JPS59144327A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料電池、太陽電池、ＭＨＤ発電機などのよう
なエネルギー発生モジュールが比較的大きくまとまった
商業的な量の電力を配電系に供給する電力供給装置に係
わる。本発明は特に、エネルギー発生モジュールが異な
る出力をもち、それらが各発電機の出力が正しく統合さ
れるように配電系に電力を流す端子とインターフェイス
される装置に係わる。出力の異なるエネルギー発生モジ
ュールがしばしば直面する問題がある。即ち、装置を構
成するモジュールのいくつかは他のモジュールが未だ使
用に耐える状態にある１こもかかわらず新しいモジュー
ルとの交換を必要とする場合がそれである。この場合、
新しいモジュールは古いモジュールよりも高い出力を持
つことになる。全てのモジュールが同じ出力を持つため
に、モジュールのメーカーに厳しくかつ困難な許容誤差
を課すと、モジュールのコストが著しく増大する。かな
りの電力損を伴なうことなく出力の異なるモジュールを
使用するだめのインターフェイスが出来るなら、この厳
しい許容誤差の緩和とコストの軽減が可能になる。従来
のようにモジュールを直並列構成に接続する場合にも同
様な問題が発生する。個々のモジュールに低効率、高抵
抗または短絡が発生した場合、直列モジュールから成る
すべての並列群の出力電圧が等しくなるように維持する
ためには、必然的に他のモジュールの出力を変え、最高
効率以下で動作することを余儀なくされる。

エネルギー発生モジュールは交流に変換されて配電系に
流れる直流を供給する。多くの場合、モジュールと配電
系との間に単ｉの共通コンバータを介在させる。モジュ
ールの出力差に起因する問題を解決するため、モジュー
ルと配電系との間に数個の小型コンバータを介在させる
方式が提案されている。

ほかに、モジュールと共通コンバータとの間にＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータを介在させる方式もある。しかしこれらの
方式はいずれも多大のコストを必要とする。

燃料電池の場合にこの問題を解決する他の方法としては
、異なるモジュールの電池燃料ガス（通常は水素）及び
／または酸化ガス（通常は酸素）の流量を変化させると
いう方法がある。しかしこの方法は複雑なガス弁機構を
必要とし、やはりコストが高くつく。

特願昭５８−１１０７６５は燃料電池発生モジュールと
、インバータを介して配電系と接続する端子との間にイ
ンターフェイスされる保護回路を開示している。この保
護回路においてモジュールはダイオードを介してＤＣ母
線と並列接続し、ＤＣ母線はインバータと接続する。各
モジュールはモジュールの燃料及び酸化剤の圧力、温度
及び流量の関係によって決まる電圧電流曲線に応じてＤ
Ｃ母線電圧と一致するようにその出力電流を自動的に調
整する。燃料電池の個々のモジュール効率はモジュール
のパラメータを必要に応じて調整する制御システムによ
って許容可能な限界内に維持される。上記出願に開示さ
れた装置は満足に動作すると考えられるが、エネルギー
発生モジュールの動作効率はさらに大幅な改良が望まれ
る。

本発明の主な目的は出力電圧の異なる複数のエネルギー
発生モジュールが配電系へ給電するようにされた電力供
給装置を提供することにある。

本発明は広義においては直流配電系へ直流電力を供給す
る装置において、それぞれ異なる出力電圧で動作する発
電機と、出力電圧の高い発電機の電流パスから出力電圧
の低い発電機の電流パスに電力が供給されるように前記
発電機を互いに接続する前記差動コンバータ回路から成
ることを特徴とする直流電力供給装置を提供することに
よって上記目的を達成する。

たとえば燃料電池は配電系に大きくまとまった電力を供
給し、モジュールと配電系の間に、モジュールの出力を
機械的にではなく電気的に統合することによりモジュー
ルが個々の電力増分を高い効率で供給できるようにする
回路網がインターフェイスされる。電力供給装置は、最
大効率でのブランチ出力電圧が等しくなくても各モジュ
ールまたは並列ブランチが最大効率で電力を発生させる
ように並列にかつ統合された形で配電系に電力を供給す
る複数の直汝電源またはモジュールを含む。

本発明は個別インバータまたは機械的ガス弁によって制
御するのではなく、各モジュールの電気的負荷を必要に
応じて変化させることによりモジュールの効率を制御し
かつ最大限にすれば機械的構造を若く簡略し、コストを
軽減できるとの所見にもとづいている。モジュールの電
気的負荷は、高出力モジュールが余剰電力を低出力モジ
ュールの電流パスに供給し、低出力−モジュールの出力
が高出力モジュールから得られる電力によって昇圧され
るように変化させられる。モジュールの出力に差がある
にもかかわらず配電系への電力供給は統合的になされる
。本発明の実施例では、統合のためのインターフェイス
回路網において各モジュールに差動コンバータを接続す
る。各コン／ヘータには、予想されるモジュール間最大
偏差の局に等しい大きさの交流電圧が供給される。ここ
にいう°“電圧の大きさ″とは交流電圧の振幅とは異な
り供給される平均電圧を意味する。燃料電池の場合、１
モジユールを形成する直列接続電池は２０００ボルトの
出力を持つことができる。モジュール間最大偏差は±５
％、即ち、全体として１０％に達する可能性がある。こ
の場合、供給される交流電圧の大きさはｌＯＯボルトと
なる。各差動コンバータは交流電流の導通を制御する電
子弁をも含む。高出力モジュールに対しては、交流電圧
の主として負の半周期の時導通がなされ、交流電源回路
がモジュールから余剰の電力を吸収するように、正の半
周期の後期に導通が開始される。

低出力モジュールに対しては、モジュールが交流電源回
路から電力を吸収するように正の半周期の初期に導通が
開始される。

以下、誰何図面を参照して、本発明の目的及び利点と共
に本発明実施例の構成及び動作態様を詳細に説明する。

第１図に示す装置は燃料電池、大腸電池、ＭＨＤなどの
ような発電機モジ□−ル群１１を含む。個々のモジュー
ル１１は多くの場合、直列に接続された複数の発電機、
たとえば燃料電池から成る。それぞれのモジュールを文
字ａ、ｂ、ｃ・・・・ｎで示した。各モジュールはそれ
ぞれ電圧出力Ｖ　、ａ、ｖｂ、ｖＣｌ・・・・Ｖｎを持
つ。この電圧を一般的にＶｉで示した。各モジュールか
らの電流はＩａ、Ｉｂ、Ｉｃ・・・・Ｉｎで、また一般
的にＩｉで示した。電圧Ｉｉは統合回路ｆＩ４１３に供
給される。この回路網の出力はインバータ１７に接続す
る母線１５に供給される。インバータ１７は母線１５を
流れる直流を交流に変換する。この交流は配電系工９に
供給される。インバータ１７の代りに、他の種類のコン
バータ、たとえばＤＣ−ＤＣコンバータを統合回路網１
３と配電系１９との間に挿入してもよい。

モジュール１１から第１図に示すような装置の母線１５
へのエネルギー伝達の基本的制約は下記の不等式で表さ
れる。

／−：４ ただしＶｉ及びＩＴはそれぞれ母線１５間電圧と母線を
流れる電流を表わす。この制約によれば、常時エネルギ
ーを統合回路網１３に対し供給するかまたはこの回路網
から吸収しなければならない。上記制約がなければモジ
ュールの個々の電圧及び電流と母線における電圧及び電
流との関係は下記式で表わされる。

もしこの式が動作を支配するなら、補足電力を供給する
エネルギー・ソースも、モジュールから余剰電力を吸収
するエネルギー・シンクも不要である。式（２）で限定
される動作が達成されるためには、統合回路網１３が下
記のキルヒホッフの電流法則に従っていくつかのモジュ
ールの電流パスから他のモジュールの群の電流パスにエ
ネルギーを伝達することのできる手段を提供しなければ
ならない。

即ち、 え−り 又　　工：Ｌ：エエ　　　　　　（３）Ｌ＝　１ ここに考察するような電力供給装置の場合、ｖ丁の大き
さは最大及び最小電圧Ｖｉ間の値を取る。モジュール１
１、統合回路網１３及び母線１５間には、すべての電流
Ｉｉを式（３）に限定されるエエに寄与させるような抵
抗パスも存在する。エネルギーはｖ　ｉ＞　Ｖ７針であ
るようなモジュールのパスからＶｉ＜　ＶＴであるよう
なモジュールのパスに伝達される。統合回路網以外の場
所でエネルギーを伝達したり吸収したりする必要はない
。本発明では差動電圧コンバータ（Ｄ　Ｖ　Ｃ）によっ
てエネルギー伝達が行なわれる。

多年にわたる燃料電池の研究によればモジュール間には
約１０％の電圧偏差が予想される。１つのモジュールだ
けが公称出力から最大量ずれていると、モジュールの電
流パスに対して、またはこの電流パスから伝達される最
大電力はその出力の１０％以下の大きさとなる。モジュ
ールの５０％が交換されたばかりで新しく、残り５０％
が耐用寿命ぎりぎりの古いモジュールであるような燃料
電池の場合、各モジュールと連携する統合回路網の電流
パスは総゛電流出力の約５％を扱うことになる。主とし
て電子回路から成る差動コンバータのコストは扱われる
電力にほぼ比例すると想定される。従って差動電圧コン
バータが統合機能を果たす統合回路網１３は公知の手段
に比例して経済的である。

第２図に示す装置では、統合回路、１１１２１が複数の
差動電圧コンバータ２３を含み、各モジュールがそれぞ
れのコンバータと接続している。図ではコンバータ２３
に、これらが接続しているモジュール間 照符号ＤＶＣａ、ＤＶＣｂ、ＤＶＣｃ・・・・ＤＶＣｎ
を付しである。作動コンバータＤＶＣａ−ＤＶＣｎはＶ
ｉ＜　盲であるモジュールの出力がＶｉ＞、であるモジ
ュールによりこれらと連携のコンバータを介して昇圧さ
れるようにモジュール１１と接続している。多くの場合
に見られるように電流Ｉａ〜Ｉｎが異なれば、母線電圧
曾は電圧Ｖｐ。〜Ｖ、）、、の平均とほぼ等しくなる。

即ち、 電流Ｉ　ａ　７　Ｉ　ｎが等しければ、１はこの平均イ
１ａに等しい。　− 第３図に示す通り、各差動電圧コンバータは１次巻線２
７及びセンタータップ２次巻線２９を有する変圧器２５
を含む。１次巻線２７は配電系１９から電力を得る共通
の電源３１から給電される。多くの場合、電源３１とし
て５０または６０ヘルツ電源を使用すればよい。２次巻
線のセンタータップ３３はまとめて共通の°゛ホツト″
母線１５に接続する。

各モジュールｌの正極８１はチョーク３５及びサイリス
タ３７．３９（シリコン制御整流器マたはパワー・トラ
ンジスタなど）を介して連携の２次巻線２９と接続する
。モジュール１１の負極４０は接地母線１５に接続する
かまたは接地する。サイリスタ３７．３９は２次巻線２
９の両端子と接続し、連携２次巻線の極性が変化するの
に従って交互に導通することができる。

２次巻線２９によって供給される交流電圧の大きさはモ
ジュールの直流電圧に比較して小さいのが普通である。

この関係をモジュールｌについて示したのが第４図であ
り、電圧を垂直軸で、時間を水平軸でそれぞれ示しであ
る。時間軸と平行な破線４１はモジュールの電圧出力、
時間軸に沿った破線正弦曲線４３は２次巻線２９によっ
て供給される交流電圧である。実線で示す曲線４５はこ
の電圧の和である。燃料電池の場合、モジュール電圧は
約２０００ボルトである。交流電圧の大きさはモジュー
ル間電圧出力偏差とほぼ等しくなけらばならない。この
偏差は１０％；即ち・±５％が普通である。この場合、
交流電圧の大きさは１０ｏボルトである。

各サイリスタ対３７．３９には公知の制御回路４７を設
ける。制御回路４７の出力導線４９．５１は逆位相にお
いてサイリスタを導通させるようにサイリスタのゲート
５３に接続する。各モジュールによって供給される電流
に応じて変流器５５のような電流センサ・から発生する
信号が制御回路４７に印加される。この信号が公知の態
様で得られる基準電流５７と比較される。基準電流の大
きさはすべての制御回路４７に共通でよいが、通常は各
モジュールの電圧／電流特性に合わせて設定しなければ
ならない。導線４９．５１からゲート５３に印加される
信号は変流器からの信号と基準電流との比較結果によっ
て決定される。

第３図に示した統合回路ＰＪ２１の動作を以下第５Ａ図
、第５Ｂ図及び第５Ｃ図を参照して説明する。これらの
図では電圧を垂直軸で、時間を水平軸でそれぞれ示した
。第５Ａ図の正弦曲線６１は１次巻線２７によって印加
される交流電圧である。第５Ｂ図及び５０図における曲
線６１．６３は端子７５がサイリスクのコレクタ７７と
接続している２次巻線２９の部分によって各差動コンバ
ータ２３のサイリスク３７間に印加される電圧である。

第５Ｂ図及び第５Ｃ図の曲線６５及び６７は端子７９が
サイリスタ３９のコレクタ７７と接続している各差動コ
ンバータ２３の２次巻線２９の部分によってこのサイリ
スタ３９に印加される電圧である。曲線６１．６７の実
線部分は連携のサイリスタ３７または３９が導通状態と
なる時間を表わす。母線１５の所要電圧レベルよりも低
い出力、即ち、Ｖｉく工である各モジュールの場合、サ
イリスタは第５Ｂ図の垂直線７１．７３及びこの垂直線
に続く実線で示す曲線部分で明らかなように交流の正半
周期の初期に導通する。線７１で表わされる導通時点は
サイリスタ３７の導通時点であり；サイリスタ３９の導
通時点は線７３で表わされる。サイリスタ３７の場合、
正半周期中、サイリスタ３７のコレクタ７７が接続して
いる２次巻線２９の端子７５は正であり、反対端子７９
は負である。サイリスタ３９の場合、反対の正半周期中
、端子７９は正であり、端子７５は負である。

以　　下　　余　　白 期、即ち、半周期の時点から最初の９０’以内であるこ
とを農法する。導通角度は差動コンバータの電流センサ
５５から得られる信号と基準電流との関係によって決定
される。この関係は連携のモジュールの出力が母線１５
の設定された、または所要の出力に対する偏差、即ち、
■’Ｉ　　Ｖｉに依存する。この偏差が大きいと、サイ
リスタは正半周期の起点から僅か５°またはそれよりも
早い時点に導通する。この偏差が小さければ、最初の％
周期の後期、たとえば正半周期起点から７５°または８
０°の時点に導通する。モジュールｌｌの出力が変化す
るのに従って導通時点が自動的に調整される。

サイリスタ３７が導通すると、極８１、チョーク３５、
サイリスタ３７、変圧器２５の区間７５〜３３を経て母
線１５に至る回路で電流が母線１５に導通される。続く
半周期中、電流は極８１、チョーク３５、サイリスタ３
゛９、変圧器２５の区間７９〜３３を経て母線１５に流
れる。サイリスタ３７が導通した後にサイリスタ３９が
導通すると、区間７９〜３３間電圧の２倍に相当する負
電圧がサイリスタ３７に印加されてこのサイリスタ３７
を遮断する。同様に、サイリスタ３９のあとにサイリス
タ３７が導通すると、サイリスタ３９が遮断される。サ
イリスタ３７及び３９が早く導通すると、電流は電源３
１の主として正の半周期中に導通される。この電源から
の電力か母線１５に伝達されてモジュール１１の出力を
昇圧する。

第５Ｃ図は出力が設定値よりも大きい、即ち、Ｖｉ＞　
　工であるモジュールの動作を表わすグラフである。こ
の場合、サイリスタ３７．３９は３７については垂直線
８３．３９については垂直線８５で示すように正の半周
期の後期に導通する。正の半周期の後期”という表現は
導通が各正半周期の第２の％周期、即ち、９０°と１８
０°の間で起辻ることを意味する。サイリスタが導通す
る半周期中の角度はモジュール出力の設定値に対する偏
差、即ち、Ｖｉ−工によって決定される。偏差が比較的
小さければ、導通はたとえば正半周期起点から１００°
またはｌ　１０’で起こる。偏差が大きければたとえば
１７００または１７５°で導通する。サイリスクの導通
中、交流電圧は主として負の極性を取る。モジュールは
電源３１に対して電力を供給し、この電源を介して出力
が設定値よりも低いモジュールに対してこの電力を供給
する。

電力の伝達を第６図に図解した。ここではモジュールＩ
ＩＨの出力が２１００ボルト、モジュールＩＩＬの出力
が１９００ボルトであり、高出力モジュールＩＩＨが３
００アンペアをまた低出力モシュールエＩＬが３５０ア
ンペアを供給していると仮定する。また、２つのモジュ
ールから母線１５への複合出力が２００Ｃ）ポルトにお
いて１．３メガワツト、６５０アンペアである想定とす
る。このような状況下ではモジュールＩＩＨと接続して
いる差動コンバータ２３Ｓは共通電源３１（第３図）に
対して３０キロワツトを供給゛し、差動コンバータ２３
Ａは共通電源３１から３５キロワツトを吸収する。

第６図から明らかなように、低出力モ ジュール１１Ｌは高出力モジュールよりも高い電流を供
給する。燃料電池はこのような差か生ずるように、また
は電流と伝達エネルギーとが等しくなるように動作する
。各モジュールに対する基準電流５７（第３図）は各モ
ジュールの電圧／電流特性に応じて設定ず−る。

第７図は本発明の変更実施例を示す。この場合、統合回
路網９１は各モジュール１１に接続されている差動電圧
コンバータ９５に給電する共通の変圧器９３を含む。変
圧器９３は１次巻線９７及びセンタータ・ンプ２次巻線
９９を含む。サイリスタ３７は２次巻線の−方の端子１
０１と並列に接続し、サイリスタ３９は反対端子１０３
と接続している。この変更実施例の動作は上述の場合と
同じである。

以上本発明の好ましい実施例を説明したが、ほかにも種
々の実施態様が可能であり、公知技術思想との関連でや
むを得ない場合を除き、本発明の実施態様に制約はない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、燃料電池のような電気工ネルキー発生機から
電力を得る電力供給装置の主要な構成要素を略示するブ
ロックダイヤグラム。 第２図は１本発明による電力供給装置の主要構成要素を
略示するブロックダイヤグラム。 第３図は、本発明の電力供給装置に含まれる統合回路網
を略示する回路図。 第４図は、モジュール電圧と、差動コンバータに供給さ
れる交流電圧との典型的な間第５Ａ図、第５Ｂ図及び第
５ｃ図は第３図の動作を説明するためのグラフ。 第６図は、本発明の実施に際して出力の異なる２つのモ
ジュール間に現れる動作関係を示すブロックダイヤグラ
ム。 第７図は、本発明の変更実施例における統合回路網を略
示する回路図である。 １１・・・・・・モジュール １７・・・・・・インバータ １９・・・・・・配電系 ２１・・・・・・統合回路網 ２３・・・・・・差動電圧コンへ−タ ３１・・・・・・交流電源 ３７．３９・・サイリスタ ４７・・・・・・制御装置 ５７・・・・・・基準電流源 ＦＩＣ；６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、直直流配電へ直流電力を供給する装置において、そ
   れぞれ異なる出力電圧で動作する発電機と、出力電圧の
   高い発電機の電流パスから出力電圧の低い発電機の電流
   パスに電力が供給されるように前記発電機を互いに接続
   する差動コンバータ回路より成ることをを特徴とする直
   流電力供給装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の装置において、差動
   コンバータ回路が各発電機ごとにそれぞれ別々の差動コ
   ンバータを含むことを特徴とする装置。 ３．４Ｉ訂請求の範囲第１項または第２項に記載の装置
   において、各差動コン／へ−タが交流電源回路、前記電
   源回路に接続されたスイッチング回路、及び低電圧発電
   機の出力を昇圧するため前記スイッチング回路に接続さ
   れた制御回路を含むことを特徴とする装置。 ４、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載
   の装置において、電源回路の交流電圧が発電機電圧より
   も実質的に小さいことを特徴とする装置。 ５、特許請求の範囲第４項に記載の装置において、交流
   電圧の大きさが発電機の最大電圧変動の約半・分に等し
   いことを特徴とする装置。 ６、特許請求の範囲第３項に記載の装置において、交流
   電源回路がその電力を共通の電源から得ることを特徴と
   する装置。