JP2010250967A - 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】インバータ側からみた電力負荷が不平衡状態であることに起因して、燃料電池の発電電流にリップルが生じ、その結果燃料電池が燃料不足傾向となることを回避する。
【解決手段】燃料電池発電装置100内の例えばヒータ等の補機負荷を単相負荷で構成し、これを単相補機負荷9として、切り替え回路15を介して交流出力ライン11r〜11tに接続することにより、単相補機負荷9を、交流出力ライン11r〜11tのうちの何れか2相間に選択的に接続可能に構成する。何れかの相間に単相補機負荷9を接続した状態で、インバータ3側からみた電力負荷が不平衡状態にあることを検出したときには、インバータ3側からみた電力負荷の不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9の接続先を検索し、単相補機負荷9の接続先を、検索した接続先に切り替える。
【選択図】 図1
【解決手段】燃料電池発電装置100内の例えばヒータ等の補機負荷を単相負荷で構成し、これを単相補機負荷9として、切り替え回路15を介して交流出力ライン11r〜11tに接続することにより、単相補機負荷9を、交流出力ライン11r〜11tのうちの何れか2相間に選択的に接続可能に構成する。何れかの相間に単相補機負荷9を接続した状態で、インバータ3側からみた電力負荷が不平衡状態にあることを検出したときには、インバータ3側からみた電力負荷の不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9の接続先を検索し、単相補機負荷9の接続先を、検索した接続先に切り替える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池の発電出力を多相の交流電力に変換して負荷に供給する燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法に関する。
従来、燃料電池発電装置を用いて負荷への電力供給を行うようにした燃料電池発電装置が提案されている。
例えば、図7に示すように、この燃料電池発電装置100では、燃料電池1の発電出力をインバータ3で三相交流に変換し、遮断器MCB1を介して顧客負荷20に供給すると共に、燃料電池発電装置100内のポンプやブロア、ヒータ等といった各種の3相の補機負荷6に供給している。
例えば、図7に示すように、この燃料電池発電装置100では、燃料電池1の発電出力をインバータ3で三相交流に変換し、遮断器MCB1を介して顧客負荷20に供給すると共に、燃料電池発電装置100内のポンプやブロア、ヒータ等といった各種の3相の補機負荷6に供給している。
また、このような燃料電池発電装置100では、燃料として都市ガスやLPG等の原燃料を用い、原燃料を改質器2で水素リッチな改質ガスに改質し、その結果得た改質ガスを燃料電池1に供給して燃料電池発電を行っている。
そして、コントローラ5において、電流センサ1aで検出された燃料電池1の発電電流に基づき、燃料電池1の発電出力が各負荷で必要とする電力に見合った電力量となるように改質器2への原燃料の供給量を制御することにより、燃料電池1の発電出力と燃料電池1側から見た電力負荷とのバランスを保つようにしている。
そして、コントローラ5において、電流センサ1aで検出された燃料電池1の発電電流に基づき、燃料電池1の発電出力が各負荷で必要とする電力に見合った電力量となるように改質器2への原燃料の供給量を制御することにより、燃料電池1の発電出力と燃料電池1側から見た電力負荷とのバランスを保つようにしている。
また、燃料電池発電装置100では、原燃料を改質ガスに改質する必要があり、原燃料の流量を調整したとしても燃料電池1に実際に供給される改質ガスの流量が変化するまでに応答時間を要する。このため、負荷への供給電力を燃料電池1の発電出力のみにより賄う自立運転を行う際には、供給する燃料流量を、負荷に見合った発電出力となるように制御したとしても、結果的に燃料電池1が燃料不足傾向となる可能性がある。
そのため、負荷の負荷量変動に対する追従特性を向上させるために、負荷量変動に備えて、負荷で要求される電力に見合った燃料よりも予め多めに燃料供給を行うことにより燃料不足傾向となることを抑制するようにしたり、また、負荷の負荷量の変動パターンを予め検出しておき、この変動パターンに沿って改質ガスの流量を調整することにより、負荷変動に対する追従性を向上させるようにしたりする方法(特許文献1)等も提案されている。
ところで、燃料電池1で発電された直流電力からなる発電出力は、図7に示すように、インバータ3で交流電力に変換された後負荷に供給され、インバータ3では、例えば3相の平衡電圧を出力している。
このような3相の平衡電圧を出力している状態で、燃料電池1の発電出力を供給すべき負荷が不平衡状態(各相の負荷間が平衡でない状態)であると、商用周波数の整数倍のリップルを含んだ電力が負荷で消費されることになる。また、燃料電池1の発電電圧はほぼ一定であるため、燃料電池1の発電電流にもリップル成分が現れることになる。
このような3相の平衡電圧を出力している状態で、燃料電池1の発電出力を供給すべき負荷が不平衡状態(各相の負荷間が平衡でない状態)であると、商用周波数の整数倍のリップルを含んだ電力が負荷で消費されることになる。また、燃料電池1の発電電圧はほぼ一定であるため、燃料電池1の発電電流にもリップル成分が現れることになる。
一方で、リップルの変化速度は、原燃料の流量制御速度に比較して速い。このため、燃料電池1の発電電流に見合った流量となるように原燃料の流量制御を行ったとしても、燃料電池1に実際に供給される改質ガスの流量変化が追いつかず、燃料電池1が燃料不足となる状態が発生し、燃料電池1本体が劣化する可能性がある。
前述のように、燃料を予め多めに投入することにより、燃料不足傾向となることを抑制することはできるが、リップルの大きさによっては燃料不足が生じることになり、リップルを見込んで燃料をさらに多めに投入すると、燃料の無駄な消費につながる。
前述のように、燃料を予め多めに投入することにより、燃料不足傾向となることを抑制することはできるが、リップルの大きさによっては燃料不足が生じることになり、リップルを見込んで燃料をさらに多めに投入すると、燃料の無駄な消費につながる。
また、不平衡状態を抑制する方法として、不平衡調整用の負荷を予め設けておき、負荷への出力電力が不平衡状態であるときには、出力ライン間に、不平衡を抑制するように不平衡調整用の負荷を接続することにより、不平衡を解消する方法も考えられる。しかしながら、このように、不平衡調整用の負荷を設けるということはすなわち、コスト増加につながるため、コスト増加を伴うことなく、不平衡を調整する方法が望まれていた。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、負荷への出力電力が不平衡状態となることを容易に回避することの可能な燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法を提供することを目的としている。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、負荷への出力電力が不平衡状態となることを容易に回避することの可能な燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る発明は、燃料電池と、前記燃料電池で発電された直流電力を多相の交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、前記燃料電池による発電を行なうために必要な単相補機負荷と、前記単相補機負荷を、前記インバータの多相出力のうちの何れか2相間に接続し、且つ接続先の相を切り替え可能な接続先切り替え手段と、前記インバータ側からみた電力負荷の不平衡状態を検出する不平衡状態検出手段と、前記電力負荷が不平衡状態にあることが検出されたとき、前記インバータ側からみた電力負荷がより平衡状態となる、前記単相補機負荷の接続先を検索する不平衡調整手段と、を備え、前記接続先切り替え手段は、前記不平衡調整手段の検索結果にしたがって前記単相補機負荷の接続先を切り替えることを特徴としている。
また、請求項2に係る発明は、前記単相補機負荷を複数備え、前記不平衡調整手段は、前記単相補機負荷の接続先を個別に検索することを特徴としている。
さらに、請求項3に係る発明は、前記単相補機負荷は、ヒータであることを特徴としていう。
さらにまた、請求項4に係る発明は、前記接続先切り替え手段は、前記単相補機負荷を、コンダクタを介して前記インバータの多相出力の出力ラインに接続し、コンダクタを制御することにより、前記多相出力のうちの何れか2相間に前記単相補機負荷を選択的に接続することを特徴としている。
さらに、請求項3に係る発明は、前記単相補機負荷は、ヒータであることを特徴としていう。
さらにまた、請求項4に係る発明は、前記接続先切り替え手段は、前記単相補機負荷を、コンダクタを介して前記インバータの多相出力の出力ラインに接続し、コンダクタを制御することにより、前記多相出力のうちの何れか2相間に前記単相補機負荷を選択的に接続することを特徴としている。
また、本発明の請求項5に係る発明は、燃料電池と、前記燃料電池で発電された直流電力を多相の交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、前記燃料電池による発電を行なうために必要な単相補機負荷と、を備えた燃料電池発電装置の制御方法であって、前記単相補機負荷を、前記インバータの多相出力のうちの何れか2相間に接続し、前記インバータ側からみた電力負荷が不平衡状態にあるとき、前記インバータ側からみた電力負荷がより平衡状態となるように、前記単相補機負荷の接続先の相間を切り替えることを特徴としている。
ここで、インバータ側から見た電力負荷が不平衡状態である場合、負荷への供給電力にリップルが生じ、燃料電池の発電電圧がほぼ一定の状態を維持すると燃料電池の発電電流にリップルが生じることになる。このため、燃料電池に、発電電流に見合った燃料供給が行われるように燃料流量を制御したとしても、燃料電池に実際に供給される燃料流量が変化するまでには応答時間を要するため、発電電流に生じるリップルの変化に対して燃料電池に供給される燃料流量の変化が追いつかず、結果的に燃料電池が燃料不足傾向となる可能性がある。
しかしながら、インバータの多相出力の何れか2相間に単相補機負荷を予め接続しておき、インバータ側からみた電力負荷が不平衡状態にあることを検出したときには、インバータ側からみた電力負荷がより平衡状態となる位置に、単相補機負荷の接続先が切り替えられるため、不平衡状態が抑制されることになる。このため、燃料電池の発電電流にリップルが生じることを抑制することができ、結果的に燃料電池が燃料不足傾向となることを抑制することができる。
特に、単相補機負荷を複数設けることによって、インバータ出力の各相間の負荷の調整をより精度よく行なうことができるため、インバータ側から見た電力負荷をより平衡状態に近づけることが可能となる。
特に、単相補機負荷を複数設けることによって、インバータ出力の各相間の負荷の調整をより精度よく行なうことができるため、インバータ側から見た電力負荷をより平衡状態に近づけることが可能となる。
本発明によれば、燃料電池による発電に必要な単相補機負荷を、インバータの多相出力の何れか2相間に接続し、インバータから見た電力負荷が平衡状態に近づくように、単相補機負荷の接続先を切り替えるようにしたため、不平衡状態を調整するための負荷などを別途設けることなく、インバータ側からみた電力負荷をより平衡状態に近づけることができ、結果的に、電力負荷が不平衡状態にあることに起因して、燃料電池の発電電流にリップルが生じることを抑制し、燃料電池が燃料不足傾向となることを抑制することができる。
特に、単相補機負荷を複数設けることにより、各相間の負荷をより精度よく調整することができ、インバータ側から見た電力負荷をより平衡状態に近づけることができる。
特に、単相補機負荷を複数設けることにより、各相間の負荷をより精度よく調整することができ、インバータ側から見た電力負荷をより平衡状態に近づけることができる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、第1の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用した燃料電池発電装置100の概略構成を示す図である。
燃料電池発電装置100は、直流電力を発生する燃料電池1と、都市ガス或いはLPGなどの原燃料を、改質用蒸気を用いて改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池1に出力する改質器2と、燃料電池1で発生した直流電力を3相の平衡電圧に変換するインバータ3と、燃料電池発電装置100全体を制御するコントローラ5とを備え、インバータ3で変換された3相交流のr相、s相、t相の各交流出力ライン11r、11s、11に、顧客負荷20が接続される。
まず、第1の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用した燃料電池発電装置100の概略構成を示す図である。
燃料電池発電装置100は、直流電力を発生する燃料電池1と、都市ガス或いはLPGなどの原燃料を、改質用蒸気を用いて改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池1に出力する改質器2と、燃料電池1で発生した直流電力を3相の平衡電圧に変換するインバータ3と、燃料電池発電装置100全体を制御するコントローラ5とを備え、インバータ3で変換された3相交流のr相、s相、t相の各交流出力ライン11r、11s、11に、顧客負荷20が接続される。
また、各交流出力ライン11r、11s、11tの、インバータ3と顧客負荷20との間には、インバータ3と顧客負荷20との間を遮断するための遮断器MCB1が設けられている。また、交流出力ライン11r、11s、11tの、インバータ3と遮断器MCB1との間には3相補機負荷7が接続されると共に、遮断器MCB1と顧客負荷20との間には、遮断器MCB2及び切り替え回路15を介して、単相補機負荷9が接続される。
また、燃料電池1とインバータ3の間には、燃料電池1の発電電流Ifcを検出する電流センサ1aが設けられている。また、交流出力ライン11r、11s、11tの、切り替え回路15の接続点と遮断器MCB1との間には、各相の線電流を検出するための線電流センサ12r、12s、12tがそれぞれ設けられている。これら電流センサ1a及び線電流センサ12r〜12tの検出値はコントローラ5に入力される。
前記3相補機負荷7及び単相補機負荷9は、燃料電池保温用に設けられているヒータ、或いは寒冷地仕様の燃料電池発電装置に設けられている、燃料電池パッケージ内を保温するためのパッケージ内保温ヒータ等といった各種ヒータ、或いは、排熱回収用又は電池冷却水用等のポンプ、換気用のブロア等といった、燃料電池1で電力発電を行なうに際に必要な、燃料電池発電装置100内に設けられた各種の補器負荷からなる。
このうち、例えば後述の冷却水過熱器35に用いられるヒータは単相負荷で構成され、これが単相補機負荷9として切り替え回路15を介してインバータ3の出力側に接続される。なお、単相補機負荷9は、冷却水過熱器35に限るものではなく、例えば、冷却水配管を温めるためのヒータ等であってもよく、また、燃料電池保温用のヒータに限らず、燃料電池1による発電中に常時作動させるものであれば適用することができる。
そして、冷却水過熱器35用のヒータを除く各補機負荷は、3相の平衡負荷で構成され、これら3相補機負荷7は、交流出力ライン11r、11s、11tに直接接続される。なお、ここでは、各種の複数の3相の補機負荷をまとめて3相補機負荷7として扱うものとする。
そして、冷却水過熱器35用のヒータを除く各補機負荷は、3相の平衡負荷で構成され、これら3相補機負荷7は、交流出力ライン11r、11s、11tに直接接続される。なお、ここでは、各種の複数の3相の補機負荷をまとめて3相補機負荷7として扱うものとする。
切り替え回路15は、RSコンダクタ15rsと、STコンダクタ15stと、RTコンダクタ15rtとを備える。RSコンダクタ15rsは、r相の交流出力ライン11rと接続される単相補機用交流ライン31r及びs相の交流出力ライン11sと接続される単相補機用交流ライン31sのそれぞれに一端が接続され、他端は、単相補機負荷9に接続される。STコンダクタ15stは、s相の交流出力ライン11sと接続される単相補機用交流ライン31s及びt相の交流出力ライン11tと接続される単相補機用交流ライン31tのそれぞれに一端が接続され、他端は、単相補機負荷9に接続される。RTコンダクタ15rtは、r相の交流出力ライン11rと接続される単相補機用交流ライン31r及びt相の交流出力ライン11tと接続される単相補機用交流ライン31tのそれぞれに一端が接続され、他端は、単相補機負荷9に接続される。
そして、単相補機用交流ライン31r〜31tの、切り替え回路15と交流出力ライン11r〜11tとの間に遮断器MCB2が介挿されている。
これにより、遮断器MCB2を導通状態とした状態で、RSコンダクタ15rs、STコンダクタ15st、RTコンダクタ15rtの何れか1つを導通状態とすることにより、インバータ3の3相の交流出力のうちの、何れか2相間に、単相補機負荷9が接続されるようになっている。
これにより、遮断器MCB2を導通状態とした状態で、RSコンダクタ15rs、STコンダクタ15st、RTコンダクタ15rtの何れか1つを導通状態とすることにより、インバータ3の3相の交流出力のうちの、何れか2相間に、単相補機負荷9が接続されるようになっている。
なお、遮断器MCB1は、導通/非導通の切り替えを、交流出力ライン11r〜11tに対して同時に行なう。同様に遮断器MCB2は、導通/非導通の切り替えを、単相補機用交流ライン31r〜31tに対して同時に行なう。
また、各コンダクタ15rs、15st、15rtは、導通/非導通の切り替えを、何れか2相の単相補機用交流ラインに対して同時に行なう。
また、各コンダクタ15rs、15st、15rtは、導通/非導通の切り替えを、何れか2相の単相補機用交流ラインに対して同時に行なう。
コントローラ5は、図示しない各種センサの検出信号に基づき、燃料電池発電装置100内の各部を制御する。また、改質器2に供給される原燃料流量が、電流センサ1aの発電電流に見合った流量となるように原燃料の流量制御を行い、燃料電池1の発電出力が、顧客負荷20及び各種補機負荷で要求される電力に見合った電力となるように制御する。
また、コントローラ5は不平衡抑制処理を実行し、線電流センサ12a〜12cの検出値に基づき、インバータ3側から見た電力負荷が平衡状態(各相の負荷間が平衡である状態)にあるか否かを判定し、インバータ3側から見た電力負荷が平衡状態となるように、切り替え回路15の各コンダクタ15rs、15st、15trを切り替える。
また、コントローラ5は不平衡抑制処理を実行し、線電流センサ12a〜12cの検出値に基づき、インバータ3側から見た電力負荷が平衡状態(各相の負荷間が平衡である状態)にあるか否かを判定し、インバータ3側から見た電力負荷が平衡状態となるように、切り替え回路15の各コンダクタ15rs、15st、15trを切り替える。
図2は、燃料電池1の概略構成を示すブロック図である。
天然ガスやLPG等といった原燃料は、原燃料供給系21を経て燃料反応器22に供給される。この燃料反応器22は、脱硫器22a、CO変成器22b及び熱交換機22cが一体に組み込まれて形成され、燃料反応器22に供給された原燃料は、熱交換器22cで加熱された後、脱硫器22aに供給される。
天然ガスやLPG等といった原燃料は、原燃料供給系21を経て燃料反応器22に供給される。この燃料反応器22は、脱硫器22a、CO変成器22b及び熱交換機22cが一体に組み込まれて形成され、燃料反応器22に供給された原燃料は、熱交換器22cで加熱された後、脱硫器22aに供給される。
脱硫器22aは、天然ガスやLPG等といった炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫触媒が充填され、脱硫器22aで脱硫された原燃料は、エゼクタ23に送られる。
エゼクタ23は、脱硫器22aからの原燃料と、水蒸気供給系23aを経て導入される水蒸気分離器24で分離された水蒸気とを混合して改質器2に供給する。
エゼクタ23は、脱硫器22aからの原燃料と、水蒸気供給系23aを経て導入される水蒸気分離器24で分離された水蒸気とを混合して改質器2に供給する。
改質器2には、水蒸気と混合された原燃料がエゼクタ23から導入されると共に、燃焼空気供給用ブロア26aを備えた燃焼空気供給系26を通して燃焼空気が導入され、さらに、燃料電池本体27から排出される未反応水素を含む燃料オフガスがオフガス供給系28を経て導入される。そして、改質器2において、水蒸気が付加された原燃料がバーナ25aによる燃焼により水蒸気改質されて、水素に富む水素リッチガスが生成される。
改質器2で生成された水素リッチガスはCO変成器22bに送られ、含まれる触媒被毒物質であるCOがCO2へ変成された後、燃焼ガスとして、改質ガス供給系29を経て燃料電池本体27の燃料極27aへと送られる。また、改質器25から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系30を通して水回収用凝縮器31に送られる。
一方、燃料電池本体27の空気極27bには、反応空気ブロア32aを備えた反応空気供給系32を通して反応用の空気が送られ、電池反応後の空気は、空気排出系33を通して水回収用凝縮器31に送られる。
一方、燃料電池本体27の空気極27bには、反応空気ブロア32aを備えた反応空気供給系32を通して反応用の空気が送られ、電池反応後の空気は、空気排出系33を通して水回収用凝縮器31に送られる。
また、燃料電池本体27には、冷却板27cが組み込まれている。この冷却板27cの内部には、水蒸気分離器24に貯留された、電気伝導度が低く且つシリカ等の鉱物系異物の少ない純水が冷却水として供給される。この純水は、燃料電池冷却水循環ポンプ34aを備えた冷却水循環系34により水蒸気分離器24から循環供給されると共に、純水の一部は、燃料電池用冷却水の廃熱回収用の熱交換器34bを介して循環供給され、これによって、燃料電池本体27の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池本体27の温度を所定の運転温度に維持している。
冷却水循環系34により燃料電池本体27に循環供給され、燃料電池本体27での発電による生成熱を除去して冷却し、その熱を得て高温になった加圧水、或いは水と水蒸気とからなる気液二層流の冷却水は、冷却水加熱器35を経て水蒸気分離器24の気相部へと還流される。
冷却水加熱器35は、起動時及び水蒸気分離器24の圧力変動時の補償用として設置されているものであって、電気ヒータを組み込んで構成される。
冷却水加熱器35は、起動時及び水蒸気分離器24の圧力変動時の補償用として設置されているものであって、電気ヒータを組み込んで構成される。
水回収用凝縮器31には燃焼排ガス系30を通して改質器25からの燃焼排ガスが導入されると共に、空気排出系33を通して燃料電池本体27の空気極27bからの電池反応後の空気排出ガスが導入され、空冷式冷却器戻りライン41を通して導入される空冷式冷却器42で冷却された冷却水により、燃焼排ガス及び空気排出ガス中の回収水を冷却する。
水回収用凝縮器31で回収された生成水のうち、一部は、回収水循環ポンプ43a及び外部冷却器循環ポンプ43bを備える空冷式冷却器往きライン43を通して空冷式冷却器42に導入される。空冷式冷却器往きライン43の、回収水循環ポンプ43aと外部冷却器循環ポンプ43bとの間には三方調節弁43cが設けられ、空冷式冷却器往きライン43を循環する、水回収用凝縮器31で回収された生成水の一部は冷却媒体循環系44に排出される。この冷却媒体循環系44に排出された水回収用凝縮器31からの生成水は、冷却媒体として燃料電池用冷却水の廃熱回収用熱交換器34bに供給された後、排熱中温水熱交換器44aに供給され、ここで熱交換された後、一部は空冷式冷却器往きライン43に戻される。
また、空冷式冷却器往きライン43の、外部冷却器循環ポンプ43bと空冷式冷却器42との間には三方調節弁43dが設けられ、空冷式冷却器往きライン43を流れる生成水の一部は、空冷式冷却器戻りライン41に排出される。
水回収用凝縮器31で生成された生成水は、さらに補給水ポンプ46aを備えた生成水回収ライン46を介して燃料電池高温水熱変換器47に供給された後、イオン交換式水処理装置48に導入される。そして、このイオン交換式水処理装置48で生成された純水が給水ポンプ49により、燃料電池冷却水循環ポンプ34aの吸入側に吐出され、これによって、水蒸気分離器24の純水の補給が行われる。
水回収用凝縮器31で生成された生成水は、さらに補給水ポンプ46aを備えた生成水回収ライン46を介して燃料電池高温水熱変換器47に供給された後、イオン交換式水処理装置48に導入される。そして、このイオン交換式水処理装置48で生成された純水が給水ポンプ49により、燃料電池冷却水循環ポンプ34aの吸入側に吐出され、これによって、水蒸気分離器24の純水の補給が行われる。
燃料電池高温水熱交換機47には、冷却媒体として、空冷式冷却器戻りライン41を流れる冷却水が冷却媒体循環系47aにより循環供給される。
次に、上記第1の実施の形態の動作を、図3に示す、コントローラ5で実行される不平衡抑制処理の処理手順の一例を示すフローチャートを伴って説明する。
コントローラ5では、この図3に示す不平衡抑制処理を予め設定したタイミングで実行する。例えば、コントローラ5は、不平衡抑制処理を、顧客負荷20に対して、燃料電池1の発電電力による電力供給を開始した初期の時点或いは、顧客負荷20で負荷量が変更されたとき、或いは、顧客負荷20への電力供給を行なっている間、所定周期で実行する。
次に、上記第1の実施の形態の動作を、図3に示す、コントローラ5で実行される不平衡抑制処理の処理手順の一例を示すフローチャートを伴って説明する。
コントローラ5では、この図3に示す不平衡抑制処理を予め設定したタイミングで実行する。例えば、コントローラ5は、不平衡抑制処理を、顧客負荷20に対して、燃料電池1の発電電力による電力供給を開始した初期の時点或いは、顧客負荷20で負荷量が変更されたとき、或いは、顧客負荷20への電力供給を行なっている間、所定周期で実行する。
また、コントローラ5では、初期状態では、切り替え回路15において何れか1つのコンダクタのみを閉状態に制御し、何れかの相間に単相補機負荷9を接続する。ここでは、例えば切り替え回路15のRSコンダクタ15rsのみを閉状態に制御する。すなわち、r相、s相、t相の交流出力ライン11r〜11tのうち、r相及びs相の交流出力ライン11r、11s間に単相補機負荷9を接続する。
なお、ここでは、簡単のために、インバータ3の出力側に3相補機負荷7は接続されていないものとして説明する。
いま、顧客負荷20として、r−t相間に4Ωの負荷が接続され、s−t相間に4Ωの負荷が接続され、r−s相間には負荷が接続されていないものとする。
なお、ここでは、簡単のために、インバータ3の出力側に3相補機負荷7は接続されていないものとして説明する。
いま、顧客負荷20として、r−t相間に4Ωの負荷が接続され、s−t相間に4Ωの負荷が接続され、r−s相間には負荷が接続されていないものとする。
仮に、この状態で、遮断器MCB2を非導通状態としたまま顧客負荷20への電力供給を行なった場合、顧客負荷20は3相不平衡負荷であるため、インバータ3側からみた電力負荷は不平衡状態(各相の負荷間が平衡でない状態)となる。この不平衡状態において各線電流センサ12r〜12tで検出される、各線電流の実効値は、図4(a)に示すように不平衡となる。例えば、各相間電圧が200〔V〕であるとすると、r−t相間に流れるr−t間電流及びs−t相間に流れるs−t間電流は、200〔V〕÷4〔Ω〕=50〔A〕となり、r−s間電流は0〔A〕となって、線電流Ir=50〔A〕、Is=50〔A〕、It=50×√3=86.5〔A〕となる。
しかしながら、図1に示すように、3相の何れかの相間に、遮断器MCB2及び切り替え回路15を介して単相補機負荷9を接続しており、初期状態では、RSコンダクタ15rsのみが閉状態に制御されているため、r相及びs相間に単相補機負荷9が接続されることになる。
このため、顧客負荷20は3相不平衡負荷であるものの、r相及びs相間に単相補機負荷9を接続することによって、インバータ3側から見た電力負荷は、不平衡状態が抑制されることになる。例えば、単相補機負荷9が、4〔Ω〕の負荷であるとすると、顧客負荷20は、r−t相間及びs−t相間に4〔Ω〕の負荷が接続される不平衡負荷であり、r−s相間には4〔Ω〕の単相補機負荷9が接続されることになるため、結果的に、各相間に4〔Ω〕の負荷が接続されることになる。
このため、顧客負荷20は3相不平衡負荷であるものの、r相及びs相間に単相補機負荷9を接続することによって、インバータ3側から見た電力負荷は、不平衡状態が抑制されることになる。例えば、単相補機負荷9が、4〔Ω〕の負荷であるとすると、顧客負荷20は、r−t相間及びs−t相間に4〔Ω〕の負荷が接続される不平衡負荷であり、r−s相間には4〔Ω〕の単相補機負荷9が接続されることになるため、結果的に、各相間に4〔Ω〕の負荷が接続されることになる。
このため、各相間の電流は200〔V〕÷4〔Ω〕=50〔A〕となり、各線電流Ir、Is、Itは、50〔A〕×√3≒86.5〔A〕となり、インバータ3側からみた電力負荷は図4(b)に示すように平衡となる。
したがって、顧客負荷20が不平衡であっても、単相補機負荷9を接続することによって、インバータ3側から見た電力負荷の不平衡状態を抑制したことになる。
したがって、顧客負荷20が不平衡であっても、単相補機負荷9を接続することによって、インバータ3側から見た電力負荷の不平衡状態を抑制したことになる。
そして、この状態で、図3の不平衡抑制処理が実行されると、まず、線電流センサ12r、12s、12tで検出した、各相の線電流Ir、Is、Itが読み込まれ(ステップS1)、これら各相の線電流Ir、Is、Itに基づき平衡状態にあるか否かが判断される(ステップS2)。例えば、各線電流Ir、Is、Itのそれぞれの間の差が、予め設定した許容範囲内にあるとき、平衡状態であると判断する。
この場合、図4(b)に示すように、インバータ3側から見た電力負荷は平衡状態であるため、これら各線電流間の差は許容範囲内となる。よって、インバータ3側から見た電力負荷は平衡状態であると判断される(ステップS2)。このため、コントローラ5は、不平衡抑制処理を終了する。
これによって、切り替え回路15は、RSコンダクタ15rsのみが閉状態に維持された状態を維持し、すなわち、単相補機負荷9が、r−s相間に接続された状態を維持する。つまり、インバータ3側から見た電力負荷は平衡状態に維持されることになる。
これによって、切り替え回路15は、RSコンダクタ15rsのみが閉状態に維持された状態を維持し、すなわち、単相補機負荷9が、r−s相間に接続された状態を維持する。つまり、インバータ3側から見た電力負荷は平衡状態に維持されることになる。
したがって、燃料電池1の発電出力はインバータ3で3相交流電力に変換され、遮断器MCB1を介して顧客負荷20に供給され、さらに、インバータ3の3相交流出力は、遮断器MCB1及びMCB2を介して切り替え回路15に供給される。そして、切り替え回路15のRSコンダクタ15rsを介して、単相補器負荷9には、単相の交流出力が供給される。これによって、顧客負荷20に対して3相交流電力が供給されると共に、単相補機負荷9に対して単相交流出力が供給されることになって、燃料電池1の発電電力により、顧客負荷20への電力供給が行なわれると共に、燃料電池発電装置100内の各補機負荷への電力供給が賄われることになる。
なお、3相補機負荷7は3相平衡負荷であるため、インバータ3の交流出力が3相補機負荷7に供給されたとしても、インバータ3側からみた電力負荷を、平衡状態に維持することができる。
なお、3相補機負荷7は3相平衡負荷であるため、インバータ3の交流出力が3相補機負荷7に供給されたとしても、インバータ3側からみた電力負荷を、平衡状態に維持することができる。
一方、初期状態で、単相補機負荷9をr−s相間に接続したときの各相の線電流が平衡状態とならなかったとき、或いは、初期状態で、単相補機負荷9をr−s相間に接続することにより平衡状態に維持された状態から、顧客負荷20の負荷が変化すること等により不平衡状態となったときには、線電流センサ12r〜12tで検出される各線電流Ir〜Itの差が大きくなるため、不平衡抑制処理において、ステップS2の処理で不平衡状態であると判断される。
このため、コントローラ5は、ステップS2からステップS3に移行し、差電流Irs(=Ir−Is)が、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であり、且つ差電流Irt(=Ir−It)が、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であるかを判断する。
ここで、差電流の最大値(実効値)Idifmaxは、各線電流間の差から、不平衡状態にあると判断するためのしきい値であって、すなわち、平衡状態であるとみなすことの可能な線電流の差の許容範囲を規定する値である。この差電流の最大値Idifmaxは、単相補機負荷9の容量に応じて決定する。例えば、上述のように、単相補機負荷9が4〔Ω〕、10〔kw〕の負荷である場合には、差電流の最大値Idifmaxは、50〔A〕として設定する。
ここで、差電流の最大値(実効値)Idifmaxは、各線電流間の差から、不平衡状態にあると判断するためのしきい値であって、すなわち、平衡状態であるとみなすことの可能な線電流の差の許容範囲を規定する値である。この差電流の最大値Idifmaxは、単相補機負荷9の容量に応じて決定する。例えば、上述のように、単相補機負荷9が4〔Ω〕、10〔kw〕の負荷である場合には、差電流の最大値Idifmaxは、50〔A〕として設定する。
そして、差電流Irs及びIrtが共に、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であるとき、つまり、r相の線電流に比較してt相の線電流及びs相の線電流が小さいときにはステップS4に移行し、切り替え回路15において、STコンダクタ15stのみを閉状態とし、RSコンダクタ15rs及びRTコンダクタ15rtは開状態として、単相補機負荷9を、s相及びt相間に接続する。このため、単相補機負荷9が接続された分だけ、s−t相間の負荷が増加し、s−t間に流れる電流が増加するため、単相補機負荷9は、結果的に、t相及びs相の線電流を増加させる方向に作用することになり、すなわち、不平衡を抑制する方向に作用することになる。
一方、ステップS3で差電流Irs及びIrtが共に差電流の最大値(実効値)Idifmax以上でないときには、ステップS5に移行し、差電流Ist(=Is−It)が、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であり、且つ差電流Isr(=Is−Ir)が、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であるかを判断する。そして、差電流Ist及びIsrが共に、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であって、s相の線電流に比較して、t相及びr相の線電流が小さいときにはステップS6に移行し、切り替え回路15において、RTコンダクタ15rtのみを閉状態とし、RSコンダクタ15rs及びSTコンダクタ15stは開状態として、単相補機負荷9をr相及びt相間に接続する。そして処理を終了する。
これにより、単相補機負荷9が接続された分だけ、r−t相間の負荷が増加し、r−t間に流れる電流が増加するため、単相補機負荷9は、結果的に、r相及びs相の線電流を増加させる方向に作用することになり、すなわち、不平衡を抑制する方向に作用することになる。
これにより、単相補機負荷9が接続された分だけ、r−t相間の負荷が増加し、r−t間に流れる電流が増加するため、単相補機負荷9は、結果的に、r相及びs相の線電流を増加させる方向に作用することになり、すなわち、不平衡を抑制する方向に作用することになる。
一方、ステップS5で差電流Ist及びIsrが共に差電流の最大値(実効値)Idifmax以上でないときには、ステップS7に移行し、差電流Its(=It−Is)が、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であり、且つ差電流Itr(=It−Ir)が、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であるかを判断する。そして、差電流Its及びItrが共に、差電流の最大値(実効値)Idifmax以上であって、t相の線電流に比較して、s相及びr相の線電流が小さいときにはステップS8に移行し、切り替え回路15において、RSコンダクタ15rsのみを閉状態とし、RTコンダクタ15rt及びSTコンダクタ15stは開状態として、単相補機負荷9をr相及びs相間に接続する。そして、処理を終了する。
これにより、単相補機負荷9が接続された分だけ、r−s相間の負荷が増加し、r−s相間に流れる電流が増加するため、単相補機負荷9は、結果的に、r相及びs相の線電流を増加させる方向に作用することになり、すなわち、不平衡を抑制する方向に作用することになる。
一方、ステップS7で、差電流Its及びItrが共に差電流の最大値(実効値)Idifmax以上でないとき、すなわち、ステップS3、ステップS5、ステップS7の処理により不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9の接続先を検索したが、該当する接続先がみつからないときには、不平衡状態ではあるが、この不平衡状態は、許容範囲内であるとしてそのまま処理を終了する。
一方、ステップS7で、差電流Its及びItrが共に差電流の最大値(実効値)Idifmax以上でないとき、すなわち、ステップS3、ステップS5、ステップS7の処理により不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9の接続先を検索したが、該当する接続先がみつからないときには、不平衡状態ではあるが、この不平衡状態は、許容範囲内であるとしてそのまま処理を終了する。
したがって、例えば、顧客負荷20が、r−s相間及びr−t相間に負荷抵抗が4〔Ω〕である単相負荷がそれぞれ接続される不平衡負荷であって、且つ、10〔kw〕、4〔Ω〕の単相補機負荷9がr−s相間に接続された初期状態において、相間電圧が200〔V〕の3相交流出力が供給された状態で、差電流Irsが100〔A〕、Irtが50〔A〕、Itsが0〔A〕であって、差電流Irs及びIrtが共に差電流の最大値Idifmax(50〔A〕)以上である場合には、切り替え回路15において、RSコンダクタ15rsは開状態、STコンダクタ15stは閉状態に切り替えられる。
このため、r−s相間の負荷が減少するものの、s−t相間の負荷は増加し、結果的に、各線電流は、Ir=86.5〔A〕、Is=86.5〔A〕、It=86.5〔A〕となり、差電流は、Irsが0〔A〕、Irtが0〔A〕、Itsが0〔A〕となり、各差電流は、単相補機負荷9がr−s相間に接続されている場合よりも小さくなる。すなわち、不平衡状態が抑制されたことになる。
なお、単相補機負荷9の接続先を切り替えると、例えば上述のようにr−s相間の負荷が減少し、その分、s−t相間の負荷が増加することになり、単相補器負荷9の接続先を切り替えたとしても不平衡を抑制することができない可能性がある。この現象は、差電流の最大値Idifmaxが小さいときほど、図3のステップS3、ステップS5、ステップS7の条件を満足しやすくなり、接続先が切り替わるために生じ易くなるが、これを回避するために、差電流の最大値Idifmaxを大きくするとこれはすなわち、不平衡の許容範囲も大きくなることを意味する。
そのため、差電流の最大値Idifmaxは、不平衡の許容範囲をどの程度とするかを考慮して設定し、且つ、前述のように、単相補機負荷9の容量に応じて、不平衡を許容範囲内に抑え、且つ単相負荷の接続先の切り替えが頻繁に起きないように 設定する。このように設定することによって、不平衡を的確に抑制することができる。
このように、線電流に基づいて不平衡状態であるか否かを判定すると共に、どの相間の負荷を増加させればよいかを判定し、判定結果に応じて単相補機負荷9の接続先を切り替えるようにしたため、不平衡状態を的確に抑制することができる。
このように、線電流に基づいて不平衡状態であるか否かを判定すると共に、どの相間の負荷を増加させればよいかを判定し、判定結果に応じて単相補機負荷9の接続先を切り替えるようにしたため、不平衡状態を的確に抑制することができる。
したがって、インバータ3側から見た出力電力が不平衡状態であることに起因して、燃料電池1の発電電流Ifcにリップルが生じることを抑制することができる。このため、燃料電池1の発電電流Ifcに見合った燃料供給を行って、燃料電池1での発電を行わせることにより、顧客負荷20や単相補機負荷9及び3相補機負荷7で必要とする電力に見合った電力供給が行われることになり、燃料電池1が燃料不足傾向となることを抑制することができる。したがって、燃料電池1が燃料不足傾向となることに起因して、燃料電池1本体に影響を及ぼすことを抑制することができる。
また、単相補機負荷9として、燃料電池発電装置100において設ける必要のある補機負荷を適用しているため、例えば、調整用の負荷を別途設ける等といった機器の増加を伴うことなく実現することができ、すなわち、大幅なコストの増加を伴うことなく、不平衡状態を抑制することができる。また、調整用の負荷により不平衡状態を調整する方法の場合には、調整用の負荷はその分不要な電力消費を行なうことになるが、単相補機負荷9として、燃料電池発電装置100において設ける必要のある補機負荷を適用しているため、不要な電力消費を伴うことなく実現することができる。
また、単相補機負荷9として、ポンプや、ブロア等ではなく、冷却水加熱器35等といったヒータを用いているため、運転中に出力変動が少なく、上記単相負荷として用いた場合に、制御が容易である という効果を得ることができる。
また、上述のように、単相補機負荷9の接続先を切り替えることにより不平衡状態を抑制するようにしているため、単相補機負荷9の容量に応じて不平衡状態の抑制度合が変化する。したがって、例えば、顧客負荷20としてどのような不平衡負荷が接続される傾向にあるのか、すなわち、各線電流がどの程度の大きさとなる不平衡負荷が接続される傾向にあるのか等を監視し、これに基づき、接続される不平衡負荷の不平衡状態を抑制し得る容量の単相負荷を、単相補器負荷9として適用することによって、より、的確に不平衡状態を抑制することができる。
また、上述のように、単相補機負荷9の接続先を切り替えることにより不平衡状態を抑制するようにしているため、単相補機負荷9の容量に応じて不平衡状態の抑制度合が変化する。したがって、例えば、顧客負荷20としてどのような不平衡負荷が接続される傾向にあるのか、すなわち、各線電流がどの程度の大きさとなる不平衡負荷が接続される傾向にあるのか等を監視し、これに基づき、接続される不平衡負荷の不平衡状態を抑制し得る容量の単相負荷を、単相補器負荷9として適用することによって、より、的確に不平衡状態を抑制することができる。
また、上記実施の形態においては、切り替え回路15では、単相補機負荷9の接続先を、各コンダクタ15rs、15st、15rtを用いて切り替えているため、単相負荷9を複数用意する必要がなく、余計なコスト増加にならない いう効果を得ることができる。
なお、上記実施の形態においては、単相補機負荷9として、燃料電池保温用のヒータを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、寒冷地用の燃料電池発電装置に設けられている、パッケージ内保温ヒータを適用することも可能であり、燃料電池発電装置100内に設けられ且つ燃料電池1が作動しているときに稼働させるヒータであれば適用することができる。
なお、上記実施の形態においては、単相補機負荷9として、燃料電池保温用のヒータを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、寒冷地用の燃料電池発電装置に設けられている、パッケージ内保温ヒータを適用することも可能であり、燃料電池発電装置100内に設けられ且つ燃料電池1が作動しているときに稼働させるヒータであれば適用することができる。
また、上記実施の形態においては、単相補機負荷9として、ヒータを適用した場合について説明したが、これに限るものではなく、ポンプやブロア等といった他の負荷を単相負荷で構成し、これを適用することも可能である。
また、上記実施の形態においては、3相補機負荷7は、3相平衡負荷で構成される場合について説明したが、これに限るものではない。仮に、3相補機負荷7が不平衡負荷であっても適用することができる。
また、上記実施の形態においては、3相補機負荷7は、3相平衡負荷で構成される場合について説明したが、これに限るものではない。仮に、3相補機負荷7が不平衡負荷であっても適用することができる。
すなわち、線電流センサ12r〜12tは、交流出力ライン11r〜11tの線電流を検出しており、この交流出力ライン11r〜11tの線電流は、交流出力ライン11r〜11tに接続されている負荷に応じた値を示すことになり、3相補機負荷7が不平衡負荷である場合にはこの影響が線電流センサ12r〜12tの検出値に表れることになる。したがって、線電流センサ12r〜12tの検出値に基づき、平衡状態となるように制御することによって、交流出力ライン11r〜11tに接続された全ての負荷の総和が平衡状態となるように制御することができる。
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。
図5は、第2の実施の形態における燃料電池発電装置100の概略構成を示したものである。この第2の実施の形態における燃料電池発電装置100は、単相補機負荷を複数設けたものである。
すなわち、図5に示すように、図1に示す第1の実施の形態の遮断器MCB2、切り替え回路15及び単相補機負荷9に替えて、遮断器MCB2a、MCB2b、MCB2c、切り替え回路15a、15b、15c及び単相補器負荷9a、9b、9cが接続されている。
図5は、第2の実施の形態における燃料電池発電装置100の概略構成を示したものである。この第2の実施の形態における燃料電池発電装置100は、単相補機負荷を複数設けたものである。
すなわち、図5に示すように、図1に示す第1の実施の形態の遮断器MCB2、切り替え回路15及び単相補機負荷9に替えて、遮断器MCB2a、MCB2b、MCB2c、切り替え回路15a、15b、15c及び単相補器負荷9a、9b、9cが接続されている。
切り替え回路15a〜15cは、各交流出力ライン11r〜11tの、遮断器MCB1と顧客負荷20との間に、遮断器MCB2a〜2cを介して接続され、これら切り替え回路15a、15b、15cに、単相補機負荷9a、9b、9cが接続されている。
なお、切り替え回路15a〜15cの構成は、図1に示す切り替え回路15の構成と同一であるのでその詳細な説明は省略する。また、単相補機負荷9a〜9cは、単相補機負荷9と同様に、単相の補機負荷で構成され、前述のように、燃料電池保温用ヒータ、パッケージ保温用のヒータ等を、単相負荷で構成した負荷からなる。また、単相補機負荷9a〜9cは、上記第1の実施の形態と同様にヒータに限らず、単相の補機負荷であれば適用することができる。
なお、切り替え回路15a〜15cの構成は、図1に示す切り替え回路15の構成と同一であるのでその詳細な説明は省略する。また、単相補機負荷9a〜9cは、単相補機負荷9と同様に、単相の補機負荷で構成され、前述のように、燃料電池保温用ヒータ、パッケージ保温用のヒータ等を、単相負荷で構成した負荷からなる。また、単相補機負荷9a〜9cは、上記第1の実施の形態と同様にヒータに限らず、単相の補機負荷であれば適用することができる。
そして、これら切り替え回路15a〜15cは、初期状態では、それぞれ異なるコンダクタが閉状態に制御され、例えば、切り替え回路15a(以下第1の切り替え回路ともいう)では、RSコンダクタ15rsのみが閉状態に制御され、切り替え回路15b(以下第2の切り替え回路ともいう)では、STコンダクタ15stのみが閉状態に制御され、切り替え回路15c(以下第3の切り替え回路ともいう)では、RTコンダクタ15rtのみが閉状態に制御される。
これによって、初期状態では、各相間に、単相補機負荷9a〜9cがそれぞれ接続された状態となる。
そして、コントローラ5では、図3に示す不平衡状態抑制処理に替えて、図6に示す、単相補機負荷が複数ある場合の不平衡状態抑制処理を実行する。
すなわち、まず、ステップS11で、上記図3のステップS1及びステップS2の処理と同様の手順で、各線電流センサ12r〜12tの検出値を読み込み、ステップS12で、平衡状態であるか否かを判断する。そして、平衡状態であれば、そのまま処理を終了する。
そして、コントローラ5では、図3に示す不平衡状態抑制処理に替えて、図6に示す、単相補機負荷が複数ある場合の不平衡状態抑制処理を実行する。
すなわち、まず、ステップS11で、上記図3のステップS1及びステップS2の処理と同様の手順で、各線電流センサ12r〜12tの検出値を読み込み、ステップS12で、平衡状態であるか否かを判断する。そして、平衡状態であれば、そのまま処理を終了する。
一方、ステップS12の処理で不平衡状態と判断されるときには、ステップS13に移行し、差電流の最大値Idifmaxとして、第1の切り替え回路15aに接続された単相補機負荷9aの容量に応じた最大値Idifmax1を設定する。この最大値Idifmax1aの設定方法は、上記第1の実施の形態における差電流の最大値Idifmaxの設定方法と同様である。
そして、ステップS14に移行し、第1の切り替え回路15aに対する、コンダクタ切り替え処理を行なう。この処理は、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の処理を行ない、不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9aの接続先を検索する。
そして、ステップS14に移行し、第1の切り替え回路15aに対する、コンダクタ切り替え処理を行なう。この処理は、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の処理を行ない、不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9aの接続先を検索する。
すなわち、各差電流を演算し、差電流Irs及びIrtが共に差電流の最大値Idifmaxよりも大きいときには、第1の切り替え回路15aにおいてSTコンダクタ15stのみを閉状態にし、差電流Ist及びIsrが共に差電流の最大値Idifmaxよりも大きいときには、第1の切り替え回路15aにおいてRTコンダクタ15rtのみを閉状態にし、差電流Its及びItrが共に差電流の最大値Idifmaxよりも大きいときには、第1の切り替え回路15aにおいてRSコンダクタ15rsのみを閉状態に制御する。
そして、図3のステップS3からステップS8に相当する、第1の切り替え回路15aに対するコンダクタ処理が終了したならば、図6のステップS15に移行し、再度、各線電流センサ12r〜12tの検出値を読み込み、ステップS12の処理と同様の手順で、平衡状態であるか否かを判断する(ステップS16)。そして、平衡状態であれば、そのまま処理を終了し、不平衡状態であれば、ステップS17に移行する。
ステップS17では、差電流の最大値Idifmaxとして、第2の切り替え回路15bに接続された単相補機負荷9bの容量に応じた最大値Idifmax2を設定する。この最大値Idifmax2の設定方法は、上記第1の実施の形態における差電流の最大値Idifmaxの設定方法と同様である。
そして、ステップS18に移行し、第2の切り替え回路15bに対する、コンダクタ切り替え処理を行ない、不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9bの接続先を検索する。この処理は、ステップS14の処理と同様であって、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の処理を行なう。
そして、ステップS18に移行し、第2の切り替え回路15bに対する、コンダクタ切り替え処理を行ない、不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9bの接続先を検索する。この処理は、ステップS14の処理と同様であって、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の処理を行なう。
そして、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の手順で第2の切り替え回路15bに対するコンダクタ処理が終了したならば、図6のステップS19に移行し、再度、各線電流センサ12r〜12tの検出値を読み込み、ステップS12の処理と同様の手順で、平衡状態であるか否かを判断する(ステップS20)。そして、平衡状態であれば、そのまま処理を終了し、不平衡状態であれば、ステップS21に移行する。
ステップS21では、差電流の最大値Idifmaxとして、第3の切り替え回路15cに接続された単相補機負荷9cの容量に応じた最大値Idifmax3を設定する。この最大値Idifmax3の設定方法は、上記第1の実施の形態における差電流の最大値Idifmaxの設定方法と同様である。
そして、ステップS22に移行し、第3の切り替え回路15cに対する、コンダクタ切り替え処理を行ない、不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9cの接続先を検索する。この処理は、ステップS14の処理と同様であって、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の処理を行なう。
そして、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の手順で第3の切り替え回路15cに対するコンダクタ処理が終了したならば、処理を終了する。
そして、ステップS22に移行し、第3の切り替え回路15cに対する、コンダクタ切り替え処理を行ない、不平衡状態を抑制し得る単相補機負荷9cの接続先を検索する。この処理は、ステップS14の処理と同様であって、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の処理を行なう。
そして、図3のステップS3からステップS8の処理と同様の手順で第3の切り替え回路15cに対するコンダクタ処理が終了したならば、処理を終了する。
次に、第2の実施の形態の動作を説明する。
初期状態では、切り替え回路15aはRSコンダクタ15rsのみが閉状態、切り替え回路15bはSTコンダクタ15stのみが閉状態、切り替え回路15cはRTコンダクタ15rtのみが閉状態に制御されるため、交流出力ライン11r〜11tの各相間それぞれに単相補機負荷9a〜9cが接続されることになる。ここで、例えば、単相補機負荷9a及び9cの容量はそれぞれ10〔kw〕、単相補機負荷9bの容量は5〔kw〕とする。
初期状態では、切り替え回路15aはRSコンダクタ15rsのみが閉状態、切り替え回路15bはSTコンダクタ15stのみが閉状態、切り替え回路15cはRTコンダクタ15rtのみが閉状態に制御されるため、交流出力ライン11r〜11tの各相間それぞれに単相補機負荷9a〜9cが接続されることになる。ここで、例えば、単相補機負荷9a及び9cの容量はそれぞれ10〔kw〕、単相補機負荷9bの容量は5〔kw〕とする。
この状態で、燃料電池1を作動させ、遮断器MCB1、及びMCB2を導通状態に切り替えると、燃料電池1の発電出力はインバータ3で3相交流出力に変換された後、顧客負荷20に供給されると共に、切り替え回路15a〜15cを介して各単相補機負荷9a〜9cに供給される。
そして、コントローラ5により、図6に示す不平衡抑制処理が実行され、線電流センサ12r〜12tの検出信号に基づきインバータ3側からみた電力負荷が平衡状態であると判断されたならば(ステップS11、ステップS12)、そのまま処理を終了する。すなわち、顧客負荷20が不平衡負荷であっても、3相の各相間に単相顧客負荷9a〜9cを接続することにより、インバータ3側から見た電力負荷が平衡状態となる場合には、このまま処理を終了する。
そして、コントローラ5により、図6に示す不平衡抑制処理が実行され、線電流センサ12r〜12tの検出信号に基づきインバータ3側からみた電力負荷が平衡状態であると判断されたならば(ステップS11、ステップS12)、そのまま処理を終了する。すなわち、顧客負荷20が不平衡負荷であっても、3相の各相間に単相顧客負荷9a〜9cを接続することにより、インバータ3側から見た電力負荷が平衡状態となる場合には、このまま処理を終了する。
一方、インバータ3側から見た電力負荷が不平衡状態であると判断されるときには、まず第1の切り替え回路15aについてコンダクタの切り替え処理を行い、各差電流と差電流の最大値Idifmax1とに基づき、不平衡状態を抑制するための単相補機負荷9aの接続先が検索される(ステップS13、ステップS14)。すなわち、例えば、差電流Irs及びIrtが共に差電流の最大値Idifmax1以上であるときには、RSコンダクタ15rsに替えて、STコンダクタ15stを閉状態に切り替える。これによって、r−s相間には何れの単相補機負荷も接続されず、s−t相間に単相補機負荷9a及び9bが接続され、r−t相間に単相補機負荷9cが接続された状態となる。
そして、この状態で、再度各線電流センサ12r〜12tの検出信号に基づきインバータ3側からみた電力負荷が平衡状態であるかが判定される。
ここで、単相補機負荷9aの接続先を、r−s相間からs−t相間に切り替えているため、s−t相間の負荷は大きくなるが、逆にr−s相間の負荷は小さくなることになって、単相補機負荷9aの接続先を切り替えても、不平衡状態が解消されないこともある。この場合には、今度は、第2の切り替え回路15bについてコンダクタの切り替え処理を行い、各差電流と差電流の最大値Idifmax2とに基づき、不平衡状態を抑制するための単相補機負荷9bの接続先が検索される(ステップS17、ステップS18)。
ここで、単相補機負荷9aの接続先を、r−s相間からs−t相間に切り替えているため、s−t相間の負荷は大きくなるが、逆にr−s相間の負荷は小さくなることになって、単相補機負荷9aの接続先を切り替えても、不平衡状態が解消されないこともある。この場合には、今度は、第2の切り替え回路15bについてコンダクタの切り替え処理を行い、各差電流と差電流の最大値Idifmax2とに基づき、不平衡状態を抑制するための単相補機負荷9bの接続先が検索される(ステップS17、ステップS18)。
そして、例えば、差電流Its及びItrが共に差電流の最大値Idifmax2以上であるときには、第2の切り替え回路15bにおいて、STコンダクタ15stに替えて、RSコンダクタ15rsを閉状態に切り替える。これによって、s−t相間に接続されていた単相補機負荷9bが、r−s相間に接続されることになり、結果的に、当初、r−s相間に接続されていた単相補機負荷9aと、s−t相間に接続されていた単相補機負荷9bとが入れ代わって接続されたことになる。
そして、単相補機負荷9aの容量は10〔kw〕であり、単相補機負荷9bの容量は5〔kw〕であるため、結果的に、r−s相間の負荷を、単相補機負荷9aの容量と単相補機負荷9bとの差分(5〔kw〕)相当だけ減少させ、逆に、s−t相間の単相補機負荷9aの容量と単相補機負荷9bとの差分(5〔kw〕)相当だけ増加させたことになる。
そして、この状態で、再度各線電流センサ12r〜12tの検出信号に基づきインバータ3側からみた電力負荷が平衡状態であるかを判断し、平衡状態となったときには、処理終了するが、平衡状態とならなければ、同様にして第3の切り替え回路15cに対する調整を行なう。
そして、この状態で、再度各線電流センサ12r〜12tの検出信号に基づきインバータ3側からみた電力負荷が平衡状態であるかを判断し、平衡状態となったときには、処理終了するが、平衡状態とならなければ、同様にして第3の切り替え回路15cに対する調整を行なう。
このように、第2の実施の形態においては、複数の単相補機負荷9a〜9cを設け、不平衡状態を抑制するように、各単相補機負荷の接続先を切り替えているため、単相補機負荷が1つの場合に比較して、各相間の負荷をより精度よく調整することができる。
したがって、上記第1の実施の形態と同等の作用効果を得ることができると共に、さらに不平衡状態をより精度よく調整することができ、すなわち、不平衡状態をより抑制することができる。
したがって、上記第1の実施の形態と同等の作用効果を得ることができると共に、さらに不平衡状態をより精度よく調整することができ、すなわち、不平衡状態をより抑制することができる。
また、ある単相補機負荷の接続先を切り替えたならば、その状態で平衡状態であるか否かを判断し、不平衡状態であるときには次の単相補機負荷の接続先を検索する構成としているため、ある単相補機負荷の接続先を切り替えた後の状態を考慮して、他の単相補機負荷の接続先を検索するため、仮に、一の単相補機負荷の接続先を切り替えることにより、より不平衡状態となった場合であっても、次の単相補機負荷を、この時点での不平衡状態を抑制する相間に接続することによって、不平衡状態を的確に抑制することができる。
また、上述のように、顧客負荷20への交流出力ライン11r〜11tに各単相補機負荷9a〜9cに接続することにより、顧客負荷20が不平衡負荷である場合でも、インバータ3側から見た電力負荷が平衡状態となるように調整することができる。その反面、顧客負荷20が平衡負荷である場合でも単相補機負荷9a〜9cを接続することになるため、単相補機負荷9a〜9cを接続したがために平衡状態とならないことも考えられる。
しかしながら、単相補機負荷9a〜9cの接続先を、不平衡状態を抑制する位置に切り替えることにより不平衡状態を抑制することができるため、不平衡状態とはなるものの、単相補器負荷9a〜9cが接続されることにより、不平衡状態となった場合の影響を低減することができる。したがって、顧客負荷20が平衡負荷である場合には、単相補機負荷9a〜9cを接続することによる影響をできるだけ小さくしつつ、且つ顧客負荷20が不平衡負荷である場合には、単相補機負荷9a〜9cを接続することによって不平衡状態を抑制することができることになる。
また、顧客負荷20が平衡負荷である場合には、単相補機負荷9a〜9cを設けることによって却って不平衡状態となるが、顧客負荷20の稼働状況等から、顧客負荷20として不平衡負荷が接続される可能性が比較的低いときには単相補機負荷9a〜9cの容量を同一にしておけば、インバータ3側からみた顧客負荷を平衡状態に維持することができる。
したがって、顧客負荷20として接続される負荷が不平衡負荷となる可能性や、不平衡負荷が接続されるときには、どの相間にどの程度の負荷が接続されるのか等といった不平衡状況等に基づいて、単相補機負荷9a〜9cとして必要な容量を判断し、これに見合った容量のヒータ等といった単相補機負荷を単相補機負荷9a〜9cとして用いれば、インバータ3側からみた出力電力の不平衡状態をより的確に抑制することができる。
また、このように複数の単相補機負荷9a〜9cを接続することにより、例えば、燃料電池1が作動中、断続的に作動させる補機負荷等であっても、単相補機負荷として適用することができる。この場合には、例えば定周期で不平衡抑制処理を実行し、インバー3側からみた出力電力の平衡状態を監視し、不平衡のときにはこれを抑制するように単相補機負荷9a〜9cの接続先を切り替えることにより、顧客負荷20の負荷変動だけでなく、単相補機負荷9a〜9c側の負荷変動により生じる不平衡状態に対しても不平衡状態を抑制するように制御することができる。
なお、実施の形態においては、3つの単相補機負荷9a〜9cを設けた場合について説明したが、これに限るものではなく、2つ或いは4つ以上の単相補機負荷を設けることも可能である。
また、上記実施の形態においては、各相の線電流Ia〜Icを検出し、この線電流Ia〜Icに基づき、不平衡状態を抑制する場合について説明したがこれに限るものではない。例えば、各相の電力量を検出する電力計等の電力量検出手段を設け、この電力計で検出した各相の電力量に基づき不平衡状態であるか否かを判定し、不平衡状態であるときには、各相間で電力量の差が小さくなるように単相補機負荷9、9a〜9cの接続先を検索するようにしてもよい。
また、上記実施の形態においては、各相の線電流Ia〜Icを検出し、この線電流Ia〜Icに基づき、不平衡状態を抑制する場合について説明したがこれに限るものではない。例えば、各相の電力量を検出する電力計等の電力量検出手段を設け、この電力計で検出した各相の電力量に基づき不平衡状態であるか否かを判定し、不平衡状態であるときには、各相間で電力量の差が小さくなるように単相補機負荷9、9a〜9cの接続先を検索するようにしてもよい。
また、上記実施の形態においては、初期状態では、各単相補機負荷9a〜9cを異なる相間に接続する場合について説明したが、これに限るものではなく、初期状態で、何れかの相間に複数の単相補機負荷を接続することも可能である。
また、上記実施の形態においては、直流電力を3相交流電力に変換して顧客負荷20に供給する場合について説明したが、これに限るものではなく、2相或いは3相以上の多相の交流電力に変換して顧客負荷20側に供給する場合であっても適用することができる。
また、上記実施の形態においては、直流電力を3相交流電力に変換して顧客負荷20に供給する場合について説明したが、これに限るものではなく、2相或いは3相以上の多相の交流電力に変換して顧客負荷20側に供給する場合であっても適用することができる。
ここで、上記実施の形態において、顧客負荷20が負荷に対応し、単相補機負荷9、9a〜9cが単相補機負荷に対応し、切り替え回路15、15a〜15cが接続先切り替え手段に対応し、図3のステップS2の処理、又は図6のステップS12、ステップS16、ステップS20の処理が不平衡状態検出手段に対応し、図3のステップS3からステップS8の処理、又は図6のステップS14、ステップS18、ステップS22の処理が不平衡調整手段に対応している。
1 燃料電池
1a 電流センサ
2 改質器
3 インバータ
5 コントローラ
7 3相補機負荷
9、9a〜9c 単相補機負荷
11a〜11c 交流出力ライン
12r、12s、12t 線電流センサ
15、15a〜15c 切り替え回路
15rs RSコンダクタ
15st STコンダクタ
15rt RTコンダクタ
20 顧客負荷
100 燃料電池発電装置
1a 電流センサ
2 改質器
3 インバータ
5 コントローラ
7 3相補機負荷
9、9a〜9c 単相補機負荷
11a〜11c 交流出力ライン
12r、12s、12t 線電流センサ
15、15a〜15c 切り替え回路
15rs RSコンダクタ
15st STコンダクタ
15rt RTコンダクタ
20 顧客負荷
100 燃料電池発電装置
Claims (5)
- 燃料電池と、
前記燃料電池で発電された直流電力を多相の交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、
前記燃料電池による発電を行なうために必要な単相補機負荷と、
前記単相補機負荷を、前記インバータの多相出力のうちの何れか2相間に接続し、且つ接続先の相を切り替え可能な接続先切り替え手段と、
前記インバータ側からみた電力負荷の不平衡状態を検出する不平衡状態検出手段と、
前記電力負荷が不平衡状態にあることが検出されたとき、前記インバータ側からみた電力負荷がより平衡状態となる、前記単相補機負荷の接続先を検索する不平衡調整手段と、を備え、
前記接続先切り替え手段は、前記不平衡調整手段の検索結果にしたがって前記単相補機負荷の接続先を切り替えることを特徴とする燃料電池発電装置。 - 前記単相補機負荷を複数備え、
前記不平衡調整手段は、前記単相補機負荷の接続先を個別に検索することを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。 - 前記単相補機負荷は、ヒータであることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料電池発電装置。
- 前記接続先切り替え手段は、前記単相補機負荷を、コンダクタを介して前記インバータの多相出力の出力ラインに接続し、コンダクタを制御することにより、前記多相出力のうちの何れか2相間に前記単相補機負荷を選択的に接続することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項記載の燃料電池発電装置。
- 燃料電池と、
前記燃料電池で発電された直流電力を多相の交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、
前記燃料電池による発電を行なうために必要な単相補機負荷と、を備えた燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記単相補機負荷を、前記インバータの多相出力のうちの何れか2相間に接続し、
前記インバータ側からみた電力負荷が不平衡状態にあるとき、前記インバータ側からみた電力負荷がより平衡状態となるように、前記単相補機負荷の接続先の相間を切り替えることを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
Priority Applications (1)
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JP2009096193A JP2010250967A (ja) | 2009-04-10 | 2009-04-10 | 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法 |
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-
2009
- 2009-04-10 JP JP2009096193A patent/JP2010250967A/ja active Pending
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