JP2015156768A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で電力変換効率の高いパワーコンディショナを提供する。【解決手段】燃料電池２の出力電圧を昇圧するコンバータ回路部４と、コンバータ回路部４とＤＣリンク部７を介して接続され、ＤＣリンク部７を介して印加されるＤＣリンク電圧を電力系統３に連系可能な交流電圧に変換するインバータ回路部５と、ＤＣリンク電圧を所定の目標電圧Ｖｏに制御する制御部６とを備えたパワーコンディショナにおいて、ＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏの設定にあたり、制御部６は、インバータ回路部５が系統電圧を出力するために最低限必要な最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１と、コンバータ回路部４の最小出力電圧値Ｖ２とを比較し、その高い方の電圧値をＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏとする。【選択図】図１

Description

この発明はパワーコンディショナに関し、より詳細には、燃料電池で発電された直流電力を電力系統に連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナに関する。

従来、燃料電池で発電された直流電力（発電電力）を商用電源などの電力系統に連系させるための電力変換装置としてパワーコンディショナが用いられている。

パワーコンディショナは、周知のとおり、燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータ回路部と、このコンバータ回路部とＤＣリンク部（電解コンデンサ）を介して接続され、ＤＣリンク部を介して印加されるＤＣリンク電圧を電力系統に連系可能な交流電圧に変換するインバータ回路部と、ＤＣリンク電圧を所定の目標電圧に制御する制御部とを主要部として構成されている（たとえば、特許文献１参照）。

そして、従来のパワーコンディショナでは、燃料電池の発電電力を電力系統に連系させるにあたり、制御部は、ＤＣリンク電圧の目標電圧を一定値に固定して制御している。たとえば、電力系統の電圧（系統電圧）が２４０Ｖの場合、つまり、インバータ回路部が２４０Ｖ出力を行う場合には、ＤＣリンク部の電圧（ＤＣリンク電圧）を３８０Ｖに固定して制御していた。

特開２００９−４８９７２号公報

しかしながら、このようにＤＣリンク部の目標電圧を一定の値に固定する方式には以下のような問題があり、その改善が望まれていた。

すなわち、インバータ回路部が電力系統に連系可能な電力を出力するためには、少なくともＤＣリンク電圧を系統電圧以上にする必要があるため、ＤＣリンク電圧の目標電圧は系統電圧より高く設定されるが、系統電圧に対してＤＣリンク電圧の目標電圧が高すぎると、インバータ回路部でのスイッチングロスが増加し、電力変換効率が低下するという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡易な構成で電力変換効率の高いパワーコンディショナを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のパワーコンディショナは、燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータ回路部と、上記コンバータ回路部とＤＣリンク部を介して接続され、上記ＤＣリンク部を介して印加されるＤＣリンク電圧を電力系統に連系可能な交流電圧に変換するインバータ回路部と、上記ＤＣリンク電圧を所定の目標電圧に制御する制御部とを備えたパワーコンディショナにおいて、上記電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出部と、上記コンバータ回路部の入力電圧を検出する入力電圧検出部とを備えてなり、上記制御部は、上記インバータ回路部が系統電圧に基づく最小ＤＣリンク電圧値と、上記コンバータ回路部の入力電圧に基づく上記コンバータ回路部の最小出力電圧値とを演算し、両電圧値を比較して高い方の電圧値を上記ＤＣリンク電圧の目標電圧とする制御構成を備えていることを特徴とする。

請求項１に係るパワーコンディショナでは、ＤＣリンク電圧の目標電圧を設定するにあたり、制御部が、系統電圧に基づく最小ＤＣリンク電圧値と、コンバータ回路部の入力電圧に基づく最小出力電圧値とを比較して高い方の電圧値をＤＣリンク電圧の目標電圧とするので、系統電圧の出力を維持できる範囲で、ＤＣリンク電圧の目標電圧を可及的に低く設定することができ、電力変換効率の高いパワーコンディショナを提供することができる。

本発明の請求項２に係るパワーコンディショナは、請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、上記制御部は、少なくとも、上記最小出力電圧値を所定周期で演算し、その演算の都度、上記最小ＤＣリンク電圧値と比較して高い方の電圧値を上記ＤＣリンク電圧の目標電圧とする制御構成を備えていることを特徴とする。

請求項２に係るパワーコンディショナでは、制御部が所定周期で最小出力電圧値を演算して、その都度、最小出力電圧値と最小ＤＣリンク電圧値とを比較して高い方の電圧値をＤＣリンク電圧の目標電圧とするので、燃料電池の出力電圧の変動に応じてＤＣリンク電圧の目標電圧を最適に設定することができる。

本発明の請求項３に記載のパワーコンディショナは、請求項１または２に記載のパワーコンディショナにおいて、上記制御部は、上記ＤＣリンク部の耐電圧特性に基づいて設定される上限電圧値を備え、上記最小ＤＣリンク電圧値と最小出力電圧値のうち高い方の電圧値が上記上限電圧値を超える場合には、上記上限電圧値を上記ＤＣリンク電圧の目標電圧とする制御構成を備えていることを特徴とする。

請求項３に係るパワーコンディショナでは、最小ＤＣリンク電圧値と最小出力電圧値のうち高い方の電圧値がＤＣリンク部の耐電圧特性に基づいて設定される上限電圧値を超える場合には、制御部が上限電圧値をＤＣリンク電圧の目標電圧とするので、過電圧によってＤＣリンク部が破損するおそれがないパワーコンディショナを提供できる。

本発明の請求項４に記載のパワーコンディショナは、請求項１から３のいずれかに記載のパワーコンディショナにおいて、上記最小ＤＣリンク電圧値は、上記系統電圧検出部の検出結果から系統電圧の最大値を算出するとともに、算出された系統電圧の最大値にあらかじめ設定された所定値を加算することにより演算されることを特徴とする。

請求項４に係るパワーコンディショナでは、最小ＤＣリンク電圧値が、系統電圧の最大値に所定値を加算することにより演算されるので、インバータ回路部の構成に応じた最小のＤＣリンク電圧値を目標電圧とすることができる。

本発明の請求項５に記載のパワーコンディショナは、請求項１から４のいずれかに記載のパワーコンディショナにおいて、上記最小出力電圧値は、上記入力電圧検出部で検出された入力電圧に上記コンバータ回路部に備えられた昇圧トランスの巻数比を乗算するとともに、その乗算結果にあらかじめ設定された所定値を加算することにより演算されることを特徴とする。

請求項５に係るパワーコンディショナでは、最小出力電圧値が、コンバータ回路部の入力電圧にコンバータ回路部に備えられた昇圧トランスの巻数比を乗算したものに所定値を加算することにより演算されるので、コンバータ回路部の構成に応じて最小のＤＣリンク電圧値を目標電圧とすることができる。

本発明によれば、ＤＣリンク電圧の目標電圧は、インバータ回路部が系統電圧に基づく最小ＤＣリンク電圧値とコンバータ回路部の入力電圧に基づく最小出力電圧値との比較により決定されるので、簡単な回路構成でＤＣリンク電圧の目標電圧を設定できるとともに、系統電圧の出力を維持しつつＤＣリンク電圧を可及的に低く設定できるので、電力変換効率の高いパワーコンディショナを提供することができる。

本発明に係るパワーコンディショナを用いた燃料電池発電システムの概略構成を示す回路ブロック図である。 同パワーコンディショナにおけるＤＣリンク電圧の目標電圧の設定手順を示すフローチャートである。 同パワーコンディショナの入力電圧とＤＣリンク電圧の目標電圧との関係を示す相関図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るパワーコンディショナを用いた燃料電池発電システムの概略構成を示している。図１に示すパワーコンディショナ１は、燃料電池２で発電された直流電力（発電電力）を電力系統３に連系可能な交流電力に変換する電力変換装置であって、コンバータ回路部４と、インバータ回路部５と、制御部６とを主要部として備えている。

ここで、燃料電池２は、周知のとおり、水素（水素リッチガス）と酸素（空気）の電気化学反応によって得られる電気エネルギを直流電力として取り出す発電装置であって、特に図示しないが、電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの補機（燃料電池スタックを動作させるための周辺機器）と、補機の制御を行う補機制御部とを主要部として備えている。なお、本実施形態では、燃料電池２として固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いるが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）など他の形式の燃料電池が用いられてもよい。

また、電力系統３としては、商用電源などの交流電源が用いられる。本実施形態では、電力系統３として、単相３線式交流２００Ｖの電源が用いられる。なお、電力系統３は、このような単相三線式交流２００Ｖに限らず、たとえば、１６０Ｖや２４０Ｖなど他の形式の交流電源で構成されていてもよい。

コンバータ回路部４は、燃料電池２から出力される直流電力の電圧を所定の電圧まで昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路を備えて構成されている。具体的には、コンバータ回路部４には、図示しない昇圧トランスを備えた絶縁型のコンバータ回路が用いられている。また、このコンバータ回路部４は、たとえば、出力電圧を２７０〜４２０Ｖの範囲で変更できる可変出力型のコンバータ回路が採用されており、その出力電圧は制御部６によって制御されるように構成されている。

インバータ回路部５は、コンバータ回路部４で昇圧された直流電力を電力系統３に連系可能な交流電力（本実施形態では、単相３線式交流２００Ｖ）に変換するＤＣ／ＡＣインバータ回路を備えて構成されている。このインバータ回路部５は、その入力側がＤＣリンク部（電解コンデンサ）７を介してコンバータ回路部４の出力側と接続されており、ＤＣリンク部７を介して印加される電圧（ＤＣリンク電圧）を電力系統３に連系可能な交流電力に変換するように構成されている。なお、このインバータ回路部５の出力側は、図示しない系統連系切替スイッチを介して電力系統３と接続されており、このスイッチのオン／オフにより電力系統３との連系／解列ができるようになっている。

制御部６は、パワーコンディショナ１の各部の動作を制御する制御装置であって、パワーコンディショナ１の制御基板上に搭載されたマイコン（図示せず）を主要部として構成されている。本実施形態では、この制御部６は、燃料電池２の出力電圧（すなわち、コンバータ回路部４の入力電圧）が７０Ｖ〜１７０Ｖの範囲内にあるときにパワーコンディショナ１（具体的には、コンバータ回路部４およびインバータ回路部５）を動作させるように構成されており、パワーコンディショナ１が動作中は、コンバータ回路部４の出力電圧を制御し、ＤＣリンク電圧が所定の目標電圧Ｖｏになるように制御している（詳細は後述する）。

そして、この制御に関連して、制御部６は、電力系統３の系統電圧を検出する系統電圧センサ（系統電圧検出部）８と、コンバータ回路部４の入力電圧を検出する入力電圧センサ（入力電圧検出部）９と、ＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧センサ１０とを備えており、系統電圧、コンバータ回路部４の入力電圧およびＤＣリンク電圧を制御部６が監視できるように構成されている。なお、図示例では、系統電圧センサ８と入力電圧センサ９とがパワーコンディショナ１の外部に備えられる状態を図示しているが、これらはパワーコンディショナ１の内部に備えられていてもよい。

次に、このように構成されたパワーコンディショナ１におけるＤＣリンク電圧の制御について図２および図３に基づいて説明する。

ＤＣリンク電圧の制御にあたり、制御部６は、系統電圧センサ８で検出される系統電圧と、入力電圧センサ９で検出されるコンバータ回路部４の入力電圧とに基づいて、ＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏを設定して制御する。

すなわち、制御部６は、まず、系統電圧センサ８で検出される系統電圧に基づいて、インバータ回路部５が系統電圧を出力するのに最低限必要な最小ＤＣリンク電圧値（「ＤＣリンク目標（系統）」）Ｖ１を算出する（図２ステップＳ１参照）。

この最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１は、系統電圧に基づいて算出されるＤＣリンク電圧の目標電圧の候補値であって、系統電圧センサ８の検出結果から系統電圧の最大値を算出するとともに、算出した系統電圧の最大値にあらかじめ設定された所定値αを加算することによって演算される。ここで、所定値αは、インバータ回路部５の構成に応じて設定される定数であり、この所定値αはインバータ回路部５が系統電圧を出力できるように適宜設定される。

したがって、たとえば、系統電圧センサ８で検出された系統電圧が２００Ｖであり、上記所定値αが４０Ｖである場合、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１は、２００×１．４１４＋４０＝３２２．８Ｖとなる。同様に、系統電圧センサ８で検出された系統電圧が２４０Ｖの場合には、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１は、２４０×１．４１４＋４０＝３７９．３６Ｖとなり、系統電圧が１６０Ｖの場合には、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１は、１６０×１．４１４＋４０＝２６６．２４Ｖとなる。このように、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１は、系統電圧の電圧値に応じて変化する。

そして、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１を算出すると、次に、制御部６は、入力電圧センサ９で検出される入力電圧に基づいて、コンバータ回路部４の最小出力電圧値（「ＤＣリンク目標（入力）」）Ｖ２を算出する（図２ステップＳ２参照）。

この最小出力電圧値Ｖ２は、入力電圧に基づいて算出されるＤＣリンク電圧の目標電圧の候補値であって、本実施形態では、コンバータ回路部４が昇圧トランスを備えたコンバータ回路で構成されていることから、入力電圧センサ９で検出された入力電圧にコンバータ回路部４に備えられた昇圧トランスの巻数比を乗算し、その乗算結果にあらかじめ設定された所定値βを加算することにより演算される。すなわち、入力電圧に応じてコンバータ回路部４が出力可能な最低電圧値がこの最小出力電圧値Ｖ２とされる。ここで、所定値βは、コンバータ回路部４の構成に応じて設定される定数であり、この所定値βもコンバータ回路部４の構成に応じて適宜設定される。

したがって、たとえば、入力電圧センサ９で検出された入力電圧が９０Ｖであり、昇圧トランスの巻き数比が２．３３、上記所定値βが３０Ｖである場合、最小出力電圧値Ｖ２は、９０×２．３３＋３０＝２３９．７Ｖとなる。同様に、入力電圧センサ９で検出された入力電圧が１７０Ｖの場合には、最小出力電圧値Ｖ２は、１７０×２．３３＋３０＝４２６．１Ｖとなる。このように、最小出力電圧値Ｖ２は、コンバータ回路部４の入力電圧、つまり、燃料電池２の出力電圧に応じて変化する。

なお、本実施形態では、制御部６が、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１、最小出力電圧値Ｖ２の順で両電圧値を演算する構成を示したが、最小出力電圧値Ｖ２を先に演算するように構成することも可能である。また、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１および最小出力電圧値Ｖ２の演算は、双方とも（少なくとも、最小出力電圧値Ｖ２は）、制御部６が所定周期（たとえば、数ｍ秒周期）で演算するように構成される。

そして、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１および最小出力電圧値Ｖ２を演算すると、次に、制御部６は、両電圧値Ｖ１，Ｖ２を比較して、その高い方の電圧値をＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏとしてコンバータ回路部４の出力電圧の制御を行う。

具体的には、制御部６は、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１が最小出力電圧値Ｖ２以上であるか否か（すなわち、「最小出力電圧値Ｖ２≦最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１」の関係が成立するか否か）を判断し（図２ステップＳ３参照）、その判断が肯定的であれば、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１をＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏに設定して（図２ステップＳ４参照）、ＤＣリンク電圧が最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１となるようにコンバータ回路部４の出力電圧を制御する（図２ステップＳ５参照）。

これに対して、図２ステップＳ３の判断が否定的であれば、制御部６は、最小出力電圧値Ｖ２をＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏに設定し（図２ステップＳ６参照）、ＤＣリンク電圧が最小出力電圧値Ｖ２となるようにコンバータ回路部４の出力電圧を制御する（図２ステップＳ５参照）。

そして、制御部６は、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１および最小出力電圧値Ｖ２を演算すると、その都度、図２ステップＳ３〜Ｓ５の判断を行い、ＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏの設定を更新しながら、コンバータ回路部４の出力電圧の制御を行う。

このように、本実施形態に示すパワーコンディショナ１では、ＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏを設定するにあたり、制御部６は、系統電圧に基づいて設定されるＤＣリンク部７の目標電圧の候補値（最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１）と、入力電圧に基づいて設定されるＤＣリンク部７の目標電圧の候補値（最小出力電圧値Ｖ２）とを比較して、その高い方の電圧値をＤＣリンク電圧の最終的な目標電圧Ｖｏとするので、ＤＣリンク部７の目標電圧Ｖｏは、図３に示すように、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１が最小出力電圧値Ｖ２より高いとき（図２ステップＳ３でＹｅｓのとき）には最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１である３２２．８Ｖを目標電圧Ｖｏとする一方、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１より最小出力電圧値Ｖ２が高くなるとき（図２ステップＳ３でＮｏのとき）には、最小出力電圧値Ｖ２をＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏとして、入力電圧に比例させて目標電圧Ｖｏを上昇させる。なお、図３において、鎖線で示すのは系統電圧が１６０Ｖのときの目標電圧、一点鎖線で示すのは系統電圧が２４０Ｖのときの目標電圧である。また、図３において、符号Ａはパワーコンディショナ１が動作を停止する領域（発電停止領域）を示しており、また、符号Ｂはコンバータ回路部４がハードスイッチングとなる領域（ハードスイッチング領域）を示している。

このように、本実施形態に示すパワーコンディショナでは、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１が最小出力電圧値Ｖ２より高いときには、インバータ回路部５が系統電圧を出力するのに最低限必要な最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１がＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏとなり、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１より最小出力電圧値Ｖ２が高いときには、コンバータ回路部４の最小出力電圧値Ｖ２がＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏとなるので、簡単な回路構成でＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏを設定できるとともに、系統電圧の出力を維持しつつＤＣリンク電圧を可及的に低く設定でき、電力変換効率の高いパワーコンディショナを提供することができる。

なお、この点について、ＤＣリンク電圧を３８０Ｖに固定した場合と、本実施形態に示す構成によってＤＣリンク電圧が３２５Ｖに設定された場合を出願人が比較した結果、本実施形態に示す構成によれば電力変換効率が０．２８１％上昇したことが確認された。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１と最小出力電圧値Ｖ２を比較して高い方の電圧値をＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏとする構成を示したが、目標電圧Ｖｏの設定にあたっては、ＤＣリンク部７の耐電圧特性を考慮して設定するように構成することも可能である。

具体的には、ＤＣリンク部７を構成する電解コンデンサの耐電圧特性に基づいて設定される上限電圧値Ｖ３を制御部６に記憶させておき、最小ＤＣリンク電圧値Ｖ１と最小出力電圧値Ｖ２のうちの高い方の電圧値がこの上限電圧値Ｖ３を超える場合には、制御部６がこの上限電圧値Ｖ３をＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖｏとするように構成される。なお、このように、ＤＣリンク部７の上限電圧値Ｖ３を目標電圧Ｖｏの上限とする構成は、コンバータ回路部４の出力電圧範囲がＤＣリンク部７の上限電圧を上回る場合にＤＣリンク部７の破損を防止でき有効である。

また、上述した実施形態では、燃料電池２の補機に対する電源の構成は示していないが、補機に対する電源供給は、たとえば、補機制御部などに補機用のＤＣ／ＤＣコンバータ回路を備えさせておき、このＤＣ／ＤＣコンバータ回路をＤＣリンク部７に接続して、ＤＣリンク部７から補機制御基板に直流電力を供給するように構成することができる。

１ パワーコンディショナ
２ 燃料電池
３ 電力系統
４ コンバータ回路部
５ インバータ回路部
６ 制御部
７ ＤＣリンク部
８ 系統電圧センサ（系統電圧検出部）
９ 入力電圧センサ（入力電圧検出部）
１０ ＤＣリンク電圧センサ

Claims (5)

1. 燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータ回路部と、
   前記コンバータ回路部とＤＣリンク部を介して接続され、前記ＤＣリンク部を介して印加されるＤＣリンク電圧を電力系統に連系可能な交流電圧に変換するインバータ回路部と、
   前記ＤＣリンク電圧を所定の目標電圧に制御する制御部とを備えたパワーコンディショナにおいて、
   前記電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出部と、前記コンバータ回路部の入力電圧を検出する入力電圧検出部とを備えてなり、
   前記制御部は、前記インバータ回路部が系統電圧に基づく最小ＤＣリンク電圧値と、前記コンバータ回路部の入力電圧に基づく前記コンバータ回路部の最小出力電圧値とを演算し、両電圧値を比較して高い方の電圧値を前記ＤＣリンク電圧の目標電圧とする制御構成を備えている
   ことを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記制御部は、少なくとも、前記最小出力電圧値を所定周期で演算し、その演算の都度、前記最小ＤＣリンク電圧値と比較して高い方の電圧値を前記ＤＣリンク電圧の目標電圧とする制御構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記制御部は、前記ＤＣリンク部の耐電圧特性に基づいて設定される上限電圧値を備え、
   前記最小ＤＣリンク電圧値と最小出力電圧値のうち高い方の電圧値が前記上限電圧値を超える場合には、前記上限電圧値を前記ＤＣリンク電圧の目標電圧とする制御構成を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンディショナ。
4. 前記最小ＤＣリンク電圧値は、前記系統電圧検出部の検出結果から系統電圧の最大値を算出するとともに、算出された系統電圧の最大値にあらかじめ設定された所定値を加算することにより演算されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパワーコンディショナ。
5. 前記最小出力電圧値は、前記入力電圧検出部で検出された入力電圧に前記コンバータ回路部に備えられた昇圧トランスの巻数比を乗算するとともに、その乗算結果にあらかじめ設定された所定値を加算することにより演算されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパワーコンディショナ。

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