JP2010093927A - Fuel cell cogeneration system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost fuel cell cogeneration system which makes the surplus dummy load to be a minimum (theoretically zero), while a reverse power flow state is securely avoided which does not deteriorate cost benefit and energy-saving properties and can save the space (size reduction). <P>SOLUTION: Power of a fuel cell 3 is generated by controlling an inverter 5 and an electric heater 13, according to the power level of a power value Win measured by a power measuring means 12. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池コジェネレーションシステムに関する。   The present invention relates to a fuel cell cogeneration system.

系統連系を行なう発電装置において、発電中の電力系統の潮流は、ある時点の発電電力と、その下流の負荷機器消費電力の大きさにより決まる。すなわち、
発電電力＜負荷機器消費電力 → 電力系統からみて、順潮流
発電電力＞負荷機器消費電力 → 電力系統からみて、逆潮流
となる。 In a power generation apparatus that performs grid interconnection, the power flow of the power system that is generating power is determined by the generated power at a certain point in time and the magnitude of the power consumption of the load equipment downstream. That is,
Generated power <Load equipment power consumption → Forward power flow from the viewpoint of the power system. Generated power> Load equipment power consumption → Reverse power flow from the power system.

一般的に、太陽光発電等については、余剰電力（発電電力―負荷消費電力）を売電することを目的としている場合が多く、通常逆潮流しても特に問題ないが、燃料電池コジェネレーションシステムのように、規制上逆潮流が好ましくないと判断される場合や、元来有償の原燃料を元に発電しているので、売電価格と、原燃料コストとの関係で、余剰電力の売電、すなわち、定常的な逆潮流状態の継続は、経済上、好ましくないと判断される場合が多い。   In general, for solar power generation, etc., the purpose is often to sell surplus power (generated power-load power consumption), and there is no particular problem with reverse power flow, but a fuel cell cogeneration system As shown in the figure, when it is determined that the reverse power flow is not desirable due to regulations, or because the power is generated based on the raw fuel that was originally paid, the sales of surplus power is related to the selling price and the raw fuel cost. Electricity, that is, continuation of a steady reverse power flow state is often judged as economically undesirable.

従来、逆潮流状態を検出した場合、（燃料電池の）発電電力＞負荷機器消費電力であるので、
１．発電出力を負荷機器消費電力以下に下げる。 Conventionally, when a reverse power flow condition is detected, the generated power (of the fuel cell)> the load equipment power consumption,
1. Reduce power generation output to less than load equipment power consumption.

２．負荷機器以外の負荷、例えば、ダミー負荷等を投入し、見かけ上の消費電力を増やす
等の方法が提案されている。（例えば、「特許文献１」参照。）
特許第３６５６５５６号 2. A method has been proposed in which a load other than the load device, such as a dummy load, is added to increase the apparent power consumption. (For example, see “Patent Document 1”.)
Japanese Patent No. 3656556

しかし、従来の構成を、燃料電池コジェネレーションシステムに当てはめてみると、
１．発電出力を負荷機器消費電力以下に下げることについて、
元々、燃料電池コジェネレーションシステムの場合、都市ガス（メタン）や、プロパンガスを燃料として、改質器にて、化学反応により、水素リッチな改質ガスを生成し、この水素リッチな改質ガスと空気中の酸素とを燃料電池内部にて電気化学反応により発電している。 However, when the conventional configuration is applied to the fuel cell cogeneration system,
1. About lowering the power generation output below the load equipment power consumption,
Originally, in the case of a fuel cell cogeneration system, city gas (methane) or propane gas is used as fuel, and a reformer generates a hydrogen-rich reformed gas through a chemical reaction. This hydrogen-rich reformed gas And oxygen in the air are generated by an electrochemical reaction inside the fuel cell.

系統連系を行なうインバータ単独としては、発電出力を急激に絞る技術、極端な例としては、１００％（定格）→０％（停止状態と等価）については、一般的に、技術的ハードルは高くないと考えられる。   As an inverter that performs grid interconnection alone, the technology for sharply reducing power generation output, and as an extreme example, 100% (rated) → 0% (equivalent to a stopped state) generally has high technical hurdles. It is not considered.

然しながら、その発電の元が、燃料電池である場合、インバータ出力を急激に絞ることは、その瞬間、燃料電池内部の燃料ガス、すなわち、水素（リッチ）ガスの余剰分が急激に増加してしまうことになる。上述の如く、本水素（リッチ）ガスは、改質という化学プロセスにより生成しているので、その応答時定数は、電気の応答と比較して、格段に遅いと考えられる。   However, if the source of the power generation is a fuel cell, suddenly reducing the inverter output suddenly increases the surplus of the fuel gas inside the fuel cell, that is, hydrogen (rich) gas. It will be. As described above, since the hydrogen (rich) gas is generated by a chemical process called reforming, the response time constant is considered to be much slower than the electrical response.

逆を言えば、システムの状態急変等の擾乱に対する安定性には弱いと考えられる。従って、通常、燃料電池コジェネレーションシステムの発電出力の変化については、かなりの制限、例えば、許容出力変化率＝±0.5W／s等、を設け、運用している。よって、逆潮流を検出した場合、直ちに、発電出力を絞ることは、システムの安定性上、問題があり、実現困難である。   To put it the other way around, it is considered weak against stability such as sudden changes in the system state. Therefore, normally, with respect to the change in the power generation output of the fuel cell cogeneration system, a considerable limit, for example, allowable output change rate = ± 0.5 W / s is provided and operated. Therefore, when a reverse power flow is detected, it is difficult to immediately reduce the power generation output because there is a problem in the stability of the system.

２．負荷機器以外の負荷、例えば、ダミー負荷等を投入し、見かけ上の消費電力を増やすことについて、
上述の如く、燃料電池コジェネレーションシステムの場合、発電状態の急激な変化には対応困難であることから、負荷機器の急変（負荷電力低下）による上位電力系統への電力の、順潮流→逆潮流状態変化に対し、負荷機器以外のダミー負荷投入は有効である。 2. About adding loads other than load equipment, such as dummy loads, to increase the apparent power consumption,
As described above, in the case of a fuel cell cogeneration system, it is difficult to respond to a sudden change in the power generation state. Therefore, the forward power flow → reverse power flow of the power to the upper power system due to a sudden change in load equipment (load power reduction) Inputting dummy loads other than the load device is effective for changing the state.

この場合、ダミー負荷容量としては、負荷機器について、基本的に、最大（定格）発電状態にて、無負荷となることがありうることから、
最大（定格）発電電力≦ダミー負荷容量
が必要である。尚、このダミー負荷について、単に電力を消費させるのではなく、電気ヒータとして温水生成の補助熱原となるように構成すれば、電力の有効利用の観点からは、無駄にはならないと考えられる。 In this case, as the dummy load capacity, since there is a possibility of no load in the maximum (rated) power generation state for the load device,
Maximum (rated) generated power ≤ dummy load capacity is required. It should be noted that if this dummy load is configured not to simply consume electric power but to serve as an auxiliary heat source for generating hot water as an electric heater, it is considered that it will not be wasted from the viewpoint of effective use of electric power.

例えば、最大（定格）発電電力＝７００Ｗ、ダミー負荷容量＝８００Ｗとして、定格発電（７００Ｗ）中のある時点で、負荷機器消費電力が、１０００Ｗ→６００Ｗに低下した場合を考える。基本的に、発電電力（７００Ｗ）維持するので、このままでは、６００Ｗ−７００Ｗ＝−１００Ｗ つまり、１００Ｗ逆潮流となってしまう。   For example, assuming that the maximum (rated) generated power is 700 W and the dummy load capacity is 800 W, and the load device power consumption is reduced from 1000 W to 600 W at a certain point during the rated power generation (700 W). Basically, since the generated power (700 W) is maintained, 600 W−700 W = −100 W in this state, that is, a reverse power flow of 100 W results.

ここで、ダミー負荷（８００Ｗ）投入により、−１００Ｗ＋８００Ｗ＝７００Ｗとなり、逆潮流状態を回避できる。然しながら、単一のダミー負荷では、本例の如く、高々１００Ｗの逆潮流状態であっても、ダミー負荷（８００Ｗ）投入により、７００Ｗ発電維持の為の原燃料（都市ガス、ＬＰＧ等）を消費しつつ、電力会社から、６００Ｗ（負荷機器）＋８００Ｗ（ダミー負荷）−７００Ｗ（発電電力）＝７００Ｗを買電する必要があり、経済性の観点からは、問題であると考えられる。   Here, when the dummy load (800 W) is turned on, −100 W + 800 W = 700 W, and a reverse power flow state can be avoided. However, a single dummy load consumes raw fuel (city gas, LPG, etc.) to maintain 700W power generation by turning on the dummy load (800W) even in a reverse power flow state of at most 100W as in this example. However, it is necessary to purchase 600 W (load equipment) +800 W (dummy load) −700 W (generated power) = 700 W from the power company, which is considered to be a problem from the viewpoint of economy.

更に、燃料電池コジェネレーションシステムの場合、発電と、排熱回収による温水生成をバランスよく実現することにより、高いシステム効率を実現しているが、ダミー負荷（８００Ｗ）投入により、温水生成能力が格段に増加してしまうことから、発電と、温水生成のバランスが崩れてしまうことになる。特に、夏季等の一般的に熱需要（温水の消費）が少なくなる時期は問題となり、燃料電池コジェネレーションシステム＝総合効率が高い
という利点を活かしにくくなる可能性がある。 Furthermore, in the case of a fuel cell cogeneration system, high system efficiency is achieved by achieving a good balance between power generation and hot water generation by exhaust heat recovery. However, by supplying a dummy load (800 W), the hot water generation capacity is remarkably high. Therefore, the balance between power generation and hot water generation will be lost. In particular, when the heat demand (consumption of hot water) is generally low, such as in summer, it becomes a problem, and it may be difficult to take advantage of the high efficiency of the fuel cell cogeneration system.

そこで、ダミー負荷を複数に分割（例えば、８００Ｗ→２００Ｗ×４個）し、逆潮電力に応じて、適宜ダミー負荷投入量を調整する案が提案されている。   Therefore, a proposal has been proposed in which the dummy load is divided into a plurality of pieces (for example, 800 W → 200 W × 4), and the dummy load input amount is appropriately adjusted according to the reverse power flow.

この場合、１００Ｗ逆潮流であることから、２００Ｗ相等のダミー負荷を投入すれば、単一のダミー負荷投入の場合と比較し、ダミー負荷の余剰分は大きく改善（７００Ｗ→１００Ｗ）されることから、経済性、あるいは、発電と、温水生成のバランスの観点からは、大きく改善が見込まれることになる。   In this case, since the reverse power flow is 100 W, if a dummy load such as a 200 W phase is input, the surplus of the dummy load is greatly improved (700 W → 100 W) compared to the case of a single dummy load input. From the viewpoint of economic efficiency or the balance between power generation and hot water generation, significant improvements are expected.

然しながら、この場合、ダミー負荷分割により、その分、各ダミー負荷の投入を制御する為の開閉器等のスイッチ手段も複数必要となり、コスト、スペース（小型化）の点で不利になる。   However, in this case, due to the dummy load division, a plurality of switch means such as a switch for controlling the input of each dummy load is necessary, which is disadvantageous in terms of cost and space (miniaturization).

更に、ダミー負荷の余剰分は大きく改善されると入っても、この場合１００Ｗまだあり、長期的観点での経済性、あるいは、省エネ性を考えた場合、必ずしも十分とはいえない。尚、上記を改善する為、ダミー負荷を更に細分化することも考えられるが、各ダミー負荷の投入を制御する為の開閉器等のスイッチ手段も更に増え、かつ、各ダミー負荷の取り付け・配線工数も増加し、コスト、スペース（小型化）の点で問題となる。   Furthermore, even if the surplus of the dummy load is greatly improved, it is still 100 W in this case, and it is not necessarily sufficient when considering economic efficiency or energy saving from a long-term viewpoint. In order to improve the above, it is conceivable to further subdivide the dummy load, but the number of switch means such as switches for controlling the input of each dummy load is further increased, and each dummy load is attached and wired. The number of man-hours also increases, causing problems in terms of cost and space (miniaturization).

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、逆潮流状態を確実に回避しつつ、ダミー負荷の余剰分を最小（原理的には、零）とし、経済性、あるいは、省エネ性を悪化させることなく、しかも安価、省スペース（小型化）な燃料電池コジェネレーションシステムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and while avoiding a reverse power flow state reliably, the surplus of the dummy load is minimized (in principle, zero), so that economical efficiency or energy saving performance is achieved. An object of the present invention is to provide a fuel cell cogeneration system that does not deteriorate and is inexpensive and space-saving (miniaturized).

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、燃料電池と、単相３線式商用電力系統のＲ相及びＴ相に接続され、前記燃料電池から発電された直流電力を、前記単相３線式商用電力系統と同期のとれた交流電力に変換して系統連系を行なうインバータと、前記燃料電池が発電する過程で発生する熱により水を加熱して温水を生成する廃熱回収部と、前記廃熱回収部によって生成された温水を貯湯するタンクと、前記単相３線式商用電力系統の前記インバータの接続点より上流であって、かつ前記単相３線式商用電力系統の３線のうち、いずれかの２線間に接続され、前記単相３線式商用電力系統に接続された負荷機器の上流の電力値Ｗｉｎを計測する電力計測手段と、前記インバータが接続された前記単相３線式商用電力系統の接続点と同一の接続点に電力半導体スイッチを介して接続され、前記廃熱回収部内に設けられた電気ヒータと、前記電力計測手段によって計測された電力値Ｗｉｎと、燃料電池コジェネレーションシステムが要求する発電指令ＷＳＰとに基づいて、前記電力半導体スイッチのオンオフ比率を制御して、前記電気ヒータの投入を制御するとともに、前記インバータを制御することにより前記燃料電池の発電電力の制御を行なう制御部とを具備し、
前記制御部は、
前記電力計測手段によって計測された電力値Ｗｉｎが順潮流方向を正として、第１の電力値Ｗ１及び第２の電力値Ｗ２（Ｗ１＞Ｗ２）が設定され、
ｉ） 電力値Ｗｉｎ≧Ｗ１である場合、
前記燃料電池の発電電力Ｗｏｕｔが、前記発電指令ＷＳＰとなるように前記インバータを制御し、かつ、前記電力半導体スイッチのオフ比率を増加させる駆動信号を前記電力半導体スイッチに出力し、
ｉｉ） Ｗ１＞Ｗｉｎ≧Ｗ２である場合、
前記燃料電池の発電電力ＷｏｕｔをＷ１−Ｗｉｎ相等の電力を低下させるように前記インバータを制御し、かつ、前記電力半導体スイッチへの駆動信号は現状を維持し、
ｉｉｉ） Ｗ２＞Ｗｉｎである場合、
前記燃料電池の発電電力ＷｏｕｔをＷ１−Ｗｉｎ相等の電力を低下させるように前記インバータを制御し、かつ、前記電気ヒータの消費電力をＷ２−Ｗｉｎ増加させるために、前記電力半導体スイッチのオン比率を増加させる駆動信号を前記電力半導体スイッチに出力することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム、である。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is directed to a fuel cell and direct-current power generated from the fuel cell connected to the R-phase and T-phase of a single-phase three-wire commercial power system. An inverter that converts AC power synchronized with the single-phase three-wire commercial power system to perform grid interconnection, and waste that heats water by heat generated in the process of generating power by the fuel cell to generate hot water A heat recovery unit, a tank for storing hot water generated by the waste heat recovery unit, and a point upstream of the inverter of the single-phase three-wire commercial power system, and the single-phase three-wire commercial A power measuring means for measuring a power value Win upstream of a load device connected between any two wires of the three wires of the power system and connected to the single-phase three-wire commercial power system; and the inverter Connection point of the connected single-phase three-wire commercial power system An electric heater connected to the same connection point via a power semiconductor switch, provided in the waste heat recovery section, a power value Win measured by the power measuring means, and a power generation command required by the fuel cell cogeneration system And a control unit that controls the on / off ratio of the power semiconductor switch based on WSP to control the turning on of the electric heater and the power generated by the fuel cell by controlling the inverter. And
The controller is
The first power value W1 and the second power value W2 (W1> W2) are set with the power value Win measured by the power measuring means being positive in the forward power flow direction,
i) When the power value Win ≧ W1,
The inverter controls the inverter so that the generated power Wout of the fuel cell becomes the power generation command WSP, and outputs a drive signal for increasing the off ratio of the power semiconductor switch to the power semiconductor switch,
ii) If W1> Win ≧ W2,
The inverter is controlled so as to reduce the power generated by the fuel cell, such as W1-Win phase, and the drive signal to the power semiconductor switch maintains the current state,
iii) If W2> Win,
In order to control the inverter so as to reduce the electric power Wout of the fuel cell, such as W1-Win phase, and to increase the power consumption of the electric heater by W2-Win, the ON ratio of the power semiconductor switch is set to A fuel cell cogeneration system that outputs a driving signal to be increased to the power semiconductor switch.

このような発明によれば、逆潮発生時、燃料電池の発電出力の変化を小さく抑えつつ、単一の電気ヒータのDuty制御を併用することにより、余剰投入を回避し、確実に逆潮を防止することができる。   According to such an invention, at the time of reverse tide occurrence, while suppressing the change in the power generation output of the fuel cell to a small amount, by using the duty control of a single electric heater in combination, it is possible to avoid excessive charging and to reliably reverse tide. Can be prevented.

本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記電力計測手段は、前記単相３線式電力系統の前記インバータの接続点より上流、かつ、前記負荷機器の接続点より上流の前記単相３線式電力系統のＲ相及びＴ相の電流をそれぞれ計測する２つの電流検出器と、前記２つの電流検出器の二次側の電流を検出するように直列に接続され、前記２つの電流検出器の一次側が、逆方向に貫通接続され、二次側が同一極性で接続された２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２と、前記２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２により検出される前記単相３線式電力系統のＲ相、Ｔ相を流れる電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、前記単相３線式電力系統のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間の電圧信号ｖＲ、ｖＴとに基づいて、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する計算手段とを具備することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム、である。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the power measuring means is upstream of a connection point of the inverter and upstream of a connection point of the load device. Two current detectors for measuring the R-phase and T-phase currents of the single-phase three-wire power system, respectively, and connected in series so as to detect the current on the secondary side of the two current detectors, The single-phase three-wire power detected by the two resistors R1 and R2 in which the primary side of one current detector is through-connected in the opposite direction and the secondary side is connected with the same polarity, and the two resistors R1 and R2 Based on the signal iR + iT of the current flowing through the R phase and T phase of the system, and the voltage signals vR and vT between RN and TN of the single-phase three-wire power system, the R phase and T phase Of the instantaneous current sum signal iR + iT flowing through and the R-phase and T-phase instantaneous voltage signals The average computation of the instantaneous values the product of the (vR + vT) / 2, a fuel cell cogeneration system, which is characterized by comprising a calculating means for generating a measured power value Win.

このような発明によれば、２相（Ｒ，Ｔ）個別の電流計測・電力演算ではなく、電流和をとって、一括して電力演算を行なうことができるので、電力演算を簡素化することができ、ハードウェア面及びソフトウェア面で効果がある。   According to such an invention, the power calculation can be performed collectively by taking the current sum instead of the current measurement / power calculation for each of the two phases (R, T), thereby simplifying the power calculation. It is effective in terms of hardware and software.

本発明の第３の発明は、第１の発明において、前記電力計測手段は、前記単相３線式電力系統の前記インバータの接続点より上流、かつ、前記負荷機器の接続点より上流の前記単相３線式電力系統のＲ相及びＴ相の電流をそれぞれ計測する２つの電流検出器と、前記２つの電流検出器の二次側の電流を検出するように直列に接続され、前記２つの電流検出器の一次側が、同一方向に貫通接続され、二次側が逆極性で接続された２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２と、前記２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２により検出される前記単相３線式電力系統のＲ相、Ｔ相を流れる電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、前記単相３線式電力系統のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間の電圧信号ｖＲ、ｖＴとに基づいて、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する計算手段とを具備することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム、である。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the power measuring means is upstream of a connection point of the inverter of the single-phase three-wire power system and upstream of a connection point of the load device. Two current detectors for measuring the R-phase and T-phase currents of the single-phase three-wire power system, respectively, and connected in series so as to detect the current on the secondary side of the two current detectors, The single-phase three-wire power detected by two resistors R1 and R2 in which the primary sides of two current detectors are through-connected in the same direction and the secondary side is connected in reverse polarity, and the two resistors R1 and R2 Based on the signal iR + iT of the current flowing through the R phase and T phase of the system, and the voltage signals vR and vT between RN and TN of the single-phase three-wire power system, the R phase and T phase Of the instantaneous current sum signal iR + iT flowing through and the R-phase and T-phase instantaneous voltage signals The average computation of the instantaneous values the product of the (vR + vT) / 2, a fuel cell cogeneration system, which is characterized by comprising a calculating means for generating a measured power value Win.

このような発明によれば、２相（Ｒ，Ｔ）個別の電流計測・電力演算ではなく、電流和をとって、一括して電力演算を行なうことができるので、電力演算を簡素化することができ、ハードウェア面及びソフトウェア面で効果がある。   According to such an invention, the power calculation can be performed collectively by taking the current sum instead of the current measurement / power calculation for each of the two phases (R, T), thereby simplifying the power calculation. It is effective in terms of hardware and software.

本発明の第４の発明は、第１の発明において、前記電力計測手段は、前記単相３線式電力系統の前記インバータの接続点より上流、かつ、前記負荷機器の接続点より上流の前記単相３線式電力系統のＲ相及びＴ相を流れる電流和ｉＲ＋ｉＴを一括して計測する電流検出器と、前記電流検出器に接続された抵抗と、前記抵抗Ｒより検出される前記単相３線式電力系統のＲ相、Ｔ相を流れる電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、前記単相３線式電力系統のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間の電圧信号ｖＲ、ｖＴとに基づいて、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する計算手段とを具備することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム、である。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the power measuring means is upstream of the connection point of the inverter and upstream of the connection point of the load device. A current detector that collectively measures the current sum iR + iT flowing through the R phase and the T phase of the single-phase three-wire power system, a resistor connected to the current detector, and the single phase detected by the resistor R Based on the signal iR + iT of the current flowing through the R phase and T phase of the three-wire power system, and the voltage signals vR and vT between RN and TN of the single-phase three-wire power system, R A calculation means for generating a measured power value Win by an average calculation of an instantaneous value product of an instantaneous current sum signal iR + iT flowing in a phase and a T phase and an average value (vR + vT) / 2 of an instantaneous voltage signal of an R phase and a T phase A fuel cell cogeneration system comprising: Beam, it is.

このような発明によれば、１個の電流検出器により、電力演算を行なうことができるのでシステムを安価にすることができる。   According to such an invention, power calculation can be performed by one current detector, so that the system can be made inexpensive.

本発明の第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかの発明において、前記電力半導体スイッチへの駆動信号は、前記電力半導体スイッチが、下記式（Ａ）によって定まる投入サイクルｎ間オンとなるように制御されることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム、である。   According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the drive signal to the power semiconductor switch is between the input cycles n determined by the following formula (A). A fuel cell cogeneration system, which is controlled to be turned on.

ここで、
ｎ＝ＨＴＲＳＰ／電気ヒータ定格電力＊Ｍ …式（Ａ）
ＨＴＲＳＰ：発電電力指令値ＷＳＰに対して、前記インバータの制御では不足する電力を補償する前記電気ヒータの投入電力指令値
Ｍ： 単相３線式商用電力系統の基本サイクル数(整数）
このような発明によれば、負荷投入分解能を確保しながら、電気ヒータのオン・オフによる電流高調波の影響を少なくすることができる。 here,
n = HTRSP / Electric heater rated power * M Expression (A)
HTRSP: Input power command value of the electric heater that compensates for power that is insufficient in the control of the inverter with respect to the generated power command value WSP M: Number of basic cycles (integer) of a single-phase three-wire commercial power system
According to such an invention, it is possible to reduce the influence of current harmonics due to the on / off of the electric heater while ensuring load application resolution.

本発明の第６の発明は、第１乃至第５の発明のいずれかの発明において、前記制御部は、さらに、
ｉ） Ｗ１＞Ｗｉｎである場合
前記発電電力ＷｏｕｔをＷ１−Ｗ２を上限リミットとして、Ｗ１−Ｗｉｎ相等の電力を低下させるように前記インバータを制御し、第二の電力値Ｗ２を、Ｗ１を上限リミットとして、新しい値Ｗ２’＝Ｗ２−Ｗｉｎに置き換え、
ｉｉ） Ｗｉｎ≧Ｗ１である場合
現時点のＷ２’の値が、当初のＷ２の値と異なる場合、所定のレートで当初のＷ２に復帰させるよう制御することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム、である。 According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the control unit further includes:
i) When W1> Win, the generated electric power Wout is set to W1-W2 as an upper limit, the inverter is controlled so as to reduce the power of the W1-Win phase, etc., and the second power value W2 is set to the upper limit. And replace with the new value W2 ′ = W2−Win,
ii) When Win ≧ W1 When the current W2 ′ value is different from the initial W2 value, the fuel cell cogeneration system is controlled to return to the initial W2 at a predetermined rate. is there.

このような発明によれば、頻繁に負荷変動ある場合のシステム安定性を改善することができる。   According to such an invention, it is possible to improve the system stability when there are frequent load fluctuations.

本発明の第７の発明は、第１乃至第６の発明のいずれかの発明において、前記電気ヒータの電力定格ＷＨは、
発電定格ＷＲ、発電最低電力ＷＭとして、
ＷＲ＊１．２≧ＷＨ≧ＷＲ−（Ｗ１−Ｗ２）
ＷＨ≧ＷＭ
を満たすように選定されていることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム、である。 According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the power rating WH of the electric heater is:
As power generation rating WR and power generation minimum power WM,
WR * 1.2≥WH≥WR- (W1-W2)
WH ≧ WM
A fuel cell cogeneration system, which is selected to satisfy

このような発明によれば、電気ヒータ容量を装置発電定格以下とすることが可能となり、コストダウン、装置の小型化を図ることができる。   According to such an invention, it becomes possible to make an electric heater capacity | capacitance below an apparatus power generation rating, and it can attain cost reduction and size reduction of an apparatus.

本発明によれば、逆潮流状態を確実に回避しつつ、ダミー負荷の余剰分を最小（原理的には、零）とし、経済性、あるいは、省エネ性を悪化させることなく、しかも安価、省スペース（小型化）な燃料電池コジェネレーションシステムを提供することができる。   According to the present invention, the surplus of the dummy load is minimized (in principle, zero) while reliably avoiding the reverse power flow state, and the economical efficiency or the energy saving performance is not deteriorated. A space (miniaturized) fuel cell cogeneration system can be provided.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムについて説明する。   Hereinafter, a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムを示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention.

同図において、燃料電池３は、都市ガス（メタン）や、プロパンガスを原燃料１として、改質器にて、化学反応により、水素リッチな改質ガスを生成し、この水素リッチな改質ガスと空気中の酸素２から電気化学反応により発電する。   In the figure, a fuel cell 3 generates a hydrogen-rich reformed gas by a chemical reaction in a reformer using city gas (methane) or propane gas as a raw fuel 1, and this hydrogen-rich reforming Power is generated by electrochemical reaction from gas and oxygen 2 in the air.

単相３線式商用電力系統４の中性相Ｎ以外の２線、Ｒ相、Ｔ相に接続され、燃料電池３から発電された直流電力を、商用電力系統４と同期のとれた所定の電圧・周波数の交流電力に変換し、系統連系を行なう単相２線式インバータ５が設けられる。   DC power generated from the fuel cell 3 is connected to two lines other than the neutral phase N of the single-phase three-wire commercial power system 4, the R phase, and the T phase, and is synchronized with the commercial power system 4. A single-phase two-wire inverter 5 is provided for converting to AC power of voltage / frequency and performing system interconnection.

また、燃料電池３が発電する過程で発生する熱６により市水７を加熱して所定の温度の温水８を生成する排熱回収部９と、温水８を貯湯するタンク１０とを備える。   In addition, an exhaust heat recovery unit 9 that heats the city water 7 with heat 6 generated in the process of generating power by the fuel cell 3 to generate hot water 8 at a predetermined temperature, and a tank 10 that stores the hot water 8 are provided.

単相３線式電力系統４の単相２線式インバータ５の接続点より上流、かつ、単相３線式電力系統４のＲ−Ｎ、Ｔ−Ｎ、Ｒ−Ｔ間に任意に接続された負荷機器１１の上流の電力を計測する電力計測部１２が設けられる。   Arbitrary connected upstream of the connection point of the single-phase two-wire inverter 5 of the single-phase three-wire power system 4 and between RN, TN, and RT of the single-phase three-wire power system 4 A power measuring unit 12 that measures the power upstream of the load device 11 is provided.

排熱回収部９の中には電気ヒータ１３が設けられる。この電気ヒータ１３は温水を補助的に加熱するものであり、電力半導体スイッチ１４を介して、単相２線式インバータ５と同一の接続点Ｒ−Ｔ間に接続される。電気ヒータ１３は、電力半導体スイッチ１４に入力される制御部２０からの電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰの駆動信号に基づき、オンオフ比率を可変するよう制御される。   An electric heater 13 is provided in the exhaust heat recovery unit 9. The electric heater 13 is used to supplement hot water and is connected between the same connection points R-T as the single-phase two-wire inverter 5 via the power semiconductor switch 14. The electric heater 13 is controlled to vary the on / off ratio based on the drive signal of the input power command value HTRSP of the electric heater 13 from the control unit 20 input to the power semiconductor switch 14.

以下、制御部２０における基本制御について説明する。   Hereinafter, basic control in the control unit 20 will be described.

本実施の形態においては、電力計測部１２によって計測された計測電力値Ｗｉｎを、順潮流方向を正として、第一の電力値Ｗ１、第二の電力値Ｗ２（Ｗ１＞Ｗ２）を定義する。   In the present embodiment, the first power value W1 and the second power value W2 (W1> W2) are defined with the measured power value Win measured by the power measuring unit 12 being positive in the forward power flow direction.

（ａ） Ｗｉｎ≧Ｗ１である場合
燃料電池３の発電電力Ｗｏｕｔについて、燃料電池コジェネシステムが要求する発電指令ＷＳＰに基き、現状維持、もしくは、増加、減少を許容し、更に、電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰについては、オフ比率を増加させる方向に制御する。 (A) When Win ≧ W1, the generated power Wout of the fuel cell 3 is allowed to maintain the current state or increase or decrease based on the power generation command WSP required by the fuel cell cogeneration system, and the electric heater 13 is turned on. The power command value HTRSP is controlled to increase the off ratio.

（ｂ） Ｗ１＞Ｗｉｎ≧Ｗ２である場合
燃料電池の発電電力Ｗｏｕｔにつき、Ｗ１−Ｗｉｎ相等の電力を低下させるように制御すると共に、電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰについては、現状値を保持する。 (B) When W1> Win ≧ W2 The power generated by the fuel cell Wout is controlled so as to reduce the power of the W1-Win phase, etc., and the current value is maintained for the input power command value HTRSP of the electric heater 13 To do.

（ｃ） Ｗ２＞Ｗｉｎである場合
発電電力Ｗｏｕｔにつき、Ｗ１−Ｗ２相等の電力を低下させるように制御すると共に、電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰについては、Ｗ２−Ｗｉｎ相等の電力を増加させ、オン比率を増加させる方向に制御する。 (C) When W2> Win When the generated power Wout is controlled so as to reduce the power of the W1-W2 phase, etc., the power of the W2-Win phase is increased for the input power command value HTRSP of the electric heater 13. , Control to increase the ON ratio.

図２は、制御部２０内に設けられる電力半導体スイッチ制御回路を示す図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating a power semiconductor switch control circuit provided in the control unit 20.

電力半導体スイッチ制御回路３０は、電気ヒータ投入電力指令値ＨＴＲＳＰを受け、電力半導体スイッチ１４の駆動信号Ｓ１４を出力する。この電力半導体スイッチ１４の駆動信号Ｓ１４は、所定時間Ｔ毎のタイミング信号ｔ０毎に、電力半導体スイッチ１４のオン信号（ＯＮ期間＝Ｔｏｎ、ＯＦＦ期間＝Ｔｏｆｆ、Ｔ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ：図３参照）とする。   The power semiconductor switch control circuit 30 receives the electric heater input power command value HTRSP and outputs a drive signal S14 for the power semiconductor switch 14. The drive signal S14 of the power semiconductor switch 14 is an ON signal of the power semiconductor switch 14 (ON period = Ton, OFF period = Toff, T = Ton + Toff: see FIG. 3) every timing signal t0 every predetermined time T. .

電力半導体スイッチ１４のＯＮ期間＝Ｔｏｎは、電気ヒータ１３の定格電力＝ＷＨＴＲとして、
Ｔｏｎ＝ＨＴＲＳＰ／ＷＨＴＲ＊Ｔ …（１）
で決めることとする。 The ON period of the power semiconductor switch 14 = Ton, the rated power of the electric heater 13 = WHTR,
Ton = HTRSP / WHTR * T (1)
It will be decided by.

この時、所定時間Ｔにおける電気ヒータ１３の平均投入電力ＷＨＴＲ（ＯＮ）は、
ＷＨＴＲ（ＯＮ）＝Ｔｏｎ／Ｔ＊ＷＨＴＲ …（２）
式（２）に式（１）を代入することにより、
ＷＨＴＲ（ＯＮ）＝ＨＴＲＳＰ …（３）
となり、単一の電気ヒータ１３、及び、（電力半導体）スイッチ１４でありながら、Ｔｏｎ時間（つまり、ＯＮ／ＯＦＦ期間の比率）を電気ヒータ投入電力指令値ＨＴＲＳＰに基づき可変することにより、０〜電気ヒータ１３定格電力（ＷＨＴＲ）間、任意に可変することが可能となる。 At this time, the average input power WHTR (ON) of the electric heater 13 at the predetermined time T is
WHTR (ON) = Ton / T * WHTR (2)
By substituting equation (1) into equation (2),
WHTR (ON) = HTRSP (3)
By changing the Ton time (that is, the ratio of the ON / OFF period) based on the electric heater input power command value HTRSP while being a single electric heater 13 and the (power semiconductor) switch 14, The electric heater 13 can be arbitrarily varied between the rated power (WHTR).

ここで、所定時間Ｔは、基本的に、温水生成の時定数（数ｓ以上）より小さく（例えば、０．５ｓ程度）しておけば、ほぼ連続制御と等価な状況とできる。従って、スイッチ１４として、機械的スイッチでは、ＯＮ／ＯＦＦ頻度が高すぎるので、電力半導体スイッチ（例えば、トライアック等）としている。   Here, if the predetermined time T is basically smaller (for example, about 0.5 s) than the time constant for generating hot water (several s or more), the situation can be substantially equivalent to continuous control. Therefore, as the switch 14, the mechanical switch is a power semiconductor switch (for example, a triac) because the ON / OFF frequency is too high.

次に、制御部２０の動作について、図４及び図５を参照して説明する。   Next, the operation of the control unit 20 will be described with reference to FIGS.

図４は、制御部において電力領域判定を行なう電力領域判定部を示すブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram illustrating a power region determination unit that performs power region determination in the control unit.

まず、単相３線式電力系統４の単相２線式インバータ５の接続点、及び、負荷機器１１の上流の電力を計測する電力計測部１２からの電力計測値Ｗｉｎ（順潮流方向を正とする）と、予め定められた第一の電力値Ｗ１、第二の電力値Ｗ２（Ｗ１＞Ｗ２）との大小判別により、電力領域判定部４０にて、電力領域を示す電力領域信号Ｃ０（Ｃ０＝Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ）を生成する。   First, the power measurement value Win (forward power flow direction from the connection point of the single-phase two-wire inverter 5 of the single-phase three-wire power system 4 and the power measurement unit 12 that measures the power upstream of the load device 11 is corrected. ) And a predetermined first power value W1 and second power value W2 (W1> W2), the power region determination unit 40 determines the power region signal C0 ( C0 = I, II, III).

電力領域判定部４０では、電力領域信号Ｃ０につき、
Ｗｉｎ≧Ｗ１ → Ｃ０＝Ｉ (順潮流状態)
Ｗ１＞Ｗｉｎ≧Ｗ２ → Ｃ０＝ＩＩ （少し、逆潮流状態）
Ｗ２＞Ｗｉｎ → Ｃ０＝ＩＩＩ （逆潮流状態）
とする。 In the power domain determination unit 40, for each power domain signal C0,
Win ≧ W1 → C0 = I (forward power flow state)
W1> Win ≧ W2 → C0 = II (Slight reverse power flow state)
W2> Win → C0 = III (reverse power flow state)
And

ここで、第一の電力値Ｗ１は、逆潮流方向を判定する電力値、例えば、０（Ｗ）とする。   Here, the first power value W1 is a power value for determining the reverse power flow direction, for example, 0 (W).

ところで、前述の如く、燃料電池コジェネレーションシステムは、発電電力急変等、システム擾乱に、かなり弱い旨説明した。一般的に、変化量が微小であれば、過渡的状態は残るものの、プロセス制御状態として、温度等の各制御値の保護レベルを逸脱することなく、何とか発電維持可能と判断できる。そして、当該燃料電池コジェネレーションシステムにつき、瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）を定義する。   By the way, as described above, it has been explained that the fuel cell cogeneration system is quite vulnerable to system disturbance such as a sudden change in generated power. In general, if the amount of change is small, a transient state remains, but it can be determined that the power generation can be managed somehow without deviating from the protection level of each control value such as temperature as the process control state. Then, an instantaneous power generation reduction allowable value (ΔWdown) is defined for the fuel cell cogeneration system.

例えば、ΔＷｄｏｗｎ＝５０Ｗ、ないし、１００Ｗ等。つまり、ΔＷｄｏｗｎ＝１００Ｗである場合、発電電力急変（低下）が、１００Ｗ以下（一過性）であれば、何とか、発電維持可能とするものである。そして、第二の電力値Ｗ２は、Ｗ２＝Ｗ１−ΔＷｄｏｗｎ＝−１００Ｗ（Ｗ１＝０Ｗ、ΔＷｄｏｗｎ＝１００Ｗの場合）とする。   For example, ΔWdown = 50W or 100W. In other words, when ΔWdown = 100 W, if the generated power sudden change (decrease) is 100 W or less (temporary), the power generation can be maintained somehow. The second power value W2 is W2 = W1−ΔWdown = −100 W (when W1 = 0 W and ΔWdown = 100 W).

そして、この電力領域信号Ｃ０により、図５に示す（２回路或いは３回路の）選択スイッチＳＥＬを制御する。   Then, the selection switch SEL (two circuits or three circuits) shown in FIG. 5 is controlled by the power domain signal C0.

図５は、発電電力Ｗｏｕｔの出力を行なうためのブロック図であり、図６は、電気ヒータの投入電力指令値ＨＴＲＳＰの出力を行なうためのブロック図である。以下、電力領域信号Ｃ０によって示される電力領域に分けて説明する。   FIG. 5 is a block diagram for outputting the generated power Wout, and FIG. 6 is a block diagram for outputting the input power command value HTRSP of the electric heater. Hereinafter, description will be made by dividing into power regions indicated by the power region signal C0.

（ａ） Ｃ０＝Ｉ （順潮流状態）
この場合は、図５に示すように、基本的に、プロセス制御に基づく発電指令値ＷＳＰにより、発電電力Ｗｏｕｔを決定し、インバータを制御する。プロセス制御に基づく発電指令値ＷＳＰは、常時一定である必要はなく、図５には示していない上位制御にて、負荷機器電力や、熱需要等の状況により、変化するものとする。 (A) C0 = I (forward current state)
In this case, as shown in FIG. 5, basically, the generated power Wout is determined by the power generation command value WSP based on the process control, and the inverter is controlled. The power generation command value WSP based on the process control does not necessarily have to be constant at all times, and changes according to the load device power, the heat demand, and the like in the host control not shown in FIG.

尚、この場合、発電プロセスの安定性を考慮し、プロセス制御に基づく発電指令値ＷＳＰを、変化量制限部４１（増加、減少の１回あたりの変化量制限値をそれぞれ、ΔＷ↑、ΔＷ↓（何れも、基本的には、微小量）とする）入力し、変化量（ＷＳＰ−フィードバックされる実際の発電電力Ｗｏｕｔ）に制限を加え、更に後段の上限制限部ＵＬ（最大（定格）発電電力＝ＷＵＬ）、及び、下限制限部ＬＬ（最低発電電力（下限値）＝ＷＬＬ）を介して、実際の発電電力Ｗｏｕｔを決定する。   In this case, in consideration of the stability of the power generation process, the power generation command value WSP based on the process control is changed to the change amount limiting unit 41 (change amount limit values per increase / decrease, respectively, ΔW ↑, ΔW ↓ (Both are basically minute amounts), and the amount of change (WSP-actually generated power Wout fed back) is limited, and the upper limit limiting unit UL (maximum (rated) power generation) in the subsequent stage The actual generated power Wout is determined via the power = WUL) and the lower limit restricting unit LL (minimum generated power (lower limit) = WLL).

また、電気ヒータの投入電力指令値ＨＴＲＳＰについては、図６に示すように、ＨＴＲＳＰ＝０（電気ヒータ１３：完全ＯＦＦ）の場合は、このまま状態保持し、ＨＴＲＳＰ＞０である場合は、現在順潮流状態であることから、投入電力指令値ＨＴＲＳＰを減らす。   Further, as shown in FIG. 6, the electric heater input power command value HTRSP is maintained as it is when HTRSP = 0 (electric heater 13: completely OFF), and the current order when HTRSP> 0. Since it is a power flow state, the input power command value HTRSP is reduced.

この場合、図６においては、１回あたりの低減量をΔＷとして、ＨＴＲＳＰを−ΔＷ／回ずつ、Ｃ０＝Ｉを継続している間、０になる方向に、減算させる。また、上限値として電気ヒータ１３の定格電力ＷＨＴＲが設定され、下限値として０が設定される。   In this case, in FIG. 6, the amount of reduction per time is ΔW, and HTRSP is decreased by −ΔW / times in the direction of 0 while C0 = I is continued. Further, the rated power WHTR of the electric heater 13 is set as the upper limit value, and 0 is set as the lower limit value.

尚、その他として、電力計測値Ｗｉｎ（順潮流方向を正とする）が、十分大きい場合、
Ｗｉｎ−Ｗ１を限度として減算し、ＨＴＲＳＰを短期間にて、その値を０に復帰させるようにしてもよい。 In addition, when the electric power measurement value Win (the forward flow direction is positive) is sufficiently large,
Subtraction may be performed with Win-W1 as the limit, and the value may be returned to 0 in a short period of time.

（ｂ） Ｃ０＝ＩＩ （少し、逆潮流状態）、或いはＣ０＝ＩＩＩ （逆潮流状態）
この場合は、逆潮流状態につき、
Ａ：発電出力を下げる。（Ｗｏｕｔを下げる）
Ｂ：電気ヒータ投入。（ＨＴＲＳＰを増やす）
（もしくは、Ａ，Ｂ併用）
の制御を行なうことにより、Ｗｉｎ（現在）（＜Ｗ１） → Ｗｉｎ（次回）≧Ｗ１を実現する。以下、図５及び図６を参照して、説明する。 (B) C0 = II (a little reverse power flow state) or C0 = III (reverse power flow state)
In this case,
A: Decrease the power generation output. (Lower Wout)
B: Electric heater is turned on. (Increase HTRSP)
(Or A and B combined)
By performing the control, Win (current) (<W1) → Win (next time) ≧ W1 is realized. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 5 and 6.

（ｂ−１） Ｃ０＝ＩＩ（少し、逆潮流状態）の場合：
この場合、逆潮電力としては、あまり大きくなく、基本的に、瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）以内であるので、図５に示すように、瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）を限度として、発電電力Ｗｏｕｔを逆潮電力相当分（Ｗ１−Ｗｉｎ（現在））低下させるようインバータを制御する。尚、この場合、電気ヒータ１３の追加投入（Ｂ）は、基本的に必要なく、従って、図６に示すように、ＨＴＲＳＰの値の更新は、行なわないとする。 (B-1) In case of C0 = II (a little reverse power flow state):
In this case, the reverse power flow is not so large and is basically within the instantaneous power generation reduction allowable value (ΔWdown), so that the instantaneous power generation reduction allowable value (ΔWdown) is limited as shown in FIG. Then, the inverter is controlled so as to reduce the generated power Wout by an amount equivalent to the reverse power (W1-Win (current)). In this case, the additional charging (B) of the electric heater 13 is basically unnecessary, and therefore, as shown in FIG. 6, the value of HTSP is not updated.

（ｂ−２） Ｃ０＝ＩＩＩ（逆潮流状態）の場合：
この場合、逆潮電力相当分（Ｗ１−Ｗｉｎ（現在））は、瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）よりも大きい為、“Ａ：発電出力を下げる。”単独では、調整できない。したがって、図５に示すように、発電電力Ｗｏｕｔを瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）まで低下させるようインバータを制御し、かつ、図６に示すように、不足分（Ｗ２−Ｗｉｎ（現在））について、電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰを増加（つまり、“Ｂ：電気ヒータ投入。”）することにより、制御を行なう。 (B-2) When C0 = III (reverse power flow state):
In this case, the amount equivalent to the reverse power (W1-Win (current)) is larger than the instantaneous power generation reduction allowable value (ΔWdown), and therefore, “A: Decrease power generation output” alone cannot be adjusted. Therefore, as shown in FIG. 5, the inverter is controlled so as to reduce the generated power Wout to the instantaneous generated power reduction allowable value (ΔWdown), and as shown in FIG. 6, the shortage (W2−Win (current)). Is controlled by increasing the input power command value HTRSP of the electric heater 13 (that is, “B: electric heater input”).

例えば、最大（定格）発電電力＝７００Ｗ、ダミー負荷容量＝８００Ｗ、瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）＝１００Ｗ、Ｗ１＝０Ｗ、Ｗ２＝−１００Ｗとして、
例１：Ｗｏｕｔ＝定格発電（７００Ｗ）中のある時点で、負荷機器消費電力が、１０００Ｗ→６５０Ｗに低下した場合
この場合、Ｗｉｎ＝６５０Ｗ−７００Ｗ＝−５０Ｗ → Ｃ０＝ＩＩ
従って、Ｗｏｕｔ：７００Ｗ→６５０Ｗ、ＨＴＲＳＰ＝０（現状値保持）となる。 For example, assuming that maximum (rated) generated power = 700 W, dummy load capacity = 800 W, instantaneous generated power reduction allowable value (ΔWdown) = 100 W, W1 = 0 W, W2 = −100 W,
Example 1: When the load device power consumption decreases from 1000 W to 650 W at a certain point during Wout = rated power generation (700 W) In this case, Win = 650 W−700 W = −50 W → C 0 = II
Therefore, Wout: 700 W → 650 W, and HTRSP = 0 (current value hold).

例２：Ｗｏｕｔ＝定格発電（７００Ｗ）中のある時点で、負荷機器消費電力が、１０００Ｗ→５５０Ｗに低下した場合
この場合、Ｗｉｎ＝５５０Ｗ−７００Ｗ＝−１５０Ｗ → Ｃ０＝ＩＩＩ
従って、Ｗｏｕｔ：７００Ｗ→６００Ｗ、ＨＴＲＳＰ＝５０Ｗとなる
したがって、本発明の実施の形態によれば、単一の電気ヒータ＋電力半導体スイッチを用いて、オン期間制御を行い、かつ、逆潮流状態解消手段として、Ａ：発電出力を下げる／Ｂ：電気ヒータ投入を併用することにより、ダミー負荷である電気ヒータ投入量を抑え（余剰分については、基本的に０）つつ、確実に逆潮流防止を図ることができ、経済性、省エネ性に優れた燃料電池コジェネレーションシステムを提供することができる。更に、構成上は、単一のダミー負荷としての電気ヒータである為、コストＵＰを抑え、省スペース（小型化）を計ることができる。 Example 2: When the load device power consumption decreases from 1000 W to 550 W at a certain point in time during Wout = rated power generation (700 W) In this case, Win = 550 W−700 W = −150 W → C 0 = III
Therefore, Wout: 700 W → 600 W, HTRSP = 50 W Therefore, according to the embodiment of the present invention, the on-period control is performed using the single electric heater + power semiconductor switch, and the reverse power flow state is resolved. As a means, A: Decreasing the power output / B: Electric heater input is used in combination, so that the amount of electric heater input, which is a dummy load, is suppressed (the surplus is basically 0), while reliably preventing reverse power flow. Therefore, it is possible to provide a fuel cell cogeneration system excellent in economy and energy saving. Furthermore, in terms of configuration, since it is an electric heater as a single dummy load, it is possible to reduce costs and save space (downsizing).

尚、本実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムでは、発電出力を低下させることになるが、高々瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）相当分（例、１００Ｗ程度）と限定されている為、再び負荷機器の消費電力が増加し、通常発電状態にする場合を考えても、比較的単時間に戻ることが可能である。   Note that, in the fuel cell cogeneration system according to the present embodiment, the power generation output is reduced, but it is limited to an amount equivalent to the instantaneous power generation reduction allowable value (ΔWdown) at most (eg, about 100 W). The power consumption of the load device increases again, and it is possible to return to a relatively short time even when considering the case of normal power generation.

また、プロセス制御にも依存するが、特に、逆潮流継続時間が、ごく短い（例えば、３０秒程度以内等）であれば、発電出力低下に対し、プロセス制御自体が十分応答していない、つまり、発電出力低下前の制御状態に近いと推定される為、通常以上のレート、例えば、瞬時に発電出力低下前の発電出力に復帰させても、実害少ないと判断され、より即応性のあるシステムを提供できる。   Although it depends on the process control, in particular, if the reverse power flow duration is very short (for example, within about 30 seconds), the process control itself does not sufficiently respond to the power generation output decrease. Because it is estimated that it is close to the control state before the power generation output declines, it is judged that there is little actual harm even if the power generation output before the power generation output declines instantaneously, for example, it is judged to be less harmful and more responsive Can provide.

（電力計測部の構成１）
次に、電力計測部の一実施の形態に係る構成について説明する。 (Configuration 1 of power measurement unit)
Next, a configuration according to an embodiment of the power measurement unit will be described.

図７及び図８は、本発明の実施の形態に係る電力計測部の第１の例を説明するための図である。   7 and 8 are diagrams for explaining a first example of the power measurement unit according to the embodiment of the present invention.

同図に示すように、単相３線式電力系統４の前記単相２線式インバータ５の接続点より上流、かつ、負荷機器１１の接続点より上流のＲ相、Ｔ相のそれぞれに、通電電流瞬時値を計測する電流検出器ＣＴ１，ＣＴ２が設けられる。   As shown in the figure, each of the R-phase and T-phase upstream of the connection point of the single-phase two-wire inverter 5 of the single-phase three-wire power system 4 and upstream of the connection point of the load device 11, Current detectors CT <b> 1 and CT <b> 2 that measure the instantaneous value of the energization current are provided.

電流計測部１２においては、ＣＴ１、ＣＴ２の二次側の電流信号を生成する抵抗Ｒ１、Ｒ２を直列に接続し、ＣＴ１、ＣＴ２の一次側を、逆方向に貫通接続すると共に、二次側を同一極性にて、直列に接続したＲ１、Ｒ２に接続する（図７）か、もしくは、ＣＴ１、ＣＴ２の一次側を、同一方向に貫通接続すると共に、二次側を逆極性にて、前記直列に接続したＲ１、Ｒ２に接続（図８）する。   In the current measuring unit 12, resistors R1 and R2 that generate current signals on the secondary sides of CT1 and CT2 are connected in series, and the primary sides of CT1 and CT2 are connected through through in the opposite direction, and the secondary side is connected. Connect to R1 and R2 connected in series with the same polarity (FIG. 7), or connect the primary side of CT1 and CT2 in the same direction, and connect the secondary side with reverse polarity to the series. Connected to R1 and R2 connected to (FIG. 8).

電力計測部１２における計算部５１においては、直列に接続したＲ１＋Ｒ２の電流検出信号により、Ｒ相、Ｔ相を流れる単一の電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、前記単相３線式電力系統４のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間電圧信号ｖＲ、ｖＴとを入力し、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する。   In the calculation unit 51 in the power measurement unit 12, a single current sum signal iR + iT flowing in the R phase and the T phase is detected by the R1 + R2 current detection signal connected in series and the R of the single-phase three-wire power system 4. -N and TN voltage signals vR and vT are input, and the instantaneous current sum signal iR + iT flowing through the R-phase and T-phase, and the average value (vR + vT) / 2 of the R-phase and T-phase instantaneous voltage signals, The measured power value Win is generated by averaging the instantaneous value products.

以下、このような電力計算部５１における電力計算の理論的根拠及び効果について説明する。   Hereinafter, the theoretical basis and effect of the power calculation in the power calculation unit 51 will be described.

単相３線式電力系統４の電力計測について、Ｒ相、Ｔ相を流れる電流信号ｉＲ、ｉＴと、Ｒ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間電圧信号ｖＲ、ｖＴとにより、瞬時電力ｗ０として、
ｗ０＝ｖＲ＊ｉＲ＋ｖＴ＊ｉＴ …（４）
を求め、積分（加算）、平均演算を行なう必要がある。 Regarding the power measurement of the single-phase three-wire power system 4, the instantaneous power w0 is obtained from the current signals iR and iT flowing through the R phase and the T phase, and the RN and TN voltage signals vR and vT.
w0 = vR * iR + vT * iT (4)
Must be calculated, integrated (added), and averaged.

然しながら、単相３線式電力系統４については、一般的には、相電圧アンバランスは、小さい、もしくは、限定されているので、
ｖＲ≒ｖＴ≒（ｖＲ＋ｖＴ）／２ …（５）
式（５）を式（４）に代入し、
ｗ０≒（ｉＲ＋ｉＴ）＊（ｖＲ＋ｖＴ）／２ …（６）
とすることができ、その結果を積分（加算）、平均演算を行なえばよい。 However, for the single-phase three-wire power system 4, the phase voltage imbalance is generally small or limited.
vR≈vT≈ (vR + vT) / 2 (5)
Substituting equation (5) into equation (4),
w0≈ (iR + iT) * (vR + vT) / 2 (6)
The results may be integrated (added) and averaged.

通常、これらの演算は、電流・電圧の瞬時値信号をＡ／Ｄ変換器によりＣＰＵに取り込み、ソフト演算により実行させる。   Usually, these calculations are executed by a software calculation by taking an instantaneous value signal of current and voltage into a CPU by an A / D converter.

式（４）と式（６）を比較すると、ハード面につき、式（４）では、電流信号については、２チャンネル分のＡ／Ｄ変換が必要であるのに対し、式（６）では、電流信号について、既に加算された１つの信号（ｉＲ＋ｉＴ）としてＡ／Ｄ変換を行なえばよいことになる。   Comparing equation (4) and equation (6), in terms of hardware, in equation (4), the current signal requires A / D conversion for two channels, whereas in equation (6), For the current signal, A / D conversion may be performed as one signal (iR + iT) already added.

また、ソフト（演算処理時間）についても、式（４）では、積・和演算２回／サンプリングに対し、式（６）では、１回の積・和演算で済ませることが可能で、約半減することが可能である。   Also, with regard to the software (calculation processing time), in Formula (4), the product / sum operation is twice per sampling, whereas in Formula (6), one product / sum operation can be performed. Is possible.

以上、本実施の形態においては、電力演算につき、Ａ／Ｄ変換器のチャンネルを削減でき、コストダウン、制御回路簡素化に有効であり、ソフト面では、ＣＰＵの処理能力の削減による安価ＣＰＵの採用、もしくは、空時間活用によるより高度なソフト処理への流用ができる。   As described above, in this embodiment, it is possible to reduce the A / D converter channel for power calculation, which is effective for cost reduction and simplification of the control circuit. Adopted or used for more advanced software processing by utilizing space time.

（電力計測部の構成２）
次に、電力計測部の他の実施の形態に係る構成について説明する。 (Configuration 2 of power measurement unit)
Next, the structure which concerns on other embodiment of an electric power measurement part is demonstrated.

図９は、本発明の実施の形態に係る電力計測部の第２の例を説明するための図である。   FIG. 9 is a diagram for explaining a second example of the power measurement unit according to the embodiment of the present invention.

同図に示すように、前記単相３線式電力系統４の前記単相２線式インバータ５の接続点より上流、かつ、負荷機器１１の接続点より上流のＲ相、Ｔ相ラインを一括して通電電流瞬時値を計測するＣＴ３が設けられる。   As shown in the figure, the R-phase and T-phase lines upstream of the connection point of the single-phase two-wire inverter 5 of the single-phase three-wire power system 4 and upstream of the connection point of the load device 11 are collectively shown. Thus, CT3 for measuring the instantaneous value of the energization current is provided.

電流計測部１２における電力計算部５１においては、ＣＴ３の一次側を、Ｒ相、Ｔ相逆方向に貫通接続し、二次側に接続したＲ３の電流検出信号により、Ｒ相、Ｔ相を流れる単一の電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、単相３線式電力系統４のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間電圧信号ｖＲ、ｖＴとを入力し、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する。   In the power calculation unit 51 in the current measurement unit 12, the primary side of CT3 is connected through in the reverse direction of the R phase and T phase, and flows through the R phase and T phase by the current detection signal of R3 connected to the secondary side. A single current sum signal iR + iT and RN and TN voltage signals vR and vT of the single-phase three-wire power system 4 are input, and an instantaneous current sum signal iR + iT flowing in the R and T phases is input. Then, the measured power value Win is generated by averaging the instantaneous value product of the average value (vR + vT) / 2 of the R-phase and T-phase instantaneous voltage signals.

以下、このような計算部５１における電力計算の理論的根拠及び効果について説明する。   Hereinafter, the theoretical basis and effect of the power calculation in the calculation unit 51 will be described.

図７及び図８に示した電力計測部では、基本的には、ＣＴ２次側を直列に接続することにより、Ｒ相、Ｔ相を流れる単一の電流和の信号ｉＲ＋ｉＴを得ることを説明した。   In the power measurement unit shown in FIGS. 7 and 8, it has been basically explained that a signal iR + iT having a single current sum flowing in the R phase and the T phase is obtained by connecting the CT secondary side in series. .

図９では、ＣＴの１次側（貫通側）にて、Ｒ，Ｔ相電流が加算される向きに構成することにより、基本的に、１つのＣＴにより、等価な効果を実現できる。   In FIG. 9, an equivalent effect can be basically realized by one CT by configuring the CT in the direction in which the R and T phase currents are added on the primary side (through side).

以上、本実施の形態においては、ＣＴを２個から１個とすることができ、より安価なシステムを提供することができる。   As described above, in this embodiment, the number of CT can be changed from two to one, and a cheaper system can be provided.

（電力半導体スイッチ制御の変形例）
電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰに基づき、オンオフ比率を可変する電力半導体１４の制御に関し、電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰに基づき、所定の基本サイクル数をＭとして、投入サイクル数ｎについて、ｎ＝ＨＴＲＳＰ／電気ヒータ定格電力＊Ｍ（整数）を元に、投入サイクルｎ間オンとするよう制御する。 (Modified example of power semiconductor switch control)
Regarding the control of the power semiconductor 14 that varies the on / off ratio based on the input power command value HTRSP of the electric heater 13, the predetermined basic cycle number is M and the input cycle number n is based on the input power command value HTRSP of the electric heater 13. , N = HTRSP / Electric heater rated power * M (integer) is controlled so as to be on for n cycles.

前述の如く、単一の電気ヒータ＋電力半導体スイッチを用いて、オン期間制御を行うことにより、所定時間Ｔあたりの平均電力の分解能の向上（連続制御に近い状態の実現）を図ることを説明した。   As described above, the on-period control is performed by using a single electric heater + power semiconductor switch to improve the resolution of the average power per predetermined time T (to realize a state close to continuous control). did.

特に、所定時間Ｔ毎のＴｉｍｉｎｇ信号ｔ０について、必ずしも、交流電源の位相情報は必要ではないが、電力系統（交流電源）の負荷となることを勘案すると、位相情報を含めた方がさらによい。   In particular, for the Timing signal t0 at every predetermined time T, the phase information of the AC power supply is not necessarily required, but it is better to include the phase information considering that it becomes a load of the power system (AC power supply).

例えば、電気ヒータ１３をオンするＴｉｍｉｎｇを、常に電源の零位相（もしくは、１８０°位相）にしておけば、高調波電流等、電力系統に与える影響を最小に抑えることが可能である。   For example, if the timing for turning on the electric heater 13 is always set to the zero phase (or 180 ° phase) of the power source, it is possible to minimize the influence on the power system such as harmonic current.

燃料電池コジェネレーションシステムにおける単相２線式インバータ５は、前述の如く、電力系統に同期して、連系運転を行うように制御する。従って、図示していないが、上位制御にて、電力系統の位相情報、例えば、交流電源の零位相情報を持っており、新たに交流電源零位相検出手段等を付加しなくても、十分対応可能である。   As described above, the single-phase two-wire inverter 5 in the fuel cell cogeneration system is controlled so as to perform the interconnection operation in synchronization with the power system. Therefore, although not shown in the figure, the host system has phase information of the power system, for example, zero phase information of the AC power supply, and can be sufficiently handled without newly adding an AC power supply zero phase detection means or the like. Is possible.

従って、ここでは、電力系統の所定の基本サイクル数をＭ（整数）として、
所定時間Ｔ＝電力系統の１サイクル周期＊Ｍ …（７）
とする。 Therefore, here, the predetermined number of basic cycles of the power system is M (integer),
Predetermined time T = 1 cycle period of power system * M (7)
And

つまり、所定時間Ｔ毎のタイミング信号ｔ０は、交流電源のＭサイクル毎の零位相にて発生する信号とする。そして、電力半導体スイッチ１４のオン期間（Ｔｏｎ）についても、電力系統の１サイクル周期の整数ｎ倍（Ｍ≧ｎ≧０）とする。   That is, the timing signal t0 every predetermined time T is a signal generated at a zero phase every M cycles of the AC power supply. The ON period (Ton) of the power semiconductor switch 14 is also set to an integer n times (M ≧ n ≧ 0) of one cycle period of the power system.

すなわち、投入サイクル数ｎを、電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰに基づき計算する。   That is, the number of input cycles n is calculated based on the input power command value HTRSP of the electric heater 13.

例えば、投入サイクル数ｎとして、
ｎ＝ＨＴＲＳＰ／電気ヒータ定格電力＊Ｍ（整数） …（８）
とする。 For example, as the number of input cycles n,
n = HTRSP / Electric heater rated power * M (integer) (8)
And

式（８）について、基本的に、ｎは整数である必要がある為、電気ヒータ投入の平均電力分可能につき、ある程度制約がでる。つまり、分解能は、１／Ｍとなる。   In the equation (8), basically, n needs to be an integer, so that there is some restriction on the average power that can be supplied to the electric heater. That is, the resolution is 1 / M.

例えば、系統周波数＝５０Ｈｚとし、
Ｍ＝２０とすれば、所定時間Ｔ＝０．４ｓ、分解能＝１／２０＝５％
Ｍ＝５０とすれば、所定時間Ｔ＝１．０ｓ、分解能＝１／５０＝２％
となり、実用上、即応性（所定時間Ｔに依存）、分解能につき、それ程問題にならないレベルとすることが可能である。 For example, system frequency = 50 Hz,
If M = 20, the predetermined time T = 0.4 s, resolution = 1/20 = 5%
If M = 50, the predetermined time T = 1.0 s, resolution = 1/50 = 2%
In practice, it is possible to set a level that does not cause much problem in terms of quick response (depending on the predetermined time T) and resolution.

式（８）の商の結果の整数化につき、厳密に言えば、小数点以下の処理をどうするか、すなわち、切捨て、切り上げの対応を検討しておく必要がある。   Strictly speaking, regarding the conversion of the result of the quotient of Expression (8), strictly speaking, it is necessary to consider how to process the fractional part, that is, the correspondence between rounding down and rounding up.

例えば、切捨ての場合、厳密な意味では、ヒータ投入電力の分解能の範囲で、逆潮電力の補償が不足する可能性がある。この場合、この不足分（基本的には、ヒータ投入電力の分解能以内の微小量）につき、発電出力Ｗｏｕｔを低減させることを併用すれば、理論的に、逆潮流状態を解消可能となる。   For example, in the case of truncation, in a strict sense, there is a possibility that compensation for the reverse power is insufficient within the resolution range of the heater input power. In this case, if this deficiency (basically, a minute amount within the resolution of the heater input power) is used together with the reduction of the power generation output Wout, the reverse power flow state can theoretically be eliminated.

逆に、切り上げの場合、ヒータ投入電力の分解能の範囲で、逆潮電力を余分に補償する可能性がある。然しながら、この余剰分は、基本的には、ヒータ投入電力の分解能以内の微小量につき、それ程問題とはならない。   On the other hand, in the case of rounding up, there is a possibility that the reverse power is extraly compensated within the resolution range of the heater input power. However, this surplus is basically not a problem for a minute amount within the resolution of the heater input power.

更に、図４乃至図６において示した制御部２０により、余剰補償となれば、当然、逆潮流→順潮流状態となる為、電気ヒータ１３の投入電力指令値ＨＴＲＳＰ自体が低下し、この余剰分も自動調整されることになる。   Furthermore, if surplus compensation is performed by the control unit 20 shown in FIGS. 4 to 6, the power flow command value HTRSP itself of the electric heater 13 is naturally reduced because the reverse power flow → forward power flow state occurs. Will be automatically adjusted.

更に、切り上げ、切り捨て併用、すなわち、四捨五入処理とすれば、補償不足／余剰補償分については、ヒータ投入電力の分解能／２以内とすることができる。更に、式（８）について、１サイクル単位の整数化処理としたが、交流電源の電圧０となるタイミングは、２回ある。つまり、０／１８０°位相である。従って、式（８）の計算を、１サイクル単位（整数）ではなく、０．５サイクル単位で丸めることにすれば、ヒータ投入電力の分解能を、１／２に向上させるることが可能である。   Furthermore, if rounding-up and round-off are used together, that is, rounding-off processing is performed, the under-compensation / surplus compensation can be made within the resolution of heater input power / 2. Furthermore, although the expression (8) is an integer process in one cycle unit, there are two timings when the voltage of the AC power supply becomes zero. That is, the phase is 0/180 °. Therefore, if the calculation of equation (8) is rounded not in units of one cycle (integer) but in units of 0.5 cycles, the resolution of the heater input power can be improved to ½. .

したがって、このような実施の形態によれば、負荷投入分解能を確保し、電気ヒータのオン・オフによる電流高調波の影響を少なくできる。   Therefore, according to such an embodiment, the load application resolution can be ensured, and the influence of current harmonics caused by the on / off of the electric heater can be reduced.

（発電電力制御の変形例）
次に、発電電力制御の変形例について説明する。 (Modified example of generated power control)
Next, a modified example of the generated power control will be described.

本変形例においては、
（Ｉ） Ｗ１＞Ｗｉｎ（発電中の電力計測値Ｗｉｎ）の場合
発電電力Ｗｏｕｔにつき、Ｗ１−Ｗｉｎ相等の電力（Ｗ１−Ｗ２上限リミット）を低下させるように制御すると共に、第二の電力値Ｗ２を、Ｗ２−Ｗｉｎの新しい値Ｗ２’（Ｗ１上限リミット）に置き換える
（ＩＩ） Ｗｉｎ≧Ｗ１の場合
発電電力Ｗｏｕｔにつき、燃料電池コジェネレーションシステムが要求する発電指令ＷＳＰに基き、現状維持、もしくは、増加、減少を許容すると共に、現時点のＷ２’の値が、当初のＷ２の値と異なる場合、所定のレートにて、Ｗ２に復帰させるよう制御する。 In this variation,
(I) In the case of W1> Win (power measurement value Win during power generation) The generated power Wout is controlled so as to reduce the power (W1-W2 upper limit) such as the W1-Win phase and the second power value W2. Is replaced with a new value W2 ′ (W1 upper limit) of W2−Win (II) When Win ≧ W1, the generated power Wout is maintained or increased based on the power generation command WSP required by the fuel cell cogeneration system. In the case where the current value of W2 ′ is different from the initial value of W2, control is performed to return to W2 at a predetermined rate.

以下、このような発電電力の制御を行なう理由について説明する。   Hereinafter, the reason why the generated power is controlled will be described.

燃料電池コジェネレーションシステムは、基本的に、化学反応プロセスに起因して、発電電力等のダイナミックな変化（変化幅、時間・頻度）につき、全ての条件にて、システム安定化を図ることは、かなり困難であることを説明した。   The fuel cell cogeneration system basically stabilizes the system under all conditions for dynamic changes (change width, time / frequency) of generated power, etc. due to the chemical reaction process. I explained that it was quite difficult.

従って、上述の実施の形態においては、基本的に、一過性の負荷電力急低下による逆潮流状態の回避（防止）につき、説明した。特に、発電出力Ｗｏｕｔの低下制御については、瞬時発電電力低下許容値（ΔＷdown）を定義し、基本的に、その範囲内にて、出力調整を行なうものとしている。   Therefore, in the above-described embodiment, basically, the avoidance (prevention) of the reverse power flow state due to the temporary drop of the load power has been described. In particular, with regard to the reduction control of the power generation output Wout, an instantaneous power generation power reduction allowable value (ΔWdown) is defined, and output adjustment is basically performed within the range.

一般的に、負荷電力の変化は、制御できない。例えば、負荷変化が、１０００Ｗ→５００Ｗへ急変した場合、時系列的に、暫くこの状態（負荷電力≒５００Ｗのまま）を保持、ないし、負荷電力増加（逆潮流状態解消方向）の場合は、特に問題ないが、負荷変化が連続して発生した場合、問題となる。   Generally, changes in load power cannot be controlled. For example, when the load change suddenly changes from 1000 W to 500 W, this state (load power ≈ 500 W) is maintained for a while in a time series, or when the load power increases (reverse power flow state cancellation direction), There is no problem, but it becomes a problem when load changes occur continuously.

例えば、１０００Ｗ→５００Ｗ→４００Ｗ→３００Ｗ（発電電力＝７００Ｗ）の場合、
発電電力低下許容値（ΔＷdown）＝１００Ｗであるとして、最初に負荷電力が、１０００Ｗ→５００Ｗに低減した時点において、上述の実施の形態においては、発電出力Ｗｏｕｔを、７００Ｗ→６００Ｗ（ＨＴＲＳＰ＝１００Ｗ）として、逆潮流状態を解消させるよう制御する。 For example, in the case of 1000 W → 500 W → 400 W → 300 W (generated power = 700 W),
Assuming that the generated power reduction allowable value (ΔWdown) = 100 W, when the load power is first reduced from 1000 W to 500 W, in the above embodiment, the generated output Wout is set to 700 W → 600 W (HTRSP = 100 W). Then, control is performed so as to cancel the reverse power flow state.

然しながら、負荷電力が、引続き、５００Ｗ→４００Ｗ→３００Ｗに変化（低減）した場合、既に発電電力低下許容値（ΔＷdown）＝１００Ｗに相等する発電電力を下げているので、これ以上、発電出力を下げられないことになる。   However, if the load power continues to change (decrease) from 500 W to 400 W to 300 W, the generated power equivalent to the power generation reduction allowable value (ΔWdown) = 100 W has already been reduced, so the power generation output is further reduced. It will not be possible.

本変形例では、Ｗ２＝−１００Ｗ（初期状態）として、１００Ｗ出力を下げた時点で、Ｗ２’＝Ｗ２＋１００Ｗ＝０Ｗに置き換えることにより、瞬時的に発電出力Ｗｏｕｔを低下できる限界値について、
Ｗ１（＝０Ｗ）−Ｗ２（−１００Ｗ：初期値）＝１００Ｗ
→Ｗ１（＝０Ｗ）−Ｗ２’（０Ｗ：１００Ｗ低減後の更新値）＝０Ｗ
となり、これ以上、瞬時的に発電出力Ｗｏｕｔを低減できないことになる。 In this modification, assuming that W2 = −100W (initial state), when the 100W output is lowered, by replacing with W2 ′ = W2 + 100W = 0W, the limit value that can instantaneously reduce the power generation output Wout,
W1 (= 0W) −W2 (−100W: initial value) = 100W
→ W1 (= 0W) −W2 ′ (0W: updated value after reduction of 100W) = 0W
Thus, the power generation output Wout cannot be instantaneously reduced.

この場合は、電気ヒータ投入電力指令値（ＨＴＲＳＰ）について、１００Ｗ→２００Ｗ→３００Ｗと増加させることにより、逆潮流状態の解消を実現させる。   In this case, the reverse power flow state is eliminated by increasing the electric heater input power command value (HTRSP) from 100 W → 200 W → 300 W.

尚、この場合のＷ２’、つまり、瞬時的に発電出力Ｗｏｕｔを低下できる限界値については、時間経過とともに、発電プロセスが安定して行くので、化学反応プロセス等、本システムの応答時間に対応して、順次初期値に復帰させるように制御を行なうことで、更なる負荷変化に対する能力回復を図ることとする。   In addition, W2 ′ in this case, that is, the limit value at which the power generation output Wout can be instantaneously reduced, corresponds to the response time of this system, such as a chemical reaction process, because the power generation process stabilizes with time. Thus, by performing control so as to return to the initial value sequentially, the ability recovery with respect to further load change is intended.

したがって、本変形例によれば、頻繁に負荷変動ある場合に対し、コストをかけずに、確実に逆潮流状態を解消しつつ、システムに与える影響を最小限に留め、安定性改善を図ることができる。   Therefore, according to this modified example, in the case of frequent load fluctuations, without adversely affecting the reverse power flow state, the impact on the system is minimized and the stability is improved. Can do.

（ヒータ容量の最適化）
次に、本発明の実施の形態に係るヒータ容量の変形例について説明する。 (Optimization of heater capacity)
Next, a modified example of the heater capacity according to the embodiment of the present invention will be described.

本実施の形態においては、電気ヒータ１３の電力定格ＷＨについて、発電定格ＷＲ、発電最低電力ＷＭとして、
ＷＲ＊１．２≧ＷＨ≧ＷＲ−（Ｗ１−Ｗ２）
ＷＨ≧ＷＭ
を満たすように選定する。 In the present embodiment, regarding the power rating WH of the electric heater 13, as the power generation rating WR and the power generation minimum power WM,
WR * 1.2≥WH≥WR- (W1-W2)
WH ≧ WM
Select to satisfy

上述の実施の形態では、発電電力低下許容値（ΔＷdown）以内での発電電力Ｗｏｕｔ低減と、ダミー負荷に対応する電気ヒータ投入電力量の調整の併用にて、逆潮流状態解消を実現させている。一般的には、負荷電力＝０Ｗ（完全無負荷）となる場合が想定される為、ダミー負荷に対応する電気ヒータの定格は、最大（定格）発電電力相等以上を必要とする。   In the above-described embodiment, the reverse power flow state cancellation is realized by the combined use of the generated power Wout reduction within the generated power reduction allowable value (ΔWdown) and the adjustment of the electric heater input power corresponding to the dummy load. . In general, since it is assumed that the load power = 0 W (completely no load), the rating of the electric heater corresponding to the dummy load requires a maximum (rated) generated power phase or the like.

然しながら、本変形例では、最大（定格）発電電力−発電電力低下許容値（ΔＷdown）（Ｗ１−Ｗ２に相等）の電気ヒータ定格まで小さくすることが可能である。尚、電気ヒータ定格上限については、基本的に、発電定格見合いであることから、便宜上、１．２倍とした。   However, in this modification, it is possible to reduce the electric heater rating to the maximum (rated) generated power minus the generated power reduction allowable value (ΔWdown) (equivalent to W1-W2). Note that the upper limit of the electric heater rating is basically 1.2 times, for the sake of convenience, because it is in accordance with the power generation rating.

したがって、本変形例では、電気ヒータ容量を装置発電定格以下とすることが可能となり、コストダウン、装置の小型化に有利となる。   Therefore, in this modification, it becomes possible to make the electric heater capacity below the apparatus power generation rating, which is advantageous for cost reduction and apparatus miniaturization.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明の実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムを示す図である。It is a figure showing a fuel cell cogeneration system concerning an embodiment of the invention. 制御部内に設けられる電力半導体スイッチ制御回路を示す図である。It is a figure which shows the electric power semiconductor switch control circuit provided in a control part. 電力半導体スイッチへの駆動信号を示す図である。It is a figure which shows the drive signal to an electric power semiconductor switch. 制御部において電力領域判定を行なう電力領域判定部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric power area | region determination part which performs electric power area | region determination in a control part. 発電電力Ｗｏｕｔの出力を行なうためのブロック図である。It is a block diagram for outputting generated electric power Wout. 電気ヒータの投入電力指令値ＨＴＲＳＰの出力を行なうためのブロック図である。It is a block diagram for outputting the input power command value HTRSP of the electric heater. 本発明の実施の形態に係る電力計測部の第１の例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st example of the electric power measurement part which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電力計測部の第１の例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st example of the electric power measurement part which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電力計測部の第２の例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 2nd example of the electric power measurement part which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

３…燃料電池、４…単相３線式電力系統、５…単相２線式インバータ、１１…負荷機器、１３…ヒータ、１４…電力半導体スイッチ、１２…電力計測部、２０…制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Fuel cell, 4 ... Single phase 3 wire type electric power system, 5 ... Single phase 2 wire type inverter, 11 ... Load apparatus, 13 ... Heater, 14 ... Electric power semiconductor switch, 12 ... Electric power measurement part, 20 ... Control part.

Claims (7)

燃料電池と、
単相３線式商用電力系統のＲ相及びＴ相に接続され、前記燃料電池から発電された直流電力を、前記単相３線式商用電力系統と同期のとれた交流電力に変換して系統連系を行なうインバータと、
前記燃料電池が発電する過程で発生する熱により水を加熱して温水を生成する廃熱回収部と、
前記廃熱回収部によって生成された温水を貯湯するタンクと、
前記単相３線式商用電力系統の前記インバータの接続点より上流であって、かつ前記単相３線式商用電力系統の３線のうち、いずれかの２線間に接続され、前記単相３線式商用電力系統に接続された負荷機器の上流の電力値Ｗｉｎを計測する電力計測手段と、
前記インバータが接続された前記単相３線式商用電力系統の接続点と同一の接続点に電力半導体スイッチを介して接続され、前記廃熱回収部内に設けられた電気ヒータと、
前記電力計測手段によって計測された電力値Ｗｉｎと、燃料電池コジェネレーションシステムが要求する発電指令ＷＳＰとに基づいて、前記電力半導体スイッチのオンオフ比率を制御して、前記電気ヒータの投入を制御するとともに、前記インバータを制御することにより前記燃料電池の発電電力の制御を行なう制御部とを具備し、
前記制御部は、
前記電力計測手段によって計測された電力値Ｗｉｎが順潮流方向を正として、第１の電力値Ｗ１及び第２の電力値Ｗ２（Ｗ１＞Ｗ２）が設定され、
ｉ） 電力値Ｗｉｎ≧Ｗ１である場合、
前記燃料電池の発電電力Ｗｏｕｔが、前記発電指令ＷＳＰとなるように前記インバータを制御し、かつ、前記電力半導体スイッチのオフ比率を増加させる駆動信号を前記電力半導体スイッチに出力し、
ｉｉ） Ｗ１＞Ｗｉｎ≧Ｗ２である場合、
前記燃料電池の発電電力ＷｏｕｔをＷ１−Ｗｉｎ相等の電力を低下させるように前記インバータを制御し、かつ、前記電力半導体スイッチへの駆動信号は現状を維持し、
ｉｉｉ） Ｗ２＞Ｗｉｎである場合、
前記燃料電池の発電電力ＷｏｕｔをＷ１−Ｗｉｎ相等の電力を低下させるように前記インバータを制御し、かつ、前記電気ヒータの消費電力をＷ２−Ｗｉｎ増加させるために、前記電力半導体スイッチのオン比率を増加させる駆動信号を前記電力半導体スイッチに出力することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。 A fuel cell;
Connected to the R-phase and T-phase of a single-phase three-wire commercial power system, and converts DC power generated from the fuel cell into AC power synchronized with the single-phase three-wire commercial power system. An inverter for interconnection;
A waste heat recovery unit that generates hot water by heating water with heat generated in the process of generating electricity by the fuel cell;
A tank for storing hot water generated by the waste heat recovery unit;
The single-phase three-wire commercial power system is upstream of the inverter connection point, and is connected between any two wires of the three-phase single-wire three-wire commercial power system. Power measuring means for measuring the power value Win upstream of the load device connected to the three-wire commercial power system;
An electric heater connected to the same connection point as the connection point of the single-phase three-wire commercial power system to which the inverter is connected via a power semiconductor switch, and provided in the waste heat recovery unit;
Based on the power value Win measured by the power measuring means and the power generation command WSP required by the fuel cell cogeneration system, the on / off ratio of the power semiconductor switch is controlled to control the charging of the electric heater. A control unit that controls the power generated by the fuel cell by controlling the inverter;
The controller is
The first power value W1 and the second power value W2 (W1> W2) are set with the power value Win measured by the power measuring means being positive in the forward power flow direction,
i) When the power value Win ≧ W1,
The inverter controls the inverter so that the generated power Wout of the fuel cell becomes the power generation command WSP, and outputs a drive signal for increasing the off ratio of the power semiconductor switch to the power semiconductor switch,
ii) If W1> Win ≧ W2,
The inverter is controlled so as to reduce the power generated by the fuel cell, such as W1-Win phase, and the drive signal to the power semiconductor switch maintains the current state,
iii) If W2> Win,
In order to control the inverter so as to reduce the electric power Wout of the fuel cell, such as W1-Win phase, and to increase the power consumption of the electric heater by W2-Win, the ON ratio of the power semiconductor switch is set to A fuel cell cogeneration system, wherein a driving signal to be increased is output to the power semiconductor switch. 前記電力計測手段は、
前記単相３線式電力系統の前記インバータの接続点より上流、かつ、前記負荷機器の接続点より上流の前記単相３線式電力系統のＲ相及びＴ相の電流をそれぞれ計測する２つの電流検出器と、
前記２つの電流検出器の二次側の電流を検出するように直列に接続され、前記２つの電流検出器の一次側が、逆方向に貫通接続され、二次側が同一極性で接続された２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２と、
前記２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２により検出される前記単相３線式電力系統のＲ相、Ｔ相を流れる電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、前記単相３線式電力系統のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間の電圧信号ｖＲ、ｖＴとに基づいて、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する計算手段と
を具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池コジェネレーションシステム。 The power measuring means is
Two currents respectively measuring the R-phase and T-phase currents of the single-phase three-wire power system upstream of the inverter connection point of the single-phase three-wire power system and upstream of the load device connection point. A current detector;
The two current detectors are connected in series so as to detect the current on the secondary side, the primary side of the two current detectors is connected through in the reverse direction, and the secondary side is connected with the same polarity. Resistors R1, R2,
The current sum signal iR + iT flowing through the R-phase and T-phase of the single-phase three-wire power system detected by the two resistors R1 and R2, and between R and N of the single-phase three-wire power system, T− Based on the voltage signals vR and vT between N, the instantaneous value product of the instantaneous current sum signal iR + iT flowing through the R-phase and T-phase and the average value (vR + vT) / 2 of the R-phase and T-phase instantaneous voltage signals The fuel cell cogeneration system according to claim 1, further comprising a calculation unit that generates a measured power value Win by averaging. 前記電力計測手段は、
前記単相３線式電力系統の前記インバータの接続点より上流、かつ、前記負荷機器の接続点より上流の前記単相３線式電力系統のＲ相及びＴ相の電流をそれぞれ計測する２つの電流検出器と、
前記２つの電流検出器の二次側の電流を検出するように直列に接続され、前記２つの電流検出器の一次側が、同一方向に貫通接続され、二次側が逆極性で接続された２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２と、
前記２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２により検出される前記単相３線式電力系統のＲ相、Ｔ相を流れる電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、前記単相３線式電力系統のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間の電圧信号ｖＲ、ｖＴとに基づいて、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する計算手段と
を具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池コジェネレーションシステム。 The power measuring means is
Two currents respectively measuring the R-phase and T-phase currents of the single-phase three-wire power system upstream of the inverter connection point of the single-phase three-wire power system and upstream of the load device connection point. A current detector;
The two current detectors are connected in series so as to detect the current on the secondary side, the two primary sides of the two current detectors are connected through in the same direction, and the secondary side is connected in reverse polarity Resistors R1, R2,
The current sum signal iR + iT flowing through the R-phase and T-phase of the single-phase three-wire power system detected by the two resistors R1 and R2, and between R and N of the single-phase three-wire power system, T− Based on the voltage signals vR and vT between N, the instantaneous value product of the instantaneous current sum signal iR + iT flowing through the R-phase and T-phase and the average value (vR + vT) / 2 of the R-phase and T-phase instantaneous voltage signals The fuel cell cogeneration system according to claim 1, further comprising a calculation unit that generates a measured power value Win by averaging. 前記電力計測手段は、
前記単相３線式電力系統の前記インバータの接続点より上流、かつ、前記負荷機器の接続点より上流の前記単相３線式電力系統のＲ相及びＴ相を流れる電流和ｉＲ＋ｉＴを一括して計測する電流検出器と、
前記電流検出器に接続された抵抗と、
前記抵抗Ｒより検出される前記単相３線式電力系統のＲ相、Ｔ相を流れる電流和の信号ｉＲ＋ｉＴと、前記単相３線式電力系統のＲ−Ｎ間、Ｔ−Ｎ間の電圧信号ｖＲ、ｖＴとに基づいて、Ｒ相、Ｔ相を流れる瞬時電流和信号ｉＲ＋ｉＴと、Ｒ相、Ｔ相の瞬時電圧信号の平均値（ｖＲ＋ｖＴ）／２との瞬時値積の平均演算により、計測電力値Ｗｉｎを生成する計算手段と
を具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池コジェネレーションシステム。 The power measuring means is
The current sum iR + iT flowing through the R phase and the T phase of the single-phase three-wire power system upstream of the inverter connection point of the single-phase three-wire power system and upstream of the load device connection point is collectively collected. Current detector to measure
A resistor connected to the current detector;
The signal iR + iT of the current flowing through the R phase and T phase of the single-phase three-wire power system detected by the resistor R, and the voltage between RN and TN of the single-phase three-wire power system Based on the signals vR and vT, by calculating the instantaneous value product of the instantaneous current sum signal iR + iT flowing through the R phase and T phase and the average value (vR + vT) / 2 of the instantaneous voltage signal of the R phase and T phase, The fuel cell cogeneration system according to claim 1, further comprising calculation means for generating a measured power value Win. 前記電力半導体スイッチへの駆動信号は、前記電力半導体スイッチが、下記式（Ａ）によって定まる投入サイクルｎ間オンとなるように制御されることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
ここで、
ｎ＝ＨＴＲＳＰ／電気ヒータ定格電力＊Ｍ …式（Ａ）
ＨＴＲＳＰ：発電電力指令値ＷＳＰに対して、前記インバータの制御では不足する電力を補償する前記電気ヒータの投入電力指令値
Ｍ： 単相３線式商用電力系統の基本サイクル数(整数） 5. The drive signal to the power semiconductor switch is controlled so that the power semiconductor switch is turned on for a charging cycle n determined by the following formula (A). The fuel cell cogeneration system according to item.
here,
n = HTRSP / Electric heater rated power * M Expression (A)
HTRSP: Input power command value of the electric heater that compensates for power that is insufficient in the control of the inverter with respect to the generated power command value WSP M: Number of basic cycles (integer) of a single-phase three-wire commercial power system 前記制御部は、さらに、
ｉ） Ｗ１＞Ｗｉｎである場合
前記発電電力ＷｏｕｔをＷ１−Ｗ２を上限リミットとして、Ｗ１−Ｗｉｎ相等の電力を低下させるように前記インバータを制御し、第二の電力値Ｗ２を、Ｗ１を上限リミットとして、新しい値Ｗ２’＝Ｗ２−Ｗｉｎに置き換え、
ｉｉ） Ｗｉｎ≧Ｗ１である場合
現時点のＷ２’の値が、当初のＷ２の値と異なる場合、所定のレートで当初のＷ２に復帰させるよう制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。 The control unit further includes:
i) When W1> Win, the generated electric power Wout is set to W1-W2 as an upper limit, the inverter is controlled so as to reduce the power of the W1-Win phase, etc., and the second power value W2 is set to the upper limit. And replace with the new value W2 ′ = W2−Win,
ii) When Win ≧ W1 When the current value of W2 ′ is different from the initial value of W2, control is performed to return to the original W2 at a predetermined rate. The fuel cell cogeneration system according to any one of the above. 前記電気ヒータの電力定格ＷＨは、
発電定格ＷＲ、発電最低電力ＷＭとして、
ＷＲ＊１．２≧ＷＨ≧ＷＲ−（Ｗ１−Ｗ２）
ＷＨ≧ＷＭ
を満たすように選定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。 The electric power rating WH of the electric heater is
As power generation rating WR and power generation minimum power WM,
WR * 1.2≥WH≥WR- (W1-W2)
WH ≧ WM
The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel cell cogeneration system is selected so as to satisfy the following conditions.

Images