JPH0574296B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は燃料電池に接続されるインバータ回
路、あるいはチヨツパ回路とインバータ回路から
なる電力変換装置を、電力系統に接続して電力制
御を行う燃料電池発電システムに係り、燃料電池
の起動あるいは停止時における過電圧を抑制する
のに適した制御を行うことのできる燃料電池発電
システムの制御装置に関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、益々厳しくなるエネルギー情勢を背景に
して燃料電池は燃料の科学エネルギーを直接電力
に変換することができ、高い電力変換効率を期待
でき、しかも環境汚染を最低に維持できる可能性
をもつ優れた新しいエネルギー源として注目され
ている。ところで、燃料電池は負荷の変化に対し
て比較的電圧変動が大きいことが一つの特徴とし
て知られている。

燃料電池の代表的な放電特性は第１図に示すよ
うに、電流が大になるにつれて、すなわち燃料電
池の負荷が増えるにつれて電池電圧が大きく減少
する。例えば、リン酸形燃料電池の場合、無負荷
時の電池電圧と定格負荷時の電池電圧（負荷電
圧）とでは定格電圧の50〜80％近い差が生じる。
この電圧変動率は０〜25％程度の軽負荷時の領域
て顕著である。従つて燃料電池から生じた直流電
力はこのままでは用途が限られてまうので所定の
安定化された直流電圧、あるいは交流電力に変換
して使用するのが一般的である。燃料電池を発電
システムとして交流電力系統（以下電力系統と称
す）に接続するには一般に直流電力を交流電力へ
変換する電力変換装置が用いられる。すなわち燃
料電池を使用する発電システムに使用する電力変
換装置には第１図のような電圧変動率が充分考慮
したシステム設計が要求される。

ところが第１図のような電圧変動があると自励
式インバータでは出力高調波が増加する原因とな
り、他励式インバータでは運転力率が悪化する原
因となる。又、燃料電池に対しても燃料電池自身
の無負荷電圧近傍の領域は燃料電池を構成する多
層数のエレメント間の電圧差が生じることにより
エレメントの一構成要素である科学反応を促進す
る触媒の溶融を生じてしまう結果をもたらす。

すなわち、第１図のような特性を示す燃料電池
の電圧変動は電力変換装置に対しては装置容量が
必要以上に大きくなり、コストおよび効率面で離
点があるばかりか、出力の特性をも悪化させてし
まう。一方燃料電池の対しては電池としての耐用
寿命を短くする欠点がある。この欠点は燃料電池
システムを大容量化するにつれてコスト面でも寿
命の点でも増加する欠点であり、大容量化の課題
の１つであつた。このような燃料電池の欠点に対
する対策として燃料電池発電システムの軽負荷時
０〜25％の間は直流側に電圧抑制用抵抗を挿入
し、燃料電池電圧を強制的に降下させることも提
案されでいる。この場合の燃料電池発電システム
のブロツク図を第２図に示す。

第２図において１は燃料電池、２は電力変換装
置、３は逆流防止用ダイオード、４は電圧抑制用
抵抗５を投入、開放するスイツチ、６はトラン
ス、７は電力変換装置２の出力と電力系統８の投
入、開放を行う開閉器である。電圧抑制御用抵抗
５は燃料電池１の発電初期状態、あるいは電力変
換装置２の事故時あるいは開閉器７の開放時、す
なわち、第１図で電流I_Fが０〜I₁の電流値の場
合、スイツチ４を投入し、燃料電池１の電池電圧
E_Fを所定値E₁に抑えるように動作する。この電
圧抑制抵抗５の投入の間に一般には燃料電池１の
空気極に空気を急速に流入させることにより燃料
電池１の出力を急激に立ち上げたり、逆に空気を
急速に抑制することにより燃料電池１の出力を急
速に絞る制御が行われる。しかしながら、第２図
のような手段によれば起動・停止時に電圧抑制用
抵抗５が消費する電力は全て損失となるばかりで
なく、電圧抑制用抵抗５の入切を行うスイツチ４
は高速に動作する必要があり、又、電圧抑制用抵
抗５の入切時燃料電池１に不必要な過渡変動を与
える欠点がある。

〔発明の目的〕

そこで本発明は前述の点にかんがみ、燃料電池
発電システムの起動時あるいは停止時の軽負荷状
態、すなわち、燃料電池１も出力を抑制するよう
制御される状態では電力変換装置２の電力制御を
電力変換装置２の直流入力すなわち燃料電池１の
直流出力を所定の電圧、第１図で示す電圧E₁に
一定となるよう直流定電圧制御に切り換えて制御
を行うことにより燃料電池１の電圧を抑制するこ
とができる燃料電池発電システムの制御装置を提
供することをその目的とする。

〔発明の概要〕

本発明はこの目的を達成するために燃料電池を
直流電源として該直流電源の出力をインバータ回
路、あるいはチヨツパ回路とインバータ回路から
なる電力変換装置と電力系統とを接続して構成さ
れる燃料電池発電システムの制御方法において、
燃料電池の起電力が所定値以下の場合は該電力変
換装置の直流入力電圧を一定に保つように直流定
電圧制御により該電力系統との連系運転を行い、
燃料電池の起電力が所定値以上に達すると直流定
電圧制御から所定の電力制御へと切り換え、燃料
電池と電力系統との間の電力を制御するようにし
たものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図を参照して説
明する。第３図において第２図と同符号のものは
同一の機能のものである。電力変換装置２の制御
回路１００については第３図では自励式インバー
タの制御回路で示してあるが、他励式インバータ
の制御回路でも本発明の意図する点は同様であ
る。又、制御回路１００にあつては無効電力を制
御するために、電力変換装置２の出力電流２０と
出力電圧２１が印加される無効電力制御回路３０
が設けられている。無効電力制御回路３０は、出
力電流２０と出力電圧２１から無効電力を検出
し、無効電力基準と比較し、その偏差は電圧制御
回路３１に印加される。電圧制御回路３１は、図
示しない電圧基準設定器と出力電圧２１を比較す
る比較器を備えており、この比較器に無効電力制
御回路３０からの無効電力偏差が与えられる。こ
の無効電力制御回路３０と、電圧制御回路３１か
ら成る無効電力制御系で電圧で無効電力が制御さ
れることは周知技術である。一般に電力変換装置
２と電力系統８を並列に運転するには電力系統８
は制御できないので電力変換装置２により両電源
間の電圧差で無効電力を、両電源間の位相差で有
効電力をそれぞれ制御することが知られている。

第３図の制御回路１０５にあつては、一般に電
力制御を行うに用いられる有効電力制御系を基に
して、図示されない電力量の低下すなわち第１図
の電流I₁に下になつたことを検出する検出回路の
信号により切換スイツチ４７を動作させ電力制御
系から直流定電圧制御系に切り換える。ここで有
効電力制御系について簡単に説明する。

有効電力基準４０と有効電力トランスジユーサ
４１の出力とを比較し、その偏差は誤差増幅器４
２の入力として加えられ、誤差増幅器４２の出力
はフエーズロツクループ（Phase locked loop）
いわゆるPLL回路４３の一つの入力“イ”とな
つている。４４は分周器で、PLL回路４３の出
力周波数を分周し、その力はPLL回路４３の他
の一つの入力“ハ”となる。PLL回路４３と他
の一つの入力“ロ”には、電力系統８の電力系統
電圧２２が位相基準として与えられる。ここで
PLL回路４３は周知の回路であるが簡単に説明
する。第４図はPLL回路４３のブロツク図の１
例であり、PLL回路４３の構成は、位相誤差検
出器PHD、低域波器LPFそして電圧制御発振
器VCOから構成される。これ等各要素の概要を
説明すると、位相誤差検出器PHDは位相基準信
号“ロ”と位相帰還信号“ハ”との位相差に比例
した信号“ニ”を発生する。この位相差に比例し
た信号“ニ”が低減波器LPFの入力となり、
この低減波器LPFで高調波成分を除去すると
共に、位相誤差を増幅する。そして電圧制御発振
器VCOは低減波器LPFの出力“ホ”に比例し
た周波数を出力し、この電圧制御発振器VCOの
出力“ヘ”は分周器４４に加えられる。分周器４
４の分周比をＮとすれば、電圧制御発振器VCO
の発振周波数は位相基準信号“ロ”のＮ倍とな
る。ここでＮはインバータの相数により任意の整
数に選ばれる。分周器４４の出力は位相誤差検出
器PHDの位相帰還信号“ハ”となつているので、
電圧制御発振器VCOの共振周波数は位相基準信
号“ロ”と位相帰還信号“ハ”との位相が一致す
るように自動制御される。ここで、PLL回路４
３の一つの入力“イ”の働きは、低減波器
LPFへ信号を与えることにより位相基準信号
“ロ”と位相帰還信号“ハ”との位相差を任意に
設定可能となる。

再び第３図に戻りその動作の説明を行うと、
PLL回路４３の位相基準信号“ロ”としては電
力系統８の位相が印加されているので、PLL回
路４３の出力周波数は電力系統８の位相と同期
し、従つて電力変換装置２の位相に電力系統８の
位相と同期している。開閉器７が開状態では誤差
増幅器４２の入力は、図示しないスイツチで短絡
されており、電力変換装置２の位相を制御する自
動制御回路は形成されていない。開閉器７が閉の
状態になると誤差増幅器４２の入出力を短絡は解
除され、切換スイツチ４７で選択された偏差４７
ａ、あるいは４７ｂを入力とし、誤差増幅器４２
が動作し所定の制御を行うことができる。この切
換スイツチ４７は燃料電池１の起電力が所定値以
下の場合は直流電圧検出回路４６で検出された出
力信号と電圧基準４５との偏差４７ｂを選択し、
燃料電池１の超電力が所定値以上に達した場合は
有効電力トランスデユーサ４１の出力信号と有効
電力基準４０との偏差４７ａを選択するように動
作する。すなわち、燃料電池１が停止状態におい
ても電力変換装置２を起動させるに充分に容量を
有する図示されない直流電源を持つことにより、
燃料電池１の起動時にあらかじめ電力変換装置２
を起動しておき、燃料電池１の起電力が所定値以
下の間は切換スイツチ４７により直流定電圧が選
択され、直流電圧検出回路４６の出力信号と電圧
基準４５が等しくなるよう電力変換装置２の位相
が制御される。すなわちこの直流定電圧制御は燃
料電池１が停止の状態でも電力系統８より有効電
力を受けて電力変換装置２の入力ラインに設けら
れた図示されないコンデンサを定電圧に充電す
る。前記図示されないコンデンサが充電されると
直流定電圧制御により余剰電力は電力変換装置
２、変圧器６、開閉器７を通して電力系統８に戻
される。この結果、電力系統８から電力変換装置
２の無負荷損のみが供給されることになり、電力
変換装置２は電力系統８との並列運転を継続する
ことができる。この時点ではもはや前記図示され
ない電力変換装置２を起動するための直流電源は
不要になる。この直流定電圧制御による電力変換
装置２と電力系統８との並列運転は燃料電池１が
所定の起電力を有するまで、すなわち、第１図の
電流０〜I₁の間継続することにより、この間の燃
料電池の起電力に相当して燃料電池１の電流I_Fを
出力するよう位相が制御される。従つて、第５図
に示すように、従来、問題視されていた燃料電池
１の軽負荷時の電圧のはね上がりは抑制され、常
に直流定電圧設定値に等しい電圧E₁に制御され
る。又、燃料電池１の起電力所定値以上に達する
と、すなわち、直流定電圧制御により、第１図に
示す電流I₁を超過すると図示されない検出回路の
出力信号により切換スイツチ４７が偏差４７ａを
選択するよう切り換わり有効電力トランスデユー
サ４１と有効電力基準４０とが等しくな様電力制
御される。ここで第３図の誤差増幅器４２を用い
た直流定電圧制御系と電力制御系は機能を表わし
たものであり、その動作は直流定電圧制御系の場
合は直流電圧検出回路４６の出力信号が電圧基準
４５に比して大となると燃料電池１からさらに電
力を取り出すために電力系統８に対して電力変換
装置２の位相を進め、又、電力制御系の場合は有
効電力トランスデユーサ４１の出力信号が有効電
力基準４０に比して大きくなると燃料電池１から
の電力を抑えるよう電力系統８に対して電力変換
装置２の位相を遅らせるものである。

逆に燃料電池１の定格出力時から起電力を絞つ
て燃料電池発電システムを停止きせる場合におい
ては燃料電池１の起電力が所定値以下になるまで
は電力制御を行い、所定値以下になつたら直流定
電圧制御に切り換えることにより燃料電池１の停
止時の電圧抑制も行うことができる。

つまり、燃料電池１に接続される電力変換装置
２をあらかじめ起動して電力系統８と並列運転す
ることにより燃料電池１の起電力を有しない起動
過程においても的確な燃料電池発電システムの起
動を行うことができる上、燃料電池１に対する過
電圧防止と電力変換装置２の主回路部品選定の際
の電圧定格を適切に選定することができる。又、
従来行われているように燃料電池１の出力に電圧
抑制用抵抗等の高価で大きな付属機器を必要とせ
ず、安価で簡単な制御回路で実現することができ
る。

次に本発明の他の実施例について述べる。第３
図の実施例では、電力変換装置２は自励式インバ
ータ回路で説明したが電力変換装置２を起動させ
るに充分な容量を有する直流電源を持つ他励式イ
ンバータ回路でも同様に制御を行うことができ
る。更に自励式インバータ回路で構成される電力
変換装置２の場合は別に直流電源を設けずとも開
閉器７を電力変換装置２の起動前に投入してお
き、図示されない直流回路のコンデンサに充電し
ておき、所定のパルス幅でインバータ回路を起動
させることも可能である。又、直流定電圧制御と
電力制御の切り換える条件は燃料電池１の直流電
流ばかりでなく直流電力あるいは交流電力が所定
以上に達したことが切り換えても良い。同様に燃
料電池１の起電力が所定地以上に達すると電力制
御に切り換えているがこの電力制御の代わりに直
流電流制御としても同様の効果を得ることができ
る。又、チヨツパ回路を有する電力変換装置２に
対しても同様の効果を得ることができることは自
明である。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば燃料電池を直流電源と
して該直流電源の出力をインバータ回路、あるい
はチヨツパ回路とインバータ回路からなる電力変
換装置と電力系統とを接続して構成される燃料電
池発電システムにおいて、燃料電池の起動時には
直流の補助電源等を用いて電力変換装置をあらか
じめ起動しておくことにより、又、定常な運転状
態においても燃料電池の起電力が所定値に達しな
い場合は、直流定電圧制御により電力系統との連
系運転を行い、熱料電池の起電力が所定値以上に
達すると所定の電力制御へと切り換えることによ
り、燃料電池の起動・停止あるいは軽負荷時の電
圧のはね上がりのため、電力変換装置の電圧定格
を必要以上に上げたり、燃料電池自身で発生する
過電圧によつて生じる触媒の溶融のために耐用寿
命の低下を生じたり、又、高価でかつ必要以上の
電力損失を生じる電圧抑制用抵抗の設置すること
なく簡単な制御回路により安価で耐用寿命の長い
効率の良い電力変換装置の制御を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の電池電圧対電流の特性図、
第２図は従来の燃料電池発電システムの制御装置
のブロツク図、第３図は本発明の一実施例を示す
燃料電池発電システムのブロツク図、第４図は第
３図におけるフエーズロツクドループの部分の詳
細構成を示すブロツク図、第５図は本発明の電池
電圧対電流の特性図である。 １……燃料電池、２……電力変換装置、３……
逆流防止用ダイオード、４―…スイツチ、５……
電圧抑制用抵抗、６……変圧器、７……開閉器、
８……電力系統、２０……出力電流、２１……出
力電圧、２２……電力系統電圧、３０……無効電
力制御回路、３１……電圧制御回路、４０……有
効電力基準、４１……有効電力トランスデユー
サ、４２……誤差増幅器、４３……PLL回路、
４４……カウンタ、４５……電圧基準、４６……
直流電圧検出回路、４７……切換スイツチ、４７
ａ，４７ｂ……偏差。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料電池を直流電源として該直流電源の出力
   を交流電力に変換するために直流回路にコンデン
   サ或いは他の直流電源を備えた電力変換装置と、 この電力変換装置の交流側と電力系統との間に
   設けられる変圧器或いは連系リアクトルと、 前記電力系統電圧を位相基準として与えられ前
   記電力変換装置の出力電圧位相を制御し該位相が
   前記電力系統の電圧位相に同期するように制御す
   る同期制御回路と、 無効電力偏差に応じて前記電力変換装置の出力
   電圧を制御する無効電力制御系と、 有効電力偏差に応じて前記同期制御回路を制御
   して前記電力変換装置の出力電圧位相を制御する
   有効電力制御系を備えた燃料電池発電システムに
   おいて、 前記電力変換装置の直流電圧を帰還信号とし予
   め与えられる電圧基準との偏差信号に応じて前記
   同期制御回路を制御して前記電力変換装置の直流
   電圧を制御する直流定電圧制御系と、 前記燃料電池の起電力が所定値以下の場合は、
   前記直流定電圧制御系を選択し、前記燃料電池の
   起電力が所定値以上に達すると前記直流定電圧制
   御系から前記有効電力制御系へ切換える切換手段
   を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム
   の制御装置。