(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料を燃料改質器により水素リッチなガスに改質した燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により直流電力を発生する燃料電池と、この燃料電池の直流出力を交流出力に変換するインバータとを備えた燃料電池発電装置と、回転発電機とを電力会社系統と連系運転する燃料電池複合発電システムの制御方法において、
系統異常時に、一般負荷を遮断し、予め定めた重要負荷に対してのみ、前記燃料電池発電装置と回転発電機との複合運転により電力供給を行なうモードとなし、
前記重要負荷の負荷上昇時には、まず回転発電機により前記負荷上昇分を電力供給して瞬時に負荷応答させ、同時に前記燃料電池発電装置に前記負荷上昇分に相当する出力増指令を出して燃料電池出力を漸増させ、この漸増に伴って、回転発電機出力を前記漸増相当分漸減させて燃料電池出力のランプ応答によりその後の電力供給を行ない、燃料電池出力が所定の出力増指令値に到達した時点で、燃料電池出力値および回転発電機出力値を各到達値に維持することを特徴とする燃料電池複合発電システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の制御方法において、前記回転発電機の瞬時負荷応答幅は、回転発電機の定格出力の３０〜７０％とすることを特徴とする燃料電池複合発電システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の制御方法において、前記ランプ応答中の出力変動時および回転発電機を所定の最低出力値に維持する場合を除いて、前記燃料電池出力値は回転発電機出力値より大とすることを特徴とする燃料電池複合発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置と回転発電機とを、電力会社系統と連系運転する燃料電池複合発電システムの制御方法、特に系統異常時の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のとおり燃料電池は、一般に、天然ガスや石油系燃料などの炭化水素系原燃料を燃料改質器により水素リッチなガスに改質し、この水素リッチな燃料改質ガスと酸化剤ガス（空気）とを連続的に供給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換するものである。かかる燃料電池を、電力会社系統とインバータを介して系統連系運転を行うことも周知である。
【０００３】
図４は、従来の燃料電池発電装置を需要家構内で電力会社系統に連系運転して用いる場合の概略構成を示す。図４は、紙面の関係で、同（ａ）図、（ｂ）図に別けて記載しているが、（ａ）図右端と（ｂ）図左端に示すｕ点が接続されて、一つの系統を構成している（詳細は、特願平１１−１６６３１１号参照）。
【０００４】
図４において、１００は燃料電池、２００は燃料電池の直流電力を電力会社系統の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータである。ここでは、インバータ自身の構成や制御回路は省略している。４１はインバータ出力電圧を検出する電圧検出器で、５１はインバータ出力電流を検出する電流検出器である。
【０００５】
３００は、インバータ２の出力有効電力設定値であるＰ設定値と，出力無効電力設定値であるＱ設定値と，前記電圧検出器４１の出力信号ｖ１と，前記電流検出器の出力信号ｉ１とが入力され、インバータ２００の出力有効電力値と出力無効電力値のフィードバック制御を行うために，Ｐ設定値とインバータの有効電力出力間の偏差指令信号ｐおよびＱ設定値とインバータの無効電力出力間の偏差指令信号ｑを出力するＰＱ指令制御装置である。
【０００６】
８０は電力会社系統に異常が発生した時に、燃料電池発電装置を解列するための解列用の遮断器で、９０は燃料電池発電装置内に短絡事故などが発生した時に、短絡電流を遮断する遮断器で、１１０は燃料電池発電装置プラントを維持するための図示しないポンプやブロワなどの，電力消費のある補機類を示す。
【０００７】
また、１３０は電力会社系統を示し、需要家受電設備における遮断器１２１と受電トランス１２０を介して様々な図示しない構内負荷に対し、負荷フィーダー線１２３によって電力を供給している。燃料電池発電装置も電力会社系統１３０に対して遮断器１２１と受電トランス１２０と遮断器１２２を介して系統周波数に同期して連系運転をしている。
【０００８】
需要家受電設備から燃料電池発電装置までは屋内か屋外配線である燃料電池フィーダー線１１１が布線されており、燃料電池発電装置の発電電力はこのフィーダー線１１１で需要家構内に供給されている。
【０００９】
ところで、電力会社系統と連系運転する燃料電池複合発電システムにおいて、さらに回転発電機と複合するシステムも提案されている（特開平８−２２３７９９号公報参照）。
【００１０】
上記特開平８−２２３７９９号公報に記載されたシステムは、回転発電機を駆動する原動機の排熱回収を行なうコジェネレーションシステムに関するもので、負荷電力と、一定負荷で運転される回転発電機からの供給電力との差を燃料電池から電力供給し、また、ジーゼル機関のような内燃機関、またはガスタービンのような排熱を生ずる原動機の排熱を、蒸気または温水として回収し、総合熱効率の向上を図るものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような燃料電池発電装置および回転発電機の系統連系運転において、系統異常が発生した場合に、一部の重要負荷に対しては、燃料電池発電装置および／または回転発電機から引き続き電力が供給されることが望まれる。
【００１２】
しかしながら、燃料電池発電装置は、燃料改質器の制御応答が遅いために、重要負荷が変動して増大した場合に、応答性が悪い問題があり、この負荷応答性を改善し、かつシステム全体の発電効率の向上を図ることが望まれる。上記特開平８−２２３７９９号公報を含む従来のシステムにおいては、前記応答性の改善と発電効率の向上に関わる対策は、特に配慮されていないのが現状である。
【００１３】
なお、前記燃料電池の応答性を向上するために、燃料ガスとして高圧の水素ガスボンベを用い、バッテリー等と組み合わせた複合システムが、独立電源としては用いられる場合があるが、水素ガスボンベの供給メンテ頻度が高くなり、全体的に経済性が悪く、また設備としての安全管理の観点からも好まれない。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の課題は、系統異常が発生した場合に、所定の重要負荷に対して、燃料電池発電装置および回転発電機から引き続き電力供給可能とし、負荷変動時の応答性の向上とシステム全体の発電効率の向上を図った複合発電システムの制御方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するためこの発明においては、炭化水素系原燃料を燃料改質器により水素リッチなガスに改質した燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により直流電力を発生する燃料電池と、この燃料電池の直流出力を交流出力に変換するインバータとを備えた燃料電池発電装置と、回転発電機とを電力会社系統と連系運転する燃料電池複合発電システムの制御方法において、
系統異常時に、一般負荷を遮断し、予め定めた重要負荷に対してのみ、前記燃料電池発電装置と回転発電機との複合運転により電力供給を行なうモードとなし、
前記重要負荷の負荷上昇時には、まず回転発電機により前記負荷上昇分を電力供給して瞬時に負荷応答させ、同時に前記燃料電池発電装置に前記負荷上昇分に相当する出力増指令を出して燃料電池出力を漸増させ、この漸増に伴って、回転発電機出力を前記漸増相当分漸減させて燃料電池出力のランプ応答によりその後の電力供給を行ない、燃料電池出力が所定の出力増指令値に到達した時点で、燃料電池出力値および回転発電機出力値を各到達値に維持することとする（請求項１の発明）。
【００１６】
回転発電機は、定格出力に対する一定の割合の負荷応答幅であれば、瞬時に負荷応答可能であるので、上記請求項１の発明により、重要負荷のステップ的な負荷上昇に対して、ステップ応答が可能となる。また、回転発電機に比べて、燃料電池発電装置の方が発電効率が高いので、引き続きランプ応答により燃料電池出力に切り替えて電力供給することにより、システム全体の発電効率の向上を図ることができる。
【００１７】
また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項１および２の発明が好適である。即ち、請求項１記載の制御方法において、前記回転発電機の瞬時負荷応答幅は、回転発電機の定格出力の３０〜７０％とする（請求項２の発明）。定格出力の３０〜７０％であれば、回転発電機は、略安定して瞬時に負荷応答可能であり、重要負荷の瞬時負荷変化幅が分かれば、この変化幅に対応して、回転発電機の定格出力を定め、この発電容量を備えた回転発電機を準備することにより、重要負荷の電力を安定して供給することができる。
【００１８】
さらに、前記請求項１または２記載の制御方法において、前記ランプ応答中の出力変動時および回転発電機を所定の最低出力値に維持する場合を除いて、前記燃料電池出力値は回転発電機出力値より大とする（請求項３の発明）。
【００１９】
前記請求項３の発明により、詳細は後述するが、全電力供給における燃料電池出力値のウェイトを高めることができるので、システム全体の発電効率をさらに向上できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下にのべる。
【００２１】
図１は、この発明の実施例に関わる燃料電池複合発電システムの概略システム系統図を示す。図１において、重要負荷４および一般負荷５の電力供給源として、燃料電池発電装置２と回転発電機３が設けられ、燃料電池発電装置２と回転発電機３で不足する電力は、系統遮断器７を介して、電力会社からの電力系統１より受電して、複合運転がなされる。図１における部番６は、燃料電池発電装置２と回転発電機３の複合運転の制御装置である。システム全体の一部の制御は、図示しない別の制御装置により行なわれる。部番８〜１１は、各負荷および発電装置にそれぞれ接続された遮断器を示す。
【００２２】
燃料電池発電装置２は、図示を省略するが、炭化水素系原燃料を燃料改質器により水素リッチなガスに改質した燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により直流電力を発生する燃料電池と、この燃料電池の直流出力を交流出力に変換するインバータを備える。また、回転発電機３は、同様に図示を省略するが、ジーゼルエンジン、ガスエンジン、ガソリンエンジンのような内燃機関やガスタービン等を原動機を備え、小型のガスタービン発電機等においては、通常インバータを備える。系統連系運転においては、通常、燃料電池発電装置２および回転発電機３は、電圧一定で発電電流を制御して発電を行なう。
【００２３】
上記構成において、系統に異常が発生した場合の制御方法について、以下に述べる。系統に異常が発生した場合、まず系統遮断器７を開いて、電力系統１を切り離す。燃料電池発電装置２および回転発電機３により、すべての負荷の電力を供給できない場合、一般負荷５への電路の遮断器１１を開き、予め定めた重要負荷４に対してのみ、燃料電池発電装置および回転発電機の複合運転により電力供給を続けるモードとする。
【００２４】
この場合、回転発電機３は、発電電流制御から発電電圧制御に切り替える。その理由は、回転発電機３は、系統連系時には系統の電圧および周波数に対して同期運転を行なうが、系統異常により回転発電機３を系統から切り離した場合、同期すべき基準となる電圧が系統から得られないために、電圧が一定となる制御が必要となるからである。電気出力は、負荷の状態によって変化する。
【００２５】
燃料電池発電装置２は、回転発電機３を系統に見立てて連系運転を行なう。即ち、回転発電機３の出力電圧および周波数に対して同期運転を行なう。この場合、燃料電池出力電力は、重要負荷の負荷変動に応じて制御装置６において演算された出力指令に基づき出力される。
【００２６】
燃料電池出力の増加は、増加指令があっても、前述のように燃料改質器の応答遅れに基づき、ランプ変化となるので、重要負荷に負荷が増大する負荷変動があった場合、その応答性が問題となる。負荷が減少する場合には、燃料電池出力は瞬時に減少できる。これに対して、回転発電機は、定格出力の３０〜７０％であれば、負荷の増減に拘わらず、略安定して瞬時に負荷応答可能である。
【００２７】
上記を考慮し、重要負荷に負荷が増大する負荷変動があった場合、請求項１に記載の方法により、電力供給制御を行なう。即ち、まず回転発電機３により前記重要負荷の負荷上昇分を電力供給して瞬時に負荷応答させ、同時に燃料電池発電装置２に前記負荷上昇分に相当する出力増指令を出して燃料電池出力を漸増させ、この漸増に伴って、回転発電機出力を前記漸増相当分漸減させて燃料電池出力のランプ応答によりその後の電力供給を行ない、燃料電池出力が所定の出力増指令値に到達した時点で、燃料電池出力値および回転発電機出力値を各到達値に維持する。
【００２８】
前記電力供給制御に関し、より具体的に説明するために説明の便宜上、重要負荷、回転発電機、燃料電池等の緒言および重要負荷の変動モードを仮定し、この仮定の下で、回転発電機出力、燃料電池出力指令値および燃料電池出力が、時間経過とともに変化する過程を、表１および表２ならびに図２を用いて、以下に述べる。重要負荷の変動モードは、かならずしも単純ではないが、説明の便宜上、後述のようにステップ変化するものとする。
【００２９】
重要負荷、回転発電機、燃料電池等の緒言は、以下のとおり仮定する。
【００３０】
・重要負荷の最大負荷：２００ｋＷ
・重要負荷の瞬時負荷変化幅：５０ｋＷ
・回転発電機の定格出力：１００ｋＷ
・回転発電機の最大瞬時負荷応答幅：回転発電機定格出力の５０％（５０ｋＷ）
・燃料電池発電装置の定格出力：１００ｋＷ
・燃料電池発電装置の負荷上昇変化速度：１０ｋＷ／分
・燃料電池発電装置の負荷減少変化速度：瞬時
表１は、経過時間０から５５分にわたって、５分毎の時間経過とともに、重要負荷、燃料電池出力指令値、燃料電池出力、回転発電機出力が変化する過程を示し、表２は、上記各変化の状況（数値変動とステップまたはランプ変化の別）を示す。
【００３１】
【表１】
0004193091.tif 000002
【００３２】
【表２】
0004193091.tif 000003
【００３３】
図２は、上記表１および表２を、タイムチャートとしたもので、図２（ａ）は、重要負荷（実線）と燃料電池出力指令値（破線）を示し、図２（ｂ）は、回転発電機出力（実線）と燃料電池出力（破線）を示す。
【００３４】
初期状態（時間０）において、重要負荷が９０ｋＷであった場合、回転発電機出力５０ｋＷで、燃料電池出力は４０ｋＷである。５分後に、重要負荷が５０ｋＷ増えて１４０ｋＷとなった場合、回転発電機が出力を増やすことにより応答する。制御装置で演算される燃料電池の出力指令値は、負荷変動分増加して４０ｋＷから９０ｋＷとなる。
【００３５】
燃料電池の出力はランプ変化となるので、燃料電池出力は、負荷変化速度に応じて増加する。燃料電池出力の増加に応じて、回転発電機出力は減少する。燃料電池出力が９０ｋＷとなった時点で、回転発電機出力は５０ｋＷとなり、両出力が維持される。
【００３６】
１５分後に重要負荷がさらに５０ｋＷ増えて１９０ｋＷになった場合、負荷変動分は回転発電機が出力を増やすことにより応答する。制御装置で演算される燃料電池の出力指令値は、負荷変動分増加して９０ｋＷから１４０ｋＷとなる。燃料電池の出力はランプ変化となるので、燃料電池出力は、負荷変化速度に応じて増加する。燃料電池出力の増加に応じて、回転発電機出力は減少する。燃料電池出力が１００ｋＷになると、燃料電池出力はそれ以上あがらなくなる。この場合、回転発電機の出力は、９０ｋＷとなる。
【００３７】
２５分後に重要負荷が５０ｋＷ減って１４０ｋＷとなった場合、回転発電機が出力を減らすことにより応答する。制御装置で演算される燃料電池の出力指令値は、負荷変動分減少して１４０ｋＷから９０ｋＷとなる。燃料電池の出力減少はステップ変化となるので、燃料電池の出力は瞬時に９０ｋＷまで減少する。
【００３８】
３５分後に重要負荷が５０ｋＷ減って９０ｋＷとなった場合、負荷変動分は、燃料電池出力を減らして応答し、回転発電機は５０ｋＷを維持する。燃料電池の出力は４０ｋＷである。
【００３９】
４５分後に重要負荷がさらに５０ｋＷ減って４０ｋＷとなった場合、負荷変動分は、燃料電池出力を減らして応答する。燃料電池の出力指令値は、負荷変動分減少して４０ｋＷから−１０ｋＷとなる。燃料電池の出力が０ｋＷとなると燃料電池出力はそれ以上下がらなくなるので、回転発電機出力は４０ｋＷとなる。
【００４０】
電力供給の制御方法は、図２に示す上記制御例に限定されない。図３は、図２とは異なる制御パターンを示し、３５分後の回転発電機出力と燃料電池出力の分担割合を変えた例を示す。請求項３の発明のように、出力変動時および回転発電機を所定の最低出力値に維持する場合を除いて、燃料電池出力値は回転発電機出力値より大とすることにより、燃料電池出力値のウェイトを高めて、システム全体の発電効率をさらに向上することができる。なお、回転発電機は低出力域においては、安定した出力が得られないので、最低出力値は維持することが望ましく、例えば、図３においては、３０ｋＷを最低出力値としている。
【００４１】
上記のような制御により、重要負荷のステップ的な負荷上昇に対して、ステップ応答が可能となる。また、回転発電機に比べて、燃料電池発電装置の方が発電効率が高いので、引き続きランプ応答により燃料電池出力に切り替えて電力供給することにより、システム全体の発電効率の向上を図ることができる。
【００４２】
【発明の効果】
上記のように、この発明は、炭化水素系原燃料を燃料改質器により水素リッチなガスに改質した燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により直流電力を発生する燃料電池と、この燃料電池の直流出力を交流出力に変換するインバータとを備えた燃料電池発電装置と、回転発電機とを電力会社系統と連系運転する燃料電池複合発電システムの制御方法において、
系統異常時に、一般負荷を遮断し、予め定めた重要負荷に対してのみ、前記燃料電池発電装置と回転発電機との複合運転により電力供給を行なうモードとなし、
前記重要負荷の負荷上昇時には、まず回転発電機により前記負荷上昇分を電力供給して瞬時に負荷応答させ、同時に前記燃料電池発電装置に前記負荷上昇分に相当する出力増指令を出して燃料電池出力を漸増させ、この漸増に伴って、回転発電機出力を前記漸増相当分漸減させて燃料電池出力のランプ応答によりその後の電力供給を行ない、燃料電池出力が所定の出力増指令値に到達した時点で、燃料電池出力値および回転発電機出力値を各到達値に維持することにより、
系統異常が発生した場合に、所定の重要負荷に対して、燃料電池発電装置および回転発電機から引き続き電力供給可能とし、負荷変動時の応答性の向上とシステム全体の発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる概略システム系統図
【図２】この発明に関わり、重要負荷、燃料電池出力指令値、燃料電池出力、回転発電機出力が変化する過程を示す図
【図３】図２とは異なる出力変化過程を示す図
【図４】従来の燃料電池発電装置の系統連系運転の概略構成を示す図
【符号の説明】
１：電力系統、２：燃料電池発電装置、３：回転発電機、４：重要負荷、５：一般負荷、６：制御装置、７：系統遮断器。
【図１】
0004193091.tif 000004
【図２】
0004193091.tif 000005
【図３】
0004193091.tif 000006
【図４】
0004193091.tif 000007