JP2016067137A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補機の動作用電圧を生成するコンバータに低耐圧の素子を用いることにより、電力変換効率の高い発電装置を提供する。【解決手段】パワーコンディショナ２が、燃料電池１の発電出力を昇圧する非絶縁型の昇圧コンバータ４と、昇圧コンバータ４の出力電圧を調整する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５と、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力を電力系統３に系統連系可能な交流電力に変換するインバータ６とを備えた発電装置において、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５を絶縁トランス２０を有する双方向型コンバータで構成し、絶縁トランス２０の一次側に補助巻線２９を巻装し、この補助巻線２９の出力が、燃料電池１の補機の動作用電圧に近い電圧となるように、スイッチング素子２１，２５を制御して、補機電源部８のコンバータに供給する。【選択図】図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。

従来、この種の発電装置では、燃料電池の補機を動作させる動作電源は、パワーコンディショナから供給するようになっている。具体的には、パワーコンディショナにおいて、燃料電池の発電出力を昇圧するコンバータと、コンバータで昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータとの間に介在するＤＣリンク部から直流電圧を取り出し、この直流電圧を絶縁型の降圧コンバータで降圧して補機に動作用電源として供給するように構成されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１１−５０１９１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、燃料電池の発電中、ＤＣリンク部の電圧はＤＣ３８０Ｖ程度の高電圧となることから、補機の動作電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）を生成する降圧コンバータには高耐圧素子を使用する必要があり、このことがパワーコンディショナの電力変換効率の高効率化を妨げる要因となっていた。

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、補機の動作用電圧を生成するコンバータに低耐圧の素子を使用することにより、電力変換効率の高い発電装置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、上記燃料電池の発電出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、上記パワーコンディショナが、上記燃料電池の発電出力を昇圧する昇圧コンバータと、上記昇圧コンバータの出力を系統連系に必要な電圧に調整する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、上記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を上記電力系統に系統連系可能な交流電力に変換するインバータとを備えた発電装置において、上記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、絶縁トランスを有する双方向型コンバータで構成されるとともに、上記絶縁トランスの一次側に補助巻線を備えてなり、上記補助巻線の出力を所定のスイッチング素子で電圧制御することによって、上記補機の動作用電力を上記補助巻線から取り出す構成を備えていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁トランスの一次側に備えられた補助巻線から補機の動作用電圧に近い電圧を取り出すことができるので、補機の動作用電圧を生成するコンバータの素子として低耐圧の素子を用いることができる。

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、上記補助巻線には、該補助巻線の出力電圧を上記補機の動作用電圧に変換する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが備えられていることを特徴とする。

本発明に係る発電装置では、補機の動作用電源となる補助巻線の出力は、燃料電池および電力系統の双方から絶縁されることから、補機の動作用電圧を生成する電源部（補機電源部）として非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。

本発明の請求項３に記載の発電装置は、請求項１または２に記載の発電装置において、上記双方向型コンバータは、上記絶縁トランスの一次側および二次側の双方にスイッチング素子を有するフルブリッジ回路を備えて構成され、上記絶縁トランスの二次側のフルブリッジ回路をスイッチング動作させて、上記電力系統から供給される電力から上記補助巻線の出力を得る第１動作モードと、上記絶縁トランスの二次側のフルブリッジ回路のスイッチング動作を停止させて、上記燃料電池から供給される電力から上記補助巻線の出力を得る第２動作モードとを備えていることを特徴とする。

請求項３に係る発電装置は、補機の動作用電源を、電力系統から得る第１動作モードと、燃料電池から得る第２動作モードを備えているので、燃料電池の非発電時においても燃料電池の補機を動作可能な状態とすることができる。したがって、燃料電池が発電を停止しても電力系統から電力供給を受けて燃料電池を起動することができる。

本発明の請求項４に記載の発電装置は、請求項３に記載の発電装置において、上記昇圧コンバータは、入力コンデンサと出力ダイオードを備えた非絶縁型のコンバータ回路で構成されるとともに、上記出力ダイオードに並列接続された開閉器を備えてなり、上記第１動作モードから第２動作モードに移行する際に、上記インバータを逆動作させるとともに、上記開閉器によって出力ダイオードの両端を短絡させることで、上記入力コンデンサを充電することを特徴とする。

請求項４に係る発電装置は、パワーコンディショナが第１動作モードから第２動作モードに移行する際、すなわち、燃料電池の発電開始時に、昇圧コンバータの出力ダイオードの両端が開閉器によって短絡し、入力コンデンサが充電されるので、燃料電池の発電開始に伴って昇圧コンバータに燃料電池の出力が入力されても入力コンデンサに過大な突入電流が流れることがない。

本発明の請求項５に記載の発電装置は、請求項４に記載の発電装置において、上記インバータを逆動作させる際には、上記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、上記昇圧コンバータの入力電圧を超えないように上記インバータの昇圧動作を制御することを特徴とする。

請求項５に係る発電装置によれば、燃料電池の発電開始に伴うインバータの逆動作時に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が昇圧コンバータの入力電圧を超えないように、インバータの昇圧動作が制御されるので、突入電流の防止に必要な電圧を超える過大な電圧が昇圧コンバータの入力コンデンサに印加されることが防止される。

本発明によれば、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁トランスの一次側の補助巻線から補機の動作用電圧に近い電圧を取り出すことができるので、補機の動作用電圧を生成するコンバータの素子として低耐圧の素子を用いることができ、電力変換効率の高い発電装置を提供することができる。

また、補機の動作用電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータに非絶縁型のコンバータを採用することができるので、この点でも電力変換効率の高い発電装置を提供することができる。

また、燃料電池の発電開始時におけるインバータ逆動作時に、昇圧コンバータの出力ダイオードに並列接続された開閉器を短絡させて昇圧コンバータの入力コンデンサを充電することにより、燃料電池の発電出力が昇圧コンバータに入力される際の突入電流が抑制される。そのため、突入電流による燃料電池の劣化のおそれが少ない発電装置を提供することができる。

本発明に係る発電装置の概略構成を示す回路図であって、燃料電池の非発電時における補機への電力供給経路を模式的に示している。 同発電装置の回路図であって、燃料電池の発電時における補機への電力供給経路を模式的に示している。 本発明に係る発電装置の第２の実施態様の概略構成を示す回路図であって、燃料電池の非発電時における補機への電力供給経路を模式的に示している。 同発電装置の第２の実施態様の回路図であって、燃料電池の発電開始時における昇圧コンバータの入力コンデンサの充電経路を模式的に示している。 同発電装置の第２の実施態様の回路図であって、燃料電池の発電開始後における補機への電力供給経路を模式的に示している。

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および図２は、本発明に係る発電装置の概略構成を示している。これらの図に示す発電装置は、発電部として燃料電池１を備えるとともに、燃料電池１で発電された直流電力を電力系統３に系統連系させるパワーコンディショナ２を備えている。

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補機（図示せず）とを備えている。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）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を用いてもよい。

補機は、燃料電池スタックを動作させるための周辺機器で構成される。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の電気負荷で構成されている。本実施形態では、これらの補機は、いずれもＤＣ２４Ｖで動作する電気負荷で構成されている。

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に系統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、燃料電池１の発電出力を昇圧する昇圧コンバータ４と、昇圧コンバータ４の出力電圧を調整する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５と、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力を交流電力に変換するインバータ６と、電力系統３から供給される交流電力を整流して直流電力を得る整流回路７と、補機の動作用電力を生成する補機電源部８と、パワーコンディショナ２の各部を制御する制御部９とを主要部として備えている。

昇圧コンバータ４は、燃料電池１の発電出力を所定の電圧（図示例では、ＤＣ１４０Ｖ）に昇圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータであって、本実施形態では、この昇圧コンバータ４として、非絶縁型の昇圧チョッパ回路が用いられている。すなわち、この昇圧コンバータ４は、入力コンデンサ１０と、チョークコイル１１と、ＦＥＴなどのスイッチング素子１２と、出力ダイオード１３と、出力コンデンサ１４とを備えており、スイッチング素子１２のスイッチング動作が制御部９によって制御されるように構成されている。

なお、この昇圧コンバータ４の入力側（燃料電池１側）には、昇圧コンバータ４への入力電圧を検出する入力電圧センサ１５と、昇圧コンバータ４への入力電流を検出する入力電流センサ１６とが備えられており、これら両センサ１５，１６の検出値は制御部９に入力されるように構成されている。また、昇圧コンバータ４の入力側には、制御部９の制御を受けて電路を短絡／開放する入力開閉器１７が備えられている。

これに対し、昇圧コンバータ４の出力側、すなわち、昇圧コンバータ４と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５との間には、昇圧コンバータ４の出力側の電圧を検出する出力電圧センサ１８が備えられており、この出力電圧センサ１８の検出値も制御部９に入力されるように構成されている。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、昇圧コンバータ４の出力電圧をインバータ６による系統連系に必要な電圧（たとえば、ＤＣ３８０Ｖ程度）に昇圧・調整するＤＣ／ＤＣコンバータ回路で構成されている。この絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、絶縁トランス２０を有する双方向型コンバータで構成されている。具体的には、絶縁トランス２０の一次側および二次側（昇圧コンバータ４側を「一次側」、インバータ６側を「二次側」と称する。）の双方に、スイッチング素子２１，２５を有するフルブリッジ回路を左右対称に備えた絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路で構成されている。

すなわち、この絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、Ｈブリッジ形に接続された４個のスイッチング素子（図示例ではＦＥＴ）２１と、各スイッチング素子２１にそれぞれ並列接続（逆並列接続）された帰還ダイオード２２とで絶縁トランス２０の一次側のフルブリッジ回路が構成されており、この回路がコンデンサ２３およびリアクトル２４を介して絶縁トランス２０の一次側主巻線２７に接続されている。一方、絶縁トランス２０の二次側のフルブリッジ回路は、Ｈブリッジ形に接続された４個のスイッチング素子２５と、各スイッチング素子２５にそれぞれ並列接続（逆並列接続）された帰還ダイオード２６とで構成されており、この回路が絶縁トランス２０の二次側主巻線２８に接続されている。なお、これら両フルブリッジ回路のスイッチング素子２１，２５のスイッチング動作は、いずれも制御部９によって制御されるように構成されている。そして、これら絶縁トランス２０の１次側および２次側に備えられたフルブリッジ回路は、一次側から二次側に電力伝達を行う際には、一次側のスイッチング素子２１がスイッチング回路として、二次側の帰還ダイオード２６が全波整流回路として動作し、二次側から一次側に電力伝達を行う際には、二次側のスイッチング素子２５がスイッチング回路として、一次側の帰還ダイオード２２が全波整流回路として動作するようになっている。

インバータ６は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力を電力系統３に系統連系可能な交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータ回路であって、本実施形態では、このインバータ６には、単相フルブリッジインバータ回路が用いられている。すなわち、Ｈブリッジ形に接続された４個のスイッチング素子（図示例ではＦＥＴ）３０と、各スイッチング素子３０にそれぞれ並列接続された帰還ダイオード３１と、連系リアクトル３２と、相間コンデンサ３３とで構成されている。なお、インバータ６のスイッチング素子３０のスイッチング動作も制御部９によって制御される。

そして、インバータ６の入力側、すなわち、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５とインバータ６との間には、ＤＣリンクコンデンサ３４が接続されている。また、インバータ６の出力側、すなわち、インバータ６と電力系統３との間には系統連系スイッチ３５が備えられている。系統連系スイッチ３５は、電力系統３をインバータ６または整流回路７に接続するスイッチであって、このスイッチ３５をインバータ６に接続することによって、燃料電池１と電力系統３が系統連系可能になる一方、整流回路７に接続することによって、整流回路７に対して電力系統３から交流電力が供給されるようになっている。なお、この系統連系スイッチ３５のスイッチ接点をインバータ６または整流回路７のいずれに接続するかは制御部９によって制御される。

整流回路７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（絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５とインバータ６との間）に供給するための回路であって、本実施形態では、この整流回路７としてダイオードブリッジ回路が用いられている。

補機電源部８は、補機の動作用電力を生成する電源回路であって、この補機電源部８は、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９から電力供給を受けて補機の動作用電力を生成するように構成されている。すなわち、図１および図２に示すように、絶縁トランス２０の一次側には、上述した一次側主巻線２７に加えて、一次側補助巻線２９が巻装されており、補機電源部８は、この一次側補助巻線２９から電力供給を受けるように構成されている。

ここで、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９の巻き数は、その出力電圧が補機の動作用電圧（本実施形態ではＤＣ２４Ｖ）に近い電圧となるように設定されている。すなわち、本実施形態では、一次側補助巻線２９の出力電圧がＤＣ３０Ｖ〜ＤＣ４０Ｖ程度となるように設定されている。このため、一次側補助巻線２９の出力から補機の動作用電圧を生成する補機電源部８には降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。

そして、本実施形態では、補機電源部８を構成する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして、非絶縁型の降圧チョッパ回路が用いられている。すなわち、補機電源部８は、入力コンデンサ４０と、チョークコイル４１と、ＦＥＴなどのスイッチング素子４２と、出力ダイオード４３と、出力コンデンサ４４とで構成されている。なお、４５は、スイッチング素子４２のドライバＩＣを示している。

なお、本実施形態では、一次側補助巻線２９の出力電圧が補機の動作用電圧よりも高くなるように設定した場合を示しているが、一次側補助巻線２９の出力電圧は補機の動作用電圧よりも低くなる（たとえば、ＤＣ１５Ｖ程度となる）ように設定することも可能である。その場合、補機電源部８には、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ（たとえば、非絶縁型の昇圧チョッパ回路）が用いられる。つまり、補機電源部８は、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９の出力電圧に応じて、降圧型または昇圧型の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが適宜採用される。換言すれば、補機電源部８は、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９の出力電圧を補機の動作用電圧に変換可能な非絶縁型のコンバータで構成される。

制御部９は、パワーコンディショナ２の各部を制御する制御装置であって、本実施形態では、この制御部９は、昇圧コンバータ４、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５およびインバータ６の各スイッチング素子１２，２１，２５，３０のスイッチング動作制御並びに系統連系スイッチ３５の接点制御などを行うマイコンで構成されている。

なお、この制御部９は、制御部９に動作用の電力（図示例では、ＤＣ５Ｖ）を供給する制御電源部５０から電力供給を受けて動作するように構成されている。この制御電源部５０は、絶縁型の降圧コンバータで構成されており、本実施形態では、フライバックコンバータが採用されている。すなわち、この制御電源部５０は、絶縁トランス５１と、該絶縁トランス５１の一次側に備えられるスイッチング素子５２と、絶縁トランス５１の二次側に備えられる出力ダイオード５３および出力コンデンサ５４とで構成され、ＤＣリンク部の電圧が絶縁トランス５１の一次側に供給されるようになっている。なお、５５は、スイッチング素子５２のドライバＩＣである。

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：燃料電池１の非発電時（第１動作モード）
燃料電池１が発電を行っていないとき（燃料電池１の非発電時）、図１に示すように、入力開閉器１７は接点を開放し、系統連系スイッチ３５は整流回路７側に接続される。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７で直流電力に変換されて、ＤＣリンクコンデンサ３４（ＤＣリンク部）に供給される。たとえば、電力系統３からＡＣ２００Ｖが供給される場合、ＤＣリンクコンデンサ３４にはＤＣ２８０Ｖが印加される。

このようにして、ＤＣリンク部に直流電力が供給されると、その一部がＤＣリンク部から制御電源部５０に供給され、制御電源部５０において、制御部９の動作用電圧（ＤＣ５Ｖ）が生成されて、制御部９に供給される（図１の矢符Ａ参照）。これにより、制御部９によるパワーコンディショナ２の制御が可能になる。

制御部９によるパワーコンディショナ２の制御が可能になると、制御部９は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の二次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２５をあらかじめ設定された所定のデューティ比（たとえば、５０％）でスイッチング動作させる。これにより、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９に出力電圧（ＤＣ３０〜４０Ｖ程度）が発生する（図１の矢符Ａ参照）。なお、このとき、制御部９は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２１のスイッチング動作は停止させている。

そして、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９から出力される直流電力は、補機電源部８に供給され、補機電源部８の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて補機の動作用電圧（ＤＣ２４Ｖ）が生成され、補機に供給される（図１の矢符Ａ参照）。これにより、燃料電池１の補機が動作可能な状態、すなわち、燃料電池１が発電可能な状態となる。

Ｂ：燃料電池１の発電時（第２動作モード）
燃料電池１が発電可能な状態になると、制御部９は、燃料電池１の補機を動作させて、燃料電池１による発電を開始させる。燃料電池１が発電を開始し、電圧出力が可能になると、図２に示すように、制御部９は、入力開閉器１７の接点を短絡させ、燃料電池１で発電された直流電力を昇圧コンバータ４に供給する（図２の矢符Ｂ参照）。

そして、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の一次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２１をあらかじめ設定された所定のデューティ比（たとえば、５０％）でスイッチング動作させるとともに、系統連系スイッチ３５をインバータ６に接続する。また、制御部９は、二次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２５のスイッチング動作を停止させて、帰還ダイオード２６を整流ダイオードとして動作させる。

これにより、燃料電池１で発電された直流電力が、昇圧コンバータ４および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって所定の電圧（インバータ６が電力系統３に系統連系可能な交流電力を出力できる電圧、具体的には、ＤＣ３８０Ｖ程度）に昇圧されて、ＤＣリンクコンデンサ３４を介して、インバータ６に供給され、インバータ６の出力が電力系統３に系統連系される。

なお、本実施形態では、燃料電池１の出力を電力系統３に系統連系させる際に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の二次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２５のスイッチング動作を停止させる構成を示したが、スイッチング素子２５にオン抵抗の低い素子を使用して、スイッチング動作を継続させて同期整流による高効率化を図るように構成することも可能である。

そして、このように燃料電池１が発電を行っているとき、燃料電池１の補機には、図２の矢符Ｂに示すように、燃料電池１で発電された電力が絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９を介して補機電源部８に供給されており、燃料電池１の補機は、燃料電池１で発電された電力によって動作する。

このように、本実施形態に示す発電装置によれば、燃料電池１の補機の動作用電力を生成する補機電源部８の動作電力を、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９から取り出すように構成しているので、補機の動作用電圧に近い電圧を補機電源部８に供給することができる。そのため、補機電源部８のＤＣ／ＤＣコンバータに低耐圧素子を用いることができ、電力変換効率の高い発電装置を提供することができる。

しかも、補機電源部８は、絶縁トランス２０によって燃料電池１および電力系統３と絶縁されているので、補機電源部８のＤＣ／ＤＣコンバータには非絶縁型のコンバータを使用することができる。そのため、この点でも補機電源部８の電力変換効率の効率化を図ることができ、パワーコンディショナ２全体の効率を向上させることができる。

実施形態２
次に、本発明の第２の実施形態を図３乃至図５に基づいて説明する。
この第２の実施形態に係る発電装置は、上述した実施形態１に示す発電装置を改変した発電装置であって、昇圧コンバータ４の出力ダイオード１３に開閉器６０を並列接続している。その他の構成は、上述した実施形態１に示す発電装置と共通するので、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。

すなわち、上述した実施形態１に示す発電装置では、燃料電池１の発電出力が、非絶縁型の昇圧チョッパ回路（昇圧コンバータ４）に入力されるので、入力開閉器１７の接点が短絡した瞬間に入力コンデンサ１０に大きな突入電流が流れるおそれがある。本実施形態に示す発電装置では、このような突入電流を防止するために、昇圧コンバータ４の出力ダイオード１３に、制御部９によって接点の短絡／開放の切り替えが行われる開閉器６０が並列に接続される。

次に、この第２の実施形態に係る発電装置の動作を説明する。
Ｃ：燃料電池１の非発電時
燃料電池１の非発電時における回路動作を図３に示す。図３に示すように、燃料電池１の非発電時には、開閉器６０の接点は開放状態とされる。その他の点は、上述した実施形態１と同様である。すなわち、入力開閉器１７の接点は開放状態とされ、系統連系スイッチ３５は整流回路７側に接続される。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７で直流電力に変換され、ＤＣリンク部に供給される。

そして、ＤＣリンク部に供給された直流電力の一部が、ＤＣリンク部から制御電源部５０に供給され、制御部９に動作用電圧（ＤＣ５Ｖ）が供給され、制御部９によるパワーコンディショナ２の制御が可能になる（図３の矢符Ａ参照）。

パワーコンディショナ２の制御が可能になると、制御部９は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の二次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２５をあらかじめ設定された所定のデューティ比（たとえば、５０％）でスイッチング動作させ、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９に出力電圧（ＤＣ３０〜４０Ｖ程度）を発生させて、補機電源部８に電力を供給し、補機に動作用の電力を供給する（図３の矢符Ａ参照）。なお、このとき、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の一次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２１のスイッチング動作は停止していることから、一次側主巻線２７の出力は、一次側のフルブリッジ回路の帰還ダイオード２２による全波整流回路を介して昇圧コンバータ４の出力コンデンサ１４に印加される。

Ｄ：燃料電池１の発電開始時
そして、燃料電池１が発電を開始し、電圧出力が可能になると、制御部９は、図４に示すように、系統連系スイッチ３５をインバータ６に接続して、インバータ６を逆動作（ＰＦＣ昇圧動作）させるとともに、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の二次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２５をスイッチング動作させる。また、入力開閉器１７の接点を短絡させる前に開閉器６０の接点を短絡させて、インバータ６から絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して昇圧コンバータ４に入力される電圧を入力コンデンサ１０に印加する（図４の矢符Ｃ参照）。このときスイッチング素子２５のスイッチングのデューティ比はあらかじめ設定された所定値（たとえば、５０％）に固定されている。

そして、制御部９は、この状態で、昇圧コンバータ４の入力電圧センサ１５と出力電圧センサ１８の検出値に基づいて、入力コンデンサ１０に印加される電圧が燃料電池１の出力電圧を超えないように、インバータ６のＰＦＣ昇圧動作を制御する。具体的には、制御部９は、入力電圧センサ１５の検出値をＶfcとし、出力電圧センサ１８の検出値をＶconとすると、出力電圧センサ１８の検出値Ｖconが、Ｖfc−α（αは、たとえば１０Ｖ程度）となるようにインバータ６のＰＦＣ昇圧動作を制御し、出力電圧センサ１８の検出値ＶconがＶfc−αとなったところで、入力開閉器１７の接点を短絡させ、燃料電池１の出力電圧を入力コンデンサ１０に印加する。つまり、燃料電池１の発電出力が入力コンデンサ１０に印加される前に入力コンデンサ１０を充電しておく。

Ｅ：燃料電池１の発電開始後
そして、入力コンデンサ１０を充電すると、次に制御部９は、図５に示すように、開閉器６０の接点を開放し、入力開閉器１７の接点を短絡させたまま、昇圧コンバータ４のスイッチング素子１２および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５のスイッチング素子２１のスイッチング動作を開始させる。その際、制御部９は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５の二次側のフルブリッジ回路のスイッチング素子２５のスイッチングを停止させるとともに、インバータ６の逆動作も停止させる。

これにより、燃料電池１の発電出力が、昇圧コンバータ４および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって昇圧され、インバータ６に供給される。インバータ６に供給された直流電力は、インバータ６において電力系統３に連系可能な交流電力に変換され、系統連系スイッチ３５を介して、電力系統３に系統連系される。

なお、このようにして燃料電池１での発電が開始されると、燃料電池１の補機には、図５の矢符Ｂに示すように、燃料電池１で発電された電力が絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９を介して補機電源部８に供給され、燃料電池１の補機は、燃料電池１で発電された電力によって動作する。

このように、本実施形態の発電装置では、燃料電池１の発電開始時において、燃料電池１の発電出力を昇圧コンバータ４に入力する際に、あらかじめ入力コンデンサ１０を充電しておくので、入力開閉器１７の接点を短絡させても入力コンデンサ１０に大きな突入電流が流れるおそれがなく、突入電流による燃料電池１の劣化が防止される。

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、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９の出力を補機電源部８に供給する構成を示したが、補機電源部８に代えて、または、補機電源部８と並列に他の電気負荷用の電源部を設けることも可能である。たとえば、本発明に係る発電装置がコージェネレーションシステムに適用される場合、燃料電池１で発生する排熱を利用して生成した温水を貯湯する貯湯タンクに用いられるポンプの電源部を設け、この電源部が絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９から電力供給を受けるように構成することも可能である。

また、上述した実施形態では、燃料電池１の補機の動作用電圧がＤＣ２４Ｖである場合を示したが、補機の動作用電圧はＤＣ２４Ｖに限らず、動作用電圧がＤＣ１５Ｖなどの補機を用いてもよい。なお、その場合、補機の動作用電圧に応じて、絶縁トランス２０の一次側補助巻線２９の巻き数が変更され、それに伴って、補機電源部８のＤＣ／ＤＣコンバータとして降圧型あるいは昇圧型のコンバータが適宜選択される。

また、上述した実施形態２では、昇圧コンバータ４の出力ダイオード１３に開閉器６０を並列接続した場合を示したが、昇圧コンバータ４が同期整流方式でダイオード１３に代えてＦＥＴを使用する場合には、開閉器６０に代えて、このＦＥＴをオンさせることにより、入力コンデンサ１０を充電するように構成することもできる。

また、上述した実施形態２では、燃料電池１の発電開始時に、制御部９が、入力電圧センサ１５の検出値をＶfcを検出しながら、入力コンデンサ１０に印加される電圧が燃料電池１の出力電圧を超えないようにインバータ６のＰＦＣ昇圧動作を制御する構成を示したが、燃料電池１の発電電圧の開放端電圧があらかじめ特定されている場合には、制御部９は、入力電圧センサ１５の検出値を用いずに、燃料電池１の開放端電圧をＶfcとして、インバータ６のＰＦＣ昇圧動作を制御するように構成することも可能である。

１ 燃料電池
２ パワーコンディショナ
３ 電力系統
４ 昇圧コンバータ
５ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ インバータ
７ 整流回路
８ 補機電源部
９ 制御部
１０ 昇圧コンバータの入力コンデンサ
１３ 昇圧コンバータの出力ダイオード
１５ 入力電圧センサ
１６ 入力電流センサ
１７ 入力開閉器
１８ 出力電圧センサ
２０ 絶縁トランス
２１，２５ フルブリッジ回路のスイッチング素子
２２，２６ 帰還ダイオード
２７ 絶縁トランスの一次側主巻線
２８ 絶縁トランスの二次側主巻線
２９ 絶縁トランスの一次側補助巻線
３０ インバータのスイッチング素子
３４ ＤＣリンクコンデンサ（ＤＣリンク部）
３５ 系統連系スイッチ
５０ 制御電源部
６０ 開閉器

Claims (5)

1. 燃料電池と、前記燃料電池の補機と、前記燃料電池の発電出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、
   前記パワーコンディショナが、前記燃料電池の発電出力を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力を系統連系に必要な電圧に調整する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を前記電力系統に系統連系可能な交流電力に変換するインバータとを備えた発電装置において、
   前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、絶縁トランスを有する双方向型コンバータで構成されるとともに、前記絶縁トランスの一次側に補助巻線を備えてなり、
   前記補助巻線の出力を所定のスイッチング素子で電圧制御することによって、前記補機の動作用電力を前記補助巻線から取り出す構成を備えている
   ことを特徴とする発電装置。
2. 前記補助巻線には、該補助巻線の出力電圧を前記補機の動作用電圧に変換する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが備えられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記双方向型コンバータは、前記絶縁トランスの一次側および二次側の双方にスイッチング素子を有するフルブリッジ回路を備えて構成され、
   前記絶縁トランスの二次側のフルブリッジ回路をスイッチング動作させて、前記電力系統から供給される電力から前記補助巻線の出力を得る第１動作モードと、
   前記絶縁トランスの二次側のフルブリッジ回路のスイッチング動作を停止させて、前記燃料電池から供給される電力から前記補助巻線の出力を得る第２動作モードとを備えている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記昇圧コンバータは、入力コンデンサと出力ダイオードを備えた非絶縁型のコンバータ回路で構成されるとともに、前記出力ダイオードに並列接続された開閉器を備えてなり、
   前記第１動作モードから第２動作モードに移行する際に、前記インバータを逆動作させるとともに、前記開閉器によって出力ダイオードの両端を短絡させることで、前記入力コンデンサを充電する
   ことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
5. 前記インバータを逆動作させる際には、前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記昇圧コンバータの入力電圧を超えないように前記インバータの昇圧動作を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の発電装置。

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