JP2011139577A - パワーコンディショナとこれを備えた発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明は、発電装置1が出力する直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ10部と、このコンバータ部10が出力する直流電圧を交流電圧に変換して商用電源系統に供給するインバータ部11とを備えたパワーコンディショナ3に関する。このパワーコンディショナ3は、インバータ部11のDCリンク電圧Vdcが系統最大電圧よりも高い目標電圧値Vtに近づくようにコンバータ部10の出力電圧を制御するコンバータ制御部15Cと、逆潮流が順潮流に戻るようにインバータ部11の出力電流を制御するインバータ制御部15Dとを備え、コンバータ制御部15Cは、逆潮流時においてDCリンク電圧Vdcが目標電圧値Vtを超える場合に、コンバータ部10の出力電圧を順潮流時の場合よりも高速に減少させる。
【選択図】 図1
Description
このパワーコンディショナは、発電装置の直流電力を系統に同期する交流電力に変換する構成部として、発電された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、コンバータ部で昇圧された直流電圧を系統と同期のとれた交流電圧に変換するインバータ部とを備えている。
このため、上記燃料型発電装置を採用した発電システムでは、負荷が急に増加した場合は不足分の電力を系統側から供給を受け、負荷が急に減少した場合は余剰電力として処理する必要がある。
そこで、系統電力が所定値以下となる逆潮流を検出すると、パワーコンディショナの出力電力(具体的には、インバータ部の出力電流)を低下させる制御(以下、「逆潮流防止制御」ということがある。)を行うパワーコンディショナが既に知られている(特許文献1参照)。
そこで、発電電力を急変させずに逆潮流を防止するものとして、負荷とは別に設けたヒータ等よりなる余剰電力消費手段に、パワーコンディショナの余分な出力電力を供給する発電システムが知られている(特許文献2参照)。
従って、上記特許文献1のパワーコンディショナでは、逆潮流時におけるインバータ部のDCリンク電圧が順潮流時よりも高圧になり、コンバータ部からの電力供給を行うことができず、燃料型発電装置の発電電力を急激に低下せざるを得ない場合がある。
これに対して、上記特許文献2のパワーコンディショナでは、逆潮流時にパワーコンディショナの出力電力をヒータ等の余剰電力消費手段に供給するので、上記の不都合は生じないが、余剰電力消費手段を設ける分だけ設備コストが嵩むので、エネルギー効率が悪いという欠点がある。
このため、上記インバータ制御部が順潮流に戻るようにインバータ部の出力電流を制御しても、コンバータ部からの電力供給を行うことができ、燃料型発電装置の発電電力を急激に低下させる必要がなくなる。従って、ヒータ等の余剰電力消費手段を設けなくても、逆潮流が生じた場合に発電電力を下げずに発電を継続することができる。
この場合、逆潮流時用の目標電圧範囲が通常よりも低圧側に偏っているので、2種類の目標電圧範囲を同じに設定する場合に比べて、逆潮流時におけるDCリンク電圧の上昇をより確実に抑制することができる。
この場合、コンバータ制御部によるDCリンク電圧の上昇抑制に加えて、インバータ制御部によってもDCリンク電圧の上昇を抑制できるので、逆潮流時におけるDCリンク電圧の上昇をより確実に抑制することができる。
この場合、上記安定化回路がDCリンク電圧を放電によって目標電圧範囲内に安定化させるので、逆潮流時におけるDCリンク電圧の上昇を確実に抑制することができる。
〔第1実施形態〕
〔システムの概略構成〕
図1は、本発明の第1実施形態に係るパワーコンディショナ3を用いた発電システムの概略構成を示している。
図1に示すように、本実施形態の発電システムは、発電装置1の一種である燃料電池と、この発電装置1を商用電源系統(以下、単に「系統」ということがある。)2に連系させるためのパワーコンディショナ3と、発電装置1の補機6に対して電力を供給する補機電源部(補機6への電力供給手段)4とを主要部として備えている。
燃料電池は、使用する電解質や運転温度(スタック5の温度)の相違により数種類に分類されるが、本実施形態では、電解質にイオン伝導性セラミックスを用いた固体酸化物型燃料電池(SOFC)を用いている。
SOFCよりなる発電装置1は、運転温度が数百度(例えば、800〜1000℃程度)と高温であることから、起動開始から発電開始に至るまでの起動準備に1時間以上を必要とするが、発電運転(定常運転)が開始されると、例えば、70〜180Vの直流電圧が発電部5から出力されるように構成されている。つまり、発電装置1の定常運転時の出力電圧範囲は、70〜180Vである。
なお、補機6を構成するブロワやポンプは、燃料電池1の起動中及び起動準備中にオン/オフを繰り返すことから、その動作中における動作電流の変動は極めて激しい。
このFC制御部7は、発電部5の出力電圧や出力電流、補機6の状態などを監視する各種センサ類(図示せず)から得られる情報と、後述するPC制御部15との通信によって得られるパワコン3側の情報とに基づいて、補機6を含む発電装置1の各部の動作を制御する。
パワーコンディショナ3は、発電装置1を商用電源系統2に連系させるための装置であって、図1に示すように、コンバータ部10と、インバータ部11と、DCリンク部12と、ACブリッジ回路部13と、スイッチ回路部14と、PC制御部15とを主要部として備えている。
上記コンバータ部10は、発電装置1から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するDC/DCコンバータで構成されており、発電装置1の発電部5から出力される直流電力を、インバータ部11において商用電源系統2に供給可能な電力(例えば、AC200V)の生成ができる状態にまで昇圧して、DCリンク部12に供給する。
Hブリッジ回路17は、共振型スイッチング方式のスイッチング素子と2個の昇圧トランスとを備え、これらの各トランスの巻数比に応じて昇圧された2つの直流電圧出力が、直並列回路18における直列・並列の回路切り替えによって1又は2倍に昇圧されるようになっている。
なお、本実施形態のコンバータ部10は、トランスを備えた絶縁型のDC/DCコンバータであるから、発電装置1と商用電源系統2とは、このコンバータ部10によって電気的に縁切りされている。
具体的には、本実施形態のインバータ部11は、DCリンク部12を介してコンバータ部10と接続された系統連系型のインバータ回路よりなる。このインバータ回路は周知の電流制御型のものであり、コンバータ部10が出力する直流電圧を所定の交流電圧(例えば、AC200V)に変換するFETブリッジと、PWMの矩形波を正弦波に変換するチョークコイルとから主構成されている。
また、このインバータ部11のコンバータ部10側(つまり、インバータのDCリンク)には、大容量のDCリンクコンデンサ12aがコンバータ部10と並列に接続されており、これにより、DCリンク部12が形成されている。
図1に示すように、ACブリッジ回路部13の入力側がスイッチ回路部14の接点B側に接続されるとともに、出力側が上記DCリンク部12に接続されている。なお、このACブリッジ回路13には平滑回路が備えられていてもよい。
このスイッチ回路部14の接点は、後述するPC制御部15によって制御可能であり、スイッチ接点をA側に接続することで商用電源系統2とインバータ部11とが接続される。また、スイッチ接点をB側に接続することで商用電源系統2とACブリッジ回路部13とが接続される。
また、スイッチ回路部14の接点を構成するリレーは、図示しないリレー駆動回路が非通電のときには、接点をB側に接続するようになっており、リレー回路に通電することによって接点がA側に接続される。
このPC制御部15は、発電装置1からの入力電圧、入力電流、スタック温度を監視する各種センサ類から得られる情報、FC制御部7から得られる発電装置1側の情報、図示しない発電システムのリモコン(操作部)から得られる情報などに基づいて、パワーコンディショナ3の各部の動作を制御するとともに、発電システム全体の制御も行うことができる。
なお、このPC制御部15は、補機6の場合と同様に、発電装置1が発電を行っていないときでも動作できるように、駆動電源がDCリンク部12から供給される。
本実施形態では、この補機電源部4として、コンバータ部10とは別体に構成された絶縁型のDC/DCコンバータが用いられている。すなわち、補機電源部4は、その入力側がDCリンク部12に接続され、DCリンク部12から直流電力の供給を受けるようになっており、その出力側が補機6に接続されている。なお、この補機電源部4は、絶縁型のDC/DCコンバータを用いているので、この補機電源部4によって補機6(発電装置1)と商用電源系統2とは縁切りされている。
なお、本実施形態のパワーコンディショナ3では、補機6への電力供給は以下のようにして行われる。
すなわち、発電装置1が定常運転を行っていない場合(発電装置1が停止中または起動準備中の場合)には、PC制御部15は、スイッチ回路部14の接点をB側に接続する。これにより、商用電源8からの交流電力がACブリッジ回路部13を介してDCリンク部12に与えられ、DCリンク部12を介して補機電源部4に電力が供給される。
すなわち、この場合、PC制御部15は、スイッチ回路部14の接点をA側に接続し、インバータ部11と商用電源系統2とを連系状態にする。この状態では、コンバータ部10から出力される電力がDCリンク部12に接続された電源ラインを介して補機電源部4に供給される。つまり、DCリンク部12と補機電源部4とを接続する電源ラインが、補機6に電力を供給するための電力供給手段として機能する。
PC制御部15の記憶装置は、その演算装置が実行する回路制御等のためのコンピュータプログラムを記憶しており、そのコンピュータプログラムを実行することで達成される機能部として、起動制御部15A、状態判定部15B、コンバータ制御部15C及びインバータ制御部15Dを備えている。
以下、これらの制御部15A〜15Dごとの動作を説明することにより、PC制御部15における処理内容を明らかにする。
まず、発電装置1のFC制御部7は、ユーザ操作等によって与えられる発電運転の開始指令に基づいて、補機6を動作させて発電運転を起動する。
起動制御部15Aは、発電装置1の出力電流値をFC制御部7から予め取得しているとともに、コンバータ部10の入力側に設けられた電圧センサS1と電流センサS2(図1参照)の検出値により、コンバータ部10に対する現時の入力電圧と入力電流を常に監視している。
上記動作開始入力電圧Vsは、発電装置1の出力電圧範囲に基づいて設定されている。発電部5の定常運転時の出力電圧範囲は、通常、70〜180Vとなっており、この範囲内で動作開始入力電圧Vsが設定される。
なお、起動制御部15Aは、電圧センサS1の検出値が動作開始入力電圧Vs未満となった場合には、パワーコンディショナ3の動作を停止させて、系統と解列させる。
PC制御部15の記憶装置には、コンバータ部10の入力電圧に見合ったDCリンク電圧Vdcの目標電圧値Vtと、その許容範囲である目標電圧範囲Z1,Z2が予め設定されている。
上記目標電圧値Vtは、商用電源系統2として3相AC200Vが用いられる本実施形態の場合には、例えば、系統過電圧判定値の最大値(=240√2V≒340V)にマージンα(=50V)を加算した電圧値(=390V)に設定される。
従って、第1範囲Z1を不等式で示すと、次の通りである。
Z1:Vt−ΔVt≦Vdc≦Vt+ΔVt
従って、第2範囲Z2を不等式で示すと、次の通りである。
Z2:Vt−ΔVt≦Vdc≦Vt
すなわち、コンバータ制御部15Cは、順潮流状態の場合(図3(a))には、目標電圧範囲として第1範囲Z1を選択し、DCリンク電圧Vdcが第1範囲Z1内になるようにコンバータ部10の出力電圧を収束させる。
逆に、コンバータ制御部15Cは、電圧センサS3で検出されるDCリンク電圧Vdcが第1範囲Z1の上限値(Vt+ΔVt)を超える場合には、コンバータ部10の直並列回路18に対するデューティを、現状よりも2ポイントだけマイナスする。
一方、コンバータ制御部15Cは、逆潮流状態の場合(図3(b))には、目標電圧範囲として第2範囲Z2を選択し、DCリンク電圧Vdcが第2範囲Z2内になるようにコンバータ部10の出力電圧を収束させる。
逆に、コンバータ制御部15Cは、電圧センサS3で検出されるDCリンク電圧Vdcが第2範囲Z2の上限値(Vt)を超える場合には、コンバータ部10の直並列回路18に対するデューティを、現状よりも2ポイントだけマイナスする。
このため、逆潮流時にDCリンク電圧VdcがVt+ΔVtを超える場合は、電圧VdcがVt〜Vt+ΔVtの範囲である場合に比べて、コンバータ部10に対する出力電圧の単位時間当たりの減少制御量が大きい。
このため、逆潮流時においてDCリンク電圧Vdcが目標電圧値Vtを超える場合においては、コンバータ制御部15Cにより、コンバータ部10の出力電圧が順潮流時の場合よりも高速に減少することになる。
図4は、状態判定部15Bの判定内容を示す状態遷移図である。
図4に示すように、PC制御部15の状態判定部15Bは、系統の有効電力Pの大小に基づいて、パワーコンディショナ3の系統2に対する潮流を判定する。
すなわち、状態判定部15Bは、商用電源系統2に設けられた電圧センサS4とカレントトランス方式の系統側電流センサCT(図1参照)の検出値を常に監視しており、この検出値から算出される系統2の現時の有効電力Pを所定の閾値Pthと比較する。
なお、上記有効電力Pは系統2のU相電力とV相電力の和で算出され、UV各相の電力は各相の電流値と電圧値の積で算出されるが、本実施形態では、交流波形の1波ごとにその演算を行い、2波の移動平均をもって有効電力Pとしている。従って、有効電力Pのデータ更新のタイミングは、50Hzの場合では20msごとになる。
なお、状態判定部15Bでの判定結果を、毎回、コンバータ制御部15Cとインバータ制御部15Dに通知し、これらの制御部15C,15Dにおいて状態変化を検出することにしてもよい。
PC制御部15のインバータ制御部15Dは、電圧センサS4と電流センサS5の検出値(図1参照)を常時監視しており、その検出値に基づいて、PWMのデューティを変更することにより、DCリンク部12の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部11の出力電流を任意に調節可能となっている。
また、インバータ制御部15Dは、状態判定部15Bからの状態情報が逆潮流状態である場合には、通常時よりもデューティを小さくしてインバータ部11の出力電流を絞ることにより、逆潮流を順潮流に戻す制御(逆潮流防止制御)を実行する。
すなわち、インバータ制御部15Dは、前記電圧センサS3の検出値を常に監視しており、逆潮流の場合にインバータ部11の出力電流を絞る際に、DCリンク電圧Vdcが所定の閾値を超える差分で上昇した場合には、出力電流の減少量を減らしてDCリンク電圧Vdcを元の電圧値まで下降させる。
なお、このインバータ制御部15DによるDCリンク電圧Vdcの安定化制御は、コンバータ制御部15Cによるリンク電圧Vcdの上昇抑制の先、後又は同時のいずれのタイミングで行っても良い。
上記構成に係るパワーコンディショナ3において、通常は、発電装置1における発電量に応じて発電装置1のFC制御部7が送信する目標電流値に基づいて、インバータ制御部15Dが出力電流値制御を行う。
これと同時に、コンバータ制御部15Cは、DCリンク電圧Vdcの目標電圧値制御を行う。このさい、順潮流(通常)時においては、発電装置1における発電効率を維持するため、発電装置1での発電量が安定するように、適度な制御スピード(電気負荷の状態に急反応しない)で目標電圧値制御が行われる。
このとき、発電装置1のFC制御部7は、出力電流が急激に減少したことに急反応し、必要以上に発電出力を絞ってしまう。もっとも、発電が停止されるわけではない。
すなわち、低電流領域では、発電装置1は発電効率が悪く、パワーコンディショナ3は電力ロスが大きい。また、その間は商用電力を多く使用しなければならない。
なお、上記の逆潮流時のインバータ制御による問題点は、特に発電装置1が固定酸化物型燃料電池である場合に顕著である。
このため、インバータ制御部15Dが順潮流に戻るようにインバータ部11の出力電流を制御しても、コンバータ部10からの電力供給を行うことができ、発電装置1の発電電力を急激に低下させる必要がなくなる。
また、第1実施形態のパワーコンディショナ3によれば、コンバータ制御部15CによるDCリンク電圧Vdcの上昇抑制に加えて、インバータ制御部15Dが、逆潮流時においてインバータ部11の出力電流を抑制する際に、DCリンク電圧Vdcの変動に応じて当該インバータ部11の出力電流の減少制御量を調整するので、逆潮流時におけるDCリンク電圧Vdcの上昇をより確実に抑制できるという利点もある。
図5は、本発明の第2実施形態に係るパワーコンディショナ3を用いた発電システムの概略構成を示す回路図である。
図1と図5を対比すれば明らかな通り、本実施形態のパワーコンディショナ3が第1実施形態のそれと異なる点は、コンバータ部10とインバータ部11の間のDCリンク部12に安定化回路20を設けた点にあり、その他の構成及び機能は第1実施形態の場合と同様である。
そして、PC制御部15は、逆潮流時において目標電圧範囲Z2を超えるDCリンク電圧Vdcが生じた場合に、所定時間だけ上記スイッチング素子22を瞬間的にオンにする。これにより、過大なDCリンク電圧Vdcが負荷21に放電され、目標電圧範囲Z2内に収束するようになっている。
上記実施形態は本発明の例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、上記実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲及びその構成と均等な全ての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、逆潮流時におけるDCリンク電圧Vdcの不感帯である第2範囲Z2が、その上限が目標電圧値Vtと一致した領域になっているが(図3(b)参照)、第2範囲Z2の上限は目標電圧値Vtを超えていてもよい。
更に、上記実施形態では、発電システム単体の構成について説明したが、この発電システムは、発電装置1で発生する排熱を排熱回収手段(例えば、熱交換器)で回収して温水生成用の熱源として利用するなど、コージェネレーションシステムの構成要素としても適用可能である。
2 商用電源系統(系統)
3 パワーコンディショナ
4 補機電源部
5 発電部(燃料電池スタック)
8 商用電源
9 電気負荷
10 コンバータ部
11 インバータ部
12 DCリンク部
15 PC制御部
15A 起動制御部
15B 状態判定部
15C コンバータ制御部
15D インバータ制御部
20 安定化回路
Vdc DCリンク電圧
Vt 目標電圧値
Z1 第1範囲(目標電圧範囲)
Z2 第2範囲(目標電圧範囲)
Claims (5)
- 発電装置が出力する直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ部と、このコンバータ部が出力する直流電圧を交流電圧に変換して商用電源系統に供給するインバータ部とを備えたパワーコンディショナであって、
前記インバータ部のDCリンク電圧が、当該インバータ部が系統最大電圧を出力するのに必要な目標電圧値に近づくように前記コンバータ部の出力電圧を制御するコンバータ制御部と、
逆潮流が順潮流に戻るように前記インバータ部の出力電流を制御するインバータ制御部とを備えており、
前記コンバータ制御部は、逆潮流時において前記DCリンク電圧が前記目標電圧値を超える場合に、前記コンバータ部の出力電圧を順潮流時の場合よりも高速に減少させることを特徴とするパワーコンディショナ。 - 前記目標電圧値を含む前記DCリンク電圧の目標電圧範囲が順潮流時用と逆潮流時用との2種類のものが予め設定されており、逆潮流時用の前記目標電圧範囲が順潮流時用の前記目標電圧範囲に比べて低圧側に偏っている請求項1に記載のパワーコンディショナ。
- 前記インバータ制御部は、逆潮流時において前記インバータ部の出力電流を抑制する際に、前記DCリンク電圧の変動に応じて当該インバータ部の出力電流の減少制御量を調整する請求項1又は2に記載のパワーコンディショナ。
- 逆潮流時において前記目標電圧範囲を超える前記DCリンク電圧が生じた場合に、そのDCリンク電圧を放電によって前記目標電圧範囲内に安定化させる安定化回路が、前記インバータ部とコンバータ部の間に設けられている請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーコンディショナ。
- 燃料型発電装置よりなる前記発電装置と、この発電装置の出力側に前記コンバータ部の入力側が接続された請求項1〜4のいずれか1項に記載のパワーコンディショナとを備えている発電システム。
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