JP2008104334A - Fuel cell type distributed power generating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、商用交流電源と系統連系可能な燃料電池式の分散型発電装置に関し、特に、系統連系保護装置の動作確認試験の時間短縮に関する。 The present invention relates to a fuel cell type distributed power generator that can be grid-connected to a commercial AC power source, and more particularly to shortening the time of an operation confirmation test of a grid interconnection protection device.
近年、CO2排出量の削減や省エネルギを志向した分散型エネルギシステムの開発が活発であり実用化も進んでおり、一般家庭、集合住宅、オフィスなどにおいても電力消費地で発電を行う分散型発電装置の利用が今後急速に進展するものと考えられる。特に、熱電併給可能なコージェネレーションシステム等は、電力のみならず、発電時に発生する熱エネルギを同時に有効利用できるため、全体的なエネルギ効率の高さで注目を集めている。ところで、分散型発電装置では、単独で電力消費地における全ての電力需要を賄うのではなく、電力会社が供給する商用交流電源等の系統電源と系統連系して、電力需要に対する不足電力を系統電源から補給する形態の系統連系発電装置としての使用形態(系統連系型使用形態)が、特に住宅用(家庭用)等で主流となっている。 In recent years, the development of distributed energy systems aimed at reducing CO 2 emissions and saving energy has been actively developed and put into practical use. It is thought that the use of power generation equipment will progress rapidly in the future. In particular, cogeneration systems capable of co-generation with heat and power are attracting attention for their high overall energy efficiency because they can effectively use not only electric power but also thermal energy generated during power generation. By the way, the distributed power generator does not cover all the power demand in the power consumption area by itself, but is connected to the system power supply such as commercial AC power supplied by the power company to A usage pattern (grid-linked usage pattern) as a grid-connected power generation apparatus that is replenished from a power source is mainly used for residential use (home use) and the like.
商用交流電源と系統連系可能な燃料電池式の分散型発電装置として、例えば、下記特許文献1等に多数開示されている。図5は、一般的な当該燃料電池式の分散型発電装置60の内部の概略構成を模式的に示すブロック図である。図5に示すように、分散型発電装置60は、メタンを主成分とする都市ガス(天然ガス)等の1次原料SGから水素等の燃料ガスFGを生成する改質装置11と、改質装置11で生成された燃料ガスFGと酸素との電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池12を備えてなる直流発電装置10、及び、直流発電装置10から出力される直流電力を商用交流電源30と系統連系可能に交流電力に変換する直交変換装置21と、直交変換装置21と商用交流電源30間の系統連系の異常(過電圧または不足電圧の発生、周波数上昇または低下、単独運転、逆潮流電力の発生等)から分散型発電装置の使用場所の配電線の電気品質を低下させたり、電気製品に悪影響を与えたり、人身の安全が損なわれるのを防止するための系統連系保護機能を実行するための系統連系保護装置22、系統連系保護装置22と協働して直交変換装置21の動作を制御する制御装置23と、系統連系保護装置22と制御装置23に電力供給する直流補助電源24とを備えてなる電力調整装置20を、共通の筐体4内に収容して、燃料電池発電ユニットとして一体化して構成されている。尚、図5では、改質装置11等からの排熱を回収する熱交換器、及び、各種用途のポンプや送風機等の捕器類は図示していない。また、当該熱交換器を介して回収した排熱を温水等の形態で蓄熱して所定の熱負荷に供給する排熱回収蓄熱ユニットが、図5に示す分散型発電装置60とは別個に設けられ、分散型発電装置60と併用される。
Many fuel cell type distributed generators that can be connected to a commercial AC power source are disclosed in, for example,
ところで、分散型発電装置60を商用交流電源30と系統連系可能に設置するには、商用交流電源30を管理する電力会社に系統連系の申請手続を行う必要がある。更に、設置後の試運転時に、分散型発電装置60の発電及び系統連系運転を開始する前に、系統連系保護装置22の動作確認を行う必要がある。
By the way, in order to install the distributed
燃料電池式の分散型発電装置(コージェネレーションシステム)としては、燃料電池12に高分子固体電解質型燃料電池(PEFC)或いは酸化物固体電解質型燃料電池(SOFC)等を使用したシステムが開発され、一部実用化されているが、冷間状態から発電開始までの立ち上がりに1時間乃至2時間程度と長時間を要する。これは、直流発電装置10において、例えば、改質装置11の触媒温度が種類によって異なるが200℃〜800℃であり、燃料電池12もPEFCでは70℃〜90℃、SOFCでは600℃〜1000℃の動作温度となるため、動作開始から温度を上昇して安定動作に至るまでに長時間を要することが起因している。
As a fuel cell type distributed power generation device (cogeneration system), a system using a polymer solid electrolyte fuel cell (PEFC) or an oxide solid oxide fuel cell (SOFC) as a
従って、燃料電池式の分散型発電装置の試運転時においても直流発電装置10が安定動作するまでに長時間を要し、試運転担当者はその時間待機する必要があり、人件費によるコスト高騰の要因となっている。
Therefore, it takes a long time for the DC
尚、下記の特許文献2には、燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法として、燃料電池本体を除く燃料電池発電設備の調整作業において燃料電池本体の損傷を防ぐために、燃料電池発電設備に燃料電池本体を組み込む前に燃料電池発電設備の調整作業を完了させることができるように模擬燃料電池を使用する方法が提案されている。しかし、模擬燃料電池は、本来組み込むべき燃料電池本体の損傷を防ぐためのもので、その動作は燃料電池本体を模擬しているため、冷間状態から発電開始までの立ち上がりに同様に長時間を要することになり、試運転に要する時間の短縮効果は期待できない。
In
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、実使用場所に設置後、発電及び系統連系運転を開始する前の系統連系保護装置の動作確認を行うための試運転時間を大幅に短縮可能な燃料電池式の分散型発電装置及びその試運転方法を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to confirm the operation of the grid interconnection protection device before starting power generation and grid interconnection operation after installation in an actual use place. The object of the present invention is to provide a fuel cell type distributed power generation apparatus and a test operation method thereof that can greatly shorten the test operation time.
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置は、直流電力を出力する燃料電池を備えた直流発電装置と、前記直流発電装置から出力される直流電力を商用交流電源と系統連系可能に交流電力に変換する直交変換装置と、直交変換装置の異常動作から前記商用交流電源を保護するための系統連系保護装置、前記系統連系保護装置と協働して前記直交変換装置の動作を制御する制御装置を、共通の筐体内に一体化して収容してなり、前記直流発電装置とは別の第2直流電源から出力される第2直流電力を前記直交変換装置に入力可能に構成されていることを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell type distributed generator according to the present invention includes a DC generator including a fuel cell that outputs DC power, and a DC power output from the DC generator as a commercial AC power source. In cooperation with the grid connection protection device, the grid connection protection device for protecting the commercial AC power supply from the abnormal operation of the orthogonal conversion device, and the grid connection protection device A controller for controlling the operation of the orthogonal transform device is integrated and accommodated in a common housing, and the second direct current power output from a second direct current power source different from the direct current generator is used as the orthogonal transform device. It is the first feature that it is configured to be able to input to.
更に、本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置は、上記第1の特徴に加えて、前記第2直流電力を外部から受け付けるための入力端子を前記筐体に設けてあることを第2の特徴とする。 Furthermore, in addition to the first feature described above, the fuel cell type distributed generator according to the present invention further includes an input terminal for receiving the second DC power from outside. It is characterized by.
更に、本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置は、上記第1の特徴に加えて、前記第2直流電源を前記筐体内に収容してなることを第3の特徴とする。 Furthermore, in addition to the first feature, the fuel cell type distributed generator according to the present invention has a third feature that the second DC power supply is housed in the casing.
更に、本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置は、上記第3の特徴に加えて、前記第2直流電源が、前記商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する交直変換回路と変換された直流電力を蓄電する蓄電池を備え、前記蓄電池が、前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転に要する時間中、前記直交変換装置と前記系統連系保護装置と前記制御装置に電力供給するに十分な蓄電容量を有することを第4の特徴とする。 Further, in the fuel cell type distributed power generator according to the present invention, in addition to the third feature described above, the second DC power source converts the AC power supplied from the commercial AC power source into DC power. A storage battery for storing the DC power converted with the circuit, and during the time required for the test operation for confirming the operation of the grid interconnection protection device, the orthogonal transformation device, the grid interconnection protection device, and the control A fourth feature is to have a sufficient storage capacity for supplying power to the apparatus.
上記第1乃至第4の何れかの特徴の燃料電池式分散型発電装置によれば、直流発電装置とは別の第2直流電源から出力される第2直流電力を直交変換装置に入力可能に構成されているため、系統連系保護装置の動作確認のための試運転時に、直流発電装置を起動する代わりに、第2直流電源を起動して、第2直流電源から出力される第2直流電力を直交変換装置に入力することができ、第2直流電源の起動から直ぐに、系統連系保護装置の動作確認を開始することができ、系統連系保護装置の動作確認に要する時間短縮が可能となる。 According to the fuel cell type distributed generator of any one of the first to fourth features, the second DC power output from the second DC power source different from the DC generator can be input to the orthogonal transformation device. Since it is configured, the second DC power output from the second DC power source is started instead of starting the DC power generator during the test operation for confirming the operation of the grid interconnection protection device. Can be input to the orthogonal transformation device, and the operation check of the grid connection protection device can be started immediately after the start of the second DC power supply, and the time required for the operation check of the grid connection protection device can be shortened. Become.
特に、第2の特徴の燃料電池式分散型発電装置によれば、第2直流電力を外部から受け付けるための入力端子を前記筐体に設けるだけの変更を、既存の燃料電池式の分散型発電装置に施すだけで、系統連系保護装置の動作確認に要する時間短縮が可能となる。 In particular, according to the fuel cell type distributed power generation device of the second feature, a change in which an input terminal for receiving the second DC power from the outside is simply provided on the casing is changed to an existing fuel cell type distributed power generation. The time required for confirming the operation of the grid interconnection protection device can be shortened only by applying to the device.
特に、第3の特徴の燃料電池式分散型発電装置によれば、試運転時に第2直流電源を別途用意する必要がなく、設置後の試運転に限らず、保守点検時の試運転等にも第2直流電源を利用することができる。更に、系統連系運転中における商用交流電源の停電発生に伴う負荷変動に対応するために、第2直流電源を利用することができる。 In particular, according to the fuel cell type distributed generator of the third feature, it is not necessary to separately prepare the second DC power source during the test operation, and the second DC power source is not limited to the test operation after the installation but also during the test operation during the maintenance inspection. A DC power supply can be used. Furthermore, the second DC power supply can be used in order to cope with load fluctuations accompanying the occurrence of a power failure of the commercial AC power supply during the grid connection operation.
更に、第4の特徴の燃料電池式分散型発電装置によれば、蓄電池の蓄電容量が、系統連系保護装置の動作確認のための試運転に要する時間中、直交変換装置と系統連系保護装置と制御装置に電力供給するに十分であるので、系統連系保護装置の動作確認を確実に実施することができる。 Furthermore, according to the fuel cell type distributed power generation device of the fourth feature, during the time required for the test operation for confirming the operation of the grid connection protection device, the orthogonal transformation device and the grid connection protection device are stored. Therefore, the operation check of the grid interconnection protection device can be performed reliably.
更に、本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置は、直流電力を出力する燃料電池を備えた直流発電装置と、前記直流発電装置から出力される直流電力を商用交流電源と系統連系可能に交流電力に変換する直交変換装置と、前記直交変換装置の異常動作から前記商用交流電源を保護するための系統連系保護装置、前記系統連系保護装置と協働して前記直交変換装置の動作を制御する制御装置を、共通の筐体内に一体化して収容してなり、前記直流発電装置が、所定の1次原料から前記燃料電池に供給する燃料を生成する改質装置から前記燃料電池へ前記燃料を供給する燃料供給路から分岐して、外部から前記燃料を前記燃料電池へ供給するための外部燃料注入口を設けてあることを第5の特徴とする。 Further, the fuel cell type distributed power generator according to the present invention can be connected to a DC power generator having a fuel cell that outputs DC power, and the DC power output from the DC power generator can be connected to a commercial AC power source. Of the orthogonal transform device in cooperation with the grid connection protection device for protecting the commercial AC power supply from the abnormal operation of the orthogonal transform device, the grid connection protection device, and the grid connection protection device. A control device for controlling the operation is integrated and accommodated in a common casing, and the direct current power generation device generates fuel supplied from the predetermined primary raw material to the fuel cell from the reformer. A fifth feature is that an external fuel injection port is provided for branching from a fuel supply passage for supplying the fuel to the fuel cell and supplying the fuel to the fuel cell from the outside.
上記第5の特徴の燃料電池式分散型発電装置によれば、外部から燃料を燃料電池へ供給するための外部燃料注入口を設けてあるため、系統連系保護装置の動作確認のための試運転時に、改質装置を起動する代わりに外部燃料注入口から既成の燃料を燃料電池に供給することで燃料電池を起動させ、短時間に燃料電池から安定出力を得ることができる。この結果、燃料電池から出力される直流電力を直交変換装置に入力することができ、燃料電池の起動から短時間で系統連系保護装置の動作確認を開始することができ、系統連系保護装置の動作確認に要する時間短縮が可能となる。 According to the fuel cell type distributed power generator of the fifth feature, the external fuel injection port for supplying the fuel to the fuel cell from the outside is provided, so that the test operation for confirming the operation of the grid interconnection protection device is performed. Sometimes, instead of starting the reformer, the fuel cell is started by supplying the ready-made fuel from the external fuel inlet to the fuel cell, and a stable output can be obtained from the fuel cell in a short time. As a result, the DC power output from the fuel cell can be input to the orthogonal transformation device, and the operation check of the grid connection protection device can be started in a short time from the start of the fuel cell. It is possible to shorten the time required for the operation check.
更に、上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法は、上記第2の特徴の燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法であって、前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転時において、前記直流発電装置の前記燃料電池を起動せずに、前記入力端子に前記第2直流電源の出力を接続して、前記第2直流電力を前記直交変換装置に供給することを第1の特徴とする。 Furthermore, a test operation method for a fuel cell type distributed power generation device according to the present invention for achieving the above object is a test operation method for a fuel cell type distributed power generation device according to the second aspect, wherein During a test operation for confirming the operation of the system protection device, the output of the second DC power source is connected to the input terminal without starting the fuel cell of the DC power generation device, and the second DC power is supplied to the input terminal. The first feature is that the signal is supplied to the orthogonal transformation device.
更に、本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法は、上記第3または第4の特徴の燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法であって、前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転時において、前記直流発電装置の前記燃料電池を起動せずに、前記第2直流電源を起動して、前記第2直流電源から出力される前記第2直流電力を前記直交変換装置に供給することを第2の特徴とする。 Furthermore, a test operation method for a fuel cell type distributed generator according to the present invention is a test operation method for a fuel cell type distributed generator according to the third or fourth feature, wherein During the test run for operation confirmation, the second DC power source is started without starting the fuel cell of the DC power generator, and the second DC power output from the second DC power source is the orthogonality. The second feature is to supply the converter.
上記第1または第2の特徴の燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法によれば、系統連系保護装置の動作確認のための試運転時に、直流発電装置の燃料電池を起動する代わりに、第2直流電源を起動して、第2直流電源から出力される第2直流電力を直交変換装置に入力するので、第2直流電源の起動から直ぐに、系統連系保護装置の動作確認を開始することができ、系統連系保護装置の動作確認に要する時間短縮が可能となる。 According to the test operation method of the fuel cell type distributed generator of the first or second feature, instead of starting the fuel cell of the DC generator during the test operation for confirming the operation of the grid interconnection protection device, Since the second DC power source is activated and the second DC power output from the second DC power source is input to the orthogonal transformation device, the operation check of the grid connection protection device is started immediately after the second DC power source is activated. Therefore, it is possible to reduce the time required for checking the operation of the grid connection protection device.
更に、本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法は、上記第5の特徴の燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法であって、前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転時において、前記改質装置を起動せずに、前記外部燃料注入口から外部からの燃料を前記燃料電池に供給して前記燃料電池を作動させ、前記燃料電池から出力される直流電力を前記直交変換装置に供給することを第3の特徴とする。 Furthermore, a test operation method of a fuel cell type distributed power generation device according to the present invention is a test operation method of the fuel cell type distributed power generation device of the fifth feature, wherein the operation check of the grid interconnection protection device is performed. DC power output from the fuel cell by supplying external fuel to the fuel cell from the external fuel inlet and operating the fuel cell without starting the reformer Is supplied to the orthogonal transformation device as a third feature.
上記第3の特徴の燃料電池式の分散型発電装置の試運転方法によれば、系統連系保護装置の動作確認のための試運転時に、改質装置を起動せずに、外部からの燃料を外部燃料注入口から燃料電池に供給して燃料電池を作動させるので、燃料電池の起動から短時間で系統連系保護装置の動作確認を開始することができ、系統連系保護装置の動作確認に要する時間短縮が可能となる。 According to the trial operation method of the fuel cell type distributed generator of the third feature, the external fuel is externally supplied without starting the reformer during the trial operation for confirming the operation of the grid interconnection protection device. Since the fuel cell is operated by supplying the fuel cell from the fuel inlet, the operation check of the grid connection protection device can be started in a short time from the start of the fuel cell, which is necessary for the operation check of the grid connection protection device. Time can be shortened.
以下、本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置及びその試運転方法(以下、適宜「本発明装置」及び「本発明方法」と略称する)の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、本発明装置を説明するための図面には、図5に示す従来の燃料電池式の分散型発電装置と同一部位に共通の符号を付して説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a fuel cell type distributed power generation apparatus and its test operation method (hereinafter simply referred to as “the present invention apparatus” and “the present invention method” as appropriate) according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings for explaining the device of the present invention, the same parts as those of the conventional fuel cell type distributed power generation device shown in FIG.
〈第1実施形態〉
図1は、本発明装置1の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、本発明装置1は、メタンを主成分とする都市ガス(天然ガス)等の1次原料SGから水素等の燃料ガスFGを生成する改質装置11と、改質装置11で生成された燃料ガスFGと酸素との電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池12を備えてなる直流発電装置10、及び、直流発電装置10から出力される直流電力を商用交流電源30と系統連系可能に交流電力に変換する直交変換装置21と、直交変換装置21と商用交流電源30間の系統連系の異常(過電圧または不足電圧の発生、周波数上昇または低下、単独運転、逆潮流電力の発生等)から分散型発電装置の使用場所の配電線の電気品質を低下させたり、電気製品に悪影響を与えたり、人身の安全が損なわれるのを防止するための系統連系保護機能を実行するための系統連系保護装置22、と、系統連系保護装置22と協働して直交変換装置21の動作を制御する制御装置23と、系統連系保護装置22と制御装置23に電力供給する直流補助電源24とを備えてなる電力調整装置20を、共通の筐体4内に収容して、燃料電池発電ユニットとして一体化して構成されている。尚、図1では、改質装置11等からの排熱を回収する熱交換器、及び、各種用途のポンプや送風機等の捕器類は図示していない。また、当該熱交換器を介して回収した排熱を温水等の形態で蓄熱して所定の熱負荷に供給する排熱回収蓄熱ユニットが、図1に示す分散型発電装置1とは別個に設けられ、分散型発電装置1と併用されることで、コージェネレーションシステムが構成される。しかし、本発明装置1は、排熱回収蓄熱ユニットと併用せずに単独で系統連系可能な分散型発電装置として使用しても構わない。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the
更に、第1実施形態では、本発明装置1は、直流発電装置10とは別に外部の第2直流電源50から出力される第2直流電力を直交変換装置21に入力可能なように、第2直流電力を外部から受け付けるための1対の入力端子5を筐体4に設けて構成されている。尚、図1では、第2直流電源50が入力端子5に接続されている状態を図示している。
Furthermore, in the first embodiment, the
本実施形態では、燃料電池12は、PEFC或いはSOFCの各セルを多段に直列接続したもので(一般にセルスタックと称されている)、直流30V〜100Vを出力可能に構成されたものの使用を想定している。また、改質装置11は、メタンを主成分とする都市ガス(天然ガス)から燃料電池12の燃料ガスである水素を生成するための公知の構成を用い、脱硫器、水蒸気改質器、CO(一酸化炭素)変成器、CO除去器等を処理順序に沿って備えた構成となっている。
In the present embodiment, it is assumed that the
直交変換装置21は、燃料電池12から出力される直流電圧を350Vに昇圧するDC/DCコンバータ25とインバータ回路26と連系継電器27を備えて構成される。インバータ回路26は、DC/DCコンバータ25から出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ、DC/DCコンバータ25から出力される直流電力をパルス幅変調された正負両極性のパルス出力に変換するブリッジ回路、及び、当該パルス出力を正弦波交流出力に変換する低域通過フィルタ回路を備えて構成され、DC/DCコンバータ25から出力される直流電力(350V)を、実効電圧200Vの単相交流電力に変換して、連系継電器27の出力側に接続する1対の出力端子OUT1,OUT2間から出力する。
The
系統連系保護装置22は、連系継電器27の入力側に設けられた交流電流計28及び連系継電器27の入力側に設けられた交流電圧計29からの瞬時値(アナログ値)の入力を受け付けて、商用交流電源30側の系統電圧監視(交流過電圧検出、交流不足電圧検出)、系統周波数監視(交流周波数上昇検出、交流周波数低下検出)、及び、停電監視(電力調整装置20の単独運転検出(能動的方式、受動的方式))、電力調整装置20側の出力監視(交流過電流検出、交流電圧上昇検出)等が可能に構成されており、商用交流電源30との同期制御、系統保護協調、系統停電時の単独運転防止等の系統連系保護機能を、制御装置23及び連系継電器27と協働して発揮する装置である。本発明装置1を商用交流電源30側への逆潮流を許容しない系統連系型使用形態で使用する場合には、現在、電力系統連系技術要件ガイドラインの規定により、以下の3つの方法の何れかによって単独運転防止機能を担保する必要がある。即ち、1)逆電力継電器(RPR)と不足電力継電器(UPR)を備えるか、2)逆電力継電器(RPR)と単独運転防止機能(能動的方式と受動的方式の夫々が1つ以上)を備えるか、或いは、3)単独運転防止機能(能動的方式と受動的方式の夫々が1つ以上)を備える必要がある。受動的方式の単独運転判定は、商用交流電源30の電圧を監視して、系統停電による本発明装置1の単独運転時に現れる変化を検出するもので、電圧位相跳躍検出式、3次高調波歪急増検出式、周波数変化率検出式等の方式がある。また、能動的方式の単独運転判定は、本発明装置1側から出力に特定の変動を与えて単独運転時に現れる変化を検出するもので、周波数シフト式、有効電力変動式、無効電力変動式等の方式がある。従って、本実施形態における系統連系保護装置22は、上記何れかの単独運転防止機能を担保した公知或いは新規な回路構成を採用している。尚、個々の回路構成の詳細な説明は、本発明の本旨ではないので省略する。
The grid
制御装置23は、インバータ回路26のブリッジ回路を構成するパワーMOSFETやIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等の電力用スイッチング素子の各ゲートを駆動するゲート駆動回路、及び、交流電流計28及び交流電圧計29の出力信号や系統連系保護装置22からの制御信号に基づいてゲート駆動回路を制御するゲート制御回路を備えて構成される。ゲート制御回路は、低域通過フィルタ回路を通過後の出力電圧及び出力電流波形が正弦波となるようにパルス幅変調(PWM)方式でブリッジ回路のスイッチング素子のオンオフ動作を制御するとともに、系統正常時には、上記正弦波出力の周波数及び位相が、商用交流電源30から供給される単相3線式交流電力200V/100Vと周波数及び位相と一致するように位相同期制御を行う。また、ゲート制御回路は、例えば、系統連系保護装置22が過電圧状態を検知した場合には、過電圧状態を抑制するように、つまり、過電圧状態となっている出力端子OUT1,OUT2の出力電圧(瞬時値の絶対値)を低減するように、各スイッチング素子のオンオフ動作を制御し、過電圧状態の出力電圧が所定の基準電圧以下に抑制しつつ各スイッチング素子を最終的にオフさせる制御を行う。また、系統連系保護装置22が単独運転状態を検知した場合には、ゲート制御回路は、各スイッチング素子をオフさせてインバータ回路26の出力を停止させる。
The
直流補助電源24は、直流発電装置10から出力される直流電力、或いは、インバータ回路26から出力される交流電力から供給される電力を所定電圧の直流電力に変換して、系統連系保護装置22と制御装置23に電力供給する電源回路である。
The DC
第1実施形態では、筐体4に設けられた第2直流電力入力用の1対の入力端子5は、燃料電池12の1対の出力端子とDC/DCコンバータ25の1対の入力端子を夫々接続する配線に、各別に直接接続している。
In the first embodiment, the pair of
入力端子5に接続して使用する第2直流電源50は、例えば、商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する交直変換回路51と変換された直流電力を蓄電する蓄電池52を備えた構成のものが使用できる。第2直流電源50の出力電圧は、燃料電池12の出力電圧(直流30V〜100V)と同じものを使用する。尚、第2直流電源50に内蔵される蓄電池52は、後述する系統連系保護装置22の動作確認のための試運転に要する時間中、本発明装置1の直交変換装置21と系統連系保護装置22と制御装置23に電力供給するに十分な蓄電容量を有するものを使用する。例えば、本発明装置1の定格出力が1kWの場合に、系統連系保護装置22の動作確認に15分を要する場合には、蓄電容量は、最大で250Whあればよく、実用上はその20%〜50%程度の蓄電容量でも十分と考えられる。
The second
本発明装置1を単相3線式交流電力200V/100Vを供給する商用交流電源30と系統連系させて使用する本実施形態での使用形態では、図2に示すように、本発明装置1と商用交流電源30の間には、主幹ブレーカ41、分岐ブレーカ42、及び、連系ブレーカ43を配した分電盤44が介装されており、商用交流電源30と主幹ブレーカ41間、主幹ブレーカ41と連系ブレーカ43間、及び、連系ブレーカ43と本発明装置1間が、単相3線式電力線(2本の電圧線U,Vと1本の中性線N)で接続されている。尚、直交変換装置21の出力端子OUT1,OUT2は、単相3線式電力線の電圧線U,Vに接続される。分岐ブレーカ32から延長する単相2線100Vの各電力線には、本発明装置1と商用交流電源30から電力供給を受ける電力負荷40(電気機器類)が夫々接続している。単相2線100Vの各電力線は、主幹ブレーカ41と連系ブレーカ43間の分岐ブレーカ42を介して第1の電圧線Uと中性線N、または、第2の電圧線Vと中性線Nに接続している。尚、本発明装置1と商用交流電源30間の接続は、図2に示す形態に限定されるものではない。
In the usage mode of the present embodiment in which the
以上の図1に示す本発明装置1の構成は、筐体4に入力端子5が設けられている点を除いて、一般的な系統連系可能な燃料電池式の分散型発電装置と同じである。従って、一般的な系統連系可能な燃料電池式の分散型発電装置と重複する部分についての詳細な説明は割愛した。
The configuration of the
次に、本発明装置1を実使用場所に設置した後の系統連系保護装置22の動作確認のための本発明方法について説明する。
Next, the method of the present invention for confirming the operation of the grid
先ず、系統連系保護装置22の動作確認のための試運転を開始する前に、充電済みの第2直流電源50を用意する。直流発電装置10を起動せずに、第2直流電源50を入力端子5に接続することで、直流発電装置10から直流電力を供給するのに代えて、第2直流電源50から第2直流電力を電力調整装置20に供給する。これによって、電力調整装置20が起動されるため、系統連系保護装置22の動作確認のための試験が実施可能となる。系統連系保護装置22の有する系統連系保護機能に応じた動作確認試験が終了すると、第2直流電源50の出力をオフし、電力調整装置20の動作を停止する。入力端子5から第2直流電源50を取り外して、系統連系保護装置22の動作確認を終了する。第1実施形態では、直流発電装置10を起動しないため、直流発電装置10が安定動作するまでに要する時間が短縮され、系統連系保護装置22の動作確認を早期に終了させることができる。
First, the charged second
〈第2実施形態〉
次に、本発明装置の第2実施形態について説明する。図3は、第2実施形態に係る本発明装置2の概略構成を示すブロック図である。図3に示すように、第1実施形態と同様に、本発明装置2は、改質装置11と燃料電池12を備えてなる直流発電装置10、直交変換装置21と系統連系保護装置22と制御装置23と直流補助電源24とを備えてなる電力調整装置20を、共通の筐体4内に収容して、燃料電池発電ユニットとして一体化して構成されている。尚、図3では、改質装置11等からの排熱を回収する熱交換器、及び、各種用途のポンプや送風機等の捕器類は図示していない。また、当該熱交換器を介して回収した排熱を温水等の形態で蓄熱して所定の熱負荷に供給する排熱回収蓄熱ユニットが、図3に示す分散型発電装置2とは別個に設けられ、分散型発電装置2と併用されることで、コージェネレーションシステムが構成される。しかし、本発明装置2は、排熱回収蓄熱ユニットと併用せずに単独で系統連系可能な分散型発電装置として使用しても構わない。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the device of the present invention will be described. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the
更に、第2実施形態では、本発明装置2は、筐体4に1対の入力端子5を設ける代わりに、筐体4内に第2直流電源6を備えて構成されている。第2直流電源6は、本発明装置2の試運転時に直流発電装置10に代えて第2直流電源6から出力される第2直流電力を直交変換装置21に入力可能なように設置されている。具体的には、第2直流電源6の一対の出力端子が、2系統の入力対を択一的に選択して出力対に接続する入力切替回路9を介して、DC/DCコンバータ25の1対の入力端子に各別に接続している。
Further, in the second embodiment, the
第2直流電源6は、第1実施形態において1対の入力端子5に接続して使用する外部の第2直流電源50と同様に、例えば、直交変換装置21の出力端子OUT1,OUT2に接続している商用交流電源30から供給される交流電力を直流電力に変換する交直変換回路7と変換された直流電力を蓄電する蓄電池8を備えた構成のものが使用できる。第2直流電源6の出力電圧は、燃料電池12の出力電圧(直流30V〜100V)と同じものを使用する。尚、第2直流電源6に内蔵される蓄電池8は、後述する系統連系保護装置22の動作確認のための試運転に要する時間中、本発明装置1の直交変換装置21と系統連系保護装置22と制御装置23に電力供給するに十分な蓄電容量を有するものを使用する。
The second DC power supply 6 is connected to, for example, the output terminals OUT1 and OUT2 of the
以上の図2に示す本発明装置2の構成は、筐体4内に第2直流電源6を備えている点が、筐体4に入力端子5が設けられている第1実施形態と異なるのみで、その他の直流発電装置10と電力調整装置20の構成は、第1実施形態と同じであるので、重複する説明は割愛する。また、本発明装置2を単相3線式交流電力200V/100Vを供給する商用交流電源30と分電盤44を介して系統連系させる構成も、第1実施形態と同様であるので、重複する説明は割愛する。
The configuration of the
次に、本発明装置2を実使用場所に設置した後の系統連系保護装置22の動作確認のための本発明方法について説明する。
Next, the method of the present invention for confirming the operation of the grid
先ず、系統連系保護装置22の動作確認のための試運転を開始する前に、第2直流電源6を充電状態にしておく。直流発電装置10を起動せずに、入力切替回路9を操作して、第2直流電源6をDC/DCコンバータ25に接続することで、直流発電装置10から直流電力を供給するのに代えて、第2直流電源6から第2直流電力を電力調整装置20に供給する。これによって、電力調整装置20が起動されるため、系統連系保護装置22の動作確認のための試験が実施可能となる。系統連系保護装置22の有する系統連系保護機能に応じた動作確認試験が終了すると、第2直流電源6の出力をオフし、電力調整装置20の動作を停止する。第2実施形態では、第1実施形態と同様に、直流発電装置10を起動しないため、直流発電装置10が安定動作するまでに要する時間が短縮され、系統連系保護装置22の動作確認を早期に終了させることができる。
First, before starting the test operation for confirming the operation of the grid
〈第3実施形態〉
次に、本発明装置の第3実施形態について説明する。図4は、第3実施形態に係る本発明装置3の概略構成を示すブロック図である。図4に示すように、第1及び第2実施形態と同様に、本発明装置3は、改質装置11と燃料電池12を備えてなる直流発電装置10、直交変換装置21と系統連系保護装置22と制御装置23と直流補助電源24とを備えてなる電力調整装置20を、共通の筐体4内に収容して、燃料電池発電ユニットとして一体化して構成されている。尚、図4では、改質装置11等からの排熱を回収する熱交換器、及び、各種用途のポンプや送風機等の捕器類は図示していない。また、当該熱交換器を介して回収した排熱を温水等の形態で蓄熱して所定の熱負荷に供給する排熱回収蓄熱ユニットが、図4に示す分散型発電装置2とは別個に設けられ、分散型発電装置2と併用されることで、コージェネレーションシステムが構成される。しかし、本発明装置2は、排熱回収蓄熱ユニットと併用せずに単独で系統連系可能な分散型発電装置として使用しても構わない。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the device of the present invention will be described. FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of the
更に、第3実施形態では、本発明装置3は、直流発電装置10の改質装置11から燃料電池12へ水素ガスを供給する燃料供給路から分岐して、外部から水素ガスを燃料電池12へ供給するための外部燃料注入口13を筐体4に備えて構成されている。尚、燃料電池12へ水素ガスを改質装置11と外部燃料注入口13の何れから供給するかは、各分岐路に設けられた図示していない開閉弁または三方弁等を切り替えて選択する。
Furthermore, in the third embodiment, the
以上の図3に示す本発明装置3の構成は、筐体4に外部燃料注入口13を備えている点が、筐体4に入力端子5が設けられている第1実施形態と異なるのみで、その他の直流発電装置10と電力調整装置20の構成は、第1実施形態と同じであるので、重複する説明は割愛する。尚、第3実施形態では、燃料電池2は、酸化物固体電解質型燃料電池(SOFC)と比較して動作温度が70℃〜90℃と低い高分子固体電解質型燃料電池(PEFC)の使用を想定している。また、本発明装置3を単相3線式交流電力200V/100Vを供給する商用交流電源30と分電盤44を介して系統連系させる構成も、第1実施形態と同様であるので、重複する説明は割愛する。
The configuration of the
次に、本発明装置3を実使用場所に設置した後の系統連系保護装置22の動作確認のための本発明方法について説明する。
Next, the method of the present invention for confirming the operation of the grid
先ず、系統連系保護装置22の動作確認のための試運転を開始する前に、水素の充填した水素ボンベ53を用意し、外部燃料注入口13に接続する。直流発電装置10の改質装置11を起動せずに、水素ボンベ53から外部燃料注入口13を介して燃料電池12に水素ガスを供給する。これによって、燃料電池12が起動して発電を開始する。燃料電池12が安定動作に至ると、電力調整装置20が起動されるため、系統連系保護装置22の動作確認のための試験が実施可能となる。系統連系保護装置22の有する系統連系保護機能に応じた動作確認試験が終了すると、水素ボンベ53からの水素供給を停止し、燃料電池12をオフして、電力調整装置20の動作を停止する。燃料電池12がPEFCの場合は、動作温度が比較的低いため、安定的に直流電圧を出力するまでの時間が、改質装置11から起動する場合に比べて時間短縮できる。
First, a
以上、本発明装置及び本発明方法について第1乃至第3実施形態を詳しく説明したが、本発明装置の直流発電装置10及び電力調整装置20の構成及び各部の出力電圧や出力形式は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、電力調整装置20の出力は、単相3線式交流電力200V/100Vに限定されるものではない。また、燃料電池12は、PEFC或いはSOFCに限定されるものではない。また、改質装置11の構成も上記各実施形態の構成に限定されるものではない。
As described above, the first to third embodiments of the present invention device and the present invention method have been described in detail. It is not limited to the embodiment. For example, the output of the
更に、上記第1実施形態において、1対の入力端子5を直接DC/DCコンバータ25の1対の入力端子5に接続する構成としたが、第2実施形態と同様の入力切替回路9を使用し、1対の入力端子5を入力切替回路9を介して、DC/DCコンバータ25の1対の入力端子に各別に接続しても構わない。
Further, in the first embodiment, the pair of
更に、上記第2実施形態において、第2直流電源6を、入力切替回路9を介してDC/DCコンバータ25の1対の入力端子に各別に接続する構成としたが、第2直流電源6の一対の出力端子を、入力切替回路9を介さずにDC/DCコンバータ25の1対の入力端子に各別に直接接続しても構わない。
Further, in the second embodiment, the second DC power supply 6 is separately connected to the pair of input terminals of the DC /
本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置は、燃料電池を備えた直流発電装置と電力調整装置が共通の筐体内に収容され燃料電池発電ユニットとして一体化した燃料電池式の分散型発電装置に利用可能であり、特に、系統連系保護装置の動作確認試験の時間短縮に有用である。 A fuel cell type distributed power generation device according to the present invention is a fuel cell type distributed power generation device in which a DC power generation device provided with a fuel cell and a power adjustment device are housed in a common casing and integrated as a fuel cell power generation unit. In particular, it is useful for shortening the time for the operation check test of the grid connection protection device.
1,2,3: 本発明に係る燃料電池式の分散型発電装置
4: 筐体
5: 入力端子
6,50: 第2直流電源
7,51: 交直変換回路
8,52: 蓄電池
9: 入力切替回路
10: 直流発電装置
11: 改質装置
12: 燃料電池
13: 外部燃料注入口
20: 電力調整装置
21: 直交変換装置
22: 系統連系保護装置
23: 制御装置
24: 直流補助電源
25: DC/DCコンバータ
26: インバータ回路
27: 連系継電器
28: 交流電流計
29: 交流電圧計
30: 商用交流電源
40: 電力負荷
41: 主幹ブレーカ
42: 分岐ブレーカ
43: 連系ブレーカ
44: 分電盤
53: 水素ボンベ
60: 従来の燃料電池式の分散型発電装置
OUT1,OUT2: インバータ回路部の出力端子
FG: 燃料(水素)
SG: 1次原料(都市ガス)
N: 単相3線式電力線の中性線
U: 単相3線式電力線の電圧線
V: 単相3線式電力線の電圧線
1, 2, 3: Fuel cell type distributed power generation device according to the present invention 4: Case 5: Input terminal 6, 50: Second DC power source 7, 51: AC / DC converter circuit 8, 52: Storage battery 9: Input switching Circuit 10: DC power generation device 11: reforming device 12: fuel cell 13: external fuel injection port 20: power adjustment device 21: orthogonal transformation device 22: grid interconnection protection device 23: control device 24: DC auxiliary power supply 25: DC / DC converter 26: Inverter circuit 27: Interconnection relay 28: AC ammeter 29: AC voltmeter 30: Commercial AC power supply 40: Power load 41: Master breaker 42: Branch breaker 43: Interconnection breaker 44: Distribution board 53 : Hydrogen cylinder 60: Conventional fuel cell type distributed generator OUT1, OUT2: Output terminal of inverter circuit section FG: Fuel (hydrogen)
SG: Primary raw material (city gas)
N: Neutral line of single-phase three-wire power line U: Voltage line of single-phase three-wire power line V: Voltage line of single-phase three-wire power line
Claims (8)
前記直流発電装置とは別の第2直流電源から出力される第2直流電力を前記直交変換装置に入力可能に構成されていることを特徴とする燃料電池式分散型発電装置。 A DC power generation device including a fuel cell that outputs DC power, an orthogonal transform device that converts the DC power output from the DC power generation device into AC power that can be connected to a commercial AC power source, and an abnormality in the orthogonal transform device A grid connection protection device for protecting the commercial AC power supply from operation and a control device for controlling the operation of the orthogonal transformation device in cooperation with the grid connection protection device are integrated and accommodated in a common housing. A fuel cell type distributed power generator,
2. A fuel cell type distributed power generator, wherein a second DC power output from a second DC power source different from the DC power generator can be input to the orthogonal transform device.
前記蓄電池が、前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転に要する時間中、前記直交変換装置と前記系統連系保護装置と前記制御装置に電力供給するに十分な蓄電容量を有することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池式分散型発電装置。 The second DC power source includes an AC / DC converter circuit that converts AC power supplied from the commercial AC power source into DC power, and a storage battery that stores the converted DC power,
The storage battery has a storage capacity sufficient to supply power to the orthogonal transformation device, the grid connection protection device, and the control device during a time required for a test run for confirming the operation of the grid connection protection device. The fuel cell type distributed generator according to claim 3.
前記直流発電装置が、所定の1次原料から前記燃料電池に供給する燃料を生成する改質装置から前記燃料電池へ前記燃料を供給する燃料供給路から分岐して、外部からの燃料を前記燃料電池へ供給するための外部燃料注入口を設けてあることを特徴とする燃料電池式分散型発電装置。 A direct-current power generator including a fuel cell that outputs direct-current power, an orthogonal transform device that converts the direct-current power output from the direct-current power generator into alternating-current power that can be connected to a commercial alternating-current power supply, and the orthogonal transform device A system interconnection protection device for protecting the commercial AC power supply from abnormal operation, and a control device for controlling the operation of the orthogonal transformation device in cooperation with the system interconnection protection device are integrated in a common housing. It is a fuel cell type distributed power generation device,
The DC power generation device branches from a fuel supply path for supplying the fuel to the fuel cell from a reformer that generates fuel to be supplied to the fuel cell from a predetermined primary raw material. An external fuel injection port for supplying to a battery is provided.
前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転時において、前記直流発電装置の前記燃料電池を起動せずに、前記入力端子に前記第2直流電源の出力を接続して、前記第2直流電力を前記直交変換装置に供給することを特徴とする分散型発電装置の試運転方法。 A test operation method for a fuel cell type distributed generator according to claim 2,
During a test operation for confirming the operation of the grid interconnection protection device, the output of the second DC power source is connected to the input terminal without starting the fuel cell of the DC power generation device, A test operation method for a distributed power generator, wherein power is supplied to the orthogonal transform device.
前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転時において、前記直流発電装置の前記燃料電池を起動せずに、前記第2直流電源を起動して、前記第2直流電源から出力される前記第2直流電力を前記直交変換装置に供給することを特徴とする分散型発電装置の試運転方法。 A test operation method for a fuel cell type distributed generator according to claim 3 or 4,
At the time of a test run for confirming the operation of the grid interconnection protection device, the second DC power source is started without starting the fuel cell of the DC power generation device, and is output from the second DC power source. A test operation method for a distributed generator, wherein the second DC power is supplied to the orthogonal transform device.
前記系統連系保護装置の動作確認のための試運転時において、前記改質装置を起動せずに、前記外部燃料注入口から外部からの燃料を前記燃料電池に供給して前記燃料電池を作動させ、前記燃料電池から出力される直流電力を前記直交変換装置に供給することを特徴とする分散型発電装置の試運転方法。
A test operation method for a fuel cell type distributed generator according to claim 5,
During a test operation for confirming the operation of the grid interconnection protection device, the fuel cell is operated by supplying external fuel to the fuel cell from the external fuel inlet without starting the reforming device. A method for trial operation of a distributed power generator, wherein DC power output from the fuel cell is supplied to the orthogonal transform device.
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