JP6475945B2 - 電力供給機器、電力供給方法、及び電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、電力供給機器、電力供給方法、及び電力供給システムに関するものである。

近年、石油に依存しないエネルギー安全保障（セキュリティ）の向上、及び排出ガスに窒素酸化物を含まないクリーンエネルギー化等の観点から、ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池による発電システムへの期待が高まっている。そして、燃料電池を利用した数々の燃料電池給電システムが提案されている。例えば、特許文献１には、停電時に燃料電池の自立運転を支援する自立運転支援装置が開示されている。

この燃料電池は、使用する電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００度以下の低温タイプには、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）などがあり、高温タイプには、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）などがある。

例えば、固体酸化物形燃料電池では、動作温度として７００−１０００度程度が必要とされるため、燃料電池の起動時には、外部から一定の電力量を供給して燃料電池セル（電池部）の温度を所定温度まで高める必要がある。しかも、燃料電池セルの材質には高耐熱性が要求されるため、一般にセラミックスなどの脆性材料が使用されており、ある程度時間をかけて温度上昇させる必要がある。例えば、ある固体酸化物形燃料電池では、２００Ｗの起動電力を約２時間にわたって供給し続ける必要がある。

特開２０１３− ５１８７９号公報

上述のように、燃料電池は、外部から電力を供給して起動する必要があるため、停電等の理由により商用電源系統から電力供給が受けられなくなると、蓄電池等の他の分散型電源から電力供給を受ける必要がある。この場合、蓄電池からの出力電力を、電力供給機器向けの定格出力電力が大きいインバータで電力変換して燃料電池に供給しようとすると、インバータを変換効率が適切ではない動作点で用いることになる。そのため、本来燃料電池の起動に必要とされる以上の電力が燃料電池の起動時に消費されるという問題があった。

かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、燃料電池を起動する際の消費電力の浪費を低減することができる、電力供給機器、電力供給方法、及び電力供給システムを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力供給機器は、蓄電池を含む分散型電源からの直流電力を交流電力に変換する第１インバータと、該第１インバータよりも定格出力電力が小さく、前記蓄電池からの直流電力を、発電装置を起動する交流電力に変換するための第２インバータと、商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の起動時に前記第２インバータを前記発電装置と接続し、前記発電装置の発電時に前記第１インバータを前記発電装置と接続し前記第１インバータ経由で前記蓄電池に発電電力を供給する制御部とを備えたことを特徴とする。

また、前記電力供給機器は、商用電源系統と連系して負荷に電力供給を行う機器であって、前記制御部は、前記商用電源系統と解列した自立運転時に、前記第２インバータを前記発電装置と接続することが好ましい。

また、前記制御部は、少なくとも前記発電装置の起動に要する電力を前記蓄電池に充電するように制御を行うことが好ましい。

また、前記発電装置は、前記商用電源系統と該発電装置との間に配置された電流センサが順潮流の電流を検出する間発電を行い、前記制御部は、前記第２インバータで前記発電装置を起動しており、前記電流センサが検出する順潮流の電流を擬似電流生成回路で発生させた時に前記第２インバータを流れる電流の向きの変化を検出して、前記発電装置が発電可能か否かを判定することが好ましい。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力供給方法は、蓄電池を含む分散型電源からの直流電力を、第１インバータにより交流電力に変換するステップと、前記蓄電池からの直流電力を、前記第１インバータよりも定格出力電力が小さい第２インバータにより、発電装置を起動する交流電力に変換するステップと、商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の起動時に前記第２インバータを前記発電装置と接続するステップと、前記商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の発電時に前記第１インバータを前記発電装置と接続し前記第１インバータ経由で前記蓄電池に発電電力を供給するステップとを含むことを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力供給システムは、発電装置と、蓄電池と、前記蓄電池を含む分散型電源からの直流電力を交流電力に変換する第１インバータと、該第１インバータよりも定格出力電力が小さく、前記蓄電池からの直流電力を前記発電装置を起動する交流電力に変換するための第２インバータと、商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の起動時に前記第２インバータを前記発電装置と接続し、前記発電装置の発電時に前記第１インバータを前記発電装置と接続し前記第１インバータ経由で前記蓄電池に発電電力を供給する制御部とを有する電力供給機器とを備えることを特徴とする。

本発明に係る電力供給機器、電力供給方法、及び電力供給システムによれば、燃料電池を起動する際の消費電力の浪費を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの連系運転時における制御例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの自立運転時（放電時）における制御例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの自立運転時における制御フローを示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの自立運転時（燃料電池起動時）における制御例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの燃料電池発電可能判定時における、擬似電流及び電流センサ出力波形の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの自立運転時（燃料電池発電可能時）における制御例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの自立運転時（燃料電池発電時）における制御例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力供給システム１００の概略の構成を示すブロック図である。なお、図１において、破線は制御信号又は通信される情報の流れを表す。本実施形態に係る電力供給システム１００は、電力供給機器１０１と、蓄電池１１と、電流センサ２３と、分電盤２４と、燃料電池２５とを備える。また、図１には、電力供給システム１００に接続されて用いられる太陽電池１０ａ，１０ｂ、商用電源系統２０、電流センサ２１、連系運転スイッチ２２、及び負荷２６を併せて示す。

電力供給機器１０１は、太陽電池１０ａ，１０ｂ、蓄電池１１等の分散型電源からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源系統２０と連系して負荷２６等に供給するための機器である。電力供給機器１０１は、第１インバータ１、第２インバータ２、電圧変換器３ａ〜３ｃ、スイッチ４ａ〜４ｃ、電流センサ５ａ，５ｂ、擬似電流生成回路６、及び制御部７を備える。

電圧変換器３ａ〜３ｃは、太陽電池１０ａ，１０ｂ、及び蓄電池１１からの直流出力電圧が所定の直流電圧値になるようにＤＣ／ＤＣ変換を行う。より具体的には、電圧変換器３ａ〜３ｃは、ＤＣ／ＤＣ変換回路を有し、太陽電池１０ａ，１０ｂ、及び蓄電池１１からの直流入力電圧を、所定の目標電圧値まで昇圧してから、第１インバータ１に出力する。電力供給機器１０１は、いわゆるＤＣリンクシステムの構成を有しており、電圧変換器３ａ〜３ｃは、太陽電池１０ａ，１０ｂ及び蓄電池１１からの直流電力が同一電圧値になるようにそれぞれ電圧変換を行う。

特に電圧変換器３ｃは双方向のＤＣ／ＤＣ変換を行うことが可能である。電圧変換器３ｃは、太陽電池１０ａ，１０ｂ又は第１インバータ１からの直流出力電力を降圧又は昇圧して蓄電池１１に充電し、蓄電池１１からの直流電力を昇圧又は降圧して第１インバータ１に供給することができる。

なお、ＤＣリンクシステムとは、太陽電池１０ａ，１０ｂ、蓄電池１１等からの電力を直流電力のままリンクさせ、一つのインバータを使って交流電力に変換し負荷に供給するシステムである。従来のように分散電源ごとに出力をインバータで変換する必要がないため変換ロスが少なく効率の向上が見込める他、システムが簡素になりコストダウンが実現できる。また直流電力をリンクさせるので電力の制御も容易になる等の利点がある。

第１インバータ１は、太陽電池１０ａ，１０ｂ、及び蓄電池１１からの電圧変換後の電力を、負荷２６に対応した電力に変換する。本実施形態において、第１インバータ１は、太陽電池１０ａ，１０ｂ、及び蓄電池１１からの電圧変換後の電力を交流１００Ｖに変換する。交流１００Ｖに変換された電力は、スイッチ４ａ又はスイッチ４ｂ、及び電流センサ２３を経由して、分電盤２４に接続された負荷２６に供給される。また、第１インバータ１は、双方向インバータであり、商用電源系統２０、燃料電池２５等からの交流電力を直流電力に変換して、蓄電池１１に充電することも可能である。なお、本実施形態において、第１インバータ１の定格出力電力は、約６ｋＷである。

第２インバータ２は、燃料電池２５に対して起動電力を供給するために設けたインバータである。燃料電池２５は、後述するように、商用電源系統２０及び太陽電池１０ａ、１０ｂからの電力供給が停止した場合においても、蓄電池１１からの少量の電力供給により起動して発電を開始しなければならない。この燃料電池２５の起動に要する電力は、例えばある固体酸化物形燃料電池の場合には、約２００Ｗである。一方、電力供給機器に一般に用いられているインバータの定格出力電力は数ｋＷ程度と大きい。そして、インバータの定格出力電力に対して実際の出力電力が小さくなるほど、インバータにおける変換効率が低下することが知られている。これは、負荷において電力が消費されない場合でも、インバータのスイッチング動作により電力が消費されるからである。従って燃料電池２５の起動に要する２００Ｗの交流電力を、一般的な電力供給機器向けインバータにより供給した場合、変換効率が例えば７０〜８０％程度にまで低下することがある。

そこで本実施形態では、負荷２６等に電力を供給するための第１インバータ１に加えて、燃料電池２５を起動させるための第２インバータ２を別途設けている。この第２インバータ２の定格出力電力は、例えば約３００Ｗとすることができる。このように、第２インバータ２の定格出力電力を、燃料電池２５の起動に必要な電力値に近づけておくことにより、動作時の第２インバータ２の変換効率を向上させることができる。これにより、燃料電池２５の起動時における蓄電池１１に充電された電力の使用量を減らすことができる。すなわち、燃料電池２５の起動のために蓄電池１１にあらかじめ蓄えておくべき充電量を減らすことができる。

スイッチ４ａ〜４ｃはそれぞれ、連系運転スイッチ４ａ、自立運転スイッチ４ｂ及び燃料電池起動スイッチ４ｃである。スイッチ４ａ〜４ｃはリレー、トランジスタなどにより構成され、制御部７からの制御信号に基づきオン／オフ状態の切り替えを行うように構成される。

連系運転スイッチ４ａは、分散型電源（太陽電池１０ａ，１０ｂ及び蓄電池１１）と、商用電源系統２０との連系のオン／オフを切り替えるスイッチである。すなわち、連系運転スイッチ４ａがオンの時は、分散型電源の出力をまとめて商用電源系統２０と連系する。また、連系運転スイッチ４ａがオフの時は、分散型電源の出力はいずれも商用電源系統２０から解列し、商用電源系統２０とは連系しない。なお、後述するように電力供給機器１０１外に配置された連系運転スイッチ２２についても、連系運転スイッチ４ａと連動してオン／オフ制御される。

自立運転スイッチ４ｂは、分散型電源（太陽電池１０ａ，１０ｂ及び蓄電池１１）が商用電源系統２０と連系していない場合に、分散型電源の出力を負荷２６に供給するための経路を閉じるスイッチである。すなわち、自立運転スイッチ４ｂは、連系運転スイッチ４ａがオフ状態となり分散型電源が商用電源系統２０から解列されている場合にオン状態となり、分散型電源の出力を負荷２６に供給して自立運転を行わせる。

燃料電池起動スイッチ４ｃは、自立運転時において、燃料電池２５の起動時にオン制御されるスイッチである。上述のように、消費電力が僅か２００Ｗの燃料電池２５の起動時に第１インバータ１経由で起動電力を供給すると、インバータにおける変換効率が著しく低下する。そこで、燃料電池２５の起動時にのみ燃料電池起動スイッチ４ｃをオンすると共に自立運転スイッチ４ｂをオフ状態として、第２インバータ２経由で起動電力を供給する。第２インバータ２は、上述のように、燃料電池２５の起動電力を供給するために設けられたインバータであり、定格出力電力は約３００Ｗと小さく設計されている。従って、第２インバータ２を用いることにより燃料電池２５の起動電力（本実施形態では約２００Ｗ）を供給する際の変換効率が改善する。

なお、スイッチ４ｂ、４ｃの切り替えは、両スイッチが同時にオンされている状態を経由して行われる。すなわち、通常の自立運転状態から燃料電池２５の起動へと移行する際には、制御部７は、燃料電池起動スイッチ４ｃをオン状態とした後に、自立運転スイッチ４ｂがオフ状態となるように制御を行う。また、制御部７は、燃料電池２５の起動が終了して通常の自立運転状態に戻る際には、自立運転スイッチ４ｂをオン状態とした後に、燃料電池起動スイッチ４ｃをオフ状態とする。これは、スイッチ４ｂ、４ｃの双方が一時的にオフの状態になると、燃料電池２５における発電電力を受け入れる機器が未接続の状態となり、電圧の異常上昇等のおそれが生じる為である。

電流センサ５ａ，５ｂは、それぞれ第１インバータ１及び第２インバータ２を流れる電流を検出するためのセンサである。なお、電流センサ５ａ，５ｂは、ＣＴ(Current Transformer)など、任意の電流センサにより構成することができる。制御部７は、電流センサ５ａ，５ｂが検出した結果を通信により取得することができる。

擬似電流生成回路６は、燃料電池２５と接続された電流センサ２３に対して、順潮流方向の擬似電流を検出させるための回路である。なお、ここでいう順潮流方向とは、商用電源系統２０から燃料電池２５へと向かう方向をいう。

日本国内においては、燃料電池２５の発電電力は売電することができない。そこで、燃料電池２５は、商用電源系統２０と燃料電池２５との間に設置された電流センサ２３の出力を監視し、この電流センサ２３が順潮流方向の電流を検出している間は、発電電力が商用電源系統２０に逆潮流していないと判断して発電を継続するように構成されている。

そこで本実施形態では、擬似電流生成回路６を用いて電流センサ２３に擬似的な順潮流方向の電流を検出させるように構成する。この構成により、燃料電池２５から蓄電池１１に充電を行う場合に、電流センサ２３に流れる逆潮流方向の電流を打ち消す為の順潮流方向の擬似電流を検出させる。そして、電流センサ２３に逆潮流方向の電流が流れても、燃料電池２５の発電を継続させることができる。

擬似電流生成回路６は、例えば、リング状の電流センサ２３に対して、コイルを数ターン巻回し、そのコイルに所定の電流を流すように構成することができる。擬似電流生成回路６への電源供給は、例えば蓄電池１１からの出力電力を用いることができる。また、制御部７が擬似電流生成回路６と通信を行い、擬似電流のオン／オフ制御、及び擬似電流量を制御可能に構成することができる。

制御部７は、電力供給機器１０１内のスイッチ４ａ〜４ｃ、擬似電流生成回路６等と通信を行い、これらのデバイスの制御を行う。なお、本実施形態において、制御部７が各構成要素を制御するための制御信号の経路を図１に破線で示したが、この制御信号の伝送は有線による通信を用いてもよいし、無線通信を用いてもよい。また、制御部７は、ハードウエアで構成してもよいし、ＣＰＵによりプログラムを実行させることにより機能を実現してもよい。

太陽電池１０ａ，１０ｂは太陽光のエネルギーを直流電力に変換するものであり、例えば光電変換セルを多数直列に接続し、太陽光が照射されたときに所定の電流を出力するように構成される。本実施形態において電力供給機器１０１に接続される太陽電池１０ａ，１０ｂには、例えばシリコン系多結晶太陽電池を使用することができるが、この態様に限定されるものではない。太陽電池１０ａ，１０ｂは、シリコン系単結晶太陽電池、あるいはＣＩＧＳ等の薄膜太陽電池等、光電変換可能なものであればよい。

蓄電池１１は、商用電源系統２０、燃料電池２５等から第１インバータ１を経由して供給された直流電力を充電するための電池である。また、蓄電池１１は、停電、天候不良等により商用電源系統２０、太陽電池１０ａ，１０ｂから電力供給が受けられない場合に、負荷２６等に電力供給を行う。蓄電池１１は、例えばリチウムイオン電池を用いることが好ましいが、ニッケル水素電池等の他の種類の蓄電池も使用することができる。

電流センサ２１は、商用電源系統２０と連系運転スイッチ４ａとの間に設置され、電力供給機器１０１から商用電源系統２０への逆潮流を検出するためのセンサである。先述のように、日本国内においては、再生可能エネルギーではない、蓄電池１１及び燃料電池２５からの電力は、売電することができない。そのため、電力供給機器１０１の制御部７が電流センサ２１における検出電流を監視し、太陽電池１０ａ，１０ｂ以外の電力が商用電源系統２０側に逆潮流しないように制御を行う。なお、この電流センサ２１は、ＣＴ(Current Transformer)など、任意の電流センサにより構成することができる。

連系運転スイッチ２２は、先述のように連系運転スイッチ４ａと連動して切り替えられる。連系運転スイッチ２２の切り替え制御は、制御部７からの制御信号により行ってもよいし、連系運転スイッチ４ａに対する制御信号を分岐させて連系運転スイッチ２２に供給するように構成してもよい。

電流センサ２３は先述のように燃料電池２５と接続され、燃料電池２５により出力電流が監視される。そして、燃料電池２５は、電流センサ２３が、順潮流方向の電流を検出する間は発電を行う。電流センサ２３についても、他の電流センサと同様に任意の電流センサにより構成することができる。

分電盤２４は、連系運転時に商用電源系統２０から供給される電力を複数の支幹に分岐させて負荷２６に分配する。また、分電盤２４は、複数の分散型電源（太陽電池１０ａ，１０ｂ、蓄電池１１、燃料電池２５）から供給される電力を、複数の支幹に分岐させて負荷２６に分配する。

燃料電池２５は、ガスの電気化学反応により電気を発生させるものであり、使用する電解質の種類又は反応温度等によって分類することができる。反応温度が３００度以下の低温タイプには、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）などがあり、高温タイプには、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）などがある。この中で、固体酸化物形は、運転温度が高いために排熱が利用し易く、高い発電効率が得られるなどの特徴がある。本実施形態においても、この固体酸化物形（ＳＯＦＣ）燃料電池を用いることができる。

燃料電池２５は、水素と空気中の酸素との化学反応により直流の電力を発電するセルと、発電された直流電力を１００Ｖあるいは２００Ｖの交流電力に変換するインバータと、その他補機類とを備える。すなわち、燃料電池２５は、電力変換器を介さずとも負荷２６に対する交流電力の供給を可能とするシステムであり、必ずしも電力変換器との接続を想定して設計されたものではなく、汎用性を有するシステムであってよい。

負荷２６は、家庭で使用される単相交流１００Ｖ又は２００Ｖで動作する負荷である。負荷２６の例としては、冷蔵庫、非常用電灯、給湯システム又は家庭用ネットワークサーバなどの停電を極力回避すべき電気製品の他、ドライヤー、家庭用ゲーム機又は音楽鑑賞用オーディオシステムなどの家庭用一般負荷などが挙げられる。

なお、本実施形態においては、接続する負荷２６として日本国内で使用可能な電気機器を想定して記載したが、日本国外で使用可能な電気機器の使用も考慮して適宜変更をなし得る。例えば、交流２２０〜２４０Ｖを出力可能なインバータを配置し、アジア、オセアニア及びヨーロッパ地域で使用可能な電気機器を接続可能に構成することも可能である。また、業務用の冷蔵庫、エアコン、又は工場でのモータ駆動等には三相３線２００Ｖがよく用いられるため、三相２００Ｖに変換するためのインバータを配置してもよい。

次に、本実施形態に係る電力供給システム１００の具体的な制御例について図２以降を用いて具体的に説明する。

（連系運転時の制御）
図２は、本実施形態に係る電力供給システム１００の連系運転時における制御例である。この制御例において、電力供給システム１００の各スイッチは、連系運転スイッチ４ａ，２２がオン、自立運転スイッチ４ｂ及び燃料電池起動スイッチ４ｃがオフに制御される。また、制御部７は、擬似電流がオフとなるように擬似電流生成回路６の制御を行う。なお、図２における太い実線は電力の流れを表す。図３，５，７，８においても同様とする。

連系運転時には、太線矢印で示すように、商用電源系統２０から交流１００Ｖ（又は交流２００Ｖ）が供給されて、負荷２６に給電される。また、太陽電池１０ａ，１０ｂからの直流電力は、第１インバータ１で交流電力に変換されて負荷２６に給電される。電力供給機器１０１は、蓄電池１１の充電が完了していない場合、商用電源系統２０又は太陽電池１０ａ，１０ｂからの電力を蓄電池１１に充電する。

また、図示していない制御例として、電力供給機器１０１は、太陽電池１０ａ，１０ｂの発電電力を交流電力に変換して商用電源系統２０に逆潮流し、余剰電力を売電することができる。また、燃料電池２５は、電流センサ２３において検出される順潮流方向の電流に応じて発電を行い、商用電源系統２０から購入する電力を減少させるように動作させることができる。

（自立運転時の放電制御）
図３は、本実施形態に係る電力供給システム１００の自立運転時における蓄電池１１の放電動作の例を示す。自立運転時とは、停電等の理由により商用電源系統２０が分散型電源から解列されている状態をいう。また、図３の例では、太陽電池１０ａ，１０ｂ、及び燃料電池２５からの電力供給も停止していることを想定している。この制御例において、電力供給システム１００の各スイッチは、連系運転スイッチ４ａ，２２がオフ、自立運転スイッチ４ｂがオン、燃料電池起動スイッチ４ｃがオフ状態となるように制御が行われる。また、制御部７は、擬似電流がオフとなるように擬似電流生成回路６の制御を行う。

図３に示す自立運転時には、太線矢印で示すように、商用電源系統２０からの電力供給は停止され、蓄電池１１からの直流の放電電力が第１インバータ１において交流１００Ｖ（又は交流２００Ｖ）に変換され、負荷２６に給電されている。しかし、蓄電池１１に充電されている電力量は限られており、燃料電池２５等の発電装置を起動させて、蓄電池１１及び負荷２６に対して電力供給を行う必要がある。

なお、制御部７は、連系運転時・自立運転時を問わず蓄電池１１における充電量を管理しており、燃料電池２５を起動させるために必要な電力量が常に蓄電池１１に蓄えられるように制御を行う。

また、図３において、電流センサ２３では順潮流方向の電流が検出されているため、燃料電池２５が発電可能状態であれば、太い破線で示すように燃料電池２５は発電を開始して、負荷２６に電力の供給を行う。

（自立運転時の燃料電池２５の起動制御）
図４は、自立運転時において、燃料電池２５を起動させる為の制御フローを示す図である。この制御フローは、例えば図３に示したように、電力供給システム１００が自立運転時であり、第１インバータ１経由で負荷２６等に電力供給が行われている状態から開始する（ステップＳ１０１）。

制御部７は、燃料電池２５の起動時の動作が既に完了し、発電可能な状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この発電可能であるか否かの判定は、例えば、制御部７が、擬似電流生成回路６の制御を行い、電流センサ２３に順方向の擬似電流を検出させた時の第１インバータ１に流れる電流の向きの変化により判定することができる。すなわち、図３の状態において、燃料電池２５が発電可能である場合には、上述のように燃料電池２５は発電を開始し、負荷２６に電力供給を行う。しかし、燃料電池２５は、電流センサ２３が順潮流を検出している間のみ発電を行うため、燃料電池２５が発電を開始しても第１インバータ１を流れる電流の向きが変化することはなく、燃料電池２５から蓄電池１１に向かって電力が供給されることはない。しかし、擬似電流生成回路６により電流センサ２３に順潮流方向の擬似電流を検出させると、燃料電池２５が蓄電池１１に電力を供給する状態、すなわち、電流センサ２３を流れる電流が逆潮流になっても、電流センサ２３は擬似電流を検出することにより順調流を検出し続ける。従って、燃料電池２５が発電を停止することはないため、第１インバータ１を流れる電流の向きはやがて逆方向に変化する。

以上のように、燃料電池２５が発電可能状態にある場合には、電流センサ２３に擬似電流を検出させることにより、第１インバータ１を流れる電流の向きが変化する。この電流の向きの変化を電流センサ５ａによって検出することにより、制御部７は、燃料電池２５が発電可能状態にあるかどうかを判定することができる。

制御部７は、ステップＳ１０２において燃料電池２５が発電可能状態にあると判定すると、擬似電流の生成を継続したまま、図４の制御フローを終了する。これにより、燃料電池２５から負荷２６への電力供給を行いつつ、蓄電池１１への充電を行うことが可能となる。

一方、ステップＳ１０２において、燃料電池２５の起動時の動作が完了しておらず、燃料電池２５が発電可能状態にないと判定すると、制御部７は、負荷２６における消費電力が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

制御部７は、ステップＳ１０３において、負荷２６における消費電力が所定の閾値未満であると判定すると、使用するインバータを第１インバータ１から第２インバータ２へと切り替えを行う（ステップＳ１０５）。なお、ここでいう所定の閾値は、例えば燃料電池２５の起動時に必要とされる電力（本実施形態では２００Ｗ）と比較して少なくとも１桁小さく、ゼロに近い消費電力値とすることができる。この切り替えに際しては、制御部７は、まず第２インバータ２と直列に接続された燃料電池起動スイッチ４ｃをオン状態とし、次に第１インバータ１と直列に接続された自立運転スイッチ４ｂをオフ状態とする。なお、先述のようにスイッチ４ｂ、４ｃの切り替えは、両スイッチが同時にオンされている状態を経由して行われる。

一方、ステップＳ１０３において、負荷２６における消費電力が所定の閾値未満でないと判定すると、制御部７は、負荷２６の使用を停止するように利用者に通知する（ステップＳ１０４）。本実施形態において、燃料電池２５の起動に一定時間（２時間程度）を要することを想定しており、この起動の間も負荷２６により多くの電力が消費されると、蓄電池１１から燃料電池２５の起動に必要な電力を供給できなくなるおそれがあるからである。なお、この通知は例えば電力供給機器１０１の表示部に表示したり、音声による通知等により行われ、負荷２６における消費電力が所定の閾値未満になるまで継続される。

ステップＳ１０５において第２インバータ２への切り替えが完了すると、制御部７は、蓄電池１１から燃料電池２５に対して、第２インバータ２経由で電力の供給を行わせる（ステップＳ１０６）。この時の電力供給システム１００の状態を図５に示す。

図５は、燃料電池２５の起動時における、蓄電池１１から燃料電池２５への給電動作の一例を示す図である。図５の燃料電池起動時において、制御部７は、連系運転スイッチ４ａ、及び自立運転スイッチ４ｂがオフ状態、燃料電池起動スイッチ４ｃがオン状態となるように制御を行う。また、制御部７は、擬似電流がオフとなるように擬似電流生成回路６の制御を行う。燃料電池２５の起動時には、ステップＳ１０３及びＳ１０４により、負荷２６における消費電力が所定の閾値以下になっており、燃料電池２５への給電は、第１インバータ１よりも定格出力電力が小さい第２インバータ２経由で行われる。この切り替えにより、先述のように、燃料電池２５起動時における消費電力が電力供給機器１０１の通常動作時より少ない場合でも、インバータにおける変換効率を高く維持することができ、燃料電池２５の起動に要する電力を低く抑えることができる。

ステップＳ１０６において燃料電池２５への給電を開始すると、制御部７は、定期的に、燃料電池２５の起動時の動作が完了し発電可能状態になったか否かを判定する（ステップＳ１０７）。この判定動作の一例を、図６に示す。

図６（ａ）は、擬似電流生成回路６により生成された擬似電流波形を時間軸上に示したものである。また、図６（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、電流センサ５ａ及び５ｂの電流検出出力の波形を、図６（ａ）と同一の時間軸上に示したものである。なお、図６（ｂ）及び（ｃ）において、検出電流の極性は、燃料電池２５から蓄電池１１へと電流が流れる方向をプラス方向としている。

制御部７は、図６（ａ）に示すように、時刻ｔ₁、ｔ₂、及びｔ₃において、擬似電流生成回路６の制御を行い、順潮流方向の擬似電流を電流センサ２３に検出させている。このとき、時刻ｔ₁及びｔ₂においては電流センサ５ｂの出力は、マイナス方向に一定値となっている。これは、図５における、蓄電池１１から燃料電池２５に電力供給が行われている状態を表しており、電流センサ２３に擬似電流を検出させても、燃料電池２５が発電を開始していないことを示している。

これに対して、時刻ｔ₃においては、擬似電流の検出に伴い、電流センサ５ｂが検出する電流の方向に変化が見られ、燃料電池２５から蓄電池１１に向かう方向の電流が検出されている。これは、時刻ｔ₃において燃料電池２５の燃料電池セルが発電可能な状態になっており、電流センサ２３に順潮流方向の擬似電流が流れることにより、燃料電池２５は発電を開始して良いと認識して、発電を開始する。

図６の時刻ｔ₃における電力供給システム１００の状態を図７に示す。図５と同様に、連系運転スイッチ４ａ、及び自立運転スイッチ４ｂがオフ状態、燃料電池起動スイッチ４ｃがオン状態となるように制御されている。但し、時刻ｔ₃においては、制御部７は擬似電流がオン状態となるように擬似電流生成回路６の制御を行っており、発電可能状態にある燃料電池２５は、発電を開始し、第２インバータ２を経由して蓄電池１１に充電を行う。また、燃料電池２５は、必要に応じて負荷２６に対しても発電電力を供給する。

なお、燃料電池２５が発電を開始するのに必要な擬似電流値は、燃料電池２５ごとに異なり得る。電力供給機器１０１は、燃料電池２５ごとに必要な擬似電流値をあらかじめ設定し、又は事前確認により検出して、その擬似電流値になるように擬似電流生成回路６の制御を行う。

ステップＳ１０７において、燃料電池２５が発電可能な状態になると、制御部７は、蓄電池１１から燃料電池２５への給電を停止し、インバータを第１インバータ１へと切り替える（ステップＳ１０８）。この第２インバータ２から第１インバータ１への切り替えについても、自立運転スイッチ４ｂと燃料電池起動スイッチ４ｃが共にオンとなる状態を経由して切り替えが行われる。

ステップＳ１０８において、第１インバータ１への切り替えが完了すると、制御部７は電流センサ２３に擬似電流を検出させて、燃料電池２５に継続的な発電を行わせる（ステップＳ１０９）。これにより図４の制御フローは終了する。

図８は、図４の制御フロー終了後に、燃料電池２５から蓄電池１１に充電を行っている状態を示す図である。連系運転スイッチ４ａ、及び燃料電池起動スイッチ４ｃがオフ状態、自立運転スイッチ４ｂがオン状態となるように制御されており、第１インバータ１経由で燃料電池２５からの発電電力が蓄電池１１に供給される。制御部７は擬似電流がオン状態となるように擬似電流生成回路６の制御を行う。これにより、電流センサ２３には実際には逆潮流の電流が流れているにも関わらず、燃料電池２５は発電を継続して行うことができる。

本実施形態では、図７に示す発電可能か否かの判定時と、図８に示す発電動作時とでは、電流センサ２３に流すべき擬似電流値が異なることに留意すべきである。すなわち、図７においては、燃料電池２５からの発電電力が第２インバータ２経由で蓄電池１１に供給されるため、発電電力が電流センサ２３を流れることが無い。従って、擬似電流生成回路６は、電流センサ２３が順潮流を検出するための最低限の擬似電流を供給すれば足りる。一方、図８においては、燃料電池２５からの発電電力が第１インバータ１経由で蓄電池１１に供給されるため、発電電力が電流センサ２３を経由して流れることになる。従って、擬似電流生成回路６は、発電電力による逆潮流を打ち消すだけの擬似電流を電流センサ２３に供給する必要がある。

なお、本実施形態では、自立運転時に蓄電池１１に電力供給する発電装置として、燃料電池２５を一例として記載したが、この例示には限定されない。起動時に外部から電力供給が必要となるあらゆる発電装置に適用が可能である。

また、本実施形態においては、燃料電池２５の起動時のみ、定格出力電力が小さい第２インバータ２経由で電力を供給するように構成したが、この態様には限定されない。負荷２６における消費電力が小さい場合に、第２インバータ２経由で負荷２６に電力を供給するように構成しても良い。

以上述べたように、本実施形態によれば、燃料電池２５を起動する際に、専用の第２インバータ２経由で起動電力を供給するように構成した。これにより、起動時の燃料電池２５の消費電力に適した仕様のインバータを用いるので、起動時の消費電力の浪費を低減させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池２５の起動の為の第２インバータ２の定格出力電力を、分散型電源から負荷２６への供給電力を変換する第１インバータ１の定格出力電力よりも小さく設定した。この構成により、燃料電池２５の起動に要する電力が、想定されている負荷２６の消費電力より小さい場合においても、インバータの変換効率が最適となる動作点で用いることができる。このため、燃料電池２５の起動時における消費電力の浪費を低減させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池２５の起動に必要な電力量を常に蓄電池１１に維持するように制御を行うので、急に停電が発生したような場合においても、燃料電池２５を安定に起動させて電力供給を行うことが可能となる。

また、本実施形態によれば、商用電源系統２０と燃料電池２５との間に配置された電流センサ２３に順潮流方向の擬似電流を検出させ、擬似電流の有無と燃料電池２５からの電流の向きとの関係から燃料電池２５が発電可能であるか否かを判定するように構成した。これにより、燃料電池２５と通信等を行うことなく、燃料電池２５の状態を認識することができる。

また、本実施形態によれば、電流センサ２３に順潮流方向の擬似電流を検出させることにより、電流センサ２３に逆潮流方向の電流が流れている場合においても、燃料電池２５に継続して発電させることができる。

本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部及びステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１ 第１インバータ
２ 第２インバータ
３ａ〜３ｃ 電圧変換器
４ａ 連系運転スイッチ
４ｂ 自立運転スイッチ
４ｃ 燃料電池起動スイッチ
５ａ，５ｂ 電流センサ
６ 擬似電流生成回路
７ 制御部
１０ａ，１０ｂ 太陽電池
１１ 蓄電池
２０ 商用電源系統
２１，２３ 電流センサ
２２ 連系運転スイッチ
２４ 分電盤
２５ 燃料電池（発電装置）
２６ 負荷
１００ 電力供給システム
１０１ 電力供給機器

Claims (6)

1. 蓄電池を含む分散型電源からの直流電力を交流電力に変換する第１インバータと、
   該第１インバータよりも定格出力電力が小さく、前記蓄電池からの直流電力を、発電装置を起動する交流電力に変換するための第２インバータと、
   商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の起動時に前記第２インバータを前記発電装置と接続し、前記発電装置の発電時に前記第１インバータを前記発電装置と接続し前記第１インバータ経由で前記蓄電池に発電電力を供給する制御部と
   を備えた、電力供給機器。
2. 前記電力供給機器は、前記商用電源系統と連系して負荷に電力供給を行う機器であって、
   前記制御部は、前記商用電源系統と解列した自立運転時に、前記第２インバータを前記発電装置と接続する、請求項１に記載の電力供給機器。
3. 前記制御部は、少なくとも前記発電装置の起動に要する電力を前記蓄電池に充電するように制御を行う、請求項１又は２に記載の電力供給機器。
4. 前記発電装置は、前記商用電源系統と該発電装置との間に配置された電流センサが順潮流の電流を検出する間発電を行い、
   前記制御部は、前記第２インバータで前記発電装置を起動しており、前記電流センサが検出する順潮流の電流を擬似電流生成回路で発生させた時に前記第２インバータを流れる電流の向きの変化を検出して、前記発電装置が発電可能か否かを判定する、請求項２に記載の電力供給機器。
5. 蓄電池を含む分散型電源からの直流電力を、第１インバータにより交流電力に変換するステップと、
   前記蓄電池からの直流電力を、前記第１インバータよりも定格出力電力が小さい第２インバータにより、発電装置を起動する交流電力に変換するステップと、
   商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の起動時に前記第２インバータを前記発電装置と接続するステップと、
   前記商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の発電時に前記第１インバータを前記発電装置と接続し前記第１インバータ経由で前記蓄電池に発電電力を供給するステップと
   を含む電力供給方法。
6. 発電装置と、
   蓄電池と、
   前記蓄電池を含む分散型電源からの直流電力を交流電力に変換する第１インバータと、該第１インバータよりも定格出力電力が小さく、前記蓄電池からの直流電力を前記発電装置を起動する交流電力に変換するための第２インバータと、商用電源系統と解列した自立運転時において、前記発電装置の起動時に前記第２インバータを前記発電装置と接続し、前記発電装置の発電時に前記第１インバータを前記発電装置と接続し前記第１インバータ経由で前記蓄電池に発電電力を供給する制御部とを有する電力供給機器と
   を備えることを特徴とする電力供給システム。

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