JP4258228B2 - 燃料電池用電力変換装置の制御方法とその制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池が発生する電力を所望の電力に変換する電力変換装置を制御する制御方法と制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は燃料電池から電力変換装置を介して負荷へ電力を供給する回路の一般的な構成を示した主回路接続図であって、燃料電池の発生電力をチョッパで所望電圧の直流電力に変換したのち、この直流電力をインバータで交流電力に変換して負荷へ給電する場合を示している（例えば、特許文献１および特許文献２を参照。）。
この図５において、燃料電池１が発生する直流電力は、直流リアクトル２とダイオード４と自己消弧素子６とでなる昇圧チョッパにより所望の電圧に昇圧される。昇圧された直流電力は、平滑コンデンサ５を介して電圧型インバータ１０へ入力する。電圧型インバータ１０は自己消弧素子１１とダイオード１２との逆並列接続でなるスイッチング回路で構成していて、この電圧型インバータ１０に入力する直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換する。変換された交流電力は、交流リアクトル１３と交流遮断器１６とを介して負荷１８へ供給される。なお符号８はチョッパ制御器であって、直流電流検出器３が検出する直流電流検出値Ｉ_DCと平滑コンデンサ５から検出する直流電圧検出値Ｖ_DCを入力して、チョッパゲートパルス２８を出力する。また、符号１７はインバータ制御器であって、平滑コンデンサ５から検出する直流電圧検出値Ｖ_DCと交流電流検出器１４が検出する交流電流検出値Ｉ_ACと交流電圧検出器１５が検出する交流電圧検出値Ｖ_ACを入力して、インバータゲートパルス４２を出力する。
【０００３】
図６は図５に記載のチョッパ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図である。この図６において、平滑コンデンサ５（図５参照）から検出する直流電圧検出値Ｖ_DCと別途に設定している直流電圧指令値Ｖ_DC ^* との偏差を電圧調節器２２へ入力することで、電圧調節器２２はその入力電圧偏差を零にする直流電流指令値Ｉ_DC ^* を出力する。この直流電流指令値Ｉ_DC ^* と直流電流検出器３（図５参照）が検出する直流電流検出値Ｉ_DCとの偏差を電流調節器２３へ入力することで、電流調節器２３はその入力偏差を零にするパルス変調率２５を出力する。キャリア発生器２７が出力するキャリアとこのパルス変調率２５から、パルス幅変調演算器２６はチョッパゲートパルス２８を生成する。
【０００４】
図７は図５に記載のインバータ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図である。この図７において、別途に設定する周波数指令値ｆ^* を積分器３１で積分する。この積分演算結果を正弦波関数演算器３２へ入力して正弦波を得る。電圧実効値指令値３３に対応したゲイン３４と、前述の演算により得られた正弦波とを乗算器３５で掛け算することにより、交流電圧指令値Ｖ_AC ^* が生成される。この交流電圧指令値Ｖ_AC ^* と交流電圧検出器１５が検出する交流電圧検出値Ｖ_ACとの偏差を電圧調節器３８へ入力することで、電圧調節器３８はその入力電圧偏差を零にする制御信号を出力する。
【０００５】
交流電流検出器１４（図５参照）が検出する交流電流検出値Ｉ_ACと、演算器４３とで交流リアクトル１３（図５参照）の電圧が求まる。このリアクトル電圧と、電圧調節器３８が出力する制御信号と、交流電圧指令値Ｖ_AC ^* との和を演算する。除算器４０は、この和を、前述の直流電圧検出値Ｖ_DCにゲイン４４を乗じた値で割り算することにより、パルス変調率４１が決定される。キャリア発生器３９が出力するキャリアとこのパルス変調率４１から、パルス幅変調演算器２９はインバータゲートパルス４２を生成する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２２２２５８号公報
【特許文献２】
特開平８−３２１３１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、燃料電池１が発生する電力を電力変換装置（図５では昇圧チョッパと電圧型インバータで構成）で変換して負荷１８へ供給するのであるが、この負荷１８が変動すると、この変動に対応して電圧調節器２２が動作することにより、平滑コンデンサ５の電圧を一定値に維持するのであるが、電源である燃料電池１はその特性から、出力する有効電力が急激に増加する場合は、当該燃料電池１の内部でガス不足が発生し、電池寿命を短くしてしまう不具合を生じる。そこで電圧調節器２２の応答速度を遅く設定するならば、負荷１８が急増しても電圧の回復が緩やかになるから、燃料電池１の出力有効電力が急増するのを抑制し、電池寿命が短くなるのを抑制することができる。しかしながら、負荷１８へ電力を供給中に突然交流遮断器１６が開路してしまうような、所謂負荷遮断事故が発生すると、電圧調節器２２の制御応答速度が遅いために、平滑コンデンサ５の電圧が過大に上昇してしまう不具合を発生することになる。
【０００８】
そこでこの発明の目的は、燃料電池から電力変換装置を介して電力を供給する場合に、負荷が急増しても燃料電池の寿命が短くならず、且つ負荷遮断時でも過電圧の発生を抑制できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の燃料電池用電力変換装置の制御方法とその制御装置は、
前記インバータが出力する有効電力を検出し、この有効電力が増加しているときは、前記インバータの直流入力電圧を制御する応答速度を、当該有効電力が増加中でないときよりも遅らせる。
前記インバータが出力する有効電力を検出する有効電力検出回路と、この有効電力が増加しているか否かを判別する有効電力増加判定回路と、有効電力が増加中ならば前記インバータの直流入力電圧を制御する応答速度を、当該有効電力が増加中でないときよりも遅らせる遅延回路とを備える。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表したフローチャートである。このフローチャートにおいて、燃料電池１の出力電力を変換する電力変換装置が出力する有効電力を検出（処理８１）し、この有効電力が増加中であるか否かを判定（判断８５）する。有効電力が増加中ならば、電力変換装置の制御応答速度を遅らせる（処理８２）ことで、燃料電池１の出力電力が急激に増大するのを抑制できるので、電池内部のガス不足で電池寿命が短くなのを回避できる。また、出力電力の増大が止まれば（判断８６）、電力変換装置の制御応答速度を元へ戻す（処理８３）ことで、負荷遮断などで負荷が急激に減少した場合に生じる過電圧を抑制することができる。
【００１１】
図２は本発明の第２実施例を表したブロック回路図であって、図６で既述のチョッパ制御器に、有効電力演算器４５，電圧実効値演算器４６，除算器４７，条件付き遅延回路４８，三相／二相変換器４９および三相／二相変換器５０を追加した構成である。よって以下では追加分についてのみを説明することとし、図６で既述の分の説明は省略する。
この図２において、電圧型インバータが三相の場合は、交流電流検出器１４で検出する三相の交流電流検出値Ｉ_ACを、三相／二相変換器４９で下記の数式１に示すように、直交するａ相とｂ相の電流に変換する。
【００１２】
【数１】

なお、三相の交流電圧検出値Ｖ_ACも、三相／二相変換器５０で直交するａ相とｂ相の電圧に変換するが、これは数式１における電流ｉを電圧ｖに置換して得られるから、その数式表示は省略する。
三相／二相変換器４９と三相／二相変換器５０で得られた二相量の電流と電圧を有効電力演算器４５へ入力することで、下記の数式２に示す演算により有効電力Ｐが得られる。
【００１３】
【数２】
Ｐ＝ｖ_a ・ｉ_a ＋ｖ_b ・ｉ_b
電圧実効値演算器４６は、三相／二相変換器５０で得られた二相量の電圧値を使って下記の数式３による演算を行うことで、電圧実効値を得る。
【００１４】
【数３】

除算器４７は、有効電力Ｐを数式３で得られる電圧実効値で割り算することで、チョッパが出力すべき直流電流が演算される。このようにして得られた直流電流は、有効電力が増加中であるか否かを判別する有効電力増加判定回路と、有効電力が増加中ならば制御応答速度を遅延させる動作遅延回路で構成されている条件付き遅延回路４８へ与えられる。この条件付き遅延回路４８の出力が、電圧調節器２２の出力と直流電流検出値Ｉ_DCとの和に加算されて電流調節器２３への入力となる。
【００１５】
図３は図２に図示の条件付き遅延回路の構成の一例を表したブロック回路図である。
この図３において、当該条件付き遅延回路への入力信号５５と、遅延器５６で得られる１サンプリング前の入力値とを比較器５７で比較することにより、入力信号５５が増大しつつあるか否かが判別できる。現在値が大きいときは一次遅れフィルタ５８の出力を選択するように選択器５９が動作するし、現在値と１サンプリング前の入力値とが等しいか、または現在値が小さいときは現在の入力信号５５がそのまま選択される。
【００１６】
図４は図２に図示の条件付き遅延回路の構成の別の一例を表したブロック回路図である。
この図４において、当該条件付き遅延回路への入力信号６５と、遅延器６９で得られる１サンプリング前の出力値７０との差を求め、この差が変化率設定器６６で設定した値よりも大きいか否かを比較器６７で比較する。差が変化率設定値よりも大きい場合は、１サンプリング前の出力値７０と変化率設定値の和を選択するように選択器６８が動作するし、前述の差が変化率設定値以下の場合は入力信号６５を選択する。
【００１７】
【発明の効果】
燃料電池の出力側に電力変換装置を設置している場合に、この電力変換装置の制御応答速度が速いと、負荷が急激に増加したときに燃料電池内部のガス圧力が低下して、電池寿命が短くなってしまう。そこで制御応答速度を遅くすると、負荷遮断などで負荷が急激に減少した場合に電圧が過大に上昇してしまう不都合を生じる。
これに対して本発明では、電力変換装置が出力する有効電力が増加中であるか否かを判別する有効電力増加判定回路と、この有効電力が増加中ならば制御動作を遅延させる動作遅延回路とを備えた条件付き遅延回路を設けることで、負荷が変動して有効電力が増大する場合は制御応答速度を遅らせ、有効電力が増大しない場合は制御応答速度を速くしているので、負荷の急激な増大が原因で燃料電池の寿命が短縮するのを回避でき、負荷遮断時に電圧が過大に上昇することも回避できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表したフローチャート
【図２】本発明の第２実施例を表したブロック回路図
【図３】図２に図示の条件付き遅延回路の構成の一例を表したブロック回路図
【図４】図２に図示の条件付き遅延回路の構成の別の一例を表したブロック回路図
【図５】燃料電池から電力変換装置を介して負荷へ電力を供給する回路の一般的な構成を示した主回路接続図
【図６】図５に記載のチョッパ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図
【図７】図５に記載のインバータ制御器の構成の従来例を示したブロック回路図
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 直流電流検出器
８ チョッパ制御器
１０ 電圧型インバータ
１４ 交流電流検出器
１５ 交流電圧検出器
１７ インバータ制御器
２２ 電圧調節器
２３ 電流調節器
２６，２９ パルス幅変調演算器
２７，３９ キャリア発生器
３１ 積分器
３２ 正弦波関数演算器
３３ 電圧実効値指令値
３８ 電圧調節器
４５ 有効電力演算器
４６ 電圧実効値演算器
４８ 条件付き遅延回路
４９，５０ 三相／二相変換器
５５，６５ 入力信号
５６，６９ 遅延器
５７，６７ 比較器
５８ 一次遅れフィルタ
５９，６８ 選択器
６６ 変化率設定器
８１〜８３ 処理
８５，８６ 判断

Claims (2)

1. 燃料電池が発生する電力を、チョッパで所望の直流電圧に変換してインバータの直流入力電圧とし、当該インバータで交流電力に変換する燃料電池用電力変換装置の制御方法において、
   前記インバータが出力する有効電力を検出し、この有効電力が増加しているときは、前記インバータの直流入力電圧を制御する応答速度を、当該有効電力が増加中でないときよりも遅らせることを特徴とする燃料電池用電力変換装置の制御方法。
2. 燃料電池が発生する電力を、チョッパで所望の直流電圧に変換してインバータの直流入力電圧とし、当該インバータで交流電力に変換する燃料電池用電力変換装置において、
   前記インバータが出力する有効電力を検出する有効電力検出回路と、この有効電力が増加しているか否かを判別する有効電力増加判定回路と、有効電力が増加中ならば前記インバータの直流入力電圧を制御する応答速度を、当該有効電力が増加中でないときよりも遅らせる遅延回路と、を備えたことを特徴とする燃料電池用電力変換装置。

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