JP5568954B2 - パワーコンディショナ - Google Patents

Description

この発明はパワーコンディショナに関し、より詳細には、燃料電池や太陽電池などの発電部を備えた発電システムにおいて、発電部と商用電源系統（系統）とを連系させるパワーコンディショナに関する。

燃料電池や太陽電池などの発電部を備えた発電システムにおいては、発電部と商用電源系統（系統）とを連系させるためにパワーコンディショナを備えている。この種のパワーコンディショナは、発電部で発電した直流電力を系統に供給可能な交流電力に変換するための構成として、図４（ａ）に示すように、発電部ａで発電された直流電圧を昇圧するコンバータ部ｂと、コンバータ部ｂで昇圧された直流電圧を系統ｄと同期のとれた交流電圧に変換するインバータ部ｃとを備えている（たとえば、特許文献１参照）。なお、図４においてｅは、インバータ部ｃのＤＣリンクコンデンサ（ＤＣリンク部）を示している。

図４（ｂ）は、コンバータ部ｂの概略構成の一例を示している。この図に示すコンバータ部ｂはＨブリッジ回路ｆと直並列回路ｇとから構成されている。Ｈブリッジ回路ｆ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（いずれも図示せず）を備えており、これら各昇圧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ｇにおける直列・並列の回路切り替えによって１〜２倍の範囲内で昇圧されて出力されるように構成されている。すなわち、コンバータ部ｂは、発電部ａからの入力電圧を、トランスの巻数比と直並列回路の回路切り替えとによって昇圧するように構成されている。

ところで、このように構成されたパワーコンディショナにおいて、パワーコンディショナから系統に電力を供給するためには、ＤＣリンク部ｅの電圧（ＤＣリンク電圧）は、系統電圧よりも高くしなければならないことから、系統電圧のピーク値（系統最大電圧）に一定のマージンαを加算した電圧値に設定されている。

たとえば、系統が３相交流２００Ｖの場合、ＤＣリンク電圧として最低限必要な電圧は、２００Ｖ×√２≒２８０Ｖであるが、ＤＣリンク電圧の目標値は、系統で定められた系統過電圧判定値を１２０Ｖとすると、たとえばその最大値となる１２０Ｖ×２×√２≒３４０Ｖを系統最大電圧とし、この電圧にマージンαを加算した値（ここで、マージンα＝５０Ｖとすると、ＤＣリンク電圧の目標値は３４０Ｖ＋５０Ｖ＝３９０Ｖ）に設定される。

図５は、コンバータ部ｂの入力電圧（発電部ａの出力電圧）と、ＤＣリンク電圧と、系統電圧との関係を示している。この図５（ａ）に示すように、ＤＣリンク電圧が系統電圧よりも高い場合には、パワーコンディショナから系統に正常な電圧波形の電力を供給することができる。しかし、ＤＣリンク電圧が系統電圧よりも低くなると、パワーコンディショナが生成する電圧波形が図５（ｂ）に示すようになり、系統に出力される電流波形が歪んでしまう。なお、このような歪んだ電流波形は連系規定により許されない。

ここで、上述した従来のパワーコンディショナでは、コンバータ部ｂの効率を高めるためにＨブリッジ回路ｆには共振型スイッチング方式が用いられるため、効率の低下を招くスイッチングによる出力電圧の制御ができず、コンバータ部ｂの出力電圧の制御は、基本的にトランスの巻数比によって制御される。

そのため、従来のパワーコンディショナにおいては、コンバータ部ｂへの入力電圧（発電部ａの出力電圧）に基づいて、コンバータ部ｂがＤＣリンク電圧の目標値に相当する電圧を出力できる状態にないときは、コンバータ部ｂ（パワーコンディショナ）が起動しないようにされている。換言すれば、コンバータ部ｂの入力電圧が所定値以上にならないとコンバータ部ｂを動作させることができないように構成されていた。

特開２００９−４８９７２号公報

しかしながら、このような従来のパワーコンディショナでは、以下のような問題があり、その改善が望まれている。

すなわち、たとえば、コンバータ部ｂのトランスの巻数比が２．２倍のパワーコンディショナにおいて、出力電圧範囲として１００Ｖ〜１６０Ｖの発電部ａ（たとえば、燃料電池）を用いる場合には、発電部ａの出力電圧が１００Ｖ以上になることを条件にコンバータ部ｂを起動させるようにすれば、コンバータ部ｂは常にＤＣリンク電圧の目標値（たとえば、上述した３９０Ｖ）を出力することができる。

しかし、出力電圧範囲が７０Ｖ〜１８０Ｖの発電部ａにこのパワーコンディショナを用いようとすると、発電部ａの出力電圧が７０Ｖの場合には、コンバータ部ｂのトランスによる昇圧では７０Ｖ×２．２＝１５４Ｖしか得られないので、直並列回路ｇを直列（２倍）に切り替えたとしても３０８Ｖしか出力できず、ＤＣリンク電圧の目標値（３９０Ｖ）に届かないこととなる。一方、コンバータ部ｂの入力電圧が１８０Ｖの場合には、コンバータ部ｂのトランスによる昇圧で１８０Ｖ×２．２＝３９６Ｖになるが、ＤＣリンク電圧の目標値である３９０Ｖに制御しようとするとＨブリッジ回路ｆのスイッチングロスが生じ、効率の低下を招くこととなる。つまり、従来のパワーコンディショナでは、コンバータ部ｂ（パワーコンディショナ）の動作入力電圧の範囲が制限され、出力電圧範囲の広い発電部ａに対応できない場合があった。

そのため、たとえば、発電部ａとして燃料電池を用いる場合には、燃料電池の経年劣化や雰囲気温度の低下（たとえば、冬季などの温度低下）による燃料電池の動作温度の低下などによって燃料電池の出力電圧が一時的または継続的に低下したような場合に、コンバータ部ｂ（パワーコンディショナ）が停止され、燃料電池から系統に電力を供給できなくなるという問題があった。つまり、燃料電池がある程度発電可能な状態にある場合でも燃料電池で発電された電力を系統に供給できない（有効に利用できない）状態が生ずることがあった。なお、発電部ａが太陽電池である場合においても、その経年劣化や日照の陰りなどで出力電圧が低下すると、これと同様の問題が生じていた。

この他、従来のパワーコンディショナでは、コンバータ部ｂでＤＣリンク電圧の目標値を出力できる場合であっても、コンバータ部ｂの入力電圧が、上記ＤＣリンク電圧の目標値を出力できる最大電圧または最低電圧付近である場合には、直並列回路ｇは直列または並列に固定された状態となるので、入力リップル電流を抑制できずＤＣリンク電圧が安定しないという問題がある。なお、このような状態は燃料電池スタックに悪影響を与えることにもなる。

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、コンバータ部の効率低下を防ぎつつ、従来よりも動作入力電圧範囲の広いパワーコンディショナを提供することにある。そして、ひいては発電部の出力電圧が正常時より低下した場合でも発電部で発電された電力を系統に供給できる発電システムを提供できるようにする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係るパワーコンディショナは、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、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において、パワーコンディショナの動作開始入力電圧が上記発電部の出力電圧範囲内に設定され、制御部は、測定によって得られる系統電圧に基づいて上記インバータ部のＤＣリンク部の最小目標電圧値を設定するとともに、上記ＤＣリンク部の耐圧値に基づいて設定される許容電圧値を上記ＤＣリンク部の最大目標電圧値として設定し、上記コンバータ部の入力電圧が上記動作開始入力電圧以上になると、上記ＤＣリンク部の目標電圧としてあらかじめ設定された初期値を用いてパワーコンディショナを起動し、その後は、上記コンバータ部の入力電圧が上記動作開始入力電圧未満となっても最小目標電圧を得るために必要な電圧値以上の入力電圧が得られていれば、上記最小目標電圧値から最大目標電圧値の範囲内において、上記コンバータ部の入力電圧値に応じて上記ＤＣリンク部の目標電圧値を設定することを特徴とする。

この請求項１に係るパワーコンディショナでは、コンバータ部とインバータ部の間に設けられるＤＣリンク部（ＤＣリンクコンデンサ）の目標電圧値は固定されずにコンバータ部の入力電圧値（つまり、発電部の出力電圧値）に応じて変動する。そのため、コンバータ部の入力電圧が低いときにはＤＣリンク部の目標電圧値を下げることができるので、たとえば、発電開始当初など発電部の出力電圧が上昇中である場合には早い段階でコンバータ部（パワーコンディショナ）を起動させることができる。また、コンバータ部（パワーコンディショナ）が動作中にコンバータ部の入力電圧が低下した場合であってもＤＣリンク部の目標電圧値を下げながらコンバータ部の動作を継続させることができる。したがって、この請求項１に係るパワーコンディショナによれば、ＤＣリンク電圧の目標値が固定されている従来のパワーコンディショナに比べて、動作入力電圧範囲の広いパワーコンディショナを提供することができる。

また、コンバータ部の入力電圧に応じてＤＣリンク部の目標電圧値を下げることができるので、コンバータ部に共振型スイッチング方式を採用する場合であってもＤＣリンク部の目標電圧を出力できるようになる。

しかも、この請求項１に係るパワーコンディショナは、ＤＣリンク部の目標電圧値を設定するにあたり、目標電圧の下限値が測定によって得られる系統電圧に基づいて設定されるので、設定される目標電圧値が系統電圧を下回ることがなく、系統には常に正常な電圧波形の電力を供給することができる。また、目標電圧の上限値は、ＤＣリンク部の耐圧値に基づいて設定されるので、目標電圧を高くした場合でもＤＣリンク部が破損等することがない。

本発明の請求項２に係るパワーコンディショナは、請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、上記ＤＣリンク部の目標電圧値が、上記コンバータ部の入力電圧値に比例して設定されることを特徴とする。

この請求項２に係るパワーコンディショナでは、たとえば、コンバータ部の入力電圧値が一時的に低下したような場合であっても、当該入力電圧値の低下に追随してＤＣリンク部の目標電圧値も低くなるので、ＤＣリンク部の目標電圧を出力することができ、常に効率のよい状態を維持することができる。

本発明の請求項３に係るパワーコンディショナは、請求項２に記載のパワーコンディショナにおいて、上記ＤＣリンク部の目標電圧値の時間当たりの変化量が所定値以下に制限されていることを特徴とする。

この請求項３に係るパワーコンディショナでは、ＤＣリンク部の目標電圧値の時間当たりの変化量が所定値以下に制限されているので、ＤＣリンク部の目標電圧値が急激に変化することがなく、発電部に急激な電流変化を生じさせることがない。したがって、たとえば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）のように急激な電流変動を嫌う発電部への適用に優れたパワーコンディショナを提供することができる。

本発明の請求項４に係るパワーコンディショナは、請求項１から３のいずれかに記載のパワーコンディショナにおいて、上記最小目標電圧値は、系統への供給が許容される電圧の最大値よりも低くなることが許容されていることを特徴とする。

すなわち、従来のパワーコンディショナでは、系統への供給が許容される電圧の最大値として、系統過電圧判定値を基にした電圧を設定しているが、実際に系統で使用される系統電圧はこの最大値を下回っていることが多い。請求項４に係るパワーコンディショナでは、ＤＣリンク電圧の目標電圧の最小目標電圧値として、この系統への供給が許容される電圧の最大値よりも低い値を設定することが許容されるので、コンバータ部の入力電圧（発電部の出力電圧）を低い領域まで有効に利用することができる。

本発明の請求項５に係るパワーコンディショナは、請求項１から４のいずれかに記載のパワーコンディショナにおいて、上記ＤＣリンク部の目標電圧としてあらかじめ設定される初期値が、系統過電圧判定値の最大値に所定のマージンを加算した値とされていることを特徴とする。

本発明によれば、ＤＣリンク部の目標電圧値が一定の値に固定されることなくコンバータ部の入力電圧値が低いときにはＤＣリンク部の目標電圧値を下げることができるので、ＤＣリンク部の目標電圧が固定されている従来のパワーコンディショナに比べて動作入力電圧範囲の広いパワーコンディショナを提供することができる。

また、コンバータ部の入力電圧に応じてＤＣリンク部の目標電圧値を下げることにより、共振型スイッチング方式を採用するコンバータ部を備えたパワーコンディショナであってもＤＣリンク部の目標電圧を出力することができる。

しかも、ＤＣリンク部の目標電圧の下限値が、測定によって得られる系統電圧に基づいて設定されるので、ＤＣリンク部の目標電圧が低く設定される場合であっても系統電圧を下回ることがないので、系統には常に正常な電圧波形の電力を供給することができる。

また、ＤＣリンク部の目標電圧値をコンバータ部の入力電圧値に比例して設定することにより、コンバータ部の入力電圧値の低下に追随してＤＣリンク部の目標電圧値も低くなるので、常に効率のよい状態を維持することができる。

また、ＤＣリンク電圧の目標電圧は、系統への供給が許容される電圧の最大値よりも低くなることが許容されているので、発電部の出力電圧を電圧が低い領域でも有効に利用することができる。

本発明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の一例を示す回路図である。 同パワーコンディショナにおいて、ＤＣリンク部の目標電圧として設定可能な電圧範囲を示す説明図である。 同パワーコンディショナにおけるコンバータ部の入力電圧とＤＣリンク部の目標電圧との関係の一例を示した説明図である。 従来のパワーコンディショナを示す説明図であって、図４（ａ）は同パワーコンディショナの概略構成を示す回路図であり、図４（ｂ）は、同パワーコンディショナにおけるコンバータ部の概略構成を示す回路図である。 パワーコンディショナにおけるコンバータ部の入力電圧と、ＤＣリンク部の電圧と、系統電圧との関係を示す説明図であり、図５（ａ）は、系統に正常な電圧波形の電力供給をしているときのこれらの関係を示しており、図５（ｂ）は、ＤＣリンク部の電圧が不足したときに系統に供給される電圧波形を示している。

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。
実施形態１

図１は、本発明に係るパワーコンディショナを適用した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、発電部となる燃料電池１と、この燃料電池１を商用電源系統（系統）２に連系させるためのパワーコンディショナ３と、発電部の補機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。

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、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。なお、燃料電池１の構造自体は公知であるので詳細な説明は省略し、以下においては、パワーコンディショナの構成を中心に説明する。

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、７０〜１８０Ｖの直流電圧が出力されるように構成されている。つまり、本実施形態では、出力電圧範囲が７０〜１８０Ｖの燃料電池１が用いられている。

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）で構成されている。たとえば、直流電圧（たとえば、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の起動中および起動準備中にはオン／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、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。

商用電源系統２は、商用電源８（たとえば、３相のＡＣ２００Ｖ）から供給される交流電力を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（いずれも図示せず）を備えており、パワーコンディショナ３を介して燃料電池１と系統連系されている。

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。

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に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで構成されており、燃料電池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（たとえば、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。

具体的には、このコンバータ部１０は、上述した従来のパワーコンディショナにおけるコンバータ部と同様のハード構成、つまり、Ｈブリッジ回路と直並列回路とを備えて構成されており（図４（ｂ）参照）、Ｈブリッジ回路は共振型スイッチング方式のスイッチング素子と２個の昇圧トランスが備えられ、これら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、直並列回路における直列・並列の回路切り替えによって１つの直流電圧出力の１〜２倍の範囲で昇圧されるように構成されている。つまり、このコンバータ部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倍の範囲内で制御できる）とによって昇圧するように構成されている。なお、このコンバータ部１０は、トランスを備えた絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、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。

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。

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。

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。

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。

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機能するものとされ、系統連系させないとき（系統の解列時）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。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）に非通電のときには接点をＢ側に接続するように構成されており、リレー回路に通電することによって接点がＡ側に接続される構成とされている。

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。

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。

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。

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としてコンバータ部１０とは別体として構成された絶縁型の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とは縁切りされている。

なお、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。

次に、このように構成された発電システムの動作について（具体的には、パワーコンディショナ３の動作を中心に）説明する。

パワーコンディショナ３は、燃料電池１の発電部５の化学反応が安定し、当該発電部５からの出力電圧（コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon in）が予め設定された動作開始入力電圧Ｖ１以上になったことを条件に起動するように、ＰＣ制御部１５のプログラムが設定されている。発電部５の化学反応が安定しているか否か、発電部５の出力電圧が動作開始入力電圧以上であるか否かの判断は、燃料電池１のＦＣ制御部７との通信によってＰＣ制御部１５が行う。

ここで、パワーコンディショナの動作開始入力電圧Ｖ１は、燃料電池１の出力電圧範囲に基づいて設定される。本実施形態では、発電部５の出力電圧範囲（発電部の定常運転時の出力範囲）が７０〜１８０Ｖであるので、この範囲内で動作開始入力電圧Ｖ１が設定される。具体的には、この動作開始入力電圧Ｖ１は、燃料電池１の出力電圧範囲の下限値に近い値に設定される（本実施形態では、動作開始入力電圧Ｖ１は１００Ｖに設定されている）。このようにパワーコンディショナの動作開始入力電圧Ｖ１を燃料電池１の出力電圧範囲の下限値近傍に設定することで、燃料電池１が発電運転（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を起動させることができる。なお、燃料電池１は、燃料電池１のＦＣ制御部７に発電運転の開始指令信号が与えられることを条件に、補機６を動作させて発電運転の起動準備を開始するように構成されている。

そして、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inが動作開始入力電圧Ｖ１以上になると、次に、ＰＣ制御部１５は、ＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２の設定を行う。この目標電圧値Ｖ２は、コンバータ部１０の起動開始当初は予め設定されている初期値を使用する。この初期値は、たとえば、従来のパワーコンディショナにおけるＤＣリンク電圧の目標値の決定と同様の手法で決定される。すなわち、本実施形態のように、商用電源系統２として３相ＡＣ２００Ｖが用いられる場合、ＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２の初期値は、たとえば、系統過電圧判定値の最大値である系統最大電圧（２４０√２Ｖ≒３４０Ｖ）にマージンα（たとえば５０Ｖ）を加算した値（３９０Ｖ）に設定される。

このように、本実施形態のパワーコンディショナは、コンバータ部１０の起動開始当初はＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２として予め設定された初期値を用いるが、パワーコンディショナの起動後（動作開始後）は、ＰＣ制御部１５が、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inの値に応じてＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２を設定する。つまり、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inの値に応じてＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２を可変させるように構成されている。

具体的には、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２は、測定によって得られる系統電圧とＤＣリンク部１２の部品耐圧値とに基づいて設定される電圧範囲内で可変するように構成される。図２は、この電圧範囲の一例を示す説明図である。図２の縦軸はコンバータ部１０の出力電圧Ｖcon out（ＤＣリンク部１２の入力電圧）を示し、横軸はコンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inを示している。

この図２に示すように、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２として設定可能な電圧範囲の下限値（最小目標電圧値Ｖ２min）は、ＤＣリンク部１２の電圧が系統への電力供給にあたり不足することがないように、測定によって得られる系統電圧にマージンαを加算した値とされる。つまり、最小目標電圧値Ｖ２minは、系統最大電圧のような仮定の数値に基づいて設定するのではなく、実際に系統で使用される系統電圧を測定し、その測定値にマージンαを加算することで、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２が系統電圧よりも高くなるようにしている。つまり、本実施形態のパワーコンディショナでは、系統への供給が許容される電圧の最大値である系統最大電圧の電圧値を出力するために必要な電圧よりもＤＣリンク部１２の目標電圧を低く設定することが許容されている。

ここで、最小目標電圧値Ｖ２minを決定するために用いる系統電圧の測定値としては、系統電圧の実効値、平均値またはピーク電圧値のいずれを用いてもよい。系統電圧のピーク電圧値は、系統電圧の実効値×√２または系統電圧の平均値×π／２として求めることができる。また、マージンαを加算する方法としては、測定値に一定の定数を乗じる方法と測定値に一定の数値を上乗せする方法などがある。

これに対して、ＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２の最大値（最大目標電圧値Ｖ２max）は、ＤＣリンク部１２の部品耐圧値（具体的には、ＤＣリンクコンデンサ１２ａの耐圧値、本実施形態では４５０Ｖ）を超えない値とされる。すなわち、ＤＣリンクコンデンサ１２ａの耐圧値を超えてＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２を設定するとＤＣリンク部１２の破損を招くからである。

ところで、本実施形態では、コンバータ部１０は、トランスの巻数比と直並列回路の回路切替（直列（２倍）・並列（１倍）の切り替え）とによって入力電圧Ｖcon inを昇圧するように構成されているので、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２として設定できる電圧は、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inとの関係でも制限される。つまり、図２に示すように、「入力電圧Ｖcon in×トランスの巻数比×２」を超えて大きな値を設定することはできず、また、「入力電圧Ｖcon in×トランスの巻数比×１」を超えて小さな値を設定することもできない。その結果、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２として設定可能な電圧範囲は、図２にハッチングを付した範囲Ｚとなる。

本実施形態のパワーコンディショナは、コンバータ部１０の起動後は、上記電圧範囲Ｚの範囲内において、コンバータ部１０の入力電圧値Ｖcon inに応じてＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２を設定するが、その設定は、たとえば、図３に示すように、ＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２がコンバータ部１０の入力電圧値Ｖcon inに比例して増加するように設定される。

具体的には、この制御においては、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inが、上記動作開始入力電圧Ｖ１（１００Ｖ）以上あるときは、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２として上記初期値（３９０Ｖ）を維持する。これに対し、入力電圧Ｖcon inが動作開始入力電圧Ｖ１未満となった場合、従来のパワーコンディショナはその時点でパワーコンディショナの動作を停止（系統と解列）させていたが、本実施形態のパワーコンディショナでは、入力電圧Ｖcon inが動作開始入力電圧Ｖ１未満となっても、上記最小目標電圧値Ｖ２minを得るために必要な電圧値以上の入力電圧Ｖcon inが得られていれば、入力電圧Ｖcon inに比例した電圧値をＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２として、コンバータ部１０に入力電圧Ｖcon inの昇圧動作を行わせる。なお、その際の目標電圧Ｖ２は、たとえば、Ｖ２＝Ａ×Ｖcon in＋Ｂ（Ａ，Ｂは定数）として設定される。

つまり、本実施形態のパワーコンディショナでは、コンバータ部１０の起動が開始された後は、たとえ、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inが低下しても、上記最小目標電圧値Ｖ２min未満にならない限り、ＰＣ制御部１５は、入力電圧Ｖcon inに応じてＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２を下げながらパワーコンディショナの動作を継続させて、商用電源系統２に対して電力の供給を継続するように構成されている。

そのため、本実施形態のパワーコンディショナによれば、ＤＣリンク部１２の目標電圧が固定されている従来のパワーコンディショナに比べて、動作入力電圧範囲（パワーコンディショナが動作可能なコンバータ部１０の入力電圧範囲）の広いパワーコンディショナを提供することができる。そして、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inが低下した場合には、それに応じてＤＣリンク部１２の目標電圧値Ｖ２を下げるので、コンバータ部１０に共振型スイッチング方式のＨブリッジ回路を採用する場合であってもＤＣリンク部１２に目標電圧Ｖ２を供給することができる。しかも、ＤＣリンク部１２の目標電圧は、実際の系統電圧を下回ることがないので、商用電源系統２には常に正常な電流波形の電力を供給することができる。

なお、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２の設定方法（制御方法）は上述した図２に示す電圧範囲Ｚの範囲内であれば適宜設計変更可能である。たとえば、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２を一定周期（たとえば、１０ｍ秒間隔）で設定（再設定）するように構成したり、目標電圧Ｖ２の値の時間当たりの変化量を所定値以下に制限することができる。具体的には、１０ｍ秒間隔でＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２を設定する場合に、現在設定中の目標電圧と新たに設定する目標電圧との差が所定値Ｘ（たとえば３Ｖ、具体的には、燃料電池１で許容される電流変化に応じて許容値を超えないように設定する）未満となるようにするなど、燃料電池１の発電部５に急激な電流変化が生じないようにすることができる。

また、上述した図３では、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２は、３９０Ｖを上限とした場合を示したが、最大目標電圧値Ｖ２max以内であれば適宜その上限を変更することもできる。

また、上述した実施形態では、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２の設定にあたり、最小目標電圧値Ｖ２minを設定して目標電圧Ｖ２を制御する場合を示したが、この最小目標電圧値Ｖ２minの設定は、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inが、パワーコンディショナにおいて商用電源系統２への供給が許容される電圧の最大値（系統最大電圧）を出力するのに必要な電圧以下となった場合に設定するように構成することもできる。つまり、パワーコンディショナが系統最大電圧を出力できる場合には、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２の設定にあたり系統電圧以外に基づいて設定される目標電圧Ｖ２を用い、系統最大電圧を出力できなくなるまでにコンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inが低下したときに系統電圧に基づいて目標電圧Ｖ２を設定するように構成することもできる。たとえば、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inに基づいてパワーコンディショナが商用電源系統２への供給が許容される電圧の最大値（系統最大電圧）を出力することができる場合は、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２として固定値を用い、系統最大電圧の出力ができない場合にのみ系統電圧に基づいて目標電圧Ｖ２を設定するように構成することもできる。なお、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inがパワーコンディショナにおいて商用電源系統２への供給が許容される電圧の最大値（系統最大電圧）を出力するのに必要な電圧以下である場合、その時に検出される系統電圧に基づいてＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２を設定するが、この場合、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２は、その時に検出される系統電圧以上の電圧をインバータ部１１が生成するために必要な電圧以上であれば、必ずしもコンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inに比例させる必要はない。

なお、このパワーコンディショナにおいては、燃料電池１の補機６への電力供給は以下のようにして行われる。

すなわち、燃料電池１が発電運転（定常運転）を行っていない場合（燃料電池１が停止中または起動準備中の場合）には、補機６は商用電源系統２側から電力の供給を受けるように構成されている。この場合、ＰＣ制御部１５は、スイッチ回路部１４の接点をＢ側に接続し、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に与えられるようにし、補機電源部４にはＤＣリンク部１２を介して電力が供給される。

これに対して、燃料電池１が発電運転（定常運転）の状態にある場合には、補機６にはコンバータ部１０から出力される電力、すなわち、発電部５で発電された電力が与えられるように構成されている。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、この場合、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。

実施形態２
次に、このパワーコンディショナの他の実施形態について説明する。この実施形態は、上述した実施形態１のパワーコンディショナにおいて、補機６への電力供給の制御について改変している。

すなわち、この実施形態では、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inの値が所定値以上であるときは、ＤＣリンク部１２からインバータ部１１と電力供給手段に電力を供給するとともに、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inの値が上記所定値未満であるときには、ＤＣリンク部１２から補機電源部４（上記電力供給手段）にのみ電力を供給するように構成している。

具体的には、この実施形態に示すパワーコンディショナにおいては、コンバータ部１０が動作中の状態において、ＤＣリンク部１２の電圧が系統電圧に上記マージンαを加算した電圧値を生成するのに必要とする入力電圧Ｖcon inの電圧値を上記所定値ＹとしてＰＣ制御部１５に記憶させておき、ＰＣ制御部１５は、入力電圧Ｖcon inの値がこの所定値Ｙ以上であるときは、スイッチ回路部１４の接点をＡ側に維持して、ＤＣリンク部１２からインバータ部１１と補機用電源部４に電力が供給されるようにする。一方、コンバータ部１０の入力電圧Ｖcon inの値が上記所定値Ｙ未満であるときには、コンバータ部１０の動作は継続させながら、インバータ部１１を停止させるとともにスイッチ回路部１４の接点をＢ側に切り替えて系統との連系を解列する。つまり、コンバータ部１０の出力電力が補機電源部４にのみ供給されるようにする。

このように、本実施形態では、補機電源部４にのみコンバータ部１０の出力電力を供給する場合には、ＤＣリンク部１２の目標電圧Ｖ２を実施形態１のときよりもさらに下げてパワーコンディショナの動作を継続させることができるので、コンバータ部１０への入力電圧Ｖcon inを低い領域まで有効に利用することができる。また、その際、インバータ部１１は停止させているので、インバータ部１１による電力消費がなく、省電力でパワーコンディショナを動作させることができる。

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。

たとえば、上述した実施形態では、パワーコンディショナの動作開始入力電圧Ｖ１として、従来のパワーコンディショナにおける動作開始入力電圧と同じ値を用いたが、動作開始入力電圧の値を低く設定し、パワーコンディショナの立ち上がりを早めることもできる。

また、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。また、燃料電池以外の発電部（たとえば、太陽電池など）にも適用することができる。

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。

また、上述した実施形態では、ＰＣ制御部１５が燃料電池１の出力電圧やスタック温度の監視を行う場合を示したが、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をすべてＰＣ制御部１５で行うように構成したりすることもできる。

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（電力供給手段）
５ 発電部（燃料電池スタック）
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
Ｖ２ ＤＣリンク部の目標電圧値
Ｖ２min 最小目標電圧値
Ｖ２max 最大目標電圧値

Claims (5)

1. 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、
   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において、
   パワーコンディショナの動作開始入力電圧が前記発電部の出力電圧範囲内に設定され、
   制御部は、測定によって得られる系統電圧に基づいて前記インバータ部のＤＣリンク部の最小目標電圧値を設定するとともに、前記ＤＣリンク部の耐圧値に基づいて設定される許容電圧値を前記ＤＣリンク部の最大目標電圧値として設定し、
   前記コンバータ部の入力電圧が前記動作開始入力電圧以上になると、前記ＤＣリンク部の目標電圧としてあらかじめ設定された初期値を用いてパワーコンディショナを起動し、その後は、前記コンバータ部の入力電圧が前記動作開始入力電圧未満となっても最小目標電圧を得るために必要な電圧値以上の入力電圧が得られていれば、前記最小目標電圧値から最大目標電圧値の範囲内において、前記コンバータ部の入力電圧値に応じて前記ＤＣリンク部の目標電圧値を設定する
   ことを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記ＤＣリンク部の目標電圧値が、前記コンバータ部の入力電圧値に比例して設定されることを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記ＤＣリンク部の目標電圧値の時間当たりの変化量が所定値以下に制限されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーコンディショナ。
4. 前記最小目標電圧値は、系統への供給が許容される電圧の最大値よりも低くなることが許容されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパワーコンディショナ。
5. 前記ＤＣリンク部の目標電圧としてあらかじめ設定される初期値が、系統過電圧判定値の最大値に所定のマージンを加算した値とされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパワーコンディショナ。

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