JP5160371B2 - 交流電力供給装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を発生させる直流電源と、前記直流電源に電気的に接続され、前記直流電源から発生する前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、並列される複数の直流−交流電力変換部と、複数の前記直流−交流電力変換部の運転を制御する制御部とを備える交流電力供給装置及びその制御方法に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層（スタック）されて使用されている。

この種の燃料電池や太陽電池等は、直流電力を発生させる直流電源として、例えば、負荷に交流電力を供給するための交流電力供給装置に用いられている。その際、直流電源で発生する直流電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ等の変換器（直流−交流電力変換部）を介して交流電力に変換されている。

ところが、一般的に、ＤＣ／ＡＣインバータの電力変換効率は、定格時に最高効率が得られる一方、部分負荷時のようにこの定格から離れるのに伴って、前記電力変換効率が低下してしまう。このため、交流電力供給装置全体の効率に影響を及ぼすおそれがあり、これを改善するために、複数のＤＣ／ＡＣインバータを用いる構造が採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている低損失電力供給装置は、図１０に示すように、直流電源１ａとフィルタ２ａとの間に、２台のインバータ３ａ−１、３ａ−２が互いに並列に接続されている。インバータ３ａ−１は、常時運転される冷蔵庫等の負荷の相加容量に相当する容量を有して、常時運転される一方、インバータ３ａ−２は、コントローラ４ａを介して負荷状態に応じて運転したり、停止したりしている。

また、特許文献２に開示されている低損失電力変換装置は、図１１に示すように、直流電源１ｂを備えており、この直流電源１ｂからの直流は、スイッチ２ｂ−１、２ｂ−２及び２ｂ−３を通ってインバータ３ｂ−１、３ｂ−２及び３ｂ−３により交流に変換された後、負荷４ｂ−１、４ｂ−２〜４ｂ−ｎに供給されている。

その際、負荷検出回路５ｂは、変流器６ｂからの負荷電流により負荷の大きさを検出して制御回路７ｂに送るとともに、前記制御回路７ｂは、前記負荷の大きさにより運転するインバータを決定している。

さらに、特許文献３に開示されている電力変換装置の制御方法では、図１２に示すように、直流電源１ｃからの電流がスイッチ２ｃ−１〜２ｃ−３を通じてインバータ３ｃ−１〜３ｃ−３により交流に変換された後、負荷４ｃ−１〜４ｃ−ｎに供給されている。負荷電流検出器５ｃは、負荷４ｃ−１〜４ｃ−ｎに供給される負荷電流を検出し、その検出値を制御回路６ｃに入力している。

制御回路６ｃは、検出された負荷電流に応じて運転するインバータの数を決定するとともに、前記制御回路６ｃは、さらに記憶装置７ｃに記憶されているインバータ３ｃ−１〜３ｃ−３の運転状態を参照し、次に運転するインバータあるいは停止するインバータを決定している。

さらにまた、特許文献４に開示されている低損失電力変換装置は、複数のインバータを並列に設けるとともに、負荷毎に該負荷が起動されているか否かを検知する負荷検知手段、該負荷検知手段が当該負荷の起動を検出する毎に該負荷の容量を入力する負荷容量入力手段、該負荷容量入力手段の出力を加算する加算手段、該加算手段の出力により前記複数のインバータのうちから運転するインバータを決定し、該インバータを起動するインバータ起動手段を設けている。

特開昭６１−１３５３６４号公報 特開昭６１−１３５３６５号公報 特開昭６１−１３５３６６号公報 特開昭６１−２７３１７８号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、各インバータ３ａ−１、３ａ−２の容量は、各負荷の容量に応じて決定されている。すなわち、インバータ３ａ−１、３ａ−２は、一定の負荷にのみ対応するものであり、適応範囲が狭い。従って、直流電源１ａの定格から部分負荷までの広域な運転範囲において、電力変換効率の向上を図ることができないという問題がある。

しかも、種々の異なる負荷に対応させるためには、それぞれの負荷の容量に応じた数のインバータを設けなければならない。これにより、インバータの個数が相当に増加してしまい、経済的ではないという問題がある。

また、特許文献２では、負荷４ｂ−１〜４ｂ−ｎの数が多くなるのに従って、これらに対応してインバータ３ｂ−１〜３ｂ−３の数を増加させる必要がある。このため、システムが複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。

さらに、上記の特許文献３では、上記の特許文献２と同様に、負荷４ｂ−１〜４ｂ−ｎに対応して広域な運転範囲に適応させるためには、インバータ３ｂ−１〜３ｂ−３の数に依存させなければならず、システムが複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。しかも、負荷４ｂ−１〜４ｂ−ｎの数が増加するのに伴って、インバータ数も増加させる必要があり、低コスト化を図ることができないという問題がある。

さらにまた、上記の特許文献４では、複数のインバータを並列に設けるだけであり、直流電源の定格から部分負荷まで広域な運転範囲において、電力変換効率の向上を図ることができないという問題がある。しかも、負荷の数に対応してインバータ数を増加させる必要があり、低コスト化を図ることができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、直流−交流電力変換部の数を可及的に削減させることができ、構成の簡素化及び低コスト化を図るとともに、広域な運転範囲での電力変換効率の向上を図ることが可能な交流電力供給装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、直流電力を発生させる直流電源と、前記直流電源に電気的に接続され、前記直流電源から発生する前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、並列される複数の直流−交流電力変換部と、複数の前記直流−交流電力変換部の運転を制御する制御部とを備える交流電力供給装置に関するものである。

そして、ｎ（ｎ：２以上の自然数）個の直流−交流電力変換部の中、ｍ（１≦ｍ≦ｎ：自然数）個目の前記直流−交流電力変換部の容量Ａ（ｍ）は、直流電源の定格出力Ｗに対して、Ａ（ｍ）＝２ｍＷ／ｎ（ｎ＋１）の関係に設定されている。

また、交流電力供給装置は、負荷が必要とする需要電力である負荷需要電力を検出する負荷需要電力検出部を備え、制御部は、検出された前記負荷需要電力に応じて、複数の直流−交流電力変換部毎の運転を制御することが好ましい。

このため、検出された負荷需要電力に応じて、直流電源の定格から部分負荷までの広域な運転範囲において、電力変換効率の向上を図ることができ、交流電力供給装置全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることが可能になり、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

さらに、交流電力供給装置は、複数の直流−交流電力変換部毎の性能情報又は運転履歴を記憶する記憶部を備えることが好ましい。従って、予め、各直流−交流電力変換部の性能情報又は運転履歴を記憶することにより、各直流−交流電力変換部の制御を、きめ細かく行うことができ、前記各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命が向上して経済的である。

さらにまた、制御部は、複数の直流−交流電力変換部のうち、負荷需要電力を賄うことが可能な且つ容量が小さい方の前記直流−交流電力変換部を、優先して運転するように制御することが好ましい。これにより、負荷需要電力に見合った直流−交流電力変換部を運転することができ、電力変換効率の向上が図られ、交流電力供給装置全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることが可能になり、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

また、制御部は、複数の直流−交流電力変換部のうち、負荷需要電力に対して変換効率の高い方の前記直流−交流電力変換部を、優先して運転するように制御することが好ましい。このため、負荷需要電力に見合った直流−交流電力変換部を運転することができ、電力変換効率の向上が図られ、交流電力供給装置全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることが可能になり、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

さらに、制御部は、複数の直流−交流電力変換部のうち、累積運転時間の少ない方の前記直流−交流電力変換部を、優先して運転するように制御することが好ましい。従って、各直流−交流電力変換部を、均一の累積運転時間で運転させることができる。一方、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることが可能になり、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命が有効に向上する。

さらにまた、直流電源は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であることが好ましい。これにより、燃料電池の定格から部分負荷までの広域な運転範囲にわたって、直流電力を交流電力に効率的に変換させることが可能になる。

また、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。このため、各種燃料電池のうちで、特に固体酸化物形燃料電池に適用することにより、高い発電効率を維持することができ、最適である。

さらに、直流電源は、太陽電池であることが好ましい。従って、燃料電池の他、太陽電池にも適用され、汎用性の向上が図られる。

さらにまた、直流電源は、交流発電機と前記交流発電機に電気的に接続される交流−直流電力変換部と備えることが好ましい。これにより、直流電源として、各種の交流発電機を組み込むことが可能になり、さらなる汎用性の向上が確実に図られる。

また、交流発電機は、少なくとも風力発電機又はエンジン発電機のいずれかであることが好ましい。このため、交流電力供給装置は、簡単且つ経済的に構成されるとともに、汎用性の一層の向上が容易に図られる。

さらに、本発明は、直流電力を発生させる直流電源と、前記直流電源に電気的に接続され、前記直流電源から発生する前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、並列される複数の直流−交流電力変換部と、複数の前記直流−交流電力変換部の運転を制御する制御部とを備え、ｎ（ｎ：２以上の自然数）個の前記直流−交流電力変換部の中、ｍ（１≦ｍ≦ｎ：自然数）個目の前記直流−交流電力変換部の容量Ａ（ｍ）は、前記直流電源の定格出力Ｗに対して、Ａ（ｍ）＝２ｍＷ／ｎ（ｎ＋１）の関係に設定される交流電力供給装置の制御方法に関するものである。

この制御方法は、負荷が必要とする需要電力である負荷需要電力を検出する第１工程と、検出された前記負荷需要電力に応じて、複数の直流−交流電力変換部の運転の組み合わせを設定する第２工程と、前記組み合わせが複数あるか否かを判断する第３工程と、前記組み合わせが複数あると判断された際、前記組み合わせのうち、１つを選択する第４工程とを有している。

さらにまた、第４工程は、複数の組み合わせのうち、負荷需要電力を賄うことが可能な且つ容量が小さい方の前記組み合わせを、優先して選択することが好ましい。従って、負荷需要電力に見合った直流−交流電力変換部を運転することができ、電力変換効率の向上が図られ、交流電力供給装置全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることが可能になり、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

また、第４工程は、複数の組み合わせのうち、負荷需要電力に対して変換効率の高い方の前記組み合わせを、優先して選択することが好ましい。これにより、負荷需要電力に見合った直流−交流電力変換部を運転することができ、電力変換効率の向上が図られ、交流電力供給装置全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることが可能になり、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

さらに、第４工程は、複数の組み合わせのうち、累積運転時間の少ない方の前記組み合わせを、優先して選択することが好ましい。このため、各直流−交流電力変換部を、均一の累積運転時間で運転させることができる。一方、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることが可能になり、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命が有効に向上する。

さらにまた、直流電源は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であることが好ましい。従って、燃料電池の定格から部分負荷までの広域な運転範囲にわたって、直流電力を交流電力に効率的に変換させることが可能になる。

また、直流電源は、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。これにより、燃料電池のうちで、特に固体酸化物形燃料電池に適用することにより、高い発電効率を維持することができ、最適である。

さらに、直流電源は、太陽電池であることが好ましい。このため、燃料電池の他、太陽電池にも適用され、汎用性の向上が図られる。

さらに、直流電源は、交流発電機と前記交流発電機に電気的に接続される交流−直流電力変換部とを備えることが好ましい。従って、直流電源として、各種の交流発電機を組み込むことが可能になり、さらなる汎用性の向上が確実に図られる。

さらにまた、交流発電機は、少なくとも風力発電機又はエンジン発電機のいずれかであることが好ましい。これにより、交流電力供給装置は、簡単且つ経済的に構成されるとともに、汎用性の一層の向上が容易に図られる。

本発明によれば、複数の直流−交流電力変換部を並列に運転することができ、直流電源の定格から部分負荷までの広域な運転範囲において、電力変換効率の向上を図ることが可能になり、交流電力供給装置全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることができ、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

さらに、複数の直流−交流電力変換部は、それぞれの容量が異なって設定されている。このため、直流−交流電力変換部の数の増加を可及的に抑制して、広域な運転範囲に良好に対応することが可能になり、交流電力供給装置全体の簡素化及び低コスト化が図られる。

さらにまた、直流電源の定格出力Ｗに対し、多段数の発電出力（より広域な運転範囲）において、それぞれ容量の異なる直流−交流電力変換部を組み合わせて運転させることにより、電力変換効率の向上を図ることができ、交流電力供給装置全体の発電効率がより向上する。

また、本発明では、検出された負荷需要電力に応じて、複数の直流−交流電力変換部の運転の組み合わせを設定することにより、電力変換効率の向上を図ることができ、交流電力供給装置全体の発電効率を向上させることが可能になる。

しかも、直流−交流電力変換部の運転の組み合わせが複数ある際に、最適な組み合わせを選択することができ、各直流−交流電力変換部の運転制御をきめ細かく行うことが可能になる。その上、運転する必要のない直流−交流電力変換部を停止させることができ、各直流−交流電力変換部の耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る交流電力供給装置１０の概略構成図である。

交流電力供給装置１０は、直流電力を発生させる直流電源１２と、前記直流電源１２に電気的に接続され、前記直流電源１２から発生する前記直流電力を交流電力に変換して負荷１４に供給するとともに、並列される複数、例えば、３台の第１ＤＣ／ＡＣインバータ（直流−交流電力変換部）１６ａ、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ及び第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃと、前記第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜前記第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの運転を制御する制御部１８とを備える。負荷１４は、交流電力供給装置１０が家庭用燃料電池システムとして使用される際には、各種の家電製品である。

直流電源１２は、燃料電池２０と、前記燃料電池２０で発生した直流電力を所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２２とを備える。燃料電池２０は、好適には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。固体酸化物形燃料電池は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設したＭＥＡ（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。

この固体酸化物形燃料電池は、通常、ＭＥＡとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されるとともに、脱硫装置、改質装置及び熱交換装置等と組み合わされて構成されている。

直流電源１２の出力側には、電力供給線２４が接続され、前記電力供給線２４には、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して補機２８が接続される。補機２８は、燃料電池２０を駆動させるための機器であり、前記燃料電池２０に燃料ガスを供給するポンプ及び前記燃料電池２０に酸化剤ガス（空気）を供給するブロア等を含む。

電力供給線２４は、第１電力供給線２４ａ、第２電力供給線２４ｂ及び第３電力供給線２４ｃに分岐する。第１電力供給線２４ａには、電磁接触器等の第１スイッチ３０ａと第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａとが直列に接続され、第２電力供給線２４ｂには、第２スイッチ３０ｂと第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂとが直列に接続され、第３電力供給線２４ｃには、第３スイッチ３０ｃと第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃとが直列に接続される。

第１電力供給線２４ａ〜第３電力供給線２４ｃの下流側は、電力供給線２４に合流して負荷１４に接続されるとともに、この負荷１４は、系統電源３２に接続される。

電力供給線２４には、負荷電流検出器３４が設けられ、この負荷電流検出器３４による検出値が負荷検出部３６に入力される。負荷検出部３６は、制御部１８に接続されるとともに、前記制御部１８には、記憶部３８及びマップ４０が必要に応じて設けられる。記憶部３８には、例えば、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの性能情報や運転履歴が記憶される。

直流電源１２の定格出力Ｗに対して、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａの容量Ａ（１）は、Ｗ／６に設定され、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂの容量Ａ（２）は、Ｗ／３に設定され、第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの容量Ａ（３）は、Ｗ／２に設定される。すなわち、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃでは、容量Ａ（１）＜容量Ａ（２）＜容量Ａ（３）の関係を有する。

本発明では、ｎ（ｎ：２以上の自然数）個のＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜１６ｎが用いられる場合、ｍ（１≦ｍ≦ｎ：自然数）個目の前記ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｍの容量Ａ（ｍ）は、直流電源１２の定格出力Ｗに対して、Ａ（ｍ）＝２ｍＷ／ｎ（ｎ＋１）の関係に設定される。

図２には、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの組み合わせが示される。Ｗ／６〜Ｗの合計容量が得られる組み合わせは、組み合わせＮｏ．１〜Ｎｏ．７に設定される。この組み合わせは、例えば、予めマップ４０に記憶され、あるいは、計算式を用いて計算される。

このように構成される交流電力供給装置１０の動作について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

交流電力供給装置１０では、直流電源１２として燃料電池２０を備えており、この燃料電池２０が駆動されて直流電力が発生する。この直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して所定の電圧（定格出力Ｗ）に調整された後、電力供給線２４に出力される。出力された直流電圧の一部は、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して補機２８に導入され、燃料電池２０を駆動させる。

電力供給線２４は、第１電力供給線２４ａ、第２電力供給線２４ｂ及び第３電力供給線２４ｃに分岐されており、第１スイッチ３０ａ、第２スイッチ３０ｂ及び第３スイッチ３０ｃがオン（接続）されると、直流電源１２からの直流電力は、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ及び第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃで、それぞれ所望の容量に応じて交流電力に変換され、負荷１４に供給される。

一方、負荷検出部３６は、負荷電流検出器３４を介して負荷１４に供給される負荷電流を検出し、その検出信号を制御部１８に送る。この制御部１８では、検出された負荷電流に基づいて、負荷１４が必要とする需要電力である負荷需要電力Ｘを算出する（ステップＳ１）。

次いで、ステップＳ２に進んで、算出された負荷需用電力Ｘに見合ったインバータ組み合わせ検索が行われる。具体的には、図４に示すように、負荷需用電力Ｘが、Ｗ／６を超えているか否かが判断される（ステップＳ１１）。負荷需用電力Ｘが、Ｗ／６以下であると判断されると（ステップＳ１１中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進んで、組み合わせＮｏ．１が選択される（図２参照）。組み合わせＮｏ．１は、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａのみが運転される一方、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ及び第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃは、停止される組み合わせである。

従って、図１において、第１スイッチ３０ａがオンされる一方、第２スイッチ３０ｂ及び第３スイッチ３０ｃがオフされる。これにより、直流電源１２から出力される直流電力は、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａのみによって交流電力に変換された後、負荷１４に供給される。

ステップＳ１１で、負荷需要電力Ｘが、Ｗ／６を超えていると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。そして、負荷需要電力Ｘが、２Ｗ／６以下であると判断されると（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１４に進んで、組み合わせＮｏ．２が選択される。この組み合わせＮｏ．２では、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂが運転される一方、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ及び第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃが停止される。

また、ステップＳ１３において、負荷需要電力Ｘが、２Ｗ／６を超えていると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進んで、前記負荷需要電力Ｘが、３Ｗ／６を超えているか否かが判断される。

ここで、負荷需要電力Ｘが３Ｗ／６以下であると判断されると（ステップＳ１５中、ＮＯ）、ステップＳ１６に進んで、組み合わせＮｏ．３及び組み合わせＮｏ．４が検索される。すなわち、組み合わせＮｏ．３では、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａと第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂが運転される一方、第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃが停止される。また、組み合わせＮｏ．４では、第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃが運転される一方、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ及び第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂが停止される。

このため、ステップＳ３で、複数の組み合わせがあると判断され（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、いずれかの組み合わせの選択が行われる。この選択処理では、組み合わせＮｏ．３と組み合わせＮｏ．４とにおいて、累積時間（使用履歴）の少ない方が選択され、あるいは、要求電力に対する効率のよい方が選択される。

具体的には、図５に示すように、小容量の第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａは、これよりも大きな容量の第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ及び第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃに比べて低出力で高効率が得られている。従って、図５に基づいて、組み合わせＮｏ．３と組み合わせＮｏ．４との効率を比較し、効率のよい方が選択される。なお、図５に示す第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの出力と効率との関係は、例えば、マップ４０として制御部１８に読み込まれる。

図４において、負荷需要電力Ｘが、３Ｗ／６を超えていると判断されると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進む。このステップＳ１７で、負荷需要電力Ｘが、４Ｗ／６以下であると判断されると（ステップＳ１７中、ＮＯ）、ステップＳ１８に進んで、組み合わせＮｏ．５が選択される。この組み合わせＮｏ．５では、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａと第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃとが運転される一方、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂが停止される。

負荷需要電力Ｘが、４Ｗ／６を超えていると判断されると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１９に進む。このステップＳ１９で、負荷需要電力Ｘが、５Ｗ／６以下であると判断されると（ステップＳ１９中、ＮＯ）、ステップＳ２０に進んで、組み合わせＮｏ．６が選択される。この組み合わせＮｏ．６では、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃとが運転される一方、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａが停止される。

一方、負荷需要電力Ｘが、５Ｗ／６を超えていると判断されると（ステップＳ１９中、ＹＥＳ）、ステップＳ２１に進んで、組み合わせＮｏ．７が選択される。この組み合わせＮｏ．７では、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ及び第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃが運転される。

この場合、第１の実施形態では、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ及び第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃを並列に運転することができ、直流電源１２の定格から部分負荷までの広域な運転範囲において、電力変換効率の向上を図ることが可能になる。このため、交流電力供給装置１０全体の発電効率が良好に向上する。

しかも、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃのうち、運転する必要のないインバータを停止させることができ、前記第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜前記第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

さらに、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａの容量Ａ（１）は、Ｗ／６に設定され、第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂの容量Ａ（２）は、Ｗ／３に設定され、第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの容量Ａ（３）は、Ｗ／２に設定されている。このため、インバータ数の増加を可及的に抑制して、広域な運転範囲に良好に対応することが可能になり、交流電力供給装置１０全体の簡素化及び低コスト化が図られるという効果が得られる。

その上、直流電源１２の定格出力Ｗに対し、多段数の発電出力（より広域な運転範囲）において、それぞれ容量の異なる第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃを組み合わせて運転させることができる。これにより、電力変換効率の向上を図ることが可能になり、交流電力供給装置１０全体の発電効率がより向上する利点がある。

ここで、図６には、第１の実施形態及び従来構造のインバータ個数と発電出力の段数との関係が示されている。

従来構造では、複数のインバータが同一容量に設定されるため、発電出力の段数（電力変換効率が特に良い点の数）は、インバータ数と同一である。これに対して、第１の実施形態では、複数のインバータがそれぞれ異なる容量に設定されるため、発電出力の段数（電力変換効率が特に良い点の数）は、インバータ数よりも大幅に増加させることができる。

これにより、インバータ数の増加を可及的に抑制し、広域な運転範囲（多段数の発電出力）に良好に対応することができるという効果が得られる。なお、第１の実施形態では、インバータ数が３台に設定されているが、これに限定されるものではなく、２台以上であればよい。

さらに、図２に示すように、同一の負荷需要電力Ｘに対して、複数の組み合わせ数が存在する場合、すなわち、組み合わせＮｏ．３及び組み合わせＮｏ．４が存在する場合、累積時間（使用履歴）の少ないもの、あるいは、効率のよいものが選択される。

従って、最適な組み合わせを選択することができ、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの運転制御をきめ細かく行うことが可能になる。その上、運転する必要のないインバータを停止させることができ、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

また、交流電力供給装置１０は、負荷１４が必要とする負荷需要電力を検出する負荷検出部３６を備え、制御部１８は、検出された前記負荷需要電力に応じて、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃ毎の運転を制御している。

このため、検出された負荷需要電力に応じて、直流電源１２の定格から部分負荷までの広域な運転範囲において、電力変換効率の向上を図ることができ、交流電力供給装置１０全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のないインバータを停止させることが可能になり、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

さらに、交流電力供給装置１０は、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃ毎の性能情報又は運転履歴を記憶する記憶部３８を備えている。従って、予め、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの性能情報又は運転履歴を記憶することにより、前記第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜前記第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの制御を、きめ細かく行うことができ、前記前記第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜前記第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの耐久性及び寿命が向上して経済的である。

さらにまた、制御部１８は、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃのうち、負荷需要電力を賄うことが可能な且つ容量が小さい方のインバータを、優先して運転するように制御している（図２参照）。これにより、負荷需要電力に見合ったインバータを運転することができ、電力変換効率の向上が図られ、交流電力供給装置１０全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のないインバータを停止させることが可能になり、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

また、制御部１８は、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃのうち、負荷需要電力に対して変換効率の高い方のインバータを、優先して運転するように制御している。インバータは、容量の相違によって出力と効率との関係が異なっている。具体的には、図２において、負荷需要電力Ｘを満たす組み合わせが、ＮＯ．３及びＮＯ．４である際、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａと第２ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂとを組み合わせた（ＮＯ．３）効率と、第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃのみによる（ＮＯ．４）効率とが比較され（図５参照）、高効率の組み合わせが選択されている。

このため、負荷需要電力に見合ったインバータを運転することができ、電力変換効率の向上が図られ、交流電力供給装置１０全体の発電効率が良好に向上する。しかも、運転する必要のないインバータを停止させることが可能になり、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの耐久性及び寿命の向上が容易に図られる。

さらに、制御部１８は、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃのうち、累積運転時間の少ない方のインバータを、優先して運転するように制御している。従って、第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃを、均一の累積運転時間で運転させることができる一方、運転する必要のないインバータを停止させることが可能になり、前記第１ＤＣ／ＡＣインバータ１６ａ〜前記第３ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｃの耐久性及び寿命が有効に向上する。

さらにまた、直流電源１２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２０である。これにより、燃料電池２０の定格から部分負荷までの広域な運転範囲にわたって、直流電力を交流電力に効率的に変換させることが可能になる。

また、燃料電池２０は、固体酸化物形燃料電池である。このため、各種燃料電池のうちで、特に固体酸化物形燃料電池に適用することにより、高い発電効率を維持することができ、最適である。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る交流電力供給装置５０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る交流電力供給装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

交流電力供給装置５０を構成する直流電源５２は、太陽電池５４と、この太陽電池５４から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５６とを備える。従って、第２の実施形態では、直流電源５２として太陽電池５４を用いることができ、汎用性の向上が図られる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る交流電力供給装置６０の概略構成図である。

この交流電力供給装置６０を構成する直流電源６２は、交流発電機である風力発電機６４と、この風力発電機６４から出力される交流電圧を所定の直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ６６とを備える。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る交流電力供給装置７０の概略構成図である。

この交流電力供給装置７０を構成する直流電源７２には、交流発電機であるエンジン発電機７４と、前記エンジン発電機７４から出力される交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ７６とを備える。

上記の第３及び第４の実施形態では、直流電源６２、７２は、交流発電機（風力発電機６４及びエンジン発電機７４）と、前記交流発電機に電気的に接続される交流−直流電力変換機（ＡＣ／ＤＣコンバータ６６、７６）とを備えている。

これにより、直流電源６２、７２として各種の交流発電機を組み込むことが可能になり、さらなる汎用性の向上が確実に図られる。しかも、交流発電機として、風力発電機６４やエンジン発電機７４を用いることにより、交流電力供給装置６０、７０は、簡単且つ経済的に構成されるとともに、汎用性の向上が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る交流電力供給装置の概略構成図である。 各インバータの組み合わせの説明図である。 前記交流電力供給装置の制御方法を説明するフローチャートである。 インバータ組み合わせ検索を説明するフローチャートである。 容量の異なる各インバータの出力と効率との関係説明図である。 第１の実施形態及び従来構造のインバータ個数と発電出力の段数（電力変換効率が特に良い点の数）との説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る交流電力供給装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る交流電力供給装置の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る交流電力供給装置の概略構成図である。 特許文献１の低損失電力変換装置の説明図である。 特許文献２の低損失電力変換装置の説明図である。 特許文献３の電力変換装置の説明図である。

符号の説明

１０、５０、６０、７０…交流電力供給装置
１２、５２、６２、７２…直流電源 １４…負荷
１６ａ〜１６ｃ…ＤＣ／ＡＣインバータ １８…制御部
２０…燃料電池 ２２、５６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４…電力供給線 ２８…補機
３０ａ〜３０ｃ…スイッチ ３２…系統電源
３４…負荷電流検出器 ３６…負荷検出部
３８…記憶部 ４０…マップ
５４…太陽電池 ６４…風力発電機
６６、７６…ＡＣ／ＤＣコンバータ ７４…エンジン発電機

Claims (18)

1. 直流電力を発生させる直流電源と、
   前記直流電源に電気的に接続され、前記直流電源から発生する前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、並列される複数の直流−交流電力変換部と、
   複数の前記直流−交流電力変換部の運転を制御する制御部と、
   を備える交流電力供給装置であって、
   ｎ（ｎ：２以上の自然数）個の前記直流−交流電力変換部の中、ｍ（１≦ｍ≦ｎ：自然数）個目の前記直流−交流電力変換部の容量Ａ（ｍ）は、前記直流電源の定格出力Ｗに対して、Ａ（ｍ）＝２ｍＷ／ｎ（ｎ＋１）の関係に設定され、
   前記制御部は、複数の前記直流−交流電力変換部の運転及び停止の組み合わせのうち、前記負荷が必要とする需要電力である負荷需要電力を賄うことが可能な且つ運転となっている前記直流−交流電力変換部の容量の和が小さい方の組み合わせを、優先して運転するように制御することを特徴とする交流電力供給装置。
2. 請求項１記載の交流電力供給装置において、前記負荷需要電力を検出する負荷需要電力検出部を備え、
   前記制御部は、検出された前記負荷需要電力に応じて、複数の前記直流−交流電力変換部毎の運転を制御することを特徴とする交流電力供給装置。
3. 請求項１又は２記載の交流電力供給装置において、複数の前記直流−交流電力変換部毎の性能情報又は運転履歴を記憶する記憶部を備えることを特徴とする交流電力供給装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流電力供給装置において、前記制御部は、複数の前記直流−交流電力変換部の運転及び停止の組み合わせのうち、前記負荷需要電力に対して運転となっている前記直流−交流電力変換部の変換効率の高い方の組み合わせを、優先して運転するように制御することを特徴とする交流電力供給装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の交流電力供給装置において、前記制御部は、複数の前記直流−交流電力変換部の運転及び停止の組み合わせのうち、運転となっている前記直流−交流電力変換部の累積運転時間の少ない方の組み合わせを、優先して運転するように制御することを特徴とする交流電力供給装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の交流電力供給装置において、前記直流電源は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であることを特徴とする交流電力供給装置。
7. 請求項６記載の交流電力供給装置において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする交流電力供給装置。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の交流電力供給装置において、前記直流電源は、太陽電池であることを特徴とする交流電力供給装置。
9. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の交流電力供給装置において、前記直流電源は、交流発電機と前記交流発電機に電気的に接続される交流−直流電力変換部とを備えることを特徴とする交流電力供給装置。
10. 請求項９記載の交流電力供給装置において、前記交流発電機は、少なくとも風力発電機又はエンジン発電機のいずれかであることを特徴とする交流電力供給装置。
11. 直流電力を発生させる直流電源と、
    前記直流電源に電気的に接続され、前記直流電源から発生する前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、並列される複数の直流−交流電力変換部と、
    複数の前記直流−交流電力変換部の運転を制御する制御部と、
    前記負荷が必要とする需要電力である負荷需要電力を検出する負荷需要電力検出部と、
    を備え、
    ｎ（ｎ：２以上の自然数）個の前記直流−交流電力変換部の中、ｍ（１≦ｍ≦ｎ：自然数）個目の前記直流−交流電力変換部の容量Ａ（ｍ）は、前記直流電源の定格出力Ｗに対して、Ａ（ｍ）＝２ｍＷ／ｎ（ｎ＋１）の関係に設定される交流電力供給装置の制御方法であって、
    前記負荷需要電力検出部により前記負荷需要電力を検出する第１工程と、
    検出された前記負荷需要電力に応じて、複数の前記直流−交流電力変換部の運転及び停止の組み合わせのうち、前記負荷需要電力を賄うことが可能な且つ運転となっている前記直流−交流電力変換部の容量の和が小さい方の組み合わせを前記制御部により設定する第２工程と、
    を有することを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。
12. 請求項１１記載の制御方法において、前記負荷需要電力を賄うことが可能な且つ運転となっている前記直流−交流電力変換部の容量の和が小さい方の組み合わせが複数あるか否かを前記制御部により判断する第３工程と、
    前記組み合わせが複数あると判断された際、複数の前記組み合わせのうち、前記負荷需要電力に対して変換効率の高い方の組み合わせを、前記制御部により優先して選択する第４工程と、
    をさらに有することを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。
13. 請求項１１記載の制御方法において、前記負荷需要電力を賄うことが可能な且つ運転となっている前記直流−交流電力変換部の容量の和が小さい方の組み合わせが複数あるか否かを前記制御部により判断する第３工程と、
    前記組み合わせが複数あると判断された際、複数の前記組み合わせのうち、累積運転時間の少ない方の組み合わせを、前記制御部により優先して選択する第４工程と、
    をさらに有することを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。
14. 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の制御方法において、前記直流電源は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であることを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。
15. 請求項１４記載の制御方法において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。
16. 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の制御方法において、前記直流電源は、太陽電池であることを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。
17. 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の制御方法において、前記直流電源は、交流発電機と前記交流発電機に電気的に接続される交流−直流電力変換部とを備えることを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。
18. 請求項１７記載の制御方法において、前記交流発電機は、少なくとも風力発電機又はエンジン発電機のいずれかであることを特徴とする交流電力供給装置の制御方法。

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