JPWO2013047169A1 - 発電システム、制御装置、及び電力制御方法 - Google Patents

Abstract

系統１０に連系されているＳＯＦＣユニット１００と、ＳＯＦＣユニット１００が負荷追従運転を行うようにＳＯＦＣユニット１００の出力電力を制御するＳＯＦＣコントローラ１４０と、を有する燃料電池システムにおいて、ＳＯＦＣコントローラ１４０は、負荷追従運転を行うために必要とされるＳＯＦＣユニット１００の出力電力が、第１の閾値を超える場合に、負荷追従運転に代えて、ＳＯＦＣユニット１００の出力電力を一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御する。

Description

本発明は発電システムに関し、詳細には、発電ユニットの出力電力を制御する制御装置及び電力制御方法に関する。

近年、電力の需要家において、商用電力系統の補助電源として、例えば燃料電池を含む発電ユニットの普及が進んでいる。燃料電池は、ガスから取り出した水素と空気中の酸素との化学反応により発電する発電装置である（例えば特許文献１参照）。燃料電池と電力変換装置（パワーコンディショナ）とによって燃料電池ユニットが構成される。

燃料電池ユニットの出力電力は制御可能であるため、需要家に設けられた負荷の消費電力の増減に合わせて、燃料電池ユニットの出力電力を増減する「負荷追従運転」を適用することが一般的である。

また、燃料電池ユニットにおける発電の際に発生する排熱を回収して貯湯ユニットに湯を貯え、貯湯ユニット内の貯湯を給湯に供する燃料電池システム（いわゆる、コジェネレーションシステム）も普及している。このような燃料電池システムは、ガスから得られた電気エネルギーだけでなく、熱エネルギーも利用できるため、ガスを効率的に利用できる。

特開２００５−２７８３３７号公報

例えば、給湯需要が小さい夏場においては、燃料電池ユニットが負荷追従運転を行う結果、貯湯ユニット内の貯湯が余ることが多い。貯湯量が最大湯量に達すると、燃料電池ユニットの排熱は回収されずに捨てられることとなるため、ガスを効率的に利用できない問題がある。

そこで、本発明は、発電ユニットの発電効率を考慮しつつ、排熱利用効率を極力担保することのできる発電システム、制御装置、及び電力制御方法を提供することを目的とする。

本発明の特徴によれば、燃料を用いた発電ユニットと、前記発電ユニットが負荷追従運転を行うように前記発電ユニットの出力電力を制御する制御装置と、を有する発電システムであって、前記制御装置は、前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの出力電力が、前記発電ユニットの最大出力可能電力よりも小さい値に設定された第１の閾値を超える場合に、前記負荷追従運転に代えて、前記発電ユニットの出力電力を一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御する発電システムが提供される。

本発明の他の特徴によれば、前記制御装置は、前記発電ユニットからの排熱の回収が不要な場合に前記抑制運転を行う。

本発明の他の特徴によれば、前記制御装置は、前記発電ユニットからの排熱を利用する装置から、排熱回収の要否を判断するための排熱回収情報を受信する。

本発明の他の特徴によれば、前記発電ユニットは、商用電力系統に連系されている。

本発明の他の特徴によれば、前記制御装置は、前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの仮目標出力電力を計算し、前記仮目標出力電力が前記第１の閾値以下である場合には、前記仮目標出力電力を前記目標出力電力として設定し、前記仮目標出力電力が前記第１の閾値を超える場合には、前記一定値を前記目標出力電力として設定する。

本発明の他の特徴によれば、前記第１の閾値は、前記発電ユニットの発電効率が第３の閾値以下になる前記発電ユニットの出力電力、又は、前記発電ユニットの発電効率が第４の閾値以上になる前記発電ユニットの出力電力に応じて、設定される。

本発明の他の特徴によれば、前記第３の閾値又は前記第４の閾値は、１日以上の学習に基づいて更新される。

本発明の他の特徴によれば、前記発電ユニットの排熱を回収して得られた湯を貯える貯湯ユニットをさらに有し、前記制御装置は、前記貯湯ユニットの貯湯量又は貯熱量が第２の閾値を超える場合で、前記仮目標出力電力が前記第１の閾値を超える場合に、前記一定値を前記目標出力電力として設定する。

本発明の他の特徴によれば、前記第２の閾値は、予測される給湯需要パターン、予測される電力負荷パターン、予測される外気温、予測される水温、のうち少なくとも１つに応じて、設定される。

本発明の他の特徴によれば、前記第２の閾値は、１日以上の学習に基づいて更新される。

本発明の他の特徴によれば、商用電力系統に連系されている他の発電ユニットをさらに有し、前記仮目標出力電力が前記第１の閾値を超える場合であっても、前記仮目標出力電力を前記目標出力電力として設定すれば前記他の発電ユニットの出力電力を前記商用電力系統に売電することが可能である場合で、且つ、前記売電の単価が前記発電ユニットの発電単価よりも高い場合には、前記制御装置は、前記仮目標出力電力を前記目標出力電力として設定する。

本発明の他の特徴によれば、前記発電ユニットは、燃料電池を用いた発電ユニットである。

本発明の特徴によれば、発電ユニットが負荷追従運転を行うように、前記発電ユニットの出力電力を制御する制御装置であって、前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの出力電力が、前記発電ユニットの最大出力可能電力よりも小さい値に設定された第１の閾値を超える場合に、前記負荷追従運転に代えて、前記発電ユニットの出力電力を一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御する制御装置が提供される。

本発明の特徴によれば、発電ユニットが負荷追従運転を行うように、前記発電ユニットの出力電力を制御するステップと、前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの出力電力が、前記発電ユニットの最大出力可能電力よりも小さい値に設定された第１の閾値を超える場合に、前記負荷追従運転に代えて、前記発電ユニットの出力電力を一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御するステップと、を有する電力制御方法が提供される。

本発明によれば、発電ユニットの発電効率を考慮しつつ、排熱利用効率を極力担保することのできる発電システム、制御装置、及び電力制御方法を提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係る発電システムのブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に係るＳＯＦＣコントローラのブロック図である。 図３は、ＳＯＦＣ出力電力に対する発電効率及び排熱回収効率の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施形態に係るＳＯＦＣコントローラによるＳＯＦＣ目標出力電力の設定動作の動作フロー図である。 図５は、本発明の実施形態の変更例に係る発電システムのブロック図である。

図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。以下の実施形態に係る図面において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付す。

図１は、本実施形態に係る発電システムのブロック図である。図１において、太線は電力ラインを示し、破線は制御ラインを示す。制御ラインは無線としてもよい。

図１に示すように、本実施形態に係る発電システムは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニット１００、ＳＯＦＣコントローラ１４０、貯湯ユニット１５０、分電盤３００、１又は複数の負荷４００、及び住宅エネルギー管理システム（ＨＥＭＳ）５００を有する。ＳＯＦＣユニット１００、ＳＯＦＣコントローラ１４０、貯湯ユニット１５０、分電盤３００、負荷４００、及びＨＥＭＳ５００は、商用電力系統（以下、「系統」）１０から交流（ＡＣ）電力の供給を受ける需要家に設けられる。本実施形態において、ＳＯＦＣユニット１００は、系統１０に連系されている燃料電池ユニットであり、発電ユニットの一例に相当する。また、ＳＯＦＣコントローラ１４０は、ＳＯＦＣユニット１００が負荷追従運転を行うように、ＳＯＦＣユニット１００の出力電力（以下、「ＳＯＦＣ出力電力Ｐ」と称する）を制御する制御装置に相当する。ＳＯＦＣユニット１００、ＳＯＦＣコントローラ１４０、及び貯湯ユニット１５０は、発電システムの一例としての燃料電池システムを構成する。

ＳＯＦＣユニット１００は、ＳＯＦＣ１１０、ＳＯＦＣパワーコンディショナ（ＰＣＳ）１２０、及び熱交換器１３０を含む。ＳＯＦＣ１１０は、燃料電池の一種であり、例えば天然ガスから取り出した水素と空気中の酸素との化学反応により発電を行い、発電した直流（ＤＣ）電力を出力する。ＳＯＦＣ１１０の発電量は、ＳＯＦＣ１１０に入力されるガス及び空気の量に応じて変化する。ガス及び空気の量は、ＳＯＦＣコントローラ１４０によって制御される。ＳＯＦＣ ＰＣＳ１２０は、ＳＯＦＣ１１０が出力するＤＣ電力が入力され、当該入力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＳＯＦＣ電力ライン１２を介して当該ＡＣ電力を分電盤３００に出力する。また、ＳＯＦＣ ＰＣＳ１２０は、ＳＯＦＣ出力電力Ｐを定期的にＳＯＦＣコントローラ１４０に通知する。熱交換器１３０は、貯湯ユニット１５０から水が供給され、ＳＯＦＣ１１０での発電（化学反応）の際に発生する熱を熱交換により湯にして、貯湯ユニット１５０に出力する。

ＳＯＦＣコントローラ１４０は、基本的には、負荷追従運転を行うための制御を行う。本実施形態では、ＳＯＦＣコントローラ１４０は、負荷追従運転を行うための制御として、系統１０からの買電電力を示す計測値が所定値（例えばゼロ）になるように、ＳＯＦＣユニット１００の目標出力電力（以下、「ＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔ」と称する）を設定し、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが当該ＳＯＦＣ目標出力電力ＰｔなるようにＳＯＦＣ１１０を制御する。あるいは、ＳＯＦＣコントローラ１４０は、負荷４００の総消費電力を示す計測値を取得し、当該総消費電力を示す計測値と等しいＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔを設定し、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが当該ＳＯＦＣ目標出力電力ＰｔになるようにＳＯＦＣ１１０を制御してもよい。ＳＯＦＣコントローラ１４０の動作の詳細については後述する。ＳＯＦＣコントローラ１４０は、ＳＯＦＣユニット１００とは異なる筐体に収納されていてもよく、ＳＯＦＣユニット１００と同一の筐体に収納されていてもよい。

貯湯ユニット１５０は、ＳＯＦＣユニット１００に設けられた熱交換器１３０と連結された貯湯槽１５１を含む。貯湯槽１５１は、熱交換器１３０から出力される湯を貯えるものであり、貯湯槽１５１内の貯湯は需要家１における給湯に供される。貯湯ユニット１５０は、貯湯槽１５１の貯湯量Ｖを定期的にＳＯＦＣコントローラ１４０に通知する。あるいは、貯湯ユニット１５０は、貯湯槽１５１の貯湯量Ｖを、ＳＯＦＣコントローラ１４０から設定される第２の閾値Ｖｔｈ（詳細については後述）と比較し、比較結果に関する情報を定期的にＳＯＦＣコントローラ１４０に通知する。「貯湯量Ｖ」とは、温度換算の値（すなわち、貯熱量）であってもよい。

分電盤３００は、系統電力ライン１１、ＳＯＦＣ電力ライン１２、及び負荷電力ライン１４が接続される。分電盤３００は、系統１０から系統電力ライン１１を介して入力される買電電力と、ＳＯＦＣユニット１００からＳＯＦＣ電力ライン１２を介して入力されるＳＯＦＣ出力電力Ｐと、を負荷４００に分配する。本実施形態では、分電盤３００は、系統１０からの買電電力を定期的に計測する計測部３１０を含む。計測部３１０は、買電電力を示す計測値を、ＳＯＦＣコントローラ１４０との間の制御ラインを介して定期的にＳＯＦＣコントローラ１４０に通知する。計測部３１０は系統１０からの買電電力を定期的に計測することができればよく、分電盤３００外に別個に設けられていてもよい。

負荷４００は、分電盤３００から負荷電力ライン１４を介してＡＣ電力が入力され、当該入力されたＡＣ電力を消費して動作する。負荷４００は、例えば、照明、エアコン、冷蔵庫、テレビ等の家電機器である。

ＨＥＭＳ５００は、需要家１における電力管理を行うためのものである。ＨＥＭＳ５００は、負荷４００の消費電力を管理して表示したり、省電力のための制御を負荷４００に対して行ったりする。ＨＥＭＳ５００は、１日以上の学習、又は外部ネットワークから得られる情報により、需要家１における給湯需要パターン、電力負荷パターン、外気温の変化パターン、水温の変化パターン、のうち少なくとも１つを記憶・管理してもよい。

次に、ＳＯＦＣコントローラ１４０の構成を説明する。図２は、ＳＯＦＣコントローラ１４０のブロック図である。

図２に示すように、ＳＯＦＣコントローラ１４０は、通信部１４１、記憶部１４２、及び制御部１４３を含む。通信部１４１は、ＳＯＦＣユニット１００、貯湯ユニット１５０、計測部３１０との通信を行う。また、通信部１４１は、需要家１に設けられた各機器との通信を行う。

記憶部１４２は、例えばメモリにより構成されており、制御部１４３における制御に使用される各種情報を記憶する。記憶部１４２は、ＳＯＦＣユニット１００の定格出力電力（以下、「ＳＯＦＣ定格出力電力Ｐｍ」と称する）と、第１の閾値Ｐｔｈ及び第２の閾値Ｖｔｈと、を記憶する。ＳＯＦＣ定格出力電力Ｐｍは、ＳＯＦＣユニット１００の最大発電可能電力に相当する。記憶部１４２は、系統１０からの買電単価及びＳＯＦＣユニット１００の発電単価を記憶してもよい。ＳＯＦＣユニット１００の発電単価は、例えば、ＳＯＦＣ１１０が発電するためにＳＯＦＣユニット１００に入力されるガスの購入単価とすることができる。

第１の閾値Ｐｔｈは、負荷追従運転と抑制運転との切り替え判断に使用される閾値である。第２の閾値Ｖｔｈは、ＳＯＦＣユニット１００の排熱回収の要否判断に使用される閾値である。制御部１４３は、貯湯量Ｖが第２の閾値Ｖｔｈを超える場合に、最大排熱回収不要、つまり、負荷追従運転によって最大限得られる排熱の回収が不要であると判断する。また、制御部１４３は、最大排熱回収不要である場合で、負荷追従運転を行うために必要なＳＯＦＣ出力電力（以下、「ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘ」と称する）が第１の閾値Ｐｔｈを超える場合に、負荷追従運転ではなく抑制運転を行うよう制御する。抑制運転とは、ＳＯＦＣ出力電力Ｐを一定値に抑制する運転モードである。本実施形態では、当該一定値は、第１の閾値Ｐｔｈと等しい値である。第１の閾値Ｐｔｈは、ＳＯＦＣ定格出力電力Ｐｍよりも小さい値に設定される。

ここで、第１の閾値Ｐｔｈについて説明する。図３は、ＳＯＦＣ出力電力Ｐに対する発電効率及び排熱回収効率の一例を示す図である。図３において、排熱回収効率はＳＯＦＣ出力電力Ｐに対してほぼ一定とみなしている。

図３に示すように、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが小さい状態では、ＳＯＦＣ１１０が消費するガス量のうち、補機類を動作させるために消費するガス量の占める割合が大きいため発電効率が低い。さらに、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが小さい状態ではモジュール温度が低くなり、内部抵抗が高くなるため、この観点でも発電効率が低い。

これに対し、ＳＯＦＣ出力電力Ｐがある程度の値に達すると、発電効率はあまり変化しなくなる。つまり、高出力領域であれば発電効率は一定に近いため、ＳＯＦＣ出力電力Ｐの減少はガスの減少量にほぼ比例する。

このため、不要な排熱回収量を減らしたい場合、高出力領域であれば、ガス量を減少したとしても、出力電力Ｐが下がり過ぎてしまうことが無い。しかし、低出力領域では発電効率が低いため、ガス量を減少すると、その減少量以上にＳＯＦＣ出力電力Ｐが減少してしまう。すなわち、低出力領域で不要な排熱回収量を減らすためにガス量を減少させる場合には、高出力領域で不要な排熱回収量を減らすためにガス量を減少させる場合と比較して電力が不足しがちになり、買電電力が増加することとなる。したがって、図３における発電効率特性の傾きが第３の閾値以下になるようなＳＯＦＣ出力電力Ｐ、又は、図３における発電効率が第４の閾値以上になるＳＯＦＣ出力電力Ｐを、第１の閾値Ｐｔｈとして設定する。第１の閾値Ｐｔｈは、基本的には固定的に設定されるが、適応的に（動的に）設定されてもよい。例えば、制御部１４３は、１日以上の学習に応じて、第３の閾値及び／又は第４の閾値を設定し、当該第３の閾値及び／又は第４の閾値を用いて第１の閾値Ｐｔｈを自動で設定してもよい。この場合、制御部１４３は、例えば、ある第３の閾値に応じて設定した第１の閾値Ｐｔｈにより出力抑制を行ったが、例えばラジエータが動作するなどして排熱が捨てられた場合、当該第３の閾値をさらに下げる。

次に、第２の閾値Ｖｔｈについて説明する。上述したように、貯湯量Ｖが第２の閾値Ｖｔｈを超えた場合には、排熱回収が不要であると判断され、例えばラジエータが動作するなどして放熱する。すなわち、第２の閾値Ｖｔｈは、貯湯量Ｖが十分であるか否かの基準を定めるものである。第２の閾値Ｖｔｈは、最大貯湯量Ｖｍよりも小さい値に設定される。また、第２の閾値Ｖｔｈは、基本的には固定的に設定されるが、適応的に（動的に）設定されてもよい。例えば、制御部１４３は、通信部１４１がＨＥＭＳ５００と通信し、予測される給湯需要パターン（給湯需要がどのように発生するかの情報）、予測される電力負荷パターン（消費電力がどのように発生するかの情報）、予測される外気温（外気温がどのように推移するかの情報）、予測される水温（水温がどのように推移するかの情報）、のうち少なくとも１つをＨＥＭＳ５００から取得する。そして、制御部１４３は、予測される給湯需要パターン、予測される電力負荷パターン、予測される外気温、予測される水温、のうち少なくとも１つに応じて、第２の閾値Ｖｔｈを設定する。例えば、現在以降の所定期間にわたって第１の閾値Ｐｔｈを適用した場合に、現時点で必要な貯湯量を第２の閾値Ｖｔｈとして設定する。つまり、現在からの２４時間以内の全ての時刻ｔにおいて、電力負荷パターンから期待される湯の沸きあげ量と給湯需要パターンから期待される湯の使用量とから算出した貯湯量Ｖ（ｔ）が０以上を担保するために、現時点で必要な貯湯量を第２の閾値Ｖｔｈとして設定する。また、第１の閾値Ｐｔｈと同様に、１日以上の学習に応じて第２の閾値Ｖｔｈを設定してもよい。

制御部１４３は、例えばプロセッサにより構成されており、ＳＯＦＣコントローラ１４０の各種機能を制御する。

第１に、制御部１４３は、通信部１４１が受信する各種の計測値の通知を取得する。本実施形態では、制御部１４３は、計測部３１０から通知された買電電力を示す計測値と、ＳＯＦＣ ＰＣＳ１２０から通知されたＳＯＦＣ出力電力Ｐを示す計測値と、貯湯ユニット１５０から通知された貯湯量Ｖを示す計測値（又は、当該計測値と第２の閾値Ｖｔｈとの比較結果の情報）と、を取得する。

第２に、制御部１４３は、計測部３１０から通知された買電電力を示す計測値と、貯湯ユニット１５０から通知された貯湯量Ｖを示す計測値（又は、当該計測値と第２の閾値Ｖｔｈとの比較結果の情報）と、記憶部１４２に記憶されているＳＯＦＣ定格出力電力Ｐｍと、記憶部１４２に記憶されている第１の閾値Ｐｔｈ（及び第２の閾値Ｖｔｈ）と、に基づいて、負荷追従運転及び抑制運転の何れの運転モードを適用するかを判断する。そして、制御部１４３は、適用する運転モードに応じて、ＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔを設定する。ＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔの設定動作については後述する。

第３に、制御部１４３は、設定したＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔと、ＳＯＦＣ出力電力Ｐを示す計測値と、に基づいて、ＳＯＦＣ出力電力ＰがＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔになるように、ＳＯＦＣユニット１００を制御する。詳細には、制御部１４３は、ＳＯＦＣユニット１００を制御するための制御指令を送信するよう通信部１４１を制御する。

次に、ＳＯＦＣコントローラ１４０によるＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔの設定動作を説明する。図４は、ＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔの設定動作の動作フロー図である。本動作フローでは、貯湯量Ｖを示す計測値と第２の閾値Ｖｔｈとの比較結果の情報が排熱回収要求情報（排熱回収情報）として貯湯ユニット１５０からＳＯＦＣコントローラ１４０に通知されるケースを説明する。貯湯量Ｖを示す計測値が第２の閾値Ｖｔｈを超える場合には、排熱回収要求情報は排熱回収不要を示し、貯湯量Ｖを示す計測値が第２の閾値Ｖｔｈを超えない場合には、排熱回収要求情報は排熱回収要を示す。図４のフローは定期的に実行される。

図４に示すように、ステップＳ１０１において、制御部１４３は、計測部３１０から通知された買電電力を示す計測値に基づいて、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘを計算する。詳細には、制御部１４３は、買電電力が所定値ＰｒになるようにＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘを計算する。所定値Ｐｒは、例えばゼロである。この場合、系統１０から電力の供給を受けず、ＳＯＦＣユニット１００からの出力電力で負荷４００の消費電力を賄う。ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘを計算すると、処理がステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２において、制御部１４３は、通信部１４１が貯湯ユニット１５０から受信した排熱回収要求情報に基づいて、排熱回収が必要であるか否かを判定する。詳細には、制御部１４３は、排熱回収要求情報が排熱回収要を示すか排熱回収不要を示すかを確認する。例えば、排熱回収要求情報は、排熱回収要である場合は“１”、排熱回収不要である場合は“０”となる１ビットのフラグとして構成される。排熱回収要求情報が排熱回収要を示す場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、処理がステップＳ１０３に進む。これに対し、排熱回収要求情報が排熱回収不要を示す場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）、処理がステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０３において、制御部１４３は、ステップＳ１０１で計算したＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘを、記憶部１４２に記憶されているＳＯＦＣ定格出力電力Ｐｍと比較する。ＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘがＳＯＦＣ定格出力電力Ｐｍを超える場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、処理がステップＳ１０４に進む。これに対し、ＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘがＳＯＦＣ定格出力電力Ｐｍを超えない場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）、処理がステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０４において、制御部１４３は、ＳＯＦＣ定格出力電力ＰｍをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定する。制御部１４３は、ＳＯＦＣ定格出力電力ＰｍをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定すると、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが当該ＳＯＦＣ目標出力電力ＰｔになるようにＳＯＦＣユニット１００への制御指令を送信する。

ステップＳ１０５において、制御部１４３は、ステップＳ１０１で計算したＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定する。制御部１４３は、当該ＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定すると、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが当該ＳＯＦＣ目標出力電力ＰｔになるようにＳＯＦＣユニット１００への制御指令を送信する。

このように、制御部１４３は、排熱回収要求情報が排熱回収要を示す場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５において、通常通りの負荷追従運転のための制御を行う。

一方、排熱回収要求情報が排熱回収不要を示す場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）、ステップＳ１０６において、制御部１４３は、ステップＳ１０１で計算したＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘを、記憶部１４２に記憶されている第１の閾値Ｐｔｈと比較する。ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘが第１の閾値Ｐｔｈを超える場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）、処理がステップＳ１０７に進む。これに対し、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘが第１の閾値Ｐｔｈを超えない場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）、処理がステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０７において、制御部１４３は、第１の閾値Ｐｔｈと等しい値をＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定する。制御部１４３は、第１の閾値Ｐｔｈと等しい値をＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定すると、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが当該ＳＯＦＣ目標出力電力ＰｔになるようにＳＯＦＣユニット１００への制御指令を送信する。

ステップＳ１０８において、制御部１４３は、ステップＳ１０１で計算したＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定する。制御部１４３は、当該ＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定すると、ＳＯＦＣ出力電力Ｐが当該ＳＯＦＣ目標出力電力ＰｔになるようにＳＯＦＣユニット１００への制御指令を送信する。

このように、制御部１４３は、排熱回収要求情報が排熱回収不要を示す場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）で、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘが第１の閾値Ｐｔｈを超えない場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）、ステップＳ１０８において、通常通りの負荷追従運転のための制御を行う。これに対し、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘが第１の閾値Ｐｔｈを超える場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）に、ステップＳ１０７において、第１の閾値Ｐｔｈと等しい値をＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定することで、負荷追従運転に代えて抑制運転を行うよう制御する。

ＳＯＦＣユニット１００が抑制運転を行う場合、負荷４００の消費電力のＳＯＦＣユニット１００の出力電力からの超過分（すなわち、Ｐｘ−Ｐｔ）は、系統１０からの買電電力によって賄われる。ここで、排熱回収要求情報が排熱回収不要を示す場合で、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘが第１の閾値Ｐｔｈを超える場合であっても、系統１０からの買電単価がＳＯＦＣユニット１００の発電単価よりも高い場合には、通常通りの負荷追従運転のための制御を行ってもよい。

本実施形態において、制御部１４３は、負荷追従運転を行うために必要とされるＳＯＦＣ出力電力Ｐ（すなわち、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘ）を計算する負荷追従出力計算手段に相当する。また、制御部１４３は、ＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔを設定する目標出力設定手段に相当する。

以上説明したように、系統１０に連系されているＳＯＦＣユニット１００と、ＳＯＦＣユニット１００が負荷追従運転を行うようにＳＯＦＣ出力電力Ｐを制御するＳＯＦＣコントローラ１４０と、を有する燃料電池システムにおいて、ＳＯＦＣコントローラ１４０は、排熱回収が不要である場合で、負荷追従運転を行うために必要とされるＳＯＦＣ出力電力Ｐ（すなわち、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘ）が第１の閾値Ｐｔｈを超える場合に、負荷追従運転に代えて、ＳＯＦＣ出力電力Ｐを一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御する。

ＳＯＦＣユニット１００は、出力電力が小さい状態では発電効率が低いという性質があるため、負荷の消費電力が小さい状況では、負荷追従運転を行うことで、可能な限り発電効率を高める。また、ＳＯＦＣユニット１００は、ある程度の出力電力に達すると、発電効率はあまり変化しなくなるという性質があるため、負荷の消費電力が大きい状況では、抑制運転を行うことで、発電効率が高い状態を維持しつつ、貯湯量Ｖの増加を抑制できる。したがって、本実施形態によれば、ＳＯＦＣユニット１００の発電効率の低下を抑制しつつ、貯湯量Ｖの増加を抑制できる。

［変更例］
図５は、上述した実施形態の変更例に係る発電システムのブロック図である。

図５に示すように、本変更例に係る発電システムは、ＳＯＦＣユニット１００以外の発電ユニットとして、系統１０に連系されている太陽電池（ＰＶ）ユニット２００をさらに有する。本変更例において、ＳＯＦＣユニット１００、ＳＯＦＣコントローラ１４０、ＰＶユニット２００、及び貯湯ユニット１５０は、発電システムの一例としての燃料電池システムを構成する。

ＰＶユニット２００は、ＰＶ２１０及びＰＶ ＰＣＳ２２０を含む。ＰＶ２１０は、太陽光を受けて発電を行い、発電したＤＣ電力を出力する。ＰＶ２１０の発電量は、ＰＶ２１０に照射される日射量に応じて変化する。ＰＶ ＰＣＳ２２０は、ＰＶ２１０が出力するＤＣ電力が入力され、当該入力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＰＶ電力ライン１３を介して当該ＡＣ電力を分電盤３００に出力する。

ＰＶユニット２００の出力電力（以下、「ＰＶ出力電力」と称する）を系統１０に売電できる場合で、売電の単価がＳＯＦＣユニット１００の発電単価よりも高い場合には、ＰＶ出力電力は負荷４００に供給するのではなく、できる限り系統１０に売電することが好ましい。

そこで、本変更例では、記憶部１４２は、さらに、ＰＶ出力電力の売電の単価と、ＳＯＦＣユニット１００の発電単価と、を記憶する。また、制御部１４３は、上述した実施形態に係る制御に加えて、計測部３１０が計測する売電電力を示す計測値と、記憶部１４２が記憶している単価情報と、に基づいた制御を行う。

詳細には、制御部１４３は、排熱回収が不要である場合で、且つ、ＳＯＦＣ仮目標出力電力Ｐｘが第１の閾値Ｐｔｈを超える場合であっても、ＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定すればＰＶ出力電力を系統１０に売電することが可能である場合（すなわち、ＰＶ出力電力をＰｐ、負荷４００の消費電力をＰｌとして、Ｐｐ＋Ｐｘ−Ｐｌ＞０の場合）で、且つ、売電の単価がＳＯＦＣユニット１００の発電単価よりも高い場合には、ＳＯＦＣ仮目標出力電力ＰｘをＳＯＦＣ目標出力電力Ｐｔとして設定する。これにより、売電料金を増やすことができ、その分、光熱費を削減できる。

［その他の実施形態］
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。

上述した実施形態及びその変更例では、本発明に係る電力制御方法をＳＯＦＣコントローラ１４０が実施する、すなわち、本発明に係る制御装置の一例としてのＳＯＦＣコントローラ１４０を説明したが、本発明に係る電力制御方法をＨＥＭＳ５００が実施してもよい。この場合、ＨＥＭＳ５００は、本発明に係る制御装置に相当する。あるいは、本発明に係る電力制御方法をＳＯＦＣコントローラ１４０及びＨＥＭＳ５００で分担して実施してもよい。この場合、ＳＯＦＣコントローラ１４０及びＨＥＭＳ５００は、本発明に係る制御装置に相当する。これらの場合、系統１０からの買電単価及びＳＯＦＣユニット１００の発電単価については、ＳＯＦＣコントローラ１４０（記憶部１４２）側よりもむしろＨＥＭＳ５００側にて記憶することが好ましい。

また、ＳＯＦＣユニットを例に説明を行ったが、コジェネレーションシステムであれば良く、例えばＰＥＦＣなどの他の方式の燃料電池、あるいはガスタービンエンジンを用いたガス発電機などでもよい。すなわち、燃料の量を調整するなどによって発電量を意図的に制御でき、なおかつ排熱回収機能を有する発電装置であればＳＯＦＣユニットに限らずとも本発明は適用可能である。

このように本発明は、ここでは記載していない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。

なお、日本国特許出願第２０１１−２１３５７９号（２０１１年９月２８日出願）の全内容が、参照により、本願に組み込まれている。

本発明によれば、発電ユニットの発電効率を考慮しつつ、排熱利用効率を極力担保することのできる発電システム、制御装置、及び電力制御方法を提供することができる。

Claims (14)

1. 燃料を用いた発電ユニットと、
   前記発電ユニットが負荷追従運転を行うように前記発電ユニットの出力電力を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記制御装置は、前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの出力電力が、前記発電ユニットの最大出力可能電力よりも小さい値に設定された第１の閾値を超える場合に、前記負荷追従運転に代えて、前記発電ユニットの出力電力を一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御することを特徴とする発電システム。
2. 前記制御装置は、前記発電ユニットからの排熱の回収が不要な場合に前記抑制運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記制御装置は、前記発電ユニットからの排熱を利用する装置から、排熱回収の要否を判断するための排熱回収情報を受信することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
4. 前記発電ユニットは、商用電力系統に連系されていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
5. 前記制御装置は、
   前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの仮目標出力電力を計算し、
   前記仮目標出力電力が前記第１の閾値以下である場合には、前記仮目標出力電力を前記発電ユニットの目標出力電力として設定し、
   前記仮目標出力電力が前記第１の閾値を超える場合には、前記一定値を前記目標出力電力として設定することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
6. 前記第１の閾値は、前記発電ユニットの発電効率が第３の閾値以下になる前記発電ユニットの出力電力、又は、前記発電ユニットの発電効率が第４の閾値以上になる前記発電ユニットの出力電力に応じて、設定されることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
7. 前記第１の閾値、前記第３の閾値、及び前記第４の閾値のうち少なくとも１つは、１日以上の学習に基づいて更新されることを特徴とする請求項６に記載の発電システム。
8. 前記発電ユニットの排熱を回収して得られた湯を貯える貯湯ユニットをさらに有し、
   前記制御装置は、前記貯湯ユニットの貯湯量又は貯熱量が第２の閾値を超える場合で、前記仮目標出力電力が前記第１の閾値を超える場合に、前記一定値を前記目標出力電力として設定することを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
9. 前記第２の閾値は、予測される給湯需要パターン、予測される電力負荷パターン、予測される外気温、予測される水温、のうち少なくとも１つに応じて、設定されることを特徴とする請求項８に記載の発電システム。
10. 前記第２の閾値は、１日以上の学習に基づいて更新されることを特徴とする請求項８に記載の発電システム。
11. 商用電力系統に連系されている他の発電ユニットをさらに有し、
    前記仮目標出力電力が前記第１の閾値を超える場合であっても、前記仮目標出力電力を前記目標出力電力として設定すれば前記他の発電ユニットの出力電力を前記商用電力系統に売電することが可能である場合で、且つ、前記売電の単価が前記発電ユニットの発電単価よりも高い場合には、前記制御装置は、前記仮目標出力電力を前記目標出力電力として設定することを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
12. 前記発電ユニットは、燃料電池を用いた発電ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
13. 発電ユニットが負荷追従運転を行うように、前記発電ユニットの出力電力を制御し、
    前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの出力電力が、前記発電ユニットの最大出力可能電力よりも小さい値に設定された第１の閾値を超える場合に、前記負荷追従運転に代えて、前記発電ユニットの出力電力を一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御することを特徴とする制御装置。
14. 発電ユニットが負荷追従運転を行うように、前記発電ユニットの出力電力を制御するステップと、
    前記負荷追従運転を行うために必要とされる前記発電ユニットの出力電力が、前記発電ユニットの最大出力可能電力よりも小さい値に設定された第１の閾値を超える場合に、前記負荷追従運転に代えて、前記発電ユニットの出力電力を一定値に抑制する抑制運転を行うよう制御するステップと、
    を有することを特徴とする電力制御方法。

Images