JP2004039438A - 燃料電池発電プラントの地絡検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁トランスを介して電源系統に接続する燃料電池発電プラントにおいて、直流補機や交流補機などが地絡状態になったことを確実に検出できるっようにする。
【解決手段】電源系統２１に絶縁トランス２２を介して接続する構成で、ＬＰＦ２３、インバータ装置２４、昇圧チョッパ回路２６などを介して燃料電池本体２８画接続されている。筐体３３に燃料電池本体２８の負極端子を接地インピーダンス３４を介して接続する。補機３１、３２が地絡事故を起こすと、接地インピーダンス３４に地絡電流が流れ、その端子電圧を電圧検出回路３５、比較回路３６、地絡判定回路３７により検出して判定する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁トランスを介して電源系統に接続される構成の燃料電池発電プラントの地絡検出装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応により、燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、これによって高い発電効率を得ることができるものである。この燃料電池を用いた発電装置は、内部に燃焼サイクルを持たないのでＳＯｘ、ＮＯｘの排出が少なく、環境への影響が少ないといった利点がある。そのため新しい発電装置として現在盛んに開発が進められている。
【０００３】
図６は従来構成の燃料電池発電プラントの電気的構成を示している。この燃料電池発電プラントは絶縁トランス１の一次側端子を電源系統２に接続する構成のものであり、その二次側端子は零相変流器を基本とした漏電遮断器３およびローパスフィルタ４を介してインバータ装置５に接続されている。ローパスフィルタ４は、コンデンサ４ａおよびリアクトル４ｂ，４ｃから構成されている。
【０００４】
インバータ装置５は、４個のスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）５ａ〜５ｄをフルブリッジ接続したもので、その直流端子側には第１の平滑コンデンサ６、昇圧チョッパ回路７の高圧側端子が接続されている。昇圧チョッパ回路７は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子７ａ，リアクトル７ｂ及びダイオード７ｃからなり、その低圧側端子には、第２の平滑コンデンサ８が接続されると共に燃料電池本体９が接続されている。また、第１の平滑コンデンサ６の両端子間には降圧チョッパ回路１０の高圧側端子が接続され、その降圧チョッパ回路１０は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子１０ａ，ダイオード１０ｂ及びリアクトル１０ｃなどから構成されている。
【０００５】
燃料系，水処理系，空気系などのプラント制御に必要な交流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第１の燃料電池発電プラント制御補機（以下、交流補機と称す）１２が漏電遮断器３の低圧側に接続されている。また、直流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第２の燃料電池発電プラント制御補機（以下、直流補機と称す）１３が降圧チョッパ回路１０の低圧側端子に接続されている。
【０００６】
この燃料電池発電プラントの装置が収容されているプラント本体筐体１４は、接地母線Ｅに接続されており、燃料電池本体９の電位を固定するために、筐体接地線１５を設けて燃料電池本体９の負極端子側に接続している。これは、この燃料電池発電プラントの構成において、電源系統２側との連系点で絶縁トランス１を用いる構成としているからである。
【０００７】
燃料電池発電プラントにおいては、上述のように、水処理系を備えた構成となっているので、特にプラント内部で発生する地絡事故を検出することは感電防止の観点から、安全上で重要な点である。さらに、プラント内部では、可燃ガスなどの燃料処理系も有するため、地絡事故に起因して漏電による加熱などの事故を招く恐れもあるので、この点からも地絡検出は重要な要素となっている。
【０００８】
ところで、上記した構成においては、次のような地絡事故の発生が考えられる。すなわち、第１に、燃料電池本体９において発生する地絡事故がある。例えば図７に示すように、燃料電池本体９のＡ地点において地絡事故を発生した場合に、燃料電池本体９が発電状態にあるときには、地絡電流は、Ａ点→プラント本体筐体１４→接地線１５→燃料電池本体９の負極端子→Ａ点という閉回路を形成して流れるようになる。
【０００９】
このとき、交流側に設けている漏電遮断器３には漏電電流が流れないので、地絡電流から装置を保護することができない。さらに、地絡ポイントＡが、燃料電池本体９の正極付近である場合には、電圧が高いことでかなり大きな地絡電流が流れてしまう可能性がある。
【００１０】
第２に、複数の直流補機１３のいずれかにおいて発生する地絡事故がある。この場合には、図８に示すように、地絡電流は次の経路で流れる。第３の平滑コンデンサ１１の正極端子→直流補機１３→Ｂ点→プラント本体筐体１４（図中、矢印ａで示す経路）→接地線１５（同、矢印ｂ）→第３の平滑コンデンサ１１の負極端子（同、矢印ｃ、ｄ）という閉回路である。そして、この場合においても交流側に設けている漏電遮断器３に漏電電流が流れないので、保護することができない。
【００１１】
第３に、複数の交流補機１２のいずれかにおいて発生する地絡事故がある。この場合には、図９に示すように、地絡電流は負の半サイクルと正の半サイクルとでそれぞれ次の経路で流れる。
【００１２】
負の半サイクルでは、絶縁トランス１の２次側端子１ａ→漏電遮断器３（図中、破線矢印ａｍで示す経路）→交流補機１２→Ｃ点→プラント本体筐体１４（同、破線矢印ｂｍ）→接地線１５→インバータ５のスイッチング素子５ｄの逆並列ダイオード（同、破線矢印ｃｍ）→ローパスフィルタ４のリアクトル４ｃ→漏電遮断器３→絶縁トランス１の２次側端子１ｂ（同、破線矢印ｅｍ）という閉回路で地絡電流が流れる。
【００１３】
また、正の半サイクルでは、絶縁トランス１の２次側端子１ｂ→漏電遮断器３（図中、実線矢印ａｐで示す経路）→交流補機１２→Ｃ点→プラント本体筐体１４（同、実線矢印ｂｐ）→接地線１５→インバータ５のスイッチング素子５ｂの逆並列ダイオード（同、実線矢印ｃｐ）→ローパスフィルタ４のリアクトル４ｂ（同、実線矢印ｄｐ）→漏電遮断器３→絶縁トランス１の２次側端子１ａ（同、実線矢印ｅｐ）、という閉回路で地絡電流が流れる。
【００１４】
このとき、漏電遮断器３には地絡電流が流れるが、上述したような閉ループで２相に逆方向に流れるので、地絡電流の総和は基本的には零になり、この結果、零相変流器を基本とした漏電遮断器３では地絡状態を検出することができなくなり、装置を地絡電流から保護することができない。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁トランスを介した状態で電源系統に接続する構成の燃料電池発電プラントにおいて、地絡事故が発生した場合にこれを確実に検出することができるようにした燃料電池発電プラントの地絡検出装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、電源系統に一次側が接続された絶縁トランスと、スイッチング素子をフルブリッジ接続してなり交流端子がローパスフィルタを介して前記絶縁トランスの二次側に接続されるインバータ装置と、このインバータ装置の直流端子側に接続される第１の平滑コンデンサと、高圧側端子が前記インバータ装置の直流端子間に接続された昇圧チョッパ回路と、この昇圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第２の平滑コンデンサおよび燃料電池本体と、高圧側端子が前記第１の平滑コンデンサの端子間に接続される降圧チョッパ回路と、この降圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第３の平滑コンデンサと、交流電源で駆動されプラント制御に必要な第１の燃料電池発電プラント補機と、直流電源で駆動されプラント制御に必要な第２の燃料電池発電プラント補機とを筐体内に備えた構成の燃料電池発電プラントを対象とし、前記筐体を接地母線に接続すると共に、前記燃料電池本体の負極を所定の接地インピーダンスを介して前記筐体に接続し、前記接地インピーダンスの端子電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路により検出される前記接地インピーダンスの端子電圧を所定の電圧レベルと比較する比較回路と、この比較回路の比較結果に基づいて地絡判定を行なう地絡判定回路とを設けた構成としたところに特徴を有する。
【００１７】
上記構成を採用することにより、燃料電池本体や交流駆動あるいは直流駆動の燃料電池発電プラント制御補機群に地絡事故が発生した場合に、地絡電流が流れる経路として、筐体および接地母線をを含むように設定し、その経路に接地インピーダンスを介在させる構成としているので、地絡電流により接地インピーダンスの両端に電圧が発生する。この電圧を電圧検出回路により検出して比較回路により所定の電圧レベルと比較し、その比較結果に基づいて地絡判定回路により地絡判定を行なうので、絶縁トランスを介して電源系統に接続する構成の燃料電池発電プラントを構成している場合でも確実に地絡事故を検出することができるようになる。
【００１８】
請求項２に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記発明において、前記電圧検出回路が検出する前記接地インピーダンスの端子電圧を整流する整流回路と、その整流出力を平均化して前記比較回路に出力する低域通過フィルタ回路とを設ける構成としたところに特徴を有する。
【００１９】
上記構成によれば、電圧検出回路により検出する電圧が地絡電流の方向により正の値あるいは負の値となるのに対して、整流回路により整流すると共に、低域通過フィルタ回路により整流出力を平均化した出力として比較回路に入力するようにしたことで、所定の電圧レベルの設定を正の値を１個設定するだけで確実に地絡事故を検出することができるようになる。
【００２０】
請求項３に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記各発明において、前記地絡判定回路を、前記燃料電池本体による発電動作中に前記地絡判定を行なった場合に第１の地絡状態を検出したときには、前記インバータ装置，昇圧チョッパ回路および降圧チョッパ回路を停止制御すると共に、燃料電池発電プラントを停止させる制御を行い、その停止状態において前記地絡判定を行なった場合に第２の地絡状態を検出し、前記補機の地絡を判定するように構成したところに特徴を有する。
【００２１】
上記構成によれば、前述のようにして地絡事故を検出した場合に、燃料電池発電プラントの運転中である場合には、その地絡事故を第１の地絡状態として判定し、このとき、インバータ装置、昇圧チョッパ回路および降圧チョッパ回路の運転を停止するように制御する。これにより、直流電源で駆動される燃料電池発電プラント制御補機群は、駆動電源がなくなることから地絡事故の有無に関わらず停止状態に移行する。このとき、地絡事故が直流電源で駆動される補機群で発生している場合には、地絡電流もなくなることから地絡判定回路による地絡状態の検出もなくなる。
【００２２】
一方、地絡事故が交流電源で駆動される補機群で発生している場合には、交流電源が電源系統側から供給されるので、地絡状態が継続することになる。この結果、地絡電流が継続して検出されることになるので、交流電源で駆動される補機群に地絡事故が発生していることを第２の地絡状態として特定することができるようになる。
【００２３】
以上の結果から、第１および第２の地絡状態が共に検出される場合には、交流駆動の補機群に地絡故障があることが特定でき、第１の地絡状態のみが検出される場合には、直流駆動の補機群に地絡故障があることを判定することができるようになる。
【００２４】
請求項４に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記各発明において、前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機についてオンオフ制御するためのスイッチを、前記降圧チョッパ回路の負極側に挿入する構成としたところに特徴を有する。
【００２５】
これにより、地絡事故が発生していない状態では、オンオフ制御用のスイッチを駆動制御することで燃料電池発電プラント補機について駆動制御を行うことができ、しかも、これらの補機が地絡事故を起こしたときには、オンオフ制御用のスイッチに無関係に地絡電流が流れるようになるので、地絡判定の要素としてオンオフ制御用のスイッチ状態を考慮に入れないで簡単に判定することができるようになる。
【００２６】
請求項５に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、請求項１ないし３の発明において、前記燃料電池発電プラントの停止中に、前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機について個別に駆動制御可能なものを順次短期間だけオンオフ制御することにより前記地絡判定回路により個別に地絡の有無を判定するように構成したところに特徴を有する。
【００２７】
上記構成によれば、燃料電池発電プラントの停止中に、直流駆動および交流駆動の各補機に対して、順次一定時間だけオンさせるように制御することで、そのとき地絡電流が流れるか否かを検出することにより、地絡事故が発生している場合には、その地絡事故が発生している補機を特定することができるようになる。したがって、稼動時もしくは停止時などに、このような地絡事故の検出を行なうための制御を実施すれば、未然に地絡事故に起因した悪影響を防止することができるようになる。
【００２８】
請求項６に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置は、上記各発明において、前記接地インピーダンスを、常時接続する第１の接地インピーダンスと、スイッチのオンオフにより接続可能な第２の接地インピーダンスとの並列回路により構成したところに特徴を有する。
【００２９】
上記構成によれば、接地インピーダンスのインピーダンス値として、地絡事故を感度良く検出するためには低インピーダンスとして地絡電流を大きくすることで迅速且つ確実に検出することができるが、地絡事故発生時に大きい地絡電流が継続的に流れると、燃料電池発電プラントの稼動が不能となる恐れが生ずるので、この観点からは接地インピーダンスを高く設定しておくことが望ましい。これらの両者の特徴のそれぞれ有利となる部分を得るために、第１の接地インピーダンスを単独で使用したり第２の接地インピーダンスを並列に接続したりすることで接地インピーダンスを変えて行なうことができるようになる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。
図１は本発明の燃料電池発電プラントの電気的構成を示すもので、電源系統２１に対して絶縁トランス２２の１次側端子が接続されている。絶縁トランス２２の２次側端子はローパスフィルタ２３を介してインバータ装置２４の交流端子側にに接続されている。
【００３１】
ローパスフィルタ２３は、絶縁トランス２２の２次側端子間に接続されるコンデンサ２３ａと、インバータ装置２４側につながる各ラインに介在されるリアクトル２３ｂ，２３ｃから構成されている。インバータ装置２４は、ＩＧＢＴなどに代表される４つのスイッチング素子２４ａ〜２４ｄをフルブリッジ接続してなるもので、各スイッチング素子２４ａ〜２４ｄは、図示しないインバータ制御回路から制御信号が与えられるように構成されている。
【００３２】
インバータ装置２４の直流端子側には第１の平滑コンデンサ２５が接続されると共に、昇圧チョッパ回路２６の高圧側端子が接続されている。昇圧チョッパ回路２６は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子２６ａと、リアクトル２６ｂと、ダイオード２６ｃとから構成されており、スイッチング素子２６ａは図示しない制御回路により駆動制御され昇圧動作を行う。
【００３３】
昇圧チョッパ回路２６の低圧側端子は第２の平滑コンデンサ２７に接続されると共に、燃料電池本体２８に接続されている。燃料電池本体２８は、燃料極および空気極を備え、水素と酸素とを電気化学反応させることで電気エネルギーを生成すると共に、熱エネルギーを生成する。電気エネルギーは、直流出力としてインバータ装置２４により交流出力に変換されて電源系統２１側に供給される。熱エネルギーは、冷却水を循環すると共に熱交換器を配設することで回収して利用することができる。
【００３４】
インバータ装置２４の直流端子側は、降圧チョッパ回路２９の高圧側端子に接続されている。降圧チョッパ回路２９は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子２９ａと、ダイオード２９ｂと、リアクトル２９ｃから構成されており、スイッチング素子２９ａを駆動制御することで降圧動作を行う。降圧チョッパ回路２９の低圧側端子には第３の平滑コンデンサ３０が接続されている。
【００３５】
燃料系，水処理系，空気系などのプラント制御に必要な交流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第１の燃料電池発電プラント制御補機（以下、交流補機と称す）３１が絶縁トランス２２の２次側端子に接続されている。また、直流電源で駆動される遮断弁，比例弁，調整弁や、ブロワ，ポンプ，電気ヒータ，温度検出器，流量計などの複数の第２の燃料電池発電プラント制御補機（以下、直流補機と称す）３２が降圧チョッパ回路２９の低圧側端子に接続されている。
【００３６】
この燃料電池発電プラントの装置が収容されているプラント本体の筐体３３は、接地母線Ｅに接続されている。そして、燃料電池本体２８の電位を固定するために、負極端子側を接地インピーダンス３４を介して筐体３３に接続している。これは、この燃料電池発電プラントの構成において、電源系統２１側との連系点で絶縁トランス２２を用いる構成としているからである。また、地絡などの事故が発生していない状態では、接地インピーダンス３４に電流は流れないようになっている。
【００３７】
電圧検出回路３５は、接地インピーダンス３４の端子間電圧を検出するように設けられており、その検出電圧ＶＥを比較回路３６に出力する。比較回路３６は、比較規準電圧としてＶａ，Ｖｂ（ただし、Ｖａ＞０＞Ｖｂ）が与えられる。この場合比較規準電圧ＶａとＶｂとは絶対値が同じで符号が異なるように設定されたものである。比較回路３６による比較結果は地絡判定回路３７に出力する。地絡判定回路３７は、比較回路３６の比較結果に基づいて地絡状態を判定して判定信号ＳＥを出力する。
【００３８】
この場合、比較回路３６は、検出電圧ＶＥが比較基準電圧Ｖａよりも大きいか（ＶＥ＞Ｖａ）、検出電圧ＶＥが比較基準電圧Ｖｂより小さいか（ＶＥ＜Ｖｂ）を比較し、地絡判定回路３７は、いずれかの条件に該当するときに地絡状態にあることを判定するようになっている。
【００３９】
次に上記構成の作用について説明する。地絡事故として、燃料電池本体２８（図中、Ａ点）や、直流補機３２（図中、Ｂ点）あるいは交流補機３１（図中、Ｃ点）において発生した場合に、前述したように、地絡電流ＩＥは筐体３３及び接地インピーダンス３４を経由するように閉回路を形成するので、その端子間電圧ＶＥを電圧検出回路３５により検出することで地絡電流を検出できる。
【００４０】
このとき、接地インピーダンス３４のインピーダンス値をＺＥとすると、地絡電流ＩＥは、次式のように表すことができる。
【００４１】
ＩＥ＝ＶＥ／ＺＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
つまり、地絡電流ＩＥの大きさは、接地インピーダンス３４の両端の電圧ＶＥを検出すれば算出することができる。地絡電流の保護レベルをＩＥ０とすると、これに対応する電圧Ｖａ，Ｖｂは、次式のように示される。
【００４２】
Ｖａ＝　ＩＥ０×ＺＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
Ｖｂ＝−ＩＥ０×ＺＥ　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）
したがって、地絡判定回路３７においては、比較回路３６の比較結果から、
ＶＥ＞Ｖａか、Ｖｂ＞ＶＥかのいずれかに合致するときに地絡状態を判定すれば確実に地絡検出を行うことができるようになる。
【００４３】
なお、上述の場合に、検出電圧ＶＥは地絡電流ＩＥの流れる方向によって極性が反転するので、これを考慮してＶａ，Ｖｂを設定するようにしたものである。したがって、ＶａとＶｂとは絶対値において等しい値となっている。
【００４４】
このような本実施形態によれば、接地インピーダンス３４を筐体３３との間に介在させた状態で接地母線Ｅに接続しているので、地絡事故が発生したときに、接地インピーダンス３４を含んだ閉回路を形成して地絡電流が流れるようにすることができ、これによって、接地インピーダンス３４の端子電圧ＶＥを電圧検出回路３５で検出し、比較回路３６で比較基準電圧Ｖａ，Ｖｂと比較することにより、地絡判定回路３７において確実に地絡状態を判定することができるようになる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、地絡判定を行うための構成である。この実施形態においては、第１の実施形態における比較回路３６に代えて、整流回路３８およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）３９を介在させると共に比較回路４０を設ける構成としている。
【００４６】
上記構成によれば、電圧検出回路３５にて検出した接地インピーダンス３４の端子電圧ＶＥを整流回路３８において整流すると共に、ＬＰＦ３９にて平均化することで、地絡電流ＩＥの流れる方向に依存しない実効的な電圧信号を得ることができ、これを比較回路４０にて比較基準電圧Ｖａと比較することで地絡状態を検出するようにしている。
【００４７】
このような第２の実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、比較回路４０における比較基準電圧をＶａだけにすることができ、これによってノイズなどの悪影響を抑制して確実な検出動作を行うことができるようになる。
【００４８】
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態を示すもので、この実施形態においては、第１の実施形態と同じ構成を採用し、且つ地絡状態の検出処理を燃料電池発電プラントの運転制御と関連づけて行なうことで、地絡状態の発生箇所を絞り込むことができるようにしたものである。
【００４９】
図示しない制御装置は、インバータ装置２４、昇圧チョッパ回路２６および降圧チョッパ回路２９の駆動制御を行うと共に、交流補機３１および直流補機３２の駆動制御についても実施しているものである。この制御装置は、地絡判定回路３７の判定出力ＳＥに基づいて、図３に示すフローチャートにしたがって地絡判定プログラムを実施している。
【００５０】
まず、燃料電池発電プラントが運転状態にあるときにおいて、第１の実施形態と同様にして地絡状態の判定を行なっている。そして、接地インピーダンス３４の端子電圧ＶＥが所定レベルを超えることで、比較回路３６にて比較基準電圧Ｖａを超えるかもしくはＶｂを下回ることが判断され、地絡判定回路３７により地絡状態が判定されると、制御装置は、これを第１の地絡状態として受け取り（ステップＳ１で「ＹＥＳ」と判断）、交流補機３１もしくは直流補機３２のいずれかが地絡状態になったことを認識する。
【００５１】
そして、制御装置は、次にインバータ装置２４、昇圧チョッパ回路２６、降圧チョッパ回路２９を停止状態に移行させる制御を行う（ステップＳ２）。これにより、燃料電池発電プラントの運転は実質的に停止されることになる。この状態では、降圧チョッパ回路２９が停止されているから、直流補機３２は駆動電源が与えられない。地絡状態の発生が直流補機３２で発生している場合には、上述のように降圧チョッパ回路２９が停止されることから、地絡電流ＩＥも流れなくなる。したがって、この状態では、地絡判定回路３７では地絡状態が検出されなくなる。
【００５２】
一方、交流補機３１においては、インバータ装置２４などが停止されても、電源系統２１側から給電を受けることができるので、駆動状態が継続する。このとき、地絡が交流補機３１で発生している場合には、この状態においても地絡電流ＩＥがゼロになることはないので、接地インピーダンス３４に地絡電流ＩＥが継続して流れるため、地絡判定回路３７は地絡状態を判定することになる。
【００５３】
したがって、制御装置は、このようにステップＳ２にて実質的に燃料電池発電プラントの運転を停止した後に検出する地絡状態を第２の地絡状態として受け取るようにしており、第２の地絡状態が検出された場合には（ステップＳ３で「ＹＥＳ」と判断）、交流補機３２に地絡状態が発生していることを判定し（ステップＳ４）、第２の地絡状態が検出されない場合には（同、「ＮＯ」と判断）、直流補機３１に地絡状態が発生していることを判定する（ステップＳ５）。
【００５４】
このような第３の実施形態によれば、地絡状態の発生箇所を交流補機３２か直流補機３１かを判定することができるので、これら交流補機３２や直流補機３１を多数使用した構成の場合に、地絡箇所の特定をするのに要する時間を短縮することができるようになる。ひいては、復帰に要する時間を短くして効率の良い運転に貢献することができるようになる。
【００５５】
（第４の実施形態）
図４は本発明の第４の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、直流補機３２のオンオフ制御をするためのスイッチ４１を直流補機３２の負極端子側に介在させる構成としたところである。第１の実施形態においては、特にオンオフ制御用のスイッチがどこに設けられているかを明示しておらず、直流補機３２をオンオフ制御することができればどこに設ける構成としても良いものであったが、この実施形態では、負極端子側にスイッチ４１を設けることでオンオフ制御のスイッチ４１の状態に無関係に地絡状態を検出することができるようになる。
【００５６】
（第５の実施形態）
図５は本発明の第５の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、接地インピーダンス３４部分の構成である。すなわち、この実施形態においては、接地インピーダンス３４を第１の接地インピーダンスとし、これに並列に第２の接地インピーダンス４２とオンオフ用のスイッチ４３との直列回路を接続して接地インピーダンスを構成している。
【００５７】
この構成において、例えば、第１の接地インピーダンス３４のインピーダンス値は比較的大きい値に設定され、第２の接地インピーダンス４２のインピーダンスは比較的小さい値に設定されるようになっている。
【００５８】
燃料電池発電プラントが正常に動作している場合には、接地インピーダンス３４、４２のいずれにも電流は流れないので、そのインピーダンス値には依存しないが、ひとたび直流補機３２のいずれかに地絡状態が発生すると、接地インピーダンス３４や４２に地絡電流ＩＥが流れるようになるが、このときのインピーダンス値が小さいと地絡電流ＩＥが大となり端子電圧ＶＥが大きくなるので検出精度は高いが、その分パワーのロスが大きくなる。また、インピーダンスが高いとその逆で、地絡電流ＩＥを制限することはできるが、検出精度が低下する。
【００５９】
この実施形態においては、このような点を考慮して、正常な状態で地絡状態が検出されるまでの間は接地インピーダンスが小さくして検出感度を高めるようにし、地絡状態を判定したら地絡電流を低減させる目的で接地インピーダンスを大きくするようにスイッチ４３を切換え制御するように構成されている。これにより、地絡の検出精度を低下させずに地絡が発生したときには地絡電流を極力低減して損失を少なくすることができるようになる。
【００６０】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
第３ないし第５の実施形態は、第１の実施形態を基準とするばかりでなく、だい２ないし第４の実施形態を基準として利用することもできる。
【００６１】
燃料電池発電プラントの停止期間中に、交流補機３１や直流補機３２を個別にオンオフ制御可能な構成である場合に、短時間Ｔａだけオン制御してスキャンすることで地絡発生箇所を特定することができるようになる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、筐体を接地母線に接続すると共に、燃料電池本体の負極を所定の接地インピーダンスを介して筐体に接続し、接地インピーダンスの端子電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路により検出される接地インピーダンスの端子電圧を所定の電圧レベルと比較する比較回路と、この比較回路の比較結果にもとづいて地絡判定を行なう地絡判定回路とを設けたので、燃料電池本体や交流駆動あるいは直流駆動の燃料電池発電プラント制御補機群に地絡事故が発生した場合に、地絡電流が流れる経路として、筐体および接地母線をを含むように設定し、その経路に接地インピーダンスを介在させることができ、地絡電流により接地インピーダンスの両端に発生する端子電圧を電圧検出回路により検出して比較回路で所定の電圧レベルと比較することにより地絡判定回路により地絡判定を行なうので、絶縁トランスを介して電源系統に接続する構成の燃料電池発電プラントを構成している場合でも確実に地絡事故を検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す電気的構成図
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図３】本発明の第３の実施形態を示す地絡判定プログラムのフローチャート
【図４】本発明の第４の実施形態を示す図１相当図
【図５】本発明の第５の実施形態を示す図１相当図
【図６】従来技術を示す図１相当図
【図７】地絡事故がＡ点で発生した場合の地絡電流の経路を示す図
【図８】地絡事故がＢ点で発生した場合の地絡電流の経路を示す図
【図９】地絡事故がＣ点で発生した場合の地絡電流の経路を示す図
【符号の説明】
２１は電源系統、２２は絶縁トランス、２３はローパスフィルタ、２４はインバータ装置、２５は第１の平滑コンデンサ、２６は昇圧チョッパ回路、２７は第２の平滑コンデンサ、２８は燃料電池本体、２９は降圧チョッパ回路、３０は第３の平滑コンデンサ、３１は第１の燃料電池発電プラント補機（交流補機）、３２は第２の燃料電池発電プラント補機（直流補機）、３３は筐体、３４は接地インピーダンス（第１の接地インピーダンス）、３５は電圧検出回路、３６は比較回路、３７は地絡判定回路、３８は整流回路、３９はローパスフィルタ、４０は比較回路、４１はスイッチ、４２は第２の接地インピーダンス、４３はスイッチである。

Claims (6)

1. 電源系統に一次側が接続された絶縁トランスと、スイッチング素子をフルブリッジ接続してなり交流端子がローパスフィルタを介して前記絶縁トランスの二次側に接続されるインバータ装置と、このインバータ装置の直流端子側に接続される第１の平滑コンデンサと、高圧側端子が前記インバータ装置の直流端子間に接続された昇圧チョッパ回路と、この昇圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第２の平滑コンデンサおよび燃料電池本体と、高圧側端子が前記第１の平滑コンデンサの端子間に接続される降圧チョッパ回路と、この降圧チョッパ回路の低圧側端子に接続される第３の平滑コンデンサと、交流電源で駆動されプラント制御に必要な第１の燃料電池発電プラント補機と、直流電源で駆動されプラント制御に必要な第２の燃料電池発電プラント補機とを筐体内に備えた構成の燃料電池発電プラントにおいて、
   前記筐体を接地母線に接続すると共に、前記燃料電池本体の負極を所定の接地インピーダンスを介して前記筐体に接続し、
   前記接地インピーダンスの端子電圧を検出する電圧検出回路と、
   この電圧検出回路により検出される前記接地インピーダンスの端子電圧を所定の電圧レベルと比較する比較回路と、
   この比較回路の比較結果にもとづいて地絡判定を行なう地絡判定回路とを設けたことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
   前記電圧検出回路が検出する前記接地インピーダンスの端子電圧を整流する整流回路と、
   その整流出力を平均化して前記比較回路に出力する低域通過フィルタ回路とを設けたことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
   前記地絡判定回路は、前記燃料電池本体による発電動作中に前記地絡判定を行なった場合に第１の地絡状態を検出したときには、前記インバータ装置，昇圧チョッパ回路および降圧チョッパ回路を停止制御すると共に、燃料電池発電プラントを停止させる制御を行い、その停止状態において前記地絡判定を行なった場合に第２の地絡状態を検出し、前記補機の地絡を判定することを特徴とする燃料電池発電プラント地絡検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
   前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機についてオンオフ制御するためのスイッチを、前記降圧チョッパ回路の負極側に挿入する構成としたことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
   前記燃料電池発電プラントの停止中において、前記第１および第２の燃料電池発電プラント補機について個別に駆動制御可能なものを順次短期間だけオンオフ制御することにより前記地絡判定回路により個別に地絡の有無を判定するように構成したことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池発電プラントの地絡検出装置において、
   前記接地インピーダンスを、常時接続する第１の接地インピーダンスと、スイッチのオンオフにより接続可能な第２の接地インピーダンスとの並列回路により構成したことを特徴とする燃料電池発電プラントの地絡検出装置。

Images