JPH04368427A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、商用電源と燃料電池と
を連系して負荷に電力を給電する電力供給システムに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力エネルギーの多様化や夏期に
おける電力供給の逼迫に対処するため、燃料電池やディ
ーゼルエンジンを常用運転し、商用電源と連系して負荷
に電力を供給する方式が脚光をあびてきた。その場合、
燃料電池等の自家用発電装置は電力だけでなく、発電に
伴って発生する熱エネルギーも空調等に利用するコージ
ェネレーションシステムが主流を成している。商用電源
と燃料電池の連系による電力供給方法としては、燃料電
池から取り出す熱エネルギーを最も有効に利用するため
、一般には燃料電池を常時定格出力一定で運転し、燃料
電池出力容量を超える負荷電力量は変動分も含めて商用
電源側から供給するベースカット給電による方法が用い
られている。

【０００３】図３に、このような従来例として、燃料電
池出力に電力変換装置を直列に接続した装置に商用電源
を並列に接続し、負荷に電力を供給する電力供給システ
ムの構成をブロック図で示す。この従来例の電力供給シ
ステムを構成する部分として、図中の１は商用電源、２
は燃料電池、３は電力変換装置、４は負荷、１１，３１
は位相・電力検出手段、３２，３３，３４，３５は比較
器、３６は駆動信号発生器、３７は電力変換装置３の出
力電力の設定器、５１および５２は遮断器である。本シ
ステムの構成では商用電源１の出力に位相・電力検出手
段１１，遮断器５１を介して負荷４が直列に接続されて
いる。また、燃料電池２の出力には電力変換装置３が直
列に接続され、その電力変換装置３の出力には位相・電
力検出手段３１，遮断器５２を介して同じく負荷４が接
続されている。また、位相・電力検出手段１１および３
１の信号線は、第１の比較器３２に接続され、本比較器
３２の出力は電力変換装置３の出力電力量を設定する設
定器３７の信号線とともに第２の比較器３３へ接続され
る。比較器３３の出力信号線は商用電源１および電力変
換装置３の出力電圧を比較する第４の比較器３５の出力
信号線とともに第３の比較器３４に接続され、第３の比
較器の出力は電力変換装置３を駆動する駆動信号発生器
３６を介して電力変換装置３の駆動回路へ接続されてい
る。

【０００４】以上のように構成されている従来例の電力
供給システムは、以下のように動作する。図４（ａ），
（ｂ）はその動作モードを示しており、図中の横軸は（
ａ），（ｂ）とも時間軸、縦軸は（ａ）では電力、（ｂ
）では電圧である。常時は商用電源１と燃料電池２の出
力に直列接続した電力変換装置３の出力は、同期連系し
て負荷４に電力を供給している。この場合の供給方法と
しては、燃料電池２から取り出す熱エネルギーおよび電
気エネルギーを最も有効的に利用するため、燃料電池２
を定格一定出力で動作させる。つまり、図４（ａ）に示
したように電力変換装置３の出力（３）は負荷４の変動
に関係なく常時一定出力で動作させる。従って、燃料電
池２の容量を超える負荷電力は、商用電源１側から負荷
変動分も含めて供給される。この場合の電力変換装置３
の制御は、次のようになされる。まず、位相・電力検出
手段１１および３１からの位相信号を第１の比較器３２
により商用電源１の位相と電力変換装置３の位相を比較
し、その差の信号と電力変換装置３の出力電力量を決定
する設定器３７の基準信号とを第２の比較器３３で比較
し、位相振幅信号を送出する。本位相振幅信号と商用電
源１と電力変換装置３の出力電圧信号を比較した信号値
を第３の比較器３４で比較し、電圧・位相信号を送出す
る。本電圧・位相信号を駆動信号発生器３６からの信号
により、電力変換装置３を所期の特性に維持するように
動作させる。例えば、何らかの条件により商用電源１側
の位相がずれると、その差に応じて電力変換装置３は出
力を変化させようとするが、比較器３２により常に位相
差が比較され且つ電力変換装置３の設定器３７により電
力変換装置３は商用電源１側の変動に関わりなく一定出
力を維持する。

【０００５】このように商用電源１と燃料電池２を連系
して電力供給を行う従来の電力供給システムでは、前述
の通り燃料電池２を最も効率良く動作させるために、常
時、定格一定出力で運転させている。このため、電力変
換装置３の出力設定を燃料電池２から取り出せる最大電
力量になるように設定器３７を設定するのが基本であっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による電力供給システムでは、燃料電池２の出
力容量が経年変化により減少するうえ、負荷急変等に対
し燃料電池２の追従特性が悪いため商用電源１側の位相
が電力変換装置３と負荷分担をしていた位相に対し瞬間
的に遅れる状態が生じる場合がある。このため、前者で
は電力変換装置３の出力電力を電力源である燃料電池２
容量が減少しているにも関わらず負荷分担するように働
き、また、後者では負荷容量を瞬間的に電力変換装置３
側で全て分担するように動作するため、燃料電池２が過
負荷となり燃料電池２自体の故障防止の必要性から遮断
器５２を動作させ燃料電池２側からの供給を遮断しなけ
ればならないという事態が生じる。図４（ａ）はこの動
作を示しており、また、この時の出力の関係が図４（ｂ
）に出力電圧を例にとって示されている。常時、商用電
源１側の出力電圧（１）と電力変換装置３側の出力電圧
（３）とは等しいが、燃料電池２側が過負荷になると電
力変換装置３は正常な出力の供給が出来なくなり、出力
電圧の低下が生じるので遮断する必要がある。この例で
は出力電圧を示したが、実際には出力電流低下，周波数
異常，位相異常等による同期はずれ等が生じ遮断モード
に入る。

【０００７】このように、従来のシステムにおいては、
燃料電池２を電力源として電力変換装置３を接続し、商
用電源１と連系して負荷４に電力を供給する場合、燃料
電池２を最大限有効且つ効率的に使用するように電力変
換装置３を設定して電力を供給できるが、燃料電池２が
経年とともに出力容量が減少すると、電力変換装置３は
設定された電力を供給しようとするため運転中に電力変
換装置３が要求する入力量が得られなくなり、電力変換
装置３が停止もしくは燃料電池２がシャットダウンする
事態が生じる虞れがあった。また、負荷急変時もしくは
商用電源１側の位相遅れ等が生じた場合にも燃料電池２
出力が過大になり、シャットダウンとなって燃料電池２
側から常時安定な電力を供給出来なくなる欠点があった
。

【０００８】本発明は、上記問題点を改善するためにな
されたものであり、その目的は、商用電源と電力変換装
置を介して出力されるほぼ定格運転の燃料電池出力とを
連系して負荷に電力を供給する際、その燃料電池が寿命
要因等により出力容量が減少したり、負荷急変等により
過渡的に燃料電池が過負荷となったりした場合などにお
いて、燃料電池側がシャットダウン状態になることなく
安定に電力供給が行える電力供給システムを提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電力供給システムにおいては、燃料電池の
出力に安定な交流電力を出力できる電力変換装置を直列
接続し、前記電力変換装置出力と前記商用電源とを並列
接続して負荷に交流電力を供給する電力供給システムを
構成し、前記電力変換装置の出力および前記商用電源に
各々位相・電力検出手段を設け、該各位相・電力検出手
段からの信号を第１の比較器により比較した出力と前記
電力変換装置の出力電力を設定する設定器からの信号と
を比較する第２の比較器を介して位相信号を送出し、該
位相信号と前記商用電源および前記電力変換装置の出力
電圧を比較する第３の比較器を介しての信号と前記位相
信号とを比較する第４の比較器を介して前記電力変換装
置を駆動する駆動信号を送出するように構成された電力
供給システムにおいて、前記燃料電池出力に電力検出手
段を挿入するとともに、前記第２の比較器と前記設定器
の間に第５の比較器を挿入し、該第５の比較器により前
記電力検出手段からの信号と前記電力変換装置の出力電
力を設定する該設定器からの信号とを比較し、該第５の
比較器の出力信号と前記第１の比較器の出力信号とを前
記第２の比較器により比較し、前記電力変換装置の出力
電力を前記電力検出手段の出力信号に見合って前記駆動
信号を送出することを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明の電力供給システムでは、基本的には電
力変換装置は予め設定器で設定した出力電力を維持する
ように動作させるとともに、燃料電池から取り出すこと
が可能な出力容量を電力検出手段により常時監視し、燃
料電池の経年変化により出力容量が低下したり、負荷急
変において燃料電池の追従特性が悪いためにその過渡時
において定格容量を取り出せない場合には、第５の比較
器により設定器の設定出力を比較操作して、電力変換装
置と商用電源との負荷分担比率を自動的に変更すること
により、常に燃料電池出力可能容量に見合って電力変換
装置を運転する。このように、電力変換装置の出力制御
に加え入力制御要素も加味するという従来行われていな
かったシステムとすることにより、電力変換装置が予め
設定した出力を維持しようと動作するために運転中に同
期はずれや電圧低下が生じて停止するのを原理的に回避
し、常に燃料電池から取り出せる最大容量で負荷に電力
の供給できるようにしている。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施例の構成を示すブロ
ック図である。本実施例の構成部分として、図中の１は
商用電源、２は燃料電池、３は電力変換装置、４は負荷
、１１，３１は位相・電力検出手段、２１は電力検出手
段、３２，３３，３４，３５，３８は比較器、３６は駆
動信号発生器、３７は電力変換装置３の出力電力の設定
器である。上記構成部分のうち従来の技術で説明した図
３と共通しているところは同一の番号を付してある。

【００１３】上記各部は、次のように接続されている。 商用電源１の出力に位相・電力検出手段１１を介して負
荷４を直列に接続する。また、燃料電池２の出力に電力
検出手段２１を介して電力変換装置３を直列に接続し、
電力変換装置３の出力に位相・電力検出手段３１を介し
て同じく負荷４を接続する。位相・電力検出手段１１お
よび３１の各信号線は、第１の比較器３２に接続される
。また、電力検出手段２１の出力信号線および電力変換
装置３の出力電力量を設定する設定器３７の出力信号線
は第５の比較器３８に接続される。比較器３２および３
８の出力信号線は第２の比較器３３へ接続される。本比
較器３３の出力信号線は商用電源１および電力変換装置
３の出力電圧を比較する第４の比較器３５の出力信号線
とともに第３の比較器３４に接続され、第３の比較器３
４の出力信号線は電力変換装置３を駆動する駆動信号発
生器３６を介して電力変換装置３内の駆動回路へ接続さ
れる。

【００１４】以上のように構成した一実施例の動作およ
び作用を述べる。

【００１５】図２に本実施例の動作モードを示す。図中
の横軸は時間、縦軸は電力であり、（１）は商用電源１
側から負荷４への供給電力、（３）は電力変換装置３側
から負荷４への供給電力を示している。本実施例の基本
動作は従来の技術で説明した通りであり、常時は商用電
源１と燃料電池２の出力に直列接続した電力変換装置３
の出力とは同期連系して負荷４に電力を供給している。 この場合の供給方法としては、燃料電池２から取り出す
熱エネルギーおよび電気エネルギーを最も有効的に利用
するため、燃料電池２は定格一定出力で動作させる。つ
まり、図２に示したように電力変換装置３の出力（３）
は負荷の変動に関係なく常時一定出力で動作させる（（
３０）の範囲）。従って、燃料電池容量を超える負荷電
力は商用電源１側から負荷変動分も含めて供給されるベ
ースカット給電方式を適用する。この場合の電力変換装
置３の制御は、位相・電力検出手段１１および３１から
の位相信号を第１の比較器３２により商用電源１の位相
と電力変換装置３の位相を比較し、その差の信号と電力
変換装置３の出力電力量を決定する設定器３７の基準信
号とにより比較し、設定および検出・制御を行えば可能
である。この場合、電力変換装置３の出力電力量は設定
器３７により予め定格一定出力を供給するように設定す
る。

【００１６】ところが、以上の方法では燃料電池２の出
力容量が低下してくると、電力変換装置３の入力容量が
不足し出力を維持出来なくなるため、電力変換装置３は
停止してしまう。言い換えれば電力変換装置３の出力電
力量をどのように設定しても、入力源である燃料電池２
の出力容量が電力変換装置３の設定出力より低下すれば
電力変換装置３は出力電力を維持できなくなり停止して
しまう。つまり、ベースカット運転により商用電源１と
連系して負荷４に電力を供給する場合、電力変換装置３
は商用電源１に対して、予め設定した負荷分担量を維持
しようとして常に商用電源１との位相差を保つように制
御されるためである。

【００１７】本実施例ではこのような欠点を除去するた
め、燃料電池２の出力（電力変換装置３の入力）に電力
検出器２１を設け、常に燃料電池２から取り出される出
力を監視し、本出力信号と電力変換装置３の出力を設定
する設定器３７を第５の比較器３８により設定器３７の
基準設定値と電力検出手段２１の信号より得られる信号
を比較し、電力変換装置３の出力電力を決定する比較信
号を送出する。この場合、燃料電池２の出力電力検出手
段２１の出力信号から得られる出力電力信号値が設定器
３７で設定した電力変換装置３を出力させる設定値より
小さい場合は、設定器３７の設定値により運転するよう
に第２の比較器３３に信号が送出される。もし、燃料電
池２の出力電力検出手段２１から得られる出力電力信号
値が設定器３７で予め設定した電力変換装置３の出力容
量より低下した場合には、設定器３７の設定値に対し、
電力検出手段２１からの信号が優先され、その出力信号
が第２の比較器３３に送出される。また、一時的に燃料
電池２の出力が低下した場合にも本動作を行い、出力が
回復したのち最初の運転状態を維持することは当然のこ
とである。このことにより、燃料電池２の出力容量が低
下した場合、電力変換装置３の出力が図２（３１）のよ
うに変化し、その減少分は商用電源１の分担比率を上げ
ることにより商用電源１側から負荷４に供給される。具
体的には、電力変換装置３の出力電圧と商用電源１の電
圧の位相を変化させることにより負荷分担を変化させる
。つまり、電力変換装置３が設定器３７の信号に基づく
ベースカット運転により商用電源１と連系して負荷４に
電力を供給している状態では、電力変換装置３の出力の
位相は商用電源１の出力電圧に対し常に一定を保つよう
に制御し、出力電力検出手段２１からの信号で運転され
る場合には、燃料電池１の出力容量に見合って電力変換
装置３の出力の電圧位相を商用電源１に対し、負荷分担
率を低下させるように位相を遅らせる（但し、この場合
にも商用電源１の電圧の位相よりは進んでいる）よう制
御する。

【００１８】なお、上記第２の比較器３３の出力である
位相振幅信号と商用電源１と電力変換装置３の出力電圧
信号を第４の比較器３５で比較した信号値を第３の比較
器３４で比較し、電圧・位相信号を送出し、かつ本電圧
・位相信号を駆動信号発生器３６により駆動信号に変換
し、電力変換装置３を所期の特性に維持するように動作
させることは従来の技術で説明したことと同様である。

【００１９】つまり、本実施例では、燃料電池２の出力
（電力変換装置３の入力）に電力検出手段２１と、電力
変換装置３の出力を設定する設定器３７の基準値を常時
比較することにより、燃料電池２から取り出せる出力容
量を常に監視することが可能であるので、燃料電池２の
出力容量が低下すると電力変換装置３の設定容量に対し
て燃料電池２から送出できる容量により電力変換装置３
の出力を図２のように制御することができる（（３１）
の範囲）。そして、その減少分は商用電源１側の負荷分
担率が変化して補われ、負荷４に必要な電力の供給は継
続される。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
電力供給システムによれば、商用電源と電力変換装置を
介して出力される燃料電池出力とを連系して負荷に電力
を供給する場合、電力変換装置の入力源である燃料電池
から取り出せる出力を常に監視して電力変換装置出力を
制御するので、燃料電池の経年変化や負荷急変等により
運転中に燃料電池が過負荷になり、結果として電力変換
装置がダウンすることを防止できるとともに、常に燃料
電池を最も効率よく運転することができるうえ、運転中
に電力変換装置が停止することがないため、経済性，信
頼性の極めて高い電力供給システムを構成することが可
能になる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図

【図
２】上記実施例の動作モード図

【図３】従来例の構成を示すブロック図

【図４】（ａ）
，（ｂ）は上記従来例の動作モード図

【符号の説明】

１…商用電源、２…燃料電池、３…電力変換装置、４…
負荷、１１，３１…位相・電力検出手段、２１…電力検
出手段、３２，３３，３４，３５，３８…比較器、３６
…駆動信号発生器、３７…設定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃料電池の出力に安定な交流電力を出
   力できる電力変換装置を直列接続し、前記電力変換装置
   出力と前記商用電源とを並列接続して負荷に交流電力を
   供給する電力供給システムを構成し、前記電力変換装置
   の出力および前記商用電源に各々位相・電力検出手段を
   設け、該各位相・電力検出手段からの信号を第１の比較
   器により比較した出力と前記電力変換装置の出力電力を
   設定する設定器からの信号とを比較する第２の比較器を
   介して位相信号を送出し、該位相信号と前記商用電源お
   よび前記電力変換装置の出力電圧を比較する第３の比較
   器を介しての信号と前記位相信号とを比較する第４の比
   較器を介して前記電力変換装置を駆動する駆動信号を送
   出するように構成された電力供給システムにおいて、前
   記燃料電池出力に電力検出手段を挿入するとともに、前
   記第２の比較器と前記設定器の間に第５の比較器を挿入
   し、該第５の比較器により前記電力検出手段からの信号
   と前記電力変換装置の出力電力を設定する該設定器から
   の信号とを比較し、該第５の比較器の出力信号と前記第
   １の比較器の出力信号とを前記第２の比較器により比較
   し、前記電力変換装置の出力電力を前記電力検出手段の
   出力信号に見合って前記駆動信号を送出することを特徴
   とする電力供給システム。