JP4125601B2

JP4125601B2 - 確実な電力を重要な負荷に供給するシステム

Info

Publication number: JP4125601B2
Application number: JP2002570373A
Authority: JP
Inventors: ヤング，ダグラス，ギボンズ; ヒーリー，ハーバート，シー．; フラゴラ，フランシス，エイ．，ジュニア; ロス，リッキー，エム．
Original assignee: ユーティーシーパワーコーポレイション
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: US6465910B2; WO2002071572A1; USRE39710E1; JP2004525594A; DE10296295T5; US20020109410A1

Description

本発明は、一般に、電力システムに関し、より詳細には、確実なまたは不断の電力の供給を１つまたは複数の重要な負荷に提供する電力システムに関する。さらにより詳細には、本発明は、燃料電池を電力供給源として使用するそのような電力システムに関する。

種々さまざまな負荷のための特に最も一般的な電力供給源は、さまざまな電力公益事業設備により提供される大規模な電力送電網を経由する。公益事業設備送電網で利用できる電力は、連続性、および電圧、周波数、位相などの確立された規格に対する適合性について、一般にかなり信頼性がある。しかしながら、時々、不連続とこれらの規格からの逸脱の少なくとも一方が本当に発生する。これらが短時間または控えめであれば、大抵の負荷は、これらの発生に相対的に影響を受けない。一方、公益事業設備送電網により供給される電力の短時間の逸脱にさえも相対的に耐性のない負荷の数が増加しており、主要な例は、コンピュータ、およびさまざまな種類の電子データ処理装置である。公益事業設備送電網による規格化された電力の供給が短時間でさえ中断しても、コンピュータを誤動作させる可能性があり、ときには損害が大きく、通常は面倒な結果となる。

この問題を明確にする間に、コンピュータ事務機器製造業者協会（以前は、ＣＢＥＭＡ、現在は、ＩＴＩ）は、一組の電力許容曲線を開発したが、この電力許容曲線は、これらの種類の負荷の連続作動を確実にすることになる電力標準を決定するための、規格を確立するかあるいは少なくとも手引きを提供する。その点では、コンピュータが、半分の周期すなわち８．３ｍｓの停電に耐え得ることを示す規格が採用された。公益事業設備送電網で利用可能な電力は、現在は、実質的に連続してはこの規格を満足できない。従って、重要な負荷が、実質的に連続したまたは不断の電力の供給を確実に受けることが重要な場合には、補助的な電力供給源を提供することが必要であったし、必要である。この出願の目的のために、８．３ｍｓの継続時間を超えない中断または切り換えを伴う電力の供給は、「継ぎ目なし」、「実質的に連続」、または「実質的に不断」であると呼ぶことができる。

図１を参照すると、既存の一形態の無停電電源装置（ＵＰＳ）すなわちいわゆる「オンライン」または「二重変換」型が例示されており、これは、公益事業設備送電網の供給が中断されあるいは所定範囲を外れるような場合に、重要な負荷に供給するのに使用される。公益事業設備送電網電力供給は、通常は、導線１１０に現れており、３極切り換えスイッチ１１２の通常は閉になっている接点を介して整流器１２０に通されており、整流器１２０は、インバータ１２２を介して重要な負荷１１４に供給する。しかしながら、公益事業設備送電網の電力が所定の範囲内にないような時間内および時間中に連続した電力を供給するために、予備蓄電池１１６が、設けられて、制限された継続時間の即座の電力を供給し、その後、非常用発電機１１８が、切り換えスイッチ１１２の他方の接点に接続されて、より長い期間の臨時供給で対応する。負荷１１４のためのＡＣ電力に依拠するシステム内に蓄電池１１６の使用を適合させるためには、蓄電池１１６を充電するための整流器１２０と、蓄電池からのＤＣ供給を負荷に必要なＡＣ供給に変換するためのインバータ１２２とを設けることが必要である。高速スイッチ１２４が、切り換えスイッチ１１２と負荷１１４の間に接続されており、インバータ１２２または整流器１２０が点検される必要がある場合は、臨時電力を供給するためのバイパススイッチとして機能する。送電網および負荷は、通常直接は接続されていずに、むしろ負荷への電力は、ＵＰＳ蓄電池を利用して一対の変換器を通る必要があるので、この種のＵＰＳは、「インライン」または「二重変換」型と呼ばれる。この構成は、効果的ではあるが、公益事業設備送電網の電力が不十分な時間中にのみ使用される多数の高価な構成要素を必要とする。

実質的に不断の電力を重要な負荷に供給するための電力システムの別の構成は、国際公開第ＷＯ９９／６０６８７号として１９９９年１１月２５日に公開された「電力システム」のためのＰＣＴ出願第ＵＳ９９／１０８３３号に記載されている。本願の図２を参照すると、このＰＣＴ出願に記載された発明の関連部分が、非常に簡略化された概略的な形態で図示されており、要素は、その下２桁が、図１内の機能的に同等のその対応品と同じになるように番号が付けられている。重要な負荷２１４は、不断の電力システムモジュール２３１内にある電動発電機２３０から実質的に不断の電力を受け取り、不断の電力システムモジュール２３１は、同様に、切り換えスイッチ、整流器、およびインバータを含む。電動発電機２３０の連続した電力を最大にするためのいくつかの代替の電力供給源が設けられる。そのような電力供給源の１つは、公益事業設備送電網２１０とすることができる。別の供給源は、燃料電池発電機電力設備２１８とすることができる。切り換えスイッチイング構成２１２によって、公益事業設備送電網２１０と燃料電池２１８の一方または他方が、通常、電動発電機２３０を駆動するための電力を供給できる。また、この種の不断の電力供給は、送電網が、負荷２１４に直接接続されておらず、整流器およびインバータ変換器、およびフライホイールと燃料電池の少なくとも一方を通して作用して電動発電機２３０に電圧を印加し、電動発電機２３０が、そして次に、不断の電力を供給するので、「オンライン」または「二重変換」型である。実際、燃料電池２１８は、システムの経済性のために公益事業設備送電網２１０を用いる送電網接続（Ｇ／Ｃ）モードで作動するように設定され、それによって、送電網接続モードでは、送電網と燃料電池の両方が、切り換えスイッチの「送電網」端子を供給する。送電網供給２１０が故障した場合は、燃料電池２１８が、電動発電機２３０のための連続した電力供給源として機能するように意図される。しかしながら、そのような場合、燃料電池２１８は、作動の「送電網接続」（Ｇ／Ｃ）モードから「送電網独立」（Ｇ／Ｉ）モードに再設定される必要がある。燃料電池２１８の電力調整システム（ＰＣＳ）部分は、付随するインバータ、スイッチングトランジスタ、および遮断器（図示せず）を含み、これらは、ＤＣ電力のＡＣ電力への変換を行うとともに、燃料電池作動の基本的なＧ／ＣモードおよびＧ／Ｉモードを調節する。このモードの移行（Ｇ／ＣからＧ／Ｉへ）は、燃料電池２１８と切り換えスイッチ２１２に、一般に、５秒間までの間、発電を中断するよう要求していた。そのような中断は、「継ぎ目なし」ではなく、重要なコンピュータ負荷２１４にとって許容できない継続時間となるであろう。従って、予備フライホイール電力供給源２１６は、制限された継続時間の即座の電力を（図１の蓄電池供給源１１６に類似して）電動発電機２３０に、少なくともそのようなモード変換の間、提供する。予備電力供給源２１６は、双方向のＡＣ／ＤＣ変換器２３８を駆動するフライホイール２３６である。変換器２３８は、通常作動時にフライホイールを回転させ続けるとともに、予備作動時にフライホイール２３６を放電させる。切り換えスイッチング構成２１２内および不断の電力システムモジュール２３１内で使用されるさまざまな切り換えスイッチは、電気機械式、静的、またはこれらの組み合わせとすることができ、さまざまな電力スイッチング機能を行うように機能する。

上述したＰＣＴ出願の電力システムは、実質的に不断の電力の供給源をさまざまな重要な負荷に提供することができるとともに、電力の主要な供給源の１つとして燃料電池を有利に使用することができるとはいえ、それにも拘わらず、それは、複雑で費用のかかるかなりの付加的装置の使用を必要とする。例えば、別々の電動発電機２３０と、フライホイール２３６／変換器２３８の組み合わせを含む予備電力供給源２１６とは、要求されかつ必要とされる電力の連続性の程度を確実にするために、必要ではあるが高価である構成要素の典型となっている。

別の種類のＵＰＳは、「待機」型であり、ここでは、送電網は、負荷に直接接続されており、待機ＵＰＳは、たとえ負荷に接続されていたとしても、スイッチが負荷からの送電網の接続を解除するまでは、無負荷運転のままである。そのようなシステムの例は、米国特許第６，０１１，３２４号に開示されている。燃料電池および付随するインバータは、通常、負荷に接続されているが、無負荷運転待機モードでは、送電網が、電力を負荷に直接供給する。送電網が故障したとき、燃料電池は、迅速に全出力電力にされるとともに、ソリッドステートスイッチが、送電網の接続を解除する。ここでも、費用のかかる多数の構成要素が、公益事業設備送電網電力が不十分な時間の間にのみ使用される。本発明は、相対的に経済的な仕方で実質的に不断（継ぎ目なし）の電力の供給を重要な負荷に提供する電力システムを提供できる。また、それは、１つまたは複数の燃料電池電力設備が、実質的に連続して電力を負荷に供給するのに使用されるそのような電力システムを提供できる。

本発明によれば、実質的に不断の電力を１つまたは複数の重要な負荷に提供する相対的に経済的で信頼性のある電力システムが提供される。公益事業設備送電網などの第１の電力供給源が、重要な負荷に供給するのに十分な電力を提供する。少なくとも１つで通常は複数の燃料電池電力設備から成る第２の電力供給源が、少なくとも重要な負荷に供給するのに十分な電力を提供する。１つまたは複数の燃料電池電力設備は、重要な負荷に実質的に連続して接続されるように適合され、かつ接続されるとともに、実質的に連続して少なくとも重要な負荷にかなりの電力を提供する。静的スイッチが作動して、１つまたは複数の燃料電池電力設備の経済的で連続した使用のために、１つまたは複数の重要な負荷および１つまたは複数の燃料電池電力設備に公益事業設備送電網を迅速かつ継ぎ目なしで接続しかつ接続を解除する。かなりの経済性が、実質的に連続して作動する１つまたは複数の燃料電池を実質的に連続して、負荷にかつ通常はまた送電網に、接続することにより、実現される。このように、燃料電池は、その定格電力を連続して供給でき、必要な部分が、重要な負荷に達し、どのような過剰も、重要でない負荷と送電網の少なくとも一方に供給される。静的スイッチは、１つまたは複数のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）、またはサイリスタとすることができる。ソリッドステートスイッチ制御器は、静的スイッチを４ｍｓまたはそれ未満で迅速にスイッチングするように作動して、第１の電力供給源と第２の電力供給源の間の継ぎ目なしの切り換えを行う。このスイッチング速度は、サイリスタの従来のライン転換を用いて得られるものよりかなり高速である。さらなる制御電子機器は、燃料電池電力設備のそれぞれに付随する電力調整システム（ＰＣＳ）インバータの作動モードにおける高速移行（約４ｍｓ未満）を提供する。これによって、燃料電池モード移行は、今までは通常遅かったが、確実に、静的スイッチの速度に比較できる速度となり、それによって、第１の電力供給源と第２の電力供給源の、それらの間の、実質的に継ぎ目なしの電力切り換えが提供される。これは、燃料電池電力設備の連続した生産的な作動を可能とする。

図面を参照すると、図１、図２は、先に背景技術で説明した従来型の不断の電力システムを図示する。

図３を参照すると、本発明に従う電力システム８の簡略概略ブロック図が図示される。電力システム８は、公益事業設備送電網バス１０に接続されるとともに、所定サイトにある１つまたは複数の燃料電池電力設備１８を使用して、実質的に連続して３相電力を、負荷接触器（図示せず）に、さらにそれを通して、通常は同様にそのサイトにある１つまたは複数の負荷１４に供給する。簡略化のために、「１本のライン」の図または表示が、ここでは、３相供給ラインばかりでなく、それらに含まれるスイッチなどを図示するのに使用される。送電網１０、燃料電池電力設備１８、および１つまたは複数の負荷１４は、全体が破線ブロックまたは配置１１によって表されるサイト管理システム（ＳＭＳ）を通して、相互に接続されるとともに制御される。１つまたは複数の負荷１４は、一般に、多数の個々の顧客負荷を含み、そのうちの少なくともいくつかは、実質的に連続した電力供給を必要とし、従って、「重要な負荷」と見なされる。重要な負荷１４は、通常、コンピュータ、コンピュータを使用する制御装置、および電子データ処理装置のうちの少なくとも１つである。説明と視覚的相違点を容易にするために、相対的により高い電圧／電流／電力を１つまたは複数の負荷１４に運ぶ図の部分は、システム８のより低い電圧の制御部分とは対照的に、太くしてある。

公益事業設備送電網バス１０は、燃料電池電力設備１８が導線またはバス１５を介して提供するように、通常、４８０Ｖ_ACおよび６０Ｈｚの電力を提供する。全体が１２によって示されるスイッチング装置が、１つまたは複数の燃料電池１８、１つまたは複数の負荷１４、および公益事業設備送電網１０を相互に接続するように機能する。このように、燃料電池１８は、その経済的な使用のために、全時間において負荷１４と公益事業設備送電網１０の少なくとも一方に電力を供給するように利用可能でありかつ接続される。スイッチング装置１２は、以下に説明するように、公益事業設備送電網バス１０を、負荷１４および燃料電池１８に選択的に接続しおよび接続を解除するための静的スイッチモジュール１７を含む。静的スイッチモジュール１７は、２０００アンペアの定格でありかつ約１／４周期（約４ｍｓ）内で電力の継ぎ目なしスイッチイング切り換えを実施できる３極電気作動静的スイッチ１９を含む。さらに、スイッチング装置１２は、点検のために静的スイッチ１９を主として遮断しかつ１つまたは複数の負荷１４に電力を提供し続けるために、燃料電池１８、負荷１４、公益事業設備送電網バス１０、および静的スイッチモジュール１７を互いにさらに選択的に接続しおよび接続を解除するためのいくつかの内部連結器（ｉｎｔｅｒ−ｔｉｅ）または遮断器スイッチ２１、２１Ａ、２３、２３Ａ、および遮断スイッチ２５を含む。第２の目的は、大きな障害電流を、万一そのような障害が負荷１４内に生じた場合に、静的スイッチ１９の代わりに遮断器２３Ａを通して流すことである。

１つまたは複数の燃料電池１８は、負荷１４と公益事業設備送電網１０の少なくとも一方に電力を提供するように接続される、単一の電力設備または複数の（すなわち「ｎ」個の）設備とすることができる。例示的実施態様においては、５つの燃料電池電力設備１８があり、それぞれは、２００ｋｗＯＮＳＩＰＣ２５^TMＣ電力設備であり、集合して１メガワットまでの電力を提供する。燃料処理装置および燃料電池スタック自体に加えて、各電力設備１８は、さらに、電力調整システム（ＰＣＳ）を含み、この電力調整システムは、ＤＣ電力を所望の電圧および周波数のＡＣ電力に変換するソリッドステートインバータを含む。ＰＣＳのおよびＰＣＳによる制御は、よりいっそう詳細に以下に説明するように、さらに、Ｇ／ＣからＧ／Ｉへまたその逆への燃料電池電力設備１８の作動モードの変換を可能とする。Ｇ／Ｃモードで使用されるとき、ＰＣＳにより制御される変数は、供給される（有効および無効の両方の）電力である。Ｇ／Ｉモードで使用されるとき、制御される変数は、出力電圧および周波数、および、複数の電力設備１８が関係する場合は、位相である。三相システムの出力電圧は、もちろん、各位相間で１２０°の位相角となるように制御される。いくつかの燃料電池電力設備１８の出力が、バス１５によりひとまとめにして結合され、バス１５は、デルタ対ワイ変成器（ｄｅｌｔａ−ｔｏ−ｗｙｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）２７およびバス１５’を通してスイッチング装置１２に接続される。変成器２７は、負荷１４のために別々に導かれる中性／接地装置（ｎｅｕｔｒａｌ／ｇｒｏｕｎｄｓｙｓｔｅｍ）を提供し、また、燃料電池ＰＣＳと、負荷１４および公益事業設備送電網バス１０の少なくとも一方との間の遮断を提供する。

サイト監視制御器（ＳＳＣ）２９が、システム８のための運転者インターフェースを提供し、高いレベルでのシステムの制御に責任を負うことができる。ＳＳＣ２９によって、運転者は、「始動」、「停止」などの高いレベルの命令を発することができる。ＳＳＣ２９は、システム８のさまざまな構成要素および機能の制御を実行するために、１つまたは複数のプログラム可能な論理制御装置、データ処理装置、コンピュータ、検出器、などを含むことができる。運転者コンソール３２が、ＳＳＣ２９のためのディスプレイおよび入力能力を提供する。ＳＳＣ２９は、リンク５２を通してのようにスイッチング装置１２の制限された制御を提供できるとはいえ、このスイッチング装置の主な制御は、静的スイッチ１９により自動的に起こる。

さらに、以下に説明する送電網電圧基準信号１０’ばかりでなく静的スイッチモジュール１７からの信号に応答して、燃料電池１８のＰＣＳの直接の制御を提供するサイト管理制御器（ＳＭＣ）３１が設けられる。また、ＳＭＣ３１は、コンピュータ、付随する検出器、および制御回路から構成することができる。ＳＭＣ３１は、ＳＭＳ１１に含まれた部分として見なしかつ考えることができる。制御バス３３が、ＳＭＣ３１と燃料電池１８のＰＣＳの間で制御信号を交換する。制御信号は、ＳＳＣ２９と燃料電池１８の間で、ここでは破線で示される制御バス３５を介して交換することもできる。制御信号は、ＳＭＣ３１と静的スイッチモジュール１７の間で制御バス４０を介して交換される。電圧または電位変成器３７が、送電網の電圧、位相、および周波数を示す制御信号を提供する目的で、４８０Ｖ_AC送電網電圧を検出するとともに、低下された１２０Ｖ_ACの値を、バス１０’を介してＳＭＣ３１と静的スイッチモジュール１７に伝達する。１つまたは複数の変成器３７の図示された位置および量は、概して象徴的であり、理解されるように、そのような１つまたは複数の変成器は、代替として、制御信号が提供されるための制御回路またはモジュールの一部として組み込まれることができる。電流変成器４１が、負荷１４に接続された電力バス経路３９内の負荷電流を検出するとともに、その値を、バス４３を介して静的スイッチモジュール１７に伝達する。同様に、電流変成器４２が、送電網電流を検出するとともに、その値を、バス４４を介して静的スイッチモジュール１７に伝達し、電圧変成器４６が、負荷電圧を検出するとともに、それを、バス４８を介して静的スイッチモジュール１７に伝える。

さらに図４に関して、スイッチング装置１２についてのさらなる考察に戻ると、燃料電池１８からの電力バス１５’は、遮断器２１を通して静的スイッチ１９の一方の極に接続される。電力バス経路３９は、静的スイッチ１９のこの極から通常は閉になっている遮断スイッチ２５を通して負荷１４に延びている。公益事業設備送電網電力バス１０は、静的スイッチ１９の他方の極に遮断器２３を通して延びている。遮断器スイッチ２１および２３は、燃料電池１８と公益事業設備送電網１０の少なくとも一方からの電力が、静的スイッチ１９が閉になるとすれば、負荷１４に供給され得るように、通常作動時に閉にされるように意図される。同様に、燃料電池１８によって重要な負荷１４に供給される電力が電池の全電力出力より小さいとすれば、燃料電池１８からの過剰な電力は、静的スイッチ１９を通して公益事業設備送電網に、または、少なくとも静的スイッチ１９の送電網側に位置する顧客の重要でない負荷（図示せず）に、供給され得る。実際、これは、燃料電池１８の使用を最大にするとともに、送電網１０からの電力の、必要性および費用を最低限に抑えるので、好ましい経済的な作動モードである。

バイパス遮断器スイッチ２１Ａは、電力バス１５’から負荷１４と遮断スイッチ２５の間の電力バス経路３９に接続され、通常は開になっており、閉にされるときは、保守または遮断の目的のために遮断器スイッチ２１をバイパスするように機能する。同様に、バイパス遮断器スイッチ２３Ａは、公益事業設備送電網バス１０から負荷１４と遮断スイッチ２５の間の電力バス経路３９に接続され、通常は開になっており、閉にされるときは、静的スイッチが故障した場合、または保守時、または静的スイッチの定格を超えるのに十分大きな負荷障害時に、遮断器スイッチ２３と静的スイッチ１９をバイパスして送電網電力を負荷１４に供給するように機能する。遮断器２１、２３、および２３Ａは、電気的に作動され、静的スイッチ１９により自動的に制御されて、５または６周期、例えば約８０〜１００ｍｓの間に切り換えを実行する。遮断器スイッチ２１Ａと遮断スイッチ２５は、手動である。スイッチ２１、２３、および２３Ａは、ＳＳＣ２９により手動で制御されることもできる。スイッチ２１、２１Ａ、２３、２３Ａ、および２５のそれぞれは、２０００アンペアの定格であり、回路遮断器は、６５ｋａｉｃの障害中断定格を有する。一般的伝達リンク５２は、スイッチング装置１２とＳＳＣ２９の間に破線で示されており、これらの間で、静的スイッチ１９、およびいくつかの遮断器２１、２３、２３Ａなどのための適切なステータス信号および手動制御信号を運ぶ。静的スイッチモジュール１７に付随する制御論理４９、特にそのスイッチ装置制御論理部分４９Ｂは、いくつかの遮断器およびスイッチ２１、２１Ａ、２３、および２３Ａを、そこへと延びる破線制御経路２１’、２１Ａ’、２３’、および２３Ａにより示されるように、制御するように機能する。制御論理４９は、一般に、静的スイッチ１９を迅速に制御するための高速の論理部分４９Ａと、スイッチ装置１２の残りを制御するための相対的に、より低速の部分４９Ｂとから構成される。

図４をなおさらに参照すると、静的スイッチモジュール１７が、よりいっそう詳細に図示される。静的スイッチ１９が、実際は、３対のＳＣＲ（サイリスタ）であり、それぞれの制御ゲート１９Ｇがイネーブルにされた場合は、いずれかの方向に導通があるように、各対が、並列に対向した（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｏｐｐｏｓｅｄ）関係で接続されているとはいえ、それらのＳＣＲの１つだけが、この図では図示されている。この３対のＳＣＲは、それぞれ、電力供給の３位相のそれぞれのためのものである。通常、制御ゲート１９Ｇは、共通に接続されるとともに、一斉に制御される。公益事業設備送電網バス１０上の電力と燃料電池バス１５／１５’上の電力の少なくとも一方が、制御ゲート１９Ｇがイネーブルにされたときに、ＳＣＲ１９を通って流れることができ、それによって、どちらかの供給源が、負荷１４に電力を供給することができる。

通常モードは、公益事業設備送電網１０と燃料電池１８が接続されるＧ／Ｃである。モジュール１７は、公益事業設備送電網バス１０からの電力の供給が所定範囲を外れるときを検出するための回路４５を含む。一般に、これらの範囲は、規格値または公称値に対する電圧および電流範囲を含み、検出回路４５は、いつ送電網がこれらの範囲を外れたかを示すために、導線４７上の信号を、制御論理４９、特にその静的スイッチ制御論理４９Ａに提供する。検出または検知回路４５は、高速で作動し、約２ｍｓ内で応答を与える。図示されていないとはいえ、別の高速作動周波数検知器が、送電網周波数をモニタできるとともに、「範囲」「内」または「範囲」「外」信号を、静的スイッチ制御論理４９Ａに提供できる。「範囲外」の送電網信号値は、例えば：ａ）どのような位相でも、４８０ｖ＋８％から−１５％の範囲外の瞬間送電網電圧の大きさ；ｂ）どのような位相でも、２，０００アンペアより大きな瞬間過電流；ｃ）０．５秒間を超える公称６０Ｈｚ値からの周波数の逸脱、その他などを含む。制御論理４９Ａは、所定範囲を外れた送電網に応答して、ＳＣＲゲート１９Ｇをディセーブルにする信号をそれらに提供するように作動する。ＳＣＲ１９は、迅速に転換を中止することになり、それによって、公益事業設備送電網バス１０は、負荷１４と燃料電池１８の両方から接続が解除される。電流検出器４２’が、ＳＣＲを通る電流を検出するとともに、ＳＣＲを通る零電流の発生のしるしを制御論理４９Ａに提供する。この情報は、論理４９Ａによって、ＳＣＲ転換をより高速にするのに使用される。この全体の作動は、通常、約１／４周期（４ｍｓ）内に生じ、従って、送電網１０と燃料電池１８からの燃料電池１８のみへの電力供給の継ぎ目なし切り換えを容易にし、燃料電池は、説明するように迅速に再設定される。これは、従来のライン転換を用いてＳＣＲを転換するのに必要とされる８ｍｓまたはそれを超えるよりは、かなり高速である。

さらに、制御論理４９Ｂは、さまざまな送電網、負荷、および燃料電池の範囲外または障害の条件下で、スイッチング装置２１、２３、および２３Ａを作動させるのに、電圧および電流検出器３７、４１、４２、および４６を使用する。例えば、静的スイッチ１９の電流定格を超えることができるような負荷過電流条件が存在する場合は、スイッチ２３Ａは、閉にされて、障害電流を負荷１４に伝導し、静的スイッチをバイパスする。さらなる例として、燃料電池障害は、低い負荷電圧、および負荷過電流ではないがおそらく高い送電網電流を監視することにより、間接的に検知できる。そのような場合は、スイッチ２１は、開にされて、燃料電池障害を負荷１４から遮断する。制御論理４９Ａは、さらに、導線４０１上にＭ１モード信号を、および導線４０２上にＭ２モード信号を提供する。ＳＳＣ２９からの手動制御では、Ｇ／Ｉステータス信号が、制御論理４９により導線４０３上に提供され、ＳＷ１９イネーブル信号が、導線４０４上に受け取られる。信号４０１および４０２は、制御信号バス４０の一部であり、導線４０３および４０４上の信号は、伝達リンク５２を介して運ばれ得る。検出回路４５は、送電網が所定範囲を外れていることを検出したときは、導線４０２上のＭ２モード信号を「オフ（Ｏｆｆ）」から「オン（Ｏｎ）」状態に移行させて、モード変更の必要性を知らせるとともにモード変更を開始する。同様に、しかしながら少しばかり遅れて、静的スイッチ１９が、検出された送電網の範囲外の条件に応答して実際に開にされたときは、導線４０１上のＭ１モード信号は、「オフ（Ｏｆｆ）」から「オン（Ｏｎ）」状態に移行して、モード変更の名目上の完了を知らせる。これとは逆が、送電網電力供給が許容できる範囲内に戻ったことを検出回路が決定すると、生じるとともに、Ｍ２信号が、再び、Ｍ１信号を先導する。

図５を参照すると、ＳＭＣ３１とその燃料電池１８ＰＣＳの制御の関連部分が、よりいっそう詳細に図示されているが、理解されるように、ＳＭＣは、図示されていない負荷分配などの付加的制御機能を提供する。電位変成器３７は、ここでは、代替として別の変成器３７’として図示されており、上述したように、ＳＭＣ３１の一部として組み込まれる。静的スイッチモジュール１７からのＭ１信号およびＭ２信号は、インターフェース回路５１に入力され、インターフェース回路５１は、これらの信号のそれぞれを調整して、それぞれの離散信号Ｄ１およびＤ２を、いくつかの燃料電池電力設備１８のそれぞれのＰＣＳ部分に接続された導線４０１’および４０２’上に提供し、モード変更時に内部のインバータ（図示せず）のゲーティングおよびシーケンスを制御する。

Ｇ／ＣモードまたはＧ／Ｉモードにおける燃料電池電力設備１８の同期は、導線５３上に現れる「ｓｙｎｃ」信号により行われる。ｓｙｎｃ信号は、位相ロックループ５５を通して提供され、位相ロックループ５５は、低下された公益事業設備送電網バス１０’に接続された零交差検知器５９から、または結晶６１などの内部周波数供給源から、スイッチ５７を通して代替の入力を受け取る。回路４５と類似の「送電網損失」検知器６３が、低下された公益事業設備送電網バス１０‘に接続されており、送電網電力が所定範囲内にあるかないかの関数として３極スイッチ５７を作動させる制御信号を提供する。また、インターフェース回路５１は、Ｍ１モード信号およびＭ２モード信号に応答して、スイッチ５７に延びる信号を提供し、このスイッチを、それぞれのモードの関数として切り換える。理解されるように、検知器６３は、省くことができ、その代わりにモジュール１７からの検知器回路４５の出力が、インターフェース回路５１に適用されるＭ１モード信号およびＭ２モード信号を制御するのに使用され、インターフェース回路５１は、そして次に、スイッチ５７を制御する。このスイッチは、通常Ｇ／Ｃモードで図示されており、この通常Ｇ／Ｃモードでは、燃料電池１８のＰＣＳに提供された同期信号は、公益事業設備のものであり、それによって、燃料電池インバータからの出力の周波数および位相が、公益事業設備のものと同じになりかつ同じであるように制御される。

システム８が、Ｇ／Ｉモードで作動するときは、燃料電池１８の出力の周波数および位相は、結晶６１により決定される。公益事業設備送電網の電力供給源が、所定範囲内に戻り、システム８が、Ｇ／Ｃモードに戻されることになっているとき、位相および周波数供給源も、同様に戻される。位相ロックループ５５は、一方のモードから他方のモードへの同期信号の移行において、同期信号の向きを変えて、ステップまたは不連続を回避する。

それぞれの燃料電池電力設備１８のＰＣＳのソリッドステートインバータ、およびこれらを制御する高速ソリッドステートゲート（図示せず）は、電力供給源の継ぎ目なしの切り換えに必要とされる１／４周期（４ｍｓ）内で応答できる。従って、これらのインバータは、それらのゲートのモード制御信号Ｄ１およびＤ２による制御を通して、継ぎ目なしの切り換えを達成するのに十分迅速に燃料電池１８のモード変更を行うことができる。これによって、燃料電池電力設備１８は、反対のモードで作動するために再設定されるときに、ほんの瞬間（４ｍｓ未満）の中断で、発電モードすなわちＧ／ＣまたはＧ／Ｉで実質的に連続して作動できる。各燃料電池電力設備１８のための電力調整システム（ＰＣＳ）、特に電力調整システムのインバータおよび付随するゲート論理および制御器は、ウィスコンシン州ニューバーリン（ＮｅｗＢｅｒｌｉｎ）のマグネテック社（ＭａｇｎｅＴｅｋＩｎｃ．）により製造された種類のものである。

図６に図示された表を、上記および下記の電力システム８の説明と組み合わせて参照すると、本発明の理解が完了することになる。通常Ｇ／Ｃ作動中に、モード信号Ｍ１およびＭ２の両方、従ってまたＤ１およびＤ２は、「オフ（Ｏｆｆ）」であり、静的スイッチ１９は、「オン（Ｏｎ）」（導通／閉）であり、ＰＣＳ内のインバータゲートは、イネーブルにされ、システム８のためのｓｙｎｃ、特に燃料電池ＰＣＳのためのｓｙｎｃは、公益事業設備送電網バス１０により提供される。しかしながら、送電網電圧、電流、または周波数のパラメータが、所定の範囲から逸脱する（外れる）と、作動のシステムモードは、即座にＧ／Ｉモードへの切り換えを開始する。

具体的には、Ｍ２は、迅速に「オン（Ｏｎ）」に移行し、一方、Ｍ１は、スイッチ１９が「オン（Ｏｎ）」から「オフ（Ｏｆｆ）」へ移行するのに必要な短い時間の間、「オフ（Ｏｆｆ）」のままである。離散信号Ｄ１およびＤ２は、Ｍ１およびＭ２と、それぞれ同じ状態にある。信号Ｍ２（従って、Ｄ２）の「オン（Ｏｎ）」状態への移行は、ＰＣＳ内のインバータゲートを短時間で「オフ（Ｏｆｆ）」にするように機能し、それによって、４ｍｓ未満の短い時間の間、燃料電池１８のＰＣＳは、作動のＧ／Ｉモードに再設定されている間、電力出力を提供しない。この時間の間、ＰＣＳ出力調整器は、Ｇ／Ｃモードにおいて電力（有効）およびＶＡＲを調整し、かつ、Ｇ／Ｃモードにおいて電圧および周波数を調整するように、再設定されている。ｓｙｎｃも、この時間の間に再設定されている。この中断は、十分に短く、スイッチ１９は、十分に高速なので、送電網１０上の過負荷が電力システム８の残りに不利に影響する可能性は、ほとんどまたは全くない。

４ｍｓまたはそれ未満のこの短い時間の後に、システム８は、再設定され、Ｇ／Ｉモードで作動する。モード信号Ｍ１およびＭ２（従ってまた、Ｄ１およびＤ２）は、両方とも「オン（Ｏｎ）」であり、スイッチ１９は、「オフ（Ｏｆｆ）」（開）であり、それによって、システムは、公益事業設備送電網バス８から接続が解除され、ＰＣＳ内のインバータゲートは、再び、オン（Ｏｎ）になって、１つまたは複数の負荷１４に燃料電池電力設備１８から電力を供給する。この時点で、ＰＣＳからの出力は、結晶６１によって「刻時パルスを送り込まれる（ｃｌｏｃｋ）」、すなわち同期されている。Ｇ／Ｉモードでは、燃料電池電力設備１８は、公益事業設備送電網を含まずにひとまとめにした燃料電池の少なくとも最大能力に調整された電圧および周波数で、電力を負荷１４に、供給しあるいは供給し続ける。

公益事業設備送電網バス１０が、検出器４５によって決定されるように許容できる範囲内に戻ってくるような時間に、静的スイッチモジュール１７の制御論理４９は、前のモード変更シーケンスを逆にし、Ｇ／ＩモードからＧ／Ｃモードに戻る移行を開始する。モード信号Ｍ２が、最初に「オフ（Ｏｆｆ）」となり、一方、Ｍ１は、短時間「オン（Ｏｎ）」のままであり、スイッチ１９は、速やかに「オフ（Ｏｆｆ）」から「オン（Ｏｎ）」に移行し、それによって、公益事業設備送電網バス１０は、もう一度、燃料電池１８と共に負荷１４に接続され、ＰＣＳインバータゲートは、再設定中に再び短時間「オフ（Ｏｆｆ）」となり、ＰＣＳ同期は、結晶６１への依存から公益事業設備送電網供給のものへと変更されている。内部ＰＣＳ出力調整は、電圧および周波数から電力およびＶＡＲへと変更される。再設定のための短い時間（４ｍｓ未満）の後で、システム８は、Ｇ／Ｃ状態またはモードに戻る。

静的スイッチモジュール１７、特にその中のスイッチ１９は、燃料電池１８およびそのそれぞれのＰＣＳからは分離されかつ外部にあるように図示されており、従って、複数の燃料電池の制御に責任を負っている単一の制御要素の経済性を与える。しかしながら、理解されるように、これらの制御器は、特にほんの単一の燃料電池電力設備だけの場合は、それぞれの燃料電池と一体化または内蔵することができるであろう。さらに、静的スイッチ１９は、複数の対のＳＣＲの文脈で記載されているとはいえ、理解されるように、類似のスイッチング速度および電流定格が可能な他の静的スイッチング装置も使用できる。また、理解されるように、より多くのまたはより少ない数の燃料電池電力設備が使用できるとともに、ここで説明した要素に付随する電圧および電流定格の両方ともが、説明したのより大きくすることもまた小さくすることもできる。同様に、静的スイッチモジュール１７内にあるとしてここで説明した制御回路は、ＳＭＣ３１内に存在することができる。

従来技術に従う不断の電力供給の一型式の簡略概略ブロック図。従来技術に従って燃料電池電力設備を使用する不断の電力供給の簡略概略ブロック図。本発明に従って燃料電池電力設備、静的スイッチ、およびサイト制御器を使用する不断の電力システムの簡略概略ブロック図。よりいっそう詳細に静的スイッチを例示する概略ブロック図。よりいっそう詳細にサイト制御器を例示する概略ブロック図。モード制御信号に関連する１つまたは複数の燃料電池の作動モード状態の表。

Claims

不断の電力を重要な負荷（１４）に提供する電力システム（８）であって、
ａ．重要な負荷（１４）に供給するのに十分な電力を提供する、第１の電力供給源（１０）と、
ｂ．複数の燃料電池電力設備（１８）から成り、重要な負荷（１４）に供給するのに十分な電力を提供し、通常は実質的に連続して重要な負荷（１４）に接続されかつ電力を供給するように適合された、第２の電力供給源（１８）と、
ｃ．第１の電力供給源（１０）を第２の電力供給源（１８）および重要な負荷（１４）に選択的に接続しかつ接続を解除する静的スイッチ（１９）と、
ｄ．第１の電力供給源（１０）の通常作動時は、第１の電力供給源（１０）を重要な負荷（１４）および第２の電力供給源（１８）と接続し、かつ、第１の電力供給源（１０）の作動が通常から所定範囲を超えて逸脱する場合のときは、重要な負荷（１４）および第２の電力供給源（１８）から第１の電力供給源（１０）の接続を迅速に解除するように、静的スイッチ（１９）の状態を制御する、スイッチ制御装置（４９、４５）と、
ｅ．複数の燃料電池電力設備（１８）を制御する、サイト管理制御装置（３１）と、
を備え、
前記第１の電力供給源（１０）は、公益事業設備電力送電網であり、各燃料電池電力設備（１８）は、モード制御信号（Ｄ１／４０１’、Ｄ２／４０２’）に応答して送電網接続モードまたは送電網独立モードでそれぞれの燃料電池（１８）の作動を設定する電力調整システム（ＰＣＳ）を含み、サイト管理制御装置（３１）は、スイッチ制御装置（４９、４５）と電力調整システム（ＰＣＳ）の中間に接続されるとともにスイッチ制御装置（４９、４５）からの予備的モード信号（Ｍ１／４０１、Ｍ２／４０２）に応答して、モード制御信号（Ｄ１／４０１’、Ｄ２／４０２’）を燃料電池電力調整システム（ＰＣＳ）に提供し、それによって、複数の燃料電池電力設備（１８）は、送電網接続モードと送電網独立モードの間で作動を迅速に移行させることを特徴とする電力システム（８）。
前記スイッチ制御装置（４９、４５）は、第１の電力供給源（１０）が通常作動に戻るときは、第１の電力供給源（１０）を重要な負荷（１４）および第２の電力供給源（１８）と迅速に再接続するように、静的スイッチ（１９）の状態を付加的に制御することを特徴とする請求項１記載の電力システム（８）。
前記静的スイッチ（１９）は、ソリッドステート装置であることを特徴とする請求項１記載の電力システム（８）。
前記ソリッドステート装置は、サイリスタ（１９）であることを特徴とする請求項３記載の電力システム（８）。
前記重要な負荷（１４）および第２の電力供給源（１８）からの第１の電力供給源（１０）の接続の迅速な解除、および、送電網接続モードと送電網独立モードの間の複数の燃料電池電力設備（１８）の作動の迅速な移行は、約４ミリ秒間の時間内に生じることを特徴とする請求項１記載の電力システム（８）。
前記重要な負荷（１４）および第２の電力供給源（１８）からの第１の電力供給源（１０）の接続の迅速な解除は、約４ミリ秒間の時間内に生じることを特徴とする請求項１記載の電力システム（８）。
実質的に連続した電力を少なくとも１つの重要な負荷（１４）に提供する電力システム（８）であって、
ａ．重要な負荷（１４）に供給するのに十分な電力を提供する、公益事業設備送電網電力供給源（１０）と、
ｂ．複数の燃料電池電力設備（１８）であって、各燃料電池電力設備（１８）が、モード制御信号（Ｄ１／４０１’、Ｄ２／４０２’）に応答して送電網接続モードまたは送電網独立モードでそれぞれの燃料電池（１８）の作動を設定する電力調整システム（ＰＣＳ）を含み、さらに、複数の燃料電池電力設備（１８）は、重要な負荷（１４）に供給するのに少なくとも十分な電力を提供するように実質的に連続して作動し、通常は実質的に連続して重要な負荷（１４）に接続されかつ電力を供給する、複数の燃料電池電力設備（１８）と、
ｃ．送電網電力供給源（１０）を複数の燃料電池電力設備（１８）および重要な負荷（１４）に選択的に接続しかつ接続を解除する静的スイッチ（１９）と、
ｄ．送電網電力供給源（１０）の通常作動時は、送電網電力供給源（１０）を重要な負荷（１４）および複数の燃料電池電力設備（１８）と接続し、かつ、送電網電力供給源（１０）が通常から所定範囲を超えて逸脱するときは、重要な負荷（１４）および複数の燃料電池電力設備（１８）から送電網電力供給源（１０）の接続を４ミリ秒間の時間内に解除するように、静的スイッチ（１９）の状態を制御する、スイッチ制御装置（４９、４５）と、
ｅ．スイッチ制御装置（４９、４５）と電力調整システム（ＰＣＳ）の間に接続されるとともにスイッチ制御装置（４９、４５）からの予備的モード信号（Ｍ１／４０１、Ｍ２／４０２）に応答して、モード制御信号（Ｄ１／４０１’、Ｄ２／４０２’）を燃料電池電力調整システム（ＰＣＳ）に提供し、それによって、複数の燃料電池電力設備（１８）が、送電網接続モードと送電網独立モードの間で作動を４ミリ秒間の時間内に迅速に移行させるようにする、サイト管理制御装置（３１）と、
を備えることを特徴とする電力システム（８）。