JP6586281B2 - 制御方法、制御装置、および電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の燃料電池を制御する制御方法、制御装置、および電力供給システムに関するものである。

需要家内の負荷に電力を供給する手段として、従来の商用系統だけでなく、例えば、太陽電池および燃料電池などの分散電源、および負荷の電力需要と電源の電力供給のバランスに基づいて充放電を行う蓄電池が用いられている。商用系統、分散電源、および蓄電池を適切に制御することにより、商用系統からの買電量を低下させることが可能である。

さらには、需要家全体におけるエネルギーコストを低減させるために、需要家における電力需要の予測値および太陽電池などの再生可能エネルギー源による発電量の予測値を算出し、算出した予測値に基づいて、蓄電池の充放電スケジュールおよび燃料電池の発電スケジュールを作成し、当該発電スケジュールに基づいて燃料電池を制御することが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１４−１７６１６１号公報

しかし、実際の電力需要が予測値を超えることがあり得、そのような場合に特許文献１に記載の燃料電池の制御では、燃料電池による発電に余力を有しながらも電力の購入が増えるため、必ずしもエネルギーコストを低減できるわけではなかった。

したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、予測以上の電力需要が発生するときにおいてもエネルギーコストを低減させる燃料電池の制御方法、制御装置、および電力供給システムを提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による燃料電池の制御方法は、
負荷に電力を供給するために稼動する複数の燃料電池の制御方法であって、
前記負荷の電力使用実績に基づいて、前記負荷の電力使用量の予測値および前記負荷の電力使用量の変動予測値を算出し、
前記予測値に基づいて、稼動させる燃料電池を決定し、
稼動を決定した燃料電池の最大の出力値と、前記予測値と、前記変動予測値とに基づいて、稼動を停止させる燃料電池の温度を制御する
ことを特徴とするものである。

また、第２の観点による燃料電池の制御方法においては、
前記稼動を停止させる燃料電池の温度制御は、該燃料電池の第１の温度による暖機、および該燃料電池の暖機停止を含む
ことが好ましい。

また、第３の観点による燃料電池の制御方法においては、
前記第１の温度により暖機する燃料電池の数を、前記最大の出力値から前記予測値を減じた差分と、前記変動予測値との比較に基づいて決定する
ことが好ましい。

また、第４の観点による燃料電池の制御方法においては、
前記最大の出力値から前記予測値および前記変動予測値を減じた差分が所定値以下となるときに、暖機停止中の燃料電池の昇温を開始する
ことが好ましい。

また、第５の観点による燃料電池の制御方法においては、
前記稼動を停止させる燃料電池を、稼動を停止させた回数に基づいて決定する
ことが好ましい。

また、第６の観点による制御装置においては、
負荷に電力を供給するために稼動する複数の燃料電池を制御する制御装置であって、
前記負荷の電力使用実績を取得し、前記電力使用実績に基づいて前記負荷の電力使用量の予測値および前記負荷の電力使用量の変動予測値を算出し、前記予測値に基づいて稼動させる燃料電池を決定し、稼動を決定した燃料電池の最大の出力値と前記予測値と前記変動予測値とに基づいて稼動を停止させる燃料電池の温度を制御する制御部を備える
ことを特徴とするものである。

また、第７の観点による電力供給システムは、
負荷に電力を供給するために稼動する複数の燃料電池と、
前記負荷の電力使用実績を取得し、前記電力使用実績に基づいて前記負荷の電力使用量の予測値および前記負荷の電力使用量の変動予測値を算出し、前記予測値に基づいて稼動させる燃料電池を決定し、稼動を決定した燃料電池の最大の出力値と前記予測値と前記変動予測値とに基づいて、稼動を停止させる燃料電池の温度を制御する制御部とを備える
ことを特徴とするものである。

上記のように構成された本発明に係る燃料電池の制御方法、制御装置、および電力供給システムによれば、予測以上の電力需要が発生するときにおいてもエネルギーコストを低減可能である。

本発明の第１の実施形態に係る制御装置を含む電力供給システムの概略的な構成を示す機能ブロック図である。 図１の燃料電池の概略的な構成を示す機能ブロック図である 図１の制御部が実行する燃料電池制御プロセスを説明するフローチャートである。

以下、本発明を適用した導光体の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る制御方法を実行する制御装置を含む電力供給システムの概略的な構成を示す機能ブロック図である。図１において、各機能ブロックを結ぶ実線は、電力の流れを表す。また、図１において、各機能ブロックを結ぶ破線は、制御信号または通信される情報の流れを表し、当該破線は有線としてもよいし、無線としてもよい。制御信号または情報の通信には、例えば赤外線通信、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などの近距離通信方式および電力線搬送通信（ＰＬＣ；Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）などの種々の方式を用いることができる。

電力供給システム１０は、ガスボンベ１１、ガス管１２、複数の燃料電池１３、分電盤１４、電力センサ１５、および制御部１６等を含んで構成される。

ガスボンベ１１は、プロパン、ブタンなどの軽質の炭化水素を液化させたＬＰＧを燃料ガスとして貯蔵する。ガスボンベ１１はガス管１２に着脱自在である。充填量が低いガスボンベ１１を充填したガスボンベ１１に交換することにより、燃料ガスが継続的に電力供給システム１０に供給される。

ガス管１２は、ガスボンベ１１および各燃料電池１３を接続し、ガスボンベ１１に充填された燃料ガスを各燃料電池１３に供給する。

燃料電池１３は、運転温度が比較的高温で急激な温度変化が好ましくなく、起動および停止の時間が比較的長い燃料電池である。例えば本実施形態では、燃料電池１３は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。図２に示すように、燃料電池１３は、リフォーマ（改質器）１７、セルスタック１８、ヒータ１９、インバータ２０、リレー２１、燃料電池制御部２２、および通信部２３を含んで構成される。

リフォーマ１７は、例えば水蒸気改質法などにより燃料ガスを水蒸気と化学反応させることにより、水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素などを生成する。リフォーマ１７は、生成したガスの中で、燃料電池１３の発電に用いる水素、本実施形態ではさらに一酸化炭素を分離し、セルスタック１８に供給する。

セルスタック１８は、少なくとも水素、燃料電池１３の種類によっては一酸化炭素を酸素と化学反応させることにより、直流電力を発電する。

ヒータ１９は燃料電池１３の温度調整、より詳細には、セルスタック１８を所定の運転温度範囲または暖機用の第１の温度に保温可能である。ヒータ１９は、従来公知の多様なヒータを適用可能であるが、本実施形態においては、ガス管１２から供給される燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック１８を保温する。

インバータ２０は、セルスタック１８の発電した直流電力を交流電力に変換する。

リレー２１は、インバータ２０に変換された交流電力の、分電盤１４への通電および遮断を切替える。

燃料電池制御部２２は、専用のマイクロプロセッサによって構成され、燃料電池１３を構成する各部位を制御する。例えば、燃料電池制御部２２は、燃料ガスをリフォーマ１７およびヒータ１９に供給し、さらにセルスタック１８を制御して出力する電力を調整することにより、燃料電池１３を稼動させる。また、燃料電池制御部２２は、リフォーマ１７およびヒータ１９への燃料ガスの供給を停止し、稼動および暖機を停止する。また、燃料電池制御部２２は、リフォーマ１７への燃料ガスの供給を停止することにより燃料電池１３の稼動を停止し、ヒータ１９に燃料ガスを供給することにより燃料電池１３を第１の温度に保温する暖機を実行する。また、燃料電池制御部２２は、ヒータ１９への燃料ガスの供給を再開し、許容される昇温速度でセルスタック１８の昇温させる。

通信部２３は、例えば入出力用のインターフェースであって、燃料電池制御部２２と制御部１６との間で、情報および指示の送受信を行う。

分電盤１４（図１参照）は、燃料電池１３より供給される電力を複数の支幹に分岐させて負荷２４に分配する。負荷２４とは、電力を消費する電力負荷であり、例えば、需要家の敷地内で使用されるエアコン、電子レンジ、およびテレビなどの各種電器製品、ならびに空調機や照明器具などの機械および照明設備などである。

電力センサ１５は、分電盤１４に設けられ、負荷２４に供給される電力を検出し、制御部１６に通知する。

制御部１６は、専用のマイクロプロセッサ、または汎用のＣＰＵに特定の機能を実行するプログラムを読み込ませることによって構成される。制御部１１６は、例えば、ＥＭＳなどの電力制御装置に設けられていてもよいし、複数の燃料電池１３の中のいずれかの燃料電池１３の燃料電池制御部２２が、制御部１６として機能してもよい。

制御部１６は、負荷２４の電力の使用実績を電力センサ１５から取得する。負荷２４の電力の使用実績は、例えば、１０分などの所定の間隔で、例えば当該間隔間の電力量として検出され、制御部１６に取得される。制御部１６は、取得する使用実績を検出した時間帯と関連付けて、データベースなどに蓄積する。制御部１６は、蓄積された負荷２４の電力使用実績に基づいて、以後の負荷２４の電力使用量の予測値および変動予測値を算出する。

電力使用量の予測値とは、例えば１０分などの所定の間隔の時刻毎の、負荷２４の電力使用量の予測値であって、例えば、過去１週間分の複数の日の同じ時刻から始まる所定の時間の電力使用実績を用いて、例えば平均化することによって算出される。電力使用量の変動予測値とは、予測値に対して変動する可能性があると推定される差分値であって、耐えば、取得した複数の日の同じ時刻から始まる所定の時間の電力使用実績を用いて、例えば標準偏差が算出される。

制御部１６は、算出した電力使用量の予測値に基づいて、稼動させる燃料電池１３を決定する。詳細に説明をすると、制御部１６は、稼動させる燃料電池１３の最大の出力値の合計値が当該予測値以上となり、かつ合計値から何れかの燃料電池１３の最大の出力値を減じた値が当該予測値未満となる、燃料電池１３の組合せを求める。例えば、分電盤１４に電力を供給可能な全燃料電池１３の最大の出力値が同じｘであり、かつ電力使用量の予測値がｙである場合に、ａ×ｘ＞ｙ＞（ａ−１）×ｘを満たすａが求められ得、全燃料電池１３の中のａ台の燃料電池１３の組合せが求められる。

制御部１６は、求められた組合わせの中から、所定の法則に基づいて、一つの組合せに含まれる燃料電池１３を稼動させる燃料電池１３として決定する。所定の法則においては、例えば、稼動の停止回数が多い燃料電池１３から順番に、稼動させる燃料電池１３として決定される。言い換えると、稼動の停止回数が少ない燃料電池１３から順番に、稼動を停止させる燃料電池１３として決定される。制御部１６は、稼動させる燃料電池１３として決定した燃料電池１３を稼動するように、燃料電池制御部２２に指示を送信する。

制御部１６は、稼動させることを決定した燃料電池１３の最大の出力値、予測値、および変動予測値に基づいて、稼動を停止させる燃料電池１３の、保持すべき温度を算出する。さらに、詳細に説明すると、まず、制御部１６は、稼動させることを決定した燃料電池１３の最大の出力値の合計値から電力使用量の予測値を減じた差分を、使用余力量として算出する。

制御部１６は、使用余力量が変動予測値以上であるときには、稼動を停止させる燃料電池１３の暖機も不要と判別する。制御部１６は、暖機も不要と判別した燃料電池１３の稼動も暖機も停止するように、燃料電池制御部２２に指示を送信する。制御部１６は、使用余力量が変動予測値未満であるときには、稼動を停止させる燃料電池１３の中の少なくとも１台は第１の温度で暖機する必要があると判別する。第１の温度は、稼動停止中の燃料電池１３を急速に起動させるのに必要な温度で、例えば本実施形態では、５９０℃に定められる。

さらに、制御部１６は、使用余力量と変動予測値との比較に基づいて、第１の温度で暖機する燃料電池１３の数を決定する。詳細に説明すると、制御部１６は、暖機させる燃料電池１３の最大の出力値の合計値が、変動予測値から使用余力量を減じた差分以上となり、かつ合計値から暖機させる燃料電池１３の中の何れかの燃料電池１３の最大の出力値を減じた値が当該差分未満となる、燃料電池１３の組合せに基づいて、第１の温度で暖機する燃料電池１３の数を決定する。

制御部１６は、決定した数の、第１の温度で暖機する燃料電池１３を、所定の法則に基づいて決定する。例えば、所定の法則においては、稼動の停止回数が多い燃料電池１３から順番に、第１の温度で暖機する燃料電池１３に定められる。制御部１６は、稼動を停止すると決定した燃料電池１３の中で、第１の温度で暖機させる燃料電池１３として決定した燃料電池１３を暖機するように、燃料電池制御部２２に指示を送信する。制御部１６は、稼動および暖機を停止すると決定した燃料電池１３の稼動および暖機を停止するように、燃料電池制御部２２に指示を送信する。

また、制御部１６は、使用余力量が変動予測値以上であっても、使用余力量から変動予測値を減じた差分が所定値以下となるときに、少なくとも１台の燃料電池１３の昇温を開始することを決定する。制御部１６は、例えば稼動の停止回数が多い燃料電池１３が、昇温を開始する燃料電池１３に決定する。制御部１６は、昇温を開始する燃料電池１３として決定した燃料電池１３を昇温開始するように、燃料電池制御部２２に指示を送信する。

次に、制御部１６が実行する燃料電池制御プロセスについて図３のフローチャートを用いて説明する。制御部１６は、所定の周期、例えば１０分毎に、燃料電池制御プロセスを開始する。

ステップＳ１００において、制御部１６は、負荷２４の電力の１週間の使用実績をデータベースから読出す。使用実績を読み出すと、プロセスはステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０１では、制御部１６は、ステップＳ１００において読出した使用実績に基づいて、負荷２４の電力使用量の予測値および変動予測値を算出する。予測値および変動予測値を算出すると、プロセスはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、制御部２６は、ステップＳ１０１において算出した予測値および変動予測値に基づいて、稼動させる燃料電池１３を決定する。稼動させる燃料電池１３を決定すると、プロセスはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、制御部１６は、使用余力量を算出する。使用余力量を算出すると、プロセスはステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、制御部１６は、使用余力量および変動予測値の比較に基づいて、稼動のみ停止させる燃料電池１３および暖機させる燃料電池１３を決定する。当該決定を行うと、プロセスはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、制御部１６は、使用余力量から変動予測値を減じた差分がゼロ以上かつ所定値以下であるか否かを判別する。当該差分がゼロ以上かつ所定値以下であるときには、プロセスはステップＳ１０６に進む。当該差分がゼロ未満または所定値を超えるときには、プロセスはステップＳ１０６をスキップして、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０６では、制御部１６は、稼動も暖機も停止させている燃料電池１３の中から、昇温を開始する燃料電池１３を決定する。昇温を開始する燃料電池１３の決定後、プロセスはステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、制御部１６は、ステップＳ１０２において決定した燃料電池１３に稼動を実行する指示を送信する。また、制御部１６は、ステップＳ１０４において決定した燃料電池１３それぞれに、稼動のみを停止する指示または稼動および暖機を停止する指示を送信する。また、制御部１６は、ステップＳ１０６において昇温を開始させる燃料電池１３を決定した場合には、当該燃料電池１３に昇温を開始する指示を送信する。各燃料電池１３への指示の送信後、燃料電池制御プロセスを終了する。

以上のような構成の本実施形態の燃料電池の制御方法によれば、予測値に基づいて稼動させる燃料電池１３および稼動を停止させる燃料電池１３を決定するので、全燃料電池１３を稼動させる状態に比べて、燃料ガスの消費量が低減され、エネルギーコストが低減される。また、本実施形態の制御方法によれば、稼動を決定した燃料電池１３の最大の出力値、予測値、および変動予測値に基づいて、稼動を停止させる燃料電池１３の温度が制御されるので、予測以上の電力需要が発生する場合においても、安定的に電力を供給可能である。

また、本実施形態の制御方法によれば、稼動を停止させる燃料電池１３の温度制御は、第１の温度による暖機を含むので、予測以上の電力需要が発生する場合においても、高速な負荷追従が可能である。また、稼動を停止させる燃料電池１３の温度制御は、暖機停止を含むので、燃料ガスの使用量がさらに低減される。

また、本実施形態の制御方法によれば、第１の温度により暖機する燃料電池１３の数を、使用余力量と変動予測値との比較に基づいて、決定するので、暖機させる燃料電池１３の数を抑制可能であり、燃料ガスの使用量がさらに低減される。

また、本実施形態の制御方法によれば、使用余力量から変動予測値を減じた差分が所定値以下であるときに、暖機停止中の燃料電池１３の昇温を開始するので、変動予測値が使用余力量を超える可能性が高まる状態において暖機停止中の燃料電池１３の第１の温度での暖機が早期に実行され得る。

また、本実施形態の制御方法によれば、稼動を停止させる燃料電池１３を、稼動を停止させた回数に基づいて決定するので、全燃料電池１３の稼動停止回数が均質化され、一部の燃料電池１３の劣化が抑制され得る。

本発明を諸図面や実施形態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や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、これらの変形や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、本実施形態において、分電盤１４には、燃料電池１３から電力を供給される構成であるが、太陽電池および蓄電池などの分散電源から電力が供給される構成であってもよく、さらには、商用系統から電力が供給される構成であってもよい。ただし、商用系統から分電盤１４に電力が供給される構成においては、商用系統からの連系を外した自主運転時に、本実施形態における燃料電池の制御が実行される。

また、本実施形態において、燃料ガスはガスボンベ１１から供給される構成であるが、ガス供給網から取得しても良い。

１０ 電力供給システム
１１ ガスボンベ
１２ ガス管
１３ 燃料電池
１４ 分電盤
１５ 電力センサ
１６ 制御部
１７ リフォーマ
１８ セルスタック
１９ ヒータ
２０ インバータ
２１ リレー
２２ 燃料電池制御部
２３ 通信部

Claims (7)

1. 負荷に電力を供給するために稼動する複数の燃料電池の制御方法であって、
   前記負荷の電力使用実績に基づいて、前記負荷の電力使用量の予測値および前記負荷の電力使用量の変動予測値を算出し、
   前記予測値に基づいて、稼動させる燃料電池を決定し、
   稼動を決定したすべての燃料電池の最大の出力値と、前記予測値と、前記変動予測値とに基づいて、稼動を停止させる燃料電池の温度を制御する
   ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池の制御方法であって、
   前記稼動を停止させる燃料電池の温度制御は、該燃料電池の第１の温度による暖機、および該燃料電池の暖機停止を含む
   ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
3. 請求項２に記載の燃料電池の制御方法であって、
   前記第１の温度により暖機する燃料電池の数を、前記最大の出力値から前記予測値を減じた差分と、前記変動予測値との比較に基づいて決定する
   ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池の制御方法であって、
   前記最大の出力値から前記予測値および前記変動予測値を減じた差分が所定値以下となるときに、暖機停止中の燃料電池の昇温を開始する
   ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の制御方法であって、
   前記稼動を停止させる燃料電池を、稼動を停止させた回数に基づいて決定する
   ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
6. 負荷に電力を供給するために稼動する複数の燃料電池を制御する制御装置であって、
   前記負荷の電力使用実績を取得し、前記電力使用実績に基づいて前記負荷の電力使用量の予測値および前記負荷の電力使用量の変動予測値を算出し、前記予測値に基づいて稼動させる燃料電池を決定し、稼動を決定した燃料電池の最大の出力値と前記予測値と前記変動予測値とに基づいて稼動を停止させる燃料電池の温度を制御する制御部を備える
   ことを特徴とする燃料電池の制御装置。
7. 負荷に電力を供給するために稼動する複数の燃料電池と、
   前記負荷の電力使用実績を取得し、前記電力使用実績に基づいて前記負荷の電力使用量の予測値および前記負荷の電力使用量の変動予測値を算出し、前記予測値に基づいて稼動させる燃料電池を決定し、稼動を決定した燃料電池の最大の出力値と前記予測値と前記変動予測値とに基づいて、稼動を停止させる燃料電池の温度を制御する制御部とを備える
   ことを特徴とする電力供給システム。

Images