(57)【要約】【課題】システム全体として効率のよい燃料電池用の電力変換装置の提供。【解決手段】燃料電池１３に接続される昇圧回路１５、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力に接続される余剰電力用負荷１９と、昇圧回路１５の出力とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力とを直列接続した状態で、電気的に接続される系統連系用インバータ２１と、系統連系用インバータ出力電流Ｉｉを検出する電流検出器２３と、制御回路２５と、を備え、制御回路２５は、燃料電池１３の出力電力Ｐｆｃよりも、系統連系用インバータ出力電流Ｉｉから求めた系統側負荷電力Ｐｋの方が小さければ、出力電力Ｐｆｃと系統側負荷電力Ｐｋとの電力差ΔＰが、余剰電力用負荷１９に供給されるように、かつ、系統連系用インバータ２１への入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように、余剰電力用負荷１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、昇圧回路１５を制御する。【選択図】図１
2013038052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に電気的に接続される絶縁型の昇圧回路、および絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に電気的に接続される余剰電力用負荷と、
前記昇圧回路の出力と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力とを直列接続した状態で、電気的に接続される系統連系用インバータと、
前記系統連系用インバータの出力に接続され、系統連系用インバータ出力電流（Ｉｉ）を検出する電流検出器と、
前記昇圧回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ、余剰電力用負荷、系統連系用インバータ、および電流検出器と電気的に接続される制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記燃料電池の出力電力（Ｐｆｃ）よりも、前記系統連系用インバータ出力電流（Ｉｉ）から求めた系統側負荷電力（Ｐｋ）の方が小さければ、前記出力電力（Ｐｆｃ）と前記系統側負荷電力（Ｐｋ）との電力差（ΔＰ）が、前記余剰電力用負荷に供給されるように、かつ、前記系統連系用インバータへの入力電圧（Ｖｉ）が所定入力電圧（Ｖｉｓ）となるように、前記余剰電力用負荷、ＤＣ／ＤＣコンバータ、および昇圧回路を制御するようにした電力変換装置。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは昇降圧型である請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記余剰電力用負荷は蓄電部を含む構成を有する請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の余剰電力の処理機能を有する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス等の燃料ガスを改質して得られる水素によって発電する燃料電池発電システムとして、例えば特許文献１に示される燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムの商用電力系統への接続状態を示す回路図を図５に示す。燃料電池１０１は、改質装置（図示せず）により燃料ガスから得られた水素と、空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。発電された電力は、出力線１０３を介して電力変換装置１０５に出力される。なお、電力変換装置１０５は、昇圧コンバータ１０７と系統連系インバータ１０９から構成される。従って、電力変換装置１０５は、燃料電池１０１の電圧を昇圧コンバータ１０７で必要な電圧にまで昇圧され、系統連系インバータ１０９で交流電力（単相３線１００／２００Ｖ）を出力する。この交流電力は、連系リレー１１１を介して商用電力系統１１３に出力される。
【０００３】
さらに、燃料電池システムには、燃料電池１０１の余剰電力を消費するための内部負荷として、電気ヒータ１１５が設けられている。この電気ヒータ１１５は、貯湯タンク１１７内に設けられる。なお、電気ヒータ１１５は、貯湯タンク１１７の代わりに熱回収水経路（図示せず）に設けてもよい。
【０００４】
電気ヒータ１１５は、出力線１０３にヒータ制御回路１１９を介して接続されている。このヒータ制御回路１１９には、出力線１０３、及び商用電力系統１１３の配電線１２１にそれぞれ設けられた電流センサ１２３、１２５が接続される。
【０００５】
ヒータ制御回路１１９は、電流センサ１２３により検出される出力線１０３の電流、及び、電流センサ１２５により検出される配電線１２１の電流に基づき、逆潮流が発生する場合、電気ヒータ１１５に出力線１０３から電流を流して発熱させ、燃料電池１０１の余剰電力を消費する。この電気ヒータ１１５への通電量はスイッチング素子を用いてヒータ制御回路１１９が調整し、余剰電力量に応じて的確な値に制御される。これにより、逆潮流を防止し、かつ、燃料電池１０１を停止させること無く、低負荷に対処できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２１３９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した図５の燃料電池システムによると、余剰電力を電気ヒータ１１５で消費することで、逆潮流の防止と低負荷の対処ができる。ここで、昇圧コンバータ１０７は、系統連系インバータ１０９が必要とする電圧にまで燃料電池１０１の電圧を昇圧している。燃料電池１０１の電圧は、一般に１セル当たりの発電電圧が負荷電流出力時で１Ｖ未満に下がるため、複数のセルを直列接続することにより十数Ｖ程度にしている。そして、系統連系インバータ１０９で上記した交流１００／２００Ｖを出力するためには、昇圧コンバータ１０７は燃料電池１０１の電圧を数１０倍、昇圧する必要がある。従って、昇圧コンバータ１０７の昇圧比が大きいため、その損失が大きくなるという課題があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、システム全体として効率のよい燃料電池用の電力変換装置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】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、燃料電池に電気的に接続される絶縁型の昇圧回路、および絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に電気的に接続される余剰電力用負荷と、前記昇圧回路の出力と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力とを直列接続した状態で、電気的に接続される系統連系用インバータと、前記系統連系用インバータの出力に接続され、系統連系用インバータ出力電流（Ｉｉ）を検出する電流検出器と、前記昇圧回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ、余剰電力用負荷、系統連系用インバータ、および電流検出器と電気的に接続される制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記燃料電池の出力電力（Ｐｆｃ）よりも、前記系統連系用インバータ出力電流（Ｉｉ）から求めた系統側負荷電力（Ｐｋ）の方が小さければ、前記出力電力（Ｐｆｃ）と前記系統側負荷電力（Ｐｋ）との電力差（ΔＰ）が、前記余剰電力用負荷に供給されるように、かつ、前記系統連系用インバータへの入力電圧（Ｖｉ）が所定入力電圧（Ｖｉｓ）となるように、前記余剰電力用負荷、ＤＣ／ＤＣコンバータ、および昇圧回路を制御するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電力変換装置によれば、昇圧回路の出力とＤＣ／ＤＣコンバータの出力とが直列接続され、直列接続された状態で系統連系用インバータに入力される構成としたので、燃料電池の電圧は昇圧回路とＤＣ／ＤＣコンバータにより２段階で昇圧される。従って、それぞれの昇圧比は図５の昇圧コンバータ１０７の昇圧比よりも小さくすることができる。その結果、昇圧回路とＤＣ／ＤＣコンバータの損失が低減され、さらにスイッチング素子の発熱を分散できるので、効率が向上する。
【００１１】
さらに、余剰電力が発生した場合、制御回路は余剰電力（電力差ΔＰ）分をＤＣ／ＤＣコンバータから余剰電力用負荷へ出力するように制御する。そして、昇圧回路の出力にはＤＣ／ＤＣコンバータの出力が直列接続されており、制御回路は系統連系用インバータへの入力電圧（Ｖｉ）が所定入力電圧（Ｖｉｓ）となるように昇圧回路を制御する。従って、昇圧回路の出力電圧は、系統連系用インバータへの入力電圧（Ｖｉ）からＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧分を差し引いた電圧とすればよい。ゆえに、昇圧回路の昇圧比を下げることができ、効率を向上することが可能となる。
【００１２】
これらのことから、システム全体として効率を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック回路図
【図２】本発明の実施の形態１における電力変換装置の基本動作を示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態１における電力変換装置の他の構成のブロック回路図
【図４】本発明の実施の形態２における電力変換装置の余剰電力用負荷のブロック回路図
【図５】従来の燃料電池システムの商用電力系統への接続状態を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態１における電力変換装置の基本動作を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態１における電力変換装置の他の構成のブロック回路図である。なお、図１、図３において、太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。
【００１６】
図１において、電力変換装置１１は、燃料電池１３に電気的に接続される絶縁型の昇圧回路１５、および絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力に電気的に接続される余剰電力用負荷１９と、昇圧回路１５の出力とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力とを直列接続した状態で、電気的に接続される系統連系用インバータ２１と、系統連系用インバータ２１の出力に接続され、系統連系用インバータ出力電流Ｉｉを検出する電流検出器２３と、昇圧回路１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、余剰電力用負荷１９、系統連系用インバータ２１、および電流検出器２３と電気的に接続される制御回路２５と、を備えている。
【００１７】
そして、制御回路２５は、燃料電池１３の出力電力Ｐｆｃよりも、系統連系用インバータ出力電流Ｉｉから求めた系統側負荷電力Ｐｋの方が小さければ、出力電力Ｐｆｃと系統側負荷電力Ｐｋとの電力差ΔＰが、余剰電力用負荷１９に供給されるように、かつ、系統連系用インバータ２１への入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように、余剰電力用負荷１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、および昇圧回路１５とを制御する。
【００１８】
これにより、昇圧回路１５の出力とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力とが直列接続され、直列接続された状態で系統連系用インバータ２１に入力される構成としたので、燃料電池１３の電圧は、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７により２段階で昇圧される。従って、それぞれの昇圧比を小さくすることができる。その結果、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の損失が低減され、さらに両者に内蔵されるスイッチング素子の発熱を分散できるので、効率が向上する。
【００１９】
また、余剰電力が発生した場合、制御回路２５は余剰電力（電力差ΔＰ）分をＤＣ／ＤＣコンバータ１７から余剰電力用負荷１９へ出力するように制御する。そして、昇圧回路１５の出力にはＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力が直列接続されており、制御回路２５は系統連系用インバータ２１への入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように昇圧回路１５を制御する。従って、昇圧回路１５の出力電圧は、系統連系用インバータ２１への入力電圧ＶｉからＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力電圧分を差し引いた電圧とすればよい。ゆえに、昇圧回路１５の昇圧比を下げることができ、効率を向上することが可能となる。
【００２０】
これらのことから、システム全体として効率を向上することができる。
【００２１】
以下、より具体的に本実施の形態１の構成、動作について説明する。
【００２２】
図１において、燃料電池１３は定常発電状態で１０Ｖの直流電圧を発生する。この燃料電池１３からの電力系配線は、電力変換装置１１の正極端子２７と負極端子２９に電気的に接続される。正極端子２７と負極端子２９は電力変換装置１１に内蔵された絶縁型の昇圧回路１５と、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ１７に、それぞれ電気的に接続される。
【００２３】
昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、いずれも入力された燃料電池１３の電圧を昇圧して出力する構成を有し、具体的には、スイッチング素子、トランス、整流ダイオード、フィルタ部品（いずれも図示せず）を備える。そして、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、制御回路２５（詳細は後述する）からの制御信号に応じてスイッチング素子をオンオフ制御することで、所定の電圧（詳細は後述する）を出力する。なお、本実施の形態１ではＤＣ／ＤＣコンバータ１７として、燃料電池１３の電圧を昇圧して出力する昇圧型コンバータを用いている。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力には余剰電力用負荷１９が電気的に接続される。余剰電力用負荷１９は、燃料電池１３で発生した余剰電力を消費するためのもので、ここではヒータを用いた。また、ヒータへの通電をオンオフするためのスイッチ（図示せず）が余剰電力用負荷１９に内蔵される。このスイッチは外部からの信号に応じてオンオフ制御が可能な構成のものであればよく、本実施の形態１ではリレーを用いた。このような構成から、発生した余剰電力は、制御回路２５がスイッチをオンにすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を介してヒータで消費される。なお、ヒータで発生した熱は貯湯タンク内の水を加熱するために用いられる。これにより、余剰電力で温水を作ることができるので、余剰電力を無駄に消費する可能性を低減できる。
【００２５】
余剰電力用負荷１９の電力系配線には、余剰電力用負荷電流検出器３１が接続される。余剰電力用負荷電流検出器３１は余剰電力用負荷１９に流れる電流を検出するものである。余剰電力用負荷電流検出器３１としては、シャント抵抗器やホール素子等を適用することができる。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力は、電力系配線で昇圧回路１５の出力と直列に接続される。従って、図１に示すように、昇圧回路１５の出力とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力とを直列接続した状態で、系統連系用インバータ２１と電気的に接続される構成となる。なお、系統連系用インバータ２１の入力側には、平滑コンデンサ３３が電気的に接続される。
【００２７】
ここで、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の具体的な出力電圧について説明する。系統連系用インバータ２１が、系統電圧と同じ単相交流２００Ｖを出力するためには、制御誤差や系統電圧変動を考慮して、系統連系用インバータ２１の入力電圧Ｖｉを、例えば直流３５０Ｖとする必要がある。そのため、直列接続された昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の合計出力電圧は直流３５０Ｖとなる。従って、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、余剰電力が発生していない場合に、燃料電池１３から出力される直流１０Ｖの電圧を、それぞれ直流１７５Ｖに昇圧する。なお、余剰電力発生時の電圧については後述する。これらのことから、本実施の形態１では、系統連系用インバータ２１の所定入力電圧Ｖｉｓが直流３５０Ｖとなる。
【００２８】
系統連系用インバータ２１は、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７から出力された電圧（所定入力電圧Ｖｉｓ＝直流３５０Ｖ）を、交流２００Ｖの出力電圧Ｖｏに変換して出力する機能を有する。なお、系統連系用インバータ２１には、燃料電池１３で発電した電力を出力したり切断するための連系リレー（図示せず）が内蔵されている。
【００２９】
系統連系用インバータ２１の出力は、電力変換装置１１に設けた２つの出力端子３５、３７と電気的に接続される。また、系統連系用インバータ２１と出力端子３７の間には系統連系用インバータ２１から流れる電流（以下、系統連系用インバータ出力電流Ｉｉという）を検出する電流検出器２３が接続される。電流検出器２３は交流電流を検出するものであればよく、例えば電流トランスやホール素子等が適用できる。
【００３０】
昇圧回路１５、余剰電力用負荷１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、系統連系用インバータ２１、電流検出器２３、および余剰電力用負荷電流検出器３１は制御回路２５と信号系配線で電気的に接続される。さらに、制御回路２５は余剰電力用負荷１９の正極側、および系統連系用インバータ２１の正極入力側とも信号系配線で電気的に接続される。
【００３１】
制御回路２５は、マイクロコンピュータとメモリ等の周辺回路（いずれも図示せず）で構成されている。従って、制御回路２５は、電流検出器２３の出力から系統連系用インバータ出力電流Ｉｉを、余剰電力用負荷電流検出器３１の出力から余剰電力用負荷電流Ｉｆを、それぞれ読み込む。また、本実施の形態１で用いたマイクロコンピュータにはＡ／Ｄコンバータが内蔵されているので、制御回路２５は、余剰電力用負荷１９の正極側の電圧、すなわち余剰電力用負荷電圧Ｖｆと、系統連系用インバータ２１の正極入力側の電圧、すなわち入力電圧Ｖｉとを検出することができる。
【００３２】
さらに、制御回路２５は、スイッチ信号ＳＷにより、余剰電力用負荷１９に内蔵されたスイッチのオンオフを制御する。また、制御回路２５は、昇圧回路制御信号ｃｏｎｔｓを用いて、昇圧回路１５のスイッチング制御を行なうとともに、昇圧回路１５の内部における入出力電圧や電流を検出する。従って、昇圧回路制御信号ｃｏｎｔｓは昇圧回路１５と制御回路２５との間で双方向に送受信される。
【００３３】
同様に、制御回路２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号ｃｏｎｔｄを用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７のスイッチング制御を行なうとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の内部における入出力電圧や電流を検出する。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号ｃｏｎｔｄはＤＣ／ＤＣコンバータ１７と制御回路２５との間で双方向に送受信される。
【００３４】
また、制御回路２５は、系統連系用インバータ制御信号ｃｏｎｔｉを用いて、系統連系用インバータ２１のスイッチング制御を行なうとともに、系統連系用インバータ２１の内部における入出力電圧や電流を検出する。従って、系統連系用インバータ制御信号ｃｏｎｔｉは系統連系用インバータ２１と制御回路２５との間で双方向に送受信される。
【００３５】
電力変換装置１１の出力端子３５、３７には、商用電力系統３９が接続される。商用電力系統３９は、発電所から送電される系統電源４１と、家庭用等の負荷４３を含む。従って、負荷４３へは系統電源４１からの電力と、燃料電池１３で発電した電力が供給される構成となる。
【００３６】
なお、制御回路２５はデータ端子４５を介して、燃料電池制御回路４７とも信号系配線で電気的に接続される。従って、制御回路２５は燃料電池制御回路４７から、様々な燃料電池１３の状態に関するデータや制御指令等をデータ信号ｄａｔａにより受信するとともに、電力変換装置１１の状態に関するデータをデータ信号ｄａｔａにより燃料電池制御回路４７へ送信する。
【００３７】
ここで、燃料電池制御回路４７は、制御回路２５と同様にマイクロコンピュータと周辺回路（いずれも図示せず）で構成される。そして、信号系配線により燃料電池１３と電気的に接続される。従って、燃料電池制御回路４７は、燃料電池１３との間で、燃料電池１３の状態に関する様々なデータ（発電電圧、出力電流、出力電力Ｐｆｃ等）や燃料電池１３への制御指令等を、燃料電池制御信号ｃｏｎｔｆｃにより送受信する。
【００３８】
次に、このような電力変換装置１１の動作について説明する。
【００３９】
燃料電池１３が定常発電を行っている際に、制御回路２５は図示しないメインルーチンから、図２のフローチャートに示すサブルーチンを実行する。ここで、定常発電とは、燃料電池１３が起動時や停止時ではなく、系統電源４１も停電等の異常状態ではない場合の燃料電池１３の発電であると定義する。
【００４０】
図２のサブルーチンが実行されると、制御回路２５は、まず燃料電池１３が現在発電している出力電力Ｐｆｃを、燃料電池制御回路４７からデータ信号ｄａｔａにより読み込む（ステップ番号Ｓ１１）。
【００４１】
次に、制御回路２５は、電流検出器２３の出力より、系統連系用インバータ出力電流Ｉｉを読み込む（Ｓ１３）。ここで、燃料電池１３は定常発電を行っているので、上記したように系統連系用インバータ２１の出力電圧Ｖｏは交流２００Ｖである。従って、制御回路２５は、Ｓ１３で読み込んだ系統連系用インバータ出力電流Ｉｉと、出力電圧Ｖｏ（交流２００Ｖ）を乗ずることにより、現在、燃料電池１３から負荷４３に供給している電力、すなわち系統側負荷電力Ｐｋを求める（Ｓ１５）。
【００４２】
次に、制御回路２５は、出力電力Ｐｆｃと系統側負荷電力Ｐｋとを比較する（Ｓ１７）。もし、出力電力Ｐｆｃが系統側負荷電力Ｐｋより大きくなければ（Ｓ１７のＮｏ）、負荷４３へは燃料電池１３からの発電電力が十分に供給されているので、燃料電池１３の余剰電力は発生していない。この場合は、後述するＳ３３以降の動作を行う。
【００４３】
一方、出力電力Ｐｆｃより系統側負荷電力Ｐｋの方が小さければ（Ｓ１７のＹｅｓ）、負荷４３の消費電力が減ることにより、燃料電池１３の発電電力が負荷４３の消費電力を上回った状態である。ここで、燃料電池１３は、負荷４３の消費電力が変動しても、発電電力を絞るまでに時間がかかるので、燃料電池１３から余剰電力が発生する。そこで、制御回路２５は、この余剰電力を余剰電力用負荷１９で消費するために、以下の動作を行う。
【００４４】
まず、制御回路２５は余剰電力用負荷１９に内蔵されたスイッチをオンにするようスイッチ信号ＳＷを出力する（Ｓ２１）。これを受け、スイッチがオンになる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力が余剰電力用負荷１９のヒータと接続される。
【００４５】
次に、制御回路２５は、電力差ΔＰを、ΔＰ＝Ｐｆｃ−Ｐｋより求める（Ｓ２３）。そして、制御回路２５は、マイクロコンピュータに内蔵したＡ／Ｄコンバータにより余剰電力用負荷電圧Ｖｆを読み込むとともに、余剰電力用負荷電流検出器の出力から余剰電力用負荷電流Ｉｆを読み込む（Ｓ２５）。
【００４６】
次に、制御回路２５は余剰電力用負荷電圧Ｖｆと余剰電力用負荷電流Ｉｆを乗じた値が電力差ΔＰとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７へＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号ｃｏｎｔｄを出力する（Ｓ２７）。これを受け、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は余剰電力用負荷電圧Ｖｆと余剰電力用負荷電流Ｉｆの積が電力差ΔＰとなるように動作する。その結果、余剰電力である電力差ΔＰが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７から余剰電力用負荷１９に供給される。
【００４７】
この動作により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力電圧、すなわち余剰電力用負荷電圧Ｖｆは、余剰電力が発生していない場合の電圧（直流１７５Ｖ）に対し、電力差ΔＰに応じて変化する。そこで、制御回路２５は、変化した分を昇圧回路１５で賄う動作を行う。
【００４８】
具体的には、まず制御回路２５が系統連系用インバータ２１への入力電圧Ｖｉを読み込む（Ｓ２９）。次に、制御回路２５は、入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように昇圧回路制御信号ｃｏｎｔｓを出力する（Ｓ３１）。これを受け、昇圧回路１５は入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように動作する。
【００４９】
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７はＳ２７で余剰電力用負荷電圧Ｖｆと余剰電力用負荷電流Ｉｆの積が電力差ΔＰとなるように制御されているので、入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように制御する動作は昇圧回路１５のみによって行われる。
【００５０】
このような動作により、電力変換装置１１は、余剰電力を消費しつつ、燃料電池１３から負荷４３への発電電力の供給を継続できる。
【００５１】
その後、制御回路２５は、図２のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。メインルーチンは図２のサブルーチンを繰り返し実行するので、電力差ΔＰが変化しても、それに応じた余剰電力の消費を行うことができる。
【００５２】
ここで、具体的な数値例を用いて、Ｓ２３以降の動作を説明する。
【００５３】
燃料電池１３は５００Ｗの電力を発電しているとする。この状態で、負荷４３の消費電力が減少し、３００Ｗになったとする。従って、余剰電力である電力差ΔＰは、ΔＰ＝５００Ｗ−３００Ｗ＝２００Ｗとなる。制御回路２５は、この２００Ｗの電力が余剰電力用負荷１９に供給されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。この際、余剰電力は抵抗成分であるヒータで消費されるので、余剰電力用負荷電圧Ｖｆと余剰電力用負荷電流Ｉｆの値は、両者の積が２００Ｗであれば、どのような値でも構わない。しかし、余剰電力用負荷電圧Ｖｆが高すぎると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の昇圧比が大きくなるため損失が増大する。一方、余剰電力用負荷電流Ｉｆが大きすぎると、電力系配線による抵抗損失が大きくなり、せっかく発電した電力が無駄になる可能性がある。そこで、これらの状況から、本実施の形態１では、余剰電力が発生した際に昇圧比がそれほど大きくならずに、できるだけ余剰電力用負荷電流Ｉｆが小さくなるように、余剰電力用負荷電圧Ｖｆを２００Ｖとする定電圧制御を行う構成とした。これにより、電力差ΔＰが２００Ｗであるので、余剰電力用負荷電流Ｉｆは１Ａとなる。さらに、余剰電力が発生していない場合のＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力電圧が１７５Ｖで、昇圧比が１７．５倍であったものが、余剰電力発生時には昇圧比が２０倍となるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の損失もそれほど大きくならない。
【００５４】
このようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御することで、損失をあまり大きくせずに余剰電力の消費が可能となる。
【００５５】
なお、電力差ΔＰがさらに大きくなると、余剰電力用負荷電圧Ｖｆが２００ＶになるようなＤＣ／ＤＣコンバータ１７の定電圧制御では、余剰電力用負荷電流Ｉｆが大きくなる。そこで、制御回路２５は次のような動作を行ってもよい。まず、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の昇圧比による損失と余剰電力用負荷電流Ｉｆに応じた電力系配線による抵抗損失を求め、予め制御回路２５のメモリに記憶しておく。そして、電力差ΔＰに応じて、昇圧比による損失と抵抗損失の合計が最小になる余剰電力用負荷電圧Ｖｆを求める。このように余剰電力用負荷電圧Ｖｆを決定してＤＣ／ＤＣコンバータ１７を動作させることにより、さらに高効率な電力変換装置１１を実現できる。
【００５６】
ここで、余剰電力用負荷電圧Ｖｆを２００Ｖとした場合の昇圧回路１５の動作について述べる。
【００５７】
余剰電力用負荷電圧Ｖｆが２００Ｖであるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力と直列に接続された昇圧回路１５の出力には、２００Ｖの電圧がオフセットとして印加される。一方、系統連系用インバータ２１への入力電圧Ｖｉは３５０Ｖ（＝所定入力電圧Ｖｉｓ）であるので、制御回路２５が入力電圧Ｖｉを３５０Ｖになるように昇圧回路１５を制御すると、昇圧回路１５は所定入力電圧Ｖｉｓ（＝３５０Ｖ）とＤＣ／ＤＣコンバータ１７によりオフセットされた余剰電力用負荷電圧Ｖｆ（＝２００Ｖ）の差である１５０Ｖを出力するように動作する。その結果、昇圧回路１５の昇圧比は余剰電力が発生していない場合の１７．５倍から１５倍に低下することになる。従って、昇圧回路１５による損失が低減される。
【００５８】
これらのことから、電力変換装置１１を含む燃料電池システム全体としての効率を向上することができる。
【００５９】
ここで、図２のＳ１７に戻り、出力電力Ｐｆｃが系統側負荷電力Ｐｋより大きくない場合（Ｓ１７のＮｏ）、余剰電力は発生していないので、制御回路２５は、余剰電力用負荷１９に内蔵されたスイッチをオフにするようスイッチ信号ＳＷを出力する。これを受け、スイッチはオフになり、余剰電力用負荷１９のヒータに電流が流れない状態となる。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７から余剰電力用負荷１９へ電力が供給されることはなくなる。
【００６０】
次に、制御回路２５は、系統連系用インバータ２１への入力電圧Ｖｉを読み込む（Ｓ３５）。次に、制御回路２５は、入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように昇圧回路制御信号ｃｏｎｔｓとＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号ｃｏｎｔｄを出力する（Ｓ３７）。これを受け、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７は入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓとなるように制御される。
【００６１】
ここで、入力電圧Ｖｉが所定入力電圧Ｖｉｓになれば、昇圧回路１５の出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力電圧は任意に選択できる。しかし、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７における、いずれか一方の昇圧比が大きくなると、損失が大きくなりスイッチング素子の発熱が増える。その結果、スイッチング素子の劣化が進行する可能性がある。
【００６２】
そこで、本実施の形態１では、余剰電力が発生していない時は、制御回路２５は、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の昇圧比が同じになるように制御する。具体的には、それぞれの出力電圧が１７５Ｖ（＝３５０Ｖ／２）になるように制御される。その結果、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の昇圧比はいずれも１７．５倍となり、両者のスイッチング素子の劣化進行を揃えることができる。また、ほぼ同等な両者の発熱が、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７とで分散されるので、放熱効率が向上し、スイッチング素子への負担が軽減される。
【００６３】
その後、制御回路２５は図２のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。上記したように、メインルーチンは図２のサブルーチンを繰り返し実行するので、制御回路２５は、余剰電力が発生すればＳ２１以降の動作を行い、余剰電力が発生しなければＳ３３以降の動作を行う。従って、余剰電力の変化に追従して適切な昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の制御が行なわれる。
【００６４】
以上の構成、動作により、昇圧回路１５の出力にはＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力が直列接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力に余剰電力用負荷１９が接続されるので、余剰電力の発生有無にかかわらず、昇圧回路１５とＤＣ／ＤＣコンバータ１７の昇圧比を小さくでき、システム全体として効率を向上することが可能な電力変換装置を実現できる。
【００６５】
なお、本実施の形態１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の正極出力を昇圧回路１５の負極出力に接続する構成について説明したが、これは逆であってもよい。この場合のブロック回路図を図３に示す。なお、図３において、図１と同じ構成には同じ符号を付してある。図３に示すように、昇圧回路１５の正極出力にＤＣ／ＤＣコンバータ１７の負極出力が接続される。この場合も、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力に余剰電力用負荷１９が接続される。従って、図３の構成としても、動作は図２と同じである。このような構成としても、本実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００６６】
また、本実施の形態１では、余剰電力用負荷１９にスイッチが内蔵される構成について述べたが、この構成に限定されるものではなく、例えばヒータ制御回路を内蔵する構成としてもよい。この場合、制御回路２５は、余剰電力が発生していない時はヒータ制御回路を停止し、余剰電力が発生すればヒータ制御回路を動作させるように制御する。これにより、ヒータ制御回路は、ヒータに急に大電流が流れないように制御できるので、ヒータの劣化を低減できる。
【００６７】
また、本実施の形態１では、余剰電力が発生していない時は、余剰電力用負荷１９に電力が供給されないように制御しているが、これは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７から出力される電力の一部が余剰電力用負荷１９に供給されるようにしてもよい。この場合、余剰電力が発生していなくてもヒータを動作させることができるので、例えば温水の需要が増えた場合、即時的に温水を作ることができる。
【００６８】
また、本実施の形態１では、余剰電力用負荷１９としてヒータを用いたが、これに限定されるものではなく、余剰電力を任意のタイミングで消費できる負荷であればよい。
【００６９】
また、本実施の形態１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を昇圧型コンバータとしたが、これは昇降圧型コンバータとしてもよい。これにより、回路構成は複雑になるものの、余剰電力が発生した場合に燃料電池１３の電圧を下げて余剰電力用負荷１９に供給することができるので、微小な余剰電力の発生時にも精度よく余剰電力用負荷１９で消費することが可能となる。
【００７０】
具体的には、仮に余剰電力の最大値が５００Ｗであったとすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力電圧（余剰電力用負荷電圧Ｖｆ）が上記した２００Ｖの場合に、余剰電力用負荷１９には２．５Ａの電流が流れる。従って、余剰電力用負荷電流検出器３１はマージンを考慮して５Ａ程度まで測定できる仕様のものが必要となる。
【００７１】
これに対し、例えば発生している余剰電力が１Ｗであったとすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７が昇圧型コンバータの場合、出力できる最小の電圧は１０Ｖ（燃料電池の出力電圧）と同じになるので、余剰電力用負荷電流Ｉｆは最大でも０．１Ａとなる。ゆえに、５Ａまで測定できる余剰電力用負荷電流検出器３１にとって、０．１Ａは測定誤差範囲となる可能性が大きい。よって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７が昇圧型コンバータの場合は、余剰電力が小さい場合に精度よく余剰電力用負荷１９へ電力供給ができない可能性がある。
【００７２】
一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７が昇降圧型コンバータであれば、例えば余剰電力用負荷電圧Ｖｆを１Ｖとすることができるので、余剰電力が１Ｗの場合には余剰電力用負荷電流Ｉｆが１Ａとなり、上記した余剰電力用負荷電流検出器３１でも十分な精度で余剰電力用負荷１９へ電力供給ができる。
【００７３】
また、本実施の形態１の系統連系用インバータ２１は、単相交流２００Ｖの出力仕様としたが、これに限定されるものではなく、単相交流１００Ｖ等、系統電力に合わせた仕様とすればよい。
【００７４】
また、本実施の形態１で述べた各種電流、電圧の数値は一例であり、燃料電池１３や系統電源４１の電力仕様等に応じて適宜決定すればよい。
【００７５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における電力変換装置の余剰電力用負荷のブロック回路図である。本実施の形態２の電力変換装置において、実施の形態１の図１と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７６】
すなわち、本実施の形態２における特徴となる構成は、図４に示すように、余剰電力用負荷１９が蓄電部５１を含む構成とした点である。
【００７７】
これにより、余剰電力を蓄電部５１に蓄えることができるので、余剰電力が発生していない場合であって、必要なときに余剰電力用負荷１９のヒータ５３を動作させることができる。従って、温水の需要に応じた余剰電力の活用が図れ、システム全体の効率が向上するという効果が得られる。
【００７８】
以下、より具体的に本実施の形態２の構成、動作について説明する。
【００７９】
図４において、余剰電力用負荷１９はＤＣ／ＤＣコンバータ１７と電力系配線で接続される。そして、電力系配線の一方には余剰電力用負荷電流検出器３１が接続される。また、この電力系配線の他方にはスイッチ５５が接続される。そして、両方の電力系配線にはヒータ５３と、充放電回路５７を介して蓄電部５１がそれぞれ電気的に接続される。なお、余剰電力用負荷電流検出器３１とスイッチ５５は図４と逆の電力系配線に接続してもよいし、いずれか一方に直列に接続してもよい。
【００８０】
ここで、実施の形態１と同様に、ヒータ５３は温水を作るためのものである。また、スイッチ５５は信号系配線により制御回路２５と電気的に接続される。スイッチ５５の構成は実施の形態１と同じである。
【００８１】
蓄電部５１は二次電池や大容量キャパシタ等で構成され、余剰電力の少なくとも一部を蓄えることができる容量を有する。
【００８２】
蓄電部５１には、蓄電部５１を充放電するために、充放電回路５７が接続される。充放電回路５７は信号系配線で制御回路２５と電気的に接続され、制御回路２５からの指令により充放電動作を行う構成を有する。そして、蓄電部５１の電圧や充放電電流を検出して蓄電部５１への充放電を制御する。
【００８３】
上記以外の構成は実施の形態１と同じである。
【００８４】
次に、このような電力変換装置１１の動作について述べる。
【００８５】
本実施の形態２における電力変換装置１１の基本的な動作は、実施の形態１の図２と同じであるので、特徴となる動作について説明する。
【００８６】
余剰電力が発生した場合、制御回路２５はスイッチ５５をオンにする（図２のＳ２１）。この時、制御回路２５は、充放電回路５７に対して、蓄電部５１を充電するように制御する。これを受け、充放電回路５７は蓄電部５１の蓄電電力に応じて蓄電部５１を充電する。この際、蓄電部５１に蓄えられた電力が少なければ、充放電回路５７は蓄電部５１への充電電力を多くするように制御する。
【００８７】
一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は発生した余剰電力分が余剰電力用負荷１９に供給されるように動作する。この際、電力差ΔＰに応じて余剰電力用負荷電圧Ｖｆと余剰電力用負荷電流Ｉｆが決定される。従って、充放電回路５７が蓄電部５１へ多く充電すれば、その分、ヒータ５３に供給される電力は少なくなる。
【００８８】
また、蓄電部５１が満充電に近い状態であれば、蓄電部５１への充電電力は少なくなる。従って、ヒータ５３には多くの電力が供給されることになる。
【００８９】
また、蓄電部５１が満充電であれば、充放電回路５７は蓄電部５１への充電を行わない。従って、この場合は余剰電力の全てがヒータ５３で消費される。
【００９０】
そして、余剰電力が発生しなくなれば、制御回路２５はスイッチ５５をオフにする（図２のＳ３３）。この時、制御回路２５は、充放電回路５７に対して、蓄電部５１への充電を止めるように制御する。これにより、余剰電力用負荷１９には電流が流れない状態となる。
【００９１】
次に、制御回路２５は、燃料電池制御回路４７からデータ信号ｄａｔａにより温水を作る指令を受けると、制御回路２５は次のように動作する。
【００９２】
まず、余剰電力が発生している場合は、制御回路２５はスイッチ５５をオンにするが、充放電回路５７を停止したままとする。これにより、余剰電力は全てヒータ５３に供給されることになる。この状態は実施の形態１と同じである。これにより、余剰電力をフルに活用して温水を作ることができる。
【００９３】
一方、余剰電力が発生していない場合は、制御回路２５はスイッチ５５をオフにした状態で充放電回路５７が蓄電部５１の電力を放電するように制御する。これにより、蓄電部５１が蓄えた余剰電力がヒータ５３に供給され、必要な時に温水を作ることができる。この際、スイッチ５５はオフであるので、蓄電部５１の電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１７側に逆流することはない。
【００９４】
なお、蓄電部５１の電力を消費してもなお、温水の需要がある場合は、制御回路２５は、充放電回路５７の動作を停止する。そして、制御回路２５は、スイッチ５５をオンにして、燃料電池１３で発電された電力の一部をヒータ５３に供給するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
【００９５】
上記以外の動作は実施の形態１と同じである。
【００９６】
以上の構成、動作により、余剰電力のさらなる有効活用が可能となり、システム全体の効率を向上することができる。
【００９７】
なお、本実施の形態２では、余剰電力用負荷１９にヒータ５３を内蔵する構成としたが、これに限定されず、余剰電力を消費できる負荷であればよい。但し、上記したように、蓄電部５１が満充電の場合は、余剰電力の全てが前記負荷に供給されるので、いつ、どれくらい発生するかわからない余剰電力を十分に消費できる負荷とする必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明にかかる電力変換装置は、システム全体としての効率が向上するので、特に燃料電池の余剰電力の処理機能を有する電力変換装置等として有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１１  電力変換装置
１３  燃料電池
１５  昇圧回路
１７  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９  余剰電力用負荷
２１  系統連系用インバータ
２３  電流検出器
２５  制御回路
５１  蓄電部
【図１】
2013038052.tif 000003
【図２】
2013038052.tif 000004
【図３】
2013038052.tif 000005
【図４】
2013038052.tif 000006
【図５】
2013038052.tif 000007