JP5573154B2 - パワーコンディショナとこれを備えた発電システム - Google Patents

Description

本発明は、パワーコンディショナとこれを備えた発電システムに関する。より具体的には、燃料電池その他の発電装置を商用電源系統と連系させるパワーコンディショナと、その発電装置とパワーコンディショナを備えた発電システムに関する。

燃料電池や太陽電池等の自家発電設備（発電装置）を電力会社の商用電源系統に連系して運用することにより、効率的に発電して節電を図る発電システムが既に実施されている。かかる発電システムでは、発電装置と商用電源系統とを互いに連系させるためのパワーコンディショナが設けられる。
このパワーコンディショナは、発電装置の直流電力を系統に同期する交流電力に変換する構成部として、発電された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、コンバータ部で昇圧された直流電圧を系統と同期のとれた交流電圧に変換するインバータ部とを備えている。

一方、上記発電システムにおいて、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）よりなる発電装置（以下、「燃料型発電装置」ということがある。）の場合には、負荷の急変動に追随して発電量を調整できないという特性がある。
このため、上記燃料型発電装置を採用した発電システムでは、負荷が急に増加した場合は不足分の電力を系統側から供給を受け、負荷が急に減少した場合は余剰電力として処理する必要がある。

この余剰電力の処理方法としては、系統側に逆潮流させる方法もあるが、事業者の事情で逆潮流が認められていない場合や、認められていても電力を有償又は高値で買い取ってもらえない場合が多く、この場合には余剰電力を逆潮流する利点がない。
そこで、系統電力が所定値以下となる逆潮流を検出すると、パワーコンディショナの出力電力（具体的には、インバータ部の出力電流）を低下させる制御（以下、「逆潮流防止制御」ということがある。）を行うパワーコンディショナが既に知られている（特許文献１参照）。

しかし、かかる逆潮流防止制御を行うパワーコンディショナでは、逆潮流を回避するためにパワーコンディショナの出力電力を減少させると、それに対応して燃料型発電装置の発電電力を抑制する必要があるが、前述の通り、燃料型発電装置は化学反応のスピードが遅いために、発電電力を急に増加させることができない。
そこで、発電電力を急変させずに逆潮流を防止するものとして、負荷とは別に設けたヒータ等よりなる余剰電力消費手段に、パワーコンディショナの余分な出力電力を供給する発電システムが知られている（特許文献２参照）。

特開２００２−２３８１６６号公報 特開２００６−５０８３８号公報

ところで、パワーコンディショナにおける出力電力の制御は、通常、電流制御型のインバータ部に対する出力電流を調整することによって行われるので、逆潮流を防止するためにパワーコンディショナの出力電力を絞る場合には、インバータ部の出力電流を減少させることになる。
従って、上記特許文献１のパワーコンディショナでは、逆潮流時におけるインバータ部のＤＣリンク電圧が順潮流時よりも高圧になり、コンバータ部からの電力供給を行うことができず、燃料型発電装置の発電電力を急激に低下せざるを得ない場合がある。

この場合、燃料型発電装置での電力が元の状態に戻るのに相当の時間（１分〜数分程度）がかかり、本来、燃料型発電装置で賄える筈の電力を系統側から供給せねばならなくなり、電力ロスが生じることになる。
これに対して、上記特許文献２のパワーコンディショナでは、逆潮流時にパワーコンディショナの出力電力をヒータ等の余剰電力消費手段に供給するので、上記の不都合は生じないが、余剰電力消費手段を設ける分だけ設備コストが嵩むので、エネルギー効率が悪いという欠点がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ヒータ等の余剰電力消費手段を設けなくても、逆潮流が生じた場合に発電電力を必要以上に下げずに発電を継続することができるパワーコンバータと、これを有する発電システムを提供することを目的とする。

（１） 本発明は、発電部が出力する直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ部と、このコンバータ部が出力する直流電圧を交流電圧に変換して商用電源系統に供給するインバータ部とを備えたパワーコンディショナであって、前記インバータ部のＤＣリンク電圧が、当該インバータ部が系統最大電圧を出力するのに必要な目標電圧値に近づくように前記コンバータ部の出力電圧を制御するコンバータ制御部と、逆潮流が順潮流に戻るように前記インバータ部の出力電流を制御するインバータ制御部と、前記商用電源系統に対する潮流が前記順潮流であるか前記逆潮流であるかを判定する状態判定部とを備えており、前記コンバータ制御部は、前記状態判定部の判定結果が逆潮流の場合における前記コンバータ部の出力電圧の単位時間当たりの減少制御量を、前記状態判定部の判定結果が順潮流の場合における前記減少制御量に比べて大きくすることにより、逆潮流時において前記ＤＣリンク電圧が前記目標電圧値を超える場合に、前記コンバータ部の出力電圧を順潮流時の場合よりも高速に減少させることを特徴とする。

本発明のパワーコンディショナによれば、上記コンバータ制御部が、逆潮流時においてＤＣリンク電圧が目標電圧値を超える場合に、コンバータ部の出力電圧を順潮流時の場合よりも高速に減少させるので、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧の上昇を順潮流時の場合に比べてより確実に抑制することができる。
このため、上記インバータ制御部が順潮流に戻るようにインバータ部の出力電流を制御しても、コンバータ部からの電力供給を行うことができ、燃料型発電装置の発電電力を急激に低下させる必要がなくなる。従って、ヒータ等の余剰電力消費手段を設けなくても、逆潮流が生じた場合に発電電力を下げずに発電を継続することができる。

（２） 本発明のパワーコンディショナにおいて、前記目標電圧値を含む前記ＤＣリンク電圧の目標電圧範囲が順潮流時用と逆潮流時用との２種類のものが予め設定されており、逆潮流時用の前記目標電圧範囲が順潮流時用の前記目標電圧範囲に比べて低圧側に偏っていることが好ましい。
この場合、逆潮流時用の目標電圧範囲が通常よりも低圧側に偏っているので、２種類の目標電圧範囲を同じに設定する場合に比べて、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧の上昇をより確実に抑制することができる。

（３） また、本発明のパワーコンディショナにおいて、前記インバータ制御部は、逆潮流時において前記インバータ部の出力電流を抑制する際に、前記ＤＣリンク電圧の変動に応じて当該インバータ部の出力電流の減少制御量を調整することにより、ＤＣリンク電圧を安定化させることが好ましい。
この場合、コンバータ制御部によるＤＣリンク電圧の上昇抑制に加えて、インバータ制御部によってもＤＣリンク電圧の上昇を抑制できるので、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧の上昇をより確実に抑制することができる。

（４） 本発明のパワーコンディショナにおいて、逆潮流時において前記目標電圧範囲を超えるＤＣリンク電圧が生じた場合に、そのＤＣリンク電圧を放電によって前記目標電圧範囲内に安定化させる安定化回路が、前記インバータ部と前記コンバータ部の間に設けられていることが好ましい。
この場合、上記安定化回路がＤＣリンク電圧を放電によって目標電圧範囲内に安定化させるので、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧の上昇を確実に抑制することができる。

（５） 本発明の発電システムは、燃料型発電装置よりなる前記発電装置と、この発電装置の出力側に前記コンバータ部の入力側が接続された本発明のパワーコンディショナとを備えたものであり、本発明のパワーコンディショナと同様の作用効果を奏する。

以上の通り、本発明によれば、ヒータ等の余剰電力消費手段を設けなくても、逆潮流が生じた場合に発電電力を必要以上に下げずに発電を継続することができるので、逆潮流時における電力ロスを抑制可能な発電システムを安価に提供することができる。

第１実施形態に係るパワーコンディショナを用いた発電システムの概略構成を示す回路図である。 パワーコンディショナのコンバータ部の概略構成を示す回路図である。 ＤＣリンク電圧の目標電圧範囲を示す説明図である。 状態判定部の判定内容を示す状態遷移図である。 第２実施形態に係るパワーコンディショナを用いた発電システムの概略構成を示す回路図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
〔システムの概略構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るパワーコンディショナ３を用いた発電システムの概略構成を示している。
図１に示すように、本実施形態の発電システムは、発電装置１の一種である燃料電池と、この発電装置１を商用電源系統（以下、単に「系統」ということがある。）２に連系させるためのパワーコンディショナ３と、発電装置１の補機６に対して電力を供給する補機電源部（補機６への電力供給手段）４とを主要部として備えている。

上記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを供給し、水素と酸素を化学反応させて発電する発電装置であって、これによって発電された電力は直流電圧として出力される。
燃料電池は、使用する電解質や運転温度（スタック５の温度）の相違により数種類に分類されるが、本実施形態では、電解質にイオン伝導性セラミックスを用いた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いている。

図１に示すように、本実施形態の燃料型発電装置１は、発電部（スタック）５と、補機６と、ＦＣ制御部７とを有する。
ＳＯＦＣよりなる発電装置１は、運転温度が数百度（例えば、８００〜１０００℃程度）と高温であることから、起動開始から発電開始に至るまでの起動準備に１時間以上を必要とするが、発電運転（定常運転）が開始されると、例えば、７０〜１８０Ｖの直流電圧が発電部５から出力されるように構成されている。つまり、発電装置１の定常運転時の出力電圧範囲は、７０〜１８０Ｖである。

補機６は、発電装置１を動作させるための周辺機器であり、発電装置１の起動準備中や発電運転中に動作するブロワやポンプなどの電気負荷（図示せず）によって構成されている。この電気負荷は、例えば、直流電圧（ＤＣ２４Ｖ）で駆動されるモータなどである。
なお、補機６を構成するブロワやポンプは、燃料電池１の起動中及び起動準備中にオン／オフを繰り返すことから、その動作中における動作電流の変動は極めて激しい。

ＦＣ制御部７は、記憶装置や演算装置を含むマイコンを制御中枢として備えた、プログラマブルな制御装置よりなる。
このＦＣ制御部７は、発電部５の出力電圧や出力電流、補機６の状態などを監視する各種センサ類（図示せず）から得られる情報と、後述するＰＣ制御部１５との通信によって得られるパワコン３側の情報とに基づいて、補機６を含む発電装置１の各部の動作を制御する。

商用電源系統２は、商用電源８（例えば、３相のＡＣ２００Ｖ）から供給される交流電力と、この交流電力を家庭内の電気負荷９に供給するための電源ラインと、分電盤とを備えており、パワーコンディショナ３を介して発電装置１と系統連系されている。
パワーコンディショナ３は、発電装置１を商用電源系統２に連系させるための装置であって、図１に示すように、コンバータ部１０と、インバータ部１１と、ＤＣリンク部１２と、ＡＣブリッジ回路部１３と、スイッチ回路部１４と、ＰＣ制御部１５とを主要部として備えている。

〔パワーコンディショナの構成〕
上記コンバータ部１０は、発電装置１から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで構成されており、発電装置１の発電部５から出力される直流電力を、インバータ部１１において商用電源系統２に供給可能な電力（例えば、ＡＣ２００Ｖ）の生成ができる状態にまで昇圧して、ＤＣリンク部１２に供給する。

図２に示すように、本実施形態のコンバータ部１０は、Ｈブリッジ回路１７と直並列回路１８とを備えている。
Ｈブリッジ回路１７は、共振型スイッチング方式のスイッチング素子と２個の昇圧トランスとを備え、これらの各トランスの巻数比に応じて昇圧された２つの直流電圧出力が、直並列回路１８における直列・並列の回路切り替えによって１又は２倍に昇圧されるようになっている。

すなわち、コンバータ部１０は、発電部５からの入力電圧を、トランスの巻数比（本実施形態では、２．２倍）と、直並列回路の回路切り替え（並列は１倍、直列は２倍であるので、１〜２倍の範囲内で制御可能）とによって昇圧する。
なお、本実施形態のコンバータ部１０は、トランスを備えた絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであるから、発電装置１と商用電源系統２とは、このコンバータ部１０によって電気的に縁切りされている。

一方、インバータ部１１は、生成した交流電圧を商用電源系統２に供給する正動作と、商用電源系統２から供給される交流電圧を直流電圧に変換してＤＣリンク部１２に出力する逆動作とが可能なＤＣ／ＡＣインバータ回路により構成されている。
具体的には、本実施形態のインバータ部１１は、ＤＣリンク部１２を介してコンバータ部１０と接続された系統連系型のインバータ回路よりなる。このインバータ回路は周知の電流制御型のものであり、コンバータ部１０が出力する直流電圧を所定の交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するＦＥＴブリッジと、ＰＷＭの矩形波を正弦波に変換するチョークコイルとから主構成されている。

インバータ部１１の商用電源系統側にはスイッチ回路部１４が設けられている。インバータ部１１は、このスイッチ回路部１４の接点Ａ側に接続され、スイッチ回路部１４を介して商用電源系統２との連系ができるように構成されている。
また、このインバータ部１１のコンバータ部１０側（つまり、インバータのＤＣリンク）には、大容量のＤＣリンクコンデンサ１２ａがコンバータ部１０と並列に接続されており、これにより、ＤＣリンク部１２が形成されている。

ＡＣブリッジ回路部１３は、商用電源系統２（商用電源８）から供給される交流電圧を所定の直流電圧（例えば、ＤＣ２８０Ｖ）に変換してＤＣリンク部１２に供給する整流回路である。
図１に示すように、ＡＣブリッジ回路部１３の入力側がスイッチ回路部１４の接点Ｂ側に接続されるとともに、出力側が上記ＤＣリンク部１２に接続されている。なお、このＡＣブリッジ回路１３には平滑回路が備えられていてもよい。

スイッチ回路部１４は、商用電源系統２とパワーコンディショナ３の接続部に介装されており、インバータ部１１又はＡＣブリッジ回路部１３のいずれを商用電源系統２に接続するかを選択する切り替えスイッチである。
このスイッチ回路部１４の接点は、後述するＰＣ制御部１５によって制御可能であり、スイッチ接点をＡ側に接続することで商用電源系統２とインバータ部１１とが接続される。また、スイッチ接点をＢ側に接続することで商用電源系統２とＡＣブリッジ回路部１３とが接続される。

本実施形態のパワーコンディショナ３では、このスイッチ回路部１４が、発電装置１の発電システムと商用電源系統２とを連系させる系統連系スイッチとして機能しており、系統連系させないときはスイッチ接点が接点Ｂ側に接続される。
また、スイッチ回路部１４の接点を構成するリレーは、図示しないリレー駆動回路が非通電のときには、接点をＢ側に接続するようになっており、リレー回路に通電することによって接点がＡ側に接続される。

なお、本実施形態では、スイッチ回路部１４を系統連系スイッチとして用いているが、系統連系スイッチをスイッチ回路部１４とは別に設けることも可能である。つまり、このスイッチ回路部１４と直列に、別途系統連系を解列可能なスイッチ回路（系統連系リレー）を設けることも可能である。

ＰＣ制御部１５は、記憶装置や演算装置を含むマイコンを制御中枢として備えた、プログラマブルな制御装置よりなる。
このＰＣ制御部１５は、発電装置１からの入力電圧、入力電流、スタック温度を監視する各種センサ類から得られる情報、ＦＣ制御部７から得られる発電装置１側の情報、図示しない発電システムのリモコン（操作部）から得られる情報などに基づいて、パワーコンディショナ３の各部の動作を制御するとともに、発電システム全体の制御も行うことができる。

具体的には、ＰＣ制御部１５は、上記コンバータ部１０やインバータ部１１の動作及び停止の制御や、スイッチ回路部１４のスイッチ接点の切替制御などを行うほか、発電装置１のＦＣ制御部７に対して各種指令（例えば、発電装置１の起動開始や起動停止の指令など）を行うことができる。
なお、このＰＣ制御部１５は、補機６の場合と同様に、発電装置１が発電を行っていないときでも動作できるように、駆動電源がＤＣリンク部１２から供給される。

補機電源部４は、発電装置１の補機６に供給する直流電圧（例えば、ＤＣ２４Ｖ）を生成する電源装置である。
本実施形態では、この補機電源部４として、コンバータ部１０とは別体に構成された絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。すなわち、補機電源部４は、その入力側がＤＣリンク部１２に接続され、ＤＣリンク部１２から直流電力の供給を受けるようになっており、その出力側が補機６に接続されている。なお、この補機電源部４は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いているので、この補機電源部４によって補機６（発電装置１）と商用電源系統２とは縁切りされている。

また、本実施形態では、上記ＤＣリンクコンデンサ１２ａとして、素子の耐圧が４５０Ｖである５４０μＦのコンデンサが用いられている。また、補機電源部４の入力側のコンデンサ（図示せず）には１５０μＦのコンデンサ、上記ＤＣリンク部１２とＰＣ制御部１５との間に介在するＰＣ制御部用の電源（図示せず）の入力側コンデンサには１５μＦのコンデンサが用いられている。

〔補機への電力供給〕
なお、本実施形態のパワーコンディショナ３では、補機６への電力供給は以下のようにして行われる。
すなわち、発電装置１が定常運転を行っていない場合（発電装置１が停止中または起動準備中の場合）には、ＰＣ制御部１５は、スイッチ回路部１４の接点をＢ側に接続する。これにより、商用電源８からの交流電力がＡＣブリッジ回路部１３を介してＤＣリンク部１２に与えられ、ＤＣリンク部１２を介して補機電源部４に電力が供給される。

これに対して、発電装置１が定常運転である場合には、補機６にはコンバータ部１０から出力される発電電力が供給される。
すなわち、この場合、ＰＣ制御部１５は、スイッチ回路部１４の接点をＡ側に接続し、インバータ部１１と商用電源系統２とを連系状態にする。この状態では、コンバータ部１０から出力される電力がＤＣリンク部１２に接続された電源ラインを介して補機電源部４に供給される。つまり、ＤＣリンク部１２と補機電源部４とを接続する電源ラインが、補機６に電力を供給するための電力供給手段として機能する。

〔ＰＣ制御部の各機能部〕
ＰＣ制御部１５の記憶装置は、その演算装置が実行する回路制御等のためのコンピュータプログラムを記憶しており、そのコンピュータプログラムを実行することで達成される機能部として、起動制御部１５Ａ、状態判定部１５Ｂ、コンバータ制御部１５Ｃ及びインバータ制御部１５Ｄを備えている。
以下、これらの制御部１５Ａ〜１５Ｄごとの動作を説明することにより、ＰＣ制御部１５における処理内容を明らかにする。

〔起動制御部の処理内容〕
まず、発電装置１のＦＣ制御部７は、ユーザ操作等によって与えられる発電運転の開始指令に基づいて、補機６を動作させて発電運転を起動する。
起動制御部１５Ａは、発電装置１の出力電流値をＦＣ制御部７から予め取得しているとともに、コンバータ部１０の入力側に設けられた電圧センサＳ１と電流センサＳ２（図１参照）の検出値により、コンバータ部１０に対する現時の入力電圧と入力電流を常に監視している。

起動制御部１５Ａは、発電部５での化学反応が安定して電流センサＳ２の検出値が発電装置１から指示された所定値を継続し、かつ、電圧センサＳ１の検出値が予め設定された動作開始入力電圧Ｖｓ以上になったことを条件に、後述の状態判定部１５Ｂ、コンバータ制御部１５Ｃ及びインバータ制御部１５Ｄを起動させる。
上記動作開始入力電圧Ｖｓは、発電装置１の出力電圧範囲に基づいて設定されている。発電部５の定常運転時の出力電圧範囲は、通常、７０〜１８０Ｖとなっており、この範囲内で動作開始入力電圧Ｖｓが設定される。

もっとも、本実施形態では、動作開始入力電圧Ｖｓが、発電装置１の出力電圧範囲の下限値に近傍の電圧値（例えば、１００Ｖ）に設定されており、これにより、発電装置１が定常運転の起動準備を開始してから、早い段階でパワーコンディショナ３を起動させるようにしている。
なお、起動制御部１５Ａは、電圧センサＳ１の検出値が動作開始入力電圧Ｖｓ未満となった場合には、パワーコンディショナ３の動作を停止させて、系統と解列させる。

〔コンバータ制御部の処理内容〕
ＰＣ制御部１５の記憶装置には、コンバータ部１０の入力電圧に見合ったＤＣリンク電圧Ｖｄｃの目標電圧値Ｖｔと、その許容範囲である目標電圧範囲Ｚ１，Ｚ２が予め設定されている。
上記目標電圧値Ｖｔは、商用電源系統２として３相ＡＣ２００Ｖが用いられる本実施形態の場合には、例えば、系統過電圧判定値の最大値（＝２４０√２Ｖ≒３４０Ｖ）にマージンα（＝５０Ｖ）を加算した電圧値（＝３９０Ｖ）に設定される。

図３は、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの目標電圧範囲Ｚ１，Ｚ２を示す説明図である。図３に示すように、本実施形態では、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの目標電圧範囲Ｚ１，Ｚ２が、順潮流状態の場合と逆潮流状態の場合とで異なる範囲に設定されている。

図３（ａ）のハッチング部分は、順潮流状態での目標電圧範囲（以下、「第１範囲」という。）Ｚ１を示している。この第１範囲Ｚ１では、目標電圧値Ｖｔ（＝３９０Ｖ）の上位側に、一定の許容量ΔＶｔが設定され、下位側にそれと同じ絶対値の許容量ΔＶｔ（本実施形態では、ΔＶｔ＝１５Ｖ）が設定されている。
従って、第１範囲Ｚ１を不等式で示すと、次の通りである。
Ｚ１：Ｖｔ−ΔＶｔ≦Ｖｄｃ≦Ｖｔ＋ΔＶｔ

図３（ｂ）のハッチング部分は、逆潮流状態での目標電圧範囲（以下、「第２範囲」という。）Ｚ２を示している。この第２範囲Ｚ２では、目標電圧値Ｖｔ（＝３９０Ｖ）の下位側にのみ一定の許容量ΔＶｔが設定されており、上位側には許容量ΔＶｔが設定されていない。
従って、第２範囲Ｚ２を不等式で示すと、次の通りである。
Ｚ２：Ｖｔ−ΔＶｔ≦Ｖｄｃ≦Ｖｔ

ＰＣ制御部１５のコンバータ制御部１５Ｃは、ＤＣリンク部１２に設けた電圧センサＳ３（図１参照）の検出値によりＤＣリンク電圧Ｖｄｃを常に監視しており、この電圧センサＳ３の検出値に基づいて、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが目標電圧範囲Ｚ１，Ｚ２内に収まるようにコンバータ部１０の出力電圧をフィードバック制御する。
すなわち、コンバータ制御部１５Ｃは、順潮流状態の場合（図３（ａ））には、目標電圧範囲として第１範囲Ｚ１を選択し、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが第１範囲Ｚ１内になるようにコンバータ部１０の出力電圧を収束させる。

具体的には、コンバータ制御部１５Ｃは、電圧センサＳ３で検出されるＤＣリンク電圧Ｖｄｃが第１範囲Ｚ１の下限値（Ｖｔ−ΔＶｔ）未満である場合には、コンバータ部１０の直並列回路１８に対するデューティを、現状よりも２ポイントだけプラスする。
逆に、コンバータ制御部１５Ｃは、電圧センサＳ３で検出されるＤＣリンク電圧Ｖｄｃが第１範囲Ｚ１の上限値（Ｖｔ＋ΔＶｔ）を超える場合には、コンバータ部１０の直並列回路１８に対するデューティを、現状よりも２ポイントだけマイナスする。

なお、上記フィードバック制御において、デューティポイントのプラスは、直列側にスイッチングして出力電圧を増加させることを意味し、マイナスは、並列側にスイッチングして出力電圧を減少させることを意味する。また、本実施形態では、デューティポイントは、１ポイントあたり出力電圧を０．１１％変動させることを意味する。
一方、コンバータ制御部１５Ｃは、逆潮流状態の場合（図３（ｂ））には、目標電圧範囲として第２範囲Ｚ２を選択し、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが第２範囲Ｚ２内になるようにコンバータ部１０の出力電圧を収束させる。

具体的には、コンバータ制御部１５Ｃは、電圧センサＳ３で検出されるＤＣリンク電圧Ｖｄｃが第２範囲Ｚ２の下限値（Ｖｔ−ΔＶｔ）未満である場合には、コンバータ部１０の直並列回路１８に対するデューティを、現状よりも２ポイントだけプラスする。この点については、順潮流状態の場合と同様である。
逆に、コンバータ制御部１５Ｃは、電圧センサＳ３で検出されるＤＣリンク電圧Ｖｄｃが第２範囲Ｚ２の上限値（Ｖｔ）を超える場合には、コンバータ部１０の直並列回路１８に対するデューティを、現状よりも２ポイントだけマイナスする。

また、本実施形態では、逆潮流時においては、Ｖｔ＋ΔＶｔの上下で出力電圧の減少度合いを変化させている。具体的には、電圧センサＳ３で検出されるＤＣリンク電圧ＶｄｃがＶｔ＋ΔＶｔを超える場合には、コンバータ部１０の直並列回路１８に対するデューティを、現状のＤＣリンク電圧ＶｄｃとＶｔ＋１３Ｖとの差分ポイントだけマイナスするようになっている。
このため、逆潮流時にＤＣリンク電圧ＶｄｃがＶｔ＋ΔＶｔを超える場合は、電圧ＶｄｃがＶｔ〜Ｖｔ＋ΔＶｔの範囲である場合に比べて、コンバータ部１０に対する出力電圧の単位時間当たりの減少制御量が大きい。

以上のように、本実施形態では、順潮流時用の第１範囲Ｚ１と逆潮流時用の第２範囲Ｚ２との２種類の目標電圧範囲が予め設定されており、逆潮流時用の目標電圧範囲Ｚ２が順潮流時用の目標電圧範囲Ｚ１に比べて低圧側に偏っている。
このため、逆潮流時においてＤＣリンク電圧Ｖｄｃが目標電圧値Ｖｔを超える場合においては、コンバータ制御部１５Ｃにより、コンバータ部１０の出力電圧が順潮流時の場合よりも高速に減少することになる。

なお、コンバータ制御部１５Ｃは、後述する状態判定部１５Ｂが生成する状態情報に基づいて、コンバータ部１０に対するフィードバック制御を行う際に参照すべき第１範囲Ｚ１と第２範囲Ｚ２を瞬時に切り替える。

〔状態判定部の判定内容〕
図４は、状態判定部１５Ｂの判定内容を示す状態遷移図である。
図４に示すように、ＰＣ制御部１５の状態判定部１５Ｂは、系統の有効電力Ｐの大小に基づいて、パワーコンディショナ３の系統２に対する潮流を判定する。
すなわち、状態判定部１５Ｂは、商用電源系統２に設けられた電圧センサＳ４とカレントトランス方式の系統側電流センサＣＴ（図１参照）の検出値を常に監視しており、この検出値から算出される系統２の現時の有効電力Ｐを所定の閾値Ｐｔｈと比較する。

そして、状態判定部１５Ｂは、有効電力Ｐが閾値Ｐｔｈを超える場合には、順潮流状態であると判定し、有効電力Ｐが閾値Ｐｔｈ以下である場合には、逆潮流状態であると判定する。
なお、上記有効電力Ｐは系統２のＵ相電力とＶ相電力の和で算出され、ＵＶ各相の電力は各相の電流値と電圧値の積で算出されるが、本実施形態では、交流波形の１波ごとにその演算を行い、２波の移動平均をもって有効電力Ｐとしている。従って、有効電力Ｐのデータ更新のタイミングは、５０Ｈｚの場合では２０ｍｓごとになる。

状態判定部１５Ｂは、自身の判定結果を少なくとも１つ記憶しており、今回の判定結果が以前の判定結果と異なる場合には、その変化後の状態（順潮流状態又は逆潮流状態のいずれか）を示す状態情報を、コンバータ制御部１５Ｃとインバータ制御部１５Ｄに通知する。
なお、状態判定部１５Ｂでの判定結果を、毎回、コンバータ制御部１５Ｃとインバータ制御部１５Ｄに通知し、これらの制御部１５Ｃ，１５Ｄにおいて状態変化を検出することにしてもよい。

〔インバータ制御部の処理内容〕
ＰＣ制御部１５のインバータ制御部１５Ｄは、電圧センサＳ４と電流センサＳ５の検出値（図１参照）を常時監視しており、その検出値に基づいて、ＰＷＭのデューティを変更することにより、ＤＣリンク部１２の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部１１の出力電流を任意に調節可能となっている。

本実施形態のインバータ制御部１５Ｄは、状態判定部１５Ｂからの状態情報が順潮流状態である場合には、通常時の所定のデューティでインバータ部１１のＦＥＴブリッジを駆動する。
また、インバータ制御部１５Ｄは、状態判定部１５Ｂからの状態情報が逆潮流状態である場合には、通常時よりもデューティを小さくしてインバータ部１１の出力電流を絞ることにより、逆潮流を順潮流に戻す制御（逆潮流防止制御）を実行する。

更に、本実施形態のインバータ制御部１５Ｄは、上記逆潮流防止制御を実行するに当たって、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの変動に対応してインバータ部１１の出力電流の減少制御量を調整することにより、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを安定化させる制御を実行する。
すなわち、インバータ制御部１５Ｄは、前記電圧センサＳ３の検出値を常に監視しており、逆潮流の場合にインバータ部１１の出力電流を絞る際に、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが所定の閾値を超える差分で上昇した場合には、出力電流の減少量を減らしてＤＣリンク電圧Ｖｄｃを元の電圧値まで下降させる。

その逆に、インバータ制御部１５Ｄは、逆潮流の場合にインバータ部１１の出力電流を絞る際に、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが所定の閾値を超える差分で下降した場合には、出力電流の減少量を増やしてＤＣリンク電圧Ｖｄｃを元の電圧値まで上昇させる。
なお、このインバータ制御部１５ＤによるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの安定化制御は、コンバータ制御部１５Ｃによるリンク電圧Ｖｃｄの上昇抑制の先、後又は同時のいずれのタイミングで行っても良い。

〔逆潮流時の問題点と第１実施形態の効果〕
上記構成に係るパワーコンディショナ３において、通常は、発電装置１における発電量に応じて発電装置１のＦＣ制御部７が送信する目標電流値に基づいて、インバータ制御部１５Ｄが出力電流値制御を行う。
これと同時に、コンバータ制御部１５Ｃは、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの目標電圧値制御を行う。このさい、順潮流（通常）時においては、発電装置１における発電効率を維持するため、発電装置１での発電量が安定するように、適度な制御スピード（電気負荷の状態に急反応しない）で目標電圧値制御が行われる。

一方、パワーコンディショナ３が逆潮流状態（状態判定部１５Ｂが逆潮流を検出）になると、インバータ制御部１５Ｄは、その逆潮流状態を解消するために出力電流を急激に絞るようになる。しかし、これによってＤＣリンク電圧Ｖｄｃが高くなると、通常時のコンバータ制御部１５Ｃの制御スピードではＤＣリンク電圧Ｖｄｃの低下が遅れてしまう。
このとき、発電装置１のＦＣ制御部７は、出力電流が急激に減少したことに急反応し、必要以上に発電出力を絞ってしまう。もっとも、発電が停止されるわけではない。

そうすると、その後、逆潮流状態が解消されて、発電装置１の出力電流を元の状態に回復させたいと思っても、発電装置１の立ち上がり特性上その回復に相当の時間がかかってしまい、その結果、発電装置１とパワコン３に損失が生じる。
すなわち、低電流領域では、発電装置１は発電効率が悪く、パワーコンディショナ３は電力ロスが大きい。また、その間は商用電力を多く使用しなければならない。
なお、上記の逆潮流時のインバータ制御による問題点は、特に発電装置１が固定酸化物型燃料電池である場合に顕著である。

この点、第１実施形態のパワーコンディショナ３によれば、コンバータ制御部１５Ｃが、逆潮流時においてＤＣリンク電圧Ｖｄｃが目標電圧値Ｖｔを超える場合に、コンバータ部１０の出力電圧を順潮流時の場合よりも高速に減少させるので、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの上昇を順潮流時の場合に比べてより確実に抑制することができる。
このため、インバータ制御部１５Ｄが順潮流に戻るようにインバータ部１１の出力電流を制御しても、コンバータ部１０からの電力供給を行うことができ、発電装置１の発電電力を急激に低下させる必要がなくなる。

従って、逆潮流が生じた場合に発電電力を必要以上に下げずに発電を継続することができるので、逆潮流発生後における電力ロスを抑制可能な発電システムを安価に提供することができる。
また、第１実施形態のパワーコンディショナ３によれば、コンバータ制御部１５ＣによるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの上昇抑制に加えて、インバータ制御部１５Ｄが、逆潮流時においてインバータ部１１の出力電流を抑制する際に、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの変動に応じて当該インバータ部１１の出力電流の減少制御量を調整するので、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの上昇をより確実に抑制できるという利点もある。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態に係るパワーコンディショナ３を用いた発電システムの概略構成を示す回路図である。
図１と図５を対比すれば明らかな通り、本実施形態のパワーコンディショナ３が第１実施形態のそれと異なる点は、コンバータ部１０とインバータ部１１の間のＤＣリンク部１２に安定化回路２０を設けた点にあり、その他の構成及び機能は第１実施形態の場合と同様である。

すなわち、本実施形態のパワーコンディショナ３では、ＤＣリンクコンデンサ１２ａと並列に安定化回路２０が設けられており、この安定化回路２０は、抵抗等よりなる負荷２１とこれに直列に接続されたスイッチング素子２２とから構成されている。
そして、ＰＣ制御部１５は、逆潮流時において目標電圧範囲Ｚ２を超えるＤＣリンク電圧Ｖｄｃが生じた場合に、所定時間だけ上記スイッチング素子２２を瞬間的にオンにする。これにより、過大なＤＣリンク電圧Ｖｄｃが負荷２１に放電され、目標電圧範囲Ｚ２内に収束するようになっている。

本実施形態のパワーコンディショナ３によれば、上記安定化回路２０がＤＣリンク電圧Ｖｄｃを放電によって目標電圧範囲Ｚ２内に安定化させるので、第１実施形態の場合に比べて、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの上昇をより確実に抑制できるという利点がある。

〔その他の変形例〕
上記実施形態は本発明の例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、上記実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲及びその構成と均等な全ての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、逆潮流時におけるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの不感帯である第２範囲Ｚ２が、その上限が目標電圧値Ｖｔと一致した領域になっているが（図３（ｂ）参照）、第２範囲Ｚ２の上限は目標電圧値Ｖｔを超えていてもよい。

例えば、第２範囲Ｚ２は第１範囲Ｚ１とまったく同じ領域であってもよい。この場合でも、第２範囲Ｚ２の上限を超える場合にマイナスするデューティポイントを、順潮流時よりも大きくすれば、コンバータ部１０の出力電圧を順潮流時の場合よりも高速に減少させることができる。

また、上記実施形態では、発電装置１として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いているが、発電装置１には、他の形式の燃料電池である固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やガスエンジンを用いた燃料型発電装置を用いることも可能である。
更に、上記実施形態では、発電システム単体の構成について説明したが、この発電システムは、発電装置１で発生する排熱を排熱回収手段（例えば、熱交換器）で回収して温水生成用の熱源として利用するなど、コージェネレーションシステムの構成要素としても適用可能である。

１ 発電装置
２ 商用電源系統（系統）
３ パワーコンディショナ
４ 補機電源部
５ 発電部（燃料電池スタック）
８ 商用電源
９ 電気負荷
１０ コンバータ部
１１ インバータ部
１２ ＤＣリンク部
１５ ＰＣ制御部
１５Ａ 起動制御部
１５Ｂ 状態判定部
１５Ｃ コンバータ制御部
１５Ｄ インバータ制御部
２０ 安定化回路
Ｖｄｃ ＤＣリンク電圧
Ｖｔ 目標電圧値
Ｚ１ 第１範囲（目標電圧範囲）
Ｚ２ 第２範囲（目標電圧範囲）

Claims (5)

1. 発電装置が出力する直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ部と、このコンバータ部が出力する直流電圧を交流電圧に変換して商用電源系統に供給するインバータ部とを備えたパワーコンディショナであって、
   前記インバータ部のＤＣリンク電圧が、当該インバータ部が系統最大電圧を出力するのに必要な目標電圧値に近づくように前記コンバータ部の出力電圧を制御するコンバータ制御部と、
   逆潮流が順潮流に戻るように前記インバータ部の出力電流を制御するインバータ制御部と、
   前記商用電源系統に対する潮流が順潮流であるか逆潮流であるかを判定する状態判定部とを備えており、
   前記コンバータ制御部は、前記状態判定部の判定結果が逆潮流の場合における前記コンバータ部の出力電圧の単位時間当たりの減少制御量を、前記状態判定部の判定結果が順潮流の場合における前記減少制御量に比べて大きくすることにより、逆潮流時において前記ＤＣリンク電圧が前記目標電圧値を超える場合に、前記コンバータ部の出力電圧を順潮流時の場合よりも高速に減少させることを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記目標電圧値を含む前記ＤＣリンク電圧の目標電圧範囲が順潮流時用と逆潮流時用との２種類のものが予め設定されており、逆潮流時用の前記目標電圧範囲が順潮流時用の前記目標電圧範囲に比べて低圧側に偏っている請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記インバータ制御部は、逆潮流時において前記インバータ部の出力電流を抑制する際に、前記ＤＣリンク電圧の変動に応じて当該インバータ部の出力電流の減少制御量を調整する請求項１又は２に記載のパワーコンディショナ。
4. 逆潮流時において前記目標電圧範囲を超える前記ＤＣリンク電圧が生じた場合に、そのＤＣリンク電圧を放電によって前記目標電圧範囲内に安定化させる安定化回路が、前記インバータ部とコンバータ部の間に設けられている請求項２記載のパワーコンディショナ。
5. 燃料型発電装置よりなる前記発電装置と、この発電装置の出力側に前記コンバータ部の入力側が接続された請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーコンディショナとを備えている発電システム。

Images