JP2011519545A - 燃料電池を含む緊急時電力供給システム - Google Patents

Abstract

ＡＣグリッド（通常グリッド）に接続された負荷のための緊急時電力供給システムであって、直流電流を発生するための燃料電池（１２）、交流電流を提供するためのインバータ（１４）、及びコントローラを含む。コントローラは、ＡＣ電力グリッドの電流と同調するように、インバータ（１４）によって提供された電流を同期させる同期装置を含む。従って、緊急時電力供給システムは、他の遮断が起こらずに、通常グリッドを負荷へ再提供することができる。

Description

本発明は、直流電流を発生する燃料電池、交流電流を提供するインバータ、及びコントローラを含む、ＡＣ（交流）グリッドに接続された負荷のための緊急時電力供給システムに関する。

緊急時電力供給システムは、通常負荷が接続されているＡＣグリッド（通常グリッド）の停電時に、安全関連又は他の重要な負荷へ電気エネルギの供給を維持することに使用される。例えば、複数の及び／又は大きな負荷に電力を緊急供給するためには、ディーゼル発電機が使用されていたが、化石燃料が減少する中、水素作動燃料電池を使う緊急時電力供給システムが開発されている。この緊急時電力供給システムは、作動中に二酸化炭素を発生しないなど、ディーゼル発電機に比較して、多くの利点を有している。

従来の緊急時電力供給システムを使用する際の基本的な問題は、緊急時電力供給システムによって供給される電流が通常グリッドの電流と同期しないため、通常グリッドへ回復した後、負荷への電力供給を再び遮断しなければならないという点にあった。

本発明の目的は、ＡＣグリッド負荷への緊急時電力供給を環境により優しく、安心でき、特に緊急時電力供給システムから回復されたＡＣグリッドへ負荷を切換え戻す（スイッチバック）時に電力損失が少ないようにすることである。

本発明の課題は、請求項１に記載の特徴を有する緊急時電力供給システムによって解決される。緊急時電力供給システムの利点及び好適な態様は、従属請求項から得られる。

本発明の緊急時電力供給システムは、コントローラがＡＣグリッドの電流と同調するように、インバータによって提供される電流を同期する同期手段（以下、「負荷同期スイッチバック」という）を含むことを特徴とする。本発明は、緊急時電力供給システムによって供給された電流が回復後の通常グリッドの電流と同期することが確定された時、負荷の緊急時電力供給システムから回復後のＡＣグリッドへのスイッチバックを遮断せずに達成できるという発見に基づいて、成されたものである。このように、燃料電池の利点に加えて、上記課題のために提供されている同期手段を有する本発明の緊急時電力供給システムは、停電の場合、つまり緊急時電力供給へ切り換わる前に一回だけ遮断され、通常グリッドにスイッチバックする時には遮断は発生しないという利点がある。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の説明及び言及される添付図面から得られる。

本発明の緊急時電力供給システムの制御パネルを示す図である。 同期手段による同期信号の生成を示す図である。 コントローラの制御監視機能を示す概略図である。 通常グリッドの停電時の制御手順を示す流れ図である。 正常グリッドの回復時の制御手順を示す流れ図である。

建物に使用するための固体三相グリッドを交互に提供するための本発明の緊急時電力供給システムの構造を例示的に説明する。緊急時電力供給システムは、通常グリッドの停電時に、通常なＡＣグリッド（通常グリッド）に接続されている負荷にできるだけ迅速に交流電流を再供給するために使用される。図１は、以下に言及される回路概略図によって、緊急時電力供給システムの制御パネル１０を示している。

緊急時電力供給システムのエネルギ源は、好ましくは、緊急時電力供給システムの作動時に直流電流を発生する燃料電池スタックを有するＰＥＭ（ポリマー電解質膜）燃料電池１２である。インバータ１４を介して、直流電流は、交流電流へ変換されて、ＡＣグリッドの電圧に変圧される。

緊急時電力供給システムは、三つの部分に分けられる。これらの部分は、緊急時電力供給システムの設置状態において、互いから空間分離される。システムの構成要素のこのような（又は、同様の）分離は、上述の目的のために有利であるが、緊急時電力供給システムの機能として、必須条件ではない。

第１の部分は、複数の金属水素化物貯蔵タンク１６と、圧力センサ、機械減圧弁、圧力安全弁、及び水素主弁を有する水素供給モジュール１８と、を含む。水素供給モジュール１８は、金属水素化物貯蔵タンク１６から燃料電池１２へ安全に水素を供給する。水素供給モジュール１８は、バスシステム（「プロフィネット（Ｐｒｏｆｉｎｅｔ）」）を介して、緊急時電力供給システムの主要コントローラに接続されているフィールドバスカップラ２０によって制御される。更に、緊急時電力供給システムの第１の部分は、充電器を有する再充電可能バッテリ（直列で２×１２＝２４Ｖ）の形式の二つの制御エネルギ蓄積器も含む。これらの制御エネルギ蓄積器は、通常グリッドの遮断中に緊急時電力供給システムを制御するためのエネルギを供給するために提供される。更に、二つの負荷エネルギ蓄積器２２（同じく充電器を有し、好ましくは制御バッテリと同じ構造のバッファバッテリである）が提供されている。負荷エネルギ蓄積器２２は、通常グリッドの停電時と燃料電池１２の安定作動時の間の期間において、エネルギバッファとして機能する。ダイオード（「ショットキーダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｄｉｏｄｅ）」）を有する回路を介して、負荷エネルギ蓄積器２２は、燃料電池に過負荷をかける可能性のある負荷インパルスを吸収するように意図される。原則として、この用途に応じて設計されたコンデンサも、負荷エネルギ蓄積器として提供することができる。

緊急時電力供給システムの第２の部分において、燃料電池１２には、電子減圧弁とクロック弁が取り付けられる。クロック弁は、燃料電池１２の陽極側を洗浄して、水垢の堆積を防止するように機能する。更に、第２の部分は、緊急時電力供給システムの主要コントローラを含む。主要コントローラは、複数の回路遮断器、通常グリッドと非常時グリッド間を切換えるためのグリッド接触器２４とインバータ接触器２６、複数の継電器、同期ロックアップ継電器、メモリプログラム可能な制御装置２８（ＳＰＳ（プログラマブル・ロジック・コントローラ））、及びゼロ交差ボードの形式のゼロ交差検出装置を含む。更に、第２の部分は、インバータ１４（ここでは、三相正弦波インバータ）を含む。コントローラは、ゼロ交差検出装置の信号によって、通常グリッドと同調するように、緊急時グリッドを同期させることができる。これは、以下に詳細に説明される。

緊急時電力供給システムの第３の部分は、燃料電池のための冷却システムと、燃料電池内の化学反応に所要の酸素を供給する空気圧縮機を含む。制御パネル１０も第３の部分に属している。緊急時電力供給システムの操作以外に、制御パネル１０は、切換え状態と妨害を検出するように機能する。第３の部分の構成要素も同様に、バスシステムに接続されたフィールドバスカップラ３１を介して、制御される。

次に、緊急時電力供給システムの動作について説明する。緊急時電力供給システムは、自動モード、ブロックモード、手動モードと三つの作動モードを含む。

自動モードにおいて、緊急時電力供給システムのグリッド又は位相監視器は、通常グリッドを常に監視する。電圧が遮断されるか、又は、通常グリッドが、ある時完全に停電した場合、グリッド又は位相監視器は、コントローラに信号を送り、これにより、緊急時電力供給システムを開始するためのプログラムが実行される。このプログラムシーケンスにおいて、インバ−タ１４と燃料電池１２は、同時にスタートする。負荷エネルギ蓄積器２２から給電されるインバータ１４は、すぐに、４００Ｖの三相グリッドの生成を開始する。この三相グリッドが使用可能になった直後（１秒未満）、コントローラは、（通常グリッドと負荷の間の接触器である）グリッド接触器２４をスイッチオフ（接続分離）し、次に、（インバータと負荷の間の接触器である）インバータ接触器２６をスイッチオンする（接続確立）。次に、負荷エネルギ蓄積器２２の直流電流がインバータ１４によって交流電流に変換されることにより、この負荷エネルギ蓄積器２２からのエネルギが接続された負荷に一時的に供給される。

同時に、燃料電池１２は、冷却水の供給を開始し、空気供給のために圧縮機３０をスイッチオンし、水素供給モジュール１８の水素主弁を開くことによって、始動する。燃料電池１２が少なくとも２４Ｖの出力電圧を供給すると、ＤＣ（直流）電圧監視器は、コントローラへ信号を発する。設定された暖機時間がすぎると、ＤＣ電圧接触器３２は、燃料電池電圧をインバータ１４に切り換える。これ以降、燃料電池１２は、インバータ１４そして負荷に直接給電する。

通常グリッドが回復すると、グリッド又は位相監視器の信号が元に戻される。期間内において更なるグリッド変動が負荷に対する不要に上昇するスタート電流に導く、いわゆる「グリッド制動（ｐａｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）時間」という時間間隔が満了後、継電器がスイッチオンされ、ゼロ交差検出装置を制御する。ここで、ゼロ交差検出装置がインバータ１４へ信号の送信を開始する。この信号は、ディジタル信号であり、例えば、５Ｖの振幅を有する電圧パルスを含む。通常グリッドの正のゼロ交差ごとに（厳密にいえば、通常グリッドの電圧曲線の正のゼロ交差ごとに、あるいは、電流曲線の正のゼロ交差ごとに）、ゼロ交差検出装置は、インバータ１４によって処理される例えば「負のフランク」のような特徴信号パルスを供給する。ゼロ交差検出装置は、変圧器を含まないため、アナログ入力信号（回復後の通常グリッドのグリッド電圧）とディジタル出力信号の間の位相シフトがおよそゼロ（＜１°）である。この時点で、インバータ１４は、ゼロ交差検出装置の信号との同期を開始する。

インバータ１４は、（例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）によって、）インバータ１４に送られた信号と同期したかどうかを示す。同期している場合、同期監視継電器が、すぐに通常グリッドの位相導電体Ｌ１、Ｌ２とインバータ１４の位相導電体Ｌ１、Ｌ２を比較する。これらが同期している場合、接触が閉じられ、信号がコントローラへ出力される。同期メッセージと通常グリッドに対するスイッチ位置表示が制御パネル１０に表示される。通常グリッドと緊急時グリッドが一定期間同期している場合、インバータ接触器２６が遮断される前に、通常グリッドと緊急時グリッドは、短期間互いにスイッチオンされる（グリッド接触器２４とインバータ接触器２６がスイッチオンされる）。これにより、遮断されない同期遷移が確立される。次に、通常グリッドからの電圧がまた負荷に供給される。

スイッチバック後、燃料電池１２とインバータ１４は、遮断されるまで、一定時間通常グリッドと同期しながら動作する。ここで再び、緊急時電力供給システムは、監視モードに入る。

「ブロック」作動モードにおいて、自動機能のスタートアップ及び全てのスイッチ動作及び接続された制御システムのスタートアップ及び全てのスイッチ動作がブロックされる。

手動モードにおいて、緊急時電力供給システムは、手動により作動することができる。この作動モードにおいて、緊急時電力供給システムは、コントローラのプログラムシーケンスに対応して自動的にスイッチングを行わないが、オペレータは、制御パネル１０において、各工程を個別に制御することが可能である。従って、オペレータは、ステップスイッチ３４及び３６を用いて、燃料電池１２とインバータ１４のスイッチオン及びスイッチオフをすることができる。安全上の理由から、燃料電池１２は自動モードと同じ暖機時間を有しており、コントローラは、この暖機時間が過ぎた後、ＤＣ電圧接触器３２のみのスイッチングが可能であることを確定する。このＤＣ電圧接触器３２は、手動でスイッチオンとスイッチオフすることができる。

手動モードにおいて、グリッド同期スイッチの作動は、不可能である。グリッド接触器２４のスイッチ３８及びインバータ接触器２６のスイッチ４０は、互いに対して、ロックされる。即ち、スイッチ３８及び４０は共に、スイッチのいずれか一つのスイッチオンを可能にするように、スイッチ「オフ」される必要がある。これによって、二つのグリッドを互いが非同期でスイッチオンされ、負荷に損失が生じる可能性が防止される。

以下に、緊急時グリッドから回復後の通常グリッドにスイッチバックする前に実行される「同期」について、もう一度説明する。ゼロ交差ボードの形式のゼロ交差検出装置は、特別に開発された装置であり、すなわち非標準構成部品である。インバータ１４は、ゼロ交差検出装置の信号に選択的に影響されるので、インバータ１４は、非常に迅速に同期することが可能である。この目的で、インバータ１４のマイクロコントローラは、外部信号と同期するようにプログラムされる。従って、インバータ１４は、一般的にゼロ交差検出装置の供給信号と同期されるので、緊急時電力供給システムは、任意のＡＣグリッド（例えば、米国で）に使用することができる。上記の負荷同期型スイッチバックを提供するコントローラのこれらの構成要素（インバータのマイクロコントローラを含む）を「同期手段」という。

より明確にするために、図２は、同期信号の出力を示す。図２によれば、特徴曲線Ａの負の半波から正の半波へのゼロ交差の場合、特徴曲線Ｂでは、負のフランクが供給されていることがわかる。

様々なスイッチと光学ディスプレイを有する図１に示される制御パネル１０は、既述したように、スイッチ位置、圧力、妨害、操作変数及びメッセージ以外に、統合された緊急時電力供給システムの基本回路図を示している。以下に、制御パネル１０のいくつかの重要なスイッチと表示を簡単に説明する。

接触器２４，２６，３２によりスイッチングされる又は遮断されるラインのスイッチ位置表示は、スイッチオフ時にグリーンであり、スイッチオン時に赤である。

スイッチ３８及び４０は、手動モードにおいてのみ使用可能である。これらのスイッチによって、グリッド接触器２４及びインバータ接触器２６は手動によりスイッチング可能となる。スイッチ３８、４０は、手動モードにおいて、互いに対してロックされるので、作動可能な時、スイッチの真ん中にあるランプが点灯される。

青のＬＥＤ４２は、水素供給モジュール１８の入力圧力が十分であることを示す。

水素供給モジュール１８のＬＥＤ４３は、水素主弁の状態を示す。ＬＥＤが赤く発光した場合、弁が閉ざされ、ＬＥＤが緑に発光した場合、弁がスイッチングされ、燃料電池１２に水素を供給する。

ディスプレイパネル４４は、状態及び故障メッセージを示す。状態メッセージは、特に、
−通常グリッドの有無
−通常グリッドと緊急時グリッドが同期している
−インバータ動作中
−燃料電池動作中
を含む。

故障メッセージは、特に、
−通常グリッドの紛失
−同期が妨害された
−インバータが妨害された
−燃料電池が妨害された
−充電器が妨害された
−緊急時停止
を含む。

ＬＥＤ４６は、燃料電池１２の空気入力圧力が存在することを示す。

赤のＬＥＤ４８は、燃料電池電圧がインバータに印加されていることを示す。

多機能ディスプレイ装置５０は、緊急時電力供給システムの出力における電圧及び電流を示す。

コントローラの基本的な機能は、概略図及び簡単な流れ図によって、図３、図４と図５に示されている。 コントローラの制御装置２８において実施されるプログラムは、接触器と作動モードに関する複数の機能ブロックを含む。このプログラムは、更に、自在に調整可能なフラッシャー、設定パルス、及び温度モジュールなどの補助的な機能ブロックも含む。図３は、最も重要な制御及び監視機能を示している。図４及び図５は、通常グリッドの停電と、緊急時グリッドから通常グリッドへのスイッチバックをそれぞれ示している。

本発明によって提供される同期手段を有する緊急時電力供給システムの構造は、負荷同期スイッチバックだけでなく、負荷同期「スイッチオン」（通常グリッドから緊急時グリッドへの切換え）を提供するので、緊急時電力供給システムは、負荷に影響を与えず、試運転やメンテナンス作業を実行することができるという利点を有している。

Claims (14)

1. ＡＣグリッドに接続されている負荷のための緊急時電力供給システムであって、
   直流電流を発生する燃料電池（１２）と、
   交流電流を提供するインバータ（１４）と、
   コントローラと、
   を含み、
   前記コントローラが、前記ＡＣグリッドの電流と同調するように、前記インバータ（１４）によって提供された電流を同期させる同期手段を含むことを特徴とする、
   緊急時電力供給システム。
2. 前記コントローラが、前記ＡＣグリッドの電圧曲線又は電流曲線のゼロ交差ごとに前記インバータ（１４）へ特徴信号パルスを出力するゼロ交差検出装置を含むことを特徴とする、請求項１に記載の緊急時電力供給システム。
3. 前記ＡＣグリッドが回復すると、グリッド制動時間の満了直後に、前記ゼロ交差検出装置が起動されることを特徴とする、請求項２に記載の緊急時電力供給システム。
4. 前記インバータ（１４）は、好ましくはプログラム可能なマイクロコントローラを含むことによって、前記インバータ（１４）によって発される交流電流を前記ゼロ交差検出装置の信号と同期させるように、設計されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の緊急時電力供給システム。
5. 前記コントローラが、前記インバータ（１４）の電流と前記ＡＣグリッドの電流が同期している所定時間間隔の満了直後に、前記負荷の前記インバータ（１４）の電流から前記ＡＣグリッドの電流へのスイッチバックを実行することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の緊急時電力供給システム。
6. 前記負荷が前記インバータ（１４）から分離される前に、スイッチバック中の両方の同期電流が、前記負荷に対して一時的に同時スイッチオンされることを特徴とする、請求項５に記載の緊急時電力供給システム。
7. 前記ＡＣグリッドの停電中に、前記コントローラへエネルギを提供するための第１のエネルギ蓄積器を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の緊急時電力供給システム。
8. 前記燃料電池（１２）の起動中、前記負荷へエネルギを提供するための第２のエネルギ蓄積器（２２）を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の緊急時電力供給システム。
9. 前記ＡＣグリッドの停電を検出した後、前記コントローラが、前記インバータ（１４）と前記燃料電池（１２）を同時に起動する、請求項８に記載の緊急時電力供給システム。
10. 前記燃料電池（１２）の特定出力電圧が使用可能になる前に、前記インバータ（１４）へ前記第２のエネルギ蓄積器（２２）の直流電流が供給されることを特徴とする、請求項９に記載の緊急時電力供給システム。
11. 手動作動モードにおいて、オペレータが、前記燃料電池（１２）と前記インターバ（１４）をスイッチオン／オフすることができ、暖機時間が過ぎてから、前記燃料電池（１２）の直流電流を前記インバータ（１４）へスイッチングすることが可能であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の緊急時電力供給システム。
12. 手動作動モードにおいて、前記負荷が、前記ＡＣグリッドと前記インバータ（１４）に同時に接続されることを防止する安全手段を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の緊急時電力供給システム。
13. 前記ＡＣグリッドの交流電流から、前記インバータ（１４）（緊急時グリッド）によって提供される電流の交流電流への負荷同期スイッチングを提供することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の緊急時電力供給システム。
14. 前記同期手段が、前記インバータ（１４）によって提供される電流と同調するように、前記ＡＣグリッドの電流を同期させることを特徴とする、請求項１３に記載の緊急時電力供給システム。

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