発電システム
【課題】パワーコンディショナの起動時に燃料電池の急激な電流変動を生じない発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１とパワーコンディショナ３とからなる発電システムにおいて、パワーコンディショナ３の起動時に、コンバータ部１０を停止させた状態でインバータ部１１を逆動作させて商用電源系統２からＤＣリンク部１２への充電を開始する。その後、ＤＣリンク部１２の電圧が目標電圧に対して一定レベルまで充電されるのを待って、コンバータ部１０を動作させてＤＣリンク部１２の電圧が目標電圧になるように制御するとともに、燃料電池１の発電部５からパワーコンディショナ３への入力電流が徐々に増加するように上記インバータ部１１を制御する。
【解決手段】燃料電池１とパワーコンディショナ３とからなる発電システムにおいて、パワーコンディショナ３の起動時に、コンバータ部１０を停止させた状態でインバータ部１１を逆動作させて商用電源系統２からＤＣリンク部１２への充電を開始する。その後、ＤＣリンク部１２の電圧が目標電圧に対して一定レベルまで充電されるのを待って、コンバータ部１０を動作させてＤＣリンク部１２の電圧が目標電圧になるように制御するとともに、燃料電池１の発電部５からパワーコンディショナ３への入力電流が徐々に増加するように上記インバータ部１１を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発電システムに関し、より詳細には、燃料電池を用いた発電システムにおいて、パワーコンディショナ起動時における燃料電池の突入電流を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いた発電システムは、燃料電池を動作させるための周辺機器としてブロワやポンプなどのいわゆる補機を備えている。これらの補機は、燃料電池が発電しているとき（定常運転中）は燃料電池側から電力供給を受け、燃料電池が発電していないとき（起動停止中または燃料電池が起動開始から定常運転に至るまでの起動準備中）は商用電源系統側から電力供給を受けるのが望ましい。
【０００３】
そのため、従来の発電システムでは、この補機の電源をパワーコンディショナのＤＣリンク部（つまり、燃料電池の発電部から出力される直流電圧を所定電圧に変換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所定電圧の交流電圧に変換して商用電源系統に出力するインバータ部の中間に設けられたＤＣリンクコンデンサ）から採るように構成したものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
そして、このように構成された発電システムにおいては、パワーコンディショナの起動時には、上記コンバータ部の電圧出力を用いてＤＣリンク部を目標電圧まで上昇させるように構成したものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このようにパワーコンディショナの起動時に、コンバータ部の出力を用いてＤＣリンク部を充電する構成では、以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
【０００７】
すなわち、この種の発電システムに用いられる燃料電池においては、一般的に、パワーコンディショナが引っ張る分だけ電流を出力するように構成されていることから、パワーコンディショナの起動時に、コンバータ部の出力を用いてＤＣリンク部を充電するように構成したのでは、ＤＣリンク部の電圧が低い状態でコンバータ部による充電が開始されると、燃料電池から多大な電流（突入電流）がパワーコンディショナ（コンバータ部）に流れるおそれがある。
【０００８】
燃料電池の発電部（スタック）は、このような突入電流によって劣化することから、この種の燃料電池においては突入電流の許容値が定められており、この許容値を超えて電流が流れるとスタックの劣化を招くおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、パワーコンディショナの起動時に燃料電池の急激な電流変動を生じない発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る発電システムは、燃料電池と、パワーコンディショナとを備えた発電システムにおいて、上記パワーコンディショナは、上記燃料電池から出力される直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ部と、上記コンバータ部から出力され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正動作と上記商用電源系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換してＤＣリンク部に出力する逆動作とが可能なインバータ部とを有し、上記パワーコンディショナの起動時に、上記コンバータ部を停止させた状態で上記インバータ部の逆動作によって商用電源系統からＤＣリンク部への充電を開始し、その後、上記コンバータ部を動作させてＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御するとともに、上記燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するように上記インバータ部を制御することを特徴とする。
【００１１】
この請求項１に係る発電システムでは、パワーコンディショナの起動時に、コンバータ部を停止させた状態のままで、インバータ部を逆動作させて商用電源系統からＤＣリンク部の充電を開始させる。そして、その後、ＤＣリンク部の電圧が目標電圧に対して一定レベル以上になるのを待って、上記コンバータ部を動作させてＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御する。このように、請求項１に係る発電システムでは、コンバータ部の動作に先立ってインバータ部の逆動作によりＤＣリンク部をある程度まで充電しておくので、コンバータ部の動作開始によって燃料電池から多大な電流が流れるのを防止することができる。
【００１２】
そして、コンバータ部が動作を開始すると、その時点から、燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するようにインバータ部を制御する。つまり、動作を開始したコンバータ部はＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御されているので、インバータ部に対してはＤＣリンク部に供給するエネルギを徐々に減らすような制御を行う。これにより、インバータ部からのエネルギ供給の減少に応じてコンバータ部からＤＣリンク部に供給されるエネルギが増加し、燃料電池からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加することになる。したがって、最終的にインバータ部を正動作に移行させても逆動作から正動作に移行する過程で燃料電池からパワーコンディショナに流れる電流が急激に変動することがなく、燃料電池に突入電流が流れるのを防止することができる。
【００１３】
そして、本発明に係る発電システムは、請求項１に記載の発電システムにおいて、前記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、前記インバータ部は、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電流を徐々に低下させる制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
この請求項２に係る発電システムでは、インバータ部は、燃料電池の発電部からパワーコンディショナに流れる入力電流を監視しながら（電流フィードバック制御を行いながら）、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電流を徐々に減らしてゆく制御を行う。このときコンバータ部はＤＣリンク部の電圧を目標電圧に維持するように制御されているので、インバータ部からＤＣリンク部に供給するエネルギの減少に応じてコンバータ部からＤＣリンク部に供給される電流が徐々に増加する。
【００１５】
本発明の請求項３に係る発電システムは、請求項１に記載の発電システムにおいて、上記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、上記インバータ部が、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電圧を徐々に低下させる制御を行うことを特徴とする。
【００１６】
この請求項３に係る発電システムでは、インバータ部がＤＣリンク部に供給する電圧の目標値を徐々に低下させるので、インバータ部からＤＣリンク部へのエネルギの供給は緩やかに低下する。このときコンバータ部はＤＣリンク部の電圧を所定の目標電圧に維持するように制御されているので、インバータ部からＤＣリンク部へのエネルギ供給が減少すると、その減少分を補うようにコンバータ部からＤＣリンク部に供給する電流が徐々に増加する。
【００１７】
本発明の請求項４に係る発電システムは、請求項１から３のいずれかに記載の発電システムにおいて、上記インバータ部が逆動作によってＤＣリンク部への充電を行い、かつ、上記コンバータ部が動作している場合において、上記インバータ部を停止させるときは、少なくとも上記コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないことを特徴とする。
【００１８】
すなわち、この請求項４に係る発電システムでは、インバータ部が逆動作を行っており、かつ、コンバータ部も動作している状態において、インバータ部を停止させねばならない異常（たとえば、商用電源の周波数、電圧等の異常や逆潮流など）が検出されると、インバータ部を停止させる必要があるが、その際に、コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させると、それまでにインバータ部からＤＣリンク部に供給していた電流をコンバータ部から流そうとして発電部に急激な電流変動が生じるおそれがあるので、インバータ部を停止させるときには、コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないように制御して、燃料電池に突入電流が流れるのを防止している。
【００１９】
本発明の請求項５に係る発電システムは、請求項１から４のいずれかに記載の発電システムにおいて、上記商用電源系統からＤＣリンク部に電力供給を行うＡＣブリッジ回路部を備え、上記インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って、上記ＡＣブリッジ回路部によるＤＣリンク部の充電を行うことを特徴とする。
【００２０】
この請求項５に係る発電システムでは、インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って（具体的には、燃料電池が発電運転を開始する前の起動停止中及び起動準備中に）、インバータ部を動作させることなく電力消費の少ないＡＣブリッジ回路部を用いてＤＣリンク部の充電を行うので、燃料電池の起動準備中における電力消費を少なくすることができる。
【００２１】
本発明の請求項６に係る発電システムは、請求項１から５のいずれかに記載の発電システムにおいて、上記燃料電池が固体酸化物形燃料電池で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、パワーコンディショナの起動時に、コンバータ部を停止させた状態でインバータ部を逆動作させてＤＣリンク部の充電を開始し、その後にコンバータ部を動作させてコンバータ部によるＤＣリンク部の充電を開始するので、コンバータ部の動作開始によって燃料電池に突入電流が流れるのが防止される。
【００２３】
また、コンバータ部の動作を開始させると、その時点から、燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するようにインバータ部を制御するので、インバータ部を逆動作から正動作に移行させる過程においても燃料電池に突入電流が流れるのが防止される。
【００２４】
また、インバータ部が逆動作でＤＣリンク部の充電を行っており、かつ、コンバータ部も動作している状態で、インバータ部を停止させるときは、少なくともコンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないようにしているので、インバータ部の停止によってコンバータ部に多大な電流が流れるのが防がれ、燃料電池に突入電流が流れるのが防止される。
【００２５】
また、インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って、ＡＣブリッジ回路部によりＤＣリンク部の充電を行うことにより、燃料電池の起動停止中及び起動準備中の消費電力が少ない発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る発電システムの概略構成の一例を示す回路図である。
【図２】同発電システムのパワーコンディショナ起動時におけるＤＣリンク部の充電動作を示す説明図であって、図２（ａ）はその充電動作を模式的に示した模式図であり、図２（ｂ）は同充電動作におけるＤＣリンク電圧の変化を表した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る発電システムの概略構成を示している。この発電システムは、図１に示すように、燃料電池１と、この燃料電池１を商用電源系統２に連系させるためのパワーコンディショナ３と、補機電源部４とを主要部として備えている。
【００２８】
燃料電池１は、天然ガスなどの水素を含む燃料ガスと、空気などの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、発電された電力は直流電圧として出力される。燃料電池１は、使用する電解質や運転温度（スタックの温度）などの相違により数種類に分類されるが、本実施形態では、燃料電池１として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形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。なお、燃料電池１の構造自体は公知であるのでここではその詳細な説明は省略し、以下においては本発明の要点を説明する。
【００２９】
図１において、５は燃料電池１の発電部（スタック）を示している。ＳＯＦＣは運転温度が数百度（たとえば、８００〜１０００℃程度）と高温であることから、この燃料電池１は、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、この発電部５からは、たとえば１００〜１６０Ｖの直流電圧が出力される。
【００３０】
補機６は、燃料電池１を動作させるための周辺機器であり、燃料電池１が起動準備中にあるとき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）で構成されている。本実施形態では、これら補機６を構成する電気負荷は、直流電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）で駆動されるモータなどで構成されている。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、これら電気負荷の動作中における動作電流の変動は極めて激しい。
【００３１】
ＦＣ制御部７は、マイコンを制御中枢として備えた制御装置であって、発電部５の出力電圧や出力電流、補機５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情報とに基づいて燃料電池１の各部（補機６を含む）の動作を制御する。
【００３２】
商用電源系統２は、商用電源８（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）から供給される交流電力を図示しない家庭内の電気負荷に供給するための電源ラインや分電盤など（図示せず）を備えており、本実施形態では、パワーコンディショナ３を介して接続される燃料電池１と系統連系されている。
【００３３】
パワーコンディショナ３は、燃料電池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。
【００３４】
上記コンバータ部１０は、燃料電池１から出力される直流電圧を所定の直流電圧（たとえば、ＤＣ３７５〜４０５Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで構成される。すなわち、燃料電池１の発電部５から出力される直流電力は、後述するインバータ部１１でＡＣ２００Ｖの生成ができるように、このコンバータ部１０で昇圧されて、ＤＣリンク部１２を介してインバータ部１１に供給される。なお、このコンバータ部１０には絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられ、燃料電池１と商用電源系統２とはこのコンバータ部１０によって縁切りされている。
【００３５】
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と接続される系統連系用のインバータであって、上記コンバータ部１０から出力される直流電圧を所定の交流電圧（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）に変換して商用電源系統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所定の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インバータで構成されている。
【００３６】
そして、このインバータ部１１の商用電源系統側にはスイッチ回路部１４が設けられており、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（詳細は後述する）。また、このインバータ部１１のコンバータ部側（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。
【００３７】
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（たとえば、ＤＣ２８０Ｖ）に変換してＤＣリンク部１２に供給するための整流回路であって、図１に示すように、そ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、その出力側が上記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。
【００３８】
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、インバータ部１１または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構成される。このスイッチ回路部１４の接点は後述するＰＣ制御部１５によって制御可能な構成とされ、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。
【００３９】
本実施形態では、このスイッチ回路部１４は、燃料電池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も機能するものとされ、系統連系させないときはスイッチ接点を接点Ｂ側に接続するように構成されている。そして、このスイッチ回路部１４の接点を構成するリレーは、リレー駆動回路（図示せず）に非通電のときに接点をＢ側に接続する構成とされ、リレー回路に通電することにより接点がＡ側に接続される構成とされている。
【００４０】
なお、本実施形態では、このスイッチ回路部１４を系統連系スイッチとして用いることとしているが、系統連系スイッチはこのスイッチ回路部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。
【００４１】
ＰＣ制御部１５は、マイコンを制御中枢として備えた制御装置であって、燃料電池１（発電部５）からの入力電圧、入力電流、スタック温度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、燃料電池１のＦＣ制御部７から得られる情報、さらには、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ように構成されている。
【００４２】
具体的には、このＰＣ制御部１５は、上記コンバータ部１０、インバータ部１１の動作または動作停止の制御や、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、燃料電池１のＦＣ制御部７に対して各種指令（たとえば、燃料電池１の起動開始や起動停止の指令など）を行うように構成されている。なお、このＰＣ制御部１５は、後述する補機６と同様に、燃料電池１が発電を行っていないときでも動作できるように、その駆動電源は上記ＤＣリンク部１２から供給されるように構成されている。
【００４３】
補機電源部４は、燃料電池１の補機６に供給する直流電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）を生成する電源装置であって、本実施形態では、この補機電源部４として絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。具体的には、補機電源部４は、その入力側が上記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構成されており、その出力側が補機６に接続されている。また、この補機電源部４は、上述したように絶縁型の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（燃料電池１）と商用電源系統２とが縁切りされている。
【００４４】
なお、本実施形態では、上記ＤＣリンクコンデンサ１２ａとして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のコンデンサが用いられている。さらに、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る。
【００４５】
しかして、このように構成された発電システムの動作について、図２に基づいて説明する。なお、図２はＤＣリンク部１２の充電動作を示す説明図である。
【００４６】
この発電システムでは、燃料電池１が発電運転（定常運転）を行っていない状態、換言すれば、燃料電池１が起動停止中（または起動準備中）である場合には、ＰＣ制御部１５は、コンバータ部１０の動作を停止させ、スイッチ回路部１４の接点をＢ側に接続させている。
【００４７】
この状態では、ＤＣリンク部１２はＡＣブリッジ回路部１３を介して商用電源８から供給される電力によって充電され、補機電源部４にはＤＣリンク部１２からの電力が供給されている。本実施形態では上記商用電源８としてＡＣ２００Ｖを用いているので、このときにＤＣリンク部１２はＤＣ２８０Ｖ（＝２００√２Ｖ）に充電される（この状態を図２（ｂ）では「ＡＣブリッジ供給」として示している）。なお、このときには燃料電池１は発電を行っておらず、また、コンバータ部１０も停止しているので、燃料電池１側からＤＣリンク部１２に電力は供給されない。
【００４８】
このように燃料電池１が起動停止状態にあるときに、図示しないパワーコンディショナ３のリモコンにおいて燃料電池１の起動を指示する操作がなされるなどして、燃料電池１に対する起動指令が与えられると、ＰＣ制御部１５は当該起動指令をＦＣ制御部７に与える。これにより、燃料電池１が起動を開始して所定の起動準備を行う。
【００４９】
この起動準備は、燃料電池１を発電運転できる定常状態に移行させるための前処理であって、ここではその詳細は省略するが、たとえば、燃料ガスや酸化剤ガスの供給、スタックを所定の運転温度まで上昇させるなどの処理が行われる。なお、燃料電池１に対する起動指令は、上述したようにリモコン操作によって与えられるほか、たとえば、ＰＣ制御部１５が学習制御機能（過去の動作実績に基づいて燃料電池１を起動させるタイミングを自動的に設定する機能）を備えている場合には、当該学習制御機能に基づいて燃料電池１の起動指令がＰＣ制御部１５から自動的に発せられる。
【００５０】
そして、燃料電池１の起動準備が完了すると、ＰＣ制御部１５は、次に、パワーコンディショナ３を起動し、以下の処理を開始する。
【００５１】
すなわち、燃料電池１の起動準備が完了すると、ＰＣ制御部１５は、はじめに、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の逆動作を開始させる。ここで、燃料電池１の起動準備が完了したかの判断は、発電部５の出力電圧とスタック温度（運転温度）とに基づいてＦＣ制御部７が行い、その結果がＰＣ制御部１５に送信される。
【００５２】
このように、スイッチ回路部１４の接点をＡ側に接続することで、ＤＣリンク部１２はインバータ部１１の出力電力によって充電されるようになる（図２（ａ），（ｂ）における符号（１）参照）。つまり、商用電源系統２から供給される交流電力がインバータ部１１で直流に変換され、ＤＣリンク部１２を充電する。この状態では、補機電源部４には、インバータ部１１の逆動作により生成された直流電力がＤＣリンク部１２を介して与えられる。なお、このインバータ部１１の逆動作を開始させた時点では、ＰＣ制御部１５はコンバータ部１０の停止状態を維持させている。
【００５３】
ところで、このようにコンバータ部１０を動作させる前にインバータ部１１を用いてＤＣリンク部１２を充電すると、ＤＣリンク部１２の電圧（ＤＣリンク電圧）は目標電圧（たとえば、ＤＣ３９０Ｖ）Ｖoに向けて上昇し始めるが（図２（ｂ）の符号（１）参照）、本実施形態に示す発電システムでは、ＤＣリンク電圧が予め設定された所定のしきい値Ｘを超えて目標電圧Ｖoに近づくと、ＰＣ制御部１５が、その時点（しきい値ＸまでＤＣリンク電圧が上昇した時点）でコンバータ部１０の動作を開始させる。
【００５４】
このとき、コンバータ部１０については、ＤＣリンク電圧が上記目標電圧Ｖoとなるように目標値を設定して制御する。一方、インバータ部１１については、発電部５からパワーコンディショナ３への入力電流が徐々に増加するように制御する。ここで、このインバータ部１１の制御方法としては、発電部５からパワーコンディショナ３に流れる入力電流を監視しながら電流フィードバック制御を行ってインバータ部１１からＤＣリンク部１２に供給する電流を徐々に低下させるやり方と、インバータ部１１からＤＣリンク部１２に供給する電圧の目標値を徐々に低下させるやり方の二通りの制御方法があり、いずれの方法を採用してもよい。
【００５５】
いずれの制御方法を採用した場合でも、インバータ部１１からＤＣリンク部１２に供給される電流または電圧が低下すると、コンバータ部１０はＤＣリンク電圧を目標電圧Ｖoに維持しようと動作するので、この動作に伴ってコンバータ部１０からＤＣリンク部１２に供給される電流が徐々に増加することとなる（図２（ａ），（ｂ）の符号（２）参照）。
【００５６】
このように、本実施形態では、コンバータ部１０はその動作開始から徐々に出力電流が増加するように構成されるので、コンバータ部１０に電流を供給する燃料電池１の発電部５の出力電流も緩やかに上昇することとなり、燃料電池１の発電部５に急激な突入電流が流れるのが防止される。
【００５７】
ここで、コンバータ部１０の動作を開始させるタイミングを決める上記しきい値Ｘは、ＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖoに基づいて設定される。ＤＣリンク部１２は大容量のＤＣリンクコンデンサ１２ａによって構成されているので、インバータ部１１の逆動作時における目標電圧ＶoはこのＤＣリンクコンデンサ１２ａをフルに充電できる値に設定される。そして、上記しきい値Ｘはこの目標電圧Ｖoにできるだけ近い値（たとえば、目標電圧Ｖoの９５％程度）に設定される。
【００５８】
これは、上記しきい値Ｘと目標電圧Ｖoとの差が大きい（しきい値Ｘが目標電圧Ｖoに対して低すぎる）と、コンバータ部１０が動作を開始したときにコンバータ部１０の出力によって充電しなければならないエネルギ量が増加するので、そのために燃料電池１に流れる電流も大きくなってしまうからである。したがって、このしきい値Ｘは、コンバータ部１０を動作させた時に燃料電池１に流れる電流（突入電流）の変動率の許容値（本実施形態では、この許容値が１Ａ／秒と仮定する）を超えないように設定される。つまり、このしきい値Ｘと上記許容値との間には相関関係があり、この許容値が大きい燃料電池を用いる場合には上記しきい値と目標電圧との差を大きく設定することができる。
【００５９】
ちなみに、本実施形態では、上記許容値が１Ａ／秒であり、ＤＣリンク電圧の目標電圧がＤＣ３９０Ｖであるので、このしきい値Ｘは３９０Ｖの９５％であるＤＣ３７０Ｖに設定されている。これは出願人が実験して得た経験値であり、しきい値Ｘを目標電圧の９５％未満に設定した場合には、燃料電池１の突入電流が上記許容値（１Ａ／秒）を超えてしまう可能性が高い。なお、このしきい値Ｘは目標電圧に対して９５％以上であれば目標電圧により近い値を用いることも可能である。
【００６０】
そして、この制御、つまり、インバータ部１１の逆動作出力を徐々に下げながらコンバータ部１０の出力を増加させる制御を継続することにより、最終的にはインバータ部１１が正動作（コンバータ部１０から出力される直流電圧を交流電圧（ＡＣ２００Ｖ）に変換して商用電源系統２に供給する動作）を行うようになり、商用電源系統２側に電流が出力され、燃料電池１で発電された電力が家庭に供給されるようになる（図２（ａ），（ｂ）の符号（３）参照）。
【００６１】
このように、本発明に係る発電システムでは、補機６に電力を供給する補機電源部４がＤＣリンク部１２を介して電力供給を受けるように構成されているので、補機用の電源部を単一の電源部で構成することができる。しかも、この補機電源部４は、燃料電池１と直接接続されないので、補機６の動作電流が急激に変動しても燃料電池１の電流が急激に変動することがなく、燃料電池１のスタックの劣化を防ぐことができる。
【００６２】
また、燃料電池１の起動停止中及び起動準備中におけるＤＣリンク部１２の充電は、コンバータ部１０とインバータ部１１の双方をともに停止させた状態で、インバータ部１１より電力消費の少ないＡＣブリッジ回路部１３によって行われるので、燃料電池１の起動準備中における電力消費を少なく抑えることができる。しかも、このときにＡＣブリッジ回路部１３を選択するスイッチ回路部１４として、リレー駆動回路の非通電時にＡＣブリッジ回路部１３側を選択するリレーを用いることで、ＡＣブリッジ回路部１３の選択に伴うスイッチ回路部１４での電力消費も抑制でき、より省電力効果の高い発電システムを提供できる。
【００６３】
さらに、パワーコンディショナ３の起動時に、コンバータ部１０を停止させた状態のままで、コンバータ部１０の動作に先立ってインバータ部１１の逆動作によってＤＣリンク部１２をある程度（しきい値Ｘを超えるレベル）まで充電しておくので、コンバータ部１０の動作開始によって燃料電池１から多大な電流が流れるのを防止でき、燃料電池１に突入電流が流れるのを防ぐことができる。
【００６４】
しかも、コンバータ部１が動作を開始すると、その時点から、発電部５からパワーコンディショナ３への入力電流が徐々に増加するようにインバータ部１１が制御されるので、インバータ部を逆動作から正動作に移行させる過程で燃料電池１からパワーコンディショナ３に流れる電流が急激に変動することがなく、この点でも燃料電池１に突入電流が流れるのが防止される。
【００６５】
ところで、このようにパワーコンディショナ３の起動時におけるＤＣリンク部１２の充電を、インバータ部１１の逆動作により開始し、その後にコンバータ部１０を動作させてインバータ部１１による充電の比率を徐々に減らしつつコンバータ部１０の比率を上げるように構成すると、インバータ部１１の逆動作中にコンバータ部１０が動作している状態が生じるが、この状態にあるときに、ＰＣ制御部１５が、インバータ部１１を停止させねばならない異常を検出する場合がある。たとえば、商用電源８の周波数や電圧等が異常値を示した場合や逆潮流が検出された場合などは、インバータ部１１を停止させる必要がある。
【００６６】
このような場合、本実施形態では、ＰＣ制御部１５がインバータ部１１を停止させる処理を行うが、その際、ＰＣ制御部１５は、少なくともコンバータ部１０よりも先にインバータ部１１を停止させないようにして、インバータ部１１を停止させる。つまり、この場合、ＰＣ制御部１５は、まず、コンバータ部１０を停止させた後にインバータ部１１を停止させてスイッチ回路部１４の接点を接点Ｂ側に接続するか、あるいは、コンバータ部１０、インバータ部１１の停止とスイッチ回路部１４の接点Ｂ側への接続を同時に行うかのいずれかの方法でインバータ部１１を停止させる。
【００６７】
このように、本実施形態の発電システムでは、インバータ部１１が逆動作によってＤＣリンク部１２への充電を行っており、かつ、コンバータ部１０が動作している場合に、インバータ部１１を停止させるときは、少なくともコンバータ部１０よりも先にインバータ部１１を停止させないようにしているので、インバータ部１１が先に停止されることによってコンバータ部１０から多大な電流が流れるといったおそれがなく、燃料電池１に突入電流が流れるのが防止される。
【００６８】
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００６９】
たとえば、上述した実施形態では、燃料電池１として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた場合を示したが、燃料電池１には他の形式の燃料電池、たとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などを用いることも可能である。
【００７０】
また、上述した実施形態では、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、燃料電池１で発生する排熱を排熱回収手段（たとえば、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。
【００７１】
なお、上述した実施形態では、インバータ部１１の逆動作によるＤＣリンク部１２を充電するのに先立って、ＡＣブリッジ回路部１３によってＤＣリンク部１２の充電を行う場合を示したが、ＡＣブリッジ回路部１３を設けることなく他の方法（たとえばＤＣリンク部１２の充電に二次電池を用いるなど）によって、燃料電池１の起動停止中または起動準備中の充電を行うように構成することもできる。
【００７２】
また、上述した実施形態では、ＰＣ制御部１５が燃料電池１のスタック温度の監視を行い、また、ＰＣ制御部１５からＦＣ制御部７に対して各種指令を行うように構成した場合を示したが、ＰＣ制御部１５とＦＣ制御部７とが受け持つ制御（両者の役割分担）は適宜変更可能である。すなわち、たとえば、スタックに関する監視はすべてＦＣ制御部７で行うように構成したり、あるいは、燃料電池１の起動／停止指令や動作目標値などをＦＣ制御部７が設定してＰＣ制御部１５に送信するように構成することもできる。
【符号の説明】
【００７３】
１ 燃料電池
２ 商用電源系統
３ パワーコンディショナ
４ 補機電源部
５ 発電部（スタック）
６ 補機
７ ＦＣ制御部
８ 商用電源
１０ コンバータ部
１１ インバータ部
１２ ＤＣリンク部
１３ ＡＣブリッジ回路部
１４ スイッチ回路部
１５ ＰＣ制御部
Ｖo ＤＣリンク部の目標電圧
Ｘ しきい値
【技術分野】
【０００１】
この発明は発電システムに関し、より詳細には、燃料電池を用いた発電システムにおいて、パワーコンディショナ起動時における燃料電池の突入電流を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いた発電システムは、燃料電池を動作させるための周辺機器としてブロワやポンプなどのいわゆる補機を備えている。これらの補機は、燃料電池が発電しているとき（定常運転中）は燃料電池側から電力供給を受け、燃料電池が発電していないとき（起動停止中または燃料電池が起動開始から定常運転に至るまでの起動準備中）は商用電源系統側から電力供給を受けるのが望ましい。
【０００３】
そのため、従来の発電システムでは、この補機の電源をパワーコンディショナのＤＣリンク部（つまり、燃料電池の発電部から出力される直流電圧を所定電圧に変換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所定電圧の交流電圧に変換して商用電源系統に出力するインバータ部の中間に設けられたＤＣリンクコンデンサ）から採るように構成したものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
そして、このように構成された発電システムにおいては、パワーコンディショナの起動時には、上記コンバータ部の電圧出力を用いてＤＣリンク部を目標電圧まで上昇させるように構成したものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このようにパワーコンディショナの起動時に、コンバータ部の出力を用いてＤＣリンク部を充電する構成では、以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
【０００７】
すなわち、この種の発電システムに用いられる燃料電池においては、一般的に、パワーコンディショナが引っ張る分だけ電流を出力するように構成されていることから、パワーコンディショナの起動時に、コンバータ部の出力を用いてＤＣリンク部を充電するように構成したのでは、ＤＣリンク部の電圧が低い状態でコンバータ部による充電が開始されると、燃料電池から多大な電流（突入電流）がパワーコンディショナ（コンバータ部）に流れるおそれがある。
【０００８】
燃料電池の発電部（スタック）は、このような突入電流によって劣化することから、この種の燃料電池においては突入電流の許容値が定められており、この許容値を超えて電流が流れるとスタックの劣化を招くおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、パワーコンディショナの起動時に燃料電池の急激な電流変動を生じない発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る発電システムは、燃料電池と、パワーコンディショナとを備えた発電システムにおいて、上記パワーコンディショナは、上記燃料電池から出力される直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ部と、上記コンバータ部から出力され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正動作と上記商用電源系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換してＤＣリンク部に出力する逆動作とが可能なインバータ部とを有し、上記パワーコンディショナの起動時に、上記コンバータ部を停止させた状態で上記インバータ部の逆動作によって商用電源系統からＤＣリンク部への充電を開始し、その後、上記コンバータ部を動作させてＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御するとともに、上記燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するように上記インバータ部を制御することを特徴とする。
【００１１】
この請求項１に係る発電システムでは、パワーコンディショナの起動時に、コンバータ部を停止させた状態のままで、インバータ部を逆動作させて商用電源系統からＤＣリンク部の充電を開始させる。そして、その後、ＤＣリンク部の電圧が目標電圧に対して一定レベル以上になるのを待って、上記コンバータ部を動作させてＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御する。このように、請求項１に係る発電システムでは、コンバータ部の動作に先立ってインバータ部の逆動作によりＤＣリンク部をある程度まで充電しておくので、コンバータ部の動作開始によって燃料電池から多大な電流が流れるのを防止することができる。
【００１２】
そして、コンバータ部が動作を開始すると、その時点から、燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するようにインバータ部を制御する。つまり、動作を開始したコンバータ部はＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御されているので、インバータ部に対してはＤＣリンク部に供給するエネルギを徐々に減らすような制御を行う。これにより、インバータ部からのエネルギ供給の減少に応じてコンバータ部からＤＣリンク部に供給されるエネルギが増加し、燃料電池からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加することになる。したがって、最終的にインバータ部を正動作に移行させても逆動作から正動作に移行する過程で燃料電池からパワーコンディショナに流れる電流が急激に変動することがなく、燃料電池に突入電流が流れるのを防止することができる。
【００１３】
そして、本発明に係る発電システムは、請求項１に記載の発電システムにおいて、前記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、前記インバータ部は、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電流を徐々に低下させる制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
この請求項２に係る発電システムでは、インバータ部は、燃料電池の発電部からパワーコンディショナに流れる入力電流を監視しながら（電流フィードバック制御を行いながら）、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電流を徐々に減らしてゆく制御を行う。このときコンバータ部はＤＣリンク部の電圧を目標電圧に維持するように制御されているので、インバータ部からＤＣリンク部に供給するエネルギの減少に応じてコンバータ部からＤＣリンク部に供給される電流が徐々に増加する。
【００１５】
本発明の請求項３に係る発電システムは、請求項１に記載の発電システムにおいて、上記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、上記インバータ部が、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電圧を徐々に低下させる制御を行うことを特徴とする。
【００１６】
この請求項３に係る発電システムでは、インバータ部がＤＣリンク部に供給する電圧の目標値を徐々に低下させるので、インバータ部からＤＣリンク部へのエネルギの供給は緩やかに低下する。このときコンバータ部はＤＣリンク部の電圧を所定の目標電圧に維持するように制御されているので、インバータ部からＤＣリンク部へのエネルギ供給が減少すると、その減少分を補うようにコンバータ部からＤＣリンク部に供給する電流が徐々に増加する。
【００１７】
本発明の請求項４に係る発電システムは、請求項１から３のいずれかに記載の発電システムにおいて、上記インバータ部が逆動作によってＤＣリンク部への充電を行い、かつ、上記コンバータ部が動作している場合において、上記インバータ部を停止させるときは、少なくとも上記コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないことを特徴とする。
【００１８】
すなわち、この請求項４に係る発電システムでは、インバータ部が逆動作を行っており、かつ、コンバータ部も動作している状態において、インバータ部を停止させねばならない異常（たとえば、商用電源の周波数、電圧等の異常や逆潮流など）が検出されると、インバータ部を停止させる必要があるが、その際に、コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させると、それまでにインバータ部からＤＣリンク部に供給していた電流をコンバータ部から流そうとして発電部に急激な電流変動が生じるおそれがあるので、インバータ部を停止させるときには、コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないように制御して、燃料電池に突入電流が流れるのを防止している。
【００１９】
本発明の請求項５に係る発電システムは、請求項１から４のいずれかに記載の発電システムにおいて、上記商用電源系統からＤＣリンク部に電力供給を行うＡＣブリッジ回路部を備え、上記インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って、上記ＡＣブリッジ回路部によるＤＣリンク部の充電を行うことを特徴とする。
【００２０】
この請求項５に係る発電システムでは、インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って（具体的には、燃料電池が発電運転を開始する前の起動停止中及び起動準備中に）、インバータ部を動作させることなく電力消費の少ないＡＣブリッジ回路部を用いてＤＣリンク部の充電を行うので、燃料電池の起動準備中における電力消費を少なくすることができる。
【００２１】
本発明の請求項６に係る発電システムは、請求項１から５のいずれかに記載の発電システムにおいて、上記燃料電池が固体酸化物形燃料電池で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、パワーコンディショナの起動時に、コンバータ部を停止させた状態でインバータ部を逆動作させてＤＣリンク部の充電を開始し、その後にコンバータ部を動作させてコンバータ部によるＤＣリンク部の充電を開始するので、コンバータ部の動作開始によって燃料電池に突入電流が流れるのが防止される。
【００２３】
また、コンバータ部の動作を開始させると、その時点から、燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するようにインバータ部を制御するので、インバータ部を逆動作から正動作に移行させる過程においても燃料電池に突入電流が流れるのが防止される。
【００２４】
また、インバータ部が逆動作でＤＣリンク部の充電を行っており、かつ、コンバータ部も動作している状態で、インバータ部を停止させるときは、少なくともコンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないようにしているので、インバータ部の停止によってコンバータ部に多大な電流が流れるのが防がれ、燃料電池に突入電流が流れるのが防止される。
【００２５】
また、インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って、ＡＣブリッジ回路部によりＤＣリンク部の充電を行うことにより、燃料電池の起動停止中及び起動準備中の消費電力が少ない発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る発電システムの概略構成の一例を示す回路図である。
【図２】同発電システムのパワーコンディショナ起動時におけるＤＣリンク部の充電動作を示す説明図であって、図２（ａ）はその充電動作を模式的に示した模式図であり、図２（ｂ）は同充電動作におけるＤＣリンク電圧の変化を表した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る発電システムの概略構成を示している。この発電システムは、図１に示すように、燃料電池１と、この燃料電池１を商用電源系統２に連系させるためのパワーコンディショナ３と、補機電源部４とを主要部として備えている。
【００２８】
燃料電池１は、天然ガスなどの水素を含む燃料ガスと、空気などの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、発電された電力は直流電圧として出力される。燃料電池１は、使用する電解質や運転温度（スタックの温度）などの相違により数種類に分類されるが、本実施形態では、燃料電池１として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形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。なお、燃料電池１の構造自体は公知であるのでここではその詳細な説明は省略し、以下においては本発明の要点を説明する。
【００２９】
図１において、５は燃料電池１の発電部（スタック）を示している。ＳＯＦＣは運転温度が数百度（たとえば、８００〜１０００℃程度）と高温であることから、この燃料電池１は、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、この発電部５からは、たとえば１００〜１６０Ｖの直流電圧が出力される。
【００３０】
補機６は、燃料電池１を動作させるための周辺機器であり、燃料電池１が起動準備中にあるとき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）で構成されている。本実施形態では、これら補機６を構成する電気負荷は、直流電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）で駆動されるモータなどで構成されている。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、これら電気負荷の動作中における動作電流の変動は極めて激しい。
【００３１】
ＦＣ制御部７は、マイコンを制御中枢として備えた制御装置であって、発電部５の出力電圧や出力電流、補機５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情報とに基づいて燃料電池１の各部（補機６を含む）の動作を制御する。
【００３２】
商用電源系統２は、商用電源８（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）から供給される交流電力を図示しない家庭内の電気負荷に供給するための電源ラインや分電盤など（図示せず）を備えており、本実施形態では、パワーコンディショナ３を介して接続される燃料電池１と系統連系されている。
【００３３】
パワーコンディショナ３は、燃料電池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。
【００３４】
上記コンバータ部１０は、燃料電池１から出力される直流電圧を所定の直流電圧（たとえば、ＤＣ３７５〜４０５Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで構成される。すなわち、燃料電池１の発電部５から出力される直流電力は、後述するインバータ部１１でＡＣ２００Ｖの生成ができるように、このコンバータ部１０で昇圧されて、ＤＣリンク部１２を介してインバータ部１１に供給される。なお、このコンバータ部１０には絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられ、燃料電池１と商用電源系統２とはこのコンバータ部１０によって縁切りされている。
【００３５】
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と接続される系統連系用のインバータであって、上記コンバータ部１０から出力される直流電圧を所定の交流電圧（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）に変換して商用電源系統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所定の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インバータで構成されている。
【００３６】
そして、このインバータ部１１の商用電源系統側にはスイッチ回路部１４が設けられており、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（詳細は後述する）。また、このインバータ部１１のコンバータ部側（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。
【００３７】
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（たとえば、ＤＣ２８０Ｖ）に変換してＤＣリンク部１２に供給するための整流回路であって、図１に示すように、そ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、その出力側が上記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。
【００３８】
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、インバータ部１１または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構成される。このスイッチ回路部１４の接点は後述するＰＣ制御部１５によって制御可能な構成とされ、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。
【００３９】
本実施形態では、このスイッチ回路部１４は、燃料電池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も機能するものとされ、系統連系させないときはスイッチ接点を接点Ｂ側に接続するように構成されている。そして、このスイッチ回路部１４の接点を構成するリレーは、リレー駆動回路（図示せず）に非通電のときに接点をＢ側に接続する構成とされ、リレー回路に通電することにより接点がＡ側に接続される構成とされている。
【００４０】
なお、本実施形態では、このスイッチ回路部１４を系統連系スイッチとして用いることとしているが、系統連系スイッチはこのスイッチ回路部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。
【００４１】
ＰＣ制御部１５は、マイコンを制御中枢として備えた制御装置であって、燃料電池１（発電部５）からの入力電圧、入力電流、スタック温度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、燃料電池１のＦＣ制御部７から得られる情報、さらには、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ように構成されている。
【００４２】
具体的には、このＰＣ制御部１５は、上記コンバータ部１０、インバータ部１１の動作または動作停止の制御や、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、燃料電池１のＦＣ制御部７に対して各種指令（たとえば、燃料電池１の起動開始や起動停止の指令など）を行うように構成されている。なお、このＰＣ制御部１５は、後述する補機６と同様に、燃料電池１が発電を行っていないときでも動作できるように、その駆動電源は上記ＤＣリンク部１２から供給されるように構成されている。
【００４３】
補機電源部４は、燃料電池１の補機６に供給する直流電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）を生成する電源装置であって、本実施形態では、この補機電源部４として絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。具体的には、補機電源部４は、その入力側が上記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構成されており、その出力側が補機６に接続されている。また、この補機電源部４は、上述したように絶縁型の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（燃料電池１）と商用電源系統２とが縁切りされている。
【００４４】
なお、本実施形態では、上記ＤＣリンクコンデンサ１２ａとして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のコンデンサが用いられている。さらに、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る。
【００４５】
しかして、このように構成された発電システムの動作について、図２に基づいて説明する。なお、図２はＤＣリンク部１２の充電動作を示す説明図である。
【００４６】
この発電システムでは、燃料電池１が発電運転（定常運転）を行っていない状態、換言すれば、燃料電池１が起動停止中（または起動準備中）である場合には、ＰＣ制御部１５は、コンバータ部１０の動作を停止させ、スイッチ回路部１４の接点をＢ側に接続させている。
【００４７】
この状態では、ＤＣリンク部１２はＡＣブリッジ回路部１３を介して商用電源８から供給される電力によって充電され、補機電源部４にはＤＣリンク部１２からの電力が供給されている。本実施形態では上記商用電源８としてＡＣ２００Ｖを用いているので、このときにＤＣリンク部１２はＤＣ２８０Ｖ（＝２００√２Ｖ）に充電される（この状態を図２（ｂ）では「ＡＣブリッジ供給」として示している）。なお、このときには燃料電池１は発電を行っておらず、また、コンバータ部１０も停止しているので、燃料電池１側からＤＣリンク部１２に電力は供給されない。
【００４８】
このように燃料電池１が起動停止状態にあるときに、図示しないパワーコンディショナ３のリモコンにおいて燃料電池１の起動を指示する操作がなされるなどして、燃料電池１に対する起動指令が与えられると、ＰＣ制御部１５は当該起動指令をＦＣ制御部７に与える。これにより、燃料電池１が起動を開始して所定の起動準備を行う。
【００４９】
この起動準備は、燃料電池１を発電運転できる定常状態に移行させるための前処理であって、ここではその詳細は省略するが、たとえば、燃料ガスや酸化剤ガスの供給、スタックを所定の運転温度まで上昇させるなどの処理が行われる。なお、燃料電池１に対する起動指令は、上述したようにリモコン操作によって与えられるほか、たとえば、ＰＣ制御部１５が学習制御機能（過去の動作実績に基づいて燃料電池１を起動させるタイミングを自動的に設定する機能）を備えている場合には、当該学習制御機能に基づいて燃料電池１の起動指令がＰＣ制御部１５から自動的に発せられる。
【００５０】
そして、燃料電池１の起動準備が完了すると、ＰＣ制御部１５は、次に、パワーコンディショナ３を起動し、以下の処理を開始する。
【００５１】
すなわち、燃料電池１の起動準備が完了すると、ＰＣ制御部１５は、はじめに、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の逆動作を開始させる。ここで、燃料電池１の起動準備が完了したかの判断は、発電部５の出力電圧とスタック温度（運転温度）とに基づいてＦＣ制御部７が行い、その結果がＰＣ制御部１５に送信される。
【００５２】
このように、スイッチ回路部１４の接点をＡ側に接続することで、ＤＣリンク部１２はインバータ部１１の出力電力によって充電されるようになる（図２（ａ），（ｂ）における符号（１）参照）。つまり、商用電源系統２から供給される交流電力がインバータ部１１で直流に変換され、ＤＣリンク部１２を充電する。この状態では、補機電源部４には、インバータ部１１の逆動作により生成された直流電力がＤＣリンク部１２を介して与えられる。なお、このインバータ部１１の逆動作を開始させた時点では、ＰＣ制御部１５はコンバータ部１０の停止状態を維持させている。
【００５３】
ところで、このようにコンバータ部１０を動作させる前にインバータ部１１を用いてＤＣリンク部１２を充電すると、ＤＣリンク部１２の電圧（ＤＣリンク電圧）は目標電圧（たとえば、ＤＣ３９０Ｖ）Ｖoに向けて上昇し始めるが（図２（ｂ）の符号（１）参照）、本実施形態に示す発電システムでは、ＤＣリンク電圧が予め設定された所定のしきい値Ｘを超えて目標電圧Ｖoに近づくと、ＰＣ制御部１５が、その時点（しきい値ＸまでＤＣリンク電圧が上昇した時点）でコンバータ部１０の動作を開始させる。
【００５４】
このとき、コンバータ部１０については、ＤＣリンク電圧が上記目標電圧Ｖoとなるように目標値を設定して制御する。一方、インバータ部１１については、発電部５からパワーコンディショナ３への入力電流が徐々に増加するように制御する。ここで、このインバータ部１１の制御方法としては、発電部５からパワーコンディショナ３に流れる入力電流を監視しながら電流フィードバック制御を行ってインバータ部１１からＤＣリンク部１２に供給する電流を徐々に低下させるやり方と、インバータ部１１からＤＣリンク部１２に供給する電圧の目標値を徐々に低下させるやり方の二通りの制御方法があり、いずれの方法を採用してもよい。
【００５５】
いずれの制御方法を採用した場合でも、インバータ部１１からＤＣリンク部１２に供給される電流または電圧が低下すると、コンバータ部１０はＤＣリンク電圧を目標電圧Ｖoに維持しようと動作するので、この動作に伴ってコンバータ部１０からＤＣリンク部１２に供給される電流が徐々に増加することとなる（図２（ａ），（ｂ）の符号（２）参照）。
【００５６】
このように、本実施形態では、コンバータ部１０はその動作開始から徐々に出力電流が増加するように構成されるので、コンバータ部１０に電流を供給する燃料電池１の発電部５の出力電流も緩やかに上昇することとなり、燃料電池１の発電部５に急激な突入電流が流れるのが防止される。
【００５７】
ここで、コンバータ部１０の動作を開始させるタイミングを決める上記しきい値Ｘは、ＤＣリンク電圧の目標電圧Ｖoに基づいて設定される。ＤＣリンク部１２は大容量のＤＣリンクコンデンサ１２ａによって構成されているので、インバータ部１１の逆動作時における目標電圧ＶoはこのＤＣリンクコンデンサ１２ａをフルに充電できる値に設定される。そして、上記しきい値Ｘはこの目標電圧Ｖoにできるだけ近い値（たとえば、目標電圧Ｖoの９５％程度）に設定される。
【００５８】
これは、上記しきい値Ｘと目標電圧Ｖoとの差が大きい（しきい値Ｘが目標電圧Ｖoに対して低すぎる）と、コンバータ部１０が動作を開始したときにコンバータ部１０の出力によって充電しなければならないエネルギ量が増加するので、そのために燃料電池１に流れる電流も大きくなってしまうからである。したがって、このしきい値Ｘは、コンバータ部１０を動作させた時に燃料電池１に流れる電流（突入電流）の変動率の許容値（本実施形態では、この許容値が１Ａ／秒と仮定する）を超えないように設定される。つまり、このしきい値Ｘと上記許容値との間には相関関係があり、この許容値が大きい燃料電池を用いる場合には上記しきい値と目標電圧との差を大きく設定することができる。
【００５９】
ちなみに、本実施形態では、上記許容値が１Ａ／秒であり、ＤＣリンク電圧の目標電圧がＤＣ３９０Ｖであるので、このしきい値Ｘは３９０Ｖの９５％であるＤＣ３７０Ｖに設定されている。これは出願人が実験して得た経験値であり、しきい値Ｘを目標電圧の９５％未満に設定した場合には、燃料電池１の突入電流が上記許容値（１Ａ／秒）を超えてしまう可能性が高い。なお、このしきい値Ｘは目標電圧に対して９５％以上であれば目標電圧により近い値を用いることも可能である。
【００６０】
そして、この制御、つまり、インバータ部１１の逆動作出力を徐々に下げながらコンバータ部１０の出力を増加させる制御を継続することにより、最終的にはインバータ部１１が正動作（コンバータ部１０から出力される直流電圧を交流電圧（ＡＣ２００Ｖ）に変換して商用電源系統２に供給する動作）を行うようになり、商用電源系統２側に電流が出力され、燃料電池１で発電された電力が家庭に供給されるようになる（図２（ａ），（ｂ）の符号（３）参照）。
【００６１】
このように、本発明に係る発電システムでは、補機６に電力を供給する補機電源部４がＤＣリンク部１２を介して電力供給を受けるように構成されているので、補機用の電源部を単一の電源部で構成することができる。しかも、この補機電源部４は、燃料電池１と直接接続されないので、補機６の動作電流が急激に変動しても燃料電池１の電流が急激に変動することがなく、燃料電池１のスタックの劣化を防ぐことができる。
【００６２】
また、燃料電池１の起動停止中及び起動準備中におけるＤＣリンク部１２の充電は、コンバータ部１０とインバータ部１１の双方をともに停止させた状態で、インバータ部１１より電力消費の少ないＡＣブリッジ回路部１３によって行われるので、燃料電池１の起動準備中における電力消費を少なく抑えることができる。しかも、このときにＡＣブリッジ回路部１３を選択するスイッチ回路部１４として、リレー駆動回路の非通電時にＡＣブリッジ回路部１３側を選択するリレーを用いることで、ＡＣブリッジ回路部１３の選択に伴うスイッチ回路部１４での電力消費も抑制でき、より省電力効果の高い発電システムを提供できる。
【００６３】
さらに、パワーコンディショナ３の起動時に、コンバータ部１０を停止させた状態のままで、コンバータ部１０の動作に先立ってインバータ部１１の逆動作によってＤＣリンク部１２をある程度（しきい値Ｘを超えるレベル）まで充電しておくので、コンバータ部１０の動作開始によって燃料電池１から多大な電流が流れるのを防止でき、燃料電池１に突入電流が流れるのを防ぐことができる。
【００６４】
しかも、コンバータ部１が動作を開始すると、その時点から、発電部５からパワーコンディショナ３への入力電流が徐々に増加するようにインバータ部１１が制御されるので、インバータ部を逆動作から正動作に移行させる過程で燃料電池１からパワーコンディショナ３に流れる電流が急激に変動することがなく、この点でも燃料電池１に突入電流が流れるのが防止される。
【００６５】
ところで、このようにパワーコンディショナ３の起動時におけるＤＣリンク部１２の充電を、インバータ部１１の逆動作により開始し、その後にコンバータ部１０を動作させてインバータ部１１による充電の比率を徐々に減らしつつコンバータ部１０の比率を上げるように構成すると、インバータ部１１の逆動作中にコンバータ部１０が動作している状態が生じるが、この状態にあるときに、ＰＣ制御部１５が、インバータ部１１を停止させねばならない異常を検出する場合がある。たとえば、商用電源８の周波数や電圧等が異常値を示した場合や逆潮流が検出された場合などは、インバータ部１１を停止させる必要がある。
【００６６】
このような場合、本実施形態では、ＰＣ制御部１５がインバータ部１１を停止させる処理を行うが、その際、ＰＣ制御部１５は、少なくともコンバータ部１０よりも先にインバータ部１１を停止させないようにして、インバータ部１１を停止させる。つまり、この場合、ＰＣ制御部１５は、まず、コンバータ部１０を停止させた後にインバータ部１１を停止させてスイッチ回路部１４の接点を接点Ｂ側に接続するか、あるいは、コンバータ部１０、インバータ部１１の停止とスイッチ回路部１４の接点Ｂ側への接続を同時に行うかのいずれかの方法でインバータ部１１を停止させる。
【００６７】
このように、本実施形態の発電システムでは、インバータ部１１が逆動作によってＤＣリンク部１２への充電を行っており、かつ、コンバータ部１０が動作している場合に、インバータ部１１を停止させるときは、少なくともコンバータ部１０よりも先にインバータ部１１を停止させないようにしているので、インバータ部１１が先に停止されることによってコンバータ部１０から多大な電流が流れるといったおそれがなく、燃料電池１に突入電流が流れるのが防止される。
【００６８】
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００６９】
たとえば、上述した実施形態では、燃料電池１として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた場合を示したが、燃料電池１には他の形式の燃料電池、たとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などを用いることも可能である。
【００７０】
また、上述した実施形態では、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、燃料電池１で発生する排熱を排熱回収手段（たとえば、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。
【００７１】
なお、上述した実施形態では、インバータ部１１の逆動作によるＤＣリンク部１２を充電するのに先立って、ＡＣブリッジ回路部１３によってＤＣリンク部１２の充電を行う場合を示したが、ＡＣブリッジ回路部１３を設けることなく他の方法（たとえばＤＣリンク部１２の充電に二次電池を用いるなど）によって、燃料電池１の起動停止中または起動準備中の充電を行うように構成することもできる。
【００７２】
また、上述した実施形態では、ＰＣ制御部１５が燃料電池１のスタック温度の監視を行い、また、ＰＣ制御部１５からＦＣ制御部７に対して各種指令を行うように構成した場合を示したが、ＰＣ制御部１５とＦＣ制御部７とが受け持つ制御（両者の役割分担）は適宜変更可能である。すなわち、たとえば、スタックに関する監視はすべてＦＣ制御部７で行うように構成したり、あるいは、燃料電池１の起動／停止指令や動作目標値などをＦＣ制御部７が設定してＰＣ制御部１５に送信するように構成することもできる。
【符号の説明】
【００７３】
１ 燃料電池
２ 商用電源系統
３ パワーコンディショナ
４ 補機電源部
５ 発電部（スタック）
６ 補機
７ ＦＣ制御部
８ 商用電源
１０ コンバータ部
１１ インバータ部
１２ ＤＣリンク部
１３ ＡＣブリッジ回路部
１４ スイッチ回路部
１５ ＰＣ制御部
Ｖo ＤＣリンク部の目標電圧
Ｘ しきい値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、パワーコンディショナとを備えた発電システムにおいて、
前記パワーコンディショナは、前記燃料電池から出力される直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力され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正動作と前記商用電源系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換してＤＣリンク部に出力する逆動作とが可能なインバータ部とを有し、
前記パワーコンディショナの起動時に、前記コンバータ部を停止させた状態で前記インバータ部の逆動作によって商用電源系統からＤＣリンク部への充電を開始し、その後、前記コンバータ部を動作させてＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御するとともに、前記燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するように前記インバータ部を制御する
ことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、前記インバータ部は、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電流を徐々に低下させる制御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。
【請求項３】
前記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、前記インバータ部が、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電圧を徐々に低下させる制御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。
【請求項４】
前記インバータ部が逆動作によってＤＣリンク部への充電を行い、かつ、前記コンバータ部が動作している場合において、前記インバータ部を停止させるときは、少なくとも前記コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
前記商用電源系統からＤＣリンク部に電力供給を行うＡＣブリッジ回路部を備え、前記インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って、前記ＡＣブリッジ回路部によるＤＣリンク部の充電を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１】
燃料電池と、パワーコンディショナとを備えた発電システムにおいて、
前記パワーコンディショナは、前記燃料電池から出力される直流電圧を所定電圧に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力され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正動作と前記商用電源系統から供給される交流電圧を直流電圧に変換してＤＣリンク部に出力する逆動作とが可能なインバータ部とを有し、
前記パワーコンディショナの起動時に、前記コンバータ部を停止させた状態で前記インバータ部の逆動作によって商用電源系統からＤＣリンク部への充電を開始し、その後、前記コンバータ部を動作させてＤＣリンク部の電圧が目標電圧になるように制御するとともに、前記燃料電池の発電部からパワーコンディショナへの入力電流が徐々に増加するように前記インバータ部を制御する
ことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、前記インバータ部は、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電流を徐々に低下させる制御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。
【請求項３】
前記発電部からパワーコンディショナへの入力電流を徐々に増加させる制御として、前記インバータ部が、インバータ部からＤＣリンク部に供給する電圧を徐々に低下させる制御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。
【請求項４】
前記インバータ部が逆動作によってＤＣリンク部への充電を行い、かつ、前記コンバータ部が動作している場合において、前記インバータ部を停止させるときは、少なくとも前記コンバータ部よりも先にインバータ部を停止させないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
前記商用電源系統からＤＣリンク部に電力供給を行うＡＣブリッジ回路部を備え、前記インバータ部の逆動作によるＤＣリンク部の充電に先立って、前記ＡＣブリッジ回路部によるＤＣリンク部の充電を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−５０１９１（Ｐ２０１１−５０１９１Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９７００４（Ｐ２００９−１９７００４）
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【出願人】（５０３１１６６５９）ノーリツエレクトロニクステクノロジー株式会社 (155)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【出願人】（５０３１１６６５９）ノーリツエレクトロニクステクノロジー株式会社 (155)
【Ｆターム（参考）】
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