JP2008092767A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 系統電源が短時間の停電の場合に、発電機にストレスを与えることなく、またその制御を複雑にすることなく、復電時に速やかに再連系を行うことができる発電装置を提供する。
【解決手段】 系統電源１２０と連系して負荷１０６に交流電力を供給する発電装置１００であって、制御器１１１は、系統電源１２０の停電を検知すると、余剰電力消費器１０７に対し電力消費を開始させ、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換動作を停止させるよう制御し、停電を検知してから第１の所定時間以内に復電を検知すると、余剰電力消費器１０７への供給電力を時間経過に応じて減少させるとともに、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換動作を再開させＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力を時間経過に応じて増加させるよう制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電機に燃料電池等を用いた発電装置に関するものである。

燃料電池装置は、都市ガスなどの燃料を改質して得られた水素と空気中の酸素による電気化学反応によって発電する発電装置の一つである。このような発電装置は、系統電源と連系して、発電装置で発電した電力と系統電源からの電力とを、例えば家庭内負荷に供給するように構成されている。従来の発電装置としては、例えば、特許文献１に示すものがある。

図８は、従来の発電装置（特許文献１参照）の構成を示すブロック図である。

図８において、燃料電池８０１は直流電力を発電する。第２ＤＣ／ＤＣ変換器８０２は、燃料電池８０１の発電電力を入力し、電圧変換してインバータ８０３に出力する。インバータ８０３では、入力される直流電力を交流電力に変換し、系統電源８０６と連系して、交流負荷８１０に電力供給する。一方、第１ＤＣ／ＤＣ変換器８０７は、燃料電池８０１から入力される電力を電圧変換して、直流負荷８０８に供給する。連系部８０５は、受電点にあって、系統電源８０６からの供給電力を監視し、停電時に系統停止信号をインバータ８０３及び電力制御器８０９へ出力する。逆潮流検出器８０４は、連系部８０５とインバータ８０３の間で、交流負荷８１０よりも系統側にあって、そこを流れる電流を監視し、系統側へ電流が流れる場合に逆潮流検出情報を出力する。電力制御器８０９は、系統停止信号及び逆潮流検出情報を入力して、インバータ８０３、燃料電池８０１、第１ＤＣ／ＤＣ変換器８０７を制御し、燃料電池８０１の生成する電力が第１ＤＣ／ＤＣ変換器８０７及びインバータ８０３から出力される電力の和に等しくなるように制御する。

この発電装置では、停電時、連系部８０５から系統停止信号が出力されると、インバータ８０３の出力を停止させるとともに、一旦、燃料電池８０１の出力電力を急激に０に低下させた後、その出力電力を増加させ、燃料電池８０１から出力される電力を第１ＤＣ／ＤＣ変換器８０７へ入力させ、直流負荷８０８によって消費させるように構成されている。

また、交流負荷８１０の消費電力が減少し、逆潮流検出器８０４にて逆潮流を検出した場合、インバータ８０３の出力電力を逆潮流の余剰電力分（交流負荷８１０の消費電力が減少したことにより生じた余剰分の電力）、急激に低下させるとともに、一旦、燃料電池８０１の出力電力を逆潮流の余剰電力分低下させた後、燃料電池８０１の出力電力を増加させ、その増加分の電力を第１ＤＣ／ＤＣ変換器８０７へ入力させ、直流負荷８０８で消費させることによって逆潮流を抑えるように構成されている。
特開２００６−６７７５７号公報

上記従来の構成によれば、系統電源８０６が停電してから、例えば数秒後に復電するような短時間の停電の場合でも、一旦、燃料電池８０１の出力電力を急激に０にしなければならない。このように出力電力を急激に低下させることを考慮して燃料電池８０１を設計したとしても、少なからず燃料電池８０１にストレスを与えることになると考えられる。また、上記のように短時間の停電の場合であっても、燃料電池８０１の出力電力を急激に０に低下させた後、その出力電力を増加させるので、燃料電池８０１の制御が複雑になる。

また、逆潮流を検出した場合においては、最終的に、逆潮流の余剰電力分を直流負荷８０８で消費させ続けることになり、この場合の余剰電力は本来消費されるべき負荷である交流負荷８１０の消費電力が減少したことにより生じた余剰分の電力であるから、燃料電池８０１が非経済的な発電を行っていることになる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、系統電源が短時間の停電の場合に、燃料電池等からなる発電機にストレスを与えることなく、またその制御を複雑にすることなく、復電時に速やかに再連系を行うことができる発電装置を提供することを目的とする。また、逆潮流が発生した場合に、速やかに逆潮流を解消するとともに燃料電池からなる発電機の非経済的な発電を抑制することができる発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の発電装置は、系統電源と連系して負荷に交流電力を供給する発電装置であって、直流電力を発生する発電機と、前記発電機が発生する直流電力を直流電力に変換して出力するＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力する直流電力を交流電力に変換して前記負荷へ出力するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記系統電源が停電したことを検知する停電検知器と、前記系統電源が復電したことを検知する復電検知器と、前記発電機が発生する直流電力を消費可能な余剰電力消費器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知すると、前記余剰電力消費器に対し電力消費を開始させるとともに、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換動作を停止させるよう制御し、前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知してから第１の所定時間以内に前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知すると、前記余剰電力消費器への供給電力を時間経過に応じて減少させるとともに、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換動作を再開させ前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力を時間経過に応じて増加させるよう制御する。

この構成によれば、系統電源の停電を検知したときに、余剰電力消費器に対し電力消費を開始させるとともに、ＤＣ／ＡＣ変換器に対し変換動作を停止させることにより、発電電力（発電機の発生する直流電力）を低下させることなく、発電装置から系統電源側へ電力が流出する逆潮流の発生を防止することができる。また、停電を検知後、すぐに発電機の発電電力を低下させるような制御はしないので、少なくとも第１の所定時間が経過するまでの間は、発電機は停電を検知する直前の発電電力を維持して発電を継続しており、第１の所定時間以内（例えば５秒以内）の短時間の停電の場合には、速やかに系統電源との再連系を行うことができる。また、この短時間の停電の場合には、発電電力を低下させることなく一定に維持されるので、例えば燃料電池からなる発電機に発電電力を低下させることによるストレスを与えることもなく、またその制御が複雑になることもない。また、第１の所定時間以内に復電を検知すると、ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力を時間経過に応じて増加させるようにしているので、ＤＣ／ＡＣ変換器から過電流が出力されるのを防止し、この過電流による逆潮流の発生を防止することができる。

また、前記制御器は、前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知すると、時間経過に応じて減少させる前記余剰電力消費器の消費電力の減少量と、時間経過に応じて増加させる前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力の増加量とが等しくなるよう制御する。

この構成によれば、発電機の発電電力以上の電力を使用しようとすることによって発生するデメリット（発電機の発電停止等）を避けることができる。

また、前記制御器は、前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知してから前記第１の所定時間以内に前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知しなかったときに、発電電力を減少させて零にするよう前記発電機を制御するとともに、前記発電機の発電電力の減少に対応して前記余剰電力消費器の消費電力を減少させるよう制御する。

この構成によれば、系統電源の停電が第１の所定時間以内の短時間の停電ではない場合に、発電機による発電を停止させることができる。

また、前記余剰電力消費器及び前記ＤＣ／ＡＣ変換器は、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力する直流電力が入力されるように接続されている。

この構成によれば、余剰電力消費器をＤＣ／ＡＣ変換器とともに、出力電圧が所定電圧に制御されているＤＣ／ＤＣ変換器の出力に接続しているため、出力電圧が不安定である発電機の出力に余剰電力消費器を接続した場合に比べて、電力を余剰電力消費器とＤＣ／ＡＣ変換器とへ分配するための制御が簡単になり、例えば制御器をマイコンを用いて構成した場合のマイコンのプログラム開発負荷及びマイコンの処理負荷を軽減することができる。

また、前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記負荷との間の電路に挿入された開閉器を備え、前記制御器は、前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知すると前記開閉器を開き、前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知すると前記開閉器を閉じるよう制御する。

この構成によれば、系統電源が停電している間、開閉器を開くことにより、逆潮流の発生をより確実に防止することができる。

また、前記停電検知器は、前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記負荷との間の電路に設けられた第１の電流検出器及び／または電圧検出器を有し、前記第１の電流検出器で検出される電流値及び／または前記電圧検出器で検出される電圧値に基づいて前記系統電源が停電したことを検知する。

また、前記復電検知器は、前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記負荷との間の電路に設けられた電圧検出器を有し、前記電圧検出器で検出される電圧値に基づいて前記系統電源が復電したことを検知する。

また、前記発電装置から前記系統電源の方向へ電流が流れる状態である逆潮流を検知する逆潮流検知器を備え、前記制御器は、前記逆潮流検知器が逆潮流を検知すると、前記余剰電力消費器に対し前記負荷で消費されない余剰分の電力を消費するよう制御する。

この構成によれば、逆潮流を検知後、余剰分の電力を余剰電力消費器によって消費させることにより、速やかに逆潮流を解消することができる。

また、前記制御器は、前記逆潮流検知器が逆潮流を検知してから第２の所定時間を経過すると、前記余剰分の電力に相当する分の発電電力を減少させるように前記発電機を制御するとともに、前記発電機の発電電力の減少に対応して前記余剰電力消費器の消費電力を減少させるよう制御する。

この構成によれば、逆潮流を検知してから第２の所定時間を経過したときに、発電機の発電電力を余剰分の電力分減少させることにより、本来消費されるべき負荷で消費されない余剰分の電力の非経済的な発電を抑制することができる。

また、前記逆潮流検知器は、前記負荷よりも前記系統電源側の電路に設けられた第２の電流検出器を有し、前記第２の電流検出器で検出される電流値に基づいて逆潮流を検知する。

また、前記発電機の排熱を回収した熱媒体を貯える蓄熱器を備え、前記余剰電力消費器が前記熱媒体を加熱する電気ヒータを有する。

本発明は、以上に説明した構成を有し、系統電源が短時間の停電の場合に、燃料電池等からなる発電機にストレスを与えることなく、またその制御を複雑にすることなく、復電時に速やかに再連系を行うことができる発電装置を提供することができるという効果を奏する。また、逆潮流が発生した場合に、速やかに逆潮流を解消するとともに燃料電池からなる発電機の非経済的な発電を抑制することができる発電装置を提供することができるという効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態の発電装置の構成を示すブロック図である。

この発電装置１００では、発電機１０１の出力電力がＤＣ／ＤＣ変換器１０２に入力され、ＤＣ／ＤＣ変換器１０２の出力電力がＤＣ／ＡＣ変換器１０３及び余剰電力消費器１０７に入力される。ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の出力電力は交流電路１１６に出力され、開閉器１０４を介して交流電路１１６に接続された負荷１０６に供給される。また、交流電路１１６は受電点１０５を介して系統電源１２０に接続された交流電路１１７と接続されている。したがって、この発電装置１００は、系統電源１２０の系統と連系して負荷１０６へ電力を供給するように構成されている。

発電機１０１は、例えば燃料電池により構成される。燃料電池は、水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスを反応させて直流電力を発電する電気化学反応による発電システムであり、一旦停止プロセスに入った場合、すぐに発電プロセスに移行することができない。ＤＣ／ＤＣ変換器１０２は、発電機１０１から入力される直流電力を所定電圧となるように電圧が制御された直流電力に変換して出力する。ＤＣ／ＡＣ変換器１０３は、ＤＣ／ＤＣ変換器１０２から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。余剰電力消費器１０７は、ＤＣ／ＤＣ変換器１０２から出力される直流電力のうち、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３により交流電力に変換されない直流電力を消費するために設けられ、例えば電気ヒータを有する。さらに、発電機１０１の排熱を回収した熱媒体を蓄える蓄熱器１０８が設けられ、余剰電力消費器１０７は、その電気ヒータを作動させることによって直流電力を消費し、蓄熱器１０８に蓄えられる熱媒体を加熱するように構成されている。

図２は、発電機１０１、余剰電力消費器１０７及び蓄熱器１０８の一例を示す図である。この例では、燃料電池１１が発電機１０１であり、貯湯タンク１５が蓄熱器１０８である。また、電気ヒータ１４とこれの通電量を制御するヒータ制御器（図示せず）とによって余剰電力消費器１０７が構成されている。

この例では、燃料電池１１で発生した熱を回収するために冷却水流路１２が、その途中で燃料電池１１の内部を通るようにして設けられている。冷却水流路１２では、ポンプ１７によって矢印Ａ方向に冷却水が循環されるとともにその流量が調整され、燃料電池１１の内部が一定温度（例えば７０℃）に保たれている。

貯湯タンク１５には、その下部側より市水（水道水）が供給され、上部側より給湯器等の外部給湯負荷へ温水が排出される。貯湯タンク１５の下部流出口１５ａと上部流入口１５ｂとを連結する熱回収水流路１６が設けられている。熱回収水流路１６では、ポンプ１８によって矢印Ｂ方向に熱回収水が流されるとともにその流量が調整されている。

また、冷却水流路１２の冷却水から熱回収水流路１６の熱回収水に熱を伝える熱交換器１３が、冷却水流路１２及び熱回収水流路１６の途中に設けられている。これにより、燃料電池１１で発生し冷却水により回収された熱は、熱交換器１３を介して熱回収水流路１６を流れる熱回収水へ移動し熱回収水が昇温される。

さらに、熱回収水流路１６の熱交換器１３より下流側に電気ヒータ１４が配設されている。貯湯タンク１５の下部流出口１５ａから取り出された熱回収水は、熱交換器１３を通して冷却水１２の熱（燃料電池１１の排熱）を受け取って昇温され、さらに電気ヒータ１４の作動中には電気ヒータ１４によって昇温された後、貯湯タンク１５の上部流入口１５ｂから貯湯タンク１５へ戻される。このようにして、熱回収水が循環され、貯湯タンク１５内の熱回収水は下側から上側になるにつれて温度が高くなっている。

また、本実施の形態の発電装置１００には、発電機１０１とＤＣ／ＡＣ変換器１０３と開閉器１０４と余剰電力消費器１０７とを制御する制御器１１１が備えられている。

さらに、発電機１０１とＤＣ／ＤＣ変換器１０２との間に、発電機１０１の発電電力を計測する直流電力計１１２が設けられ、直流電力計１１２により計測した発電電力値は制御器１１１へ入力される。

また、開閉器１０４と負荷１０６との間の交流電路１１６に、交流電流計１１３及び交流電圧計１１４が配設され、それらの計測値に基づいて系統電源１２０の停電及び復電を検知し、その検知信号を制御器１１１へ出力する停電／復電判定器１０９が備えられている。また、受電点１０５より系統電源１２０側の交流電路１１７に交流電流計１１５が配設され、その計測値に基づいて逆潮流の発生を検知し、その検知信号を制御器１１１へ出力する逆潮流判定器１１０が備えられている。

落雷等の影響によって系統電源１２０が停電（系統電源１２０による電力供給が停止）したときには、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３から負荷１０６へ瞬間的に異常電流が流れて、交流電路１１６の電流値及び電圧値が上昇する。

停電／復電判定器１０９では、例えば交流電流計１１３の計測値（瞬時値）が所定の閾値Ｉｔ１以上であるか否かによって、系統電源１２０が停電したか否かを判定し、交流電流計１１３の計測値が所定の閾値Ｉｔ１以上であるときに停電したことを判定し停電検知信号を制御器１１１へ出力する。この場合、停電／復電判定器１０９及び交流電流計１１３によって停電検知器が構成されている。

また、後述するが、停電が検知されると開閉器１０４は開いた状態となり、交流電路１１６，１１７へは電力供給がなくなり、交流電路１１６，１１７の電圧値が０になる。この状態で、系統電源１２０が復電（系統電源１２０による電力供給が再開）したときには、交流電路１１６，１１７の電圧値が上昇する。

停電／復電判定器１０９では、交流電圧計１１４の計測値（実効値）が所定の閾値Ｖｔ１以上であるか否かによって、系統電源１２０が復電したか否かを判定し、交流電圧計１１４の計測値が所定の閾値Ｖｔ１以上であるときに復電したことを判定し復電検知信号を制御器１１１へ出力する。この場合、停電／復電判定器１０９及び交流電圧計１１４によって復電検知器が構成されている。

なお、停電検知器が、停電／復電判定器１０９及び交流電圧計１１４によって構成されてもよい。この場合、停電／復電判定器１０９では、交流電圧計１１４の計測値（実効値）が所定の閾値Ｖｔ２以上であるか否かによって、系統電源１２０が停電したか否かを判定するように構成され、交流電圧計１１４の計測値が所定の閾値Ｖｔ２以上であるときに停電したことを判定し停電検知信号を制御器１１１へ出力する。

また、停電検知器が、停電／復電判定器１０９、交流電流計１１３及び交流電圧計１１４によって構成されてもよい。この場合、停電／復電判定器１０９では、交流電流計１１３の計測値（瞬時値）が所定の閾値Ｉｔ１以上であり、かつ交流電圧計１１４の計測値（実効値）が所定の閾値Ｖｔ２以上であるときに、系統電源１２０が停電したと判定し、それ以外のときは停電していないと判定するように構成される。系統電源１２０が停電したと判定したときには停電検知信号を制御器１１１へ出力する。

また、負荷１０６は例えば複数の電気機器からなり、いずれかの電気機器の運転を停止したときに、負荷１０６全体の消費電力がＤＣ／ＡＣ変換器１０３の出力電力よりも小さくなると、負荷１０６で消費されない余剰の電力が系統電源１２０側の交流電路１１７へ流出する（すなわち、逆潮流が発生する）。

逆潮流判定器１１０では、交流電流計１１５によって計測される、受電点１０５から系統電源１２０の方向へ流れる電流（逆方向電流）の計測値（実効値）が所定の閾値Ｉｔ２以上であるか否かによって、逆潮流が発生したか否かを判定するともに、逆潮流が発生したと判定した場合には、逆方向電流の計測値を電力値（逆潮流電力値）に換算する。したがって、逆潮流判定器１１０は、逆方向電流の計測値が所定の閾値Ｉｔ２以上であるときには逆潮流が発生したと判定し、逆潮流検知信号及び逆潮流電力値を制御器１１１へ出力する。この場合、逆潮流判定器１１０及び交流電流計１１５によって逆潮流検知器が構成されている。

なお、逆潮流判定器１１０において、交流電流計１１５によって計測される逆方向電流の計測値を電力値（逆潮流電力値）に換算し、その電力値が所定の閾値Ｐｔ以上であるか否かによって、逆潮流が発生したか否かを判定するように構成してもよい。この場合、換算した電力値が所定の閾値Ｐｔ以上であるときに逆潮流が発生したと判定し、逆潮流検知信号及び逆潮流電力値を制御器１１１へ出力する。

以下、停電、復電及び逆潮流の発生を判定する場合の各閾値の一例について説明する。

一般的な商用電源では、単相３線式によって１００Ｖ及び／または２００Ｖの交流電圧によって負荷へ電力供給が行われるが、ここでは説明を簡単にするため、系統電源１２０からは２００Ｖの交流電圧のみによって電力供給が行われるものとする。また、発電装置１００の定格電力を例えば１０００Ｗ（定格電圧２００Ｖ，定格電流５Ａ）とし、定格運転が行われるものとする。この場合、例えば、発電機１０１の出力はＤＣ２０Ｖ，５０Ａであり、ＤＣ／ＤＣ変換器１０２の出力はＤＣ４００Ｖ，２．５Ａであり、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の出力はＡＣ２００Ｖ，５Ａである。

したがって、通常動作時（停電及び逆潮流が発生していない時）には、系統電源１２０からは２００Ｖの電圧によって負荷１０６へ電力が供給され、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３から負荷１０６へは１０００Ｗ（２００Ｖ，５Ａ）の電力が供給されている。

ここで、停電／復電判定器１０９において、交流電流計１１３の計測値（瞬時値）を用いて停電したか否かを判定する場合、例えば、通常動作時の電流値（瞬時値）の最大値の約２倍である１５Ａを閾値Ｉｔ１とする。また、交流電圧計１１４の計測値（実効値）を用いて停電したか否かを判定する場合、例えば、通常動作時の電圧値（実効値）の１１０％である２２０Ｖを閾値Ｖｔ１とする。

また、停電／復電判定器１０９において、交流電圧計１１４の計測値（実効値）を用いて復電したか否かを判定する場合、例えば、通常動作時の電圧値（実効値）の８０％である１６０Ｖを閾値Ｖｔ２とする。

また、逆潮流判定器１１０において、交流電流計１１５によって計測される、逆方向電流の計測値（実効値）を用いて逆潮流が発生したか否かを判定する場合、例えば、通常動作時のＤＣ／ＡＣ変換器１０３の出力電流値（５Ａ）の５％である０．２５Ａを閾値Ｉｔ２とする。また、逆方向電流の計測値から換算した電力値を用いて逆潮流が発生したか否かを判定する場合、例えば、通常動作時のＤＣ／ＡＣ変換器１０３の出力電力値（１０００Ｗ）の５％である５０Ｗを閾値Ｐｔとする。

上記の制御器１１１は、例えば、単一のマイコンあるいは複数のマイコンによって構成されている。また、制御器１１１と停電／復電判定器１０９と逆潮流判定器１１０とを、単一のマイコンあるいは複数のマイコンによって構成してもよい。

以上のように構成された発電装置について、以下にその動作を説明する。

通常動作時には、開閉器１０４は閉じられた状態であり、余剰電力消費器１０７は停止状態（消費電力が０の状態）である。発電機１０１が発電した直流電力は、ＤＣ／ＤＣ変換器１０２に入力され、所定電圧に制御されて出力される。ＤＣ／ＤＣ変換器１０２の出力電力の１００％がＤＣ／ＡＣ変換器１０３に入力されて交流電力に変換され、その交流電力は、開閉器１０４を経て、系統電源１２０と連系して負荷１０６に供給される。

次に、前述の通常動作が行われているときに、例えば落雷等の影響によって系統電源１２０からの電力供給が停止した場合、すなわち系統電源１２０が停電した場合の動作について説明する。

図３は、系統電源１２０が停電した場合の制御器１１１の制御動作を示すフローチャートである。

また、図４は、停電発生後、所定時間内に復電した場合の発電機１０１の出力電力値（発電電力値）、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の出力電力値（変換電力値）、及び余剰電力消費器１０７の消費電力値の経時変化を示すタイムチャートである。また、図５は、停電発生後、所定時間内に復電しなかった場合の発電機１０１の発電電力値、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力値、及び余剰電力消費器１０７の消費電力値の経時変化を示すタイムチャートである。

まず、予め、制御器１１１によって、発電機１０１の発電電力目標値Ｐｔ１がＰ１に、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力目標値Ｐｔ２がＰ１に、余剰電力消費器１０７の消費電力目標値Ｐｔ３が０に設定されており、これにより、前述の通常動作が行われているものとする。

そして、ステップ２０１において、制御器１１１は、停電／復電判定器１０９から停電検知信号が入力されると、ステップ２０２へ進む。

ステップ２０２では、制御器１１１は、余剰電力消費器１０７とＤＣ／ＡＣ変換器１０３への発電電力の配分を決定する。この場合、系統電源１２０が停電しているので、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３への入力電力を０にして、すべての発電電力を余剰電力消費器１０７に入力するように配分する。このため、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力目標値Ｐｔ２を０に、余剰電力消費器１０７の消費電力目標値Ｐｔ３をＰ１に決定するとともに、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３をゲートブロックさせることを決定する。

次にステップ２０３では、制御器１１１は、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３へ変換電力目標値Ｐｔ２（＝０）とゲートブロック指令を出力し、かつ、開閉器１０４を開かせて系統から本発電装置を切り離す。ここで、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３では、ゲートブロック指令に応答して、ゲートブロック機能を働かせて電力変換動作を停止し、変換電力目標値Ｐｔ２を０にする。

続いて、ステップ２０４では、制御器１１１は、余剰電力消費器１０７へ消費電力目標値Ｐｔ３（＝Ｐ１）を出力する。これに応答して、余剰電力消費器１０７ではその消費電力が消費電力目標値Ｐｔ３（＝Ｐ１）になるよう直流負荷（電気ヒータ１４）を制御する。

ステップ２０３と２０４は、並列に実行するのが理想的であるが、その実行順序を入れ替えても構わない。

この結果、発電機１０１の発電電力値、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力値及び余剰電力消費器１０７の消費電力値は、図４の時刻ｔ１〜ｔ２に示すように推移し、発電電力の全てが余剰電力消費器１０７によって消費される。

次にステップ２０５では、制御器１１１は、停電／復電判定器１０９から停電検知信号が入力されたときから、所定時間（Ｔ１）以内に停電／復電判定器１０９から復電検知信号が入力されるか否かを判定し、所定時間（Ｔ１）以内に復電検知信号が入力された場合は、ステップ２０６へ進み、入力されなかった場合は、ステップ２０９へ進む。

ステップ２０６では、制御器１１１は、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３と余剰電力消費器１０７とへの直流電力の再配分を実施し、それぞれの最終目標電力値を決定する。ここでは、停電前の状態に戻すため、Ｐｔ２＝Ｐ１、Ｐｔ３＝０に配分を決定する。

次に、ステップ２０７では、制御器１１１は、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３へゲートブロック解除指令を出力し、かつ、開閉器１０４を閉じさせて本発電装置を系統と再連系させる。

続いて、ステップ２０８では、制御器１１１は、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３へ変換電力目標値Ｐｔ２を０から最終目標電力値（Ｐ１）まで徐々に増加させながら一定時間間隔（例えば０．０１秒間隔）で出力するとともに、余剰電力消費器１０７へ消費電力目標値Ｐｔ３をＰ１から最終目標電力値（０）まで徐々に減少させながら一定時間間隔（例えば０．０１秒間隔）で出力する。

ＤＣ／ＡＣ変換器１０３では、ステップ２０７によるゲートブロック解除指令に応答して、ゲートブロック機能を停止して電力変換動作を再開し、その変換電力がステップ２０８により順次入力される変換電力目標値Ｐｔ２になるように動作する。また、余剰電力消費器１０７では、その消費電力がステップ２０８により順次入力される消費電力目標値Ｐｔ３になるよう直流負荷（電気ヒータ１４）を制御する。

このステップ２０８において、制御器１１１は、変換電力目標値Ｐｔ２を０から例えば３００Ｗ／秒の割合で増加させながら例えば０．０１秒間隔でＤＣ／ＡＣ変換器１０３へ出力し、それとタイミングを合わせて、例えば、消費電力目標値Ｐｔ３をＰ１から例えば３００Ｗ／秒の割合で減少させながら例えば０．０１秒間隔で余剰電力消費器１０７へ出力する。このように、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力目標値Ｐｔ２の単位時間当たりの増加量と、余剰電力消費器１０７の消費電力目標値Ｐｔ３の単位時間当たりの減少量とを等しくする。

このステップ２０７〜２０８における処理の結果、図４の時刻ｔ２〜ｔ３に示すように、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力値は、０からＰ１まで時間経過に応じて増加し、それとは逆に余剰電力消費器１０７の消費電力値は、Ｐ１から０まで時間経過に応じて減少する。

上記のステップ２０５において、所定時間（Ｔ１）以内に復電検知信号が入力されなかった場合は、ステップ２０９〜２１１へ進み、制御器１１１は、発電機１０１、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３及び余剰電力消費器１０７のそれぞれに対し停止指令を出力する。

発電機１０１、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３及び余剰電力消費器１０７では、それぞれ停止指令に応答して動作を停止するための停止処理を実行する。ここで、燃料電池からなる発電機１０１では、停止処理を始めると、その出力が、即座に０Ｗになるのではなく、所定の傾きをもって減少し０Ｗになる。ステップ２１１では、制御器１１１は、停止処理によって減少する発電機１０１の発電電力と余剰電力消費器１０７での消費電力とが等しくなるように、直流電力計１１２により計測される発電電力値に基づいて消費電力目標値Ｐｔ３を一定時間間隔（例えば０．０１秒間隔）で設定し、余剰電力消費器１０７へ出力する。そして、値が０の消費電力目標値Ｐｔ３を余剰電力消費器１０７へ出力した後、余剰電力消費器１０７への停止指令を出力する。

このステップ２０９〜２１１における処理の結果、図５の時刻ｔ１２〜ｔ１３に示すように、発電機１０１の発電電力値の減少にともなって余剰電力消費器１０７の消費電力値も減少する。

図４及び図５に示すように、停電検知後、少なくとも所定時間Ｔ１経過するまでの間は、発電機１０１は停電を検知する直前の発電電力を維持しているため、所定時間Ｔ１以内（例えば５秒以内）の短時間の停電の場合には、速やかに再連系を行うことができる。また、この短時間の停電の場合には、発電電力を低下させることなく一定に維持しているので、燃料電池からなる発電機１０１に発電電力を低下させることによるストレスを与えることもなく、また発電機１０１の制御が複雑になることもない。所定時間Ｔ１は、任意に設定でき、例えば、５．０秒に設定する。

また、停電検知後、所定時間Ｔ１以内に復電した場合には、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力値を０から徐々に増加させるようにしているので、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３から過電流が出力されるのを防止し、この過電流による逆潮流の発生を防止することができる。

次に、前述の通常動作が行われているときに、発電装置１００から系統電源１２０側へ電力が流出する逆潮流が発生した場合の動作について説明する。

図６は、逆潮流が発生した場合の制御器１１１の制御動作を示すフローチャートである。

また、図７は、逆潮流が発生した場合の発電機１０１の発電電力値、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力値、及び余剰電力消費器１０７の消費電力値の経時変化を示すタイムチャートである。

まず、予め、制御器１１１によって、発電機１０１の発電電力目標値Ｐｔ１がＰ１に、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力目標値Ｐｔ２がＰ１に、余剰電力消費器１０７の消費電力目標値Ｐｔ３が０に設定されており、これにより、前述の通常動作が行われているものとする。

そして、ステップ５０１において、制御器１１１は、逆潮流判定器１１０から逆潮流検知信号及び逆潮流電力値（Ｐｒ）が入力されると、ステップ５０２へ進む。

ステップ５０２では、制御器１１１は、余剰電力消費器１０７とＤＣ／ＡＣ変換器１０３への発電電力の配分を決定する。この場合、逆潮流分の電力（Ｐｒ）を余剰電力消費器１０７に入力するように配分する。このため、制御器１１１では、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力目標値Ｐｔ２をＰ１−Ｐｒに、余剰電力消費器１０７の消費電力目標値Ｐｔ３をＰｒに決定する。なお、ここでは、Ｐｔ２＋Ｐｔ３が、Ｐｔ１（＝Ｐ１）となるように分配したが、予め定められた許容範囲内の値となるようにしてもよい。例えば、Ｐｔ２＋Ｐｔ３が、Ｐｔ１以下で、かつ、Ｐｔ１×０．９５以上の範囲内の値となるようにしてもよい。

次にステップ５０３では、制御器１１１は、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３へ変換電力目標値Ｐｔ２を出力する。これに応答して、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３では、その変換電力が変換電力目標値Ｐｔ２（＝Ｐ１−Ｐｒ）になるように動作する。

続いて、ステップ５０４では、制御器１１１は、余剰電力消費器１０７へ消費電力目標値Ｐｔ３を出力する。これに応答して、余剰電力消費器１０７ではその消費電力が消費電力目標値Ｐｔ３（＝Ｐｒ）になるよう直流負荷（電気ヒータ１４）を制御する。

ステップ５０３と５０４は、並列に実行するのが理想的であるが、その実行順序を入れ替えても構わない。

この結果、発電機１０１の発電電力値、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力値及び余剰電力消費器１０７の消費電力値は、図７の時刻ｔ２１〜ｔ２２に示すように推移し、逆潮流分の電力（Ｐｒ）が余剰電力消費器１０７によって消費され、その分、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力が減少し、逆潮流が解消される。

次にステップ５０５では、制御器１１１は、逆潮流判定器１１０から逆潮流検知信号が入力されたときから、所定時間（Ｔ２）が経過したか否かを判定し、所定時間（Ｔ２）が経過するとステップ５０６へ進む。

ステップ５０６では、制御器１１１は、発電機１０１に上記の逆潮流分の電力（Ｐｒ）分発電電力を減少させるために、発電電力目標値Ｐｔ１をＰ１−Ｐｒとして発電電力低下指令を発電機１０１へ出力する。

続いて、ステップ５０７では、制御器１１１は、余剰電力消費器１０７へ停止指令を出力する。

発電機１０１では、ステップ５０６の発電電力低下指令に応答して発電電力が発電電力目標値Ｐｔ１（＝Ｐ１−Ｐｒ）となるようにして発電電力低下処理を実行する。ここで、燃料電池からなる発電機１０１では、発電電力低下処理を始めると、その出力が、即座に発電電力目標値Ｐｔ１になるのではなく、所定の傾きをもって減少する。ステップ５０７では、制御器１１１は、発電電力低下処理によって減少する発電機１０１の発電電力の減少量と余剰電力消費器１０７の消費電力の減少量とが等しくなるように、直流電力計１１２により計測される発電電力値に基づいて消費電力目標値Ｐｔ３を一定時間間隔（例えば０．０１秒間隔）で設定し、余剰電力消費器１０７へ出力する。そして、値が０の消費電力目標値Ｐｔ３を余剰電力消費器１０７へ出力した後、余剰電力消費器１０７への停止指令を出力する。

このステップ５０６〜５０７における処理の結果、図７の時刻ｔ２２〜ｔ２３に示すように、発電機１０１の発電電力値の減少にともなって余剰電力消費器１０７の消費電力値も減少する。

図７に示すように、逆潮流分の電力を余剰電力消費器１０７によって消費させることにより、逆潮流検知後、速やかに（例えば０．５秒以内に）逆潮流を解消することができる。また、逆潮流検知後、所定時間Ｔ２が経過後に、発電機１０１の発電電力を逆潮流分減少させることにより、本来消費されるべき負荷１０６で消費されない余剰分の電力（逆潮流分の電力）の非経済的な発電を抑制することができる。所定時間Ｔ２は、任意に設定でき、例えば、１０分に設定する。

本実施の形態では、余剰電力消費器１０７をＤＣ／ＡＣ変換器１０３とともに、出力電圧が所定電圧に制御されているＤＣ／ＤＣ変換器１０２の出力に接続しているため、出力電圧が不安定である発電機１０１の出力に余剰電力消費器１０７を接続した場合に比べて、例えば図４の時刻ｔ２〜ｔ３における図３のステップ２０８の処理、図７の時刻ｔ２１〜ｔ２２における図６のステップ５０３，５０４の処理において、電力を余剰電力消費器１０７とＤＣ／ＡＣ変換器１０３とへ分配するための制御が簡単になり、制御器１１１を構成するマイコンのプログラム開発負荷及びマイコンの処理負荷を軽減することができる。例えば燃料電池からなる発電機１０１の出力電圧は不安定であり、このように出力電圧が不安定な発電機１０１の出力電力を分配しようとすれば多大な負荷が伴うが、本実施の形態では、出力電圧が安定しているＤＣ／ＤＣ変換器１０２の出力電力を余剰電力消費器１０７とＤＣ／ＡＣ変換器１０３とへ分配するように構成しているため、ＤＣ／ＤＣ変換器１０２の出力電圧を一定値とし、余剰電力消費器１０７の通電電流値及びＤＣ／ＡＣ変換器１０３の通電電流値の制御によって電力を分配することができる。そのため、制御器１１１では、ＤＣ／ＡＣ変換器１０３の変換電力目標値Ｐｔ２及び余剰電力消費器１０７の消費電力目標値Ｐｔ３を、ＤＣ／ＤＣ変換器１０２の出力電圧を所定の一定値としてそれぞれの通電電流の目標値に換算し、その値によってＤＣ／ＡＣ変換器１０３及び余剰電力消費器１０７を制御することができる。ＤＣ／ＡＣ変換器１０３及び余剰電力消費器１０７においてそれぞれの通電電流の目標値になるように通電電流が制御されることにより、所望とする電力の分配を行うことができる。したがって、電力分配を行うためのマイコン（制御器１１１）のプログラム開発負荷を軽減できるとともに、マイコンのＣＰＵ処理負荷を軽減できる。

本発明にかかる発電装置は、系統電源が短時間の停電の場合に、燃料電池等からなる発電機にストレスを与えることなく、またその制御を複雑にすることなく、復電時に速やかに再連系を行うことができる発電装置等として有用である。

本発明の実施の形態の発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における発電機、余剰電力消費器及び蓄熱器の一例を示す図である。 本発明の実施の形態において系統電源が停電した場合の制御器の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において系統電源が停電した後、所定時間内に復電した場合の発電機の発電電力値、ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力値、及び余剰電力消費器の消費電力値の経時変化を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態において系統電源が停電した後、所定時間内に復電しなかった場合の発電機の発電電力値、ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力値、及び余剰電力消費器の消費電力値の経時変化を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態において逆潮流が発生した場合の制御器の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において逆潮流が発生した場合の発電機の発電電力値、ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力値、及び余剰電力消費器の消費電力値の経時変化を示すタイムチャートである。 従来の発電装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ 発電機
１０２ ＤＣ／ＤＣ変換器
１０３ ＤＣ／ＡＣ変換器
１０４ 開閉器
１０５ 受電点
１０６ 負荷
１０７ 余剰電力消費器
１０８ 蓄熱器
１０９ 停電／復電判定器
１１０ 逆潮流判定器
１１１ 制御器
１１２ 直流電力計
１１３ 交流電流計
１１４ 交流電圧計
１１５ 交流電流計
１１６、１１７ 交流電路
１２０ 系統電源

Claims (11)

1. 系統電源と連系して負荷に交流電力を供給する発電装置であって、
   直流電力を発生する発電機と、
   前記発電機が発生する直流電力を直流電力に変換して出力するＤＣ／ＤＣ変換器と、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力する直流電力を交流電力に変換して前記負荷へ出力するＤＣ／ＡＣ変換器と、
   前記系統電源が停電したことを検知する停電検知器と、
   前記系統電源が復電したことを検知する復電検知器と、
   前記発電機が発生する直流電力を消費可能な余剰電力消費器と、
   制御器とを備え、
   前記制御器は、
   前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知すると、前記余剰電力消費器に対し電力消費を開始させるとともに、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換動作を停止させるよう制御し、
   前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知してから第１の所定時間以内に前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知すると、前記余剰電力消費器への供給電力を時間経過に応じて減少させるとともに、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換動作を再開させ前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力を時間経過に応じて増加させるよう制御する発電装置。
2. 前記制御器は、前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知すると、時間経過に応じて減少させる前記余剰電力消費器の消費電力の減少量と、時間経過に応じて増加させる前記ＤＣ／ＡＣ変換器の変換電力の増加量とが等しくなるよう制御する請求項１記載の発電装置。
3. 前記制御器は、前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知してから前記第１の所定時間以内に前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知しなかったときに、発電電力を減少させて零にするよう前記発電機を制御するとともに、前記発電機の発電電力の減少に対応して前記余剰電力消費器の消費電力を減少させるよう制御する請求項１記載の発電装置。
4. 前記余剰電力消費器及び前記ＤＣ／ＡＣ変換器は、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力する直流電力が入力されるように接続された請求項１記載の発電装置。
5. 前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記負荷との間の電路に挿入された開閉器を備え、
   前記制御器は、前記停電検知器が前記系統電源の停電を検知すると前記開閉器を開き、前記復電検知器が前記系統電源の復電を検知すると前記開閉器を閉じるよう制御する請求項１記載の発電装置。
6. 前記停電検知器は、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記負荷との間の電路に設けられた第１の電流検出器及び／または電圧検出器を有し、
   前記第１の電流検出器で検出される電流値及び／または前記電圧検出器で検出される電圧値に基づいて前記系統電源が停電したことを検知する請求項１記載の発電装置。
7. 前記復電検知器は、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記負荷との間の電路に設けられた電圧検出器を有し、
   前記電圧検出器で検出される電圧値に基づいて前記系統電源が復電したことを検知する請求項１記載の発電装置。
8. 前記発電装置から前記系統電源の方向へ電流が流れる状態である逆潮流を検知する逆潮流検知器を備え、
   前記制御器は、前記逆潮流検知器が逆潮流を検知すると、前記余剰電力消費器に対し前記負荷で消費されない余剰分の電力を消費するよう制御する請求項１記載の発電装置。
9. 前記制御器は、前記逆潮流検知器が逆潮流を検知してから第２の所定時間を経過すると、前記余剰分の電力に相当する分の発電電力を減少させるように前記発電機を制御するとともに、前記発電機の発電電力の減少に対応して前記余剰電力消費器の消費電力を減少させるよう制御する請求項８記載の発電装置。
10. 前記逆潮流検知器は、
    前記負荷よりも前記系統電源側の電路に設けられた第２の電流検出器を有し、
    前記第２の電流検出器で検出される電流値に基づいて逆潮流を検知する請求項８記載の発電装置。
11. 前記発電機の排熱を回収した熱媒体を貯える蓄熱器を備え、
    前記余剰電力消費器が前記熱媒体を加熱する電気ヒータを有する請求項１記載の発電装置。

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