JP4046700B2 - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は系統連系インバータ装置に関し、特に、太陽電池および燃料電池によって生成された直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に与える系統連系インバータ装置に関する。

太陽電池発電システムの系統連系インバータ装置は、太陽電池によって生成された直流電力を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力に変換して商用電力系統に与える。系統連系インバータ装置からの交流電力は、商用配電線を介して電気機器に供給される。

また、燃料電池発電システムにおいても、太陽電池発電システムと同様に、系統連系インバータ装置による商用電力系統との連系運転が行なわれる。燃料電池発電システムは、原燃料ガスを水素に改質する改質器を有し、水素を燃料ガスとして使用し、空気中の酸素を酸化剤ガスとして使用する。燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成された直流電力は、外部の電気負荷等に供給される。

このように、太陽電池発電システムと燃料電池発電システムの両方において、直流電力を交流電力に変換する系統連系インバータ装置が用いられる。このため、太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステムでは、当然のことながら系統連系インバータ装置を共用することが望まれる。

一般に、系統連系インバータ装置は、系統異常（周波数や電圧値などの異常）を検出した場合にインバータ動作を停止する機能を備えている。また、商用電力系統との連系点の電圧が所定値を超えた場合に、インバータの出力電力を制限して連系点の電圧上昇を抑制する電圧上昇抑制機能も備える。さらに、太陽電池発電システムにおいて、日射量が増えて太陽電池の出力電力が増大した場合に、太陽電池からインバータに供給される電力を抑制することによって、インバータの出力電力が最大定格値を超えないようにする機能も備える。

しかし、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池からインバータに供給される電力の抑制を行なうと、一時的に燃料電池の出力電流が低下して出力電圧が上昇してしまう。これは、燃料電池には補機（ファンやポンプなどの補助的な機器）以外に大きな負荷が存在しないことに起因する。燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給系統の制御は、燃料電池の出力電流および出力電圧に基づいて行われるため、燃料電池の原燃料系、空気系、電気系に一時的な擾乱が生じ、燃料電池にストレスがかかってしまう。したがって、燃料電池の劣化が早まり、寿命が短くなる。

また、インバータ動作の運転と停止を頻繁に繰り返すと、燃料電池の改質器やその他の関連機器を高温にしたり常温に戻したりするヒートサイクルにさらすことになる。このヒートサイクルに伴って生じる熱伸縮歪みや熱化学的な変化によって、改質触媒の耐久性が低下し、燃料電池を構成する機器の劣化が早まってしまう。

したがって、太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステムでは、系統連系インバータ装置を共用すると燃料電池の劣化を早めてしまうという問題があった。

下記の特許文献１には、太陽電池や燃料電池などの直流電力供給源の電力を交流電力に変換する電力変換装置において、インバータの前段に接続される電圧調整器の出力制御と、インバータ側の出力制御とが一定電圧値を設定することなく独立して動作することができ、さらにインバータの入力動作電圧も可変である電力変換装置が開示されている。

また、下記の特許文献２には、燃料電池を用いたコジェネレーションシステムにおいて、該コジェネレーションシステムの運転中は燃料電池の作動／停止状態とは独立して、改質器の作動を継続させ、該改質器で発生した改質ガスを温水加熱に活用するコジェネレーションシステムが開示されている。この場合、コジェネレーションシステムの構成機器およびコジェネレーションシステム全体としての耐久性が向上する。

また、下記の特許文献３には、系統異常時にインバータを瞬停して再起動する際における燃料電池の原燃料系、空気系、電気系の一時的な擾乱を防止し、ひいては燃料電池の劣化防止を図った燃料電池発電装置が開示されている。
特開２００２−１９９７３９号公報 特開２００２−５６８７５号公報 特開２００１−３５１６６１号公報

以上のように、従来の太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステムでは、系統連系インバータ装置を共用すると燃料電池の劣化を早めてしまうという問題があった。また、太陽電池と燃料電池の各々に対応して複数の系統連系インバータ装置を設けると、コストが高くなるという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料電池の劣化を防止した低コストの太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステム用の系統連系インバータ装置を提供することである。

この発明に係る系統連系インバータ装置は、太陽電池および燃料電池によって生成された直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に与える系統連系インバータ装置であって、入力された直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に与えるインバータ手段と、太陽電池とインバータ手段の入力端子との間に設けられ、太陽電池の出力電力が最大になるように太陽電池からインバータ手段に供給される電力を調整する第１の電圧調整手段と、燃料電池とインバータ手段の入力端子との間に設けられ、燃料電池の出力電力が予め定められた電力になるように燃料電池からインバータ手段に供給される電力を調整する第２の電圧調整手段とを備えたものである。ここで、インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、太陽電池からインバータ手段に供給される電力を燃料電池からインバータ手段に供給される電力よりも優先的に抑制する。

好ましくは、第１の電圧調整手段は、インバータ手段の入力端子の電圧が予め定められた第１の基準電圧よりも高くなった場合に、太陽電池からインバータ手段に供給される電力を減少させ、第２の電圧調整手段は、インバータ手段の入力端子の電圧が第１の基準電圧よりも高い予め定められた第２の基準電圧よりも高くなった場合に、燃料電池からインバータ手段に供給される電力を減少させる。

また、好ましくは、インバータ手段は、その入力端子の電圧が第１の基準電圧よりも低い予め定められた第３の基準電圧になるようにその出力電力の制御を行なう。

また、好ましくは、さらに、インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、第１の電圧調整手段を制御して太陽電池の出力電力を所定の電力まで抑制した後、第２の電圧調整手段を制御して燃料電池の出力電力を抑制する制御回路が設けられる。

この発明に係る系統連系インバータ装置では、入力された直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に与えるインバータ手段と、太陽電池とインバータ手段の入力端子との間に設けられ、太陽電池の出力電力が最大になるように太陽電池からインバータ手段に供給される電力を調整する第１の電圧調整手段と、燃料電池とインバータ手段の入力端子との間に設けられ、燃料電池の出力電力が予め定められた電力になるように燃料電池からインバータ手段に供給される電力を調整する第２の電圧調整手段とが設けられる。インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、太陽電池からインバータ手段に供給される電力を燃料電池からインバータ手段に供給される電力よりも優先的に抑制する。したがって、燃料電池の起動／停止回数、および出力電力を急変更する回数が少なくなり、燃料電池の劣化が防止される。また、太陽電池と燃料電池とが１つのインバータ手段を共有することにより、系統連系インバータ装置の低コスト化が図れる。

好ましくは、第１の電圧調整手段は、インバータ手段の入力端子の電圧が予め定められた第１の基準電圧よりも高くなった場合に、太陽電池からインバータ手段に供給される電力を減少させ、第２の電圧調整手段は、インバータ手段の入力端子の電圧が第１の基準電圧よりも高い予め定められた第２の基準電圧よりも高くなった場合に、燃料電池からインバータ手段に供給される電力を減少させる。この場合は、第１の基準電圧を第２の基準電圧よりも低く設定することによって、太陽電池からインバータ手段に供給される電力を優先的に抑制することができる。

また、好ましくは、インバータ手段は、その入力端子の電圧が第１の基準電圧よりも低い予め定められた第３の基準電圧になるようにその出力電力の制御を行なう。この場合は、通常の動作状態において、インバータ手段の入力端子の電圧は第３の基準電圧を維持するように調整される。

また、好ましくは、さらに、インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、第１の電圧調整手段を制御して太陽電池の出力電力を所定の電力まで抑制した後、第２の電圧調整手段を制御して燃料電池の出力電力を抑制する制御回路が設けられる。この場合は、インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、制御回路によって太陽電池の出力電力が抑制される。それでもインバータ手段の入力端子の電圧がさらに上昇する場合は、制御回路によって燃料電池の出力電力が抑制される。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による系統連系インバータ装置を用いた太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステムの概略構成を示すブロック図である。図１において、太陽電池１は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換して、系統連系インバータ装置３に直流電力を供給する。燃料電池２は、水素と酸素を反応させて電気エネルギーを生成し、系統連系インバータ装置３に直流電力を供給する。系統連系インバータ装置３は、太陽電池１および燃料電池２からの直流電力を商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電力に変換して商用電力系統に与える。

系統連系インバータ装置３は、電圧調整手段１１，１２、インバータ手段１３およびインバータ制御回路１４を備える。太陽電池１からの直流電力は電圧調整手段１１に与えられ、燃料電池２からの直流電力は電圧調整手段１２に与えられる。電圧調整手段１１は、太陽電池１の出力電力が最大になるように、太陽電池１からインバータ手段１３に供給される電力を調整する。電圧調整手段１２は、燃料電池２の出力電力が所定の電力になるように、燃料電池２からインバータ手段１３に供給される電力を調整する。電圧調整手段１１，１２の出力部は並列に接続され、かつインバータ手段１３の入力部に結合される。インバータ手段１３は、電圧調整手段１１，１２からの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して商用電力系統に与える。インバータ制御回路１４は、商用電力系統との連系点の電圧上昇を抑制する場合やインバータ回路の温度保護の必要がある場合などに、それらに対応する制御信号に応答してインバータ手段１３の出力電力を抑制する。

電圧調整手段１１は、電流検出器２１、電圧検出器２２，２７、最大電力追従制御回路２３、ゲートパルス発生回路２４、出力電圧制御回路２５、電圧調整回路２６およびコンデンサ２８を含む。電圧調整手段１１の主回路は、電圧調整回路２６とコンデンサ２８とで構成され、インバータ手段１３の直流電力源となる。

電流検出器２１は、太陽電池１から電圧調整回路２６に与えられる直流電流ＩＡｉｎを検出して、最大電力追従制御回路２３に与える。電圧検出器２２は、太陽電池１から電圧調整回路２６に与えられる直流電圧ＶＡｉｎを検出して、最大電力追従制御回路２３およびゲートパルス発生回路２４に与える。

最大電力追従制御回路２３は、電流検出器２１によって検出された直流電流ＩＡｉｎと電圧検出器２２によって検出された直流電圧ＶＡｉｎとの積をとって太陽電池１からの直流電力ＰＡを算出し、この直流電力ＰＡが最大になるように目標電圧値ＶＡｒｅｆを定める。この目標電圧値ＶＡｒｅｆは、ゲートパルス発生回路２４に与えられる。

電圧検出器２７は、電圧調整回路２６の出力リンク電圧ＶＡｏｕｔを検出して制御回路２５に与える。出力電圧制御回路２５は、電圧検出器２７によって検出されたリンク電圧ＶＡｏｕｔと予め定められた最大リンク電圧ＶＡｍａｘとを比較し、それらの差分（ＶＡｏｕｔ−ＶＡｍａｘ）が負である場合は出力信号ＥＡを「Ｈ」レベル（“１”）にし、差分（ＶＡｏｕｔ−ＶＡｍａｘ）が正である場合は出力信号ＥＡを「Ｌ」レベル（“０”）にする。

ゲートパルス発生回路２４は、電圧検出器２１によって検出された直流電圧ＶＡｉｎと最大電力追従制御回路２３によって定められた目標電圧値ＶＡｒｅｆとを受け、直流電圧ＶＡｉｎが目標電圧値ＶＡｒｅｆに一致するように電圧調整回路２６を駆動制御するＰＷＭ（Puls Width Modulation）信号を生成する。このＰＷＭ信号は、パルス幅変調されたパルス信号列である。さらに、ゲートパルス発生回路２４は、生成したＰＷＭ信号と出力電圧制御回路２５からの信号ＥＡとの積をとってゲートパルス信号ＧＡを生成して、電圧制御回路２６に与える。すなわち、差分（ＶＡｏｕｔ−ＶＡｍａｘ）が負である場合は、「Ｈ」レベル（“１”）の信号ＥＡに応じて、生成されたＰＷＭ信号がゲートパルス信号ＧＡとして出力される。一方、差分（ＶＡｏｕｔ−ＶＡｍａｘ）が正である場合は、「Ｌ」レベル（“０”）の信号ＥＡに応じて、「Ｌ」レベル（“０”）に固定されたゲートパルス信号ＧＡが出力される。これにより、リンク電圧ＶＡｏｕｔが予め定められた最大リンク電圧ＶＡｍａｘを超えないように制御される。

電圧調整回路２６は、リアクトル３１、スイッチング素子３２およびダイオード３３を含む。太陽電池１からのエネルギーは、リアクトル３１を介してスイッチング素子３２に与えられる。スイッチング素子３２は、ゲートパルス発生回路２４からのゲートパルス信号ＧＡに応答してオン／オフする。ここで、スイッチング素子３２がオン状態のときは、太陽電池１からのエネルギーがリアクトル３１に蓄えられる。一方、スイッチング素子３２がオフ状態のときは、リアクトル３１に蓄えられたエネルギーがダイオード３３を介してコンデンサ２８に充電される。コンデンサ２８の端子間電圧（リンク電圧ＶＡｏｕｔ）は、直流電圧としてインバータ手段１３に与えられる。ゲートパルス信号ＧＡのパルスのデューティ比に応じてスイッチング素子３２のオン時間とオフ時間が制御され、電圧調整回路２６の入出力電圧比が調整される。

電圧調整手段１２は、電流検出器４１、電圧検出器４２，４７、電力制御回路４３、ゲートパルス発生回路４４、出力電圧制御回路４５、電圧調整回路４６およびコンデンサ４８を含む。電圧調整手段１２の主回路は、電圧調整回路４６とコンデンサ４８とで構成され、インバータ手段１３の直流電力源となる。

電流検出器４１は、燃料電池２から電圧調整回路４６に与えられる直流電流ＩＢｉｎを検出して、電力制御回路４３に与える。電圧検出器４２は、燃料電池２から電圧調整回路４６に与えられる直流電圧ＶＢｉｎを検出して、電力制御回路４３に与える。

電力制御回路４３は、電流検出器４１によって検出された直流電流ＩＢｉｎと電圧検出器４２によって検出された直流電圧ＶＢｉｎとの積をとって燃料料池２からの直流電力ＰＢを算出し、この直流電力ＰＢが予め定められた基準電力ＰＢｒｅｆに一致するように電圧調整回路４６を駆動制御するＰＷＭ信号ＳＢを生成する。このＰＷＭ信号ＳＢは、ゲートパルス発生回路４４に与えられる。

電圧検出器４７は、電圧調整回路４６の出力リンク電圧ＶＢｏｕｔを検出して出力電圧制御回路４５に与える。出力電圧制御回路４５は、電圧検出器４７によって検出されたリンク電圧ＶＢｏｕｔと予め定められた最大リンク電圧ＶＢｍａｘとを比較し、それらの差分（ＶＢｏｕｔ−ＶＢｍａｘ）が負である場合は出力信号ＥＢを「Ｈ」レベル（“１”）にし、差分（ＶＡｏｕｔ−ＶＡｍａｘ）が正である場合は出力信号ＥＢを「Ｌ」レベル（“０”）にする。

ゲートパルス発生回路４４は、電力制御回路４３からのＰＷＭ信号ＳＢと出力電圧制御回路４５からの信号ＥＢとの積をとってゲートパルス信号ＧＢを生成し、電圧制御回路４６に与える。すなわち、差分（ＶＢｏｕｔ−ＶＢｍａｘ）が負である場合は、「Ｈ」レベル（“１”）の信号ＥＢに応じて、生成されたＰＷＭ信号ＳＢがゲートパルス信号ＧＢとして出力される。一方、差分（ＶＢｏｕｔ−ＶＢｍａｘ）が正である場合は、「Ｌ」レベル（“０”）の信号ＥＢに応じて、「Ｌ」レベル（“０”）に固定されたゲートパルス信号ＧＢが出力される。これにより、リンク電圧ＶＢｏｕｔが予め定められた最大リンク電圧ＶＢｍａｘを超えないように制御される。

電圧調整回路４６は、リアクトル５１、スイッチング素子５２およびダイオード５３を含む。燃料電池２からの直流電力は、リアクトル５１を介してスイッチング素子５２に与えられる。スイッチング素子５２は、ゲートパルス発生回路４４からのゲートパルス信号ＧＢに応答してオン／オフする。ここで、スイッチング素子５２がオン状態のときは、燃料電池２からのエネルギーがリアクトル５１に蓄えられる。一方、スイッチング素子５２がオフ状態のときは、リアクトル５１に蓄えられたエネルギーがダイオード５３を介してコンデンサ４８に充電される。コンデンサ４８の端子間電圧（リンク電圧ＶＢｏｕｔ）は、直流電圧としてインバータ手段１３に与えられる。ゲートパルス信号ＧＢのパルスのデューティ比に応じてスイッチング素子５２のオン時間とオフ時間が制御され、電圧調整回路４６の入出力電圧比が調整される。

ここで、出力電圧制御回路２５，４５において予め定められる最大リンク電圧ＶＡｍａｘ，ＶＢｍａｘの大小関係は、以下の数式（１）で表わされる。

ＶＡｍａｘ ＜ ＶＢｍａｘ …（１）
たとえば、最大リンク電圧ＶＡｍａｘは３５０Ｖに設定され、最大リンク電圧ＶＢｍａｘは３５５Ｖに設定される。

インバータ手段１３は、電圧検出器６１、出力電力制御回路６２およびインバータ回路６３を含む。インバータ回路６３は、電圧調整手段１１，１２から与えられた直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。電圧検出器６１は、インバータ回路６３に入力される直流電圧ＶＣｉｎを検出して、出力電力制御回路６２に与える。ここで、コンデンサ２８，４８の端子間電圧（ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ）と、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎとはそれぞれ等しく、以下の数式（２）が成立する。

ＶＡｏｕｔ ＝ ＶＢｏｕｔ ＝ ＶＣｉｎ …（２）
出力電力制御回路６２は、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎが予め定められた基準電圧ＶＣｒｅｆに一致するように、インバータ回路６３の出力電力を制御する。出力電力制御回路６２は、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎが基準電圧ＶＣｒｅｆよりも小さい場合は、インバータ回路６３の出力電力を減少させる。これに応じて、その電力差分だけコンデンサ２８、４８が充電される。このため、コンデンサ２８、４８の端子間電圧（リンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ）が上昇する。すなわち、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎが上昇する。一方、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎが基準電圧ＶＣｒｅｆよりも大きい場合は、インバータ回路６３の出力電力を増加させる。これに応じて、その電力差分だけコンデンサ２８、４８が放電する。このため、コンデンサ２８、４８の端子間電圧（リンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ）が低下する。すなわち、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎが低下する。このようにして、インバータ回路６３に入力される直流電圧ＶＣｉｎは、基準電圧ＶＣｒｅｆを維持するように適時調整される。

なお、図示しないが、インバータ回路６３は、出力電流波形を商用周波数の正弦波の波形に調整するための出力電流波形制御回路も含む。

ここで、出力電力制御回路６２において予め定められる基準電圧ＶＣｒｅｆと、出力電圧制御回路２５において予め定められる最大リンク電圧ＶＡｍａｘとの大小関係は、以下の数式（３）で表わされる。

ＶＣｒｅｆ ＜ ＶＡｍａｘ …（３）
たとえば、基準電圧ＶＣｒｅｆは３３０Ｖに設定され、最大リンク電圧ＶＡｍａｘは３５０Ｖに設定される。

なお、基準電圧ＶＣｒｅｆの値は常に一定である必要はなく、インバータ回路６３の出力電力に応じて変化するようにしてもよい。基準電圧ＶＣｒｅｆを変化させることによって、インバータ回路６３に設けられるスイッチング素子の導通損やスイッチング損失を少なくできる場合がある。

次に、系統連系インバータ装置３の動作について説明する。上述のように、最大リンク電圧ＶＡｍａｘが３５０Ｖ、最大リンク電圧ＶＢｍａｘが３５５Ｖ、基準電圧ＶＣｒｅｆが３３０Ｖに設定された場合、通常はリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）は３３０Ｖになるように制御される。

しかし、たとえば、無負荷運転時など、電圧調整手段１１，１２の各々の出力部における消費電力の合計が太陽電池１および燃料電池２から電圧調整手段１１，１２への供給電力の合計より小さくなった場合、コンデンサ２８，４８がともに充電されてリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）が上昇する。このとき、電圧調整手段１１において、出力電圧制御回路２５によってリンク電圧ＶＡｏｕｔが最大リンク電圧ＶＡｍａｘ（３５０Ｖ）を超えないように制御される。

次に、インバータ手段１３が動作を開始して出力電力を増加させると、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎが低下し始める。インバータ手段１３は、この入力電圧ＶＣｉｎが低下して基準電圧ＶＣｒｅｆ（３３０Ｖ）に一致するまでの期間、その出力電力を増加させる。このとき、電圧調整手段１１において、リンク電圧ＶＡｏｕｔが低下して最大リンク電圧ＶＡｍａｘ（３５０Ｖ）よりも低くなると、出力電圧制御回路２５による電圧制御が解除され、最大電力追従制御回路２３による最大電力追従制御が有効になる。

また、太陽電池１および燃料電池２から電圧調整手段１１，１２への供給電力が減少して、電圧調整手段１１，１２からインバータ手段１３に供給される電力がインバータ手段１３の出力電力よりも小さくなった場合、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎが低下する。入力電圧ＶＣｉｎが基準電圧ＶＣｒｅｆ（３３０Ｖ）よりも低くなった場合、出力電力制御回路６２はインバータ回路６３の出力電力を減少させる。これに応じて、インバータ回路６３の入力電圧ＶＣｉｎは上昇する。このように、インバータ回路６３に入力される直流電圧ＶＣｉｎは、基準電圧ＶＣｒｅｆ（３３０Ｖ）を維持するように調整される。

ここで、商用電力系統との連系点の電圧上昇を抑制する場合や、インバータ回路の温度保護の必要がある場合などに、インバータ制御回路１４によってインバータ手段１３の出力電力が抑制された場合について説明する。インバータ手段１３の出力電力が抑制されたことに応じて、電圧調整手段１１，１２の各々の出力部における消費電力の合計が太陽電池１および燃料電池２から電圧調整手段１１，１２への供給電力の合計より小さくなった場合、コンデンサ２８，４８がともに充電されてリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）がともに上昇する。このとき、出力電圧制御回路２５によって、リンク電圧ＶＡｏｕｔが最大リンク電圧ＶＡｍａｘ（３５０Ｖ）を超えないように制御される。すなわち、太陽電池１からインバータ手段１３に供給される電力が抑制される。しかし、太陽電池１からインバータ手段１３に供給される電力を０Ｗまで抑制してもリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）がさらに上昇する場合がある。この場合、出力電圧制御回路４５によって、リンク電圧ＶＢｏｕｔが最大リンク電圧ＶＢｍａｘ（３５５Ｖ）を超えないように制御される。すなわち、燃料電池２からインバータ手段１３に供給される電力が抑制される。

このように、電圧調整手段１１，１２の出力部における消費電力の合計が太陽電池１および燃料電池２から電圧調整手段１１，１２への供給電力の合計より小さくなった場合、リンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）がともに上昇すると、まず、出力電圧制御回路２５によってリンク電圧ＶＡｏｕｔが最大リンク電圧ＶＡｍａｘ（３５０Ｖ）を超えないように制御される。それでもリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）が上昇する場合は、出力電圧制御回路４５によってリンク電圧ＶＢｏｕｔが最大リンク電圧ＶＢｍａｘ（３５５Ｖ）を超えないように制御される。

以上のように、この実施の形態１では、最大リンク電圧ＶＡｍａｘを最大リンク電圧ＶＢｍａｘよりも低く設定することによって、太陽電池１からインバータ手段１３に供給される電力を優先的に抑制することができる。これにより、燃料電池２の起動／停止回数、および出力電力を急変更する回数が少なくなり、燃料電池２の劣化が防止される。このように、太陽電池１および燃料電池２からの供給電力を抑制する優先順位を簡単に設定することができ、電圧調整手段１１，１２はそれぞれインバータ手段１３からの指令を受けることなく自立的に動作することが可能である。また、電圧調整手段１１および電圧調整手段１２の出力電力を１つのインバータ手段１３に与える構成にする。このように、太陽電池１と燃料電池２とがインバータ手段１３を共有することにより、系統連系インバータ装置３の低コスト化が図れる。したがって、燃料電池の劣化を防止した低コストの太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステム用の系統連系インバータ装置が実現できる。

なお、ここでは、電圧調整手段１２の電力制御回路４３において、燃料電池２からの直流電力ＰＢが予め定められた基準電力ＰＢｒｅｆに一致するように電圧調整回路４６を駆動制御するＰＷＭ信号ＳＢを生成する場合について説明したが、直流電力供給源の特性により動作電圧と電力とが比例関係にある場合はこの方法に限定されない。たとえば、電力制御回路４３において、予め基準電圧ＶＢｒｅｆを定め、燃料電池２から得られる直流電圧ＶＢｉｎが基準電圧ＶＢｒｅｆに一致するように電圧調整回路４６を駆動制御するＰＷＭ信号ＳＢを生成してもよい。

また、ここでは、太陽電池１および燃料電池２がそれぞれ１つずつ設けられる場合について説明したが、太陽電池１および燃料電池２はそれぞれ複数個並列に設けられてもよい。この場合、各々の直流電力供給源に対応した電圧調整手段を設けることによって、同様の効果が得られる。

［実施の形態２］
図２は、この発明の実施の形態２による系統連系インバータ装置を用いた太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステムの概略構成を示すブロック図であって、図１と対比される図である。図２の系統連系インバータ装置７１を参照して、図１の系統連系インバータ装置３と異なる点は、インバータ制御回路１４が制御回路７２に置換されている点である。なお、図２において、図１と対応する部分においては同一符号を付し、その詳細説明を省略する。

商用電力系統との連系点の電圧上昇を抑制する場合やインバータ回路の温度保護の必要がある場合など、インバータ手段１３の出力電力を抑制する必要があるとき、制御回路７２は、それらに対応する制御信号に応答してインバータ手段１３の出力電力を抑制するとともに、最大電力追従制御回路２３に制御信号ＲＡを出力する。インバータ手段１３の出力電力が抑制されたことに応じて、電圧調整手段１１，１２の各々の出力部における消費電力の合計が太陽電池１および燃料電池２からの供給電力の合計より小さくなった場合、コンデンサ２８，４８がともに充電されてリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）がともに上昇する。

最大電力追従制御回路２３は、制御回路７２からの制御信号ＲＡに応答して目標電圧値ＶＡｒｅｆを増加させる。これにより、太陽電池１の出力電力が抑制され、リンク電圧ＶＡｏｕｔの上昇が抑制される。しかし、太陽電池１からインバータ手段１３に供給される電力を０Ｗまで抑制してもリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）がさらに上昇する場合がある。この場合、制御回路７２は、電力制御回路４３に制御信号ＲＢを出力する。電力制御回路４３は、制御回路７２からの制御信号ＲＢに応答して基準電力ＰＢｒｅｆを減少させる。これにより、燃料電池２の出力電力が抑制され、リンク電圧ＶＢｏｕｔの上昇が抑制される。

このように、インバータ手段１３の出力電力が抑制されたことに応じて、リンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）がともに上昇すると、まず、最大電力追従制御回路２３によって太陽電池１の出力電力が抑制され、リンク電圧ＶＡｏｕｔの上昇が抑制される。それでもリンク電圧ＶＡｏｕｔ，ＶＢｏｕｔ（＝ＶＣｉｎ）がさらに上昇する場合は、電力制御回路４３によって燃料電池２の出力電力が抑制され、リンク電圧ＶＢｏｕｔの上昇が抑制される。

このように、インバータ手段１３の出力電力を抑制する場合、太陽電池１からインバータ手段１３に供給される電力の抑制を優先的に行なうようにする。これにより、燃料電池２の起動／停止回数、および出力電力を急変更する回数が少なくなり、燃料電池２の劣化が防止される。したがって、この実施の形態２では、実施の形態１と同様に、燃料電池の劣化を防止した低コストの太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステム用の系統連系インバータ装置が実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１による系統連系インバータ装置を用いた太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステムの概略構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による系統連系インバータ装置を用いた太陽電池・燃料電池ハイブリッドシステムの概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 太陽電池、２ 燃料電池、３，７１ 系統連系インバータ装置、１１，１２ 電圧調整手段、１３ インバータ手段、１４ インバータ制御回路、２１，４１ 電流検出器、２２，２７，４２，４７，６１ 電圧検出器、２３ 最大電力追従制御回路、２４，４４ ゲートパルス発生回路、２５，４５ 出力電圧制御回路、２６，４６ 電圧調整回路、２８，４８ コンデンサ、３１ リアクトル、３２ スイッチング素子、３３ ダイオード、４３ 電力制御回路、６２ 出力電力制御回路、６３ インバータ回路、７２ 制御回路。

Claims (3)

1. 太陽電池および燃料電池によって生成された直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に与える系統連系インバータ装置であって、
   入力された直流電力を交流電力に変換して前記商用電力系統に与えるインバータ手段、
   前記太陽電池と前記インバータ手段の入力端子との間に設けられ、前記太陽電池の出力電力が最大になるように前記太陽電池から前記インバータ手段に供給される電力を調整する第１の電圧調整手段、および
   前記燃料電池と前記インバータ手段の入力端子との間に設けられ、前記燃料電池の出力電力が予め定められた電力になるように前記燃料電池から前記インバータ手段に供給される電力を調整する第２の電圧調整手段を備え、
   前記インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、前記太陽電池から前記インバータ手段に供給される電力を前記燃料電池から前記インバータ手段に供給される電力よりも優先的に抑制し、
   前記第１の電圧調整手段は、前記インバータ手段の入力端子の電圧が予め定められた第１の基準電圧よりも高くなった場合に、前記太陽電池から前記インバータ手段に供給される電力を減少させ、
   前記第２の電圧調整手段は、前記インバータ手段の入力端子の電圧が前記第１の基準電圧よりも高い予め定められた第２の基準電圧よりも高くなった場合に、前記燃料電池から前記インバータ手段に供給される電力を減少させる、系統連系インバータ装置。
2. 前記インバータ手段は、その入力端子の電圧が前記第１の基準電圧よりも低い予め定められた第３の基準電圧になるようにその出力電力の制御を行なう、請求項１に記載の系統連系インバータ装置。
3. 太陽電池および燃料電池によって生成された直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に与える系統連系インバータ装置であって、
   入力された直流電力を交流電力に変換して前記商用電力系統に与えるインバータ手段、
   前記太陽電池と前記インバータ手段の入力端子との間に設けられ、前記太陽電池の出力電力が最大になるように前記太陽電池から前記インバータ手段に供給される電力を調整する第１の電圧調整手段、および
   前記燃料電池と前記インバータ手段の入力端子との間に設けられ、前記燃料電池の出力電力が予め定められた電力になるように前記燃料電池から前記インバータ手段に供給される電力を調整する第２の電圧調整手段を備え、
   前記インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、前記太陽電池から前記インバータ手段に供給される電力を前記燃料電池から前記インバータ手段に供給される電力よりも優先的に抑制し、
   さらに、前記インバータ手段の出力電力の抑制が行なわれた場合、前記第１の電圧調整手段を制御して前記太陽電池の出力電力を所定の電力まで抑制した後、前記第２の電圧調整手段を制御して前記燃料電池の出力電力を抑制する制御回路を備える、系統連系インバータ装置。

Images