JP2016046982A - Power generation device - Google Patents

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若山  義洋
達真 楢木
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達真 楢木
泰徳 伊美
Yasunori Imi
泰徳 伊美
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation device capable of activating a fuel battery properly even in the event of a power system outage.SOLUTION: A power generation device comprises: a fuel battery 1; an auxiliary device 5 thereof; and a power conditioner 2. In the power generation device, a DC load of the auxiliary device accepts power supply from a DC link part 9 of the power conditioner. The power conditioner has connection terminals 20 for connecting a storage battery 4, and a step-up circuit part 12 for raising an input voltage to the terminals 20; DC power raised in voltage by the step-up circuit part 12 is supplied to the DC link part 9. The power generation device further comprises a power source line 21 for connecting between an output side of an inverter circuit part 8 and an AC load of the auxiliary device 5. When activating the fuel battery 1 during the outage of a power system 3, the storage battery 4 is connected to the connection terminals 20; DC power is supplied from the DC link part 9 to the DC load; AC power from the inverter circuit part is supplied to the AC load of the auxiliary device 5.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は発電装置に関し、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を備えた発電装置に関する。   The present invention relates to a power generation device, and more particularly to a power generation device including a power conditioner that converts DC power generated by a fuel cell into AC power that can be connected to a power system.

この種の発電装置では、燃料電池の補機を動作させる電源として、燃料電池の発電中は該燃料電池で発電された電力を用いているが、燃料電池の起動時には、電力系統から供給される交流電力を用いている(たとえば、特許文献1参照)。   In this type of power generation device, power generated by the fuel cell is used during power generation of the fuel cell as a power source for operating the auxiliary device of the fuel cell, but is supplied from the power system when the fuel cell is started. AC power is used (see, for example, Patent Document 1).

しかし、このような構成では、電力系統の停電時には燃料電池を起動することができないことになるため、最近では、パワーコンディショナに直流電源(バッテリ)接続用の接続端子を設け、この接続端子に接続される直流電源から得た直流電力を補機の駆動電源として用いるように構成したものが提案されている。   However, in such a configuration, the fuel cell cannot be started in the event of a power system power failure. Recently, a connection terminal for connecting a DC power source (battery) is provided in the power conditioner, and this connection terminal is provided with this connection terminal. There has been proposed a configuration in which DC power obtained from a connected DC power source is used as a driving power source for an auxiliary machine.

特開2011−97727号公報JP 2011-97727 A

しかしながら、このような従来の発電装置には以下のような問題があり、その改善が望まれていた。   However, such a conventional power generation apparatus has the following problems, and improvements have been desired.

すなわち、燃料電池の補機のなかには交流電力で動作する交流負荷(たとえば、イグナイタ)が含まれている。そのため、バッテリから直流電源を得る構成だけでは、補機の交流負荷を動作させることができず、電力系統の停電時に燃料電池を正常に起動させることができなかった。   That is, an AC load (for example, an igniter) that operates with AC power is included in the auxiliary equipment of the fuel cell. For this reason, the AC load of the auxiliary machine cannot be operated only with the configuration in which the DC power source is obtained from the battery, and the fuel cell cannot be normally started at the time of power failure of the power system.

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、電力系統の停電時においても燃料電池を正常に起動することができる発電装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a power generator that can normally start a fuel cell even in the event of a power failure in the power system. There is.

上記目的を達成するため、本発明の請求項1に記載の発電装置は、燃料電池と、上記燃料電池の補機と、上記燃料電池で発電された電力を電力系統に系統連系させるパワーコンディショナとを備えてなり、上記補機は、電気負荷として直流負荷と交流負荷とを備え、上記パワーコンディショナは、上記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を接続するDCリンク部と、上記パワーコンディショナ各部を制御する制御部とを備えた発電装置において、上記パワーコンディショナは、蓄電池を接続するための接続端子と、上記接続端子から入力される直流電圧を昇圧して上記DCリンク部に直流電力を供給する昇圧回路部と、上記DCリンク部から電力供給されて上記補機の直流負荷に直流電力を供給する直流電源部と、上記昇圧回路部への入力電圧を検出する入力電圧検出手段とを備えるとともに、上記インバータ回路部の出力側と上記補機の交流負荷とを接続する電源線を備え、上記制御部は、上記入力電圧検出手段で検出される入力電圧を監視し、所定電圧以上の入力電圧が検出されたときには、上記DCリンク部の電圧が、上記インバータ回路部において上記交流負荷の動作電力を出力するのに必要な電圧になるように、上記昇圧回路部の昇圧動作を制御するとともに、上記インバータ回路部を動作させて、上記インバータ回路部から出力される交流電力を上記電源線に供給する制御構成を備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a power generator according to claim 1 of the present invention includes a fuel cell, an auxiliary device for the fuel cell, and a power condition for connecting the power generated by the fuel cell to a power system. The auxiliary machine includes a DC load and an AC load as electrical loads, and the power conditioner boosts the voltage of the DC power generated by the fuel cell, and An inverter circuit unit that converts DC power boosted by the converter circuit unit into AC power that can be linked to a power system, a DC link unit that connects the converter circuit unit and the inverter circuit unit, and each unit of the power conditioner In the power generator including the control unit to control, the power conditioner includes a connection terminal for connecting a storage battery, and a direct current input from the connection terminal. A step-up circuit for boosting pressure and supplying DC power to the DC link unit; a DC power supply unit for supplying DC power to the DC load of the auxiliary machine by supplying power from the DC link unit; and the boost circuit unit And an input voltage detecting means for detecting an input voltage to the inverter circuit section, and a power line connecting the output side of the inverter circuit section and the AC load of the auxiliary machine. The control section is the input voltage detecting means. The detected input voltage is monitored, and when an input voltage equal to or higher than a predetermined voltage is detected, the voltage of the DC link unit becomes a voltage necessary for outputting the operating power of the AC load in the inverter circuit unit. As described above, the control structure for controlling the boosting operation of the boosting circuit unit and operating the inverter circuit unit to supply the AC power output from the inverter circuit unit to the power supply line. Characterized by comprising a.

請求項1に係る発電装置では、パワーコンディショナの接続端子に蓄電池が接続されると、パワーコンディショナの制御部は、入力電圧検出手段による入力電圧の監視を通じて蓄電池の接続を検出する。そして、蓄電池の接続を検出すると、パワーコンディショナの制御部は、DCリンク部の電圧が所定の電圧(インバータ回路部において交流負荷の動作電力を出力するのに必要な電圧)となるように昇圧回路の昇圧動作を制御するとともに、インバータ回路部を動作させて、インバータ回路部から出力される交流電力を電源線を通じて補機の交流負荷に供給する。これにより、補機の交流負荷に動作用の交流電力が供給される。一方、補機の直流負荷については、直流電源部から直流電力が供給される。このように、請求項1に係る発電装置では、電力系統の停電時であっても、蓄電池を接続することによって、燃料電池の補機の直流負荷と交流負荷に、蓄電池から動作用の電力が供給され、燃料電池が起動可能な状態となる。   In the power generator according to claim 1, when the storage battery is connected to the connection terminal of the power conditioner, the control unit of the power conditioner detects the connection of the storage battery through the monitoring of the input voltage by the input voltage detection means. When the connection of the storage battery is detected, the control unit of the power conditioner boosts the voltage of the DC link unit so that the voltage of the DC link unit becomes a predetermined voltage (voltage necessary for outputting the operating power of the AC load in the inverter circuit unit). While controlling the step-up operation of the circuit, the inverter circuit unit is operated to supply the AC power output from the inverter circuit unit to the AC load of the auxiliary machine through the power line. Thereby, the AC power for operation is supplied to the AC load of the auxiliary machine. On the other hand, with respect to the DC load of the auxiliary machine, DC power is supplied from the DC power supply unit. Thus, in the power generator according to claim 1, even when the power system is out of power, by connecting the storage battery, the power for operation is supplied from the storage battery to the direct current load and the alternating current load of the auxiliary equipment of the fuel cell. Then, the fuel cell can be activated.

本発明の請求項2に記載の発電装置は、請求項1に記載の発電装置において、上記電源線には、上記電力系統の停電時に、上記燃料電池で発電された電力を出力する端子を備えた自立出力部が接続されていることを特徴とする。   The power generator according to claim 2 of the present invention is the power generator according to claim 1, wherein the power line includes a terminal for outputting the power generated by the fuel cell in the event of a power failure of the power system. A self-supporting output unit is connected.

請求項2に係る発電装置では、インバータ回路部の出力側と補機の交流負荷とを接続する電源線に自立出力部が接続されるので、電力系統の停電時に、燃料電池で発電された電力を外部の電気負荷に供給することができる。   In the power generator according to claim 2, since the self-sustained output unit is connected to the power line connecting the output side of the inverter circuit unit and the AC load of the auxiliary machine, the power generated by the fuel cell at the time of power failure of the power system Can be supplied to an external electrical load.

本発明の請求項3に記載の発電装置は、請求項2に記載の発電装置において、上記電源線は、上記自立出力部との接続部よりも上記補機の交流負荷側に、上記制御部によって開閉制御可能なスイッチ手段を備えていることを特徴とする。   The power generator according to claim 3 of the present invention is the power generator according to claim 2, wherein the power line is located closer to the AC load side of the auxiliary device than the connection with the self-supporting output unit. It is characterized by comprising switch means that can be controlled to open and close.

請求項3に係る発電装置では、インバータ回路部の出力側と補機の交流負荷とを接続する電源線において、自立出力部との接続部よりも補機の交流負荷側に、制御部によって開閉制御可能なスイッチ手段が備えられているので、このスイッチ手段を開放状態とすることにより、補機の交流負荷への電力供給を停止することができる。そのため、蓄電池からの電力を自立出力部に供給することができる。   In the power generator according to claim 3, in the power line connecting the output side of the inverter circuit unit and the AC load of the auxiliary machine, the control unit opens and closes the AC load side of the auxiliary machine rather than the connection part with the self-supporting output unit. Since controllable switch means is provided, the power supply to the AC load of the auxiliary machine can be stopped by opening the switch means. Therefore, the electric power from a storage battery can be supplied to an independent output part.

本発明の請求項4に記載の発電装置は、請求項1から3のいずれかに記載の発電装置において、上記交流負荷は、交流電力で動作する点火装置であることを特徴とする。   A power generator according to claim 4 of the present invention is the power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the AC load is an ignition device that operates with AC power.

本発明によれば、パワーコンディショナの接続端子に蓄電池を接続することにより、蓄電池から供給される直流電力が昇圧回路部で昇圧されてDCリンク部に供給され、DCリンク部から、補機の直流負荷には直流電源部経由で直流電力が、補機の交流負荷にはインバータ回路部経由で交流電力がそれぞれ供給されるので、電力系統が停電しているときでも燃料電池(燃料電池の補機)を正常に起動させることができる。   According to the present invention, by connecting the storage battery to the connection terminal of the power conditioner, the DC power supplied from the storage battery is boosted by the boosting circuit unit and supplied to the DC link unit. DC power is supplied to the DC load via the DC power supply, and AC power is supplied to the AC load of the auxiliary machine via the inverter circuit. Therefore, even when the power system is out of power, the fuel cell (supplement of the fuel cell) is supplied. Machine) can be started normally.

また、本発明では、インバータ回路部の出力側と補機の交流負荷とを接続する電源線に自立出力部が接続されるので、電力系統の停電時に、自立出力部から外部の電気負荷に交流電力を供給することができる。   In the present invention, since the self-supporting output unit is connected to the power line connecting the output side of the inverter circuit unit and the AC load of the auxiliary machine, an AC power is supplied from the self-supporting output unit to the external electric load in the event of a power failure. Electric power can be supplied.

本発明に係る発電装置の概略構成を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows schematic structure of the electric power generating apparatus which concerns on this invention. 同発電装置のパワーコンディショナにおける昇圧回路部と制御基板の概略構成を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows schematic structure of the pressure | voltage rise circuit part and control board in the power conditioner of the power generator.

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、本発明に係る発電装置の概略構成を示している。この図1に示す発電装置は、燃料電池1と、燃料電池1で発電された電力を電力系統3に系統連系させるパワーコンディショナ2とを主要部として構成されており、特に、本実施形態に示す発電装置では、電力系統3の停電時に、蓄電池4を用いて燃料電池1を起動できる構成を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a power generator according to the present invention. The power generation apparatus shown in FIG. 1 is mainly composed of a fuel cell 1 and a power conditioner 2 that interconnects the power generated by the fuel cell 1 to the power system 3. The power generator shown in FIG. 2 has a configuration that can start the fuel cell 1 using the storage battery 4 at the time of a power failure of the power system 3.

燃料電池1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、燃料電池スタックを動作させるための周辺機器である補機5と、補機5の制御部などを搭載した補機制御基板6とを主要部として構成されている。なお、本実施形態では、燃料電池1として、固体酸化物型燃料電池(SOFC)が用いられるが、固体高分子型燃料電池(PEFC)など他の形式の燃料電池を用いてもよい。   As is well known, the fuel cell 1 is a power generator that extracts, as DC power, electrical energy obtained by an electrochemical reaction between hydrogen (hydrogen-rich gas) and oxygen (air), and is a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction ( (Not shown), an auxiliary machine 5 which is a peripheral device for operating the fuel cell stack, and an auxiliary machine control board 6 on which a control unit of the auxiliary machine 5 is mounted are mainly configured. In this embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) is used as the fuel cell 1, but other types of fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) may be used.

ここで、補機5には、図示しないが、直流電力で動作する直流負荷と、交流電力で動作する交流負荷とが含まれている。具体的には、補機5の直流負荷としては、たとえば、燃料電池スタックに供給する空気を昇圧する空気ブロワ、燃料改質器に供給する原燃料(都市ガスやLPガスなど)を昇圧する燃料昇圧ブロワ、燃料改質器に改質用水蒸気生成用の水を供給する改質水ポンプ、燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水ポンプなどが含まれており、これらの直流負荷は、たとえば、DC24Vで動作するように構成されている。また、補機5の交流負荷としては、燃料電池スタックから排出される排ガス(オフガス)を燃焼させる燃焼器の点火装置(たとえば、イグナイタ)が含まれており、この点火装置は、たとえば、AC100Vで動作するように構成されている。   Here, although not illustrated, the auxiliary machine 5 includes a DC load that operates with DC power and an AC load that operates with AC power. Specifically, as the DC load of the auxiliary machine 5, for example, an air blower that boosts the air supplied to the fuel cell stack, and a fuel that boosts the raw fuel (city gas, LP gas, etc.) supplied to the fuel reformer A booster blower, a reforming water pump that supplies water for generating steam for reforming to the fuel reformer, a cooling water pump that supplies cooling water to the fuel cell stack, etc. are included. , Configured to operate at DC 24V. Further, the AC load of the auxiliary machine 5 includes a combustor ignition device (for example, an igniter) that combusts exhaust gas (off gas) discharged from the fuel cell stack. It is configured to work.

補機制御基板6は、補機5の動作制御を行う補機制御部(図示せず)を備えた電装基板で構成されている。補機制御基板6に搭載される補機制御部は、制御中枢としてマイコンを備えており、このマイコンがパワーコンディショナ2の制御部15(図2参照)と通信可能に構成され、制御部15と通信を行いながら補機5の動作を制御するように構成されている。   The auxiliary machine control board 6 is composed of an electrical board provided with an auxiliary machine control unit (not shown) that controls the operation of the auxiliary machine 5. The auxiliary machine control unit mounted on the auxiliary machine control board 6 includes a microcomputer as a control center. The microcomputer is configured to be able to communicate with the control unit 15 (see FIG. 2) of the power conditioner 2. The operation of the auxiliary machine 5 is controlled while communicating with each other.

パワーコンディショナ2は、燃料電池1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(たとえば、単相3線式AC100V/200V)に変換する電力変換装置であって、コンバータ回路部7と、インバータ回路部8と、DCリンク部9と、系統連系スイッチ10と、整流回路部11と、昇圧回路部12と、制御基板13と、自立出力部14とを主要部として備えている。   The power conditioner 2 is a power converter that converts DC power generated by the fuel cell 1 into AC power (for example, single-phase three-wire AC100V / 200V) that can be connected to the power system 3, and is a converter circuit. The main unit includes a unit 7, an inverter circuit unit 8, a DC link unit 9, a grid interconnection switch 10, a rectifier circuit unit 11, a booster circuit unit 12, a control board 13, and a self-supporting output unit 14. ing.

具体的には、コンバータ回路部7は、燃料電池1で発電された直流電力の電圧を昇圧するDC/DCコンバータ回路(図示せず)を備えている。また、インバータ回路部8は、コンバータ回路部7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インバータ回路(図示せず)を備えている。そして、コンバータ回路部7とインバータ回路部8との間には、DCリンク用のコンデンサが並列に接続されており、このコンデンサによって、コンバータ回路部7とインバータ回路部8とを接続するDCリンク部9が形成されている。なお、コンバータ回路部7およびインバータ回路部8の出力電圧は、いずれも制御部15によって制御される。   Specifically, the converter circuit unit 7 includes a DC / DC converter circuit (not shown) that boosts the voltage of the DC power generated by the fuel cell 1. The inverter circuit unit 8 includes a DC / AC inverter circuit (not shown) that converts the DC power boosted by the converter circuit unit 7 into AC power that can be linked to the power system 3. A DC link capacitor is connected in parallel between the converter circuit unit 7 and the inverter circuit unit 8, and the DC link unit that connects the converter circuit unit 7 and the inverter circuit unit 8 with this capacitor. 9 is formed. Note that the output voltages of the converter circuit unit 7 and the inverter circuit unit 8 are both controlled by the control unit 15.

系統連系スイッチ10は、パワーコンディショナ2と電力系統3の連系/解列の切り替えを行うスイッチ回路で構成されている。本実施形態では、この系統連系スイッチ10は、電力系統3との連系/解列の切り替えと併せて、電力系統3と整流回路部11との接続/切断の切り替えを行うように構成されている。具体的には、系統連系スイッチ10は、接点中立を含む2接点式スイッチで構成されており、パワーコンディショナ2を電力系統3に連系させるときは、スイッチ接点をインバータ回路部8の出力側に接続し、パワーコンディショナ2を電力系統3から解列させるときは、スイッチ接点を整流回路部11側に接続するようになっている。なお、この系統連系スイッチ10の接点は制御部15によって制御可能とされている。   The grid connection switch 10 includes a switch circuit that switches between connection / disconnection of the power conditioner 2 and the power system 3. In the present embodiment, the grid connection switch 10 is configured to switch connection / disconnection between the power system 3 and the rectifier circuit unit 11 in conjunction with switching of connection / disconnection with the power system 3. ing. Specifically, the grid connection switch 10 is composed of a two-contact type switch including a contact neutrality. When the power conditioner 2 is linked to the power system 3, the switch contact is an output of the inverter circuit unit 8. When the power conditioner 2 is disconnected from the power system 3, the switch contact is connected to the rectifier circuit unit 11 side. The contact of the grid connection switch 10 can be controlled by the control unit 15.

整流回路部11は、電力系統3から供給される交流電力を直流電力に変換してDCリンク部9に供給するための整流回路であって、本実施形態では、ダイオードブリッジ回路で構成されている。   The rectifier circuit unit 11 is a rectifier circuit for converting AC power supplied from the power system 3 into DC power and supplying the DC power to the DC link unit 9, and in this embodiment, is constituted by a diode bridge circuit. .

昇圧回路部12は、図2に示すように、蓄電池4から供給される直流電力の電圧を昇圧してDCリンク部9に供給する昇圧回路(DC/DCコンバータ回路)17を備えて構成されている。具体的には、この昇圧回路部12には、蓄電池4を着脱自在に接続するための接続端子20が備えられており、この接続端子20を介して蓄電池4から供給される直流電圧が昇圧回路17に入力されるようになっている。そして、接続端子20と昇圧回路17との間には、昇圧回路部12(昇圧回路17)への入力電圧を検出する入力電圧センサ(入力電圧検出手段)18が備えられており、この入力電圧センサ18の検出結果が信号線19を介して制御部15に入力されるようになっている。   As shown in FIG. 2, the booster circuit unit 12 includes a booster circuit (DC / DC converter circuit) 17 that boosts the voltage of the DC power supplied from the storage battery 4 and supplies the boosted voltage to the DC link unit 9. Yes. Specifically, the booster circuit unit 12 is provided with a connection terminal 20 for detachably connecting the storage battery 4, and a DC voltage supplied from the storage battery 4 via the connection terminal 20 is a booster circuit. 17 is input. Between the connection terminal 20 and the booster circuit 17, an input voltage sensor (input voltage detection means) 18 for detecting an input voltage to the booster circuit unit 12 (boost circuit 17) is provided. The detection result of the sensor 18 is input to the control unit 15 via the signal line 19.

制御基板13は、図2に示すように、パワーコンディショナ2の各部の動作を制御する制御部15と、補機制御基板6に対して直流電力を供給する直流電源部16とを備えた電装基板で構成されている。制御部15は、制御中枢としてマイコン(図示せず)を備えた制御装置であって、パワーコンディショナ2の各部の制御を行うとともに、補機制御部と通信可能に構成されて、補機制御部を介して補機5の制御が行えるようになっている。なお、本実施形態では、制御部15は、信号線19から入力される入力電圧センサ18の検出結果(すなわち、昇圧回路部12への入力電圧)を監視するように構成されている(詳細は後述する)。   As shown in FIG. 2, the control board 13 is equipped with a control unit 15 that controls the operation of each part of the power conditioner 2 and a DC power supply unit 16 that supplies DC power to the auxiliary machine control board 6. It consists of a substrate. The control unit 15 is a control device including a microcomputer (not shown) as a control center, and controls each part of the power conditioner 2 and is configured to be communicable with the auxiliary device control unit. The auxiliary machine 5 can be controlled via the unit. In the present embodiment, the control unit 15 is configured to monitor the detection result of the input voltage sensor 18 input from the signal line 19 (that is, the input voltage to the booster circuit unit 12) (for details). Will be described later).

直流電源部16は、入力側がDCリンク部9と接続され、出力側が補機制御基板6と接続されたDC/DCコンバータで構成されており、DCリンク部9から得た直流電力を補機5の直流負荷に供給可能な電圧に変換して、補機制御基板6に供給するように構成されている。すなわち、本実施形態では、補機5の直流負荷はDC24Vで動作することから、直流電源部16はDC24Vを生成して補機制御基板6に供給するように構成されている。また、この直流電源部16は、補機5の直流負荷用の電源の他、制御部15などパワーコンディショナ2の直流負荷の動作用電源として、DC15Vの直流出力も行うように構成されている。   The DC power supply unit 16 includes a DC / DC converter whose input side is connected to the DC link unit 9 and whose output side is connected to the auxiliary machine control board 6, and the DC power obtained from the DC link unit 9 is used as the auxiliary machine 5. The voltage is converted to a voltage that can be supplied to the DC load and supplied to the auxiliary machine control board 6. That is, in this embodiment, since the direct current load of the auxiliary machine 5 operates at DC 24 V, the direct current power supply unit 16 is configured to generate DC 24 V and supply it to the auxiliary machine control board 6. In addition to the DC load power source for the auxiliary machine 5, the DC power source unit 16 is also configured to output DC 15V as a power source for operating the DC load of the power conditioner 2 such as the control unit 15. .

自立出力部14は、燃料電池1の自立発電時などに外部の電気機器(図示せず)に交流電力を供給するための端子(自立コンセント)を備えて構成されている。具体的には、この自立出力部14は、図1に示すように、一端がインバータ回路部8の出力側(具体的には、インバータ回路部8の出力側と系統連系スイッチ10との間)に接続され、他端が補機5(具体的には、補機5の交流負荷)に接続された電源線21に接続されている。   The self-supporting output unit 14 includes a terminal (self-supporting outlet) for supplying AC power to an external electric device (not shown) at the time of self-power generation of the fuel cell 1 or the like. Specifically, as shown in FIG. 1, the self-supporting output unit 14 has one end at the output side of the inverter circuit unit 8 (specifically, between the output side of the inverter circuit unit 8 and the grid interconnection switch 10. ) And the other end is connected to a power line 21 connected to the auxiliary machine 5 (specifically, an AC load of the auxiliary machine 5).

より詳細には、自立出力部14は、1または複数のコンセントを備えており、電源線21から分岐された分岐配線24に自立スイッチ22を介して各コンセントが接続されている。自立スイッチ22は、自立出力部14に対する交流電力の供給/遮断の切り替えを行うためのスイッチであり、制御部15によってその接点の開放/短絡の制御(開閉制御)ができるようになっている。なお、この自立スイッチ22の接点は、パワーコンディショナ2が通常動作を行っているときには開放状態とされている。   More specifically, the self-supporting output unit 14 includes one or a plurality of outlets, and each outlet is connected to the branch wiring 24 branched from the power supply line 21 via the self-supporting switch 22. The self-supporting switch 22 is a switch for switching between supply / cut-off of AC power to the self-supporting output unit 14, and the control unit 15 can control the opening / short-circuiting of the contact (open / close control). Note that the contact of the self-supporting switch 22 is open when the power conditioner 2 is performing a normal operation.

また、電源線21に関して、本実施形態では、電源線21と分岐配線24(自立出力部14)の接続部から補機5の交流負荷側に、制御部15によって開閉制御可能な開閉スイッチ(スイッチ手段)23が備えられている。この開閉スイッチ23は、後述する燃料電池1の起動時に使用するもので、補機5の交流負荷に電力を供給するとき以外は、その接点は開放状態とされている。   Further, with respect to the power supply line 21, in the present embodiment, an open / close switch (switch) that can be controlled to open / close by the control unit 15 from the connection part of the power supply line 21 and the branch wiring 24 (independent output unit 14) to the AC load side of the auxiliary machine 5 Means) 23 is provided. This open / close switch 23 is used when the fuel cell 1 described later is started, and its contact is open except when power is supplied to the AC load of the auxiliary machine 5.

電力系統3は、単相3線式AC100/200Vの商用電源で構成されている。また、蓄電池4は、直流電力の出力が可能な可搬型の二次電池で構成されており、たとえば、車両用の鉛蓄電池などが蓄電池4として好適に使用される。   The electric power system 3 is composed of a single-phase three-wire AC100 / 200V commercial power supply. Moreover, the storage battery 4 is comprised with the portable secondary battery which can output direct-current power, for example, the lead storage battery for vehicles etc. are used suitably as the storage battery 4. FIG.

次に、このように構成された発電装置の動作について説明する。
A:通常動作(燃料電池の起動)
電力系統3が正常の(停電していない)状態で燃料電池1を起動する場合、系統連系スイッチ10を整流回路部11側に接続する。これにより、電力系統3から供給される交流電力が整流回路部11に供給され、整流回路部11において全波整流された直流電力がDCリンク部9に供給される。
Next, the operation of the power generator configured as described above will be described.
A: Normal operation (start of fuel cell)
When the fuel cell 1 is started in a state where the power system 3 is normal (no power failure), the grid connection switch 10 is connected to the rectifier circuit unit 11 side. As a result, AC power supplied from the power system 3 is supplied to the rectifier circuit unit 11, and DC power that is full-wave rectified in the rectifier circuit unit 11 is supplied to the DC link unit 9.

DCリンク部9に直流電力が供給されると、その直流電力はDCリンク部9と接続された制御基板13の直流電源部16にも供給される。直流電源部16では、DCリンク部9から供給された直流電力から補機5の直流負荷を動作させる直流電圧(本実施形態ではDC24V)を生成して、補機制御基板6を介して、補機5の直流負荷に供給する。なお、このとき補機5の交流負荷に対しては、図示しない電源線を介して電力系統3からAC100Vの交流電力が供給される。また、電源線21の開閉スイッチ23および分岐配線24の自立スイッチ22の接点は、いずれも開放状態とされている。   When DC power is supplied to the DC link unit 9, the DC power is also supplied to the DC power supply unit 16 of the control board 13 connected to the DC link unit 9. The DC power supply unit 16 generates a DC voltage (DC 24V in the present embodiment) for operating the DC load of the auxiliary machine 5 from the DC power supplied from the DC link unit 9, and the auxiliary voltage is supplied via the auxiliary machine control board 6. Supply to DC load of machine 5. At this time, AC power of AC 100 V is supplied from the power system 3 to the AC load of the auxiliary machine 5 through a power line (not shown). The contacts of the open / close switch 23 of the power supply line 21 and the self-supporting switch 22 of the branch wiring 24 are both open.

このようにして、補機5の直流負荷および交流負荷に動作用の電力が供給されると、補機制御基板6の補機制御部が補機5を動作させて、燃料電池1での発電を開始させる。   When power for operation is supplied to the DC load and the AC load of the auxiliary machine 5 in this way, the auxiliary machine control unit of the auxiliary machine control board 6 operates the auxiliary machine 5 to generate power in the fuel cell 1. To start.

B:通常動作(燃料電池の発電運転)
燃料電池1が起動すると、制御部15は、パワーコンディショナ3を通常動作(コンバータ回路部7およびインバータ回路部8を動作させるとともに、系統連系スイッチ10の接点をインバータ回路部8側に接続し、インバータ回路部8から出力される交流電力を電力系統3に連系)させる。このとき、制御部15は、コンバータ回路部7への入力電圧と入力電流およびインバータ回路部8の出力電圧と出力電流を監視して、インバータ回路部8から電力系統3に連系可能な交流電力(単相交流200V)が出力されるように、コンバータ回路部7およびインバータ回路部8の動作を制御する。なお、このとき開閉スイッチ23および自立スイッチ22の接点は、いずれも開放状態を維持している。
B: Normal operation (power generation operation of fuel cell)
When the fuel cell 1 is activated, the control unit 15 operates the power conditioner 3 in a normal operation (operates the converter circuit unit 7 and the inverter circuit unit 8 and connects the contact point of the grid interconnection switch 10 to the inverter circuit unit 8 side. The AC power output from the inverter circuit unit 8 is linked to the power system 3). At this time, the control unit 15 monitors the input voltage and input current to the converter circuit unit 7 and the output voltage and output current of the inverter circuit unit 8, and can exchange AC power from the inverter circuit unit 8 to the power system 3. The operations of the converter circuit unit 7 and the inverter circuit unit 8 are controlled so that (single-phase AC 200 V) is output. At this time, the contacts of the open / close switch 23 and the self-standing switch 22 are both kept open.

C:電力系統停電時(自立発電運転)
本実施形態に示す発電装置は、電力系統3の停電時においても燃料電池1が発電を継続する自立発電機能を備えている。パワーコンディショナ2の制御部15は、電力系統3の停電を検知すると、パワーコンディショナ2を電力系統3から解列する。また、制御部15は、インバータ回路部8の出力電圧がAC100Vとなるようにコンバータ回路部7およびインバータ回路部8を制御し、自立スイッチ22の接点を短絡させる。これにより、インバータ回路部8から出力される交流電力(AC100V)が自立出力部14に供給され、自立出力部14においてAC100Vで動作する電気負荷が使用できるようになる。
C: During power system outage (independent power generation operation)
The power generation apparatus shown in the present embodiment has a self-sustaining power generation function that allows the fuel cell 1 to continue power generation even during a power failure of the power system 3. When the control unit 15 of the power conditioner 2 detects a power failure in the power system 3, the control unit 15 disconnects the power conditioner 2 from the power system 3. Further, the control unit 15 controls the converter circuit unit 7 and the inverter circuit unit 8 so that the output voltage of the inverter circuit unit 8 becomes AC 100 V, and short-circuits the contact of the self-supporting switch 22. As a result, AC power (AC 100 V) output from the inverter circuit unit 8 is supplied to the self-sustained output unit 14, and an electric load that operates at AC 100 V can be used in the self-supporting output unit 14.

D:電力系統停電時(燃料電池の起動)
電力系統3が停電している状態で燃料電池1を起動する場合、本実施形態の発電装置では、蓄電池4を昇圧回路部12の接続端子20に接続する。これにより、蓄電池4から直流電力が昇圧回路部12の昇圧回路17に供給される。
D: At power failure (start of fuel cell)
When the fuel cell 1 is started in a state where the power system 3 is out of power, the storage battery 4 is connected to the connection terminal 20 of the booster circuit unit 12 in the power generation device of the present embodiment. As a result, DC power is supplied from the storage battery 4 to the booster circuit 17 of the booster circuit unit 12.

そして、昇圧回路部12に蓄電池4が接続されると、入力電圧センサ18が蓄電池4からの入力電圧を検出し、その結果が制御部15に入力される。制御部15は、入力電圧センサ18で所定電圧以上の入力電圧が検出されると、DCリンク部9の電圧が、インバータ回路部8が補機5の交流負荷の動作電力を出力するのに必要な電圧になるように、昇圧回路部12の昇圧動作を制御する。すなわち、制御部15は、昇圧回路部12の昇圧動作制御を通じてDCリンク部9の電圧を制御し、インバータ回路部8からAC100Vの交流電力が出力されるようにDCリンク部9の電圧を調整する。   When the storage battery 4 is connected to the booster circuit unit 12, the input voltage sensor 18 detects the input voltage from the storage battery 4, and the result is input to the control unit 15. When the input voltage sensor 18 detects an input voltage that is equal to or higher than a predetermined voltage, the control unit 15 needs the voltage of the DC link unit 9 so that the inverter circuit unit 8 outputs the operating power of the AC load of the auxiliary machine 5. The step-up operation of the step-up circuit unit 12 is controlled so as to obtain a stable voltage. That is, the control unit 15 controls the voltage of the DC link unit 9 through the boosting operation control of the boosting circuit unit 12 and adjusts the voltage of the DC link unit 9 so that AC power of AC 100 V is output from the inverter circuit unit 8. .

そして、インバータ回路部8がAC100Vの交流電力を出力できるようになると、制御部15は、開閉スイッチ23の接点を短絡させて、補機5の交流負荷に対して交流電力の供給を開始する。なお、このときインバータ回路部8は出力電圧がAC100Vとなるように制御される。すなわち、インバータ回路部8は、通常動作時にはAC200Vを出力するように制御されるが、電力系統3の停電時に動作する際には、補機5の交流負荷の動作電圧に合わせて、通常動作時よりも低い出力電圧に制御される。また、このとき自立スイッチ22の接点は、開放状態を維持する。   When the inverter circuit unit 8 can output AC power of 100 V AC, the control unit 15 short-circuits the contact of the open / close switch 23 and starts supplying AC power to the AC load of the auxiliary machine 5. At this time, the inverter circuit unit 8 is controlled so that the output voltage becomes AC 100V. In other words, the inverter circuit unit 8 is controlled to output AC 200 V during normal operation, but when operating during a power failure of the power system 3, the inverter circuit unit 8 is operated during normal operation according to the operating voltage of the AC load of the auxiliary machine 5. Is controlled to a lower output voltage. At this time, the contact of the self-supporting switch 22 is kept open.

また、このとき直流電源部16には、DCリンク部9から直流電力が供給されるので、直流電源部16はこの直流電力から補機5の直流負荷を動作させる直流電圧(DC24V)を生成して、補機制御基板6を介して補機5の直流負荷に供給する。   At this time, since the DC power is supplied from the DC link unit 9 to the DC power source unit 16, the DC power source unit 16 generates a DC voltage (DC 24V) for operating the DC load of the auxiliary machine 5 from the DC power. Then, it is supplied to the DC load of the auxiliary machine 5 through the auxiliary machine control board 6.

このようにして、補機5の直流負荷および交流負荷に動作電力が供給されると、制御部15は、補機制御部を通じて補機5を動作させて、燃料電池1を起動させる。なお、燃料電池1が起動した後は、蓄電池5を必要とせずに燃料電池1の発電を継続させることができるので、燃料電池1の起動後に蓄電池4は取り外される。   In this way, when operating power is supplied to the DC load and the AC load of the auxiliary machine 5, the control unit 15 operates the auxiliary machine 5 through the auxiliary machine control unit to start the fuel cell 1. In addition, after the fuel cell 1 is started, the power generation of the fuel cell 1 can be continued without the need for the storage battery 5, and therefore the storage battery 4 is removed after the fuel cell 1 is started.

そして、燃料電池1が発電を開始すると、制御部15は、開閉スイッチ23の接点を開放状態として補機5の交流負荷への電力供給を停止させるとともに、自立スイッチ22を短絡状態として自立出力部14から交流電力の出力を行う(自立発電運転)。なお、ここで開閉スイッチ23を開放状態とするのは、補機5の交流負荷である点火装置は、燃料電池1の起動時に燃焼器の点火を行えば、その後は燃焼器での燃焼が継続し、再点火の必要はないからである。   When the fuel cell 1 starts power generation, the control unit 15 opens the contact of the open / close switch 23 to stop the power supply to the AC load of the auxiliary machine 5 and sets the self-supporting switch 22 to a short-circuiting state. AC power is output from 14 (independent power generation operation). Here, the opening / closing switch 23 is opened. The ignition device that is an AC load of the auxiliary machine 5 ignites the combustor when the fuel cell 1 is started, and thereafter combustion in the combustor continues. This is because there is no need for reignition.

このように、本発明に係る発電装置によれば、電力系統3が停電している状態であっても、パワーコンディショナ2の接続端子20に蓄電池4を接続することにより、蓄電池4から供給される直流電力を用いて、補機5の直流負荷および交流負荷の双方に動作電力が供給されるので、電力系統3が停電しているときでも燃料電池1を正常に起動することができる。   As described above, according to the power generation device of the present invention, even when the power system 3 is in a power failure state, the battery 4 is supplied from the storage battery 4 by connecting the storage battery 4 to the connection terminal 20 of the power conditioner 2. Since the operating power is supplied to both the direct current load and the alternating current load of the auxiliary machine 5 using the direct current power, the fuel cell 1 can be normally started even when the power system 3 is out of power.

E:電力系統停電時(自立発電を行わずに自立出力部を利用する場合)
本実施形態に示す発電装置は、電力系統3の停電時に、蓄電池4を用いて燃料電池1の起動が行える構成を備えることから、その構成を利用して、燃料電池1を起動することなく、自立出力部14から交流電力を出力させることができる。
E: At the time of power system power outage (when using a self-sustained output unit without performing self-sustaining power generation)
Since the power generator shown in the present embodiment has a configuration that can start the fuel cell 1 using the storage battery 4 at the time of a power failure of the power system 3, without using the configuration to start the fuel cell 1, AC power can be output from the self-supporting output unit 14.

すなわち、この場合、制御部15は、蓄電池4が接続されたことを入力電圧センサ18からの入力電圧によって検出すると、DCリンク部9の電圧が、インバータ回路部8がAC100Vを出力するのに必要な電圧になるように、昇圧回路部12の昇圧動作を制御する。   That is, in this case, when the control unit 15 detects that the storage battery 4 is connected by the input voltage from the input voltage sensor 18, the voltage of the DC link unit 9 is necessary for the inverter circuit unit 8 to output AC 100V. The step-up operation of the step-up circuit unit 12 is controlled so as to obtain a stable voltage.

そして、インバータ回路部8がAC100Vの交流電力を出力できるようになると、制御部15は、開閉スイッチ23の接点を短絡させずに(つまり、開放状態を維持して)、自立スイッチ22の接点を短絡させる。また、この制御と併せて、制御部15は、インバータ回路部8の出力電圧がAC100Vとなるようにインバータ回路部8を制御する。すなわち、この場合も、制御部15は、インバータ回路部8の出力電圧が自立出力部14で取り出す電圧となるように、通常動作時よりも低い出力電圧に制御する。   Then, when the inverter circuit unit 8 can output AC power of AC 100V, the control unit 15 does not short-circuit the contact of the open / close switch 23 (that is, maintains the open state), and connects the contact of the self-supporting switch 22. Short circuit. In addition to this control, the control unit 15 controls the inverter circuit unit 8 so that the output voltage of the inverter circuit unit 8 becomes AC 100V. That is, also in this case, the control unit 15 controls the output voltage of the inverter circuit unit 8 to be lower than that during normal operation so that the output voltage of the inverter circuit unit 8 becomes a voltage extracted by the self-supporting output unit 14.

これにより、インバータ回路部8から出力されるAC100Vの交流電力が自立出力部14に供給されるようになり、燃料電池1を起動することなく、自立出力部14を利用する、つまり、外部の電気機器の使用が可能となる。   As a result, AC 100V AC power output from the inverter circuit unit 8 is supplied to the self-sustained output unit 14, and the self-sustained output unit 14 is used without starting the fuel cell 1, that is, external electric power. The device can be used.

このように、本発明に係る発電装置によれば、電力系統3が停電しているときに、燃料電池1を起動することなく、自立出力部14から交流電力を取り出すこともできる。   Thus, according to the power generator according to the present invention, AC power can be taken out from the self-sustained output unit 14 without starting the fuel cell 1 when the power system 3 is out of power.

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。   The above-described embodiment shows a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to this, and various design changes can be made within the scope of the invention.

たとえば、上述した実施形態では、電源線21に開閉スイッチ23を備える構成を示したが、開閉スイッチ23は省略することもできる。すなわち、蓄電池4の着脱によって電源線21への交流電力の供給/停止を切り替えるように構成することも可能である。   For example, in the above-described embodiment, the configuration in which the power supply line 21 includes the open / close switch 23 is shown, but the open / close switch 23 may be omitted. That is, it is possible to switch the supply / stop of the AC power to the power line 21 by attaching / detaching the storage battery 4.

また、上述した実施形態では、本発明に係る発電装置を発電単独で用いる場合を示したが、燃料電池1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を適用することも可能である。   In the above-described embodiment, the case where the power generation device according to the present invention is used alone is shown. However, the present invention is applied to a cogeneration system that generates warm water using exhaust heat generated in the fuel cell 1. It is also possible.

1 燃料電池
2 パワーコンディショナ
3 電力系統
4 蓄電池
5 燃料電池の補機
7 コンバータ回路部
8 インバータ回路部
9 DCリンク部
10 系統連系スイッチ
12 昇圧回路部
13 制御基板
14 自立出力部
15 制御部
16 直流電源部
18 入力電圧センサ(入力電圧検出手段)
20 接続端子
22 自立スイッチ
23 開閉スイッチ(スイッチ手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Power conditioner 3 Electric power system 4 Storage battery 5 Fuel cell auxiliary machine 7 Converter circuit part 8 Inverter circuit part 9 DC link part 10 System interconnection switch 12 Boost circuit part 13 Control board 14 Self-supporting output part 15 Control part 16 DC power supply unit 18 Input voltage sensor (input voltage detection means)
20 connection terminal 22 self-supporting switch 23 open / close switch (switch means)

Claims (4)

燃料電池と、前記燃料電池の補機と、前記燃料電池で発電された電力を電力系統に系統連系させるパワーコンディショナとを備えてなり、
前記補機は、電気負荷として直流負荷と交流負荷とを備え、
前記パワーコンディショナは、前記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を接続するDCリンク部と、前記パワーコンディショナ各部を制御する制御部とを備えた発電装置において、
前記パワーコンディショナは、蓄電池を接続するための接続端子と、前記接続端子から入力される直流電圧を昇圧して前記DCリンク部に直流電力を供給する昇圧回路部と、前記DCリンク部から電力供給されて前記補機の直流負荷に直流電力を供給する直流電源部と、前記昇圧回路部への入力電圧を検出する入力電圧検出手段とを備えるとともに、前記インバータ回路部の出力側と前記補機の交流負荷とを接続する電源線を備え、
前記制御部は、前記入力電圧検出手段で検出される入力電圧を監視し、所定電圧以上の入力電圧が検出されたときには、前記DCリンク部の電圧が、前記インバータ回路部において前記交流負荷の動作電力を出力するのに必要な電圧になるように、前記昇圧回路部の昇圧動作を制御するとともに、前記インバータ回路部を動作させて、前記インバータ回路部から出力される交流電力を前記電源線に供給する制御構成を備えた
ことを特徴とする発電装置。
Comprising a fuel cell, an auxiliary device of the fuel cell, and a power conditioner for connecting the power generated by the fuel cell to the power system,
The auxiliary machine includes a DC load and an AC load as electrical loads,
The power conditioner includes a converter circuit unit that boosts a voltage of DC power generated by the fuel cell, and an inverter circuit that converts the DC power boosted by the converter circuit unit into AC power that can be connected to a power system. A power generation apparatus comprising: a power supply unit; a DC link unit that connects the converter circuit unit and the inverter circuit unit; and a control unit that controls each unit of the power conditioner.
The power conditioner includes a connection terminal for connecting a storage battery, a booster circuit unit that boosts a DC voltage input from the connection terminal and supplies DC power to the DC link unit, and power from the DC link unit. A DC power supply for supplying DC power to the DC load of the auxiliary device and input voltage detecting means for detecting an input voltage to the booster circuit, and an output side of the inverter circuit and the auxiliary Equipped with a power line to connect the AC load of the machine,
The control unit monitors the input voltage detected by the input voltage detecting means, and when an input voltage equal to or higher than a predetermined voltage is detected, the voltage of the DC link unit is changed to the operation of the AC load in the inverter circuit unit. The step-up operation of the step-up circuit unit is controlled so that the voltage is necessary to output electric power, and the inverter circuit unit is operated to supply AC power output from the inverter circuit unit to the power supply line. A power generation device comprising a supply control structure.
前記電源線には、前記電力系統の停電時に、前記燃料電池で発電された電力を出力する端子を備えた自立出力部が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。   The power generator according to claim 1, wherein a self-supporting output unit including a terminal that outputs power generated by the fuel cell at the time of a power failure of the power system is connected to the power line. 前記電源線は、前記自立出力部との接続部よりも前記補機の交流負荷側に、前記制御部によって開閉制御可能なスイッチ手段を備えていることを特徴とする請求項2に記載の発電装置。   3. The power generation according to claim 2, wherein the power supply line includes switch means that can be controlled to be opened and closed by the control unit on the AC load side of the auxiliary machine with respect to the connection part with the independent output unit. apparatus. 前記交流負荷は、交流電力で動作する点火装置であ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発電装置。   The power generator according to claim 1, wherein the AC load is an ignition device that operates with AC power.
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