(57)【要約】【課題】従来の技術は、受電電力を検出していないため、受電電力を制御できない。また、負荷電力をそのまま用いているため、負荷が急峻に変動している場合、燃料電池の燃料が頻繁に変動し、燃料電池の効率が悪くなるおそれがある。【解決手段】受電電力を制御するため、二次電池にてピークカット運転させることにした。また、負荷電力を、受電電力検出値と制御内部の二次電池、発電設備の指令値から演算し、負荷電力にフィルタを入れて燃料電池の指令値作成に用いることにした。【選択図】  図１
2004192899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統と遮断投入手段を介して電気的に接続された第一の電力変換器と、該電力変換器の直流部分に第二の電力変換器を介して接続された燃料電池と、該直流部分に第三の電力変換器を介して接続された二次電池と、該電力変換器の出力する交流電流を検出して電流検出値を出力する電流検出手段と、前記遮断投入手段の系統側交流電圧を検出して電圧検出値を出力する電圧検出手段と、前記燃料電池の出力する電流を検出する燃料電池電流検出手段と、該燃料電池の電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、該二次電池の出力する電流を検出する二次電池電流検出手段と、該二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出手段とを備えた燃料電池システムの運転制御装置において、
前記第一の電力変換器と、該第一の電力変換器と並列に接続された電気的な負荷の両方の電流の合計値を検出する受電電流検出器を前記電力系統に備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
【請求項２】
電力系統と遮断投入手段を介して電気的に接続された第一の電力変換器と、該電力変換器の直流部分に第二の電力変換器を介して接続された燃料電池と、該直流部分に第三の電力変換器を介して接続された二次電池と、該電力変換器の出力する交流電流を検出して電流検出値を出力する電流検出手段と、前記遮断投入手段の系統側交流電圧を検出して電圧検出値を出力する電圧検出手段と、前記燃料電池の出力する電流を検出する燃料電池電流検出手段と、該燃料電池の電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、該二次電池の出力する電流を検出する二次電池電流検出手段と、該二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出手段とを備えた燃料電池システムの運転制御装置において、
前記第一の電力変換器と、電気的な負荷の両方の電流の合計値を検出する受電電流検出器を備え、該受電電流検出器と前記系統側電圧検出器により検出した受電電流と系統電圧から受電電力を演算する第一の電力演算手段を備え、また、前記第一の電力変換器の出力する電力を演算する第二の電力演算手段を備え、前記第一の電力演算手段と前記第二の電力演算手段の出力から前記負荷の消費している負荷電力を演算する手段とを備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムの運転制御装置において、第一の電力変換器の検出された直流電圧値をフィードバック値として用い、電力指令値に一致するように電流指令値を出力する電力調整手段と、前記電流検出値をフィードバック値として用い、該電流指令値に一致するように変換器の出力電圧指令値を出力する電流調整手段と、該出力電圧指令値を入力し変換器を駆動させるためのパルスを出力するパルス出力手段（ＰＷＭ）を備え、該電力指令値に従って系統と電力を充電／放電動作させる制御装置を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムの運転制御装置において、前記第二の電力変換器の制御手段は、電流指令値と燃料電池電流を一致させる電流制御手段を備え、前記第三の電力変換器の制御手段は、電流指令値と二次電池電流を一致させる電流制御手段を備える電力変換装置を有することを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転制御装置において、前記第二の電力変換器の出力電力が該負荷電力に概ね一致するように前記負荷電力検出値から燃料電池の出力する電流指令値を演算する手段を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転制御装置において、前記制御装置は前記負荷電力検出値から平均的な値を求める手段を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転制御装置において、前記負荷電力が増加して該受電電力が受電設定値を越えたときに、前記第二の電力変換器の制御装置は、二次電池から電力を出力する手段を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの効率的な運用を実現するための運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、電気負荷量が増加したとき、燃料電池と負荷間の回路電流の増加から、燃料電池の燃料を増加させ、その遅れ分を二次電池から放電する手段を備えている。すなわち、当文献には、燃料電池を作動させるためのガスポンプや液体ポンプあるいは制御弁等の補機を有し、該補機に商用電源または燃料電子システムから電力を供給して燃料電池への水素ガス供給や燃料電池の冷却あるいは機器の制御を行うように構成された燃料電池システムにおいて、外燃料電池システムが前記補機への電力供給をする前に、商用電源が停電したときは、前記補機への運転電力を燃料電池に接続されている二次電池から供給する燃料電池システムの制御方法が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２‐６３９２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電力系統からの受電電力を検出できるようにした燃料電池システムの運転制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、更に負荷電力を受電電力から演算によって求めることのできる燃料電池システムの運転制御装置を提供することを目的とする。
また、負荷電力をそのまま用い、負荷が急峻に変動している場合、燃料電池の燃料が頻繁に変動し、燃料電池の効率が悪くなるおそれがある。
【０００５】
本発明は、燃料電池出力を負荷に追従させて運転することとした。また、受電電力が所定値以上にならないように二次電池を制御することとした。また、燃料電池と二次電池を効率的に運用するようにした。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、次に示す構成を備える。
電力系統と遮断投入手段を介して電気的に接続された第一の電力変換器と、該電力変換器の直流部分に第二の電力変換器を介して接続された燃料電池と、該直流部分に第三の電力変換器を介して接続された二次電池と、該電力変換器の出力する交流電流を検出して電流検出値を出力する電流検出手段と、前記遮断投入手段の系統側交流電圧を検出して電圧検出値を出力する電圧検出手段と、前記燃料電池の出力する電流を検出する燃料電池電流検出手段と、該燃料電池の電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、該二次電池の出力する電流を検出する二次電池電流検出手段と、該二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出手段とを備えた燃料電池システムの運転制御装置において、前記第一の電力変換器と、該第一の電力変換器と並列に接続された電気的な負荷の両方の電流の合計値を検出する受電電流検出器を前記電力系統に備える。
【０００７】
電力系統と遮断投入手段を介して電気的に接続された第一の電力変換器と、該電力変換器の直流部分に第二の電力変換器を介して接続された燃料電池と、該直流部分に第三の電力変換器を介して接続された二次電池と、該電力変換器の出力する交流電流を検出して電流検出値を出力する電流検出手段と、前記遮断投入手段の系統側交流電圧を検出して電圧検出値を出力する電圧検出手段と、該燃料電池の出力する電流を検出する燃料電池電流検出手段と、該燃料電池の電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、該二次電池の出力する電流を検出する二次電池電流検出手段と、該二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出手段とを備える。
【０００８】
第一の電力変換器の検出された直流電圧値をフィードバック値として用い、電圧指令値に一致するように電流指令値を出力する電力調整手段と、前記電流検出値をフィードバック値として用い、該電流指令値に一致するように変換器の出力電圧指令値を出力する電流調整手段と、該出力電圧指令値を入力し変換器を駆動させるためのパルスを出力するパルス出力手段を備え、該電力指令値に従って系統と電力を充電／放電動作させる制御装置を備える。
【０００９】
また、前記第二の電力変換器の制御手段は、電流指令値と燃料電池電流を一致させる電流制御手段を備え、前記第三の電力変換器の制御手段は、電流指令値と二次電池電流を一致させる電流制御手段を備える電力変換装置を備える。
【００１０】
該第一の電力変換器と前記電力系統に該第一の電力変換器と並列に接続された電気的な負荷の両方の電流の合計値を検出する受電電流検出器を備え、該受電電流検出器と前記系統側電圧検出器により検出した受電電流と系統電圧から受電電力を演算する第一の電力演算手段を備え、また、前記第一の電力変換器の出力する電力を演算する第二の電力演算手段を備え、前記第一の電力演算手段と前記第二の電力演算手段の出力から前記負荷の消費している負荷電力を演算する手段とを備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図１から図１１を用いて説明する。
図１は、本発明による電力変換装置を実現するための一実施例を示している。図１は直流電力を単相の交流電力に、または単相の交流電力を直流電力に変換する機能を持つ電圧型電力変換器の単線結線図を示している。同図において、二次電池Ｂａｔは直流電圧レベルを変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａに接続されている。前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａは、直流電力を交流電力に変換する変換器１−１ｃの直流側コンデンサＣ１に接続され、前記変換器１−１ｃの交流出力端は、高調波除去用の交流フィルタを構成するリアクトルＬ１に接続され、前記リアクトルＬ１は前記交流フィルタを構成するコンデンサＣ２および遮断投入手段ＢＲ１に接続される。遮断投入手段ＢＲ１は電力系統２に接続される。また、遮断投入手段ＢＲ１と電力系統の間には負荷３が接続される。また、変換器１−１ｃの直流側コンデンサＣ１を、燃料電池ＦＣ１とＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ｂを介して接続する。燃料電池ＦＣ１は配管ＰＰ１に接続され、配管ＰＰ１は燃料調整用バルブＶＶ１に接続される。燃料調整用バルブＶＶ１は配管ＰＰ２に接続され、燃料調整用バルブＶＶ１は配管ＰＰ１に流れ込む燃料の流量を調整する。燃料電池ＦＣ１は、例えば燃料に都市ガスを使用し、都市ガスを改質して水素リッチな燃料に変換し、燃料電池ＦＣ１を構成する電池セルにて前記水素リッチなガスと空気の化学反応から直流の電力を発生し前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ｂに入力される。
【００１２】
電力制御器４（電力制御装置）は、電力系統２と負荷３の間の、電力系統側に設置された電流検出器ＣＴ１の受電電流検出値ＩＬ１、電力系統２の電圧を検出するための電圧検出手段ＰＴ１の検出値ＶＬ１、二次電池Ｂａｔの電圧検出値Ｅａを二次電池検出手段によって検出して入力する。また、電力制御器４は、燃料調整用バルブＶＶ１の開度信号ＳＶＶ１を燃料調整用バルブＶＶ１に出力し、また、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａおよび１−１ｂの電流指令値ＩＲＥＦａおよびＩＲＥＦｂを変換器制御装置５に出力する。
【００１３】
変換器制御装置５は、リアクトルＬ１を流れる電流を検出する電流検出器ＣＴ１の検出値Ｉｉｎｖと、電圧検出器ＰＴ１の検出値ＶＬ１と、変換器の直流に設置された前記コンデンサＣ１の電圧検出値Ｅｃと、二次電池Ｂａｔの出力する電流を検出するための電流検出手段ＣＴ２の電流検出値ＩＢＴと、燃料電池Ｂａｔの電流検出器ＣＴ３による電流検出値ＩＦＣと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａおよび１−１ｂの電流指令値ＩＲＥＦａおよびＩＲＥＦｂを入力する。変換器制御装置５は、変換器１−１ｃを駆動させるためのゲート信号ＧＰ０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａを駆動させるためのゲート信号ＧＰａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ｂを駆動させるためのゲート信号ＧＰｂを出力する。
【００１４】
図２は、本実施例の変換器制御装置５の構成を示している。
図２において前記直流電圧検出値Ｅｃは電圧検出器６ａに入力され、前記電圧検出器６ａは、前記直流電圧検出値Ｅｃの電圧レベルを所定の値Ｅｄ０に変換し、直流電圧調整器７に出力する。前記直流電圧調整器７は、比例・積分器で構成され、直流電圧指令値と前記直流電圧検出値Ｅｄ０が一致するように前記変換器１−１ｃの電流指令値Ｉｓｙｓ＊を演算し、前記電流指令値Ｉｓｙｓ＊を連系電流調整器８に出力する。直流電圧Ｅｄ０をフィードバック値として用い、電圧指令値に一致するようにする。また、変換器１−１ｃの出力電流Ｉｉｎｖは電流検出器１１に入力され、前記電流検出器１１は所定の値Ｉｓｙｓに変換し、前記連系電流調整器８に出力する。電流検出値Ｉｉｎｖをフィードバック値として用い、電流指令値Ｉｓｙｓ＊に一致するようにする。
また、位相検出器９は、前記電圧検出値ＶＬ１の位相に追従した振幅“１”の位相信号Ａｓｉｎと、系統電圧の振幅値Ｖｒｍｓを演算して前記系統電流調整器に出力する。
【００１５】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ｂの電流調整器１０ｂは前記燃料電池ＦＣ１の出力する前記電流値ＩＦＣと、電力制御器４から入力される電流指令値ＩＲＥＦｂを入力し、電流調整器１０ｂは電流指令値ＩＲＥＦｂと電流検出値ＩＦＣが一致するようにパルス信号ＧＰｂを出力する。
同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａ電流調整器１０ａは二次電池Ｂａｔの出力する電流検出値ＩＢＴと、前記電力制御装置４から入力される電流指令値ＩＲＥＦａを入力し、前記電流調整器１０ａは前記電流指令値ＩＲＥＦａと前記電流検出値ＩＢＴが一致するようにパルス信号ＧＰａを出力する。
【００１６】
図３は前記連系電流調整器８の構成を示している。
図３において、前記電流指令Ｉｓｙｓ＊と前記位相信号Ａｓｉｎは乗算器Ｐｒ１に入力され、前記乗算器Ｐｒ１はこれら入力値を乗算し、振幅Ｉｓｙｓ＊の正弦波状の電流指令値Ｉａ＊を出力する。前記位相信号Ａｓｉｎが系統電圧のａ相に追従した正弦波に調整されているため、前記電流指令Ｉａ＊はａ相の力率１の電流指令値となる。前記電流指令Ｉａ＊は乗算器Ｐｒ２と減算器ｄｅｆ２に入力され、前記乗算器Ｐｒ２は入力値であるＩａ＊に“−１”を乗じてｂ相の電流指令値Ｉｂ＊を出力する。また、前記減算器ｄｅｆ２は前記電流指令値Ｉａ＊と前記電流検出値のａ相電流Ｉｓｙｓａを入力して差分ｄＩ１を演算し、電流調整器１２ａに出力する。
同様に減算器ｄｅｆ１は前記電流指令値Ｉｂ＊と前記電流検出値のｂ相電流Ｉｓｙｓｂを入力して差分ｄＩ２を演算し、電流調整器１２ｂに出力する。
【００１７】
前記電圧振幅値Ｖｒｍｓは、前記変換器１−１ｃが接続されている系統２での所定の電圧値で、これを指令値として乗算器Ｐｒ３に出力する。前記乗算器Ｐｒ３は、前記電圧振幅検出値Ｖｒｍｓと前記位相信号Ａｓｉｎを乗算し、振幅Ｖｒｍｓの正弦波状の電圧フィードフォワード指令値Ｖａ＊を出力する。前記位相信号Ａｓｉｎが系統電圧のａ相に追従した正弦波に調整されていると、前記電圧フィードフォワード指令Ｖａ＊はａ相の電圧指令値とほぼ一致する。前記電圧フィードフォワード指令Ｖａ＊は乗算器Ｐｒ４と加算器Ａｄ１に入力され、前記乗算器Ｐｒ４は入力値であるＶａ＊に“−１”を乗じてｂ相の電圧フィードフォワード指令値Ｖｂ＊を加算器に出力する。
【００１８】
前記電流調整器１２ａ、１２ｂはそれぞれ入力された差分を零とするようにそれぞれの出力値ＶｉａおよびＶｉｂを調整する。前記各電流調整器１２ａ、１２ｂの各出力値は、加算器Ａｄ１と加算器Ａｄ２にそれぞれ入力され、前記加算器Ａｄ１は前記電圧フィードフォワード指令値Ｖａ＊と前記出力値Ｖｉａを加算した結果Ｖａｏ＊をＰＷＭ演算器ＰＷＭ（パルス出力手段）に出力する。また、前記加算器Ａｄ２は前記電圧フィードフォワード指令値Ｖｂ＊と前記出力値Ｖｉｂを加算した結果Ｖｂｏ＊を前記ＰＷＭ演算器ＰＷＭに出力する。
前記ＰＷＭ演算器ＰＷＭは、入力された各値Ｖａｏ＊およびＶｂｏ＊を、三角波と比較して前記単相インバータを動作させるゲートパルスＧＰ０を前記変換器１−１ｃのゲート回路に出力する。
【００１９】
図４は前記電流調整器１０ａの構成を示している。（ＡＣＲ（二次電池））
図４において、前記電流指令値ＩＲＥＦａと前記電流検出値ＩＢＡＴはそれぞれ減算器ｄｅｆ３に入力され、前記減算器ｄｅｆ３は前記電流指令値ＩＲＥＦａと前記電流検出値ＩＢＡＴの差分を演算し、電流調整器１３ａに出力する。前記電流調整器１３ａは前記入力された差分を零とするように出力デューティ指令値Ｄａ＊を調整し、パルス演算器１４ａに前記出力値Ｄａ＊を出力する。前記パルス演算器１４ａは、入力された値Ｄａ＊を、三角波と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａを動作させるゲートパルスＧＰａを前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ａのゲート回路に出力する。
【００２０】
また、図５は前記電流調整器１０ｂの構成を示している。（チョッパＡＣＲ（燃料電池））
図５において、前記電流指令値ＩＲＥＦｂと前記電流検出値ＩＦＣはそれぞれ減算器ｄｅｆ４に入力され、前記減算器ｄｅｆ４は前記電流指令値ＩＲＥＦｂと前記電流検出値ＩＦＣの差分を演算し、電流調整器１３ｂに出力する。
【００２１】
前記電流調整器１３ｂは入力された差分を零とするようにそれぞれの出力デューティ指令値Ｄｂ＊を調整し、パルス演算器１４ｂに前記出力値Ｄｂ＊を出力する。前記パルス演算器１４ｂは、入力された値Ｄｂ＊を、三角波と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ｂを動作させるゲートパルスＧＰｂを前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１−１ｂのゲート回路に出力する。
【００２２】
図６から図１０は前記電力制御器４の構成を示している。
図６において、電力検出器１５は前記系統電流ＩＬ１と前記系統電圧ＶＬ１を入力し、電流ＩＬ１と電圧ＶＬ１から電力ＰＤを演算し、演算した受電電力演算値ＰＤを電力調整器１６および負荷電力演算器１７に出力する。また、前記二次電池電圧検出値Ｅａは前記負荷電力演算器１７および電池制御器１８に入力される。
【００２３】
前記電池制御器１８は電池残容量演算の機能を持ち、例えば二次電池Ｂａｔの電圧Ｅａと残容量の関係式を用いて電池の残容量Ｗａを演算し、前記電力調整器１６に前記残容量Ｗａを出力する。図では電池制御器１８は電圧のみを取りこんでいるが、二次電池電流を取りこんで、電流積算値から残容量を演算するなどの方法を用いても良い。
【００２４】
図７を用いて、前記電力調整器１６の構成を説明する。前記電力調整器１６は前記受電電力演算値ＰＤと受電電力閾値ＰＤ＊を電池残容量演算値Ｗａを入力する。前記受電電力閾値ＰＤ＊と前記受電電力演算値ＰＤは減算器ｄｅｆ５に入力され、前記減算器ｄｅｆ５は前記受電電力演算値ＰＤと前記受電電力閾値ＰＤ＊の偏差を積分器１９に出力する。
【００２５】
前記積分器１９は、前記偏差を積分し、積分した結果の二次電池電流指令値Ｉｄｂａｔを充放電切替器２０に出力する。前記積分器１９は積分がオーバーフローしないように、リミッタ機能を備えており、前記偏差が正のときのみ（受電電力演算値ＰＤが受電電力閾値ＰＤ＊より大きい時）動作するように、リミッタの下限値は零、上限値は二次電池の出力可能な最大電流値相当に設定される。
【００２６】
また、前記電池残容量演算値Ｗａは、充放電切替判定器２１に入力され、前記充放電切替判定器２１は電池残容量Ｗａが二次電池放電停止容量設定値ＢＬ以下のとき、前記充放電切替器２０の状態が充電電流指令値Ｉｃｂａｔを出力する状態となるように、信号“１”を出力し、前記電池残容量演算値Ｗａが二次電池充電停止容量設定値ＢＨとなるまで信号“１”を保持させ、前記電池残容量演算値Ｗａが前記設定値ＢＨと一致したら前記出力信号を“０”にする。このように出力信号がすぐに“０”にならないようにヒステリシスを持たせることで充電を可能にする。
【００２７】
前記設定値ＢＨにより、充電量を調整可能であり、設定値としては二次電池容量の使用範囲の満充電または充電の余裕を持たせて満充電よりも若干低い値が望ましい。また、この場合、前記設定値ＢＬを変更することで充電の開始時点を早めることができる。
前記設定値ＢＨと前記設定値ＢＬを可変とすることで、夜間充電や、受電電力が小さい時などに充電させるなどの動作や、充電量を調整できる。
【００２８】
図６の前記負荷電力演算器１７は、数１に示す計算により前記負荷３の消費している負荷電力ＰＬを演算し、負荷電力演算値ＰＬをフィルタ２２へ出力する。
【数１】
ＰＬ＝  ＰＤ―（ＩＲＥＦａ×Ｅａ＋ＩＲＥＦｂ×Ｅｂ）      …（数１）
【００２９】
前記フィルタは負荷電力ＰＬの急激な変動成分、すなわち高周波成分を除去した負荷電力演算値ＰＬＦを電力指令値演算器２３に出力する。電力指令値演算器２３は、負荷電力演算値ＰＬの変化に追従した電力指令値Ｐｏｕｔを演算し、遅れ付加器２４および燃料換算器２５に前記電力指令値Ｐｏｕｔを出力する。
【００３０】
以上のように、電力系統２と遮断投入手段ＢＲ１を介して電気的に接続された第一の電力変換器１−１ｃと、電力変換器１−１ｃの直流部分に第二の電力変換器１−１ｂを介して接続された燃料電池ＦＣ１と、該直流部分に第三の電力変換器１−１ａを介して接続された二次電池Ｂａｔと、電力変換器１−１ｃの出力する交流電流を検出して電流検出値を出力する電流検出手段ＣＴ４と、遮断投入手段ＢＲ１の系統側交流電圧を検出して電圧検出値を出力する電圧検出手段ＰＴ１と、燃料電池ＦＣ１の出力する電流を検出する燃料電池電流検出手段ＣＴ３と、燃料電池ＦＣ１の電圧Ｅｂを検出する燃料電池電圧検出手段と、二次電池Ｂａｔの出力する電流を検出する二次電池電流検出手段ＣＴ２と、二次電池Ｂａｔの電圧Ｅａを検出する二次電池電圧検出手段とを備えた燃料電池システムの運転制御装置において、該第一の電力変換器１−１ｃと電力系統２に第一の電力変換器１−１ｃと並列に接続された電気的な負荷３の両方の電流の合計値を検出する受電電流検出器ＩＬ１を備え、受電電流検出器ＩＬ１と系統側電圧検出器ＰＴ１により検出した受電電流と系統電圧から受電電力を演算する第一の電力演算手段を備え、また、前記第一の電力変換器の出力する電力を演算する第二の電力演算手段を備え、前記第一の電力演算手段と前記第二の電力演算手段の出力から負荷３の消費している負荷電力を演算する手段とを備える燃料電池システムの運転制御装置が構成される。
【００３１】
図８を用いて、前記電力指令演算器２３の動作を説明する。
前記燃料電池ＦＣ１の出力可能な電力は投入する燃料量（改質ガス量）によって変化し、例えば、前記燃料調整用バルブＶＶ１を段階的に調整すると、出力可能な電力段階的に変化し、このときの電力の変動幅をｄＰとする。バルブＶＶ１の調整幅を細かくしていけば燃料電池の出力可能電力ｄＰは小さく変化するが、ここでは段階的な調整を例にとって説明する。前記電力指令演算器２３は図８のグラフのように、入力と出力の比が１（傾き１）の線Ｌｎ０に対して、前記電力指令値Ｐｏｕｔが前記線Ｌｎ０を越えないように前記電力指令値Ｐｏｕｔを階段状に変化させる。このときの階段の高さは前記出力変化幅ｄＰで決め、入力値と前記線Ｌｎ０の差が前記変化幅ｄＰ以上となったら、前記電力指令値Ｐｏｕｔを前記変化幅ｄＰだけ増加させる。また、前記電力指令値Ｐｏｕｔの最大値は、燃料電池出力最大容量Ｐｍａｘとなるように制限しておく。
【００３２】
図９に、前記電力演算値ＰＬＦと前記電力指令値Ｐｏｕｔの動作を示す。負荷ＰＬの変動に対して、燃料電池の出力指令値Ｐｏｕｔは前記電力演算値ＰＬＦに追従する。
図６の前記燃料換算器２５は、前記電力指令値Ｐｏｕｔに相当する前記燃料調整用バルブＶＶ１の開度指令ＳＶＶ１を演算し、前記燃料調整用バルブＶＶ１の開度を変化させることで、前記電力指令値Ｐｏｕｔに相当する燃料流量を前記燃料電池に供給する。実際には、燃料流量を変化させても、配管の伝送遅れや、燃料から水素などを製造する改質ガス製造の遅れなどにより、電気的な出力をすぐに増加できない。このため、前記遅れ付加器２４は、上記配管や水素製造などの遅れ分の時間に相当する遅れ時間を、前記電力指令値Ｐｏｕｔに付加し、遅れを付加した電力指令値ＰｏｕｔＤを電流換算器２６に出力する。
前記電流換算器２６は前記電力指令値ＰｏｕｔＤと前記燃料電池電圧Ｅｂを入力し、ＰｏｕｔＤをＥｄで除算して前記燃料電池の電流指令値ＩＲＥＦｂを演算する。
【００３３】
図１０は前記遅れ付加器２４の構成を説明する。
前記遅れ付加器２４に入力された前記電力指令値Ｐｏｕｔは指令値が増加したときは遅れ要素ｄｅｌａｙにより所定時間（燃料増加から発電可能になるまでの遅れ時間に相当する時間）Ｐｏｕｔの変化は遅らされ、逆に前記電力指令値Ｐｏｕｔが減少するときは、遅れ時間を付加しない構成となっている（本実施例では、電力指令値Ｐｏｕｔの減少時には遅れ時間を付加しない構成としたが、遅れ時間を付加してもよく、この場合には、燃料電池出力電力が負荷電力を上回り易くなり、二次電池が充電動作する時間が増加する）。
【００３４】
図１１を用いて、本実施例の電力変換装置の動作を説明する。
前記負荷電力ＰＬと前記電力演算値ＰＬＦと前記電力指令値ＰｏｕｔＤ（Ｐｏｕｔに立ち上がり時の遅れ時間を負荷した信号）の動作は図９で説明したので省略する。前記受電電力閾値ＰＤ＊を例えば０ｋＷに設定した場合、ＰＬとＰｏｕｔの差分は二次電池から供給することになり、ＰＬがＰｏｕｔより大きい場合は二次電池が差分を放電し、受電電力を０ｋＷに維持しようと動作する。逆にＰＬがＰｏｕｔより小さい場合は二次電池が差分を充電（燃料電池から充電）し、受電電力を０ｋＷに維持しようと動作する。
【００３５】
以上のように、次に示す構成を備える燃料電池の運転制御装置が構成される。電力系統２と遮断投入手段ＢＲ１を介して電気的に接続された第一の電力変換器１−１ｃと、電力変換器１−１ｃの直流部分に第二の電力変換器１−１ｂを介して接続された燃料電池ＦＣ１と、直流部分に第三の電力変換器１−１ａを介して接続された二次電池Ｂａｔと、電力変換器１−１ｃの出力する交流電流Ｉｉｎｖを検出して電流検出値を出力する電流検出手段ＣＴ４と、遮断投入手段ＢＲの系統側交流電圧を検出して電圧検出値を出力する電圧検出手段ＰＴ１と、燃料電池ＦＣ１の出力する電流を検出する燃料電池電流検出手段ＣＴ３と、燃料電池ＦＣ１の電圧Ｅｂを検出する燃料電池電圧検出手段と、二次電池Ｂａｔの出力する電流値ＩＢＴ（電流検出値）を検出する二次電池電流検出手段ＣＴ２と、二次電池Ｂａｔの電圧Ｅａを検出する二次電池電圧検出手段とを備えた燃料電池システムの運転制御装置において、第一の電力変換器１−１ｃ検出された直流電圧Ｅｄｏをフィードバック値として用い、電圧指令値に一致するように電流指令値Ｉｓｙｓ＊を出力する電圧調整手段７（電圧制御器）と、前記電流検出値Ｉｉｎｖをフィードバック値として用い、該電流指令値Ｉｓｙｓ＊に一致するように変換機１−１ｃの出力電圧指令値Ｖａｏ＊、Ｖｂｏ＊を出力する電流調整手段１２ａ、１２ｂ（電流調整器）と、該出力電圧指令値を入力し第一の変換器１−１ｃを駆動させるためのパルスＧＰｏを出力するパルス出力手段（ＰＷＭ演算器）を備え、該電流指令値Ｉｓｙｓ＊に従って系統と電力を充電／放電動作させる制御装置を備える。
【００３６】
また、第二の電力変換器１−１ｂの制御手段は、電流指令値ＩＲＥＦ−ｂと燃料電池電流ＩＦＣを一致させる電流制御手段１３ｂ（電流制御器）を備え、第三の電力変換器１−１ａの制御手段は、電流指令値ＩＲＥＦと二次電池電流ＩＢＴを一致させる電流制御手段１３ａを備える電力変換器１−１ａ、１−１ｂ、１−１ｃを備える。
【００３７】
第一の電力変換器１−１ｃと第一の電力変換器１−１ｃに接続された電気的な付加３の両方の電流の合計値を検出する受電電流検出器ＣＴ１を前記電力系統に備え、受電電流検出器ＣＴ１と系統側電圧検出器ＰＴ１により検出した受電電流ＩＬ１と系統電圧ＶＬ１から受電電力ＰＤを演算する第一の電力演算手段１５（電力制御器）を備え、また、第一の電力変換器１−１ｃの出力する電力を演算する第二の演算手段１７（変換器制御器）を備え、第一の電力演算手段１５と第二の電力演算手段１７の出力から前記負荷３の消費している負荷電力を演算する手段４（電力制御器）を備える。
【００３８】
これらの構成によって、受電電力を検出する。これによって、二次電池にてピークカット運転する。
また、負荷電力を、受電電力検出値と制御内部の二次電池、発電設備の指令値から演算する。
また、負荷電力を燃料電池の指令値作成に用いる。
【００３９】
また、発電設備の出力を負荷電力の変動の低周波分に追従させる。
また、燃料増加時の電流指令値の増加に、燃料の配管の遅れなどによるＦＣの発電までの時間遅れを付加する。
また、燃料電池から電流を取り出すための電流制御の指令値に制限を設ける。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、受電電力を検出することができる。これによって、二次電池にてピークカット運転させるため、発電設備の出力遅れにより受電電力が受電許容値を超えるのを防止できる。
本発明によれば、負荷電力を、受電電力検出値と制御内部の二次電池、発電設備の指令値から演算して求めることができる。このため、負荷電力の電流、電圧センサが不要になる。
【００４１】
本発明によれば、負荷電力を燃料電池の指令値作成に用いることができる。このため、二次電池からの電力を分離して、燃料電池を負荷電力に追従させる運転ができる。
本発明によれば、発電設備の出力を負荷電力の変動の低周波分に追従させることができる。このため、二次電池から大電力を長時間出力することがなく、二次電池容量を小さくすることができる。また、負荷変動により燃料を頻繁に増減するのを防止でき、投入した燃料を発電に使用する割合を高め、システムを高効率化できる。
【００４２】
本発明によれば、燃料増加時の電流指令値の増加に、燃料の配管の遅れなどによるＦＣの発電までの時間遅れを付加しているため、燃料が燃料電池に供給されてから電力を出力でき、電極の劣化を防止できる。
本発明によれば、燃料電池から電流を取り出すための電流制御の指令値に制限を設けているため、燃料電池の過負荷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による、電力変換装置の構成図。
【図２】本実施形態による、電力変換装置の制御装置の構成図。
【図３】本実施形態による系統電流調整器の構成図。
【図４】本実施形態による電流調整器の構成図。
【図５】本実施形態による電流調整器の構成図。
【図６】本実施形態による電力制御器の構成図。
【図７】本実施形態による電流調整器の構成図。
【図８】本実施形態による電力指令演算器の構成図。
【図９】本実施形態による電力指令演算器の動作説明図。
【図１０】本実施形態による遅れ付加器の構成図。
【図１１】本実施形態による燃料電池の運転制御装置の動作説明図。
【符号の説明】
１−１ａ、１−１ｂ、１−１ｃ…電力変換器
２…電力系統
３…負荷
４…電力制御器
５…変換器制御器
６…電圧検出器
７…電圧制御連系電流調整位相検出器
１０ａ、１０ｂ…電流調整器
１１…電流検出器
１２ａ、１２ｂ…電流調整器
１３ａ、１３ｂ…電流調整器
１４ａ、１４ｂ…パルス演算器
１５…電力検出器
１６…電力調整器
１７…負荷電力演算器
１８…電池制御器
１９…積分器
２０…充放電切替器
２１…充放電切替判定器
２２…フィルタ
２３…電力指令値演算器
２４…遅れ付加器
２５…燃料換算器
２６…電流換算器
Ｂａｔ…二次電池
ＣＴ１、ＣＴ２、ＣＴ３、ＣＴ４…電流検出器
ＰＰ１、ＰＰ２…配管
ＶＶ１…燃料調整用バルブ
ＳＶＶ１…開度指令
Ｅａ…二次電池電圧検出値
Ｅｂ…燃料電池電圧検出値
Ｅｃ…直流電圧検出値
Ｅｄ０…直流電圧検出値
ＩＦＣ…燃料電池電流検出値
ＩＢＴ…二次電池電流検出値
ＧＰａ…二次電池用コンバータゲート信号
ＧＰｂ…燃料電池用コンバータゲート信号
ＧＰ０…変換器用ゲート信号
ＦＣ１…燃料電池
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ
Ｌ１…リアクトル
ＢＲ１…遮断器
ＰＴ１…電圧検出器
ＩＲＥＦａ…二次電池電流指令値
ＩＲＥＦｂ…燃料電池電流指令値
Ｉｉｎｖ…変換器出力電流検出値
ＶＬ１…系統電圧検出値
ＩＬ１…受電電流検出値
Ｉｓｙｓ…変換器出力電流検出値
Ｉｓｙｓ＊…変換器出力電流指令値
Ｉｓｙｓａ…変換器出力電流検出値ａ相
Ｉｓｙｓｂ…変換器出力電流検出値ｂ相
Ａｓｉｎ…位相信号
Ｖｒｍｓ…系統電圧振幅値
ｄｅｆ１、ｄｅｆ２、ｄｅｆ３、ｄｅｆ４、ｄｅｆ５…減算器
Ｐｒ１、Ｐｒ２、Ｐｒ３…乗算器
Ａｄ１、Ａｄ２…加算器
ｄＩ１、ｄＩ２…電流偏差
Ｖｉａ、Ｖｉｂ…電流調整器出力値
Ｖａ＊、Ｖｂ＊…フィードフォワード指令値
Ｖａ０＊、Ｖｂ０＊…変換器出力電圧指令値
ＰＷＭ…パルス幅変調演算器
Ｄａ＊、Ｄｂ＊…デューティ指令値
ＰＤ＊…受電電力閾値
ＰＤ…受電電力演算値
Ｗａ…二次電池残容量
ＰＬ…負荷電力演算値
ＰＬＦ…負荷電力演算値低周波数成分
Ｐｏｕｔ…電力指令値
ＰｏｕｔＤ…遅れ付加電力指令値
Ｉｃｂａｔ…二次電池充電電流指令値
Ｉｄｂａｔ…二次電池放電電流指令値
ＢＬ…二次電池放電停止容量レベル
ＢＨ…二次電池充電停止容量レベル
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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