JP4258228B2

JP4258228B2 - Control method and control apparatus for power conversion device for fuel cell

Info

Publication number: JP4258228B2
Application number: JP2003050974A
Authority: JP
Inventors: 幹介藤井; 洋一池田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP2004259124A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池が発生する電力を所望の電力に変換する電力変換装置を制御する制御方法と制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は燃料電池から電力変換装置を介して負荷へ電力を供給する回路の一般的な構成を示した主回路接続図であって、燃料電池の発生電力をチョッパで所望電圧の直流電力に変換したのち、この直流電力をインバータで交流電力に変換して負荷へ給電する場合を示している（例えば、特許文献１および特許文献２を参照。）。
この図５において、燃料電池１が発生する直流電力は、直流リアクトル２とダイオード４と自己消弧素子６とでなる昇圧チョッパにより所望の電圧に昇圧される。昇圧された直流電力は、平滑コンデンサ５を介して電圧型インバータ１０へ入力する。電圧型インバータ１０は自己消弧素子１１とダイオード１２との逆並列接続でなるスイッチング回路で構成していて、この電圧型インバータ１０に入力する直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換する。変換された交流電力は、交流リアクトル１３と交流遮断器１６とを介して負荷１８へ供給される。なお符号８はチョッパ制御器であって、直流電流検出器３が検出する直流電流検出値Ｉ_DCと平滑コンデンサ５から検出する直流電圧検出値Ｖ_DCを入力して、チョッパゲートパルス２８を出力する。また、符号１７はインバータ制御器であって、平滑コンデンサ５から検出する直流電圧検出値Ｖ_DCと交流電流検出器１４が検出する交流電流検出値Ｉ_ACと交流電圧検出器１５が検出する交流電圧検出値Ｖ_ACを入力して、インバータゲートパルス４２を出力する。
【０００３】
図６は図５に記載のチョッパ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図である。この図６において、平滑コンデンサ５（図５参照）から検出する直流電圧検出値Ｖ_DCと別途に設定している直流電圧指令値Ｖ_DC ^*との偏差を電圧調節器２２へ入力することで、電圧調節器２２はその入力電圧偏差を零にする直流電流指令値Ｉ_DC ^*を出力する。この直流電流指令値Ｉ_DC ^*と直流電流検出器３（図５参照）が検出する直流電流検出値Ｉ_DCとの偏差を電流調節器２３へ入力することで、電流調節器２３はその入力偏差を零にするパルス変調率２５を出力する。キャリア発生器２７が出力するキャリアとこのパルス変調率２５から、パルス幅変調演算器２６はチョッパゲートパルス２８を生成する。
【０００４】
図７は図５に記載のインバータ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図である。この図７において、別途に設定する周波数指令値ｆ^*を積分器３１で積分する。この積分演算結果を正弦波関数演算器３２へ入力して正弦波を得る。電圧実効値指令値３３に対応したゲイン３４と、前述の演算により得られた正弦波とを乗算器３５で掛け算することにより、交流電圧指令値Ｖ_AC ^*が生成される。この交流電圧指令値Ｖ_AC ^*と交流電圧検出器１５が検出する交流電圧検出値Ｖ_ACとの偏差を電圧調節器３８へ入力することで、電圧調節器３８はその入力電圧偏差を零にする制御信号を出力する。
【０００５】
交流電流検出器１４（図５参照）が検出する交流電流検出値Ｉ_ACと、演算器４３とで交流リアクトル１３（図５参照）の電圧が求まる。このリアクトル電圧と、電圧調節器３８が出力する制御信号と、交流電圧指令値Ｖ_AC ^*との和を演算する。除算器４０は、この和を、前述の直流電圧検出値Ｖ_DCにゲイン４４を乗じた値で割り算することにより、パルス変調率４１が決定される。キャリア発生器３９が出力するキャリアとこのパルス変調率４１から、パルス幅変調演算器２９はインバータゲートパルス４２を生成する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２２２２５８号公報
【特許文献２】
特開平８−３２１３１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、燃料電池１が発生する電力を電力変換装置（図５では昇圧チョッパと電圧型インバータで構成）で変換して負荷１８へ供給するのであるが、この負荷１８が変動すると、この変動に対応して電圧調節器２２が動作することにより、平滑コンデンサ５の電圧を一定値に維持するのであるが、電源である燃料電池１はその特性から、出力する有効電力が急激に増加する場合は、当該燃料電池１の内部でガス不足が発生し、電池寿命を短くしてしまう不具合を生じる。そこで電圧調節器２２の応答速度を遅く設定するならば、負荷１８が急増しても電圧の回復が緩やかになるから、燃料電池１の出力有効電力が急増するのを抑制し、電池寿命が短くなるのを抑制することができる。しかしながら、負荷１８へ電力を供給中に突然交流遮断器１６が開路してしまうような、所謂負荷遮断事故が発生すると、電圧調節器２２の制御応答速度が遅いために、平滑コンデンサ５の電圧が過大に上昇してしまう不具合を発生することになる。
【０００８】
そこでこの発明の目的は、燃料電池から電力変換装置を介して電力を供給する場合に、負荷が急増しても燃料電池の寿命が短くならず、且つ負荷遮断時でも過電圧の発生を抑制できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の燃料電池用電力変換装置の制御方法とその制御装置は、
前記インバータが出力する有効電力を検出し、この有効電力が増加しているときは、前記インバータの直流入力電圧を制御する応答速度を、当該有効電力が増加中でないときよりも遅らせる。
前記インバータが出力する有効電力を検出する有効電力検出回路と、この有効電力が増加しているか否かを判別する有効電力増加判定回路と、有効電力が増加中ならば前記インバータの直流入力電圧を制御する応答速度を、当該有効電力が増加中でないときよりも遅らせる遅延回路とを備える。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表したフローチャートである。このフローチャートにおいて、燃料電池１の出力電力を変換する電力変換装置が出力する有効電力を検出（処理８１）し、この有効電力が増加中であるか否かを判定（判断８５）する。有効電力が増加中ならば、電力変換装置の制御応答速度を遅らせる（処理８２）ことで、燃料電池１の出力電力が急激に増大するのを抑制できるので、電池内部のガス不足で電池寿命が短くなのを回避できる。また、出力電力の増大が止まれば（判断８６）、電力変換装置の制御応答速度を元へ戻す（処理８３）ことで、負荷遮断などで負荷が急激に減少した場合に生じる過電圧を抑制することができる。
【００１１】
図２は本発明の第２実施例を表したブロック回路図であって、図６で既述のチョッパ制御器に、有効電力演算器４５，電圧実効値演算器４６，除算器４７，条件付き遅延回路４８，三相／二相変換器４９および三相／二相変換器５０を追加した構成である。よって以下では追加分についてのみを説明することとし、図６で既述の分の説明は省略する。
この図２において、電圧型インバータが三相の場合は、交流電流検出器１４で検出する三相の交流電流検出値Ｉ_ACを、三相／二相変換器４９で下記の数式１に示すように、直交するａ相とｂ相の電流に変換する。
【００１２】
【数１】

なお、三相の交流電圧検出値Ｖ_ACも、三相／二相変換器５０で直交するａ相とｂ相の電圧に変換するが、これは数式１における電流ｉを電圧ｖに置換して得られるから、その数式表示は省略する。
三相／二相変換器４９と三相／二相変換器５０で得られた二相量の電流と電圧を有効電力演算器４５へ入力することで、下記の数式２に示す演算により有効電力Ｐが得られる。
【００１３】
【数２】
Ｐ＝ｖ_a・ｉ_a＋ｖ_b・ｉ_b
電圧実効値演算器４６は、三相／二相変換器５０で得られた二相量の電圧値を使って下記の数式３による演算を行うことで、電圧実効値を得る。
【００１４】
【数３】

除算器４７は、有効電力Ｐを数式３で得られる電圧実効値で割り算することで、チョッパが出力すべき直流電流が演算される。このようにして得られた直流電流は、有効電力が増加中であるか否かを判別する有効電力増加判定回路と、有効電力が増加中ならば制御応答速度を遅延させる動作遅延回路で構成されている条件付き遅延回路４８へ与えられる。この条件付き遅延回路４８の出力が、電圧調節器２２の出力と直流電流検出値Ｉ_DCとの和に加算されて電流調節器２３への入力となる。
【００１５】
図３は図２に図示の条件付き遅延回路の構成の一例を表したブロック回路図である。
この図３において、当該条件付き遅延回路への入力信号５５と、遅延器５６で得られる１サンプリング前の入力値とを比較器５７で比較することにより、入力信号５５が増大しつつあるか否かが判別できる。現在値が大きいときは一次遅れフィルタ５８の出力を選択するように選択器５９が動作するし、現在値と１サンプリング前の入力値とが等しいか、または現在値が小さいときは現在の入力信号５５がそのまま選択される。
【００１６】
図４は図２に図示の条件付き遅延回路の構成の別の一例を表したブロック回路図である。
この図４において、当該条件付き遅延回路への入力信号６５と、遅延器６９で得られる１サンプリング前の出力値７０との差を求め、この差が変化率設定器６６で設定した値よりも大きいか否かを比較器６７で比較する。差が変化率設定値よりも大きい場合は、１サンプリング前の出力値７０と変化率設定値の和を選択するように選択器６８が動作するし、前述の差が変化率設定値以下の場合は入力信号６５を選択する。
【００１７】
【発明の効果】
燃料電池の出力側に電力変換装置を設置している場合に、この電力変換装置の制御応答速度が速いと、負荷が急激に増加したときに燃料電池内部のガス圧力が低下して、電池寿命が短くなってしまう。そこで制御応答速度を遅くすると、負荷遮断などで負荷が急激に減少した場合に電圧が過大に上昇してしまう不都合を生じる。
これに対して本発明では、電力変換装置が出力する有効電力が増加中であるか否かを判別する有効電力増加判定回路と、この有効電力が増加中ならば制御動作を遅延させる動作遅延回路とを備えた条件付き遅延回路を設けることで、負荷が変動して有効電力が増大する場合は制御応答速度を遅らせ、有効電力が増大しない場合は制御応答速度を速くしているので、負荷の急激な増大が原因で燃料電池の寿命が短縮するのを回避でき、負荷遮断時に電圧が過大に上昇することも回避できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表したフローチャート
【図２】本発明の第２実施例を表したブロック回路図
【図３】図２に図示の条件付き遅延回路の構成の一例を表したブロック回路図
【図４】図２に図示の条件付き遅延回路の構成の別の一例を表したブロック回路図
【図５】燃料電池から電力変換装置を介して負荷へ電力を供給する回路の一般的な構成を示した主回路接続図
【図６】図５に記載のチョッパ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図
【図７】図５に記載のインバータ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図
【符号の説明】
１燃料電池
３直流電流検出器
８チョッパ制御器
１０電圧型インバータ
１４交流電流検出器
１５交流電圧検出器
１７インバータ制御器
２２電圧調節器
２３電流調節器
２６，２９パルス幅変調演算器
２７，３９キャリア発生器
３１積分器
３２正弦波関数演算器
３３電圧実効値指令値
３８電圧調節器
４５有効電力演算器
４６電圧実効値演算器
４８条件付き遅延回路
４９，５０三相／二相変換器
５５，６５入力信号
５６，６９遅延器
５７，６７比較器
５８一次遅れフィルタ
５９，６８選択器
６６変化率設定器
８１〜８３処理
８５，８６判断[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control method and a control device for controlling a power conversion device that converts power generated by a fuel cell into desired power.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 is a main circuit connection diagram showing a general configuration of a circuit for supplying power from a fuel cell to a load via a power converter, and converts the generated power of the fuel cell into DC power of a desired voltage with a chopper. After that, this DC power is converted into AC power by an inverter and supplied to a load (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
In FIG. 5, the DC power generated by the fuel cell 1 is boosted to a desired voltage by a boosting chopper composed of a DC reactor 2, a diode 4, and a self-extinguishing element 6. The boosted DC power is input to the voltage type inverter 10 through the smoothing capacitor 5. The voltage type inverter 10 is constituted by a switching circuit composed of an anti-parallel connection of a self-extinguishing element 11 and a diode 12, and converts DC power input to the voltage type inverter 10 into AC power having a desired voltage and frequency. . The converted AC power is supplied to the load 18 via the AC reactor 13 and the AC circuit breaker 16. Reference numeral 8 denotes a chopper controller, which inputs a DC current detection value I _DC detected by the DC current detector 3 and a DC voltage detection value V _DC detected from the smoothing capacitor 5, and outputs a chopper gate pulse 28. . Reference numeral 17 denotes an inverter controller, which is a DC voltage detection value V _DC detected from the smoothing capacitor 5, an AC current detection value I _AC detected by the AC current detector 14, and an AC voltage detected by the AC voltage detector 15. The detection value _VAC is input and an inverter gate pulse 42 is output.
[0003]
FIG. 6 is a block circuit diagram showing a conventional example of the configuration of the chopper controller shown in FIG. In FIG. 6, by inputting the deviation between the DC voltage detection value V _DC detected from the smoothing capacitor 5 (see FIG. 5) and the DC voltage command value V _DC ^* set separately to the voltage regulator 22, The voltage regulator 22 outputs a direct current command value I _DC ^* that makes the input voltage deviation zero. By inputting the deviation between the DC current command value I _DC ^* and the DC current detection value I _DC detected by the DC current detector 3 (see FIG. 5) to the current regulator 23, the current regulator 23 receives the input deviation. The pulse modulation factor 25 is set to zero. From the carrier output from the carrier generator 27 and the pulse modulation factor 25, the pulse width modulation calculator 26 generates a chopper gate pulse 28.
[0004]
FIG. 7 is a block circuit diagram showing a conventional example of the configuration of the inverter controller shown in FIG. In FIG. 7, a frequency command value f ^* set separately is integrated by an integrator 31. The integration calculation result is input to the sine wave function calculator 32 to obtain a sine wave. An AC voltage command value V _AC ^* is generated by multiplying the gain 34 corresponding to the voltage effective value command value 33 by the multiplier 35 by the sine wave obtained by the above calculation. By inputting the deviation between the _AC voltage command value V _AC ^* and the AC voltage detection value V _AC detected by the AC voltage detector 15 to the voltage regulator 38, the voltage regulator 38 sets the input voltage deviation to zero. Output a control signal.
[0005]
The voltage of the AC reactor 13 (see FIG. 5) is obtained by the AC current detection value I _AC detected by the AC current detector 14 (see FIG. 5) and the calculator 43. The sum of the reactor voltage, the control signal output from the voltage regulator 38, and the AC voltage command value V _AC ^* is calculated. The divider 40 divides this sum by the value obtained by multiplying the above-described DC voltage detection value V _DC by the gain 44, thereby determining the pulse modulation rate 41. From the carrier output from the carrier generator 39 and the pulse modulation factor 41, the pulse width modulation calculator 29 generates an inverter gate pulse.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-222258 [Patent Document 2]
JP-A-8-321319
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the electric power generated by the fuel cell 1 is converted by the power conversion device (configured by the boost chopper and the voltage type inverter in FIG. 5) and supplied to the load 18. When the load 18 fluctuates, By operating the voltage regulator 22 in response to the fluctuation, the voltage of the smoothing capacitor 5 is maintained at a constant value, but the active power to be output from the fuel cell 1 as a power source increases rapidly due to its characteristics. In such a case, a shortage of gas occurs inside the fuel cell 1, which causes a problem of shortening the battery life. Therefore, if the response speed of the voltage regulator 22 is set to be slow, the voltage recovery becomes gentle even if the load 18 increases rapidly, so that the output active power of the fuel cell 1 is suppressed from increasing rapidly and the battery life is shortened. It can be suppressed. However, when a so-called load interruption accident occurs such that the AC breaker 16 suddenly opens while supplying power to the load 18, the voltage of the smoothing capacitor 5 is reduced because the control response speed of the voltage regulator 22 is slow. This will cause a problem of excessively rising.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to prevent the life of a fuel cell from being shortened even when the load suddenly increases when supplying power from the fuel cell via the power conversion device, and to suppress the occurrence of overvoltage even when the load is interrupted. Is to make it.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a control method and a control device for a power converter for a fuel cell according to the present invention include:
When the active power output from the inverter is detected and the active power is increasing, the response speed for controlling the DC input voltage of the inverter is delayed as compared with when the active power is not increasing.
An active power detection circuit for detecting the active power output by the inverter, an active power increase determination circuit for determining whether or not the active power is increasing, and a DC input voltage of the inverter if the active power is increasing A delay circuit that delays the response speed to be controlled as compared to when the active power is not increasing.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a flowchart showing a first embodiment of the present invention. In this flowchart, the effective power output from the power conversion device that converts the output power of the fuel cell 1 is detected (process 81), and it is determined whether the effective power is increasing (decision 85). If the active power is increasing, the output response power of the fuel cell 1 can be prevented from increasing suddenly by delaying the control response speed of the power converter (process 82). Shortening can be avoided. Also, if the increase in output power stops (determination 86), the control response speed of the power converter is restored (process 83), thereby suppressing overvoltage that occurs when the load is suddenly reduced due to load interruption or the like. Can do.
[0011]
FIG. 2 is a block circuit diagram showing a second embodiment of the present invention. The chopper controller already described in FIG. 6 includes an active power calculator 45, a voltage effective value calculator 46, a divider 47, and a condition. In this configuration, a delay circuit 48, a three-phase / two-phase converter 49, and a three-phase / two-phase converter 50 are added. Therefore, only the additional portion will be described below, and description of the portion already described in FIG. 6 is omitted.
In FIG. 2, when the voltage type inverter has three phases, the three-phase AC current detection value I _AC detected by the AC current detector 14 is expressed by the three-phase / two-phase converter 49 as shown in Equation 1 below. The current is converted into a current of phase a and phase b orthogonal to each other.
[0012]
[Expression 1]

Even AC voltage detection value V _AC three-phase, but is converted to a voltage of a phase and b-phase orthogonal three-phase / two-phase converter 50, which is to replace the current i in Equation 1 to the voltage v Since it is obtained, the mathematical expression display is omitted.
By inputting the current and voltage of the two-phase amount obtained by the three-phase / two-phase converter 49 and the three-phase / two-phase converter 50 to the active power calculator 45, the active power can be calculated by the calculation shown in the following formula 2. P is obtained.
[0013]
[Expression 2]
P = v _a · i _a + v _b · i _b
The voltage effective value calculator 46 obtains the voltage effective value by performing the calculation according to the following Equation 3 using the voltage value of the two-phase amount obtained by the three-phase / two-phase converter 50.
[0014]
[Equation 3]

The divider 47 divides the active power P by the voltage effective value obtained by Equation 3 to calculate a direct current to be output by the chopper. The direct current obtained in this way is composed of an active power increase determination circuit that determines whether or not the active power is increasing, and an operation delay circuit that delays the control response speed if the active power is increasing. To the conditional delay circuit 48. The output of the conditional delay circuit 48 is added to the sum of the output of the voltage regulator 22 and the DC current detection value I _DC and becomes an input to the current regulator 23.
[0015]
FIG. 3 is a block circuit diagram showing an example of the configuration of the conditional delay circuit shown in FIG.
In FIG. 3, whether or not the input signal 55 is increasing by comparing the input signal 55 to the conditional delay circuit with the input value one sampling before obtained by the delay unit 56 using the comparator 57. Can be determined. When the current value is large, the selector 59 operates so as to select the output of the first-order lag filter 58. When the current value is equal to the input value before one sampling, or when the current value is small, the current input signal is 55 is selected as it is.
[0016]
FIG. 4 is a block circuit diagram showing another example of the configuration of the conditional delay circuit shown in FIG.
In FIG. 4, the difference between the input signal 65 to the conditional delay circuit and the output value 70 one sampling before obtained by the delay unit 69 is obtained, and this difference is larger than the value set by the change rate setting unit 66. A comparator 67 compares whether or not the difference is larger. When the difference is larger than the change rate set value, the selector 68 operates to select the sum of the output value 70 before one sampling and the change rate set value, and the difference is equal to or less than the change rate set value. Selects the input signal 65.
[0017]
【The invention's effect】
When a power conversion device is installed on the output side of the fuel cell, if the control response speed of this power conversion device is fast, the gas pressure inside the fuel cell decreases when the load suddenly increases, and the battery life Will be shorter. Therefore, if the control response speed is slowed down, there arises a disadvantage that the voltage rises excessively when the load is suddenly reduced due to load interruption or the like.
On the other hand, in the present invention, an active power increase determination circuit that determines whether or not the active power output from the power converter is increasing, and an operation delay circuit that delays the control operation if the active power is increasing. By providing a conditional delay circuit with the above, the control response speed is delayed when the load fluctuates and the active power increases, and when the active power does not increase, the control response speed is increased. It is possible to prevent the life of the fuel cell from being shortened due to a rapid increase, and to avoid an excessive increase in voltage when the load is interrupted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block circuit diagram showing a second embodiment of the present invention. FIG. 3 shows an example of the configuration of the conditional delay circuit shown in FIG. FIG. 4 is a block circuit diagram showing another example of the configuration of the conditional delay circuit shown in FIG. 2. FIG. 5 is a circuit for supplying power from a fuel cell to a load via a power converter. FIG. 6 is a block diagram showing a conventional example of the configuration of the chopper controller shown in FIG. 5. FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the inverter controller shown in FIG. Block circuit diagram showing a conventional example [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 3 DC current detector 8 Chopper controller 10 Voltage type inverter 14 AC current detector 15 AC voltage detector 17 Inverter controller 22 Voltage regulator 23

Current regulator

26, 29 Pulse

width modulation calculator

27, 39 Carrier Generator 31 Integrator 32 Sine wave function calculator 33 Voltage effective value command value 38 Voltage regulator 45 Active power calculator 46 Voltage effective value calculator 48 Conditional delay circuit 49, 50 Three-phase / two-phase converter 55, 65 Input signals 56 and 69 Delay devices 57 and 67 Comparator 58 Primary delay filter 59 and 68 Selector 66 Change rate setting devices 81 to 83

Processing

85 and 86 Determination

Claims

In the control method of the fuel cell power converter for converting the electric power generated by the fuel cell into a DC input voltage of the inverter by converting the electric power generated by the chopper into a desired DC voltage,
The active power output from the inverter is detected, and when the active power is increased, the response speed for controlling the DC input voltage of the inverter is delayed compared to when the active power is not increasing. To control a power conversion device for a fuel cell.

In the power conversion device for a fuel cell that converts the electric power generated by the fuel cell into a DC input voltage of the inverter by converting it into a desired DC voltage with a chopper, and converts it into AC power with the inverter.
An active power detection circuit for detecting the active power output by the inverter, an active power increase determination circuit for determining whether or not the active power is increasing, and a DC input voltage of the inverter if the active power is increasing A fuel cell power conversion device comprising: a delay circuit that delays a response speed to be controlled compared to when the active power is not increasing.