JP2015156769A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】自立運転時に余剰電力を消費させる内部負荷の駆動回路の電力損失を抑制し得るパワーコンディショナを提供する。【解決手段】パワーコンディショナ１の制御部８は、自立運転時の余剰電力が所定電力以上である場合には、内部負荷１０への通電を制御するスイッチング素子Ｑ１０をＯＮ状態に制御するとともに、コンバータ回路部４の出力電圧を可変制御してＤＣリンク部６の電圧を変化させながら内部負荷１０で余剰電力を消費させる。一方、余剰電力が所定電力未満である場合には、制御部８は、コンバータ回路部４の出力電圧を一定に制御してＤＣリンク部６の電圧を固定し、スイッチング素子Ｑ１０のＯＮ／ＯＦＦデューティ比を制御して内部負荷１０で余剰電力を消費させる。【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、電力系統の停電時などに電力系統を切り離して発電を行う自立運転機能を備えたパワーコンディショナに関する。

燃料電池用のパワーコンディショナにおいては、電力系統の停電時などに電力系統との連系を切り離して（解列させて）燃料電池での発電を行う自立運転機能を備えたものが提供されている。

自立運転機能を備えたパワーコンディショナは、自立運転時に燃料電池で発電された電力を自立運転用のコンセントに接続された外部の電気負荷（自立負荷）で消費するように構成されているが、自立負荷で消費しきれない余剰電力がある場合には、パワーコンディショナの内部に備えられた内部負荷（たとえば、電気ヒータなど）で余剰電力を消費させるように構成されている。

ところで、燃料電池は負荷の変動に対する追従性が低いことから、この種のパワーコンディショナでは、自立運転時における燃料電池の出力電力を一定に制限している。そのため、自立負荷で消費しきれない余剰電力の消費にあたっては、パワーコンディショナのＤＣリンク部（パワーコンディショナにおいてコンバータ回路部とインバータ回路部とを接続するために備えられた電解コンデンサ）からスイッチング素子を介して内部負荷に電力を供給するように構成し、制御部でスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦデューティ比を制御することで、燃料電池の出力電力が一定に保たれるようにしている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２３８４９６号公報

しかしながら、このような従来の構成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、内部負荷での消費電力の調整をスイッチング素子のデューティ比制御で行う構成では、余剰電力が大きい場合、スイッチング素子でのスイッチングロス（電力損失）が大きくなるため、スイッチング素子用の放熱素子などが大型化するといった問題がある。

また、パワーコンディショナのＤＣリンク部の電圧（ＤＣリンク電圧）を、交流２４０Ｖ出力に必要な電圧（たとえば、３８０Ｖ）に固定制御している場合、スイッチング素子には大電力用のスイッチング素子が必要となり、製造コストの上昇を招くといった問題もある。

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、自立運転時に余剰電力を消費させる内部負荷の駆動回路の電力損失を抑制し得るパワーコンディショナを提供することで、製造コストの安価な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、燃料電池で発電された直流電力の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で昇圧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インバータ回路部と、上記コンバータ回路部と上記インバータ回路部とを接続するＤＣリンク部と、上記コンバータ回路部および上記インバータ回路部を制御する制御部とを備えてなり、上記電力系統との連系を切り離して燃料電池での発電を行う自立運転機能を備え、自立運転時に燃料電池で発電された電力を上記インバータ回路部から電力供給を受ける自立運転用コンセントに接続された自立負荷で消費させるように構成されるとともに、上記ＤＣリンク部にスイッチング素子を介して上記自立負荷で消費しきれない余剰電力を消費させるための内部負荷が接続されたパワーコンディショナにおいて、上記制御部は、余剰電力が所定電力以上である場合には、上記スイッチング素子をＯＮ状態に制御するとともに、上記コンバータ回路部の出力電圧を可変制御して上記ＤＣリンク部の電圧を変化させながら内部負荷で余剰電力を消費させる一方、余剰電力が上記所定電力未満である場合には、上記コンバータ回路部の出力電圧を一定に制御して上記ＤＣリンク部の電圧を固定するとともに、上記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦデューティ比を制御して上記内部負荷で余剰電力を消費させ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、自立運転時に自立負荷で消費しきれない余剰電力を内部負荷で消費させるにあたり、余剰電力が所定電力以上であるときは、内部負荷に電力を供給するスイッチング素子がＯＮ状態（常時ＯＮ状態）に制御されるので、スイッチング素子によるスイッチングロスが抑制される。その際、内部負荷で消費させる電力の調整は、コンバータ回路部の出力電圧を変化させることで行われるので、余剰電力はすべて内部負荷で消費される。

一方、余剰電力が所定電力未満であるときは、コンバータ回路の出力電圧が一定に制御されるが、この際は、制御部によってスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦデューティ比が制御されるので、余剰電力はすべて内部負荷で消費される。

このように、請求項１に係るパワーコンディショナは、余剰電力が大きいときは内部負荷に電力を供給するスイッチング素子がＯＮ状態に制御され、余剰電力が小さいときにはスイッチング素子のスイッチングが行われるので、スイッチング素子でのスイッチングロスが少ないパワーコンディショナを提供することができる。そのため、大型の放熱素子や大電力用のスイッチング素子を用いることなく余剰電力の消費を行え、低コストで自立運転機能を備えた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に記載の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、上記所定電力は、上記コンバータ回路部の出力電圧を、上記自立運転用コンセントから所定電圧の交流電力を出力させるのに必要な出力電圧としたときに、上記内部負荷で消費可能な電力値に基づいて設定され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、スイッチング素子をＯＮ状態に制御するか、スイッチングさせるかの判断基準となる所定電力として、自立運転用コンセントに所定電圧の交流電力（たとえば、ＡＣ１００Ｖ）を出力しているときに内部負荷で消費可能な電力を用いているので、余剰電力が小さいときに、スイッチング素子のスイッチングが行われる。

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、上記コンバータ回路部が、上記制御部によりスイッチング制御されるブリッジコンバータ回路と、上記ブリッジコンバータ回路の出力側に接続され、上記制御部により直並列デューティ比が制御される直並列回路とを備えてなり、上記制御部は、上記コンバータ回路部の出力電圧の可変制御にあたり、上記ブリッジコンバータ回路に対するスイッチング制御を所定の固定制御にしたまま、上記直並列回路に対する直並列デューティ比を可変制御して上記コンバータ回路部の出力電圧を可変させる一方、上記直並列デューティ比のＯＦＦデューティ期間が所定の限度値に達すると、ＯＦＦデューティ期間の伸長を制限するとともに、上記ブリッジコンバータ回路に対するスイッチング制御を可変制御に切り替える制御構成を備えたことを特徴とする。

請求項３に係るパワーコンディショナでは、直並列デューティ比のＯＦＦデューティ期間が所定の限度値（具体的には、ＯＦＦデューティ期間が１００％にならない範囲で設定される。たとえば、９５％）に達するまでは、ブリッジコンバータ回路に対するスイッチング制御は所定の固定制御（たとえば、ＯＮ／ＯＦＦデューティ比を５０：５０に固定）を維持し、直並列回路に対する直並列デューティ比を可変制御することでコンバータ回路部の出力電圧が可変させられる。そして、直並列デューティ比のＯＦＦデューティ期間が所定の限度値に達すると、それ以上のＯＦＦデューティ期間の伸長が制限され、ブリッジコンバータ回路に対するスイッチング制御が可変制御に切り替えられる。これにより、ブリッジコンバータ回路のスイッチングロスが増加することになるが、直並列デューティ比のＯＦＦデューティ期間には伸長させる余地が残る（ＯＦＦデューティ期間が１００％になるまで余裕がある）ので、直並列回路に対する直並列デューティ比を補正する補正回路（たとえば、直並列回路の直並列デューティ比を補正することにより、パワーコンディショナの入力電流リップルを抑制するリップル抑制回路など）を備えさせたときに、当該補正回路の動作を確保することができる。

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、上記内部負荷は、抵抗値が固定された電気ヒータで構成されてい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、余剰電力を消費させる内部負荷が抵抗値が固定された電気ヒータで構成されるので、余剰電力の消費に伴う電気ヒータの発熱を利用して温水を生成させることができる。したがって、コージェネレーションシステムとの組み合わせに適したパワーコンディショナを提供することができる。

本発明によれば、余剰電力が大きいときは内部負荷に電力を供給するスイッチング素子がＯＮ状態に制御され、余剰電力が小さいときにスイッチング素子のスイッチングが行われるので、内部負荷を駆動するためのスイッチング素子でのスイッチングロスが少ないパワーコンディショナを提供することができる。

また、これに伴って、大型の放熱素子や大電力用のスイッチング素子を用いることなく余剰電力の消費が行え、自立運転機能を備えたパワーコンディショナを低コストで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備え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コンバータ回路部の回路構成の一例を示す回路図である。 同パワーコンディショナにおける内部負荷の駆動回路の制御手順の一例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他の実施形態におけるコンバータ回路部の制御手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
実施形態１
図１は、本発明に係るパワーコンディショナを備え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、ＤＣリンク部６と、系統連系切替スイッチ７と、制御部８とを主要部として備えている。

また、このパワーコンディショナ１は、電力系統３との連系を切り離して（解列して）燃料電池２での発電を行う自立運転機能を備えており、自立運転機能に関連して、自立運転用コンセント９と、内部負荷１０とを備えている。

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、電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック（図示せず）と、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）および補機制御部１１を備えている。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、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コンバータで構成されている。本実施形態では、図２に示すように、このコンバータ回路部４は、ＤＣリンク部６の電圧を２００Ｖ〜４２０Ｖの範囲で可変できるように、ブリッジコンバータ回路Ａと、ブリッジコンバータ回路Ａの出力側に接続される直並列回路Ｂとで構成されている。

ここで、ブリッジコンバータ回路Ａは、電流共振型のフルブリッジコンバータで構成されており、図２に示すように、コンデンサＣ１〜Ｃ３と、ＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、昇圧トランスＴ１，Ｔ２と、ブリッジダイオードなどの整流回路ＢＤ１，ＢＤ２とを主要部として備えている。具体的には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４とがそれぞれ直列に接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３およびスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４で構成される各直列回路が入力用のコンデンサＣ１を介して図外の燃料電池スタックに並列に接続されている。

そして、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３間の接続部が昇圧トランスＴ１，Ｔ２の一次側巻線の一端にそれぞれコンデンサＣ２，Ｃ３を介して接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４間の接続部が昇圧トランスＴ１，Ｔ２の一次巻線の他端にそれぞれ接続されている。なお、このようにフルブリッジ回路を構成する各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれゲート端子（制御端子）がパワーコンディショナ１の制御部８に接続されており、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作は制御部８によって制御できるように構成されている（ブリッジコンバータ回路Ａのスイッチング制御）。

一方、昇圧トランスＴ１，Ｔ２の二次側巻線にはそれぞれ整流回路ＢＤ１，ＢＤ２が接続され、これら整流回路ＢＤ１，ＢＤ２の各出力側がそれぞれ直並列回路Ｂに接続されている。

直並列回路Ｂは、回路の直列・並列を切り替えることによってブリッジコンバータ回路Ａの出力電圧を１〜２倍の範囲で変更する回路であって、コンデンサＣ４〜Ｃ６と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、コイルＬ１と、ＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ５とを主要部として備えている。

具体的には、整流回路ＢＤ１の出力側の一端がコイルＬ１を介してＤＣリンク部（電解コンデンサ）６の一端に接続されるとともに、その他端が直並列回路Ｂの直列・並列の切替動作を行うスイッチング素子Ｑ５を介して整流回路ＢＤ２の出力側の一端に接続され、さらに、整流回路ＢＤ２の出力側の他端がＤＣリンク部６の他端に接続されている。すなわち、この直並列回路Ｂでは、スイッチング素子Ｑ５をＯＦＦにすると１倍の電圧が、スイッチング素子Ｑ５をＯＮにすると２倍の電圧が出力され、スイッチング素子Ｑ５のゲート端子（制御端子）にＰＷＭのパルス信号を与えることで、コンバータ回路部４の出力電圧を１〜２倍の範囲で調節できるように構成されている。なお、各整流回路ＢＤ１，ＢＤ２の出力側にはそれぞれコンデンサＣ４，Ｃ５とダイオードＤ１，Ｄ２が並列に接続されている。また、直並列回路Ｂの出力側には出力用のコンデンサＣ６が備えられている。

そして、本実施形態に示すパワーコンディショナ１では、制御部８は、図示しないリップル抑制回路を介して直並列回路Ｂのスイッチング素子Ｑ５にＰＷＭのパルス信号を与えて、直並列回路Ｂの動作を制御するように構成されている。

リップル抑制回路は、コンバータ回路部４の入力電流のリップル（リップル電流）を監視して、リップル電流が小さくなるように直並列回路Ｂのスイッチング素子Ｑ５に与えるパルス信号のデューティ比（直並列デューティ比）を補正する回路であって、制御部８で設定される直並列デューティ比を一定範囲（たとえば、±５％の範囲）で補正するように構成されている。

そして、コンバータ回路部４の出力電圧の制御にあたり、制御部８は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチングロスが少なくなるように、あらかじめ設定された所定のタイミングで各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をスイッチングさせるように構成されている。すなわち、このパワーコンディショナ１では、入力電圧が変化しても、制御部８は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に与えるパルス信号のデューティ比を変化させることなく固定してスイッチングさせるように構成されている。

そして、パワーコンディショナ１への入力電圧が変化した場合には、制御部８は、直並列回路Ｂのスイッチング素子Ｑ５のゲート端子に与えるパルス信号の直並列デューティ比を変化させて、ＤＣリンク部６の電圧を制御する（直並列デューティ比制御を行う）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に変換するＤＣ／ＡＣインバータで構成されている。本実施形態では、インバータ回路部５は、スイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９と、還流ダイオードＤ３〜Ｄ６と、コイルＬ２，Ｌ３で構成される周知の定電圧型のインバータ回路で構成されており、このインバータ回路部５に備えられた各スイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９も制御部８により制御されるようになっている。

ＤＣリンク部６は、コンバータ回路部４とインバータ回路部５の間に備えられた電解コンデンサであって、コンバータ回路部４から出力される直流電圧は、このＤＣリンク部６を介してインバータ回路部５に印加されるように構成されている。

系統連系切替スイッチ７は、燃料電池２で発電された電力を電力系統３に連系させるためのスイッチであって、系統連系時にはこのスイッチ７の接点がインバータ回路部５側に接続されることにより、燃料電池２で発電された電力が電力系統３と連系されるようになっている。そして、電力系統３の解列時にはこのスイッチ７の接点が整流回路部１２側に接続され、電力系統３からの電力が整流回路部１２に供給できるようになっている。なお、この系統連系切替スイッチ７の接点は制御部８によって制御される。

整流回路部１２は、系統連系切替スイッチ７を介して電力系統３から供給される交流電力を直流電力に変換するための整流回路で構成されている。この整流回路部１２として、本実施形態ではブリッジダイオード回路が用いられており、このブリッジダイオード回路で整流された直流電力がインバータ回路部５の入力側に供給されるように構成されている。なお、この整流回路部１２は、燃料電池２が発電を行っていないときに制御部８や補機および補機制御部１１に電力系統３側からの電力を供給するために備えられている。

制御部８は、パワーコンディショナ１の各部（具体的には、コンバータ回路部４やインバータ回路部５など）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。そして、この制御部８は、パワーコンディショナ１の制御に関連して、燃料電池２からの入力電流を検出する入力電流センサ１３、燃料電池２からの入力電圧を検出する入力電圧センサ１４、インバータ回路部５からの出力電流を検出する出力電流センサ１５、系統連系時におけるインバータ回路部５の出力電圧を検出する出力電圧センサ１６および自立運転時におけるインバータ回路部５の出力電圧を検出する自立運転出力電圧センサ１７を備えており、これらセンサ類で検出される電流値や電圧値を監視できるように構成されている。

自立運転用コンセント９は、パワーコンディショナ１の自立運転時に燃料電池２で発電された電力を図示しない外部の電気負荷（自立負荷）に供給するためのコンセントであって、系統連系切替スイッチ７の上流側においてインバータ回路部５の出力側と接続され、自立運転に伴って系統連系切替スイッチ７が解列されているときに、インバータ回路部５から出力される交流電力が自立運転用コンセント９に接続された自立負荷に供給されるように構成されている。

内部負荷１０は、自立運転時に自立負荷で消費しきれない余剰電力を消費させるための電気負荷であって、本実施形態では、この内部負荷１０は抵抗値が固定された電気ヒータ（たとえば、抵抗値が１５０Ωの電気ヒータ）で構成される。この内部負荷１０は、図１に示すように、制御部８からの制御信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御される２個のスイッチング素子（図示例ではＦＥＴ）Ｑ１０，Ｑ１１と直列に接続されており、この直列回路が上記ＤＣリンク部６に並列に接続されている。

ここで、スイッチング素子Ｑ１０、Ｑ１１は内部負荷１０の駆動回路を構成する素子であって、スイッチング素子Ｑ１０のＯＮ／ＯＦＦによって内部負荷１０への通電のＯＮ／ＯＦＦが制御されるようになっている（詳細は後述する）。一方、スイッチング素子Ｑ１１は、スイッチング素子Ｑ１０の故障検出用に備えられた素子であり、このスイッチング素子Ｑ１１は常時ＯＮ状態に制御されている。なお、図示例では、内部負荷１０の駆動回路を内部負荷１０、スイッチング素子Ｑ１０，Ｑ１１の順で接続して構成しているが、スイッチング素子Ｑ１０を介して内部負荷１０への通電制御が行われる構成であれば、接続順は適宜変更可能である。

次に、このように構成されたパワーコンディショナ１において、余剰電力を内部負荷１０で消費させるための制御を図３に基づいて説明する。

（１）制御部８は、自立運転の開始時に、燃料電池２の発電電力と自立負荷での消費電力を測定して、内部負荷１０で消費させる電力（余剰電力）を算出する。

すなわち、自立運転を開始すると、制御部８は、まず、燃料電池２の発電電力Ｐ１を測定する（図３ステップＳ１参照）。発電電力Ｐ１の測定は、入力電流センサ１３で検出される入力電流と入力電圧センサ１４で検出される入力電圧とを乗算して制御部８が算出する。

そして、発電電力Ｐ１の測定が完了すると、次に、制御部８は、自立負荷での消費電力Ｐ２を測定する（図３ステップＳ２参照）。自立負荷での消費電力Ｐ２の測定は、出力電流センサ１５で検出される出力電流と自立運転出力電圧センサ１７で検出される出力電圧とを乗算して制御部８が演算する。なお、燃料電池２の発電電力Ｐ１の測定と自立負荷での消費電力Ｐ２の測定は、いずれを先に行ってもよい。

このようにして、燃料電池２の発電電力Ｐ１と自立負荷での消費電力Ｐ２とが測定されると、次に制御部８は、これらの測定結果から内部負荷１０で消費させる余剰電力Ｐ３を測定する。この余剰電力Ｐ３の測定は、燃料電池２の発電電力Ｐ１から自立負荷での消費電力Ｐ２を減算することによって行われる（図３ステップＳ３参照）。

（２）そして、内部負荷１０で消費させる余剰電力Ｐ３の測定が完了すると、次に、制御部８は、余剰電力Ｐ３があらかじめ制御部８に記憶された所定電力Ｐ４以上であるか否かを判断する（図３ステップＳ４参照）。

ここで、所定電力Ｐ４について説明する。この所定電力Ｐ４は、後述するように、内部負荷１０で余剰電力Ｐ３を消費させるにあたり、スイッチング素子Ｑ１０をＯＮ状態に制御するか、スイッチング動作させるかの判断基準となる電力値であり、本実施形態では、この所定電力Ｐ４は、コンバータ回路部４の出力電圧を、自立運転用コンセント９から所定電圧の交流電力を出力させるのに必要な出力電圧としたときに、内部負荷１０で消費可能な電力値に基づいて設定される。

具体的には、自立運転用コンセント９から１００Ｖの交流電力を出力させるためにコンバータ回路部４の出力電圧（ＤＣリンク部６の電圧）として２００Ｖが必要である場合において、内部負荷１０の抵抗値が１５０Ωであれば、このときに、内部負荷１０で消費できる電力は、２００×２００÷１５０≒２６６Ｗとなるので、本実施形態では、この２６６Ｗを所定電力Ｐ４としている。

そして、余剰電力Ｐ３が所定電力Ｐ４以上である場合には、制御部８は、スイッチング素子Ｑ１０をＯＮ状態（常時ＯＮの状態）に制御するとともに、コンバータ回路部４の出力電圧を可変制御してＤＣリンク部６の電圧を変化させ、余剰電力Ｐ３が内部負荷１０で消費されるようにする（図３ステップＳ５参照）。

すなわち、たとえば、燃料電池２の最大出力が７００Ｗである場合、ＤＣリンク部６の電圧が３２４Ｖでスイッチング素子Ｑ１０を常時ＯＮにすると、内部負荷１０で消費される電力は、３２４×３２４÷１５０≒７００Ｗとなるので、制御部８は、余剰電力Ｐ３のすべてが内部負荷１０で消費されるように、コンバータ回路部４の出力電圧（ＤＣリンク部６の電圧）を２００Ｖ〜３２４Ｖの範囲で可変させる制御を行う。

これに対して、余剰電力Ｐ３が所定電力Ｐ４未満である場合、制御部８は、コンバータ回路部４の出力電圧を一定に制御してＤＣリンク部６の電圧を固定するとともに、スイッチング素子Ｑ１０のＯＮ／ＯＦＦデューティ比を制御して内部負荷１０で余剰電力を消費させる（図３ステップＳ６参照）。

すなわち、この場合、制御部８は２００Ｖの電圧でスイッチング素子Ｑ１０をスイッチングさせてパルス電圧を内部負荷１０に印加することにより、余剰電力Ｐ３のすべてが内部負荷１０で消費されるようにする。なお、この場合、スイッチング素子Ｑ１０ではスイッチングに伴うスイッチングロスが発生するが、スイッチング素子Ｑ１０の電流量は小さくスイッチングロスも小さいため、電力損失はほとんど問題にはならない。

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、余剰電力Ｐ３を内部負荷１０で消費させるにあたり、余剰電力Ｐ３が大きいときは内部負荷１０に電力を供給するスイッチング素子Ｑ１０がＯＮ状態に制御されスイッチングロスが抑制される一方、余剰電力Ｐ３が小さくスイッチングロスが問題とならないときにスイッチング素子Ｑ１０によるスイッチングが行われるので、スイッチングロスの少ないパワーコンディショナを提供することができる。そのため、大型の放熱素子や大電力用のスイッチング素子を用いることなく余剰電力Ｐ３の消費を行え、低コストで自立運転機能を備えたパワーコンディショナを提供することができる。

実施形態２
次に、本発明に係るパワーコンディショナ１の他の実施形態を図４に基づいて説明する。

この実施形態２に係るパワーコンディショナ１は、上述した実施形態１に係るパワーコンディショナ１のコンバータ回路部４の制御構成を一部改変したものであって、その他の回路構成などは実施形態１と共通する。したがって、構成が共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に示すパワーコンディショナ１では、直並列回路Ｂのスイッチング素子Ｑ５に与えられるパルス信号は、上述したように、リップル抑制回路によりデューティ比が補正されることがあるため、この制御との関連で、制御部８は以下のような制御を行うように改変されている。

すなわち、たとえば、パワーコンディショナ１に対する入力電圧が、コンバータ回路部４の設計値（回路設計上想定した最大電圧）以上となった場合、直並列回路Ｂのスイッチング素子Ｑ５のＯＦＦデューティが１００％となって、直並列回路Ｂがフル並列（常時並列）の状態になる。このようなフル並列の状態を許容すると、リップル抑制回路による直並列デューティ比の補正ができなくなるので、本実施形態に示すパワーコンディショナ１では、リップル抑制回路によるパルス信号の補正範囲を確保するために、制御部８は、直並列回路Ｂの直並列デューティ比を設定する際に、直並列回路Ｂがフル並列状態にならない範囲で、直並列回路Ｂの直並列デューティ比に限度値を設定し、この限度値を超えてＯＦＦデューティ期間が伸長されないように構成されている。

具体的には、たとえば、リップル抑制回路による直並列デューティ比の補正範囲が±５％である場合、少なくとも５％の補正範囲が確保できるように、制御部８は、直並列デューティのＯＦＦデューティ期間が９５％を超えないように限度値を設定する。

そのため、本実施形態に示すパワーコンディショナ１では、余剰電力Ｐ３を内部負荷１０で消費させるにあたって、コンバータ回路部４の出力電圧を可変制御するとき（図４ステップＳ１参照）には、制御部８は、直並列デューティのＯＦＦデューティ期間が９５％以上になるか否かを判断し（図４ステップＳ２参照）、９５％以上になるときには、ＯＦＦデューティ期間を限度値である９５％に制限して（図４ステップＳ３参照）、ブリッジコンバータ回路Ａのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対するスイッチング制御を固定制御から可変制御に変更する（図４ステップＳ４参照）。

一方、図４ステップＳ２の判断において、直並列回路ＢのＯＦＦデューティ期間が上記限度値未満であれば、ブリッジコンバータ回路Ａのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対する可変制御は停止して固定制御とする（図４ステップＳ４参照）。

このように、本実施形態に係るパワーコンディショナ１では、直並列回路Ｂの直並列デューティ比のＯＦＦデューティ期間が所定の限度値に達すると、ＯＦＦデューティ期間の伸長が制限され、ブリッジコンバータ回路に対するスイッチング制御が可変制御に切り替えられるので、リップル抑制回路の動作を確保することができる。

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、余剰電力Ｐ３の測定を、燃料電池２の発電電力Ｐ１から自立負荷での消費電力Ｐ２を減算することによって行う場合を示したが、自立運転時には、補機および補機制御部１１においてもわずかに電力消費Ｐ５がある。たとえば、この消費電力Ｐ５は、直流２４Ｖ×１Ａ＝２４Ｗ程度である。そのため、余剰電力Ｐ３の演算においては、この補機および補機制御部１１の消費電力Ｐ５も燃料電池２の発電電力Ｐ１から減算するように構成することができる。その場合、この消費電力Ｐ５としては、あらかじめ実験によって求めた値を制御部８に記憶させておくか、あるいは、この消費電力Ｐ５の測定手段をパワーコンディショナ１に備えさせ、自立運転時にはこの測定手段で消費電力Ｐ５を測定するように構成することができる。

また、上述した実施形態では、コンバータ回路部４において直並列回路Ｂと組み合わされるコンバータとしてフルブリッジコンバータ回路を用いた場合を示したが、ここで使用するコンバータはハーフブリッジコンバータ回路であってもよい。また、上述した実施形態では電流共振型のブリッジコンバータ回路を示したが、電圧共振型のコンバータ回路を用いてもよい。

また、上述した実施形態では、コンバータ回路部４やインバータ回路部５に備えられるスイッチング素子としてＦＥＴを用いた場合を示したが、スイッチング素子としてはＩＧＢＴなどの他のスイッチング素子を用いることも可能である。また同様に、整流回路ＢＤ１，ＢＤ２としてブリッジダイオードを用いた場合を示したが、他の整流素子や整流回路を用いることも勿論可能である。

また、上述した実施形態では、本発明に係るパワーコンディショナ１を燃料電池発電システムに使用する場合を示したが、燃料電池２で発生する排熱を利用して温水を生成するコージェネレーションシステムに本発明に係るパワーコンディショナ１を適用することも可能である。その場合、内部負荷１０を構成する電気ヒータはコージェネレーションシステムにおいて温水を貯湯するタンク内の湯水の加熱用として利用することができる。

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 ＤＣリンク部
７ 系統連系切替スイッチ
８ 制御部
９ 自立運転用コンセント
１０ 内部負荷
１２ 整流回路部
Ｑ１０ 内部負荷用のスイッチング素子
Ａ ブリッジコンバータ回路
Ｂ 直並列回路

Claims (4)

1. 燃料電池で発電された直流電力の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で昇圧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インバータ回路部と、前記コンバータ回路部と前記インバータ回路部とを接続するＤＣリンク部と、前記コンバータ回路部および前記インバータ回路部を制御する制御部とを備えてなり、
   前記電力系統との連系を切り離して燃料電池での発電を行う自立運転機能を備え、自立運転時に燃料電池で発電された電力を前記インバータ回路部から電力供給を受ける自立運転用コンセントに接続された自立負荷で消費させるように構成されるとともに、前記ＤＣリンク部にスイッチング素子を介して前記自立負荷で消費しきれない余剰電力を消費させるための内部負荷が接続されたパワーコンディショナにおいて、
   前記制御部は、余剰電力が所定電力以上である場合には、前記スイッチング素子をＯＮ状態に制御するとともに、前記コンバータ回路部の出力電圧を可変制御して前記ＤＣリンク部の電圧を変化させながら内部負荷で余剰電力を消費させる一方、余剰電力が前記所定電力未満である場合には、前記コンバータ回路部の出力電圧を一定に制御して前記ＤＣリンク部の電圧を固定するとともに、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦデューティ比を制御して前記内部負荷で余剰電力を消費させ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. 前記所定電力は、前記コンバータ回路部の出力電圧を、前記自立運転用コンセントから所定電圧の交流電力を出力させるのに必要な出力電圧としたときに、前記内部負荷で消費可能な電力値に基づいて設定され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. 前記コンバータ回路部が、前記制御部によりスイッチング制御されるブリッジコンバータ回路と、前記ブリッジコンバータ回路の出力側に接続され、前記制御部により直並列デューティ比が制御される直並列回路とを備えてなり、
   前記制御部は、前記コンバータ回路部の出力電圧の可変制御にあたり、前記ブリッジコンバータ回路に対するスイッチング制御を所定の固定制御にしたまま、前記直並列回路に対する直並列デューティ比を可変制御して前記コンバータ回路部の出力電圧を可変させる一方、前記直並列デューティ比のＯＦＦデューティ期間が所定の限度値に達すると、ＯＦＦデューティ期間の伸長を制限するとともに、上記ブリッジコンバータ回路に対するスイッチング制御を可変制御に切り替える制御構成を備えた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. 前記内部負荷は、抵抗値が固定された電気ヒータで構成されてい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。

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