JP2015133871A - 電力変換装置、発電装置及び電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】冗長性を低減し、より高度に複数の分散電源を統合することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る電力変換装置（１０）は、需要家に設けられる複数の発電装置（２５、３０、４０）と組み合わせて用いられる電力変換装置（１０）であって、各発電装置に接続される複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（１１）と、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（１１）を介して供給される各発電装置からの電力を一括して変換可能なインバータ（１２）と、を備え、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（１１）の少なくとも一つは双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ（１１−１）である。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の分散電源と組み合わせて用いられる電力変換装置、該電力変換装置と組み合わせて用いられる発電装置、及び、これらの装置を含む電力変換システムに関するものである。

近年、需要家に分散電源を設け、系統と連系させて分散電源からも電力を供給する方式が普及しつつある。分散電源としては、燃料電池装置、太陽光発電装置及び蓄電池などが用いられている。

従来、分散電源は、内部にインバータを有する構成が一般的であり、インバータによりＤＣ（直流）電圧をＡＣ（交流）電圧に変換する。例えば、特許文献１には、インバータを有する燃料電池装置の構成が記載されている。

図４は、従来の燃料電池装置の構成の一例を示す図である。図４に示す燃料電池装置９０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ９１と、補機部９２と、発電部９３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９４と、インバータ９５とを備える。

ＡＣ／ＤＣコンバータ９１は、系統からＡＣ電圧の供給を受けてＤＣ電圧に変換し、補機部９２にＤＣ電圧を供給する。補機部９２は、発電部９３に発電を実行させるために必要な装置、例えば、水素や酸素などのガスを供給するためのブロワ、水素や酸素を暖めるためのヒータなどを備えている。発電部９３は、水素と酸素から電気化学反応によって直流電力を発生させるセルスタックを備えており、補機部９２が動作を開始し発電条件が整うと発電を開始する。ＤＣ／ＤＣコンバータ９４は、発電部９３から入力されるＤＣ電圧を適切なＤＣ電圧に変換する。インバータ９５は、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して分電盤に供給する。

特開平７−１２３６０９号公報

上記のように、各分散電源がインバータを有することにより、各分散電源の出力を、それぞれ分電盤に直接接続することができる。しかしながら、需要家に複数の分散電源が設けられている場合、各分散電源がインバータを有する上記構成は冗長であることから、冗長性を低減し、より高度に複数の分散電源を統合することが望まれている。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、冗長性を低減し、より高度に複数の分散電源を統合することができる電力変換装置、該電力変換装置と組み合わせて用いられる発電装置、及び、これらの装置を含む電力変換システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、需要家に設けられる複数の発電装置と組み合わせて用いられる電力変換装置であって、各発電装置に接続される複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータを介して供給される各発電装置からの電力を一括して変換可能なインバータと、を備え、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも一つは双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータには起動時に電源の供給を必要とする所定の発電装置が接続されることが好ましい。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記所定の発電装置は燃料電池装置であることが好ましい。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータは、前記燃料電池装置が備える補機部と接続されることが好ましい。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記燃料電池装置が起動されるとき、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータから前記補機部に対して第１の電圧の電力供給が行われ、前記燃料電池装置による発電が行われると、前記第１の電圧より高い第２の電圧の電力供給が前記燃料電池装置から前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに対して行われることが好ましい。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータには蓄電池が接続されることが好ましい。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのうち、双方向ではないＤＣ／ＤＣコンバータには太陽光発電装置が接続されることが好ましい。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る発電装置は、それぞれ異なる発電装置を接続可能な複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備え、各ＤＣ／ＤＣコンバータから入力される電力を一括して変換可能な電力変換装置と組み合わせて用いられる発電装置であって、発電部と、前記発電部を起動し、前記発電部が発電するために必要な処理を実行する補機部とを備え、前記補機部は、前記電力変換装置に対し、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのうち双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに接続されていることを特徴とする。

また、本発明に係る発電装置において、前記補機部は、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータから第１の電圧の供給を受けて前記発電部を起動し、前記発電部は、前記補機部によって起動されて発電を開始すると、前記第１の電圧より高い第２の電圧を前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに供給することが好ましい。

また、本発明に係る発電装置において、発電が行われると、前記補機部の電力供給元が前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータから前記発電部に変更されることが好ましい。

また、本発明に係る発電装置において、該発電装置は燃料電池装置であることが好ましい。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換システムは、需要家に設けられる発電装置と、当該発電装置と組み合わせて用いられる電力変換装置とを備える電力変換システムであって、前記電力変換装置は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータに接続される発電装置からの供給電力を一括して変換可能なインバータと、を備え、前記発電装置は、発電部と、前記発電部を起動し、前記発電部が発電するために必要な処理を実行する補機部と、を備え、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのうち、少なくとも一つは双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであり、当該双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに前記補機部が接続される、ことを特徴とする。

本発明によれば、冗長性を低減し、より高度に複数の分散電源を統合することができるができる。

複数のＤＣ／ＤＣコンバータを有する電力変換装置を備える電力変換システムの一例の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換システムの概略構成を示すブロック図である。 図２に示す電力変換システムにおける燃料電池装置の起動時の様子を示す図である。 従来の燃料電池装置の構成の一例を示す図である。

［マルチＤＣシステム］
最初に、各分散電源装置はＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを有さず、電力変換装置が複数のＤＣ／ＤＣコンバータ及び１つのインバータを有する構成とした電力変換システム（マルチＤＣシステム）について説明する。

図１は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータを有する電力変換装置を備える電力変換システムの一例の概略構成を示すブロック図である。図１に示す電力変換システム１００は、電力変換装置１０と、燃料電池装置２０と、太陽光発電装置３０と、蓄電池４０とを備える。

電力変換装置１０は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、インバータ１２とを備える。

各ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、それぞれ、分散電源から入力されるＤＣ電圧を適切なＤＣ電圧に変換して、インバータ１２に供給する。図１に示す例においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１、１１−２及び１１−３は、それぞれ、燃料電池装置２０、太陽光発電装置３０及び蓄電池４０と接続している。

インバータ１２は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力を一括して入力し、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する。インバータ１２は、通常時には系統６０と連系して、配電盤５０を介して負荷機器７０に交流電力を供給する。また、停電時などにおいては、インバータ１２は、系統６０から解列して自立運転を行って、負荷機器７０に電力を供給することもできる。

図１に示すように、電力変換装置１０は、ＤＣ電圧を入力する構成であるため、燃料電池装置２０、太陽光発電装置３０及び蓄電池４０は、それぞれ、ＡＣ電圧ではなくＤＣ電圧を出力する構成である。

例えば、燃料電池装置２０は、発電部２１と、補機部２２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３とを備える構成であるが、図４に示す燃料電池装置９０のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ９４及びインバータ９５は備えない。すなわち、発電部２１により発電されたＤＣ電力を、そのまま電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１に供給する。

太陽光発電装置３０及び蓄電池４０も同様に、従来の太陽光発電装置や蓄電池とは異なり、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを含まず、ＤＣ電力をそのまま電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１に供給する構成である。

このように、各分散電源はＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを含まない構成とし、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、インバータ１２とを備える電力変換装置１０に、各分散電源が出力するＤＣ電力が供給される構成とすることにより、冗長性を低減し、より高度に複数の分散電源を統合した電力変換システム１００を構成することができる。

しかしながら、図１に示す構成は、停電などにより系統６０から燃料電池装置２０のＡＣ／ＤＣコンバータ２３にＡＣ電圧が供給されなくなった場合に、燃料電池装置２０による発電ができなくなるという問題がある。なぜなら、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３にＡＣ電圧が供給されなくなると、補機部２２が動作せず、補機部２２が動作しないと、ブロワにより水素や酸素を発電部２１に供給したり、ヒータにより水素や酸素を暖めたりすることができないため、発電部２１が発電を開始することができなくなってしまうからである。

たとえ停電時であっても、同時にガスの供給も停止してしまうとは限らない。したがって、停電時においても、燃料電池装置が起動可能であることが望ましい。本発明は、特に、停電時においても、燃料電池装置を起動可能とすることを目的とするものである。

［本発明の一実施形態］
以下、本発明に係る一実施形態について、図面を参照して説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る電力変換システムの概略構成を示すブロック図である。以下、主に図１と相違する点について説明し、共通する内容については適宜説明を省略する。図２に示すように、電力変換システム２００は、電力変換装置１０と、燃料電池装置２５と、太陽光発電装置３０と、蓄電池４０とを備える。燃料電池装置２５、太陽光発電装置３０及び蓄電池４０は、需要家に設けられる分散電源である。なお、本実施形態においては、電力変換装置１０に、燃料電池装置、太陽光発電装置及び蓄電池が１つずつ組み合わされている構成を例に挙げて説明するが、これはあくまでも一例である。これらの分散電源の個数は、それぞれ任意の個数とすることができる。また、発電装置の種類は、燃料電池装置や太陽光発電装置に限定されるものではなく各種の発電装置とすることができる。

電力変換装置１０は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、インバータ１２とを備える。

各ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、それぞれ、分散電源から入力されるＤＣ電圧を適切なＤＣ電圧に変換して、インバータ１２又は他のＤＣコンバータ１１に供給する。図２に示す例においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１、１１−２及び１１−３は、それぞれ、燃料電池装置２５、太陽光発電装置３０及び蓄電池４０と接続している。なお、本実施形態においてはＤＣ／ＤＣコンバータ１１の個数が３個である場合を例に挙げて説明しているが、これは一例であり、任意の複数の個数であってよい。

また、図２に示す例においては、燃料電池装置２５と接続するＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１、及び、蓄電池４０と接続するＤＣ／ＤＣコンバータ１１−３は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。

したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１は、太陽光発電装置３０や蓄電池４０などから供給されるＤＣ電圧を、燃料電池装置２５に供給することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−３は、燃料電池装置２５や太陽光発電装置３０などから供給されるＤＣ電圧を、蓄電池４０に供給し、蓄電池４０を充電することができる。

インバータ１２は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力を一括して入力し、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して、配電盤５０に供給する。インバータ１２は、通常時には系統６０と連系して、配電盤５０を介して負荷機器７０に交流電力を供給する。また、停電時などにおいては、インバータ１２は、系統６０から解列して自立運転を行って、負荷機器７０に電力を供給することもできる。

燃料電池装置２５は、発電部２１及び補機部２２を備える。図１に示した燃料電池装置２０と異なり、本実施形態に係る燃料電池装置２５は、系統６０からＡＣ電圧の供給を受けてＤＣ電圧に変換し、ＤＣ電圧を補機部２２に供給するＡＣ／ＤＣコンバータを含まない。

燃料電池装置２５は、例えば、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）とすることができるが、他の種類の燃料電池装置であってもよい。

発電部２１は、水素と酸素から電気化学反応によって直流電力を発生させるセルスタックを備えており、補機部２２のブロワによって水素や酸素を供給され、補機部２２のヒータによって発電可能な温度まで暖められることにより発電を実行する。

発電部２１は、発電したＤＣ電力を電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１に供給する。また、発電部２１の出力は補機部２２にも接続されており、発電部２１は、発電したＤＣ電力を補機部２２にも供給する。

補機部２２は、発電部２１に発電を実行させるために必要な処理を実行する装置、例えば、水素や酸素を供給するためのブロワ、水素や酸素を暖めるためのヒータ、補機部２２全体を制御及び管理する制御部などを備えている。燃料電池装置２５は起動時に電源の供給を必要とし、補機部２２は、燃料電池装置２５の起動時においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１からＤＣ電圧の供給を受けてブロワやヒータなどを動作させて、発電部２１に発電を開始させる。また、補機部２２は、発電部２１による発電が開始され、発電部２１がＤＣ電圧を出力するようになると、発電部２１からＤＣ電圧の供給を受けて、ブロワやヒータなどを動作させる。このように、燃料電池装置２５は、一旦発電が開始すると、外部からの電力供給を受けなくても、自立して発電を継続することができる。

太陽光発電装置３０は、太陽光を利用して発電することができる。太陽光発電装置３０は太陽電池を備えており、太陽光のエネルギーを直接的に電力に変換する。太陽光発電装置３０は、従来の太陽光発電装置とは異なり、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを含まず、太陽光により発電したＤＣ電力をそのまま電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−２に供給する。

蓄電池４０は、充電された電力を放電することにより、電力を供給することができる。また、蓄電池４０は、系統６０、燃料電池装置２５又は太陽光発電装置３０等から供給される電力を充電することもできる。蓄電池４０は、従来の蓄電池とは異なり、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを含まず、放電によるＤＣ電力をそのまま電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−３に供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−３は双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであり、蓄電池４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−３からのＤＣ電圧の供給を受けて充電することができる。

以下、電力変換システム２００の起動時の動作について、図３を参照して説明する。図３は、図２に示す電力変換システム２００における燃料電池装置２５の起動時の様子を示す図である。

図３において矢印付きの太線で示すように、燃料電池装置２５の起動時には、太陽光発電装置３０の出力するＤＣ電圧が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−２及び１１−１によって電圧変換されて燃料電池装置２５に供給される。また、蓄電池４０の出力するＤＣ電圧が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１−３及び１１−１によって電圧変換されて燃料電池装置２５に供給される。なお、太陽光発電装置３０及び蓄電池４０の双方によって燃料電池装置２５にＤＣ電圧を供給することは必須ではなく、太陽光発電装置３０及び蓄電池４０のいずれか一方から燃料電池装置２５にＤＣ電圧を供給してもよい。

燃料電池装置２５の補機部２２は、電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１から第１の電圧のＤＣ電圧の供給を受けると、ブロワやヒータなどの動作を開始する。

発電部２１は、補機部２２の動作により発電可能な条件に達すると発電を開始する。この際、発電部２１が発電するするＤＣ電力の電圧値（第２の電圧）は、第１の電圧よりも高い電圧になるように設定されている。

電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１は、燃料電池装置２５に供給しているＤＣ電圧（第１の電圧）よりも、燃料電池装置２５の発電部２１が発電して出力するＤＣ電圧（第２の電圧）の方が高くなると、燃料電池装置２５へＤＣ電圧を供給する動作から、燃料電池装置２５の発電部２１からＤＣ電圧の供給を受ける動作に切り替わる。

燃料電池装置２５の補機部２２は、発電部２１が発電を開始すると、電力変換装置１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１からでなく、発電部２１からＤＣ電圧の供給を受けるようになり、その結果、燃料電池装置２５は、外部から電源供給を受ける必要のない自立運転の状態に移行する。

このように、本実施形態によれば、電力変換装置１０が、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１を備える構成であることから、各分散電源がインバータを有する必要がなく、より高度に複数の分散電源を統合することができる。また、起動時に電源の供給を必要とする燃料電池装置２５と接続するＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１が双方向であり、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１が相互に接続されていることにより、太陽光発電装置３０や蓄電池４０から燃料電池装置２５に電源を供給することができる。これにより、たとえ系統６０が停電している状況であっても、燃料電池装置２５は、太陽光発電装置３０や蓄電池４０から電源の供給を受けて起動することができ、自立運転に移行することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池装置２５が、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１と接続していることにより、系統６０からのＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを備える必要がないため、ＡＣ／ＤＣコンバータを含まない構成とすることができ、ＡＣ／ＤＣコンバータの分のコストを低減することができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、本実施形態においては、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ１１−１と組み合わせる発電装置として、燃料電池装置２５を組み合わせる場合を例に挙げて説明したが、これは燃料電池装置に限定するものではなく、起動時に電源の供給を必要とする他の種類の発電装置であっても、本発明を適用できる。

また、本実施形態においては、燃料電池装置２５は、図１で説明したＡＣ／ＤＣコンバータ２３を含まないものとして説明したが、燃料電池装置２５にＡＣ／ＤＣコンバータを含め、系統６０からのＡＣ電力によっても補機部２２を起動できるようにしてもよい。

１０ 電力変換装置
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ インバータ
２０ 燃料電池装置
２１ 発電部
２２ 補機部
２３ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２５ 燃料電池装置
３０ 太陽光発電装置
４０ 蓄電池
５０ 配電盤
６０ 系統
７０ 負荷機器
１００ 電力変換システム
２００ 電力変換システム

Claims (12)

1. 需要家に設けられる複数の発電装置と組み合わせて用いられる電力変換装置であって、
   各発電装置に接続される複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータを介して供給される各発電装置からの電力を一括して変換可能なインバータと、を備え、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも一つは双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータには起動時に電源の供給を必要とする所定の発電装置が接続されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、前記所定の発電装置は燃料電池装置であることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータは、前記燃料電池装置が備える補機部と接続されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の発電装置において、
   前記燃料電池装置が起動されるとき、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータから前記補機部に対して第１の電圧の電力供給が行われ、
   前記燃料電池装置による発電が行われると、前記第１の電圧より高い第２の電圧の電力供給が前記燃料電池装置から前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに対して行われることを特徴とする発電装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータには蓄電池が接続されることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電力変換装置において、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのうち、双方向ではないＤＣ／ＤＣコンバータには太陽光発電装置が接続されることを特徴とする電力変換装置。
8. それぞれ異なる発電装置を接続可能な複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備え、各ＤＣ／ＤＣコンバータから入力される電力を一括して変換可能な電力変換装置と組み合わせて用いられる発電装置であって、
   発電部と、
   前記発電部を起動し、前記発電部が発電するために必要な処理を実行する補機部とを備え、
   前記補機部は、前記電力変換装置に対し、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのうち双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに接続されていることを特徴とする発電装置。
9. 請求項８に記載の発電装置において、
   前記補機部は、前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータから第１の電圧の供給を受けて前記発電部を起動し、
   前記発電部は、前記補機部によって起動されて発電を開始すると、前記第１の電圧より高い第２の電圧を前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに供給することを特徴とする発電装置。
10. 請求項８又は９に記載の発電装置において、発電が行われると、前記補機部の電力供給元が前記双方向のＤＣ／ＤＣコンバータから前記発電部に変更されることを特徴とする発電装置。
11. 請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の発電装置において、該発電装置は燃料電池装置であることを特徴とする発電装置。
12. 需要家に設けられる発電装置と、当該発電装置と組み合わせて用いられる電力変換装置とを備える電力変換システムであって、
    前記電力変換装置は、
    複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータに接続される発電装置からの供給電力を一括して変換可能なインバータと、を備え、
    前記発電装置は、
    発電部と、
    前記発電部を起動し、前記発電部が発電するために必要な処理を実行する補機部と、を備え、
    前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのうち、少なくとも一つは双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであり、当該双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに前記補機部が接続される、ことを特徴とする電力変換システム。
    

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