JP4754550B2 - ハイブリッド電力供給システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を含む給電手段を商用電源に系統連系させて構成されるハイブリッド電力供給システムを制御する方法に関し、通常時には燃料電池システムを商用電源に連系させるとともに、商用電源側の停電時などには燃料電池システムを自立運転させるとともに燃料電池システムと蓄電装置とから負荷に電力を供給するハイブリッド電力供給システムの制御方法に関する。

燃料電池は、例えば水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）とを電気化学的に反応させて発電を行う一種の発電装置であり、高い発電効率を有するとともに、コジェネレーション（熱電併用）システムとして排熱も利用することにすれば、さらに高い総合エネルギー効率を達成することができる、という特徴を有する。同時に燃料電池は、発電に伴う窒素酸化物（ＮＯ_x）や硫黄酸化物（ＳＯ_x）等の有害物質の発生が少なく、また地球温暖化の原因とされる二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量も少なく、運転に伴う騒音や振動も小さい。このため、燃料電池は、環境に優しい高効率な発電装置として、近年、社会的な注目が集まっている。

燃料電池の種類として代表的なものには、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ；phosphoric acid fuel cell）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ；polymer electrolyte fuel cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；solid oxide fuel cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ；molten carbonate fuel cell）などがある。これらの中でもリン酸燃料電池は、最も早く商品化され、定格出力容量として５０〜２００ｋＷ級のシステムが、コージェネレーションシステムとして、学校やホテル、オフィスビル、病院、工場等に導入されている。また、固体高分子形燃料電池は、現在、その実用化の初期段階にあり、住宅用のコージェネレーションシステムとしての用途や、自動車用、携帯機器用、商用電源のバックアップ用などの用途を中心として研究開発が進められており、一部は既に商用化されている。固体酸化物形燃料電池については、住宅やオフィスビル等への用途から発電所規模の用途に至るまで、幅広い出力容量での適用を目指した研究開発が行われている。

燃料電池は、一般的には水素を燃料としており、水素を生成するための改質器などと組み合わせて燃料電池システムとして構成されるのが一般的である。需要家宅に設置して発電を行うために用いられる１ｋＷ程度から数百ｋＷ級の燃料電池システムでは、通常、改質器を用いて都市ガス（天然ガス）等の炭化水素から水素を製造し、これを燃料電池システムの発電部であるセルに供給して発電を行う。改質器を用いて水素を製造する反応には、一般的に、炭化水素（例えばメタン（ＣＨ₄））と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とを高温で反応させて水素を生成させる水蒸気改質反応が用いられる。改質器に対しては、燃料電池システムに接続した負荷が要求する電力に応じて、その電力を発電するために燃料電池システムで必要となる水素ガスを発生させるために過不足のない炭化水素と水蒸気とが供給される。

ここで、負荷が要求する電力が増加または減少した場合には、改質器に供給する炭化水素の量を加減させ、改質器においてもこれに合せて水素の製造量を加減させる必要がある。しかしながら改質器での水蒸気改質反応は、負荷電力が大きく急変した場合にそれに追従して水素発生量を瞬時に変化させることができるほど速くはない。したがって、負荷電力が急増した場合は、発電セルで必要となる水素ガス量が不足するため、燃料電池システムは負荷に対して必要な電力を供給できなくなる。逆に負荷電力が急減した場合には、改質器で製造した水素ガスが余ってしまい、改質器への炭化水素の供給量とのバランス関係が崩れたりしてしまう。ここで燃料電池システムの運転において、改質器が負荷変動に追随できなくなったり、製造した水素ガスが余るような運転を無理にでも行わせようとすると、燃料電池システム内の保護機能が作動して燃料電池システムの動作停止にもつながってしまう。このような観点から燃料電池システムには、その安定した運転のために、単位時間当たりどれだけ出力を変化させることができるかを示す許容出力変化率が存在する。燃料電池システムの運転においては、出力側における大きな負荷変動を燃料電池システムに対してそのまま負担させないようにすることが重要である。

ところで燃料電池システムの実際の運用では、商用電源と系統連系させ、商用電源から供給された電力と燃料電池システムで発電した電力とを一緒にして、同一の配電線によって負荷に電力を供給するような配電構成とすることが多い。この場合、全体の負荷の一部を賄うように燃料電池システムを定格出力で連続運転させ、負荷変動に対しては商用電源からの電力供給量を変えることで対応するのが一般的である（非特許文献１）。つまり、負荷変動があれば、これを商用電源側で吸収させている。また、経済性の観点等から例えば夜間等に燃料電池システムの出力を下げて部分負荷運転を行うような場合には、改質器が追随できる速さ、すなわち燃料電池システムにおいて許容される出力変化率の範囲内で徐々に出力を下げて所定の出力に保ち、日中に再び定格出力に戻す場合には、逆に出力を徐々に所定の値まで上げていくことで、改質器への炭化水素の供給量と水素製造量とのバランス、水素発生量と水素消費量とのバランスを維持するようにしている。

以上、商用電源と系統連系させた燃料電池システムの運用を説明した。ここで商用電源が災害等により停止した場合、すなわち停電となった場合には、燃料電池システムを自立運転させて負荷に対する電力供給に使用する。しかしながら燃料電池システムでは改質器の反応がそれほど速くないことから、大きな負荷変動をそのまま燃料電池システムに負担させたのでは、燃料電池システムが運転を停止することにもつながってしまう。

商用電源の停電時における燃料電池システムの運用方法として、従来、エンジン発電装置やタービン発電装置などの非常用発電装置を始動させてこれらの非常用発電装置に対して燃料電池システムを並列に接続し、これにより、負荷電力のうち燃料電池システムが負担する部分の変動を抑え、大きな負荷変動に対してはその変動分をエンジン発電装置やタービン発電装置に分担させる方法がある。燃料電池システムに対して鉛蓄電池やナトリウム硫黄電池等の蓄電池（蓄電設備）を組み合せ、大きな負荷変動による変動分を蓄電池における充放電でまかなうことで、そのような負荷変動を蓄電池に分担させる方法もある。

なお、商用電源の停電時には、燃料電池システムや非常用発電装置、蓄電池からの電力は、停電時においても電力が供給されるべき負荷（以下、緊急時用負荷と呼ぶ）を含む配電系統に優先的に供給され、その場合、燃料電池システムや非常用発電装置、蓄電池から供給される電力が負荷全体に必要な電力に満たない場合には、緊急時用負荷以外の負荷（以下、通常負荷と呼ぶ）の配電系統への給電は、その一部または全部が遮断される。緊急時用負荷への給電を確実なものとするために、通常負荷への給電の遮断は、商用電源での停電発生の検出と同時に行われるのが一般的である。
"燃料電池導入ガイドブック"、独立行政法人 新エネルギー・産業技術開発機構（ＮＥＤＯ）、第４８頁〜第４９頁

通常時には燃料電池システムを商用電源と系統連系させ、商用電源の停電時には燃料システムを自立運転させるともに非常用発電装置あるいは蓄電池と組み合わせて少なくとも緊急時用負荷に電力を供給する上述した構成には、以下に述べるような課題がある。

エンジン発電装置やタービン発電装置等を始動させてこれと並列に燃料電池システムを運転させる構成では、負荷に対する給電容量の点では問題がないとした場合でも、エンジン発電装置やタービン発電装置は、発電に伴い窒素酸化物（ＮＯ_x）や硫黄酸化物（ＳＯ_x）等の有害物質を発生し、また地球温暖化の原因とされる二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量も多く、騒音や振動も大きいことから、環境への優しさが損なわれる。

また、燃料電池システムに鉛蓄電池やナトリウム硫黄電池等の蓄電池を組み合せる構成では、燃料電池システムに負荷変動を負担させることなく大きな負荷変動にも対応できるようにするためには、蓄電池の容量を大きくする必要があり、設備の大型化や経済性の低下につながっている。

本発明の目的は、これらの課題を解決し、燃料電池システムに蓄電装置を組み合わされて構成され、通常時には燃料電池システムが商用電源に系統連系されるハイブリッド電力供給システムの制御方法であって、設備の大型化や経済性の低下を伴うことなく、商用電源の停電時においても負荷変動に対応できる制御方法を提供することにある。

本発明のハイブリッド電力供給システムの制御方法は、燃料電池及び蓄電装置を有する給電手段と、給電手段を商用電源に系統連系させる系統連系装置とを有し、負荷に電力を供給するハイブリッド電力供給システムの制御方法において、負荷に電力を供給するための配電系統は、緊急時用負荷が接続する緊急時用配電系統と、緊急時用負荷以外の負荷である通常負荷がそれぞれ接続する少なくとも１つの通常配電系統とに分けられており、商用電源に停電が発生していない場合には、緊急時用配電系統と各通常配電系統のいずれに対しても給電し、商用電源において停電が発生した場合に、燃料電池及び蓄電装置からの電力供給によって緊急時用配電系統への給電を継続させるとともに、緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が燃料電池の定格出力と蓄電装置の放電出力との和以上となる場合には、その負荷容量の総和が燃料電池の定格出力と蓄電装置の放電出力との和未満となるように、通常配電系統の中から負荷容量が大きい順にその通常配電系統への給電を遮断し、蓄電装置の充電量が目標値まで低下したことを検出したら、その時点で給電が遮断されていない通常配電系統に関し、緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が燃料電池の定格出力未満であってかつ定格出力に最も近くなる組み合わせを求め、求められた組み合わせに属する以外の通常配電系統への給電を停止し、その後、緊急時用負荷と組み合わせに属する通常配電系統の通常負荷との負荷容量の総和に対応する値まで、燃料電池の出力容量を、燃料電池における許容される出力変化率の範囲内で低下させることを特徴とする。

本発明において、商用電源が停電から復帰した場合に、商用電源からの電力と燃料電池からの電力によって、その時点で給電が停止されている通常配電系統への給電を再開するとともに、燃料電池の出力容量を燃料電池の定格出力にまで、燃料電池における許容される出力変化率の範囲内で増加させることが好ましい。また、緊急時用負荷の容量と、いずれか１つの通常負荷配線に接続する通常負荷の容量との和が、燃料電池の定格容量未満であるようにすることが好ましい。

本発明では、商用電源が停電していないときには、蓄電装置の充電量を蓄電可能な最大容量値に維持するように制御することが好ましい。その場合、目標値は、例えば、最大容量値未満であって最大容量値の半分以上である値に設定される。

本発明のハイブリッド電力供給システムの制御方法の実施に際しては、例えば、蓄電装置の充放電量を測定する第１の測定手段と、緊急時用配電系統の容量を測定する第２の測定手段と、各通常配電系統の容量を測定する第３の測定手段を設け、コントローラが、第１乃至第３の測定手段での測定値に基づいて、燃料電池の出力容量、蓄電装置の充放電、及び各通常配電系統に対する電力の供給／遮断を制御するようにしてもよい。

本発明において、蓄電装置としては、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池、ナトリウムイオウ蓄電池などの全ての種類の蓄電池（二次電池）や、電気二重層キャパシタなどを用いることができる。蓄電装置の充電量は、蓄電装置に対する充放電電流を測定し、その時間積分から求めることができる。

本発明において燃料電池は、水素を発生する改質器とともに燃料電池システムを構成するとともに、改質器が発生した水素を燃料として用いて発電するものであることが好ましい。そのような燃料電池システムでは、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などの等、全ての種類の燃料電池を適用できる。改質器では、都市ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）、ブタンガス、メタノール、エタノール、灯油、ガソリン等の炭化水素から、燃料電池に供給される水素を製造できる。

本発明は、配電系統の時限的な遮断制御や蓄電池の残存容量制御までを行うことにより、燃料電池システムに蓄電装置を組み合せた構成を有するハイブリッド電力供給システムにおいて、自立運転時に負荷が急変した場合でも、燃料電池システムの円滑な運転が可能となるという効果がある。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の一形態のハイブリッド電力供給システムの制御方法が適用される配電設備の構成の一例を示している。

図１に示す配電設備は、燃料電池システム１と、電力線２４によって燃料電池システム１に対して接続する蓄電装置２と、少なくとも燃料電池システム１を商用電源５に系統連系させる系統連系装置６と、コントローラ２６とからなるハイブリッド電力供給システムを備えるものである。商用電源５は、例えば交流１００Ｖのものである。系統連系装置６は、商用電源５と負荷側との間に挿入されており、そこに電力線２４によって燃料電池システム１が接続している。系統連系装置６から負荷側に延びる電力線２４は、配電系統１２〜１６に分岐し、配電系統１２〜１５にはそれぞれスイッチ１７〜２０を介して通常負荷７〜１０が接続し、配電系統１６には緊急時用負荷１１が直接接続している。したがって系統連系装置６から送られる交流１００Ｖの電力は、配電系統１２〜１６に分岐し、通常負荷７〜１０および緊急時用負荷１１に給電される。なお、系統連系装置６の動作電力は、燃料電池システム１により給電されるようになっている。スイッチ１７〜２０の開閉は、信号・制御線２５を介してコントローラ２６によって制御できるようになっている。

この配電設備は、商用電源５が正常に動作しているときには、燃料電池システム１及び商用電源５から系統連系装置６を介して電力を負荷に供給し、商用電源５の停電時には燃料電池システム１を自立運転させ、燃料電池システム１及び蓄電装置２から負荷に電力を供給するようにしたものである。

配電系統１２〜１５の各々には、通常負荷７〜１０に供給される電力を検出するために、電流／電圧計２３が挿入され、配電系統１６には、緊急時用負荷１１に供給される電力を検出するために、電流／電圧計２３が挿入されている。系統連系装置６と燃料電池システム１とを接続する電力線にも電流／電圧計２１が挿入され、燃料電池システム１と蓄電装置２とを接続する線にも、蓄電装置２の充放電電流などを検出するために電流／電圧計２２が挿入されている。電流／電圧計２１〜２３での検出結果は、信号・制御線２５を介してコントローラ２６に送られるようになっている。

燃料電池システム１は、直流出力であって定格出力が５ｋＷの固体高分子形燃料電池システムである。蓄電装置２は、蓄電池３と、蓄電池３に対する充放電を行う充放電器４とを備えている。ここで、蓄電池３は、電力線２４を介して配電系統につながる交流負荷に対して３．５ｋＷの電力を３０分間給電できる容量（１．７５ｋＷｈ）を有する鉛蓄電池である。もちろん、３．５ｋＷより小さな電力を給電するものとすれば、３０分より長い時間にわたって給電を行うことができるが、以下の説明では、蓄電装置２の放電出力、すなわち蓄電装置２から負荷側供給できる最大の電力も３．５ｋＷであるものとする。

ここでは、説明のため、一例として、配電系統１２〜１５に接続する通常負荷７〜１０について、それらの通常負荷が最大の消費電力で動作したときの容量が、それぞれ４ｋＷ、４ｋＷ、３ｋＷ、２ｋＷであるものとし、配電系統１６に接続する緊急時用負荷１１については、最大の消費電力で動作したときの容量が４ｋＷであるものとする。配電系統１４および１５の容量を、それぞれ３ｋＷおよび２ｋＷと他の配電系統の容量よりも小さくしているのは、商用電源５の停電時に燃料電池システム１を自立運転させた時に、燃料電池システム１が緊急時用負荷１１への給電を行ってもまだ通常負荷へ給電できる余裕がある場合には、通常負荷に給電を行えるようにするためである。

燃料電池システム１および蓄電装置２は、信号・制御線２５によりコントローラ２６と接続しており、コントローラ２６からの指令により燃料電池システム１および蓄電装置２の動作を制御できるように構成されている。また、コントローラ２６は、電流／電圧計２１〜２３により燃料電池システム１の発電電力、蓄電装置２の充放電容量および各配電系統で負荷側に供給される電力を常時監視し、負荷電力（通常負荷７〜１０及び緊急時用負荷１１の消費電力）の合計値を演算する機能を有するとともに、スイッチ１７〜２０を遠隔からの操作する機能も有している。コントローラ２６を動作させるために必要な電力は、燃料電池システム１から供給されている。

次に、上述したように配電設備が構成されているとして、本発明の実施の一形態によるハイブリッド電力供給システムの制御方法での全体の処理について、図２のフローチャートおよび図３のタイムチャートを参照して具体的に説明する。

通常時（図３における時刻Ｔ１より前の期間）、つまり商用電源５において停電が発生しておらず、商用電源５から交流電力の供給されているときは、燃料電池システム１をその定格出力である５ｋＷで２４時間連続運転させ、商用電源５に燃料電池システム１を連系させて、各負荷に給電する（ステップＳ１）。この時、通常負荷７〜１０にそれぞれスイッチ１７〜２０は、全て閉じた状態すなわち導通状態とされる。以下では、各電流／電圧計２３で測定された負荷電力の測定値が、通常負荷７〜１０についてそれぞれ３ｋＷ、２．５ｋＷ、２ｋＷ、１ｋＷであり、緊急時用負荷１１について３．５ｋＷであった場合について説明する。この場合、負荷の全容量は１２ｋＷであり、燃料電池システム１からの出力５ｋＷでは不足する。そこで、この不足する７ｋＷ分を、商用電源５によりまかなう。蓄電池３として鉛蓄電池を使用する場合には、負荷に電力を供給しない場合であって自己放電によりその充電量が減少していくので、燃料電池システム１からの出力の一部を蓄電池３の充電電力に充て、鉛蓄電池を常に満充電状態に維持する。

系統連系装置６は、ステップＳ２に示すように、商用電源５側における停電発生の有無を常時監視し、その結果をコントローラ２６に出力している。停電でない場合には、上述したステップＳ１の動作が永続的に実行される。

次に、時刻Ｔ１（図３参照）において商用電源５において停電が発生した場合には、系統連系装置６がそれを検出して燃料電池システム１を商用電源５側から切り離し、燃料電池システム１を自立運転させる。このとき燃料電池システム１は、その定格出力である５ｋＷでの運転を継続する。コントローラ２６は、ステップＳ３において、緊急時用負荷と通常負荷の合計容量が、燃料電池システム１の定格容量である５ｋＷ以上であって、かつ、燃料電池システム１の定格容量５ｋＷに蓄電池３から供給可能な３．５ｋＷを加えた容量である８．５ｋＷ未満となるように、少なくとも一部の通常負荷への給電を停止させる。ここで通常負荷への給電の停止は、燃料電池システム１が緊急時用負荷１１への給電を行ってもまだ通常負荷へ給電できる余裕がある場合には通常負荷への給電を行えるように、負荷電力の大きいものから順番に行う。すなわち負荷電力の大きいものから給電を停止し、そのときの負荷容量の合計が燃料電池の定格出力と蓄電池の放電出力の和未満であるかどうかを判定し（ステップＳ４）、当該和以上である場合には、ステップＳ３に戻って次に負荷容量が大きい通常負荷への給電を停止する。

コントローラ２６には各電流／電圧計２３から負荷ごとの負荷電力の測定値が常に送られていることから、負荷電力の測定値が上述したものであったとすると、具体的にはコントローラ２６は、通常負荷７の消費電力が３ｋＷで最も大きいと判断し、スイッチ１７を遠隔操作することによって、通常負荷７への給電を停止させる。通常負荷７への給電停止により負荷容量の合計は９ｋＷとなるが、負荷電力の測定値から、コントローラ２６は、負荷電力の合計がまだ８．５ｋＷ以上であると判断し、続いて、スイッチ１８を遠隔操作することによって、次に負荷電力の大きい通常負荷８への給電を停止させる。通常負荷８への給電停止により負荷容量の合計はさらに２．５ｋＷ小さくなって６．５ｋＷとなり、コントローラ２６は、負荷電力の合計が８．５ｋＷ未満になったと判断する。負荷電力の合計が８．５ｋＷ未満となれば、燃料電池システム１と蓄電池３により給電が可能となるので、燃料電池システム１は定格出力５ｋＷのまま運転し、蓄電池３は１．５ｋＷ分の負荷への給電を分担する（ステップＳ５）。

コントローラ２６は、電流／電圧計２２での測定値から、蓄電池３の充電量（現在の容量）を常時監視しており、満充電の容量に対して充電量が７０％にまで落ちたかどうかを判定する（ステップＳ６）。ここでの７０％は、満充電の容量を１００％として、燃料電池システム１が自立運転している場合における蓄電池の充電量の目標値である。現在の充電量が満充電の容量に対して７０％以上であれば、ステップＳ５での燃料電池の定格出力を超える負荷容量を蓄電池の放電で分担する状態を維持する。その結果、鉛蓄電池３は、満充電の容量に対して７０％の容量すなわち目標値となるまで放電させられることとなる。その間の放電時間は、上述した数値で計算すると、約２１分となる。ここで蓄電池３を放電させる理由は、燃料電池システム１をその定格出力である５ｋＷで連続運転させるためには、負荷が減少した場合においてこの減少分に相当する燃料電池システム１からの余剰電力を蓄電池３で吸収させる必要があるが、蓄電池３が満充電状態かそれに近い場合にはこれを吸収できないためである。

時刻Ｔ２において鉛蓄電池３が満充電の容量に対して７０％程度の容量になると、次にコントローラ２６は、給電を停止していない負荷であって容量が一番大きい通常負荷への給電を停止したと仮定した場合における残りの負荷容量の合計値Ｐ₁を計算し（ステップＳ７）、この合計値Ｐ₁が燃料電池システム１の定格出力未満であるかどうかを判定する（ステップＳ８）。Ｐ₁が燃料電池システム１の定格出力以上である場合には、給電を停止していない負荷のうちで容量が最大である通常負荷への給電を停止し（ステップＳ９）、ステップＳ７に戻る。Ｐ₁が燃料電池システム１の定格出力未満である場合には、次にコントローラ２６は、Ｎを２以上の整数として、給電を停止していない負荷の中で容量がＮ番目に大きい通常負荷への給電を停止したと仮定した場合における残りの負荷容量の合計値Ｐ_Nを算出する（ステップＳ１０）。そしてコントローラは、このようにして算出された合計値Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，…の中から、燃料電池システム１の定格出力未満であってこの定格出力の値に最も近い値となるものを選択し、その選択された値がｍ番目の通常負荷への給電を停止したと仮定したものであるとして、ｍ番目の通常負荷への給電を実際に停止する（ステップＳ１１）。その後、ステップＳ１２に示すように、燃料電池システム１はその定格出力での運転を継続し、その際に発生する余剰電力（燃料電池システム１の定格出力とＰ_mとの差で表される余剰電力）は蓄電池３の充電に使用する。また、負荷の消費電力の合計値がほとんど変化しない場合には、燃料電池システム１の出力をその定格出力から負荷の消費電力の合計値にまで、改質器が追随できる時間幅（すなわち、燃料電池システム１に許容される出力変化率の範囲内）で徐々に低下させ、蓄電池３の充電量については、目標値すなわち満充電の容量の７０％程度となるように維持する。

上述した例では、コントローラ２６は、ステップＳ７において、消費電力が３番目に大きい通常負荷（この場合は、容量が２ｋＷである通常負荷９）への給電を停止させた場合の残りの負荷容量の合計値Ｐ₁を計算することとなり（１番目と２番目に大きい通常負荷への給電は既に停止されているので、消費電力が３番目に大きい通常負荷が、給電中の通常負荷の中では一番大きな容量を有することになる）、値Ｐ₁としてとして４．５ｋＷが計算されることになる。この４．５ｋＷは、燃料電池システム１の定格容量の５ｋＷ以下であるので、コントローラ２６は、さらにステップＳ１０において、消費電力が４番目に大きい通常負荷１０への給電を停止させた場合の、残りの負荷容量の合計値Ｐ₂を計算する（このとき、消費電力が３番目に大きい通常負荷への給電は継続するものとして計算する）。この場合、計算結果として得られる値Ｐ₂は５．５ｋＷとなり、燃料電池システム１の定格出力である５ｋＷ以下にはならない。したがって、残りの負荷容量の合計値が燃料電池システム１の定格出力である５ｋＷ以下であり、かつ、この５ｋＷにより近い容量となるのは、通常負荷９への給電を停止した場合であって、通常負荷１０への給電を停止した場合ではない。

上記の判断からコントローラ２６は、ステップＳ１１において、通常負荷９への給電を停止させる。この時、負荷容量の合計は４．５ｋＷとなるが、この電力は全て燃料電池システム１の出力でまかなう。燃料電池システム１は出力が５ｋＷのままであり、０．５ｋＷの余剰電力が生じるが、この分は鉛蓄電池３の充電電力として利用する。なおここでは、余剰電力が０．５ｋＷとさほど大きな値ではないことから、充電電流もあまり大きくはならず、蓄電池３の劣化や寿命の低下には、ほとんどつながらない。このように余剰電力の大きさを小さくできたのは、一部の配電系統の容量を、最初に小さく設定しておいた効果である。

負荷の消費電力が安定し、時間が経過しても負荷容量の合計が４．５ｋＷでほとんど変わらない場合は、燃料電池システム１の出力を、燃料電池システム１に許容される出力変化率の範囲内で、定格出力である５ｋＷから負荷容量の合計値である４．５ｋＷまで徐々に下げていき、４．５ｋＷに達した場合は鉛蓄電池３への充電が終了となる（図３の時刻Ｔ３）。ここで、蓄電池３の充電時には、コントローラ２６は、電流／電圧計２２による電流値の測定により充電電力量を計算し、充電電力量が大きく蓄電池３の容量が満充電の容量に対して７０％を超えるような値となった場合は、通常負荷の一部への給電を再開するなどして負荷への給電を鉛蓄電池３からの放電でも行うようにし、蓄電池３の充電量を満充電の容量に対して７０％程度の容量まで低下させておく。このように蓄電池３の充電量を目標値として満充電の容量の７０％程度にまで低下させておく理由は、燃料電池システム１で追随できないような負荷変動、特に、負荷容量の急減が生じた場合に、蓄電池３で吸収しやすくするためである。

なおここでは定格電力が５ｋＷである燃料電池システム１に対して負荷容量の合計が４．５ｋＷで安定した場合について述べたが、それ以外の容量で負荷側の消費電力が安定した場合も、上記と同様な手順により燃料電池システム１の出力を、その安定した容量まで徐々に下げていけばよい。負荷が短い時間間隔で変動している場合は、その変動分を蓄電池３の充放電で吸収させることにより、負荷への給電を安定して行うことができる。

系統電源装置６は、商用電源５が復電（停電からの復旧）したかどうかを常時監視しており（ステップＳ１３）、時刻Ｔ４において商用電源５が復電して商用電源５が使用可能になると、コントローラ２６は、ステップＳ１４において、遠隔操作によってスイッチ１７〜２０を全て閉じて通常負荷７〜１０への給電を商用電源５（系統電力）により復帰させ、燃料電池システム１の出力をその定格出力である５ｋＷまで、燃料電池システム１に許容された出力変化率の範囲内で徐々に上昇させる。燃料電池システム１が定格出力である５ｋＷの出力を確立後、燃料電池システム１の出力で蓄電池３を充電し、蓄電池３を満充電状態に維持する。その結果、停電が起きる時刻Ｔ１よりも前の状態に復帰することになる。安全のため、通常負荷７〜１０への給電の再開のためにスイッチ１７〜２０をそれぞれ閉じる操作は、コントローラ２６からの遠隔操作ではなく、手動で行うようにしてもかまわない。

以上説明した本実施形態の制御方法では、燃料電池の改質器の応答に起因して燃料電池の出力容量を急激には変化させることができないことについて、給電需要の時間変動がある場合に通常負荷への給電を暫時停止させることによってこれを補償し、かつ、緊急時用負荷に対する給電を継続させている。

以上、本発明の実施の一形態として、燃料電池システムを構成する燃料電池が固体高分子形燃料電池であって、システム容量（定格出力）が５ｋＷの場合について述べたが、他の種類の燃料電池を適用した場合や、容量が数十〜数百ｋＷの場合でも、本発明に基づく制御方法を同様に実施できる。また、上記では、鉛蓄電池からなる蓄電池３が負荷変動を吸収しやすくするため、目標値として、満充電容量に対して７０％の充電量に蓄電池３を維持する場合について説明したが、燃料電池システムの定格容量や負荷容量、蓄電池の定格容量に応じて、蓄電池の充電量の目標値は、満充電容量よりも小さく満充電容量の半分以上の容量の範囲内で適宜に設定することができる。目標値を満充電の容量値の半分以上とする理由は、負荷変動により蓄電池が過放電になるのを防ぐためである。ここでは蓄電池３に鉛蓄電池を用いる場合を説明したが、他の種類の蓄電池を用いてもかまわない。

いずれの場合であっても、上述した制御方法を採用することにより、燃料電池システムに蓄電装置を組み合せたハイブリッド電源システムにおいて、環境への優しさが損なわれることなく、また設備の大型化や経済性の低下につながることなく、自立運転時に負荷が急変した場合でも、円滑な運転が可能となる。

本発明の実施の一形態のハイブリッド電力供給システムの制御方法が適用される配電設備の構成の一例を説明する図である。 本発明の実施の一形態のハイブリッド電力供給システムの制御方法を説明するフローチャートである。 図２に示す制御方法を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 蓄電装置
３ 蓄電池
４ 充放電器
５ 商用電源
６ 系統連系装置
７〜１０ 通常負荷
１１ 緊急時用負荷
１２〜１６ 配電系統
１７〜２０ スイッチ
２１〜２３ 電流／電圧計
２４ 電力線
２５ 信号・制御線

Claims (6)

1. 燃料電池及び蓄電装置を有する給電手段と、前記給電手段を商用電源に系統連系させる系統連系装置とを有し、負荷に電力を供給するハイブリッド電力供給システムの制御方法において、
   前記負荷に電力を供給するための配電系統は、緊急時用負荷が接続する緊急時用配電系統と、緊急時用負荷以外の負荷である通常負荷がそれぞれ接続する少なくとも１つの通常配電系統とに分けられており、
   前記商用電源に停電が発生していない場合には、前記緊急時用配電系統と前記各通常配電系統のいずれに対しても給電し、
   前記商用電源において停電が発生した場合に、
   前記燃料電池及び前記蓄電装置からの電力供給によって前記緊急時用配電系統への給電を継続させるとともに、前記緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が前記燃料電池の定格出力と前記蓄電装置の放電出力との和以上となる場合には、当該負荷容量の総和が前記和未満となるように、前記通常配電系統の中から負荷容量が大きい順に当該通常配電系統への給電を遮断し、
   前記蓄電装置の充電量が目標値まで低下したことを検出したら、その時点で給電が遮断されていない通常配電系統に関し、前記緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が前記燃料電池の定格出力未満であってかつ前記定格出力に最も近くなる組み合わせを求め、求められた組み合わせに属する以外の通常配電系統への給電を停止し、
   その後、前記緊急時用負荷と前記組み合わせに属する通常配電系統の通常負荷との負荷容量の総和に対応する値まで、前記燃料電池の出力容量を、前記燃料電池における許容される出力変化率の範囲内で低下させることを特徴とする、ハイブリッド電力供給システムの制御方法。
2. 前記商用電源が停電から復帰した場合に、前記商用電源からの電力と前記燃料電池からの電力によって、その時点で給電が停止されている通常配電系統への給電を再開するとともに、前記燃料電池の出力容量を前記燃料電池の定格出力にまで、前記燃料電池における許容される出力変化率の範囲内で増加させる、請求項１に記載のハイブリッド電力供給システムの制御方法。
3. 前記緊急時用負荷の容量と、いずれか１つの前記通常負荷配線に接続する前記通常負荷の容量との和が、前記燃料電池の定格容量未満である、請求項１または２に記載のハイブリッド電力供給システムの制御方法。
4. 前記商用電源が停電していないときには、前記蓄電装置の充電量を蓄電可能な最大容量値に維持するように制御する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のハイブリッド電力供給システムの制御方法。
5. 前記目標値は、前記最大容量値未満であって前記最大容量値の半分以上である値に設定される、請求項４に記載のハイブリッド電力供給システムの制御方法。
6. 前記蓄電装置の充放電量を測定する第１の測定手段と、前記緊急時用配電系統の容量を測定する第２の測定手段と、前記各通常配電系統の容量を測定する第３の測定手段を設け、コントローラが、前記第１乃至第３の測定手段での測定値に基づいて、前記燃料電池の出力容量、前記蓄電装置の充放電、及び前記各通常配電系統に対する電力の供給／遮断を制御する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のハイブリッド電力供給システムの制御方法。

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