放電制御５０８では、電力検出値の大きさに応じ、蓄電池５０６からの放電電流、あるいは、蓄電池５０６への充電電流を制御する。蓄電池５０６からの放電、あるいは充電は、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０５により実行される。ここで、平滑コンデンサ５０１の直流電圧Ｖｄｃは、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２により、燃料電池７から取り出せる電力が最大になるように調整される。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０５は、調整されたＶｄｃ値に対して、蓄電池５０６からの放電、あるいは充電を行う。
【００１４】
次に、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２の構成を図２に示す。４個のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）をフルブリッジ接続した電力変換器５０２１、交流リアクトル５０２２、フィルタコンデンサ５０２３、電力変換器５０２１の相電流を検出するための電流検出器５０２４、相電流を検出して電力変換器５０２１へのゲートパルス信号を出力する交流電流制御手段５０２５、平滑コンデンサ５０１１，５０１２の直列電圧Ｖｄｃを検出し、その値が所定の値となるように制御する直流電圧制御手段５０２６、電力変換器５０２１の相電流と系統電圧の検出値を用い、電力変換器５０２１から出力あるいは入力する電力を演算する電力演算手段５０２７から構成される。電力変換器５０２１は単相３線出力で、平滑コンデンサ５０１１，５０１２の中点Ｎを単相３線の中点として出力する。
【００１５】
また、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０５の構成を図３に示す。２個のＩＧＢＴをハーフブリッジ接続した電力変換器５０５１、直流リアクトル５０５２、平滑コンデンサ５０５３、電流検出器５０５４、電流制御手段５０５５から構成されている。電流制御手段５０５５は、電力変換器５０５１のゲート信号を制御し、直列接続された平滑コンデンサ５０１１、５０１２と蓄電池５０６との間で、双方向（充電／放電）に電流を制御する。
【００１６】
いま、図１に示す構成において、電源系統１からの配線２に接続された負荷３の電力が、燃料電池７の発電電力より大きい場合、燃料電池７の出力電力は、負荷３で使われ、不足する電力分は、電源系統側１から供給を受ける。電源系統１の電力を検出し、その検出値が所定のしきい値を超えないように、蓄電池５０６の電力を電源系統１に出力することで、負荷３の電力から燃料電池７の発電電力を引いた値がしきい値を超える分だけ、蓄電池５０６から出力することができる。ここで、充放電制御手段５０８は、電力検出手段５０７で検出された電源系統側電力から所定のしきい値を引いた値がゼロになるように、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器を制御して蓄電池５０６からの放電電流を制御する。
【００１７】
一方、燃料電池７の発電電力が負荷３の電力より大きい場合には、負荷で消費される電力に対する余剰分は蓄電池に蓄電される。この場合は、電力検出手段５０７により検出される電源系統側の電力は負の値となり、所定のしきい値以下であるため、蓄電池５０６からの放電は行われない。
【００１８】
このように、電源系統側の電力を検出し、その値に応じて、蓄電池５０６からの放電電力を制御することにより、燃料電池７の発電状態や、負荷３の負荷状態に係わらず、電源系統側の電力を所定のしきい値を超えないように、電力ピーク補償できる。
【００１９】
以上、述べたように、本実施例によれば、燃料電池と蓄電とを組み合わせたシステムにおいて、電源系統１側の電力を交流電流検出器６より検出し、電源系統１の電力が所定の上限値を超えないように、蓄電池５０６からの放電電力を制御する。このため、燃料電池７の発電電力が蓄電されるような場合であっても、蓄電池５０６からの放電は、電源系統１から購入する電力が所定の値以上の場合に行う。この状態では、電力の蓄電はないので、蓄電池５０６からの放電電力が逆潮流されることはない。また、燃料電池７の発電電力が得られる場合でも、負荷電力が大きく購入電力が大きくなる場合には、蓄電池５０６から放電することで、電気料金の安い夜間電力を負荷電力のピーク時に使用することができるという利点もある。
【００２０】
また、電源系統の電力値、電源系統への交流電力出力値、電源系統からの交流電力入力値、蓄電手段から放電される電力値、蓄電手段に充電される電力値を演算し、表示器に表示することで、蓄電池５０６からのピークカット放電運転をモニタすることができ、本システムの導入効果を示すことができる。また、各電力値を積算して電力量として表示することで、月間や年間のピークカット電力量を表示することができる。また、それらの値を外部からモニタできるようにすることで、本システムの導入による改善効果を数値として管理することができる。
【００２１】
本発明による第２の実施例の構成を図４に示す。第１の実施例との相違点は、燃料電池７の出力電圧を、ＤＣ／ＤＣ変換器５０９を用いて昇圧させた出力を、平滑コンデンサ５０１、および双方向ＤＣ／ＤＣに供給していることにある。これにより、燃料電池７の出力電圧が低い場合でも、ＤＣ／ＤＣ変換器５０９により燃料電池電圧を調整し、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２で交流電力に変換できる。これにより、燃料電池発電システムを広い運転領域で稼動させることができる。このとき、蓄電池５０６からの放電電力は、第１の実施例と同様に、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０５により実行される。
【００２２】
以上、本実施例によれば、燃料電池発電システムを広範な運転状態で動作させることができ、蓄電池５０６による電力ピークカット補償の利用範囲を拡大することができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池と蓄電とを組み合わせたシステムにおいて、蓄電池への蓄電と、夜間電力の蓄電による電力ピークシフト、および蓄電システムに蓄積された電力を系統に逆潮流しないようにしながら負荷の大きさが急峻に変動する負荷へのピーク電力供給とを組み合わせたシステムに好適な系統連系形電源システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による構成図。
【図２】双方向ＡＣ／ＤＣ変換器の構成図。
【図３】双方向ＤＣ／ＤＣ変換器の構成図。
【図４】第２の実施例の構成図。
【符号の説明】
１…電源系統、３…負荷、４…分電盤、５…電源システム、６…交流電流検出器、７…燃料電池、５０２…双方向ＡＣ／ＤＣ変換器、５０５…双方向ＡＣ／ＤＣ変換器、５０６…蓄電池、９…表示器。
【図１】
2004039506.tif 000003
【図２】
2004039506.tif 000004
【図３】
2004039506.tif 000005
【図４】
2004039506.tif 000006