JP2009153295A - Control method of hybrid power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を含む給電手段を商用電源に系統連系させて構成されるハイブリッド電力供給システムを制御する方法に関し、通常時には燃料電池システムを商用電源に連系させるとともに、商用電源側の停電時などには燃料電池システムを自立運転させるとともに燃料電池システムと蓄電装置とから負荷に電力を供給するハイブリッド電力供給システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling a hybrid power supply system configured by connecting a power feeding means including a fuel cell to a commercial power source. In normal times, the fuel cell system is linked to a commercial power source, and at the commercial power source side. The present invention relates to a control method for a hybrid power supply system that causes a fuel cell system to operate independently and supplies power from a fuel cell system and a power storage device to a load during a power failure.
燃料電池は、例えば水素(H2)と酸素(O2)とを電気化学的に反応させて発電を行う一種の発電装置であり、高い発電効率を有するとともに、コジェネレーション(熱電併用)システムとして排熱も利用することにすれば、さらに高い総合エネルギー効率を達成することができる、という特徴を有する。同時に燃料電池は、発電に伴う窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)等の有害物質の発生が少なく、また地球温暖化の原因とされる二酸化炭素(CO2)の排出量も少なく、運転に伴う騒音や振動も小さい。このため、燃料電池は、環境に優しい高効率な発電装置として、近年、社会的な注目が集まっている。 A fuel cell is a kind of power generation device that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ), for example, and has high power generation efficiency and as a cogeneration (combination of thermoelectric) system If exhaust heat is also used, a higher overall energy efficiency can be achieved. At the same time, fuel cells produce less harmful substances such as nitrogen oxides (NO x ) and sulfur oxides (SO x ) during power generation, and emit carbon dioxide (CO 2 ), which causes global warming. The noise and vibrations associated with driving are also small. For this reason, in recent years, fuel cells have attracted social attention as environmentally friendly and highly efficient power generation devices.
燃料電池の種類として代表的なものには、リン酸燃料電池(PAFC;phosphoric acid fuel cell)、固体高分子形燃料電池(PEFC;polymer electrolyte fuel cell)、固体酸化物形燃料電池(SOFC;solid oxide fuel cell)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC;molten carbonate fuel cell)などがある。これらの中でもリン酸燃料電池は、最も早く商品化され、定格出力容量として50〜200kW級のシステムが、コージェネレーションシステムとして、学校やホテル、オフィスビル、病院、工場等に導入されている。また、固体高分子形燃料電池は、現在、その実用化の初期段階にあり、住宅用のコージェネレーションシステムとしての用途や、自動車用、携帯機器用、商用電源のバックアップ用などの用途を中心として研究開発が進められており、一部は既に商用化されている。固体酸化物形燃料電池については、住宅やオフィスビル等への用途から発電所規模の用途に至るまで、幅広い出力容量での適用を目指した研究開発が行われている。 Typical types of fuel cells include phosphoric acid fuel cells (PAFC), polymer electrolyte fuel cells (PEFC), solid oxide fuel cells (SOFC). oxide fuel cell) and molten carbonate fuel cell (MCFC). Among these, phosphoric acid fuel cells have been commercialized earliest, and a system with a rated output capacity of 50 to 200 kW has been introduced as a cogeneration system in schools, hotels, office buildings, hospitals, factories and the like. In addition, polymer electrolyte fuel cells are currently in the early stages of practical use, mainly for applications such as residential cogeneration systems, automobiles, portable devices, and commercial power backups. Research and development is ongoing, and some are already commercialized. Solid oxide fuel cells are being researched and developed for use in a wide range of output capacities, from residential and office buildings to power plant-scale applications.
燃料電池は、一般的には水素を燃料としており、水素を生成するための改質器などと組み合わせて燃料電池システムとして構成されるのが一般的である。需要家宅に設置して発電を行うために用いられる1kW程度から数百kW級の燃料電池システムでは、通常、改質器を用いて都市ガス(天然ガス)等の炭化水素から水素を製造し、これを燃料電池システムの発電部であるセルに供給して発電を行う。改質器を用いて水素を製造する反応には、一般的に、炭化水素(例えばメタン(CH4))と水蒸気(H2O)とを高温で反応させて水素を生成させる水蒸気改質反応が用いられる。改質器に対しては、燃料電池システムに接続した負荷が要求する電力に応じて、その電力を発電するために燃料電池システムで必要となる水素ガスを発生させるために過不足のない炭化水素と水蒸気とが供給される。 A fuel cell generally uses hydrogen as a fuel, and is generally configured as a fuel cell system in combination with a reformer or the like for generating hydrogen. In a fuel cell system of about 1 kW to several hundred kW class used for generating electricity by installing in a customer's house, usually, hydrogen is produced from hydrocarbons such as city gas (natural gas) using a reformer, This is supplied to a cell which is a power generation unit of the fuel cell system to generate power. In the reaction for producing hydrogen using a reformer, generally, a steam reforming reaction in which hydrogen (such as methane (CH 4 )) and steam (H 2 O) are reacted at a high temperature to generate hydrogen. Is used. For the reformer, according to the power demanded by the load connected to the fuel cell system, there is no excess or shortage of hydrocarbons to generate the hydrogen gas necessary for the fuel cell system to generate the power. And water vapor are supplied.
ここで、負荷が要求する電力が増加または減少した場合には、改質器に供給する炭化水素の量を加減させ、改質器においてもこれに合せて水素の製造量を加減させる必要がある。しかしながら改質器での水蒸気改質反応は、負荷電力が大きく急変した場合にそれに追従して水素発生量を瞬時に変化させることができるほど速くはない。したがって、負荷電力が急増した場合は、発電セルで必要となる水素ガス量が不足するため、燃料電池システムは負荷に対して必要な電力を供給できなくなる。逆に負荷電力が急減した場合には、改質器で製造した水素ガスが余ってしまい、改質器への炭化水素の供給量とのバランス関係が崩れたりしてしまう。ここで燃料電池システムの運転において、改質器が負荷変動に追随できなくなったり、製造した水素ガスが余るような運転を無理にでも行わせようとすると、燃料電池システム内の保護機能が作動して燃料電池システムの動作停止にもつながってしまう。このような観点から燃料電池システムには、その安定した運転のために、単位時間当たりどれだけ出力を変化させることができるかを示す許容出力変化率が存在する。燃料電池システムの運転においては、出力側における大きな負荷変動を燃料電池システムに対してそのまま負担させないようにすることが重要である。 Here, when the power required by the load increases or decreases, it is necessary to increase or decrease the amount of hydrocarbons supplied to the reformer, and to adjust the amount of hydrogen produced in the reformer accordingly. . However, the steam reforming reaction in the reformer is not so fast that the amount of hydrogen generation can be instantaneously changed following the sudden change in the load power. Therefore, when the load power increases rapidly, the amount of hydrogen gas required in the power generation cell is insufficient, and the fuel cell system cannot supply the necessary power to the load. On the other hand, when the load power is suddenly reduced, the hydrogen gas produced by the reformer is surplus, and the balance relationship with the amount of hydrocarbons supplied to the reformer is lost. Here, in the operation of the fuel cell system, if the reformer cannot follow the load fluctuation or if it is forced to perform an operation in which the produced hydrogen gas is excessive, the protection function in the fuel cell system is activated. As a result, the operation of the fuel cell system is stopped. From this point of view, the fuel cell system has an allowable output change rate indicating how much the output can be changed per unit time for the stable operation. In the operation of the fuel cell system, it is important that a large load fluctuation on the output side is not directly burdened on the fuel cell system.
ところで燃料電池システムの実際の運用では、商用電源と系統連系させ、商用電源から供給された電力と燃料電池システムで発電した電力とを一緒にして、同一の配電線によって負荷に電力を供給するような配電構成とすることが多い。この場合、全体の負荷の一部を賄うように燃料電池システムを定格出力で連続運転させ、負荷変動に対しては商用電源からの電力供給量を変えることで対応するのが一般的である(非特許文献1)。つまり、負荷変動があれば、これを商用電源側で吸収させている。また、経済性の観点等から例えば夜間等に燃料電池システムの出力を下げて部分負荷運転を行うような場合には、改質器が追随できる速さ、すなわち燃料電池システムにおいて許容される出力変化率の範囲内で徐々に出力を下げて所定の出力に保ち、日中に再び定格出力に戻す場合には、逆に出力を徐々に所定の値まで上げていくことで、改質器への炭化水素の供給量と水素製造量とのバランス、水素発生量と水素消費量とのバランスを維持するようにしている。 By the way, in the actual operation of the fuel cell system, the power is connected to the commercial power source, and the power supplied from the commercial power source and the power generated by the fuel cell system are combined to supply power to the load through the same distribution line. Such a power distribution configuration is often used. In this case, it is common to continuously operate the fuel cell system at the rated output so as to cover a part of the entire load, and to cope with the load fluctuation by changing the power supply amount from the commercial power source ( Non-patent document 1). That is, if there is a load fluctuation, this is absorbed on the commercial power supply side. Also, from the viewpoint of economy, for example, when performing partial load operation by reducing the output of the fuel cell system at night, the speed at which the reformer can follow, that is, the output change allowed in the fuel cell system If the output is gradually reduced within the range of the rate and maintained at the specified output, and then returned to the rated output again during the day, the output to the reformer is increased by gradually increasing the output to the specified value. The balance between the amount of hydrocarbons supplied and the amount of hydrogen produced, and the balance between the amount of hydrogen generated and the amount of hydrogen consumed are maintained.
以上、商用電源と系統連系させた燃料電池システムの運用を説明した。ここで商用電源が災害等により停止した場合、すなわち停電となった場合には、燃料電池システムを自立運転させて負荷に対する電力供給に使用する。しかしながら燃料電池システムでは改質器の反応がそれほど速くないことから、大きな負荷変動をそのまま燃料電池システムに負担させたのでは、燃料電池システムが運転を停止することにもつながってしまう。 The operation of the fuel cell system interconnected with the commercial power source has been described above. Here, when the commercial power supply stops due to a disaster or the like, that is, when a power failure occurs, the fuel cell system is operated independently and used to supply power to the load. However, since the reaction of the reformer is not so fast in the fuel cell system, if a large load fluctuation is directly imposed on the fuel cell system, the fuel cell system will stop operating.
商用電源の停電時における燃料電池システムの運用方法として、従来、エンジン発電装置やタービン発電装置などの非常用発電装置を始動させてこれらの非常用発電装置に対して燃料電池システムを並列に接続し、これにより、負荷電力のうち燃料電池システムが負担する部分の変動を抑え、大きな負荷変動に対してはその変動分をエンジン発電装置やタービン発電装置に分担させる方法がある。燃料電池システムに対して鉛蓄電池やナトリウム硫黄電池等の蓄電池(蓄電設備)を組み合せ、大きな負荷変動による変動分を蓄電池における充放電でまかなうことで、そのような負荷変動を蓄電池に分担させる方法もある。 Conventionally, as a method of operating a fuel cell system during a power failure of a commercial power source, an emergency power generator such as an engine power generator or a turbine power generator is started and the fuel cell system is connected in parallel to these emergency power generators. Thus, there is a method of suppressing the fluctuation of the portion of the load electric power borne by the fuel cell system and sharing the fluctuation with the engine power generator or the turbine power generator for a large load fluctuation. There is also a method of sharing such load fluctuations in the storage battery by combining the storage battery (power storage equipment) such as a lead storage battery and sodium sulfur battery with the fuel cell system, and charging / discharging the storage battery with the fluctuation due to the large load fluctuation. is there.
なお、商用電源の停電時には、燃料電池システムや非常用発電装置、蓄電池からの電力は、停電時においても電力が供給されるべき負荷(以下、緊急時用負荷と呼ぶ)を含む配電系統に優先的に供給され、その場合、燃料電池システムや非常用発電装置、蓄電池から供給される電力が負荷全体に必要な電力に満たない場合には、緊急時用負荷以外の負荷(以下、通常負荷と呼ぶ)の配電系統への給電は、その一部または全部が遮断される。緊急時用負荷への給電を確実なものとするために、通常負荷への給電の遮断は、商用電源での停電発生の検出と同時に行われるのが一般的である。
通常時には燃料電池システムを商用電源と系統連系させ、商用電源の停電時には燃料システムを自立運転させるともに非常用発電装置あるいは蓄電池と組み合わせて少なくとも緊急時用負荷に電力を供給する上述した構成には、以下に述べるような課題がある。 In the above-described configuration, the fuel cell system is connected to the commercial power supply during normal operation, and the fuel system is operated independently in the event of a power failure, and the power is supplied to at least the emergency load in combination with the emergency power generator or storage battery. There are problems as described below.
エンジン発電装置やタービン発電装置等を始動させてこれと並列に燃料電池システムを運転させる構成では、負荷に対する給電容量の点では問題がないとした場合でも、エンジン発電装置やタービン発電装置は、発電に伴い窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)等の有害物質を発生し、また地球温暖化の原因とされる二酸化炭素(CO2)の排出量も多く、騒音や振動も大きいことから、環境への優しさが損なわれる。 In a configuration in which an engine power generator, a turbine power generator, or the like is started and a fuel cell system is operated in parallel therewith, even if there is no problem in terms of power supply capacity with respect to the load, the engine power generator and the turbine power generator As a result, harmful substances such as nitrogen oxides (NO x ) and sulfur oxides (SO x ) are generated, and carbon dioxide (CO 2 ), which is a cause of global warming, is also emitted, and noise and vibration are also generated. Because of its large size, environmental friendliness is impaired.
また、燃料電池システムに鉛蓄電池やナトリウム硫黄電池等の蓄電池を組み合せる構成では、燃料電池システムに負荷変動を負担させることなく大きな負荷変動にも対応できるようにするためには、蓄電池の容量を大きくする必要があり、設備の大型化や経済性の低下につながっている。 In addition, in a configuration in which a storage battery such as a lead storage battery or a sodium-sulfur battery is combined with the fuel cell system, the capacity of the storage battery can be increased so that the fuel cell system can cope with a large load fluctuation without burdening the load fluctuation. It is necessary to increase the size, which leads to an increase in equipment size and economic efficiency.
本発明の目的は、これらの課題を解決し、燃料電池システムに蓄電装置を組み合わされて構成され、通常時には燃料電池システムが商用電源に系統連系されるハイブリッド電力供給システムの制御方法であって、設備の大型化や経済性の低下を伴うことなく、商用電源の停電時においても負荷変動に対応できる制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve these problems, and is a control method for a hybrid power supply system that is configured by combining a power storage device with a fuel cell system, and normally the fuel cell system is grid-connected to a commercial power source. It is an object of the present invention to provide a control method that can cope with load fluctuations even during a power failure of a commercial power source without increasing the size of the facility or reducing the economic efficiency.
本発明のハイブリッド電力供給システムの制御方法は、燃料電池及び蓄電装置を有する給電手段と、給電手段を商用電源に系統連系させる系統連系装置とを有し、負荷に電力を供給するハイブリッド電力供給システムの制御方法において、負荷に電力を供給するための配電系統は、緊急時用負荷が接続する緊急時用配電系統と、緊急時用負荷以外の負荷である通常負荷がそれぞれ接続する少なくとも1つの通常配電系統とに分けられており、商用電源に停電が発生していない場合には、緊急時用配電系統と各通常配電系統のいずれに対しても給電し、商用電源において停電が発生した場合に、燃料電池及び蓄電装置からの電力供給によって緊急時用配電系統への給電を継続させるとともに、緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が燃料電池の定格出力と蓄電装置の放電出力との和以上となる場合には、その負荷容量の総和が燃料電池の定格出力と蓄電装置の放電出力との和未満となるように、通常配電系統の中から負荷容量が大きい順にその通常配電系統への給電を遮断し、蓄電装置の充電量が目標値まで低下したことを検出したら、その時点で給電が遮断されていない通常配電系統に関し、緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が燃料電池の定格出力未満であってかつ定格出力に最も近くなる組み合わせを求め、求められた組み合わせに属する以外の通常配電系統への給電を停止し、その後、緊急時用負荷と組み合わせに属する通常配電系統の通常負荷との負荷容量の総和に対応する値まで、燃料電池の出力容量を、燃料電池における許容される出力変化率の範囲内で低下させることを特徴とする。 A control method for a hybrid power supply system according to the present invention includes a hybrid power that includes a power supply unit having a fuel cell and a power storage device, and a grid interconnection device that grid-connects the power supply unit to a commercial power source, and supplies power to a load. In the control method of the supply system, the power distribution system for supplying power to the load is at least one to which the emergency power distribution system to which the emergency load is connected and the normal load that is a load other than the emergency load are respectively connected. When there is no power outage in the commercial power supply, power is supplied to both the emergency power distribution system and each normal power distribution system, and a power outage occurs in the commercial power supply. In this case, the power supply to the emergency distribution system is continued by supplying power from the fuel cell and the power storage device, and the total load capacity including the emergency load is determined by the fuel cell. If the output is greater than or equal to the sum of the discharge output of the power storage device, the load capacity is normally removed from the distribution system so that the total load capacity is less than the sum of the rated output of the fuel cell and the discharge output of the power storage device. When power supply to the normal power distribution system is cut off in descending order of capacity, and it is detected that the charge amount of the power storage device has decreased to the target value, the emergency load is applied to the normal power distribution system that is not cut off at that time. Find the combination whose total load capacity is less than the rated output of the fuel cell and is closest to the rated output, stop supplying power to the normal distribution system other than the one that belongs to the requested combination, and then load the emergency load Reduce the output capacity of the fuel cell within the allowable output change rate range of the fuel cell to a value corresponding to the sum of the load capacity with the normal load of the normal distribution system belonging to the combination. And features.
本発明において、商用電源が停電から復帰した場合に、商用電源からの電力と燃料電池からの電力によって、その時点で給電が停止されている通常配電系統への給電を再開するとともに、燃料電池の出力容量を燃料電池の定格出力にまで、燃料電池における許容される出力変化率の範囲内で増加させることが好ましい。また、緊急時用負荷の容量と、いずれか1つの通常負荷配線に接続する通常負荷の容量との和が、燃料電池の定格容量未満であるようにすることが好ましい。 In the present invention, when the commercial power supply recovers from the power failure, the power supply from the commercial power supply and the power from the fuel cell are resumed to the normal distribution system where the power supply is stopped at that time, and the fuel cell It is preferable to increase the output capacity to the rated output of the fuel cell within the range of the allowable output change rate in the fuel cell. Further, it is preferable that the sum of the capacity of the emergency load and the capacity of the normal load connected to any one of the normal load wirings is less than the rated capacity of the fuel cell.
本発明では、商用電源が停電していないときには、蓄電装置の充電量を蓄電可能な最大容量値に維持するように制御することが好ましい。その場合、目標値は、例えば、最大容量値未満であって最大容量値の半分以上である値に設定される。 In the present invention, when the commercial power supply is not interrupted, it is preferable to control so that the charge amount of the power storage device is maintained at the maximum capacity value that can be stored. In this case, the target value is set to a value that is less than the maximum capacity value and is half or more of the maximum capacity value, for example.
本発明のハイブリッド電力供給システムの制御方法の実施に際しては、例えば、蓄電装置の充放電量を測定する第1の測定手段と、緊急時用配電系統の容量を測定する第2の測定手段と、各通常配電系統の容量を測定する第3の測定手段を設け、コントローラが、第1乃至第3の測定手段での測定値に基づいて、燃料電池の出力容量、蓄電装置の充放電、及び各通常配電系統に対する電力の供給/遮断を制御するようにしてもよい。 In carrying out the control method of the hybrid power supply system of the present invention, for example, a first measuring means for measuring the charge / discharge amount of the power storage device, a second measuring means for measuring the capacity of the emergency power distribution system, Third measuring means for measuring the capacity of each normal power distribution system is provided, and the controller determines the output capacity of the fuel cell, the charge / discharge of the power storage device based on the measured values in the first to third measuring means, and The supply / cutoff of power to the normal distribution system may be controlled.
本発明において、蓄電装置としては、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池、ナトリウムイオウ蓄電池などの全ての種類の蓄電池(二次電池)や、電気二重層キャパシタなどを用いることができる。蓄電装置の充電量は、蓄電装置に対する充放電電流を測定し、その時間積分から求めることができる。 In the present invention, as the power storage device, all types of storage batteries (secondary batteries) such as lead storage batteries, nickel cadmium storage batteries, nickel hydride storage batteries, lithium ion storage batteries, sodium sulfur storage batteries, electric double layer capacitors, and the like are used. it can. The amount of charge of the power storage device can be obtained by measuring the charge / discharge current for the power storage device and integrating the time.
本発明において燃料電池は、水素を発生する改質器とともに燃料電池システムを構成するとともに、改質器が発生した水素を燃料として用いて発電するものであることが好ましい。そのような燃料電池システムでは、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などの等、全ての種類の燃料電池を適用できる。改質器では、都市ガスや液化石油ガス(LPG)、ブタンガス、メタノール、エタノール、灯油、ガソリン等の炭化水素から、燃料電池に供給される水素を製造できる。 In the present invention, the fuel cell preferably constitutes a fuel cell system together with a reformer that generates hydrogen, and generates power using the hydrogen generated by the reformer as fuel. In such a fuel cell system, all types of fuel cells such as phosphoric acid type, solid polymer type, molten carbonate type, solid oxide type and the like can be applied. In the reformer, hydrogen supplied to the fuel cell can be produced from hydrocarbons such as city gas, liquefied petroleum gas (LPG), butane gas, methanol, ethanol, kerosene, and gasoline.
本発明は、配電系統の時限的な遮断制御や蓄電池の残存容量制御までを行うことにより、燃料電池システムに蓄電装置を組み合せた構成を有するハイブリッド電力供給システムにおいて、自立運転時に負荷が急変した場合でも、燃料電池システムの円滑な運転が可能となるという効果がある。 The present invention provides a hybrid power supply system having a configuration in which a power storage device is combined with a fuel cell system by performing a timed shut-off control of a power distribution system and a remaining capacity control of a storage battery, and when the load suddenly changes during a self-sustaining operation However, there is an effect that the fuel cell system can be smoothly operated.
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の一形態のハイブリッド電力供給システムの制御方法が適用される配電設備の構成の一例を示している。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a configuration of a distribution facility to which a control method for a hybrid power supply system according to an embodiment of the present invention is applied.
図1に示す配電設備は、燃料電池システム1と、電力線24によって燃料電池システム1に対して接続する蓄電装置2と、少なくとも燃料電池システム1を商用電源5に系統連系させる系統連系装置6と、コントローラ26とからなるハイブリッド電力供給システムを備えるものである。商用電源5は、例えば交流100Vのものである。系統連系装置6は、商用電源5と負荷側との間に挿入されており、そこに電力線24によって燃料電池システム1が接続している。系統連系装置6から負荷側に延びる電力線24は、配電系統12〜16に分岐し、配電系統12〜15にはそれぞれスイッチ17〜20を介して通常負荷7〜10が接続し、配電系統16には緊急時用負荷11が直接接続している。したがって系統連系装置6から送られる交流100Vの電力は、配電系統12〜16に分岐し、通常負荷7〜10および緊急時用負荷11に給電される。なお、系統連系装置6の動作電力は、燃料電池システム1により給電されるようになっている。スイッチ17〜20の開閉は、信号・制御線25を介してコントローラ26によって制御できるようになっている。
1 includes a fuel cell system 1, a
この配電設備は、商用電源5が正常に動作しているときには、燃料電池システム1及び商用電源5から系統連系装置6を介して電力を負荷に供給し、商用電源5の停電時には燃料電池システム1を自立運転させ、燃料電池システム1及び蓄電装置2から負荷に電力を供給するようにしたものである。
This distribution facility supplies power from the fuel cell system 1 and the commercial power source 5 to the load via the
配電系統12〜15の各々には、通常負荷7〜10に供給される電力を検出するために、電流/電圧計23が挿入され、配電系統16には、緊急時用負荷11に供給される電力を検出するために、電流/電圧計23が挿入されている。系統連系装置6と燃料電池システム1とを接続する電力線にも電流/電圧計21が挿入され、燃料電池システム1と蓄電装置2とを接続する線にも、蓄電装置2の充放電電流などを検出するために電流/電圧計22が挿入されている。電流/電圧計21〜23での検出結果は、信号・制御線25を介してコントローラ26に送られるようになっている。
In each of the
燃料電池システム1は、直流出力であって定格出力が5kWの固体高分子形燃料電池システムである。蓄電装置2は、蓄電池3と、蓄電池3に対する充放電を行う充放電器4とを備えている。ここで、蓄電池3は、電力線24を介して配電系統につながる交流負荷に対して3.5kWの電力を30分間給電できる容量(1.75kWh)を有する鉛蓄電池である。もちろん、3.5kWより小さな電力を給電するものとすれば、30分より長い時間にわたって給電を行うことができるが、以下の説明では、蓄電装置2の放電出力、すなわち蓄電装置2から負荷側供給できる最大の電力も3.5kWであるものとする。
The fuel cell system 1 is a polymer electrolyte fuel cell system having a DC output and a rated output of 5 kW. The
ここでは、説明のため、一例として、配電系統12〜15に接続する通常負荷7〜10について、それらの通常負荷が最大の消費電力で動作したときの容量が、それぞれ4kW、4kW、3kW、2kWであるものとし、配電系統16に接続する緊急時用負荷11については、最大の消費電力で動作したときの容量が4kWであるものとする。配電系統14および15の容量を、それぞれ3kWおよび2kWと他の配電系統の容量よりも小さくしているのは、商用電源5の停電時に燃料電池システム1を自立運転させた時に、燃料電池システム1が緊急時用負荷11への給電を行ってもまだ通常負荷へ給電できる余裕がある場合には、通常負荷に給電を行えるようにするためである。
Here, for the sake of explanation, as an example, the
燃料電池システム1および蓄電装置2は、信号・制御線25によりコントローラ26と接続しており、コントローラ26からの指令により燃料電池システム1および蓄電装置2の動作を制御できるように構成されている。また、コントローラ26は、電流/電圧計21〜23により燃料電池システム1の発電電力、蓄電装置2の充放電容量および各配電系統で負荷側に供給される電力を常時監視し、負荷電力(通常負荷7〜10及び緊急時用負荷11の消費電力)の合計値を演算する機能を有するとともに、スイッチ17〜20を遠隔からの操作する機能も有している。コントローラ26を動作させるために必要な電力は、燃料電池システム1から供給されている。
The fuel cell system 1 and the
次に、上述したように配電設備が構成されているとして、本発明の実施の一形態によるハイブリッド電力供給システムの制御方法での全体の処理について、図2のフローチャートおよび図3のタイムチャートを参照して具体的に説明する。 Next, assuming that the power distribution facility is configured as described above, refer to the flowchart of FIG. 2 and the time chart of FIG. 3 for the entire process in the control method of the hybrid power supply system according to the embodiment of the present invention. This will be described in detail.
通常時(図3における時刻T1より前の期間)、つまり商用電源5において停電が発生しておらず、商用電源5から交流電力の供給されているときは、燃料電池システム1をその定格出力である5kWで24時間連続運転させ、商用電源5に燃料電池システム1を連系させて、各負荷に給電する(ステップS1)。この時、通常負荷7〜10にそれぞれスイッチ17〜20は、全て閉じた状態すなわち導通状態とされる。以下では、各電流/電圧計23で測定された負荷電力の測定値が、通常負荷7〜10についてそれぞれ3kW、2.5kW、2kW、1kWであり、緊急時用負荷11について3.5kWであった場合について説明する。この場合、負荷の全容量は12kWであり、燃料電池システム1からの出力5kWでは不足する。そこで、この不足する7kW分を、商用電源5によりまかなう。蓄電池3として鉛蓄電池を使用する場合には、負荷に電力を供給しない場合であって自己放電によりその充電量が減少していくので、燃料電池システム1からの出力の一部を蓄電池3の充電電力に充て、鉛蓄電池を常に満充電状態に維持する。
During normal times (period before time T1 in FIG. 3), that is, when no power failure has occurred in the commercial power source 5 and AC power is supplied from the commercial power source 5, the fuel cell system 1 is operated at its rated output. The fuel cell system 1 is continuously operated for 24 hours at a certain 5 kW, and the fuel cell system 1 is connected to the commercial power source 5 to supply power to each load (step S1). At this time, the switches 17 to 20 are normally closed to the
系統連系装置6は、ステップS2に示すように、商用電源5側における停電発生の有無を常時監視し、その結果をコントローラ26に出力している。停電でない場合には、上述したステップS1の動作が永続的に実行される。
As shown in step S <b> 2, the
次に、時刻T1(図3参照)において商用電源5において停電が発生した場合には、系統連系装置6がそれを検出して燃料電池システム1を商用電源5側から切り離し、燃料電池システム1を自立運転させる。このとき燃料電池システム1は、その定格出力である5kWでの運転を継続する。コントローラ26は、ステップS3において、緊急時用負荷と通常負荷の合計容量が、燃料電池システム1の定格容量である5kW以上であって、かつ、燃料電池システム1の定格容量5kWに蓄電池3から供給可能な3.5kWを加えた容量である8.5kW未満となるように、少なくとも一部の通常負荷への給電を停止させる。ここで通常負荷への給電の停止は、燃料電池システム1が緊急時用負荷11への給電を行ってもまだ通常負荷へ給電できる余裕がある場合には通常負荷への給電を行えるように、負荷電力の大きいものから順番に行う。すなわち負荷電力の大きいものから給電を停止し、そのときの負荷容量の合計が燃料電池の定格出力と蓄電池の放電出力の和未満であるかどうかを判定し(ステップS4)、当該和以上である場合には、ステップS3に戻って次に負荷容量が大きい通常負荷への給電を停止する。
Next, when a power failure occurs in the commercial power source 5 at time T1 (see FIG. 3), the
コントローラ26には各電流/電圧計23から負荷ごとの負荷電力の測定値が常に送られていることから、負荷電力の測定値が上述したものであったとすると、具体的にはコントローラ26は、通常負荷7の消費電力が3kWで最も大きいと判断し、スイッチ17を遠隔操作することによって、通常負荷7への給電を停止させる。通常負荷7への給電停止により負荷容量の合計は9kWとなるが、負荷電力の測定値から、コントローラ26は、負荷電力の合計がまだ8.5kW以上であると判断し、続いて、スイッチ18を遠隔操作することによって、次に負荷電力の大きい通常負荷8への給電を停止させる。通常負荷8への給電停止により負荷容量の合計はさらに2.5kW小さくなって6.5kWとなり、コントローラ26は、負荷電力の合計が8.5kW未満になったと判断する。負荷電力の合計が8.5kW未満となれば、燃料電池システム1と蓄電池3により給電が可能となるので、燃料電池システム1は定格出力5kWのまま運転し、蓄電池3は1.5kW分の負荷への給電を分担する(ステップS5)。
Since the measured value of the load power for each load is always sent from each current /
コントローラ26は、電流/電圧計22での測定値から、蓄電池3の充電量(現在の容量)を常時監視しており、満充電の容量に対して充電量が70%にまで落ちたかどうかを判定する(ステップS6)。ここでの70%は、満充電の容量を100%として、燃料電池システム1が自立運転している場合における蓄電池の充電量の目標値である。現在の充電量が満充電の容量に対して70%以上であれば、ステップS5での燃料電池の定格出力を超える負荷容量を蓄電池の放電で分担する状態を維持する。その結果、鉛蓄電池3は、満充電の容量に対して70%の容量すなわち目標値となるまで放電させられることとなる。その間の放電時間は、上述した数値で計算すると、約21分となる。ここで蓄電池3を放電させる理由は、燃料電池システム1をその定格出力である5kWで連続運転させるためには、負荷が減少した場合においてこの減少分に相当する燃料電池システム1からの余剰電力を蓄電池3で吸収させる必要があるが、蓄電池3が満充電状態かそれに近い場合にはこれを吸収できないためである。
The
時刻T2において鉛蓄電池3が満充電の容量に対して70%程度の容量になると、次にコントローラ26は、給電を停止していない負荷であって容量が一番大きい通常負荷への給電を停止したと仮定した場合における残りの負荷容量の合計値P1を計算し(ステップS7)、この合計値P1が燃料電池システム1の定格出力未満であるかどうかを判定する(ステップS8)。P1が燃料電池システム1の定格出力以上である場合には、給電を停止していない負荷のうちで容量が最大である通常負荷への給電を停止し(ステップS9)、ステップS7に戻る。P1が燃料電池システム1の定格出力未満である場合には、次にコントローラ26は、Nを2以上の整数として、給電を停止していない負荷の中で容量がN番目に大きい通常負荷への給電を停止したと仮定した場合における残りの負荷容量の合計値PNを算出する(ステップS10)。そしてコントローラは、このようにして算出された合計値P1,P2,P3,…の中から、燃料電池システム1の定格出力未満であってこの定格出力の値に最も近い値となるものを選択し、その選択された値がm番目の通常負荷への給電を停止したと仮定したものであるとして、m番目の通常負荷への給電を実際に停止する(ステップS11)。その後、ステップS12に示すように、燃料電池システム1はその定格出力での運転を継続し、その際に発生する余剰電力(燃料電池システム1の定格出力とPmとの差で表される余剰電力)は蓄電池3の充電に使用する。また、負荷の消費電力の合計値がほとんど変化しない場合には、燃料電池システム1の出力をその定格出力から負荷の消費電力の合計値にまで、改質器が追随できる時間幅(すなわち、燃料電池システム1に許容される出力変化率の範囲内)で徐々に低下させ、蓄電池3の充電量については、目標値すなわち満充電の容量の70%程度となるように維持する。
When the lead storage battery 3 reaches a capacity of about 70% of the fully charged capacity at time T2, the
上述した例では、コントローラ26は、ステップS7において、消費電力が3番目に大きい通常負荷(この場合は、容量が2kWである通常負荷9)への給電を停止させた場合の残りの負荷容量の合計値P1を計算することとなり(1番目と2番目に大きい通常負荷への給電は既に停止されているので、消費電力が3番目に大きい通常負荷が、給電中の通常負荷の中では一番大きな容量を有することになる)、値P1としてとして4.5kWが計算されることになる。この4.5kWは、燃料電池システム1の定格容量の5kW以下であるので、コントローラ26は、さらにステップS10において、消費電力が4番目に大きい通常負荷10への給電を停止させた場合の、残りの負荷容量の合計値P2を計算する(このとき、消費電力が3番目に大きい通常負荷への給電は継続するものとして計算する)。この場合、計算結果として得られる値P2は5.5kWとなり、燃料電池システム1の定格出力である5kW以下にはならない。したがって、残りの負荷容量の合計値が燃料電池システム1の定格出力である5kW以下であり、かつ、この5kWにより近い容量となるのは、通常負荷9への給電を停止した場合であって、通常負荷10への給電を停止した場合ではない。
In the above-described example, the
上記の判断からコントローラ26は、ステップS11において、通常負荷9への給電を停止させる。この時、負荷容量の合計は4.5kWとなるが、この電力は全て燃料電池システム1の出力でまかなう。燃料電池システム1は出力が5kWのままであり、0.5kWの余剰電力が生じるが、この分は鉛蓄電池3の充電電力として利用する。なおここでは、余剰電力が0.5kWとさほど大きな値ではないことから、充電電流もあまり大きくはならず、蓄電池3の劣化や寿命の低下には、ほとんどつながらない。このように余剰電力の大きさを小さくできたのは、一部の配電系統の容量を、最初に小さく設定しておいた効果である。
From the above determination, the
負荷の消費電力が安定し、時間が経過しても負荷容量の合計が4.5kWでほとんど変わらない場合は、燃料電池システム1の出力を、燃料電池システム1に許容される出力変化率の範囲内で、定格出力である5kWから負荷容量の合計値である4.5kWまで徐々に下げていき、4.5kWに達した場合は鉛蓄電池3への充電が終了となる(図3の時刻T3)。ここで、蓄電池3の充電時には、コントローラ26は、電流/電圧計22による電流値の測定により充電電力量を計算し、充電電力量が大きく蓄電池3の容量が満充電の容量に対して70%を超えるような値となった場合は、通常負荷の一部への給電を再開するなどして負荷への給電を鉛蓄電池3からの放電でも行うようにし、蓄電池3の充電量を満充電の容量に対して70%程度の容量まで低下させておく。このように蓄電池3の充電量を目標値として満充電の容量の70%程度にまで低下させておく理由は、燃料電池システム1で追随できないような負荷変動、特に、負荷容量の急減が生じた場合に、蓄電池3で吸収しやすくするためである。
When the power consumption of the load is stable and the total load capacity is almost unchanged at 4.5 kW even when time elapses, the output of the fuel cell system 1 is set within the range of the output change rate allowed for the fuel cell system 1 In this case, it gradually decreases from 5 kW which is the rated output to 4.5 kW which is the total value of the load capacity, and when it reaches 4.5 kW, the charging of the lead storage battery 3 is completed (time T3 in FIG. 3). ). Here, when the storage battery 3 is charged, the
なおここでは定格電力が5kWである燃料電池システム1に対して負荷容量の合計が4.5kWで安定した場合について述べたが、それ以外の容量で負荷側の消費電力が安定した場合も、上記と同様な手順により燃料電池システム1の出力を、その安定した容量まで徐々に下げていけばよい。負荷が短い時間間隔で変動している場合は、その変動分を蓄電池3の充放電で吸収させることにより、負荷への給電を安定して行うことができる。 In addition, although the case where the total load capacity was stabilized at 4.5 kW for the fuel cell system 1 with the rated power of 5 kW was described here, the case where the power consumption on the load side is stabilized with other capacities is also described above. The output of the fuel cell system 1 may be gradually lowered to its stable capacity by the same procedure as described above. When the load fluctuates at short time intervals, the fluctuation can be absorbed by charging / discharging of the storage battery 3 to stably supply power to the load.
系統電源装置6は、商用電源5が復電(停電からの復旧)したかどうかを常時監視しており(ステップS13)、時刻T4において商用電源5が復電して商用電源5が使用可能になると、コントローラ26は、ステップS14において、遠隔操作によってスイッチ17〜20を全て閉じて通常負荷7〜10への給電を商用電源5(系統電力)により復帰させ、燃料電池システム1の出力をその定格出力である5kWまで、燃料電池システム1に許容された出力変化率の範囲内で徐々に上昇させる。燃料電池システム1が定格出力である5kWの出力を確立後、燃料電池システム1の出力で蓄電池3を充電し、蓄電池3を満充電状態に維持する。その結果、停電が起きる時刻T1よりも前の状態に復帰することになる。安全のため、通常負荷7〜10への給電の再開のためにスイッチ17〜20をそれぞれ閉じる操作は、コントローラ26からの遠隔操作ではなく、手動で行うようにしてもかまわない。
The system
以上説明した本実施形態の制御方法では、燃料電池の改質器の応答に起因して燃料電池の出力容量を急激には変化させることができないことについて、給電需要の時間変動がある場合に通常負荷への給電を暫時停止させることによってこれを補償し、かつ、緊急時用負荷に対する給電を継続させている。 In the control method of the present embodiment described above, the output capacity of the fuel cell cannot be changed suddenly due to the response of the reformer of the fuel cell. This is compensated by stopping the power supply to the load for a while, and the power supply to the emergency load is continued.
以上、本発明の実施の一形態として、燃料電池システムを構成する燃料電池が固体高分子形燃料電池であって、システム容量(定格出力)が5kWの場合について述べたが、他の種類の燃料電池を適用した場合や、容量が数十〜数百kWの場合でも、本発明に基づく制御方法を同様に実施できる。また、上記では、鉛蓄電池からなる蓄電池3が負荷変動を吸収しやすくするため、目標値として、満充電容量に対して70%の充電量に蓄電池3を維持する場合について説明したが、燃料電池システムの定格容量や負荷容量、蓄電池の定格容量に応じて、蓄電池の充電量の目標値は、満充電容量よりも小さく満充電容量の半分以上の容量の範囲内で適宜に設定することができる。目標値を満充電の容量値の半分以上とする理由は、負荷変動により蓄電池が過放電になるのを防ぐためである。ここでは蓄電池3に鉛蓄電池を用いる場合を説明したが、他の種類の蓄電池を用いてもかまわない。 As mentioned above, as an embodiment of the present invention, the fuel cell constituting the fuel cell system is a solid polymer fuel cell and the system capacity (rated output) is 5 kW. Even when a battery is applied or when the capacity is several tens to several hundreds kW, the control method according to the present invention can be similarly implemented. Moreover, in the above, in order to make the storage battery 3 made of a lead storage battery easily absorb the load fluctuation, the case where the storage battery 3 is maintained at a charge amount of 70% with respect to the full charge capacity as the target value has been described. Depending on the rated capacity and load capacity of the system, and the rated capacity of the storage battery, the target value of the storage battery charge can be set appropriately within a range of capacity smaller than the full charge capacity and more than half of the full charge capacity. . The reason for setting the target value to be half or more of the fully charged capacity value is to prevent the storage battery from being overdischarged due to load fluctuation. Although the case where a lead storage battery is used as the storage battery 3 has been described here, other types of storage batteries may be used.
いずれの場合であっても、上述した制御方法を採用することにより、燃料電池システムに蓄電装置を組み合せたハイブリッド電源システムにおいて、環境への優しさが損なわれることなく、また設備の大型化や経済性の低下につながることなく、自立運転時に負荷が急変した場合でも、円滑な運転が可能となる。 In any case, by adopting the above-described control method, in the hybrid power supply system in which the power storage device is combined with the fuel cell system, the environmental friendliness is not impaired, and the facility size and economy are reduced. Even if the load suddenly changes during the independent operation, smooth operation is possible without causing a decrease in performance.
1 燃料電池システム
2 蓄電装置
3 蓄電池
4 充放電器
5 商用電源
6 系統連系装置
7〜10 通常負荷
11 緊急時用負荷
12〜16 配電系統
17〜20 スイッチ
21〜23 電流/電圧計
24 電力線
25 信号・制御線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記負荷に電力を供給するための配電系統は、緊急時用負荷が接続する緊急時用配電系統と、緊急時用負荷以外の負荷である通常負荷がそれぞれ接続する少なくとも1つの通常配電系統とに分けられており、
前記商用電源に停電が発生していない場合には、前記緊急時用配電系統と前記各通常配電系統のいずれに対しても給電し、
前記商用電源において停電が発生した場合に、
前記燃料電池及び前記蓄電装置からの電力供給によって前記緊急時用配電系統への給電を継続させるとともに、前記緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が前記燃料電池の定格出力と前記蓄電装置の放電出力との和以上となる場合には、当該負荷容量の総和が前記和未満となるように、前記通常配電系統の中から負荷容量が大きい順に当該通常配電系統への給電を遮断し、
前記蓄電装置の充電量が目標値まで低下したことを検出したら、その時点で給電が遮断されていない通常配電系統に関し、前記緊急時用負荷を含む負荷容量の総和が前記燃料電池の定格出力未満であってかつ前記定格出力に最も近くなる組み合わせを求め、求められた組み合わせに属する以外の通常配電系統への給電を停止し、
その後、前記緊急時用負荷と前記組み合わせに属する通常配電系統の通常負荷との負荷容量の総和に対応する値まで、前記燃料電池の出力容量を、前記燃料電池における許容される出力変化率の範囲内で低下させることを特徴とする、ハイブリッド電力供給システムの制御方法。 In a control method of a hybrid power supply system that includes a power supply unit including a fuel cell and a power storage device, and a grid interconnection device that grid-connects the power supply unit to a commercial power source, and supplies power to a load.
The power distribution system for supplying power to the load includes an emergency power distribution system to which an emergency load is connected and at least one normal power distribution system to which a normal load that is a load other than the emergency load is connected. Divided,
When no power failure occurs in the commercial power supply, power is supplied to both the emergency power distribution system and each of the normal power distribution systems,
When a power failure occurs in the commercial power supply,
The power supply to the emergency power distribution system is continued by supplying power from the fuel cell and the power storage device, and the total load capacity including the emergency load is the rated output of the fuel cell and the discharge of the power storage device. If it is greater than or equal to the sum of the output, the power supply to the normal power distribution system is cut off from the normal power distribution system in descending order so that the total load capacity is less than the sum,
When it is detected that the amount of charge of the power storage device has decreased to a target value, the sum of load capacities including the emergency load is less than the rated output of the fuel cell with respect to a normal distribution system that is not cut off at that time And obtaining a combination that is closest to the rated output, and stopping power supply to the normal distribution system other than that belonging to the obtained combination,
Thereafter, the output capacity of the fuel cell is reduced to a value corresponding to the sum of the load capacities of the emergency load and the normal load of the normal distribution system belonging to the combination. A control method for a hybrid power supply system, wherein
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