JPH09261969A

JPH09261969A - インバータ装置

Info

Publication number: JPH09261969A
Application number: JP8066224A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takeda; 淳武田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】異常検知時における電力潮流バランスによっ
ては燃料電池発電設備が非常停止に至ることがあった。
また、サイリスタスイッチ等の高速動作の高価な遮断器
が必要であった。【解決手段】異常を検知すると、インバータへのゲー
トパルスの送出を停止してインバータの発振を停止させ
る。この異常が所定時間内に正常に復帰した場合は、再
びゲートパルスをインバータへ送出し、速やかに系統連
系運転に復帰する。系統電圧低下の異常が所定時間を越
えて継続した場合は遮断器１１を開放して所内単独運転
に移行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池等の直
流発生源からの直流電力を交流電力に変換して交流電源
系統へ送出するインバータ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、例えば三菱電機技報Ｖｏｌ．６
６，Ｎｏ．１１，１９９２，ｐ．２２〜２５に示された
従来の燃料電池用インバータ装置を含む燃料電池発電設
備を示す主回路構成図である。図において、１は直流発
生源としての燃料電池、２は燃料電池用のインバータ、
３は燃料電池発電設備起動後の系統併列用遮断器（５２
Ｍ２）、４は燃料電池発電設備内の所内補機、５は系統
併列時の同期合わせ用計器用変圧器（ＰＴ２）、６は燃
料電池起動後系統併列までの間、インバータ２からの発
生電力を消費させるためのロードヒータ、７は構内単独
運転用の系統解列もしくは系統併列用の高速遮断器（５
２Ｍ１）、８は構内単独運転から系統連系運転に戻る際
の同期合わせ用計器用変圧器（ＰＴ１）、９は構内単独
運転時の選択された構内単独負荷、１０は受電点に設け
られた系統連系リレーを内蔵した系統連系盤である。

【０００３】次に動作について説明する。先ず、燃料電
池１およびインバータ２を起動する際には、事前に遮断
器（５２Ｍ１）７が投入されており所内補機４が受電状
態で起動電力が供給されていることが必要である。更
に、遮断器（５２Ｍ２）３は開放されていなければなら
ない。次いで、燃料電池１を起動し昇温が完了すると、
その直流出力端に直流無負荷電圧が発生し、直流発電が
可能な状態になるとインバータ２が発振し交流電圧を確
立する。この状態から徐々にインバータ２の出力を増大
していき燃料電池１の最低許容出力まで出力を上昇させ
る。この最低許容出力は抵抗体であるロードヒータ６に
消費させる。

【０００４】次いでインバータ２は同期合わせ用計器用
変圧器（ＰＴ２）５により系統電圧を検知し、インバー
タ発生電圧と系統電圧との同期合わせを行い、同期合わ
せが完了すると遮断器（５２Ｍ２）３を投入する。遮断
器（５２Ｍ２）３を投入し系統連系運転になった後は、
ロードヒータ６を順次開放していき、ロードヒータ６の
消費電力を順次系統側に置き換えていく。最低許容出力
がすべて系統へ送電されている状態になると、以後は、
随時、出力指令を増加させ、送電出力を定格まで上昇さ
せることが可能になる。

【０００５】次に、系統連系運転から構内単独運転に移
行するには、先ず、送電端出力Ｐ_Ｓが構内単独負荷９の
消費電力Ｐ_Ｌに見合うように出力調整し、その後、遮断
器（５２Ｍ１）７を開放する。更に、構内単独運転から
系統連系運転に戻る場合は、同期合わせ計器用変圧器
（ＰＴ１）８により系統電圧を検知し、遮断器（５２Ｍ
１）７を投入する。

【０００６】次に、回路に異常が発生した場合の動作に
ついて説明する。例えば、系統電圧低下等の系統事故が
発生すると、インバータ２内部の出力電圧検出器（図示
せず）に出力の低下が現れるため、これを検知して遮断
器（５２Ｍ１）７を開放することにより無瞬断で構内単
独運転に移行し、系統の影響を受けることなく発電運転
を継続することができる。但し、この系統事故発生時の
電力潮流バランスが、（構内単独負荷９の消費電力Ｐ_L
≧送電端出力Ｐ_S）の場合には、遮断器（５２Ｍ１）７
を開放して構内単独運転へ移行した直後に過負荷状態と
なり燃料電池発電設備は非常停止し、重大な影響を被る
ことになる。

【０００７】また、電力潮流バランスが上記のような状
態になくても、これら系統事故発生時の一連の動作は、
電圧電流の保護レベルに引っかかり非常停止に至る前に
行われなければならないので、遮断器（５２Ｍ１）７に
はサイリスタスイッチ等を用いた高速動作のものが要求
される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電設
備のインバータ装置は以上のように構成されているの
で、系統事故時に構内単独負荷の消費電力Ｐ_Lと送電端
出力Ｐ_Sとの電力潮流バランスによっては燃料電池発電
設備が非常停止に至ることがあること、サイリスタスイ
ッチ等の高速動作の高価な遮断器が必要であること、ま
た、瞬停等の短時間現象で系統が即時復旧した場合でも
構内単独運転に移行してしまい、再度、系統連系運転に
戻すための操作が必要となり煩雑であることなどの問題
点があった。

【０００９】この発明は以上のような課題を解決するた
めになされたもので、サイリスタスイッチ等高速動作の
遮断器を別途必要とすることなく、また、系統事故時に
構内単独負荷量の大きさにかかわらず燃料電池発電設備
の発電を継続させ、かつ、瞬停等の短時間現象で系統が
即時復旧した場合であれば系統連系運転を続行すること
が可能な燃料電池発電設備用インバータ装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るインバー
タ装置は、スイッチング素子を有するインバータ本体、
交流電源系統の電圧を検出し系統連系モードの運転が可
能となる電圧を出力するよう上記スイッチング素子をオ
ンオフ駆動する駆動信号を作成する駆動回路、およびこ
の駆動回路とインバータ本体との間に挿入され、異常発
生時上記駆動信号の上記インバータ本体への送出を停止
して上記インバータ本体の発振を停止させ、異常発生後
所定の第１の設定時間内に上記異常が正常に復帰したと
き上記駆動信号の送出停止を解除するインバータ発振停
止手段を備えたものである。

【００１１】また、請求項２に係るインバータ装置は、
請求項１において、その交流電源系統とインバータ装置
との間に遮断器を挿入し、上記交流電源系統の電圧が低
下する異常が異常発生後第１の設定時間を越えて継続し
たとき、上記遮断器を開放して所内単独モードの運転に
移行するようにしたものである。

【００１２】また、請求項３に係るインバータ装置は、
請求項１または２において、その直流発生源が燃料電池
である場合、インバータ本体の発振停止により上記燃料
電池の直流出力端に発生する開放電圧を検出し、この開
放電圧が上記発振停止後第１の設定時間より長い所定の
第２の設定時間を越えて継続したとき、上記燃料電池へ
の燃料の供給を停止するようにしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１におけ
るインバータ装置を含む燃料電池発電設備を示す主回路
構成図である。図において、従来と同一または相当する
部分については同一符号を付して個々の説明は省略す
る。ここでは、その主回路上に遮断器（５２Ｍ３）１１
を追加しているが、この遮断器（５２Ｍ３）１１は、特
に高速動作のものとする必要はない。また、後述する説
明から理解されるように、この発明においては、遮断器
（５２Ｍ１）７も同様、特に高速動作のものである必要
はない。

【００１４】次に、図１のインバータ２を中心にした部
分の構成の詳細の一例を図２により説明する。図２は、
主として、この発明の主要部を構成する駆動回路および
インバータ発振停止手段を説明するためのものである。
図において、１は燃料電池、１２は図１２では図示を省
略しているが、リアクトル１３および変流器１４を介し
て燃料電池１の出力側に接続されたチョッパで、燃料電
池１からの直流電圧を一定のチョッパ出力電圧Ｅ_Cに変
換してコンデンサ１５を充電する。２はＩＧＢＴ等のス
イッチング素子からなるインバータ本体であるインバー
タで、その交流出力側には、順次、変流器１６、リアク
トル１７、変圧器１８、変流器１９、コンタクタ２０お
よび遮断器（５２Ｍ２）３が設けられ、更に上述した遮
断器（５２Ｍ３）１１および遮断器（５２Ｍ１）７を介
して交流電源系統に接続されている。

【００１５】Ａは計器用変圧器（ＰＴ２）５からの系統
電圧Ｖ_S、計器用変圧器（ＰＴ３）２１および変流器１
９からの変圧器１８線路側電圧Ｖ_Tおよび電流Ｉ_T、更
に、有効電力指令Ｐ、無効電力指令Ｑを入力して同期合
わせおよび電流指令信号を作成する電流指令回路であ
る。Ｂは電流指令回路Ａからの電流指令信号に基づきイ
ンバータ２のスイッチング素子をオンオフ駆動するイン
バータゲートパルスを作成する駆動回路としてのインバ
ータＰＷＭ変換回路で、フィードバック信号として変流
器１６からのインバータ出力電流Ｉ_Iを入力している。
Ｃは所定の電圧指令に基づきチョッパ１２のスイッチン
グ素子をオンオフ駆動するチョッパゲートパルスを作成
するチョッパＰＷＭ変換回路で、直流変成器２２からの
チョッパ出力電圧Ｅ_Cおよび変流器１４からのチョッパ
入力電流Ｉ_Cを入力している。

【００１６】２３は異常検出回路で、系統電圧Ｖ_S、線
路側電圧、電流Ｖ_T、Ｉ_T、インバータ出力電流Ｉ_I、チ
ョッパ出力電圧Ｅ_Cおよびチョッパ入力電流Ｉ_Cがそれぞ
れ所定の設定範囲を越えたときインバータゲートEnable
信号およびチョッパゲートEnable信号を出力する。ＳＷ
１は半導体スイッチで、インバータゲートEnable信号を
入力すると開路してインバータＰＷＭ変換回路Ｂからの
インバータゲートパルスのインバータ２への送出を停止
させる。また、半導体スイッチＳＷ２は、チョッパゲー
トEnable信号を入力すると開路してチョッパＰＷＭ変換
回路Ｃからのチョッパゲートパルスのチョッパ１２への
送出を停止させる。

【００１７】次に動作、特に異常発生時の動作について
説明する。図３はこの異常発生時のインバータ制御動作
を示すフローチャートである。異常検出回路２３がその
監視信号のいずれかに異常を検知するとインバータゲー
トEnable信号およびチョッパゲートEnable信号を出力す
る。これによって、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が開路し、
インバータ２およびチョッパ１２へのゲートパルスの入
力が断たれ、インバータ２の発振が停止する（ステップ
Ｓ１）。即ち、この時点では遮断器（５２Ｍ２）３を開
放せず、仮故障としてインバータ２、燃料電池１の運転
は継続する。

【００１８】図４は、このインバータ発振停止の状態を
説明するもので、ここでは簡単のため単相回路で示して
いる。図において、２ａはスイッチング素子で、ゲート
パルスの供給が断たれてオープンとなっている。２ｂは
スイッチング素子２ａと逆並列に接続されたダイオード
である。ここで、チョッパ出力電圧Ｅ_Cは、インバータ
発振停止直前の電圧を保持することになるが、当然なが
ら、Ｅ_C＞√２Ｖ_I（Ｖ_Iはインバータ出力側電圧実効
値）が成立するので、ダイオード２ｂに電流が流れるこ
とはなく、主回路上、インバータ２はオープンの状態と
なる。

【００１９】なお、ここで留意すべきは、このインバー
タ発振停止中にあっても、図２で示す電流指令回路Ａ、
インバータＰＷＭ変換回路ＢおよびチョッパＰＷＭ変換
回路Ｃはいずれも正常に動作を継続しており、インバー
タ２が系統電圧と同期した電圧を出力するためのインバ
ータゲートパルスが継続して作成されていることであ
る。そして、燃料電池１では、燃料が継続的に供給され
無負荷の状態で運転が継続される。

【００２０】図３に戻り、次にステップＳ２で、検知さ
れた異常が系統電圧Ｖ_Sの低下か否かを判別する。系統
電圧低下の場合（ステップＳ２でＹＥＳ）は、系統異常
が考えられ、この状態が所定の時間（第１の設定時
間）、ここでは０．５ｓｅｃを越えて継続した場合（ス
テップＳ３でＮＯ、ステップＳ４でＹＥＳ）は、系統異
常復旧の見込みがないものとみなして後述する所内単独
モードである単独運転に移行する。

【００２１】系統電圧低下状態が一定時間以内に解除し
たことを検知した場合（ステップＳ３でＹＥＳ）は仮故
障をリセットし（ステップＳ５）、インバータ２を再起
動して運転を再開し系統連系運転を継続する（ステップ
Ｓ６〜Ｓ８）。具体的には、異常検出回路２３からの各
Enable信号が途絶え、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が閉路し
て、インバータ２およびチョッパ１２にそれぞれゲート
パルスが供給される。この場合、前述した通り、仮故障
中もインバータＰＷＭ変換回路Ｂは系統連系運転に必要
なゲートパルスの作成を継続しているので、運転再開が
円滑になされる。

【００２２】異常が系統電圧低下でない場合（ステップ
Ｓ２でＮＯ）は、系統電圧低下以外の系統異常で他の検
出要素が保護レベル（異常検知レベル）に引っかかった
可能性もあるので、この状態が一定時間（ここでは０．
５ｓｅｃ）を越えて経過したことを検知した場合（ステ
ップＳ９でＹＥＳ）は仮故障をリセットし（ステップＳ
１０）、インバータ２を再起動して系統連系運転をリト
ライする（ステップＳ１１、Ｓ１２）。

【００２３】但し、再発振後、一定時間（ここでは０．
５ｓｅｃ）以内に再故障が検知された場合（ステップＳ
１３でＹＥＳ）は、系統異常が継続しているかもしくは
発電設備内の固有異常とみなし、重故障出力を出して設
備全体を非常停止する（ステップＳ１４）。一定時間内
に再故障が検知されない場合（ステップＳ１３でＮＯ、
ステップＳ１５でＹＥＳ）は、正常に復旧したとみなし
て系統連系運転を継続する（ステップＳ８）。

【００２４】これら一連の動作フローにより、短時間の
系統電圧低下や他の系統異常に対しては、構内単独運転
に移行することなく、一瞬、系統への発電電力の供給が
停止するだけで、実質上、系統連系運転を継続すること
ができる。

【００２５】次に、図３のフローで単独運転に移行した
場合の動作を、図６のフローチャートに基づき説明す
る。即ち、上述のとおり、系統電圧低下が一定時間
（０．５ｓｅｃ）を越えて継続した場合、所内単独モー
ドの移行する。この場合、新たに設けた遮断器（５２Ｍ
３）１１に開放指令を出し（ステップＳ１６）、一定時
間（ここでは１．０ｓｅｃ）以内に遮断器（５２Ｍ３）
１１が開放動作すれば（ステップＳ１８でＹＥＳ）仮故
障をリセットしインバータ２を再起動する（ステップＳ
１９、Ｓ２０）。但し、一定時間内に遮断器（５２Ｍ
３）１１が開放動作しなければ（ステップＳ１７でＹＥ
Ｓ）重故障出力を出して設備全体を非常停止する（ステ
ップＳ２１）。

【００２６】ステップＳ２０でインバータ２が再起動さ
れると所内単独モードに入り（ステップＳ２２）、構内
単独負荷９とは分離され、燃料電池１への燃料供給を低
減し電圧一定制御で所内補機４に見合う送電電力にまで
出力低減制御を行い、構内単独負荷量Ｐ_Lとは全く無関
係に単独運転を維持することができる（ステップＳ２
３）。

【００２７】ここで、系統電圧が依然として低下状態に
ある場合は、構内単独負荷９は無給電となって停止する
が、遮断器（５２Ｍ１）７を開放して遮断器（５２Ｍ
３）１１を投入することにより、所内単独運転確立後の
燃料電池発電設備を利用して構内単独負荷９への給電を
再開することができる。もっとも、この場合には、燃料
電池１の過負荷耐量の範囲内で構内単独負荷９を順次段
階的に起動していく必要がある。このように、燃料電池
発電設備を非常用電源として活用することができる。

【００２８】交流電源系統が復旧し、連系運転指令が出
されると（ステップＳ２４でＹＥＳ）計器用変圧器（Ｐ
Ｔ１）８にて系統電圧復旧を検知した後、インバータ２
出力電圧と系統電圧との同期合わせを行い、遮断器（５
２Ｍ１）７を投入すれば連系運転に移行することができ
る（ステップＳ２５）。以後、電圧同期制御で系統連系
運転を継続することができる（ステップＳ２６、Ｓ２
７）。

【００２９】以上のように、一定時間を越えて系統電圧
が低下した場合には、構内単独負荷量の制約を受けるこ
となく所内単独運転に移行して発電を継続することがで
きる。また、異常検知直後はいずれもインバータ２の発
振停止で対処し、異常の状況を見極めた後、次の処理動
作に移る制御方式を採用するので、各遮断器には、従来
のような特別のサイリスタスイッチ等の高速動作のもの
を採用する必要がなく、機器コストの低減が可能とな
る。

【００３０】実施の形態２．ここで、図５により、イン
バータ２の発振停止中における燃料電池１の挙動につい
て説明する。インバータ発振停止時は、燃料電池プラン
ト側は燃料供給を継続しており、直流電力の消費がない
ため、燃料電池１の直流出力端には０．８Ｖ程度の開放
電圧が発生する。この開放電圧は燃料電池の電極を腐食
させ寿命を縮める要因となり得るが、その影響は過電圧
の累積時間が１〜２時間にならないと現れず、以上のフ
ローで説明した２ｓｅｃ程度の時間であれば問題になら
ない。

【００３１】また、燃料電池１で電流発生を生じないま
ま燃料が継続供給されていることによる影響として、残
燃料を改質器バーナーの燃料とする現行システムでは、
改質器のバーナーに対して余剰燃料となり、改質器温度
が上昇する現象が考えられる。しかし、その温度上昇は
分オーダーの現象であり、上記のような２ｓｅｃ程度の
間の燃料未消費では、改質器の温度は応答せず影響ない
ものと考えられる。

【００３２】以上のように、短時間のインバータ発振停
止によって燃料電池１が影響を受けることはないが、こ
の発明によるシーケンスが正常に働かなかった場合のバ
ックアップとして、開放電圧が第１の設定時間より長い
所定の第２の設定時間、例えば５ｓｅｃを越えて継続し
た場合、インターラプトおよび所内単独モード移行異常
として燃料電池プラントを停止させ燃料の供給を断つよ
うにすることにより、燃料電池１へのダメージを確実に
回避し万全を期すことができる。

【００３３】なお、以上の実施の形態では直流発生源を
燃料電池とした場合について説明したが、この発明はこ
れに限らず、種々の直流発生源を利用し、インバータを
介して交流電源系統との連系運転を行う場合にも適用す
ることができ同等の効果を奏する。また、異常検出の対
象となる信号は図２で説明したものに限られるものでは
ない。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係るインバー
タ装置は、所定のインバータ本体、駆動回路およびイン
バータ発振停止手段を備えたので、特に高速動作の遮断
器を必要とせず、かつ異常が所定の短時間で正常に復帰
したときは速やかに系統連系モードの運転に戻ることが
できる。

【００３５】また、請求項２に係るインバータ装置は、
交流電源系統とインバータ装置との間に遮断器を挿入
し、上記交流電源系統の電圧が低下する異常が異常発生
後第１の設定時間を越えて継続したとき、上記遮断器を
開放して所内単独モードの運転に移行するようにしたの
で、異常が所定時間を越えて継続した場合、簡単な構成
で構内単独負荷量の制約を受けることなく所内単独モー
ドに移行して発電を継続することができる。

【００３６】また、請求項３に係るインバータ装置は、
直流発生源が燃料電池である場合、インバータ本体の発
振停止により上記燃料電池の直流出力端に発生する開放
電圧を検出し、この開放電圧が上記発振停止後第１の設
定時間より長い所定の第２の設定時間を越えて継続した
とき、上記燃料電池への燃料の供給を停止するようにし
たので、異常検知およびそれに伴う制御機構に不正常が
発生した場合にも、燃料電池にダメージを及ぼす可能性
を確実になくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１におけるインバータ
装置を含む燃料電池発電設備を示す主回路構成図であ
る。

【図２】図１のインバータ２を中心にした部分を示す
回路構成図である。

【図３】この発明の動作を説明するフローチャートで
ある。

【図４】インバータ２の発振停止時の状態を説明する
図である。

【図５】インバータ２の発振停止時の燃料電池１の状
態を説明する図である。

【図６】図３のフローに続くこの発明の動作を説明す
るフローチャートである。

【図７】従来の燃料電池発電設備を示す主回路構成図
である。

【符号の説明】

１燃料電池、２インバータ、３，７，１１遮断
器、４所内補機、９構内単独負荷、２３異常検出
回路、Ａ電流指令回路、ＢインバータＰＷＭ変換回
路、ＳＷ１スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｊ 3/38 Ｈ０２Ｊ 3/38 Ｓ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流発生源からの直流電力を交流電力に
変換して交流電源系統へ送出するインバータ装置におい
て、スイッチング素子を有するインバータ本体、上記交流電
源系統の電圧を検出し系統連系モードの運転が可能とな
る電圧を出力するよう上記スイッチング素子をオンオフ
駆動する駆動信号を作成する駆動回路、およびこの駆動
回路とインバータ本体との間に挿入され、異常発生時上
記駆動信号の上記インバータ本体への送出を停止して上
記インバータ本体の発振を停止させ、異常発生後所定の
第１の設定時間内に上記異常が正常に復帰したとき上記
駆動信号の送出停止を解除するインバータ発振停止手段
を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】交流電源系統とインバータ装置との間に
遮断器を挿入し、上記交流電源系統の電圧が低下する異
常が異常発生後第１の設定時間を越えて継続したとき、
上記遮断器を開放して所内単独モードの運転に移行する
ようにしたことを特徴とする請求項１記載のインバータ
装置。
【請求項３】直流発生源が燃料電池である場合、イン
バータ本体の発振停止により上記燃料電池の直流出力端
に発生する開放電圧を検出し、この開放電圧が上記発振
停止後第１の設定時間より長い所定の第２の設定時間を
越えて継続したとき、上記燃料電池への燃料の供給を停
止するようにしたことを特徴とする請求項１または２に
記載のインバータ装置。