JP2004039438A - Earth fault detector for fuel cell power generation plant - Google Patents

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Shigetoshi Higaki
桧垣　成敏
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Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
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Toshiba Corp
Toshiba International Fuel Cells Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To surely detect an earth fault state of a D.C. auxiliary machine or an A.C. auxiliary machine, in a fuel cell power generation plant connected to a power system through an insulating transformer. <P>SOLUTION: A fuel cell body 28 is connected to the power system 21 through an LPF 23, an inverter device 24, a boosting chopper 26 and the like with a structure connecting it through the insulating transformer 22. The negative electrode terminal of the cell body 28 is connected to a housing 33 through an earthing impedance 34. When the auxiliary machine 31 or 32 causes an earth fault accident, an earthing current flows through the earthing impedance 34, the accident is determined by detecting the terminal voltage thereof by a voltage detection circuit 35, a comparison circuit 36 and an earth fault determination circuit 37. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁トランスを介して電源系統に接続される構成の燃料電池発電プラントの地絡検出装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応により、燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、これによって高い発電効率を得ることができるものである。この燃料電池を用いた発電装置は、内部に燃焼サイクルを持たないのでＳＯｘ、ＮＯｘの排出が少なく、環境への影響が少ないといった利点がある。そのため新しい発電装置として現在盛んに開発が進められている。
【０００３】
図６は従来構成の燃料電池発電プラントの電気的構成を示している。この燃料電池発電プラントは絶縁トランス１の一次側端子を電源系統２に接続する構成のものであり、その二次側端子は零相変流器を基本とした漏電遮断器３およびローパスフィルタ４を介してインバータ装置５に接続されている。ローパスフィルタ４は、コンデンサ４ａおよびリアクトル４ｂ，４ｃから構成されている。
【０００４】
インバータ装置５は、４個のスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）５ａ〜５ｄをフルブリッジ接続したもので、その直流端子側には第１の平滑コンデンサ６、昇圧チョッパ回路７の高圧側端子が接続されている。昇圧チョッパ回路７は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子７ａ，リアクトル７ｂ及びダイオード７ｃからなり、その低圧側端子には、第２の平滑コンデンサ８が接続されると共に燃料電池本体９が接続されている。また、第１の平滑コンデンサ６の両端子間には降圧チョッパ回路１０の高圧側端子が接続され、その降圧チョッパ回路１０は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子１０ａ，ダイオード１０ｂ及びリアクトル１０ｃなどから構成されている。
【０００５】
燃料系，水処理系，空気系などのプラント制御に必要な交流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第１の燃料電池発電プラント制御補機（以下、交流補機と称す）１２が漏電遮断器３の低圧側に接続されている。また、直流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第２の燃料電池発電プラント制御補機（以下、直流補機と称す）１３が降圧チョッパ回路１０の低圧側端子に接続されている。
【０００６】
この燃料電池発電プラントの装置が収容されているプラント本体筐体１４は、接地母線Ｅに接続されており、燃料電池本体９の電位を固定するために、筐体接地線１５を設けて燃料電池本体９の負極端子側に接続している。これは、この燃料電池発電プラントの構成において、電源系統２側との連系点で絶縁トランス１を用いる構成としているからである。
【０００７】
燃料電池発電プラントにおいては、上述のように、水処理系を備えた構成となっているので、特にプラント内部で発生する地絡事故を検出することは感電防止の観点から、安全上で重要な点である。さらに、プラント内部では、可燃ガスなどの燃料処理系も有するため、地絡事故に起因して漏電による加熱などの事故を招く恐れもあるので、この点からも地絡検出は重要な要素となっている。
【０００８】
ところで、上記した構成においては、次のような地絡事故の発生が考えられる。すなわち、第１に、燃料電池本体９において発生する地絡事故がある。例えば図７に示すように、燃料電池本体９のＡ地点において地絡事故を発生した場合に、燃料電池本体９が発電状態にあるときには、地絡電流は、Ａ点→プラント本体筐体１４→接地線１５→燃料電池本体９の負極端子→Ａ点という閉回路を形成して流れるようになる。
【０００９】
このとき、交流側に設けている漏電遮断器３には漏電電流が流れないので、地絡電流から装置を保護することができない。さらに、地絡ポイントＡが、燃料電池本体９の正極付近である場合には、電圧が高いことでかなり大きな地絡電流が流れてしまう可能性がある。
【００１０】
第２に、複数の直流補機１３のいずれかにおいて発生する地絡事故がある。この場合には、図８に示すように、地絡電流は次の経路で流れる。第３の平滑コンデンサ１１の正極端子→直流補機１３→Ｂ点→プラント本体筐体１４（図中、矢印ａで示す経路）→接地線１５（同、矢印ｂ）→第３の平滑コンデンサ１１の負極端子（同、矢印ｃ、ｄ）という閉回路である。そして、この場合においても交流側に設けている漏電遮断器３に漏電電流が流れないので、保護することができない。
【００１１】
第３に、複数の交流補機１２のいずれかにおいて発生する地絡事故がある。この場合には、図９に示すように、地絡電流は負の半サイクルと正の半サイクルとでそれぞれ次の経路で流れる。
【００１２】
負の半サイクルでは、絶縁トランス１の２次側端子１ａ→漏電遮断器３（図中、破線矢印ａｍで示す経路）→交流補機１２→Ｃ点→プラント本体筐体１４（同、破線矢印ｂｍ）→接地線１５→インバータ５のスイッチング素子５ｄの逆並列ダイオード（同、破線矢印ｃｍ）→ローパスフィルタ４のリアクトル４ｃ→漏電遮断器３→絶縁トランス１の２次側端子１ｂ（同、破線矢印ｅｍ）という閉回路で地絡電流が流れる。
【００１３】
また、正の半サイクルでは、絶縁トランス１の２次側端子１ｂ→漏電遮断器３（図中、実線矢印ａｐで示す経路）→交流補機１２→Ｃ点→プラント本体筐体１４（同、実線矢印ｂｐ）→接地線１５→インバータ５のスイッチング素子５ｂの逆並列ダイオード（同、実線矢印ｃｐ）→ローパスフィルタ４のリアクトル４ｂ（同、実線矢印ｄｐ）→漏電遮断器３→絶縁トランス１の２次側端子１ａ（同、実線矢印ｅｐ）、という閉回路で地絡電流が流れる。
【００１４】
このとき、漏電遮断器３には地絡電流が流れるが、上述したような閉ループで２相に逆方向に流れるので、地絡電流の総和は基本的には零になり、この結果、零相変流器を基本とした漏電遮断器３では地絡状態を検出することができなくなり、装置を地絡電流から保護することができない。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁トランスを介した状態で電源系統に接続する構成の燃料電池発電プラントにおいて、地絡事故が発生した場合にこれを確実に検出することができるようにした燃料電池発電プラントの地絡検出装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、電源系統に一次側が接続された絶縁トランスと、スイッチング素子をフルブリッジ接続してなり交流端子がローパスフィルタを介して前記絶縁トランスの二次側に接続されるインバータ装置と、このインバータ装置の直流端子側に接続される第１の平滑コンデンサと、高圧側端子が前記インバータ装置の直流端子間に接続された昇圧チョッパ回路と、この昇圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第２の平滑コンデンサおよび燃料電池本体と、高圧側端子が前記第１の平滑コンデンサの端子間に接続される降圧チョッパ回路と、この降圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第３の平滑コンデンサと、交流電源で駆動されプラント制御に必要な第１の燃料電池発電プラント補機と、直流電源で駆動されプラント制御に必要な第２の燃料電池発電プラント補機とを筐体内に備えた構成の燃料電池発電プラントを対象とし、前記筐体を接地母線に接続すると共に、前記燃料電池本体の負極を所定の接地インピーダンスを介して前記筐体に接続し、前記接地インピーダンスの端子電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路により検出される前記接地インピーダンスの端子電圧を所定の電圧レベルと比較する比較回路と、この比較回路の比較結果に基づいて地絡判定を行なう地絡判定回路とを設けた構成としたところに特徴を有する。
【００１７】
上記構成を採用することにより、燃料電池本体や交流駆動あるいは直流駆動の燃料電池発電プラント制御補機群に地絡事故が発生した場合に、地絡電流が流れる経路として、筐体および接地母線をを含むように設定し、その経路に接地インピーダンスを介在させる構成としているので、地絡電流により接地インピーダンスの両端に電圧が発生する。この電圧を電圧検出回路により検出して比較回路により所定の電圧レベルと比較し、その比較結果に基づいて地絡判定回路により地絡判定を行なうので、絶縁トランスを介して電源系統に接続する構成の燃料電池発電プラントを構成している場合でも確実に地絡事故を検出することができるようになる。
【００１８】
請求項２に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記発明において、前記電圧検出回路が検出する前記接地インピーダンスの端子電圧を整流する整流回路と、その整流出力を平均化して前記比較回路に出力する低域通過フィルタ回路とを設ける構成としたところに特徴を有する。
【００１９】
上記構成によれば、電圧検出回路により検出する電圧が地絡電流の方向により正の値あるいは負の値となるのに対して、整流回路により整流すると共に、低域通過フィルタ回路により整流出力を平均化した出力として比較回路に入力するようにしたことで、所定の電圧レベルの設定を正の値を１個設定するだけで確実に地絡事故を検出することができるようになる。
【００２０】
請求項３に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記各発明において、前記地絡判定回路を、前記燃料電池本体による発電動作中に前記地絡判定を行なった場合に第１の地絡状態を検出したときには、前記インバータ装置，昇圧チョッパ回路および降圧チョッパ回路を停止制御すると共に、燃料電池発電プラントを停止させる制御を行い、その停止状態において前記地絡判定を行なった場合に第２の地絡状態を検出し、前記補機の地絡を判定するように構成したところに特徴を有する。
【００２１】
上記構成によれば、前述のようにして地絡事故を検出した場合に、燃料電池発電プラントの運転中である場合には、その地絡事故を第１の地絡状態として判定し、このとき、インバータ装置、昇圧チョッパ回路および降圧チョッパ回路の運転を停止するように制御する。これにより、直流電源で駆動される燃料電池発電プラント制御補機群は、駆動電源がなくなることから地絡事故の有無に関わらず停止状態に移行する。このとき、地絡事故が直流電源で駆動される補機群で発生している場合には、地絡電流もなくなることから地絡判定回路による地絡状態の検出もなくなる。
【００２２】
一方、地絡事故が交流電源で駆動される補機群で発生している場合には、交流電源が電源系統側から供給されるので、地絡状態が継続することになる。この結果、地絡電流が継続して検出されることになるので、交流電源で駆動される補機群に地絡事故が発生していることを第２の地絡状態として特定することができるようになる。
【００２３】
以上の結果から、第１および第２の地絡状態が共に検出される場合には、交流駆動の補機群に地絡故障があることが特定でき、第１の地絡状態のみが検出される場合には、直流駆動の補機群に地絡故障があることを判定することができるようになる。
【００２４】
請求項４に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記各発明において、前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機についてオンオフ制御するためのスイッチを、前記降圧チョッパ回路の負極側に挿入する構成としたところに特徴を有する。
【００２５】
これにより、地絡事故が発生していない状態では、オンオフ制御用のスイッチを駆動制御することで燃料電池発電プラント補機について駆動制御を行うことができ、しかも、これらの補機が地絡事故を起こしたときには、オンオフ制御用のスイッチに無関係に地絡電流が流れるようになるので、地絡判定の要素としてオンオフ制御用のスイッチ状態を考慮に入れないで簡単に判定することができるようになる。
【００２６】
請求項５に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、請求項１ないし３の発明において、前記燃料電池発電プラントの停止中に、前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機について個別に駆動制御可能なものを順次短期間だけオンオフ制御することにより前記地絡判定回路により個別に地絡の有無を判定するように構成したところに特徴を有する。
【００２７】
上記構成によれば、燃料電池発電プラントの停止中に、直流駆動および交流駆動の各補機に対して、順次一定時間だけオンさせるように制御することで、そのとき地絡電流が流れるか否かを検出することにより、地絡事故が発生している場合には、その地絡事故が発生している補機を特定することができるようになる。したがって、稼動時もしくは停止時などに、このような地絡事故の検出を行なうための制御を実施すれば、未然に地絡事故に起因した悪影響を防止することができるようになる。
【００２８】
請求項６に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記各発明において、前記接地インピーダンスを、常時接続する第１の接地インピーダンスと、スイッチのオンオフにより接続可能な第２の接地インピーダンスとの並列回路により構成したところに特徴を有する。
【００２９】
上記構成によれば、接地インピーダンスのインピーダンス値として、地絡事故を感度良く検出するためには低インピーダンスとして地絡電流を大きくすることで迅速且つ確実に検出することができるが、地絡事故発生時に大きい地絡電流が継続的に流れると、燃料電池発電プラントの稼動が不能となる恐れが生ずるので、この観点からは接地インピーダンスを高く設定しておくことが望ましい。これらの両者の特徴のそれぞれ有利となる部分を得るために、第１の接地インピーダンスを単独で使用したり第２の接地インピーダンスを並列に接続したりすることで接地インピーダンスを変えて行なうことができるようになる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。
図１は本発明の燃料電池発電プラントの電気的構成を示すもので、電源系統２１に対して絶縁トランス２２の１次側端子が接続されている。絶縁トランス２２の２次側端子はローパスフィルタ２３を介してインバータ装置２４の交流端子側にに接続されている。
【００３１】
ローパスフィルタ２３は、絶縁トランス２２の２次側端子間に接続されるコンデンサ２３ａと、インバータ装置２４側につながる各ラインに介在されるリアクトル２３ｂ，２３ｃから構成されている。インバータ装置２４は、ＩＧＢＴなどに代表される４つのスイッチング素子２４ａ〜２４ｄをフルブリッジ接続してなるもので、各スイッチング素子２４ａ〜２４ｄは、図示しないインバータ制御回路から制御信号が与えられるように構成されている。
【００３２】
インバータ装置２４の直流端子側には第１の平滑コンデンサ２５が接続されると共に、昇圧チョッパ回路２６の高圧側端子が接続されている。昇圧チョッパ回路２６は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子２６ａと、リアクトル２６ｂと、ダイオード２６ｃとから構成されており、スイッチング素子２６ａは図示しない制御回路により駆動制御され昇圧動作を行う。
【００３３】
昇圧チョッパ回路２６の低圧側端子は第２の平滑コンデンサ２７に接続されると共に、燃料電池本体２８に接続されている。燃料電池本体２８は、燃料極および空気極を備え、水素と酸素とを電気化学反応させることで電気エネルギーを生成すると共に、熱エネルギーを生成する。電気エネルギーは、直流出力としてインバータ装置２４により交流出力に変換されて電源系統２１側に供給される。熱エネルギーは、冷却水を循環すると共に熱交換器を配設することで回収して利用することができる。
【００３４】
インバータ装置２４の直流端子側は、降圧チョッパ回路２９の高圧側端子に接続されている。降圧チョッパ回路２９は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子２９ａと、ダイオード２９ｂと、リアクトル２９ｃから構成されており、スイッチング素子２９ａを駆動制御することで降圧動作を行う。降圧チョッパ回路２９の低圧側端子には第３の平滑コンデンサ３０が接続されている。
【００３５】
燃料系，水処理系，空気系などのプラント制御に必要な交流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第１の燃料電池発電プラント制御補機（以下、交流補機と称す）３１が絶縁トランス２２の２次側端子に接続されている。また、直流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第２の燃料電池発電プラント制御補機（以下、直流補機と称す）３２が降圧チョッパ回路２９の低圧側端子に接続されている。
【００３６】
この燃料電池発電プラントの装置が収容されているプラント本体の筐体３３は、接地母線Ｅに接続されている。そして、燃料電池本体２８の電位を固定するために、負極端子側を接地インピーダンス３４を介して筐体３３に接続している。これは、この燃料電池発電プラントの構成において、電源系統２１側との連系点で絶縁トランス２２を用いる構成としているからである。また、地絡などの事故が発生していない状態では、接地インピーダンス３４に電流は流れないようになっている。
【００３７】
電圧検出回路３５は、接地インピーダンス３４の端子間電圧を検出するように設けられており、その検出電圧ＶＥを比較回路３６に出力する。比較回路３６は、比較規準電圧としてＶａ，Ｖｂ（ただし、Ｖａ＞０＞Ｖｂ）が与えられる。この場合比較規準電圧ＶａとＶｂとは絶対値が同じで符号が異なるように設定されたものである。比較回路３６による比較結果は地絡判定回路３７に出力する。地絡判定回路３７は、比較回路３６の比較結果に基づいて地絡状態を判定して判定信号ＳＥを出力する。
【００３８】
この場合、比較回路３６は、検出電圧ＶＥが比較基準電圧Ｖａよりも大きいか（ＶＥ＞Ｖａ）、検出電圧ＶＥが比較基準電圧Ｖｂより小さいか（ＶＥ＜Ｖｂ）を比較し、地絡判定回路３７は、いずれかの条件に該当するときに地絡状態にあることを判定するようになっている。
【００３９】
次に上記構成の作用について説明する。地絡事故として、燃料電池本体２８（図中、Ａ点）や、直流補機３２（図中、Ｂ点）あるいは交流補機３１（図中、Ｃ点）において発生した場合に、前述したように、地絡電流ＩＥは筐体３３及び接地インピーダンス３４を経由するように閉回路を形成するので、その端子間電圧ＶＥを電圧検出回路３５により検出することで地絡電流を検出できる。
【００４０】
このとき、接地インピーダンス３４のインピーダンス値をＺＥとすると、地絡電流ＩＥは、次式のように表すことができる。
【００４１】
ＩＥ＝ＶＥ／ＺＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
つまり、地絡電流ＩＥの大きさは、接地インピーダンス３４の両端の電圧ＶＥを検出すれば算出することができる。地絡電流の保護レベルをＩＥ０とすると、これに対応する電圧Ｖａ，Ｖｂは、次式のように示される。
【００４２】
Ｖａ＝　ＩＥ０×ＺＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
Ｖｂ＝−ＩＥ０×ＺＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）
したがって、地絡判定回路３７においては、比較回路３６の比較結果から、
ＶＥ＞Ｖａか、Ｖｂ＞ＶＥかのいずれかに合致するときに地絡状態を判定すれば確実に地絡検出を行うことができるようになる。
【００４３】
なお、上述の場合に、検出電圧ＶＥは地絡電流ＩＥの流れる方向によって極性が反転するので、これを考慮してＶａ，Ｖｂを設定するようにしたものである。したがって、ＶａとＶｂとは絶対値において等しい値となっている。
【００４４】
このような本実施形態によれば、接地インピーダンス３４を筐体３３との間に介在させた状態で接地母線Ｅに接続しているので、地絡事故が発生したときに、接地インピーダンス３４を含んだ閉回路を形成して地絡電流が流れるようにすることができ、これによって、接地インピーダンス３４の端子電圧ＶＥを電圧検出回路３５で検出し、比較回路３６で比較基準電圧Ｖａ，Ｖｂと比較することにより、地絡判定回路３７において確実に地絡状態を判定することができるようになる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、地絡判定を行うための構成である。この実施形態においては、第１の実施形態における比較回路３６に代えて、整流回路３８およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）３９を介在させると共に比較回路４０を設ける構成としている。
【００４６】
上記構成によれば、電圧検出回路３５にて検出した接地インピーダンス３４の端子電圧ＶＥを整流回路３８において整流すると共に、ＬＰＦ３９にて平均化することで、地絡電流ＩＥの流れる方向に依存しない実効的な電圧信号を得ることができ、これを比較回路４０にて比較基準電圧Ｖａと比較することで地絡状態を検出するようにしている。
【００４７】
このような第２の実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、比較回路４０における比較基準電圧をＶａだけにすることができ、これによってノイズなどの悪影響を抑制して確実な検出動作を行うことができるようになる。
【００４８】
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態を示すもので、この実施形態においては、第１の実施形態と同じ構成を採用し、且つ地絡状態の検出処理を燃料電池発電プラントの運転制御と関連づけて行なうことで、地絡状態の発生箇所を絞り込むことができるようにしたものである。
【００４９】
図示しない制御装置は、インバータ装置２４、昇圧チョッパ回路２６および降圧チョッパ回路２９の駆動制御を行うと共に、交流補機３１および直流補機３２の駆動制御についても実施しているものである。この制御装置は、地絡判定回路３７の判定出力ＳＥに基づいて、図３に示すフローチャートにしたがって地絡判定プログラムを実施している。
【００５０】
まず、燃料電池発電プラントが運転状態にあるときにおいて、第１の実施形態と同様にして地絡状態の判定を行なっている。そして、接地インピーダンス３４の端子電圧ＶＥが所定レベルを超えることで、比較回路３６にて比較基準電圧Ｖａを超えるかもしくはＶｂを下回ることが判断され、地絡判定回路３７により地絡状態が判定されると、制御装置は、これを第１の地絡状態として受け取り（ステップＳ１で「ＹＥＳ」と判断）、交流補機３１もしくは直流補機３２のいずれかが地絡状態になったことを認識する。
【００５１】
そして、制御装置は、次にインバータ装置２４、昇圧チョッパ回路２６、降圧チョッパ回路２９を停止状態に移行させる制御を行う（ステップＳ２）。これにより、燃料電池発電プラントの運転は実質的に停止されることになる。この状態では、降圧チョッパ回路２９が停止されているから、直流補機３２は駆動電源が与えられない。地絡状態の発生が直流補機３２で発生している場合には、上述のように降圧チョッパ回路２９が停止されることから、地絡電流ＩＥも流れなくなる。したがって、この状態では、地絡判定回路３７では地絡状態が検出されなくなる。
【００５２】
一方、交流補機３１においては、インバータ装置２４などが停止されても、電源系統２１側から給電を受けることができるので、駆動状態が継続する。このとき、地絡が交流補機３１で発生している場合には、この状態においても地絡電流ＩＥがゼロになることはないので、接地インピーダンス３４に地絡電流ＩＥが継続して流れるため、地絡判定回路３７は地絡状態を判定することになる。
【００５３】
したがって、制御装置は、このようにステップＳ２にて実質的に燃料電池発電プラントの運転を停止した後に検出する地絡状態を第２の地絡状態として受け取るようにしており、第２の地絡状態が検出された場合には（ステップＳ３で「ＹＥＳ」と判断）、交流補機３２に地絡状態が発生していることを判定し（ステップＳ４）、第２の地絡状態が検出されない場合には（同、「ＮＯ」と判断）、直流補機３１に地絡状態が発生していることを判定する（ステップＳ５）。
【００５４】
このような第３の実施形態によれば、地絡状態の発生箇所を交流補機３２か直流補機３１かを判定することができるので、これら交流補機３２や直流補機３１を多数使用した構成の場合に、地絡箇所の特定をするのに要する時間を短縮することができるようになる。ひいては、復帰に要する時間を短くして効率の良い運転に貢献することができるようになる。
【００５５】
（第４の実施形態）
図４は本発明の第４の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、直流補機３２のオンオフ制御をするためのスイッチ４１を直流補機３２の負極端子側に介在させる構成としたところである。第１の実施形態においては、特にオンオフ制御用のスイッチがどこに設けられているかを明示しておらず、直流補機３２をオンオフ制御することができればどこに設ける構成としても良いものであったが、この実施形態では、負極端子側にスイッチ４１を設けることでオンオフ制御のスイッチ４１の状態に無関係に地絡状態を検出することができるようになる。
【００５６】
（第５の実施形態）
図５は本発明の第５の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、接地インピーダンス３４部分の構成である。すなわち、この実施形態においては、接地インピーダンス３４を第１の接地インピーダンスとし、これに並列に第２の接地インピーダンス４２とオンオフ用のスイッチ４３との直列回路を接続して接地インピーダンスを構成している。
【００５７】
この構成において、例えば、第１の接地インピーダンス３４のインピーダンス値は比較的大きい値に設定され、第２の接地インピーダンス４２のインピーダンスは比較的小さい値に設定されるようになっている。
【００５８】
燃料電池発電プラントが正常に動作している場合には、接地インピーダンス３４、４２のいずれにも電流は流れないので、そのインピーダンス値には依存しないが、ひとたび直流補機３２のいずれかに地絡状態が発生すると、接地インピーダンス３４や４２に地絡電流ＩＥが流れるようになるが、このときのインピーダンス値が小さいと地絡電流ＩＥが大となり端子電圧ＶＥが大きくなるので検出精度は高いが、その分パワーのロスが大きくなる。また、インピーダンスが高いとその逆で、地絡電流ＩＥを制限することはできるが、検出精度が低下する。
【００５９】
この実施形態においては、このような点を考慮して、正常な状態で地絡状態が検出されるまでの間は接地インピーダンスが小さくして検出感度を高めるようにし、地絡状態を判定したら地絡電流を低減させる目的で接地インピーダンスを大きくするようにスイッチ４３を切換え制御するように構成されている。これにより、地絡の検出精度を低下させずに地絡が発生したときには地絡電流を極力低減して損失を少なくすることができるようになる。
【００６０】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
第３ないし第５の実施形態は、第１の実施形態を基準とするばかりでなく、だい２ないし第４の実施形態を基準として利用することもできる。
【００６１】
燃料電池発電プラントの停止期間中に、交流補機３１や直流補機３２を個別にオンオフ制御可能な構成である場合に、短時間Ｔａだけオン制御してスキャンすることで地絡発生箇所を特定することができるようになる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、筐体を接地母線に接続すると共に、燃料電池本体の負極を所定の接地インピーダンスを介して筐体に接続し、接地インピーダンスの端子電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路により検出される接地インピーダンスの端子電圧を所定の電圧レベルと比較する比較回路と、この比較回路の比較結果にもとづいて地絡判定を行なう地絡判定回路とを設けたので、燃料電池本体や交流駆動あるいは直流駆動の燃料電池発電プラント制御補機群に地絡事故が発生した場合に、地絡電流が流れる経路として、筐体および接地母線をを含むように設定し、その経路に接地インピーダンスを介在させることができ、地絡電流により接地インピーダンスの両端に発生する端子電圧を電圧検出回路により検出して比較回路で所定の電圧レベルと比較することにより地絡判定回路により地絡判定を行なうので、絶縁トランスを介して電源系統に接続する構成の燃料電池発電プラントを構成している場合でも確実に地絡事故を検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す電気的構成図
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図３】本発明の第３の実施形態を示す地絡判定プログラムのフローチャート
【図４】本発明の第４の実施形態を示す図１相当図
【図５】本発明の第５の実施形態を示す図１相当図
【図６】従来技術を示す図１相当図
【図７】地絡事故がＡ点で発生した場合の地絡電流の経路を示す図
【図８】地絡事故がＢ点で発生した場合の地絡電流の経路を示す図
【図９】地絡事故がＣ点で発生した場合の地絡電流の経路を示す図
【符号の説明】
２１は電源系統、２２は絶縁トランス、２３はローパスフィルタ、２４はインバータ装置、２５は第１の平滑コンデンサ、２６は昇圧チョッパ回路、２７は第２の平滑コンデンサ、２８は燃料電池本体、２９は降圧チョッパ回路、３０は第３の平滑コンデンサ、３１は第１の燃料電池発電プラント補機（交流補機）、３２は第２の燃料電池発電プラント補機（直流補機）、３３は筐体、３４は接地インピーダンス（第１の接地インピーダンス）、３５は電圧検出回路、３６は比較回路、３７は地絡判定回路、３８は整流回路、３９はローパスフィルタ、４０は比較回路、４１はスイッチ、４２は第２の接地インピーダンス、４３はスイッチである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ground fault detecting device for a fuel cell power plant configured to be connected to a power supply system via an insulating transformer.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
2. Description of the Related Art Generally, a fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and thereby can obtain high power generation efficiency. The power generation device using this fuel cell has no combustion cycle inside, and therefore has the advantage that the emission of SOx and NOx is small and the influence on the environment is small. Therefore, it is being actively developed as a new power generation device.
[0003]
FIG. 6 shows the electrical configuration of a conventional fuel cell power plant. This fuel cell power plant has a configuration in which a primary terminal of an insulating transformer 1 is connected to a power supply system 2, and its secondary terminal is connected to an earth leakage breaker 3 and a low-pass filter 4 based on a zero-phase current transformer. It is connected to the inverter device 5 via the power supply. The low-pass filter 4 includes a capacitor 4a and reactors 4b and 4c.
[0004]
The inverter device 5 has four switching elements (for example, IGBTs) 5a to 5d connected in full bridge, and the DC terminal side thereof is connected to the first smoothing capacitor 6 and the high voltage side terminal of the step-up chopper circuit 7. I have. The step-up chopper circuit 7 includes a switching element 7a such as an IGBT, a reactor 7b, and a diode 7c, and a low-voltage side terminal thereof is connected to a second smoothing capacitor 8 and a fuel cell body 9 is connected thereto. The high-voltage side terminal of the step-down chopper circuit 10 is connected between both terminals of the first smoothing capacitor 6, and the step-down chopper circuit 10 includes a switching element 10a such as an IGBT, a diode 10b, a reactor 10c, and the like. I have.
[0005]
Shut-off valves, proportional valves, regulating valves driven by AC power supply necessary for plant control of fuel system, water treatment system, air system, etc., and a plurality of pumps such as blowers, pumps, electric heaters, temperature detectors, flow meters, etc. A fuel cell power plant control accessory (hereinafter, referred to as an AC accessory) 12 is connected to the low voltage side of the earth leakage breaker 3. Also, a plurality of second fuel cell power plant control accessories (hereinafter referred to as DC auxiliary) such as a shut-off valve, a proportional valve, and a regulating valve driven by a DC power supply, and a blower, a pump, an electric heater, a temperature detector, and a flow meter. 13) is connected to the low voltage side terminal of the step-down chopper circuit 10.
[0006]
A plant body housing 14 in which the device of the fuel cell power plant is housed is connected to a ground bus E. In order to fix the electric potential of the fuel cell body 9, a housing ground line 15 is provided. It is connected to the negative terminal side of the main body 9. This is because the configuration of the fuel cell power plant uses the insulating transformer 1 at the interconnection point with the power supply system 2 side.
[0007]
As described above, a fuel cell power plant has a configuration including a water treatment system.Therefore, it is important to detect a ground fault that occurs inside the plant, in terms of safety, from the viewpoint of preventing electric shock. Is a point. In addition, since the plant has a fuel treatment system for combustible gas, etc., there is a risk that an accident such as heating due to earth leakage may occur due to a ground fault, so ground fault detection is also an important factor in this regard. ing.
[0008]
By the way, in the above configuration, the following ground fault may occur. That is, first, there is a ground fault that occurs in the fuel cell body 9. For example, as shown in FIG. 7, when a ground fault occurs at the point A of the fuel cell main body 9 and the fuel cell main body 9 is in the power generation state, the ground fault current is changed from the point A → the plant main body casing 14 → A closed circuit is formed from the ground line 15 → the negative electrode terminal of the fuel cell main body 9 → the point A, and flows.
[0009]
At this time, since no leakage current flows through the leakage breaker 3 provided on the AC side, the device cannot be protected from a ground fault current. Further, when the ground fault point A is near the positive electrode of the fuel cell body 9, a considerably large ground fault current may flow due to the high voltage.
[0010]
Second, there is a ground fault that occurs in any one of the plurality of DC accessories 13. In this case, the ground fault current flows through the following path as shown in FIG. Positive terminal of third smoothing capacitor 11 → DC auxiliary device 13 → Point B → Plant body housing 14 (path indicated by arrow a in the figure) → Ground line 15 (same as arrow b) → Third smoothing capacitor 11 Is a closed circuit called the negative terminal (the same arrow c, d). In this case, too, no leakage current flows through the leakage breaker 3 provided on the AC side, so that protection cannot be performed.
[0011]
Third, there is a ground fault that occurs in any of the plurality of AC accessories 12. In this case, as shown in FIG. 9, the ground fault current flows in the following paths in the negative half cycle and the positive half cycle, respectively.
[0012]
In the negative half cycle, the secondary side terminal 1a of the insulating transformer 1 → the earth leakage breaker 3 (the path indicated by the dashed arrow am in the figure) → the AC auxiliary equipment 12 → point C → the plant body casing 14 (same as the dashed arrow bm) → ground line 15 → antiparallel diode of switching element 5d of inverter 5 (same as dashed arrow cm) → reactor 4c of low-pass filter 4 → leakage breaker 3 → secondary terminal 1b of insulating transformer 1 (same as dashed line) A ground fault current flows in a closed circuit indicated by an arrow em).
[0013]
In the positive half cycle, the secondary terminal 1b of the insulating transformer 1 → the earth leakage breaker 3 (the path indicated by the solid arrow ap in the figure) → the AC auxiliary equipment 12 → the point C → the plant body housing 14 (the same as above). Solid line arrow bp) → ground line 15 → anti-parallel diode of switching element 5b of inverter 5 (same as solid line arrow cp) → reactor 4b of low-pass filter 4 (same as solid line arrow dp) → earth leakage breaker 3 → isolation transformer 1 A ground fault current flows in a closed circuit called the secondary terminal 1a (same as the solid arrow ep).
[0014]
At this time, the ground fault current flows through the earth leakage breaker 3, but flows in two phases in opposite directions in the closed loop as described above, so that the sum of the ground fault currents is basically zero. The earth leakage breaker 3 based on the current transformer cannot detect the ground fault state, and cannot protect the device from the ground fault current.
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell power plant configured to be connected to a power supply system via an insulating transformer in a case where a ground fault has occurred. An object of the present invention is to provide a ground fault detecting device for a fuel cell power plant that can detect the ground fault.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to claim 1 of the present invention is configured such that an insulated transformer having a primary side connected to a power supply system and a switching element are connected in a full-bridge manner, and the AC terminal is connected via a low-pass filter. An inverter device connected to the secondary side of the insulating transformer, a first smoothing capacitor connected to the DC terminal side of the inverter device, and a boost chopper circuit having a high voltage side terminal connected between the DC terminals of the inverter device A second smoothing capacitor and a fuel cell main body connected to a low-voltage terminal of the boost chopper circuit; a step-down chopper circuit having a high-side terminal connected between the terminals of the first smoothing capacitor; A third smoothing capacitor connected to a low-voltage side terminal of the circuit, and a first fuel cell power generation plug driven by an AC power supply and required for plant control. And a second fuel cell power generation plant accessory driven by a DC power supply and necessary for plant control is provided in a housing, and the housing is connected to a ground bus. A voltage detecting circuit for connecting a negative electrode of the fuel cell body to the housing via a predetermined ground impedance, and detecting a terminal voltage of the ground impedance; and a terminal of the ground impedance detected by the voltage detecting circuit. It is characterized in that a comparison circuit for comparing a voltage with a predetermined voltage level and a ground fault determination circuit for performing a ground fault determination based on a comparison result of the comparison circuit are provided.
[0017]
By adopting the above configuration, when a ground fault occurs in the fuel cell main unit or the group of AC-driven or DC-driven fuel cell power plant control auxiliary equipment, the case and the ground bus are used as paths through which a ground fault current flows. , And a ground impedance is interposed in the path, so that a voltage is generated across the ground impedance due to a ground fault current. This voltage is detected by a voltage detection circuit, compared with a predetermined voltage level by a comparison circuit, and ground fault determination is performed by a ground fault determination circuit based on the comparison result, so that the power supply system is connected via an insulating transformer. Thus, even when the fuel cell power plant is configured, a ground fault can be detected reliably.
[0018]
3. The ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to claim 2, wherein, in the above invention, the rectifying circuit rectifies a terminal voltage of the ground impedance detected by the voltage detecting circuit, and averages the rectified output to perform the comparison. A characteristic is that a low-pass filter circuit for outputting to the circuit is provided.
[0019]
According to the above configuration, while the voltage detected by the voltage detection circuit becomes a positive value or a negative value depending on the direction of the ground fault current, the voltage is rectified by the rectification circuit and the rectified output is output by the low-pass filter circuit. By inputting the averaged output to the comparison circuit, it is possible to reliably detect the ground fault by setting one positive value for the predetermined voltage level.
[0020]
The ground fault detection device for a fuel cell power plant according to claim 3, wherein the ground fault determination circuit is configured to perform the first ground fault determination when the ground fault determination is performed during the power generation operation by the fuel cell body. When a ground fault condition is detected, the inverter device, the step-up chopper circuit and the step-down chopper circuit are controlled to stop, and control to stop the fuel cell power generation plant is performed. 2 is characterized in that it is configured to detect a ground fault state and determine a ground fault of the auxiliary machine.
[0021]
According to the above configuration, when the ground fault is detected as described above, if the fuel cell power plant is operating, the ground fault is determined as the first ground fault state. , So that the operation of the inverter device, the step-up chopper circuit and the step-down chopper circuit is stopped. As a result, the group of control equipment for the fuel cell power plant driven by the DC power supply is shifted to the stop state regardless of the presence or absence of the ground fault since the drive power supply is lost. At this time, if a ground fault has occurred in the group of auxiliary machines driven by the DC power supply, the ground fault current is also lost, and the ground fault determination circuit does not detect the ground fault state.
[0022]
On the other hand, when the ground fault has occurred in the group of auxiliary machines driven by the AC power supply, the AC power is supplied from the power supply system side, so that the ground fault state continues. As a result, the ground fault current is continuously detected, so that the occurrence of the ground fault accident in the auxiliary equipment group driven by the AC power supply can be specified as the second ground fault state. Become like
[0023]
From the above results, when both the first and second ground fault states are detected, it can be specified that the AC-driven auxiliary equipment group has a ground fault fault, and only the first ground fault state is detected. In such a case, it is possible to determine that the DC-driven accessory group has a ground fault.
[0024]
5. The ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to claim 4, wherein in each of the above inventions, a switch for turning on and off the first and second fuel cell power plant auxiliary machines is connected to a negative electrode of the step-down chopper circuit. The feature is that it is configured to be inserted on the side.
[0025]
Thus, in a state where no ground fault has occurred, the drive control of the auxiliary equipment of the fuel cell power plant can be performed by controlling the drive of the on / off control switch. Occurs, a ground fault current flows irrespective of the on / off control switch, so that it can be easily determined without considering the on / off control switch state as an element of the ground fault determination. Become.
[0026]
The ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to claim 5 is the device according to claim 1, wherein the first and second auxiliary devices for the fuel cell power plant are stopped while the fuel cell power plant is stopped. The present invention is characterized in that the on / off control of those which can be individually controlled is sequentially performed for a short period of time so that the presence / absence of a ground fault is individually determined by the ground fault determining circuit.
[0027]
According to the above configuration, while the fuel cell power plant is stopped, the DC-driven and AC-driven accessories are controlled so as to be sequentially turned on for a certain period of time. By detecting whether a ground fault has occurred, it is possible to identify the auxiliary machine in which the ground fault has occurred. Therefore, if control for detecting such a ground fault is performed during operation or stoppage, it is possible to prevent an adverse effect caused by the ground fault beforehand.
[0028]
The ground fault detection device for a fuel cell power plant according to claim 6, wherein in each of the above inventions, the ground impedance is a first ground impedance that is always connected, and a second ground impedance that is connectable by turning on and off a switch. The feature is that it is configured by the parallel circuit.
[0029]
According to the above configuration, in order to detect the ground fault accident with high sensitivity as the impedance value of the ground impedance, it is possible to detect the ground fault accident quickly and reliably by increasing the ground fault current as a low impedance. If a large ground fault current flows continuously, the operation of the fuel cell power plant may become impossible. Therefore, it is desirable to set the ground impedance high from this viewpoint. In order to obtain advantageous portions of both of these features, the ground impedance can be changed by using the first ground impedance alone or by connecting the second ground impedance in parallel. Become like
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 shows an electrical configuration of a fuel cell power plant according to the present invention. A primary terminal of an insulating transformer 22 is connected to a power supply system 21. The secondary side terminal of the insulating transformer 22 is connected to the AC terminal side of the inverter device 24 via the low pass filter 23.
[0031]
The low-pass filter 23 includes a capacitor 23a connected between the secondary terminals of the insulating transformer 22, and reactors 23b and 23c interposed in each line connected to the inverter device 24 side. The inverter device 24 is formed by connecting four switching elements 24a to 24d typified by IGBTs and the like in a full-bridge manner. Each of the switching elements 24a to 24d is configured to receive a control signal from an inverter control circuit (not shown). Have been.
[0032]
The first smoothing capacitor 25 is connected to the DC terminal side of the inverter device 24, and the high-voltage side terminal of the step-up chopper circuit 26 is connected. The step-up chopper circuit 26 includes a switching element 26a such as an IGBT, a reactor 26b, and a diode 26c. The switching element 26a is driven and controlled by a control circuit (not shown) to perform a step-up operation.
[0033]
The low voltage side terminal of the step-up chopper circuit 26 is connected to the second smoothing capacitor 27 and to the fuel cell main body 28. The fuel cell main body 28 includes a fuel electrode and an air electrode, and generates electric energy by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and also generates heat energy. The electric energy is converted to an AC output by the inverter device 24 as a DC output and supplied to the power supply system 21 side. The heat energy can be recovered and used by circulating the cooling water and arranging the heat exchanger.
[0034]
The DC terminal side of the inverter device 24 is connected to the high voltage side terminal of the step-down chopper circuit 29. The step-down chopper circuit 29 includes a switching element 29a such as an IGBT, a diode 29b, and a reactor 29c, and performs a step-down operation by controlling the driving of the switching element 29a. A third smoothing capacitor 30 is connected to a low voltage side terminal of the step-down chopper circuit 29.
[0035]
Shut-off valves, proportional valves, regulating valves driven by AC power supply necessary for plant control of fuel system, water treatment system, air system, etc. One fuel cell power plant control auxiliary machine (hereinafter, referred to as an AC auxiliary machine) 31 is connected to a secondary terminal of the insulating transformer 22. Also, a plurality of second fuel cell power plant control accessories (hereinafter referred to as DC auxiliary) such as a shut-off valve, a proportional valve, and a regulating valve driven by a DC power supply, and a blower, a pump, an electric heater, a temperature detector, and a flow meter. ) 32 is connected to the low-voltage side terminal of the step-down chopper circuit 29.
[0036]
The housing 33 of the plant main body in which the device of the fuel cell power plant is housed is connected to the ground bus E. Then, in order to fix the potential of the fuel cell main body 28, the negative electrode terminal side is connected to the housing 33 via the ground impedance 34. This is because the configuration of the fuel cell power plant uses the insulating transformer 22 at the interconnection point with the power supply system 21 side. Further, when no accident such as a ground fault occurs, no current flows through the ground impedance 34.
[0037]
The voltage detection circuit 35 is provided so as to detect a voltage between terminals of the ground impedance 34, and outputs the detected voltage VE to the comparison circuit 36. The comparison circuit 36 receives Va and Vb (where Va>0> Vb) as comparison reference voltages. In this case, the comparison reference voltages Va and Vb are set to have the same absolute value and different signs. The comparison result by the comparison circuit 36 is output to the ground fault determination circuit 37. The ground fault determination circuit 37 determines a ground fault state based on the comparison result of the comparison circuit 36 and outputs a determination signal SE.
[0038]
In this case, the comparison circuit 36 compares whether the detection voltage VE is higher than the comparison reference voltage Va (VE> Va) or whether the detection voltage VE is lower than the comparison reference voltage Vb (VE <Vb). Reference numeral 37 determines that a ground fault condition occurs when any of the conditions is met.
[0039]
Next, the operation of the above configuration will be described. As described above, when a ground fault occurs in the fuel cell main body 28 (point A in the figure), the DC auxiliary machine 32 (point B in the figure), or the AC auxiliary machine 31 (point C in the figure). Since the ground fault current IE forms a closed circuit so as to pass through the housing 33 and the ground impedance 34, the ground fault current can be detected by detecting the terminal voltage VE by the voltage detection circuit 35.
[0040]
At this time, assuming that the impedance value of the ground impedance 34 is ZE, the ground fault current IE can be expressed by the following equation.
[0041]
IE = VE / ZE (1)
That is, the magnitude of the ground fault current IE can be calculated by detecting the voltage VE across the ground impedance 34. Assuming that the protection level of the ground fault current is IE0, the corresponding voltages Va and Vb are represented by the following equations.
[0042]
Va = IE0 × ZE (2)
Vb = −IE0 × ZE (3)
Therefore, in the ground fault determination circuit 37, the comparison result of the comparison circuit 36
If the ground fault state is determined when either VE> Va or Vb> VE, ground fault detection can be performed reliably.
[0043]
In the above case, since the polarity of the detection voltage VE is inverted depending on the direction in which the ground fault current IE flows, Va and Vb are set in consideration of this. Therefore, Va and Vb are equal in absolute value.
[0044]
According to this embodiment, since the ground impedance 34 is connected to the ground bus E while being interposed between the housing 33 and the ground impedance 34, the ground impedance 34 is included when a ground fault occurs. A closed circuit can be formed to allow the ground fault current to flow, whereby the terminal voltage VE of the ground impedance 34 is detected by the voltage detection circuit 35 and compared with the comparison reference voltages Va and Vb by the comparison circuit 36. By doing so, the ground fault determination circuit 37 can reliably determine the ground fault state.
[0045]
(Second embodiment)
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is a configuration for performing a ground fault determination. In this embodiment, a rectifier circuit 38 and a low-pass filter (LPF) 39 are interposed and a comparison circuit 40 is provided instead of the comparison circuit 36 in the first embodiment.
[0046]
According to the above configuration, the terminal voltage VE of the ground impedance 34 detected by the voltage detection circuit 35 is rectified by the rectification circuit 38 and averaged by the LPF 39, so that the effective voltage independent of the direction of the ground fault current IE flows. A voltage signal can be obtained, and this is compared with the comparison reference voltage Va by the comparison circuit 40 to detect the ground fault state.
[0047]
According to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the comparison reference voltage in the comparison circuit 40 can be set to only Va, thereby suppressing adverse effects such as noises and ensuring reliability. Detecting operation can be performed.
[0048]
(Third embodiment)
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the same configuration as that of the first embodiment is employed, and the ground fault state detection processing is performed in conjunction with the operation control of the fuel cell power plant. By associating them, it is possible to narrow down the location where the ground fault condition occurs.
[0049]
The control device (not shown) controls the drive of the inverter device 24, the boost chopper circuit 26, and the step-down chopper circuit 29, and also implements the drive control of the AC accessory 31 and the DC accessory 32. The control device executes a ground fault determination program based on the determination output SE of the ground fault determination circuit 37 in accordance with the flowchart shown in FIG.
[0050]
First, when the fuel cell power plant is in the operating state, the ground fault state is determined in the same manner as in the first embodiment. When the terminal voltage VE of the ground impedance 34 exceeds a predetermined level, the comparison circuit 36 determines that the voltage exceeds the comparison reference voltage Va or falls below Vb, and the ground fault determination circuit 37 determines the ground fault state. Then, the control device receives this as the first ground fault state (determined “YES” in step S1), and recognizes that either the AC auxiliary machine 31 or the DC auxiliary machine 32 has become the ground fault state. I do.
[0051]
Then, the control device performs control to shift the inverter device 24, the step-up chopper circuit 26, and the step-down chopper circuit 29 to a stop state (step S2). As a result, the operation of the fuel cell power plant is substantially stopped. In this state, since the step-down chopper circuit 29 is stopped, no driving power is supplied to the DC auxiliary device 32. When the occurrence of the ground fault condition occurs in the DC auxiliary device 32, the step-down chopper circuit 29 is stopped as described above, so that the ground fault current IE does not flow. Therefore, in this state, the ground fault determination circuit 37 does not detect the ground fault state.
[0052]
On the other hand, in the AC auxiliary machine 31, even if the inverter device 24 and the like are stopped, power can be received from the power supply system 21 side, so that the driving state continues. At this time, if a ground fault occurs in the AC auxiliary machine 31, the ground fault current IE does not become zero even in this state, so that the ground fault current IE continuously flows through the ground impedance 34. , The ground fault determination circuit 37 determines the ground fault state.
[0053]
Accordingly, the control device receives the ground fault state detected after substantially stopping the operation of the fuel cell power plant in step S2 as the second ground fault state. When the state is detected (determined as “YES” in step S3), it is determined that a ground fault condition has occurred in AC auxiliary machine 32 (step S4), and the second ground fault condition is not detected. In this case (same as “NO”), it is determined that a ground fault condition has occurred in the DC auxiliary device 31 (step S5).
[0054]
According to such a third embodiment, it is possible to determine whether the ground fault occurrence location is the AC auxiliary machine 32 or the DC auxiliary machine 31, so that a large number of these AC auxiliary machines 32 and the DC auxiliary machines 31 are used. In the case of the configuration described above, the time required for specifying the ground fault location can be reduced. As a result, the time required for the return can be shortened, thereby contributing to efficient operation.
[0055]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that a switch 41 for turning on and off the DC accessory 32 is interposed on the negative terminal side of the DC accessory 32. It is the structure which made it. In the first embodiment, it is not particularly specified where the switch for on / off control is provided, and any configuration may be provided as long as the DC accessory 32 can be on / off controlled. In this embodiment, by providing the switch 41 on the negative terminal side, it becomes possible to detect the ground fault state irrespective of the state of the switch 41 for on / off control.
[0056]
(Fifth embodiment)
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention. What differs from the first embodiment is the configuration of the ground impedance 34 portion. That is, in this embodiment, the ground impedance is set to the first ground impedance, and a series circuit of the second ground impedance 42 and the on / off switch 43 is connected in parallel with the first impedance to form the ground impedance. .
[0057]
In this configuration, for example, the impedance value of the first ground impedance 34 is set to a relatively large value, and the impedance of the second ground impedance 42 is set to a relatively small value.
[0058]
When the fuel cell power plant is operating normally, current does not flow through any of the ground impedances 34 and 42, and therefore does not depend on the impedance value. When the state occurs, the ground fault current IE flows through the ground impedances 34 and 42. If the impedance value at this time is small, the ground fault current IE increases and the terminal voltage VE increases, so that the detection accuracy is high. The power loss increases accordingly. On the other hand, if the impedance is high, the ground fault current IE can be limited, but the detection accuracy decreases.
[0059]
In this embodiment, in consideration of such points, the ground impedance is reduced to increase the detection sensitivity until the ground fault is detected in a normal state, and the ground fault is determined when the ground fault is determined. The switch 43 is configured to be switched and controlled so as to increase the ground impedance in order to reduce a short-circuit current. Thus, when a ground fault occurs without lowering the ground fault detection accuracy, the ground fault current can be reduced as much as possible to reduce loss.
[0060]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, but can be modified or expanded as follows.
The third to fifth embodiments can be used not only based on the first embodiment but also based on the second to fourth embodiments.
[0061]
When the AC auxiliary equipment 31 and the DC auxiliary equipment 32 can be individually turned on and off during the suspension period of the fuel cell power plant, the location where the ground fault occurs is identified by scanning the Ta for only a short time Ta. Will be able to
[0062]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention connects the casing to the ground bus, connects the negative electrode of the fuel cell body to the casing via a predetermined ground impedance, and detects the terminal voltage of the ground impedance. A detection circuit, a comparison circuit that compares a terminal voltage of the ground impedance detected by the voltage detection circuit with a predetermined voltage level, and a ground fault determination circuit that determines a ground fault based on a comparison result of the comparison circuit. Therefore, if a ground fault occurs in the fuel cell main unit or the control group of AC or DC driven fuel cell power plant control equipment, the path through which the ground fault current flows should include the housing and the ground bus. The ground impedance can be interposed in the path, and the terminal voltage generated at both ends of the ground impedance due to the ground fault current is detected by the voltage detection circuit. Since the ground fault determination is performed by the ground fault determination circuit by comparing with a predetermined voltage level by the comparison circuit, even if the fuel cell power plant is configured to be connected to the power supply system via the insulating transformer, it is ensured. Ground faults can be detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrical configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view corresponding to FIG. 1, showing a second embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a flowchart of a ground fault determination program according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 1, showing a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 1, showing a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a path of a ground fault current when a ground fault occurs at a point A;
FIG. 8 is a diagram showing a path of a ground fault current when a ground fault occurs at a point B;
FIG. 9 is a diagram showing a path of a ground fault current when a ground fault occurs at a point C;
[Explanation of symbols]
Reference numeral 21 denotes a power supply system, 22 denotes an insulating transformer, 23 denotes a low-pass filter, 24 denotes an inverter device, 25 denotes a first smoothing capacitor, 26 denotes a step-up chopper circuit, 27 denotes a second smoothing capacitor, 28 denotes a fuel cell body, and 29 denotes a fuel cell body. Step-down chopper circuit, 30 is a third smoothing capacitor, 31 is a first fuel cell power plant auxiliary (AC auxiliary), 32 is a second fuel cell power plant auxiliary (DC auxiliary), 33 is a housing , 34 are ground impedances (first ground impedance), 35 is a voltage detection circuit, 36 is a comparison circuit, 37 is a ground fault determination circuit, 38 is a rectifier circuit, 39 is a low-pass filter, 40 is a comparison circuit, 41 is a switch, 42 is a second ground impedance, and 43 is a switch.

Claims (6)

電源系統に一次側が接続された絶縁トランスと、スイッチング素子をフルブリッジ接続してなり交流端子がローパスフィルタを介して前記絶縁トランスの二次側に接続されるインバータ装置と、このインバータ装置の直流端子側に接続される第１の平滑コンデンサと、高圧側端子が前記インバータ装置の直流端子間に接続された昇圧チョッパ回路と、この昇圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第２の平滑コンデンサおよび燃料電池本体と、高圧側端子が前記第１の平滑コンデンサの端子間に接続される降圧チョッパ回路と、この降圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第３の平滑コンデンサと、交流電源で駆動されプラント制御に必要な第１の燃料電池発電プラント補機と、直流電源で駆動されプラント制御に必要な第２の燃料電池発電プラント補機とを筐体内に備えた構成の燃料電池発電プラントにおいて、
前記筐体を接地母線に接続すると共に、前記燃料電池本体の負極を所定の接地インピーダンスを介して前記筐体に接続し、
前記接地インピーダンスの端子電圧を検出する電圧検出回路と、
この電圧検出回路により検出される前記接地インピーダンスの端子電圧を所定の電圧レベルと比較する比較回路と、
この比較回路の比較結果にもとづいて地絡判定を行なう地絡判定回路とを設けたことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。An insulating transformer whose primary side is connected to a power supply system, an inverter device in which switching elements are connected in a full-bridge manner and an AC terminal is connected to a secondary side of the insulating transformer via a low-pass filter, and a DC terminal of the inverter device A first smoothing capacitor connected to the DC side of the inverter device, a second smoothing capacitor connected to a low voltage side terminal of the booster chopper circuit, A fuel cell body, a step-down chopper circuit having a high-voltage terminal connected between the terminals of the first smoothing capacitor, a third smoothing capacitor connected to a low-voltage terminal of the step-down chopper circuit, and an AC power supply A first fuel cell power plant auxiliary machine required for plant control, and a second fuel cell power plant driven by a DC power supply and necessary for plant control. The fuel cell power plant configuration that includes a power plant auxiliaries in the casing,
While connecting the housing to a ground bus, connecting the negative electrode of the fuel cell body to the housing via a predetermined ground impedance,
A voltage detection circuit for detecting a terminal voltage of the ground impedance,
A comparison circuit that compares a terminal voltage of the ground impedance detected by the voltage detection circuit with a predetermined voltage level;
A ground fault detecting device for a fuel cell power plant, comprising: a ground fault determining circuit for determining a ground fault based on a comparison result of the comparing circuit. 請求項１に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
前記電圧検出回路が検出する前記接地インピーダンスの端子電圧を整流する整流回路と、
その整流出力を平均化して前記比較回路に出力する低域通過フィルタ回路とを設けたことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。The ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to claim 1,
A rectifier circuit that rectifies a terminal voltage of the ground impedance detected by the voltage detection circuit,
A low-pass filter circuit that averages the rectified output and outputs the averaged rectified output to the comparison circuit. 請求項１または２に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
前記地絡判定回路は、前記燃料電池本体による発電動作中に前記地絡判定を行なった場合に第１の地絡状態を検出したときには、前記インバータ装置，昇圧チョッパ回路および降圧チョッパ回路を停止制御すると共に、燃料電池発電プラントを停止させる制御を行い、その停止状態において前記地絡判定を行なった場合に第２の地絡状態を検出し、前記補機の地絡を判定することを特徴とする燃料電池発電プラント地絡検出装置。The ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to claim 1 or 2,
The ground fault determination circuit controls the inverter device, the boost chopper circuit and the step-down chopper circuit to stop when the first ground fault condition is detected when the ground fault determination is performed during the power generation operation by the fuel cell body. And performing control to stop the fuel cell power plant, detecting the second ground fault state when the ground fault determination is performed in the stopped state, and determining a ground fault of the auxiliary machine. Fuel cell power plant ground fault detector. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機についてオンオフ制御するためのスイッチを、前記降圧チョッパ回路の負極側に挿入する構成としたことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。A ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to any one of claims 1 to 3,
A ground fault detecting device for a fuel cell power plant, wherein a switch for on / off control of the first and second fuel cell power plant auxiliary machines is inserted into a negative electrode side of the step-down chopper circuit. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
前記燃料電池発電プラントの停止中において、前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機について個別に駆動制御可能なものを順次短期間だけオンオフ制御することにより前記地絡判定回路により個別に地絡の有無を判定するように構成したことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。A ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to any one of claims 1 to 3,
While the fuel cell power plant is stopped, the first and second fuel cell power plant auxiliary devices that can be individually driven and controlled are sequentially turned on / off only for a short period of time, so that the ground fault determination circuit individually controls the ground. A ground fault detecting device for a fuel cell power plant, which is configured to determine the presence or absence of a fault. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
前記接地インピーダンスを、常時接続する第１の接地インピーダンスと、スイッチのオンオフにより接続可能な第２の接地インピーダンスとの並列回路により構成したことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。A ground fault detecting device for a fuel cell power plant according to any one of claims 1 to 5,
A ground fault detecting device for a fuel cell power plant, wherein the ground impedance is constituted by a parallel circuit of a first ground impedance that is always connected and a second ground impedance that can be connected by turning on and off a switch.
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