KR100516866B1

KR100516866B1 - 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치

Info

Publication number: KR100516866B1
Application number: KR10-2003-0088864A
Authority: KR
Inventors: 이찌노세마사야; 다께다겐지; 후따미모또오; 고마찌야마사히로; 구보겐지
Original assignee: 히타치 홈 앤드 라이프 솔루션즈 가부시키가이샤
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-09-27
Also published as: CN1507101A; KR20040050867A; JP4001004B2; JP2004192899A; CN1292509C; US7795753B2; US20040115487A1

Abstract

종래의 기술은 수전 전력을 검출하고 있지 않기 때문에, 수전 전력을 제어할 수 없다. 또한, 부하 전력을 그대로 이용하고 있기 때문에, 부하가 급격하게 변동하고 있는 경우, 연료 전지의 연료가 빈번히 변동하고, 연료 전지의 효율이 나빠질 우려가 있다. 이를 위해 수전 전력을 제어하기 위해서, 2차 전지로써 피크컷트 운전시키는 것으로 하였다. 또한, 부하 전력을 수전 전력 검출값과 제어 내부의 2차 전지, 발전 설비의 명령값으로부터 연산하여, 부하 전력에 필터를 넣어 연료 전지의 명령값 작성에 이용하는 것으로 하였다.

Description

연료 전지 시스템의 운전 제어 장치{AN APPARATUS FOR CONTROLLING OPERATION OF FUEL BATTERY SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템의 효율적인 운용을 실현하기 위한 운전 제어 장치에 관한 것이다.

특허 문헌 1에는 전기 부하량이 증가했을 때, 연료 전지와 부하 간의 회로 전류의 증가로부터, 연료 전지의 연료를 증가시키고, 그 지연분을 2차 전지로부터 방전하는 수단을 포함하고 있다. 즉, 상기 문헌에는 연료 전지를 작동시키기 위한 가스 펌프나 액체 펌프 혹은 제어 밸브 등의 보조 기기를 갖고, 상기 보조 기기에 상용 전원 또는 연료 전자 시스템으로부터 전력을 공급하여 연료 전지로의 수소 가스 공급이나 연료 전지의 냉각 혹은 기기의 제어를 행하도록 구성된 연료 전지 시스템에 있어서, 외부 연료 전지 시스템이 상기 보조 기기로의 전력 공급을 하기 전에, 상용 전원이 정전했을 때는 상기 보조 기기에의 운전 전력을 연료 전지에 접속되어 있는 2차 전지로부터 공급하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이 기재되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특개 2002-63927호 공보

본 발명은, 전력 계통으로부터의 수전 전력을 검출할 수 있도록 한 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 또한 부하 전력을 수전 전력으로부터 연산에 의해서 구할 수 있는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 부하 전력을 그대로 이용하여, 부하가 급격하게 변동하고 있는 경우, 연료 전지의 연료가 빈번하게 변동하여, 연료 전지의 효율이 나쁘게 될 우려가 있다.

본 발명은 연료 전지 출력을 부하에 추종시켜 운전하는 것으로 했다. 또한, 수전 전력이 소정값 이상이 되지 않도록 2차 전지를 제어하는 것으로 했다. 또한, 연료 전지와 2차 전지를 효율적으로 운용하도록 했다.

본 발명은 다음에 개시하는 구성을 구비한다.

전력 계통과 차단 투입 수단을 개재하여 전기적으로 접속된 제1 전력 변환기와, 상기 전력 변환기의 직류 부분에 제2 전력 변환기를 개재하여 접속된 연료 전지와, 상기 직류 부분에 제3 전력 변환기를 개재하여 접속된 2차 전지와, 상기 전력 변환기가 출력하는 교류 전류를 검출하여 전류 검출값을 출력하는 전류 검출 수단과, 상기 차단 투입 수단의 계통측 교류 전압을 검출하여 전압 검출값을 출력하는 전압 검출 수단과, 상기 연료 전지가 출력하는 전류를 검출하는 연료 전지 전류 검출 수단과, 상기 연료 전지의 전압을 검출하는 연료 전지 전압 검출 수단과, 상기 2차 전지가 출력하는 전류를 검출하는 2차 전지 전류 검출 수단과, 상기 2차 전지의 전압을 검출하는 2차 전지 전압 검출 수단을 포함한 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치에서, 상기 제1 전력 변환기와, 상기 제1 전력 변환기와 병렬로 접속된 전기적인 부하의 양쪽의 전류의 합계값을 검출하는 수전 전류 검출기를 상기 전력 계통에 구비한다.

전력 계통과 차단 투입 수단을 개재하여 전기적으로 접속된 제1 전력 변환기와, 상기 전력 변환기의 직류 부분에 제2 전력 변환기를 개재하여 접속된 연료 전지와, 상기 직류 부분에 제3 전력 변환기를 개재하여 접속된 2차 전지와, 상기 전력 변환기가 출력하는 교류 전류를 검출하여 전류 검출값을 출력하는 전류 검출 수단과, 상기 차단 투입 수단의 계통측 교류 전압을 검출하여 전압 검출값을 출력하는 전압 검출 수단과, 상기 연료 전지가 출력하는 전류를 검출하는 연료 전지 전류 검출 수단과, 상기 연료 전지의 전압을 검출하는 연료 전지 전압 검출 수단과, 상기 2차 전지가 출력하는 전류를 검출하는 2차 전지 전류 검출 수단과, 상기 2차 전지의 전압을 검출하는 2차 전지 전압 검출 수단을 포함한다.

제1 전력 변환기의 검출된 직류 전압값을 피드백값으로서 이용하여, 전압 명령값에 일치하도록 전류 명령값을 출력하는 전력 조정 수단과, 상기 전류 검출값을 피드백값으로서 이용하여, 상기 전류 명령값에 일치하도록 변환기의 출력 전압 명령값을 출력하는 전류 조정 수단과, 상기 출력 전압 명령값을 입력하여 변환기를 구동시키기 위한 펄스를 출력하는 펄스 출력 수단을 포함하고, 상기 전력 명령값에 따라서 계통과 전력을 충전/방전 동작시키는 제어 장치를 구비한다.

또한, 상기 제2 전력 변환기의 제어 수단은, 전류 명령값과 연료 전지 전류를 일치시키는 전류 제어 수단을 포함하고, 상기 제3 전력 변환기의 제어 수단은, 전류 명령값과 2차 전지 전류를 일치시키는 전류 제어 수단을 포함하는 전력 변환 장치를 구비한다.

상기 제1 전력 변환기와 상기 전력 계통에 상기 제1 전력 변환기와 병렬로 접속된 전기적인 부하의 양쪽의 전류의 합계값을 검출하는 수전 전류 검출기를 포함하고, 상기 수전 전류 검출기와 상기 계통측 전압 검출기에 의해 검출한 수전 전류와 계통 전압으로부터 수전 전력을 연산하는 제1 전력 연산 수단을 포함하며, 또한 상기 제1 전력 변환기가 출력하는 전력을 연산하는 제2 전력 연산 수단을 포함하고, 상기 제1 전력 연산 수단과 상기 제2 전력 연산 수단의 출력으로부터 상기 부하가 소비하고 있는 부하 전력을 연산하는 수단을 포함한다.

<발명의 실시 형태>

이하 본 발명의 실시예에 대하여 도 1 내지 도 11을 이용하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 실현하기 위한 일 실시예를 나타내고 있다.

도 1은 직류 전력을 단상(單相)의 교류 전력으로, 또는 단상의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 기능을 갖는 전압형 전력 변환기의 단선 결선도를 도시하고 있다. 도 1에서, 2차 전지 Bat는 직류 전압 레벨을 변환하는 DC/DC 컨버터(1-1a)에 접속되어 있다. 상기 DC/DC 컨버터(1-1a)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 변환기(1-1c)의 직류측 컨덴서 C1에 접속되고, 상기 변환기(1-1c)의 교류 출력단은 고조파 제거용 교류 필터를 구성하는 반응 장치 L1에 접속되고, 상기 반응 장치 L1은 상기 교류 필터를 구성하는 컨덴서 C2 및 차단 투입 수단 BR1에 접속된다. 차단 투입 수단 BR1은 전력 계통(2)에 접속된다. 또한, 차단 투입 수단 BR1과 전력 계통 사이에는 부하(3)가 접속된다. 또한, 변환기(1-1c)의 직류측 컨덴서 C1를, 연료 전지 FC1과 DC/DC 컨버터(1-1b)를 개재하여 접속한다. 연료 전지 FC1은 배관 PP1에 접속되고, 배관 PP1은 연료 조정용 밸브 VV1에 접속된다. 연료 조정용 밸브 VV1은 배관 PP2에 접속되고, 연료 조정용 밸브 VV1은 배관 PP1에 유입되는 연료의 유량을 조정한다. 연료 전지 FC1은, 예를 들면 연료로 도시 가스를 사용하여, 도시 가스를 개질하여 수소가 풍부한 연료로 변환하고, 연료 전지 FC1을 구성하는 전지 셀에서 상기 수소가 풍부한 가스와 공기의 화학 반응으로부터 직류의 전력을 발생하여 상기 DC/DC 컨버터(1-1b)에 입력된다.

전력 제어기(4)(전력 제어 장치)는, 전력 계통(2)과 부하(3) 사이의, 전력 계통측에 설치된 전류 검출기 CT1의 수전 전류 검출값 IL1, 전력 계통(2)의 전압을 검출하기 위한 전압 검출 수단 PT1의 검출값 VL1, 2차 전지 Bat의 전압 검출값 Ea를 2차 전지 검출 수단에 의해 검출하여 입력한다. 또한, 전력 제어기(4)는 연료 조정용 밸브 VV1의 개방도 신호 SVV1을 연료 조정용 밸브 VV1에 출력하고, 또한 상기 DC/DC 컨버터(1-1a, 1-1b)의 전류 명령값 IREFa 및 IREFb를 변환기 제어 장치(5)에 출력한다.

변환기 제어 장치(5)는 반응 장치 L1을 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기 CT1의 검출값 Iinv와, 전압 검출기 PT1의 검출값 VL1과, 변환기의 직류에 설치된 상기 컨덴서 C1의 전압 검출값 Ec와, 2차 전지 Bat가 출력하는 전류를 검출하기 위한 전류 검출 수단 CT2의 전류 검출값 IBT와, 연료 전지 Bat의 전류 검출기 CT3에 의한 전류 검출값 IFC와, DC/DC 컨버터(1-1a, 1-1b)의 전류 명령값 IREFa 및 IREFb를 입력한다. 변환기 제어 장치(5)는 변환기(1-1c)를 구동시키기 위한 게이트 신호 GP0과, DC/DC 컨버터(1-1a)를 구동시키기 위한 게이트 신호 GPa와, DC/DC 컨버터(1-1b)를 구동시키기 위한 게이트 신호 GPb를 출력한다.

도 2는 본 실시예의 변환기 제어 장치(5)의 구성을 나타내고 있다.

도 2에서 상기 직류 전압 검출값 Ec는 전압 검출기(6a)에 입력되고, 상기 전압 검출기(6a)는 상기 직류 전압 검출값 Ec의 전압 레벨을 소정의 값 Ed0으로 변환하고, 직류 전압 조정기(7)에 출력한다. 상기 직류 전압 조정기(7)는, 비례 적분기로 구성되고, 직류 전압 명령값과 상기 직류 전압 검출값 Ed0이 일치하도록 상기 변환기(1-1c)의 전류 명령값 Isys*를 연산하고, 상기 전류 명령값 Isys*를 연계 전류 조정기(8)에 출력한다. 직류 전압 Ed0을 피드백값으로서 이용하여, 전압 명령값에 일치하도록 한다. 또한, 변환기(1-1c)의 출력 전류 Iinv는 전류 검출기(11)에 입력되고, 상기 전류 검출기(11)는 소정의 값 Isys로 변환하고, 상기 연계 전류 조정기(8)에 출력한다. 전류 검출값 Iinv를 피드백값으로서 이용하여, 전류 명령값 Isys*에 일치하도록 한다.

또한, 위상 검출기(9)는 상기 전압 검출값 VL1의 위상에 추종한 진폭 "1"의 위상 신호 Asin과, 계통 전압의 진폭치 Vrms를 연산하여 상기 계통 전류 조정기에 출력한다.

또한, DC/DC 컨버터(1-1b)의 전류 조정기(10b)는 상기 연료 전지 FC1이 출력하는 상기 전류값 IFC와, 전력 제어기(4)로부터 입력되는 전류 명령값 IREFb를 입력하고, 전류 조정기(10b)는 전류 명령값 IREFb와 전류 검출값 IFC가 일치하도록 펄스 신호 GPb를 출력한다.

마찬가지로, DC/DC 컨버터(1-1a) 전류 조정기(10a)는 2차 전지 Bat가 출력하는 전류 검출값 IBT와, 상기 전력 제어 장치(4)로부터 입력되는 전류 명령값 IREFa를 입력하고, 상기 전류 조정기(10a)는 상기 전류 명령값 IREFa와 상기 전류 검출값 IBT가 일치하도록 펄스 신호 GPa를 출력한다.

도 3은 상기 연계 전류 조정기(8)의 구성을 나타내고 있다.

도 3에 있어서, 상기 전류 명령 Isys*과 상기 위상 신호 Asin은 승산기 Pr1에 입력되고, 상기 승산기 Pr1은 이들 입력값을 승산하고, 진폭 Isys*의 정현파형의 전류 명령값 Ia*를 출력한다. 상기 위상 신호 Asin이 계통 전압의 a상(相)에 추종한 정현파로 조정되어 있기 때문에, 상기 전류 명령 Ia*은 a상의 역율 1의 전류 명령값이 된다. 상기 전류 명령 Ia*은 승산기 Pr2와 감산기 def2에 입력되고, 상기 승산기 Pr2는 입력값인 Ia*에 "-1"을 곱하여 b상의 전류 명령값 Ib*를 출력한다. 또한, 상기 감산기 def2는 상기 전류 명령값 Ia*와 상기 전류 검출값의 a상 전류 Isysa를 입력하여 차분 dI1을 연산하고, 전류 조정기(12a)에 출력한다.

마찬가지로 감산기 def1은 상기 전류 명령값 Ib*와 상기 전류 검출값의 b상 전류 Isysb를 입력하여 차분 dI2를 연산하고, 전류 조정기(12b)에 출력한다.

상기 전압 진폭치 Vrms는, 상기 변환기(1-1c)가 접속되어 있는 전력 계통(2)에서의 소정의 전압값으로, 이것을 명령값으로 하여 승산기 Pr3에 출력한다. 상기 승산기 Pr3은, 상기 전압 진폭 검출값 Vrms와 상기 위상 신호 Asin을 승산하고, 진폭 Vrms의 정현파형의 전압 피드 포워드 명령값 Va*를 출력한다. 상기 위상 신호 Asin이 계통 전압의 a상에 추종한 정현파로 조정되어 있으면, 상기 전압 피드 포워드 명령 Va*은 a상의 전압 명령값과 거의 일치한다. 상기 전압 피드 포워드 명령 Va*은 승산기 Pr4와 가산기 Ad1에 입력되고, 상기 승산기 Pr4는 입력값인 Va*에 "-1"을 곱하여 b상의 전압 피드 포워드 명령값 Vb*를 가산기에 출력한다.

상기 전류 조정기(12a, 12b)는 각각 입력된 차분을 0으로 하도록 각각의 출력값 Via 및 Vib를 조정한다. 상기 각 전류 조정기(12a, 12b)의 각 출력값은 가산기 Ad1과 가산기 Ad2에 각각 입력되고, 상기 가산기 Ad1은 상기 전압 피드 포워드 명령값 Va*와 상기 출력값 Via를 가산한 결과 Vao*를 PWM 연산기 PWM(펄스 출력 수단)에 출력한다. 또한, 상기 가산기 Ad2는 상기 전압 피드 포워드 명령값 Vb*와 상기 출력값 Vib를 가산한 결과 Vbo*를 상기 PWM 연산기 PWM에 출력한다. 상기 PWM 연산기 PWM은, 입력된 각 값 Vao* 및 Vbo*을, 삼각파와 비교하여 상기 단상 인버터를 동작시키는 게이트 펄스 GP0을 상기 변환기(1-1c)의 게이트 회로에 출력한다.

도 4는 상기 전류 조정기(10a)의 구성을 나타내고 있다.

도 4에 있어서, 상기 전류 명령값 IREFa와 상기 전류 검출값 IBAT는 각각 감산기 def3에 입력되고, 상기 감산기 def3은 상기 전류 명령값 IREFa와 상기 전류 검출값 IBAT의 차분을 연산하고, 전류 조정기(13a)에 출력한다. 상기 전류 조정기(13a)는 상기 입력된 차분을 0으로 하도록 출력 듀티 명령값 Da*를 조정하고, 펄스 연산기(14a)에 상기 출력값 Da*를 출력한다. 상기 펄스 연산기(14a)는 입력된 값 Da*를, 삼각파와 비교하여 상기 DC/DC 컨버터(1-1a)를 동작시키는 게이트 펄스 GPa를 상기 DC/DC 컨버터(1-1a)의 게이트 회로에 출력한다.

또한, 도 5는 상기 전류 조정기(10b)의 구성을 도시하고 있다.

도 5에서 상기 전류 명령값 IREFb와 상기 전류 검출값 IFC는 각각 감산기 def4에 입력되고, 상기 감산기 def4는 상기 전류 명령값 IREFb와 상기 전류 검출값 IFC의 차분을 연산하고, 전류 조정기(13b)에 출력한다.

상기 전류 조정기(13b)는 입력된 차분을 0으로 하도록 각각의 출력 듀티 명령값 Db*를 조정하고, 펄스 연산기(14b)에 상기 출력값 Db*를 출력한다. 상기 펄스 연산기(14b)는 입력된 값 Db*를, 삼각파와 비교하여 상기 DC/DC 컨버터(1-1b)를 동작시키는 게이트 펄스 GPb를 상기 DC/DC 컨버터(1-1b)의 게이트 회로에 출력한다.

도 6 내지 도 10은 상기 전력 제어기(4)의 구성을 나타내고 있다.

도 6에서, 전력 검출기(15)는 상기 계통 전류 IL1과 상기 계통 전압 VL1을 입력하고, 전류 IL1과 전압 VL1로부터 전력 PD를 연산하고, 연산한 수전 전력 연산값 PD를 전력 조정기(16) 및 부하 전력 연산기(17)에 출력한다. 또한, 상기 2차 전지 전압 검출값 Ea는 상기 부하 전력 연산기(17) 및 전지 제어기(18)에 입력된다.

상기 전지 제어기(18)는 전지 잔여 용량 연산의 기능을 갖고, 예를 들면 2차 전지 Bat의 전압 Ea와 잔여 용량의 관계식을 이용하여 전지의 잔여 용량 Wa를 연산하고, 상기 전력 조정기(16)에 상기 잔여 용량 Wa를 출력한다. 도면에서는 전지 제어기(18)는 전압만을 취득하고 있지만, 2차 전지 전류를 취득하고, 전류 적산치로부터 잔여 용량을 연산하는 등의 방법을 이용해도 된다.

도 7을 이용하여, 상기 전력 조정기(16)의 구성을 설명한다. 상기 전력 조정기(16)는 상기 수전 전력 연산값 PD와 수전 전력 임계값 PD*을 전지 잔여 용량 연산값 Wa로서 입력한다. 상기 수전 전력 임계값 PD*과 상기 수전 전력 연산값 PD는 감산기 def5에 입력되고, 상기 감산기 def5는 상기 수전 전력 연산값 PD와 상기 수전 전력 임계값 PD*의 편차를 적분기(19)에 출력한다.

상기 적분기(19)는, 상기 편차를 적분하고, 적분한 결과의 2차 전지 전류 명령값 Idbat를 충방전 전환기(20)에 출력한다. 상기 적분기(19)는 적분이 오버 플로우하지 않도록, 리미터 기능을 구비하고 있고, 상기 편차가 플러스일 때만(수전 전력 연산값 PD가 수전 전력 임계값 PD*보다 클 때) 동작하도록, 리미터의 하한값은 0, 상한값은 2차 전지의 출력 가능한 최대 전류값 상당으로 설정된다.

또한, 상기 전지 잔여 용량 연산값 Wa는, 충방전 전환 판정기(21)에 입력되고, 상기 충방전 전환 판정기(21)는 전지 잔여 용량 Wa가 2차 전지 방전 정지 용량 설정값 BL 이하일 때, 상기 충방전 전환기(20)의 상태가 충전 전류 명령값 Icbat를 출력하는 상태가 되도록, 신호 "1"을 출력하고, 상기 전지 잔여 용량 연산값 Wa가 2차 전지 충전 정지 용량 설정치 BH가 될 때까지 신호 "1"을 유지시키고, 상기 전지 잔여 용량 연산값 Wa가 상기 설정치 BH와 일치하면 상기 출력 신호를 "0"으로 한다. 이와 같이 출력 신호가 즉시 "0"이 되지 않도록 히스테리시스를 갖게 하는 것으로 충전을 가능하게 한다.

상기 설정치 BH에 의해, 충전량의 조정이 가능하고, 설정값으로서는 2차 전지 용량의 사용 범위의 만충전 또는 충전의 여유를 갖게 하여 만충전보다도 약간 낮은 값이 바람직하다. 또한, 이 경우, 상기 설정치 BL을 변경함으로써 충전의 개시 시 점을 빠르게 할 수 있다.

상기 설정치 BH와 상기 설정치 BL을 가변으로 하는 것으로, 야간 충전이나 수전 전력이 작을 때 등에 충전시키는 등의 동작이나 충전량을 조정할 수 있다.

도 6의 상기 부하 전력 연산기(17)는 수학식 1에 나타내는 계산에 의해 상기 부하(3)가 소비하고 있는 부하 전력 PL을 연산하고, 부하 전력 연산값 PL을 필터(22)로 출력한다.

상기 필터는 부하 전력 PL의 급격한 변동 성분, 즉 고주파 성분을 제거한 부하 전력 연산값 PLF를 전력 명령값 연산기(23)에 출력한다. 전력 명령값 연산기(23)는 부하 전력 연산값 PL의 변화에 추종한 전력 명령값 Pout를 연산하고, 지연 부가기(24) 및 연료 환산기(25)에 상기 전력 명령값 Pout을 출력한다.

이상과 같이, 전력 계통(2)과 차단 투입 수단 BR1을 통하여 전기적으로 접속된 제1 전력 변환기(1-1c)와, 전력 변환기(1-1c)의 직류 부분에 제2 전력 변환기(1-1b)를 개재하여 접속된 연료 전지 FC1과, 상기 직류 부분에 제3 전력 변환기(1-1a)를 개재하여 접속된 2차 전지 Bat와, 전력 변환기(1-1c)가 출력하는 교류 전류를 검출하여 전류 검출값을 출력하는 전류 검출 수단 CT4와, 차단 투입 수단 BR1의 계통측 교류 전압을 검출하여 전압 검출값을 출력하는 전압 검출 수단 PT1과, 연료 전지 FC1이 출력하는 전류를 검출하는 연료 전지 전류 검출 수단 CT3과, 연료 전지 FC1의 전압 Eb를 검출하는 연료 전지 전압 검출 수단과, 2차 전지 Bat가 출력하는 전류를 검출하는 2차 전지 전류 검출 수단 CT2와, 2차 전지 Bat의 전압 Ea를 검출하는 2차 전지 전압 검출 수단을 포함한 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치에 있어서, 상기 제1 전력 변환기(1-1c)와 전력 계통(2)에 제1 전력 변환기(1-1c)와 병렬로 접속된 전기적인 부하(3)의 양쪽의 전류의 합계값을 검출하는 수전 전류 검출기 IL1을 구비하고, 수전 전류 검출기 IL1과 계통측 전압 검출기 PT1에 의해 검출한 수전 전류와 계통 전압으로부터 수전 전력을 연산하는 제1 전력 연산 수단을 포함하며, 또한 상기 제1 전력 변환기가 출력하는 전력을 연산하는 제2 전력 연산 수단을 포함하고, 상기 제1 전력 연산 수단과 상기 제2 전력 연산 수단의 출력으로부터 부하(3)가 소비하고 있는 부하 전력을 연산하는 수단을 포함하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치가 구성된다.

도 8을 이용하여, 상기 전력 명령 연산기(23)의 동작을 설명한다.

상기 연료 전지 FC1이 출력 가능한 전력은 투입하는 연료량(개질 가스량)에 의해서 변화하고, 예를 들면 상기 연료 조정용 밸브 VV1를 단계적으로 조정하면, 출력 가능한 전력이 단계적으로 변화하고, 이 때의 전력의 변동 폭을 dP로 한다. 밸브 VV1의 조정 폭을 미세하게 해가면 연료 전지의 출력 가능 전력 dP는 작게 변화하지만, 여기서는 단계적인 조정을 예로 들어 설명한다. 상기 전력 명령 연산기(23)는 도 8의 그래프와 같이, 입력과 출력의 비가 1(기울기 1)의 선 Ln0에 대하여, 상기 전력 명령값 Pout가 상기 선 Ln0을 넘지 않도록 상기 전력 명령값 Pout를 계단형으로 변화시킨다. 이 때의 계단의 높이는 상기 출력 변화폭 dP로 정하고, 입력값과 상기 선 Ln0의 차가 상기 변화폭 dP 이상이 되면, 상기 전력 명령값 Pout를 상기 변화폭 dP만큼 증가시킨다. 또한, 상기 전력 명령값 Pout의 최대값은 연료 전지 출력 최대 용량 Pmax가 되도록 제한해둔다.

도 9에, 상기 전력 연산값 PLF와 상기 전력 명령값 Pout의 동작을 도시한다. 부하 PL의 변동에 대하여, 연료 전지의 출력 명령값 Pout은 상기 전력 연산값 PLF에 추종한다.

도 6의 상기 연료 환산기(25)는, 상기 전력 명령값 Pout에 상당하는 상기 연료 조정용 밸브 VV1의 개방도 명령 SVV1을 연산하고, 상기 연료 조정용 밸브 VV1의 개방도를 변화시키는 것으로, 상기 전력 명령값 Pout에 상당하는 연료 유량을 상기 연료 전지에 공급한다. 실제로는, 연료 유량을 변화시켜도, 배관의 전송 지연이나 연료로부터 수소 등을 제조하는 개질 가스 제조의 지연 등에 의해, 전기적인 출력을 곧바로 증가할 수 없다. 이 때문에, 상기 지연 부가기(24)는 상기 배관이나 수소 제조 등의 지연분의 시간에 상당하는 지연 시간을, 상기 전력 명령값 Pout에 부가하고, 지연을 부가한 전력 명령값 PoutD를 전류 환산기(26)에 출력한다.

상기 전류 환산기(26)는 상기 전력 명령값 PoutD와 상기 연료 전지 전압 Eb를 입력하고, PoutD를 Ed로 제산하여 상기 연료 전지의 전류 명령값 IREFb를 연산한다.

도 10은 상기 지연 부가기(24)의 구성을 설명한다.

상기 지연 부가기(24)에 입력된 상기 전력 명령값 Pout은 명령값이 증가하였을 때는 지연 요소 delay에 의해 소정 시간(연료 증가로부터 발전 가능하게 되기까지의 지연 시간에 상당하는 시간) Pout의 변화는 지연되고, 반대로 상기 전력 명령값 Pout이 감소할 때는, 지연 시간을 부가하지 않은 구성으로 되어 있다(본 실시예에서는, 전력 명령값 Pout의 감소 시에는 지연 시간을 부가하지 않은 구성으로 하였지만, 지연 시간을 부가해도 되고, 이 경우에는 연료 전지 출력 전력이 부하 전력을 상회하기 쉬워져서, 2차 전지가 충전 동작하는 시간이 증가한다).

도 11을 이용하여, 본 실시예의 전력 변환 장치의 동작을 설명한다.

상기 부하 전력 PL과 상기 전력 연산값 PLF와 상기 전력 명령값 PoutD(Pout에 상승 시의 지연 시간을 부가한 신호)의 동작은 도 9에서 설명했기 때문에 생략한다. 상기 수전 전력 임계값 PD*을 예를 들면 0kW로 설정한 경우, PL과 Pout의 차분은 2차 전지로부터 공급하게 되고, PL이 Pout보다 큰 경우에는 2차 전지가 차분을 방전하고, 수전 전력을 0kW로 유지하려고 동작한다. 반대로 PL이 Pout보다 작은 경우에는 2차 전지가 차분을 충전(연료 전지로부터 충전)하고, 수전 전력을 OkW에 유지하려고 동작한다.

이상과 같이, 다음에 도시하는 구성을 구비하는 연료 전지의 운전 제어 장치가 구성된다.

전력 계통(2)과 차단 투입 수단 BR1을 통하여 전기적으로 접속된 제1 전력 변환기(1-1c)와, 전력 변환기(1-1c)의 직류 부분에 제2 전력 변환기(1-1b)를 통하여 접속된 연료 전지 FC1과, 직류 부분에 제3 전력 변환기(1-1a)를 통하여 접속된 2차 전지 Bat와, 전력 변환기(1-1c)가 출력하는 교류 전류 Iinv를 검출하여 전류 검출값을 출력하는 전류 검출 수단 CT4와, 차단 투입 수단 BR의 계통측 교류 전압을 검출하여 전압 검출값을 출력하는 전압 검출 수단 PT1과, 연료 전지 FC1이 출력하는 전류를 검출하는 연료 전지 전류 검출 수단 CT3과, 연료 전지 FC1의 전압 Eb를 검출하는 연료 전지 전압 검출 수단과, 2차 전지 Bat가 출력하는 전류값 IBT(전류 검출값)를 검출하는 2차 전지 전류 검출 수단 CT2와, 2차 전지 Bat의 전압 Ea를 검출하는 2차 전지 전압 검출 수단을 포함한 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치에서, 제1 전력 변환기(1-1c)의 검출된 직류 전압 Ed0을 피드백값으로서 이용하여, 전압 명령값에 일치하도록 전류 명령값 Isys*를 출력하는 전압 조정 수단(7)(전압 제어기)과, 상기 전류 검출값 Iinv를 피드백값으로서 이용하고, 상기 전류 명령값 Isys*에 일치하도록 변환기(1-1c)의 출력 전압 명령값 Vao*, Vbo*를 출력하는 전류 조정 수단(12a, 12b)(전류 조정기)과, 상기 출력 전압 명령값을 입력하여 제1 변환기(1-1c)를 구동시키기 위한 펄스 GPo를 출력하는 펄스 출력 수단(PWM 연산기)을 구비하고, 상기 전류 명령값 Isys*에 따라서 계통과 전력을 충전/방전 동작시키는 제어 장치를 구비한다.

또한, 제2 전력 변환기(1-1b)의 제어 수단은, 전류 명령값 IREF-b와 연료 전지 전류 IFC를 일치시키는 전류 제어 수단(13b)(전류 제어기)를 구비하여, 제3 전력 변환기(1-1a)의 제어 수단은 전류 명령값 IREF와 2차 전지 전류 IBT를 일치시키는 전류 제어 수단(13a)을 구비하는 전력 변환기(1-1a, 1-1b, 1-1c)를 구비한다.

제1 전력 변환기(1-1c)와 제1 전력 변환기(1-1c)에 접속된 전기적인 부하(3)의 양쪽의 전류의 합계값을 검출하는 수전 전류 검출기 CT1을 상기 전력 계통에 구비하여, 수전 전류 검출기 CT1과 계통측 전압 검출기 PT1에 의해 검출한 수전 전류 IL1과 계통 전압 VL1로부터 수전 전력 PD를 연산하는 제1 전력 연산 수단(15)(전력 제어기)을 구비하고, 또한 제1 전력 변환기(1-1c)가 출력하는 전력을 연산하는 제2 연산 수단(17)(변환기 제어기)을 구비하고, 제1 전력 연산 수단(15)과 제2 전력 연산 수단(17)의 출력으로부터 상기 부하(3)가 소비하고 있는 부하 전력을 연산하는 수단(4)(전력 제어기)을 구비한다.

이들 구성에 의해서, 수전 전력을 검출한다. 이것에 의해서, 2차 전지로써 피크컷트 운전한다.

또한, 부하 전력을, 수전 전력 검출값과 제어 내부의 2차 전지, 발전 설비의 명령값으로부터 연산한다.

또한, 부하 전력을 연료 전지의 명령값 작성에 이용한다.

또한, 발전 설비의 출력을 부하 전력의 변동의 저주파분에 추종시킨다.

또한, 연료 증가 시의 전류 명령값의 증가에, 연료의 배관의 지연 등에 의한 FC의 발전까지의 시간 지연을 부가한다.

또한, 연료 전지로부터 전류를 추출하기 위한 전류 제어의 명령값에 제한을 둔다.

본 발명에 따르면, 수전(受電) 전력을 검출하는 것이 가능한다. 이것에 의해서, 2차 전지로써 피크컷트 운전시키기 위해서, 발전 설비의 출력 지연에 의해 수전 전력이 수전 허용치를 초과하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 부하 전력을 수전 전력 검출값과 제어 내부의 2차 전지, 발전 설비의 명령값으로부터 연산하여 구할 수 있다. 이 때문에, 부하 전력의 전류, 전압 센서가 불필요하게 된다.

본 발명에 따르면, 부하 전력을 연료 전지의 명령값 작성에 이용할 수 있다. 이 때문에, 2차 전지로부터의 전력을 분리하여 연료 전지를 부하 전력에 추종시키는 운전을 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 발전 설비의 출력을 부하 전력의 변동의 저주파분에 추종시킬 수 있다. 이 때문에, 2차 전지로부터 대전력을 장시간 출력하지 않고, 2차 전지 용량을 작게 할 수 있다. 또, 부하 변동에 의해 연료를 빈번히 증감하는 것을 방지할 수 있어, 투입한 연료를 발전에 사용하는 비율을 높여, 시스템을 고효율화할 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료 증가 시의 전류 명령값의 증가에, 연료의 배관의 지연 등에 의한 FC의 발전까지의 시간 지연을 부가하고 있기 때문에, 연료가 연료 전지에 공급되고나서 전력을 출력할 수 있어, 전극의 열화를 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료 전지로부터 전류를 추출하기 위한 전류 제어의 명령값에 제한을 두고 있기 때문에, 연료 전지의 과부하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 전력 변환 장치의 구성도.

도 2는 본 실시 형태에 의한 전력 변환 장치의 제어 장치의 구성도.

도 3은 본 실시 형태에 의한 계통 전류 조정기의 구성도.

도 4는 본 실시 형태에 의한 전류 조정기의 구성도.

도 5는 본 실시 형태에 의한 전류 조정기의 구성도.

도 6은 본 실시 형태에 의한 전력 제어기의 구성도.

도 7은 본 실시 형태에 의한 전류 조정기의 구성도.

도 8은 본 실시 형태에 의한 전력 명령 연산기의 구성도.

도 9는 본 실시 형태에 의한 전력 명령 연산기의 동작 설명도.

도 10은 본 실시 형태에 의한 지연 부가기의 구성도.

도 11은 본 실시 형태에 의한 연료 전지의 운전 제어 장치의 동작 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1-1a, 1-1b, 1-1c : 전력 변환기

2 : 전력 계통

3 : 부하

4 : 전력 제어기

5 : 변환기 제어기

6 : 전압 검출기

7 : 전압 제어 연계 전류 조정 위상 검출기

10a, 10b, 12a, 12b, 13a, 13b : 전류 조정기

11 : 전류 검출기

14a, 14b : 펄스 연산기

15 : 전력 검출기

16 : 전력 조정기

17 : 부하 전력 연산기

18 : 전지 제어기

19 : 적분기

20 : 충방전 전환기

21 : 충방전 전환 판정기

22 : 필터

23 : 전력 명령값 연산기

24 : 지연 부가기

25 : 연료 환산기

26 : 전류 환산기

Bat : 2차 전지

CT1, CT2, CT3, CT4 : 전류 검출기

PP1, PP2 : 배관

VV1 : 연료 조정용 밸브

SVV1 : 개방도 명령

Ea : 2차 전지 전압 검출값

Eb : 연료 전지 전압 검출값

Ec : 직류 전압 검출값

Ed0 : 직류 전압 검출값

IFC : 연료 전지 전류 검출값

IBT : 2차 전지 전류 검출값

GPa : 2차 전지용 컨버터 게이트 신호

GPb : 연료 전지용 컨버터 게이트 신호

GPO : 변환기용 게이트 신호

FC1 : 연료 전지

C1, C2 : 컨덴서

L1 : 반응 장치

BR1 : 차단기

PT1 : 전압 검출기

IREFa : 2차 전지 전류 명령값

IREFb : 연료 전지 전류 명령값

Iinv : 변환기 출력 전류 검출값

VL1 : 계통 전압 검출값

ILl : 수전 전류 검출값

Isys : 변환기 출력 전류 검출값

Isys* : 변환기 출력 전류 명령값

Isysa : 변환기 출력 전류 검출값 a상

Isysb : 변환기 출력 전류 검출값 b상

Asin : 위상 신호

Vrms : 계통 전압 진폭치

def1, def2, def3, def4, def5 : 감산기

Pr1, Pr2, Pr3 : 승산기

Ad1, Ad2 : 가산기

dI1, dI2 : 전류 편차

Via, Vib : 전류 조정기 출력값

Va*, Vb* : 피드 포워드 명령값

Va0*, Vb0* : 변환기 출력 전압 명령값

PWM : 펄스 폭 변조 연산기

Da*, Db* : 듀티 명령값

PD* : 수전 전력 임계값

PD : 수전 전력 연산값

Wa : 2차 전지 잔여 용량

PL : 부하 전력 연산값

PLF : 부하 전력 연산값 저주파수 성분

Pout : 전력 명령값

PoutD : 지연 부가 전력 명령값

Icbat : 2차 전지 충전 전류 명령값

Idbat : 2차 전지 방전 전류 명령값

BL : 2차 전지 방전 정지 용량 레벨

BH : 2차 전지 충전 정지 용량 레벨

Claims

전력 계통과 차단 투입 수단을 개재하여 전기적으로 접속된 제1 전력 변환기와, 상기 전력 변환기의 직류 부분에 제2 전력 변환기를 개재하여 접속된 연료 전지와, 상기 직류 부분에 제3 전력 변환기를 개재하여 접속된 2차 전지와, 상기 전력 변환기가 출력하는 교류 전류를 검출하여 전류 검출값을 출력하는 전류 검출 수단과, 상기 차단 투입 수단의 계통측 교류 전압을 검출하여 전압 검출값을 출력하는 전압 검출 수단과, 상기 연료 전지가 출력하는 전류를 검출하는 연료 전지 전류 검출 수단과, 상기 연료 전지의 전압을 검출하는 연료 전지 전압 검출 수단과, 상기 2차 전지가 출력하는 전류를 검출하는 2차 전지 전류 검출 수단과, 상기 2차 전지의 전압을 검출하는 2차 전지 전압 검출 수단을 포함한 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치에 있어서,

상기 제1 전력 변환기와, 상기 제1 전력 변환기와 병렬로 접속된 전기적인 부하의 양쪽의 전류의 합계값을 검출하는 수전 전류 검출기를 상기 전력 계통에 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치.
전력 계통과 차단 투입 수단을 개재하여 전기적으로 접속된 제1 전력 변환기와, 상기 전력 변환기의 직류 부분에 제2 전력 변환기를 개재하여 접속된 연료 전지와, 상기 직류 부분에 제3 전력 변환기를 개재하여 접속된 2차 전지와, 상기 전력 변환기가 출력하는 교류 전류를 검출하여 전류 검출값을 출력하는 전류 검출 수단과, 상기 차단 투입 수단의 계통측 교류 전압을 검출하여 전압 검출값을 출력하는 전압 검출 수단과, 상기 연료 전지가 출력하는 전류를 검출하는 연료 전지 전류 검출 수단과, 상기 연료 전지의 전압을 검출하는 연료 전지 전압 검출 수단과, 상기 2차 전지가 출력하는 전류를 검출하는 2차 전지 전류 검출 수단과, 상기 2차 전지의 전압을 검출하는 2차 전지 전압 검출 수단을 포함한 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치에 있어서,

상기 제1 전력 변환기와, 전기적인 부하의 양쪽의 전류의 합계값을 검출하는 수전 전류 검출기를 포함하고, 상기 수전 전류 검출기와 상기 계통측 전압 검출기에 의해 검출한 수전 전류와 계통 전압으로부터 수전 전력을 연산하는 제1 전력 연산 수단을 포함하며, 또한 상기 제1 전력 변환기가 출력하는 전력을 연산하는 제2 전력 연산 수단을 포함하고, 상기 제1 전력 연산 수단과 상기 제2 전력 연산 수단의 출력으로부터 상기 부하가 소비하고 있는 부하 전력을 연산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 전력 변환기의 검출된 직류 전압값을 피드백값으로서 이용하고, 전력 명령값에 일치하도록 전류 명령값을 출력하는 전력 조정 수단과, 상기 전류 검출값을 피드백값으로서 이용하여, 상기 전류 명령값에 일치하도록 변환기의 출력 전압 명령값을 출력하는 전류 조정 수단과, 상기 출력 전압 명령값을 입력하여 변환기를 구동시키기 위한 펄스를 출력하는 펄스 출력 수단(PWM)을 구비하고, 상기 전력 명령값에 따라서 계통과 전력을 충전/방전 동작시키는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 전력 변환기의 제어 수단은, 전류 명령값과 연료 전지 전류를 일치시키는 전류 제어 수단을 포함하고, 상기 제3 전력 변환기의 제어 수단은 전류 명령값과 2차 전지 전류를 일치시키는 전류 제어 수단을 포함하는 전력 변환 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 전력 변환기의 출력 전력이 상기 부하 전력에 대략 일치하도록 상기 부하 전력 검출값으로부터 연료 전지가 출력하는 전류 명령값을 연산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어 장치는 상기 부하 전력 검출값으로부터 평균적인 값을 구하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 부하 전력이 증가하여 상기 수전 전력이 수전 설정치를 넘었을 때에, 상기 제3 전력 변환기의 제어 장치는, 2차 전지로부터 전력을 출력하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 장치.