JP2005285379A

JP2005285379A - 昇圧チョッパの制御システム

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Publication number: JP2005285379A
Application number: JP2004093684A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Ikeda; 洋一池田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】経時的変化あるいは直流電流変化等の理由により燃料電池１の出力電圧Ｖｆｃが変化した場合においても、急峻な交流側の負荷変動に対して常に最適なフィードフォワード制御を行なうことができる燃料電池の昇圧チョッパ制御システム等を提供する。
【解決手段】有効電力演算器４５により得られた有効電力値５１を直流電流検出値Ｉｄｃ２４で割算器６０により除算して燃料電池電圧演算結果６３を得て、一次遅れフィルタ６４を通すことにより一次遅れフィルタ後の燃料電池電圧演算結果６３’を得る。有効電力値５１を一次遅れフィルタ後の燃料電池電圧演算結果６３’で割算器６１により除算して出力すべき直流電流演算結果５６’を求め、条件付フィルタ４８へ入力してフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２を生成する。当該フィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２を用いてチョッパゲートパルス２８を生成し、昇圧チョッパ９の電流制御を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池、昇圧チョッパ及びインバータを有する電源システムにおける該昇圧チョッパの制御システムに関する。

一般的に、燃料電池が出力する直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置としてはインバータが用いられており、このインバータの電力変換効率を高めるために昇圧チョッパが用いられている。例えば特許文献１および２に示されるように、通常、インバータの前端に昇圧チョッパを設けておき、燃料電池の出力電圧を昇圧チョッパにより昇圧してインバータへ入力している。

図２は、従来の、燃料電池からインバータを介して交流負荷へ交流電力を供給する回路の構成を示す主回路構成図を示す。図２において、符号１は燃料電池（出力電圧Ｖｆｃ）、９は昇圧チョッパ（点線で囲まれた部分）、５は平滑用コンデンサ、１０はインバータ、１３は力率改善用の交流リアクトル、１６は交流遮断器、１８は交流負荷である。図２に示されるように、燃料電池１の出力は昇圧チョッパ９により一定の直流電圧へ昇圧される。昇圧された直流電圧は平滑用コンデンサ５を介してインバータ１０へ入力される。当該入力はインバータ１０により交流電力へ変換され、交流リアクトル１３および交流遮断器１６を介して交流負荷１８に供給される。

図２に示されるように、昇圧チョッパ９は燃料電池１の一方の電極に直列に接続された力率改善用の直流リアクトル２と、直流リアクトル２に直列に接続された整流用ダイオード４と、直流リアクトル２と整流用ダイオード４との間に一方が接続され他方が燃料電池１の他方の電極に接続された自己消弧素子６とにより構成されている。自己消弧素子６は自己消弧機能を有するスイッチング素子であり、例えばパワートランジスタまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が用いられている。インバータ１０は、自己消弧素子１１ａおよびダイオード１２ａの逆並列接続と自己消弧素子１１ｂおよびダイオード１２ｂの逆並列接続とにより構成されている。

続いて図２において、符号８はチョッパ制御器であり、直流電流検出器３により検出された直流電流検出値Ｉｄｃ２４と直流電圧検出器７により検出された平滑用コンデンサ５の直流電圧検出値Ｖｄｃ２１とを入力して、チョッパゲートパルス２８を発生する。符号１７はインバータ制御器であり、直流電圧検出器７により検出された平滑用コンデンサ５の直流電圧検出値Ｖｄｃ２１、と交流検出器１４により検出された交流負荷１８の交流電流検出値Ｉａｃ３７と、交流電圧検出器１５により検出された交流負荷１８の交流電圧検出値Ｖａｃ３６とを入力して、インバータゲートパルス４２を出力する。

まず、チョッパ制御器８の機能について説明する。図３は、従来のチョッパ制御器８を用いたチョッパ制御システムを示す。図３で図２と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図３において、従来のチョッパ制御器８以外の要素は図面の都合上、図２において特に明示されてはいない。図３に示されるように、チョッパ制御器８では、直流電圧検出値Ｖｄｃ２１と燃料電池発電装置の制御部（不図示）から別途に設定される直流電圧指令値Ｖｄｃ^＊２０との偏差をＰＩで構成される自動電圧調整器（Automatic Voltage Regulator : ＡＶＲ）２２へ入力することにより、入力電圧偏差を零にする直流電圧補償量Ｉｄｃ^＊（ａｖｒ）５３を求める。

一方、チョッパ制御システムでは、図３に示されるように交流電流検出値Ｉａｃ３７を三相／二相変換器４９により二相量とした電流と交流電圧検出値Ｖａｃ３６を三相／二相変換器５０により二相量とした電圧とを有効電力演算器４５へ入力して有効電力値５１を得る。この有効電力値５１をゲイン調節器５５へ入力することにより、燃料電池１が出力すべき直流電流値５６に換算する。次に、直流電流値５６を増加時にのみローパスフィルタの動作をする条件付フィルタ４８へ入力して、外乱または系統擾乱等による制御量の変化を示すフィードフォワード（feed forward）項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２を生成する。

図３に示されるように、チョッパ制御器８では、直流電圧補償量Ｉｄｃ^＊（ａｖｒ）５３とフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２とを加算して直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４を生成する。この直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４と直流電流検出値Ｉｄｃ２４との偏差をＰＩで構成される自動電流調整器（Automatic Current Regulator : ＡＣＲ）２３へ入力することにより入力電流偏差を零にするパルス変調率２５を決定する。パルス変調率２５とキャリア２７とをパルス幅制御（Pulse Width Modulation : ＰＷＭ）演算器２６ａへ入力して、チョッパゲートパルス２８を生成する。

次に、インバータ制御器１７の機能について説明する。図４は、従来のインバータ制御器１７を用いたインバータ制御システムを示す。図４で図２と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図４において、従来のインバータ制御器１７以外の要素は図面の都合上、図２において特に明示されてはいない。図４に示されるように、インバータ制御システムでは、燃料電池発電装置の制御部（不図示）から別途に設定される周波数指令値ｆ^＊３０を積分器３１で積分する。この積分演算結果を正弦波関数演算器３２へ入力して正弦波を得る。この正弦波と、燃料電池発電装置の制御部（不図示）から別途に設定される電圧実行値指令値３３にゲイン演算器３４によってゲインを掛けた値とを掛算器３５で掛けることにより交流電圧指令値Ｖａｃ^＊７０を生成する。

インバータ制御器１７では、上記交流電圧指令値Ｖａｃ^＊７０と交流電圧検出値Ｖａｃ３６との偏差をＡＶＲ３８へ入力することにより、ＡＶＲ３８は入力電圧偏差を零にする制御信号を出力する。次に、当該制御信号と、交流電圧指令値Ｖａｃ^＊７０と、交流電流検出値Ｉａｃ３７からリアクトル電圧演算器４３により求めた交流リアクトル１３にかかる電圧との総和を求める。当該総和を、直流電圧検出値Ｖｄｃ２１にゲイン演算器４４によってゲインを掛けた値で割算器４０により割算することにより、パルス変調率４１を決定する。パルス変調率４１とキャリア３９とをＰＷＭ演算器２６ｂへ入力して、インバータゲートパルス４２を生成する。

燃料電池１はその特性上、出力する有効電力が急激に増加する場合、燃料電池１内でガス不足が発生し、電池寿命を短くしてしまうという問題があった。この問題に対しては次のように対処することができる。すなわち、上述のようにチョッパ制御器８で直流電圧補償量Ｉｄｃ^＊（ａｖｒ）５３とフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２とを加算して直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４を生成することにより、交流側での急峻な負荷増加に対しては徐々に直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４を増加させることによって燃料電池１のガス不足を防ぐことができる。一方、交流負荷１８へ交流電力を供給中に突然交流遮断器１６が開路してしまうような、所謂負荷遮断事故が発生した場合、ＡＶＲ２２の制御応答速度が遅いため平滑用コンデンサ５の電圧が過大に上昇してしまうという問題があった。この問題に対しては次のように対処することができる。すなわち、上述のようにチョッパ制御器８で直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４を生成することにより、交流側での急峻な負荷減少に対しては瞬時に直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４を減少させることによって平滑用コンデンサ５の電圧の過大な上昇を防ぐことができる。
特開平８−３２１３１９特開平８−２２２２５８

しかし、上述した従来のチョッパ制御システムおよびインバータ制御システムでは、経時的変化あるいは直流電流変化等の理由により燃料電池１の出力電圧Ｖｆｃが変化した場合、直流電流検出値Ｉｄｃ２４とインバータ１０出力の有効電力とは比例しなくなる。このため、インバータ１０出力の有効電力のみから出力すべき直流電流値を正確に求めることができなくなり、常に最適なフィードフォワード制御を行なうことができないという問題があった。

以下、上記の問題を具体的に説明する。図５は、インバータ１０出力の有効電力に対する直流電流検出値Ｉｄｃ２４および上述の従来例で実施した場合のフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２の関係を示すグラフである。図５において、横軸はインバータ１０出力の有効電力であり、縦軸は直流電流検出値Ｉｄｃ２４およびフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２である。燃料電池１の特性により、出力する直流電流検出値Ｉｄｃ２４が増加すると燃料電池１の出力電圧Ｖｆｃは減少するため、インバータ１０出力の有効電力に対する直流電流検出値Ｉｄｃ２４の関係は、図５の実線で示されるようになる。一方、インバータ１０出力の有効電力に対する従来例で実施した場合のフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２の関係は、図５の点線で示されるように比例関係となる。従って最適な制御は、フィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２が出力すべき直流電流検出値Ｉｄｃ２４と一致した状態、つまり、図５の点線が実線と一致した状態になる時に行なわれることとなる。この状態において、交流側の負荷変動に対して早い応答を実現することができる。

しかし、上述した従来の制御では、図５の斜線部で示されるようにフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２と実際に流れる直流電流検出値Ｉｄｃ２４との間には誤差があった。この誤差を補償するためにＡＶＲ２２が動作する必要が生じ、ＡＶＲ２２の演算時間だけ交流側の負荷変動に対して応答が遅れることになる結果、急峻な交流側の負荷変動に対して常に最適なフィードフォワード制御を行なうことができないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、経時的変化あるいは直流電流変化等の理由により燃料電池１の出力電圧Ｖｆｃが変化した場合においても、急峻な交流側の負荷変動に対して常に最適なフィードフォワード制御を行なうことができる燃料電池の昇圧チョッパ制御システム等を提供することにある。

本発明の昇圧チョッパの制御システムは、燃料電池、昇圧チョッパ及びインバータを有する電源システムにおける該昇圧チョッパの制御システムであって、前記インバータの出力有効電力値と前記燃料電池の電圧値とに基づき、該燃料電池が出力する最適な直流電流値を求め、該直流電流値を前記昇圧チョッパの電流制御フィードフォワード項として用いることを特徴とする。

ここで、この発明の昇圧チョッパの制御システムにおいて、前記インバータの出力有効電力値は、前記電源システムにより交流電力を供給される交流負荷の交流電流検出値を三相／二相変換器により二相量とした電流と、該交流負荷の交流電圧検出値を三相／二相変換器により二相量とした電圧とを有効電力演算器へ入力して得ることができる。

ここで、この発明の昇圧チョッパの制御システムにおいて、前記最適な直流電流値は、前記出力有効電力値を前記燃料電池側で検出された直流電流検出値により除算して燃料電池電圧演算結果を求め、該燃料電池電圧演算結果を所定のフィルタを通すことにより得られた結果により前記出力有効電力値を除算して求めることができる。

本発明のチョッパ制御システムにより得られたフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２を用いてチョッパゲートパルス２８を生成し、昇圧チョッパ９の電流制御を行なうことができる。この結果、経時的変化あるいは直流電流変化等の理由により燃料電池１の出力電圧Ｖｆｃが変化した場合においても、急峻な交流側の負荷変動に対して常に最適なフィードフォワード制御を行なうことができる燃料電池の昇圧チョッパ制御システム等を提供することができるという効果がある。

以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例におけるチョッパ制御システムを示す。図１で図３と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。本発明の一実施例におけるチョッパ制御システムは、従来例の説明で用いた燃料電池１からインバータ１０を介して交流負荷１８へ交流電力を供給する回路の構成を示す主回路構成図（図２）において、新たなチョッパ制御システムとして用いることができるものである。図１で点線で囲まれた電池電圧演算部６２が本発明の一実施例における特徴的な構成である。図１に示されるように、交流電流検出値Ｉａｃ３７を三相／二相変換器４９により二相量とした電流と交流電圧検出値Ｖａｃ３６を三相／二相変換器５０により二相量とした電圧とを有効電力演算器４５へ入力して有効電力５１値を得る。この有効電力値５１を電流検出器３により検出された直流電流検出値Ｉｄｃ２４で割算器６０により除算して、燃料電池電圧演算結果６３を得る。次に、燃料電池電圧演算結果６３を系統擾乱等による瞬間的な電力の変動を除去することを目的とした一次遅れフィルタ６４を通すことにより、一次遅れフィルタ後の燃料電池電圧演算結果６３’を得る。上記有効電力値５１を一次遅れフィルタ後の燃料電池電圧演算結果６３’で割算器６１により除算して、出力すべき直流電流演算結果５６’を求める。この直流電流演算結果５６’を増加時にのみローパスフィルタの動作をする条件付フィルタ４８へ入力して、フィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２を生成する。

後は従来のチョッパ制御システム（図３）で説明した内容と同様であり、図１に示されるようにチョッパ制御器８において、直流電圧補償量Ｉｄｃ^＊（ａｖｒ）５３と上述のようにして求められた本発明の一実施例におけるフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２とを加算して直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４を生成する。この直流電流指令値Ｉｄｃ^＊５４と直流電流検出値Ｉｄｃ２４との偏差をＰＩで構成されるＡＣＲ２３へ入力することにより入力電流偏差を零にするパルス変調率２５を決定する。パルス変調率２５とキャリア２７とをＰＷＭ演算器２６ａへ入力して、チョッパゲートパルス２８を生成する。

以上より、本発明の一実施例によれば、交流電流検出値Ｉａｃ３７を三相／二相変換器４９により二相量とした電流と交流電圧検出値Ｖａｃ３６を三相／二相変換器５０により二相量とした電圧とを有効電力演算器４５へ入力して有効電力５１値を得る。この有効電力値５１を電流検出器３により検出された直流電流検出値Ｉｄｃ２４で割算器６０により除算して、燃料電池電圧演算結果６３を得る。次に、燃料電池電圧演算結果６３を一次遅れフィルタ６４を通すことにより、一次遅れフィルタ後の燃料電池電圧演算結果６３’を得る。上記有効電力値５１を一次遅れフィルタ後の燃料電池電圧演算結果６３’で割算器６１により除算して、出力すべき直流電流演算結果５６’を求める。この直流電流演算結果５６’を増加時にのみローパスフィルタの動作をする条件付フィルタ４８へ入力して、フィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２を生成することができる。当該フィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２を用いて、後は従来例と同様にしてチョッパゲートパルス２８を生成し、昇圧チョッパ９の電流制御を行なうことができる。この結果、経時的変化あるいは直流電流変化等の理由により燃料電池１の出力電圧Ｖｆｃが変化した場合においても、急峻な交流側の負荷変動に対して常に最適なフィードフォワード制御を行なうことができる燃料電池の昇圧チョッパ制御システム等を提供することができる。

本発明の活用例として、燃料電池、昇圧チョッパおよびインバータから構成される電源システムへの適用が挙げられる。

本発明の一実施例におけるチョッパ制御システムを示す図である。従来の、燃料電池からインバータを介して交流負荷へ交流電力を供給する回路の構成を示す主回路構成図である。従来のチョッパ制御器８を用いたチョッパ制御システムを示す図である。従来のインバータ制御器１７を用いたインバータ制御システムを示す図である。インバータ１０出力の有効電力に対する直流電流検出値Ｉｄｃ２４および従来例で実施した場合のフィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）５２の関係を示すグラフである。

符号の説明

１燃料電池、２直流リアクトル、３直流電流検出器、４整流用ダイオード、５平滑用コンデンサ、６，１１ａ，１１ｂ自己消弧素子、７直流電圧検出器、８チョッパ制御器、９昇圧チョッパ、１０インバータ、１２ａ，１２ｂダイオード、１３交流リアクトル、１４交流検出器、１５交流電圧検出器、１６交流遮断器、１７インバータ制御器、１８交流負荷、２０直流電圧指令値Ｖｄｃ^＊、２１直流電圧検出値Ｖｄｃ、２２，３８ＡＶＲ、２３ＡＣＲ、２４直流電流検出値Ｉｄｃ、２５パルス変調率、２６ａ，２６ｂＰＷＭ演算器、２７，３９キャリア、２８チョッパゲートパルス、３０周波数指令値ｆ^＊、３１積分器、３２正弦波関数演算器、３３電圧実行値指令値、３４ゲイン演算器、３５掛算器、３６交流電圧検出値Ｖａｃ、３７交流電流検出値Ｉａｃ、４０，６０，６１割算器、４１パルス変調率、４２インバータゲートパルス、４３リアクトル電圧演算器、４４ゲイン演算器、４５有効電力演算器、４８条件付フィルタ、４９，５０三相／二相変換器、５１有効電力値、５２フィードフォワード項Ｉｄｃ^＊（ｆｆ）、５３直流電圧補償量Ｉｄｃ^＊（ａｖｒ）、５４直流電流指令値Ｉｄｃ^＊、５５ゲイン調節器、５６直流電流値、５６’ 出力すべき直流電流演算結果、６２電池電圧演算部、６３燃料電池電圧演算結果、６３’ 一次遅れフィルタ後の燃料電池電圧演算結果、６４一次遅れフィルタ、７０交流電圧指令値Ｖａｃ^＊。

Claims

燃料電池、昇圧チョッパ及びインバータを有する電源システムにおける該昇圧チョッパの制御システムであって、
前記インバータの出力有効電力値と前記燃料電池の電圧値とに基づき、該燃料電池が出力する最適な直流電流値を求め、該直流電流値を前記昇圧チョッパの電流制御フィードフォワード項として用いることを特徴とする昇圧チョッパの制御システム。
請求項１記載の昇圧チョッパの制御システムにおいて、前記インバータの出力有効電力値は、前記電源システムにより交流電力を供給される交流負荷の交流電流検出値を三相／二相変換器により二相量とした電流と、該交流負荷の交流電圧検出値を三相／二相変換器により二相量とした電圧とを有効電力演算器へ入力して得ることを特徴とする昇圧チョッパの制御システム。
請求項１又は２記載の昇圧チョッパの制御システムにおいて、前記最適な直流電流値は、前記出力有効電力値を前記燃料電池側で検出された直流電流検出値により除算して燃料電池電圧演算結果を求め、該燃料電池電圧演算結果を所定のフィルタを通すことにより得られた結果により前記出力有効電力値を除算して求めることを特徴とする昇圧チョッパの制御システム。