JP2006501794A

JP2006501794A - 確実な電力を重要な負荷に供給するシステム

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Publication number: JP2006501794A
Application number: JP2004539875A
Authority: JP
Inventors: ヤング，ダグラス，ギボンズ; ヒーリー，ハーバート，シー．
Original assignee: ユーティーシーフューエルセルズ，エルエルシー
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: US20030025397A1; US7061139B2; BR0314764A; AU2003272677A1; CN100416972C; KR100997559B1; WO2004030178A1; CN1701481A; KR20050071511A; JP4159546B2; DE10393658T5

Abstract

燃料電池電力設備（１８）から成る第一のＡＣ電力供給源と、通常は送電網（１０）である第二の電力供給源とが、通常は、十分なＡＣ電力を重要な負荷（１４）に提供するように高速遮断スイッチング手段（１９）を介して接続される。

Description

本発明は、一般に、電力システムに関し、より詳細には、確実なまたは不断の電力の供給を一つまたは複数の重要な負荷に提供する電力システムに関する。さらにより詳細には、本発明は、燃料電池を電力供給源として使用するそのような電力システムに関する。

種々さまざまな負荷のための特に最も一般的な電力供給源は、さまざまな電力商用電力により提供される大規模な電力送電網を経由する。商用電力送電網で利用できる電力は、連続性、および電圧、周波数、位相などの確立された規格に対する適合性について、一般にかなり信頼性がある。しかしながら、時々、不連続とこれらの規格からの逸脱の少なくとも一方が本当に発生する。これらが短時間または控えめであれば、大抵の負荷は、これらの発生に相対的に影響を受けない。一方、商用電力送電網により供給される電力の短時間の逸脱にさえも相対的に耐性のない負荷の数が増加しており、主要な例は、コンピュータ、デジタル制御器／制御装置、およびさまざまな種類の電子データ処理装置である。商用電力送電網による規格化された電力の供給が短時間でさえ中断しても、コンピュータまたは制御器を誤動作させる可能性があり、ときには損害が大きく、通常は面倒な結果となる。

この問題を明確にする間に、以前はコンピュータ事務機器製造業者協会（ＣＢＥＭＡ）であった情報技術産業審議会（ＩＴＩ）は、一組の電力許容曲線を開発したが、この電力許容曲線は、これらの種類の負荷の連続作動を確実にすることになる電力標準を決定するための、規格を確立するかあるいは少なくとも手引きを提供する。その点では、コンピュータが、半分の周期すなわち８．３ｍｓの停電に耐え得ることを示す規格が採用されていたが、この規格は、最近になってＩＴＩにより約２０ｍｓに変更されている。一方、モータ制御器および同様のものなどといった多相デジタル電子装置の用途のいくつかは、約８．３ｍｓより大きな停電に耐えることができない。商用電力送電網で利用可能な電力は、現在は、実質的に連続してはこの要求に適合できない。従って、重要な負荷が、実質的に連続したまたは不断の電力の供給を確実に受けることが重要な場合には、補助的な電力供給源を提供することが必要であったし、必要である。この出願の目的のために、８．３ｍｓの継続時間を超えない中断または切り換えを伴う電力の供給は、「継ぎ目なし」、「実質的に連続」、または「実質的に不断」であると呼ぶことができる。

図１を参照すると、既存の一形態の無停電電源装置（ＵＰＳ）すなわちいわゆる「オンライン」または「二重変換」型が例示されており、これは、商用電力送電網の供給が中断されあるいは所定範囲を外れるような場合に、重要な負荷に供給するのに使用される。商用電力送電網電力供給は、通常は、導線１１０に現れており、３極切り換えスイッチ１１２の通常は閉になっている接点を介して整流器１２０に通されており、整流器１２０は、インバータ１２２を介して重要な負荷１１４に供給する。しかしながら、商用電力送電網の電力が所定の範囲内にないような時間内および時間中に連続した電力を供給するために、予備蓄電池１１６が、設けられて、制限された継続時間の即座の電力を供給し、その後、非常用発電機１１８が、切り換えスイッチ１１２の他方の接点に接続されて、より長い期間の臨時供給で対応する。負荷１１４のためのＡＣ電力に依拠するシステム内に蓄電池１１６の使用を適合させるためには、蓄電池１１６を充電するための整流器１２０と、蓄電池からのＤＣ供給を負荷に必要なＡＣ供給に変換するためのインバータ１２２とを設けることが必要である。高速スイッチ１２４が、切り換えスイッチ１１２と負荷１１４の間に接続されており、インバータ１２２または整流器１２０が点検される必要がある場合は、臨時電力を供給するためのバイパススイッチとして機能する。送電網および負荷は、通常直接は接続されていずに、むしろ負荷への電力は、ＵＰＳ蓄電池を利用して一対の変換器を通る必要があるので、この種のＵＰＳは、「オンライン」または「二重変換」型と呼ばれる。この構成は、効果的ではあるが、商用電力送電網の電力が不十分な時間中にのみ使用される多数の高価な構成要素を必要とする。

実質的に不断の電力を重要な負荷に供給するための電力システムの別の構成は、２００１年９月１１日に発行された米国特許第６，２８８，４５６号に対応する国際公開第ＷＯ９９／６０６８７号として１９９９年１１月２５日に公開された「電力システム」のためのＰＣＴ出願第ＵＳ９９／１０８３３号に記載されている。本願の図２を参照すると、このＰＣＴ出願／米国特許に記載された発明の関連部分が、非常に簡略化された概略的な形態で図示されており、要素は、その下２桁が、図１内の機能的に同等のその対応品と同じになるように番号が付けられている。重要な負荷２１４は、不断の電力システムモジュール２３１内にある電動発電機２３０から実質的に不断の電力を受け取り、不断の電力システムモジュール２３１は、同様に、切り換えスイッチ、整流器、およびインバータを含む。電動発電機２３０の連続した電力を最大にするためのいくつかの代替の電力供給源が設けられる。そのような電力供給源の一つは、商用電力送電網２１０とすることができる。別の供給源は、燃料電池発電機電力設備２１８とすることができる。切り換えスイッチイング構成２１２によって、商用電力送電網２１０と燃料電池２１８の一方または他方が、通常、電動発電機２３０を駆動するための電力を供給できる。また、この種の不断の電力供給は、送電網が、負荷２１４に直接接続されておらず、整流器およびインバータ変換器、およびフライホイールと燃料電池の少なくとも一方を通して作用して電動発電機２３０に電圧を印加し、電動発電機２３０が、そして次に、不断の電力を供給するので、「オンライン」または「二重変換」型である。実際、燃料電池２１８は、システムの経済性のために商用電力送電網２１０を用いる送電網接続（Ｇ／Ｃ）モードで作動するように設定され、それによって、送電網接続モードでは、送電網と燃料電池の両方が、切り換えスイッチの「送電網」端子を供給する。送電網供給２１０が故障した場合は、燃料電池２１８が、電動発電機２３０のための連続した電力供給源として機能するように意図される。しかしながら、そのような場合、燃料電池２１８は、作動の「送電網接続」（Ｇ／Ｃ）モードから「送電網独立」（Ｇ／Ｉ）モードに再設定される必要がある。燃料電池２１８の電力調整システム（ＰＣＳ）部分は、付随するインバータ、スイッチングトランジスタ、および遮断器（図示せず）を含み、これらは、ＤＣ電力のＡＣ電力への変換を行うとともに、燃料電池作動の基本的なＧ／ＣモードおよびＧ／Ｉモードを調節する。このモードの移行（Ｇ／ＣからＧ／Ｉへ）は、燃料電池２１８と切り換えスイッチ２１２に、一般に、５秒間までの間、発電を中断するよう要求していた。そのような中断は、「継ぎ目なし」ではなく、重要なコンピュータ負荷２１４にとって許容できない継続時間となるであろう。従って、予備フライホイール電力供給源２１６は、制限された継続時間の即座の電力を（図１の蓄電池供給源１１６に類似して）電動発電機２３０に、少なくともそのようなモード変換の間、提供する。予備電力供給源２１６は、双方向のＡＣ／ＤＣ変換器２３８を駆動するフライホイール２３６である。変換器２３８は、通常作動時にフライホイールを回転させ続けるとともに、予備作動時にフライホイール２３６を放電させる。切り換えスイッチング構成２１２内および不断の電力システムモジュール２３１内で使用されるさまざまな切り換えスイッチは、電気機械式、静的、またはこれらの組み合わせとすることができ、さまざまな電力スイッチング機能を行うように機能する。

上述したＰＣＴ出願／米国特許の電力システムは、実質的に不断の電力の供給源をさまざまな重要な負荷に提供することができるとともに、電力の主要な供給源の一つとして燃料電池を有利に使用することができるとはいえ、それにも拘わらず、それは、複雑で費用のかかるかなりの付加的装置の使用を必要とする。例えば、別々の電動発電機２３０と、フライホイール２３６／変換器２３８の組み合わせを含む予備電力供給源２１６とは、要求されかつ必要とされる電力の連続性の程度を確実にするために、必要ではあるが高価である構成要素の典型となっている。

別の種類のＵＰＳは、「待機」型であり、ここでは、送電網は、負荷に直接接続されており、待機ＵＰＳは、たとえ負荷に接続されていたとしても、スイッチが負荷からの送電網の接続を解除するまでは、無負荷運転のままである。そのようなシステムの例は、米国特許第６，０１１，３２４号に開示されている。燃料電池および付随するインバータは、通常、負荷に接続されているが、無負荷運転待機モードでは、送電網が、電力を負荷に直接供給する。送電網が故障したとき、燃料電池は、迅速に全出力電力にされるとともに、ソリッドステートスイッチが、送電網の接続を解除する。ここでも、燃料電池を含む費用のかかる多数の構成要素が、商用電力送電網電力が不十分な時間の間にのみ使用される。

一般に重要な負荷に供給するのに送電網電力と燃料電池に基づく電力の両方を利用する電力システムにおいてさえも、時々、保守および同様のものなどの理由によって燃料電池を利用できない場合がある。このような電力システムの燃料電池に基づく部分が、一つの電池だけを有する場合、あるいは、複数の燃料電池であって、万一それらの全体が最大負荷要求を満足させるのに利用できないかまたは満足させる能力がない場合は、一つまたは複数の重要な負荷は、「送電網のみ」の種類の電力供給システムについて上に検討した電力の制限／予測できない変化に直面することがあり得る。さらに、一つまたは複数の燃料電池と送電網両方が利用できる場合であっても、送電網が電圧サージ源となることがあり、これに対する負荷の保護を向上させるのが望ましい。

本発明によれば、実質的に不断の電力を一つまたは複数の重要な負荷に提供する相対的に経済的で信頼性のある電力システムが提供される。少なくとも一つでことによると複数の燃料電池電力設備から成る第一の電力供給源が通常は、少なくとも重要な負荷に供給するのに十分な電力を提供する。商用電力送電網などの第二の電力供給源も、重要な負荷に供給するのに十分な電力を提供する。一つまたは複数の燃料電池電力設備は、重要な負荷に通常は実質的に連続して接続されるように適合され、かつ接続されるとともに、通常は実質的に連続して少なくとも重要な負荷にかなりの電力を提供する。高速遮断スイッチまたは静的スイッチが作動して、一つまたは複数の燃料電池電力設備の経済的で連続した使用のために、一つまたは複数の重要な負荷および一つまたは複数の燃料電池電力設備に商用電力送電網を迅速かつ継ぎ目なしで接続しかつ接続を解除する。かなりの経済性が、通常は実質的に連続して作動する一つまたは複数の燃料電池を実質的に連続して、負荷にかつ通常はまた送電網に、接続することにより、実現される。このように、一つまたは複数の燃料電池は通常は、その定格電力を連続して供給でき、必要な部分が、重要な負荷に達し、どのような過剰も、重要でない負荷と送電網の少なくとも一方に供給される。静的スイッチは、一つまたは複数のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）、またはサイリスタとすることができる。ソリッドステートスイッチ制御器は、静的スイッチを４ｍｓまたはそれ未満で迅速にスイッチングするように作動して、第一の電力供給源と第二の電力供給源の間の継ぎ目なしの切り換えを行う。このスイッチング速度は、サイリスタの従来のライン転換を用いて得られるものよりかなり高速である。さらなる制御電子機器は、一つまたは複数の燃料電池電力設備のそれぞれに付随する電力調整システム（ＰＣＳ）インバータの作動モードにおける高速移行（約４ｍｓ未満）を提供する。これによって、燃料電池モード移行は、今までは通常遅かったが、確実に、静的スイッチの速度に比較できる速度となり、それによって、第一の電力供給源と第二の電力供給源の、それらの間の、実質的に継ぎ目なしの電力切り換えが提供される。これは、一つまたは複数の燃料電池電力設備の連続した生産的な作動を可能とする。

燃料電池が保守などのため一時的に使用不可になる場合、および、静的スイッチの開の間に存在する短い継続時間の送電網の逸脱から送電網の過渡的現象が生じることがありそうな場合の一方または両方の場合に、連続した（すなわち、不断の）、一様なすなわちよく調整された電力の供給を重要な負荷に供給するために、一つまたは複数の電力保証処置または手段が、送電網と燃料電池電力設備電力供給源の一方または両方に関連して提供される。そのような電力保証処置の一つは、静的スイッチが開の間に重要な負荷において電圧スパイクが出現するのを防止するように送電網供給源内に線路フィルタを含ませることである。別のそのような電力保証処置は、整流器を介する燃料電池電力設備インバータへの送電網の向けなおした接続であり、これは、特定の燃料電池が使用から外れ、さらに送電網と負荷の間にある程度の遮断を付加する場合に、冗長な電力供給源を負荷に保証する。なお別のそのような電力保証処置は、特定の燃料電池が使用から外れるときに一時的な送電網の遮断を乗り切るための、あるいは、燃料電池だけが作動しているとき、燃料電池の容量を瞬間的に超えて電圧の一時的な減少を引き起こす瞬間的増加を負荷が経験するときの燃料電池の電力出力を一時的に補充するための、貯蔵エネルギー装置のインバータへの接続である。これらの電力保証処置は、単独にまたはさまざまな組み合わせで使用でき、最大の利益が、全ての使用から導き出される。

本発明の上述した特徴、利点は、添付の図面に例示される、本発明の例示的な実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より明らかになるであろう。

図面を参照すると、図１、図２は、先に背景技術で説明した従来型の不断の電力システムを図示する。

図３を参照すると、本発明に従う電力システム８の一部の詳細な概略ブロック図が図示される。電力システム８は、商用電力送電網バス１０に接続されるとともに、所定サイトにある一つまたは複数の燃料電池電力設備１８を使用して、実質的に連続して３相電力を、負荷接触器（図示せず）に、さらにそれを通して、通常は同様にそのサイトにある一つまたは複数の負荷１４に供給する。簡略化のために、「１本のライン」の図または表示が、ここでは、３相供給ラインばかりでなく、それらに含まれるスイッチなどを図示するのに使用される。送電網１０、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８、および一つまたは複数の負荷１４は、全体が破線ブロックまたは配置１１によって表されるサイト管理システム（ＳＭＳ）を通して、相互に接続されるとともに制御される。一つまたは複数の負荷１４は、一般に、多数の個々の顧客負荷を含み、そのうちの少なくともいくつかは、実質的に連続した電力供給を必要とし、従って、「重要な負荷」と見なされる。重要な負荷１４は、通常、コンピュータ、コンピュータを使用する制御装置、および電子データ処理装置のうちの少なくとも一つである。説明と視覚的相違点を容易にするために、相対的により高い電圧／電流／電力を一つまたは複数の負荷１４に運ぶ図の部分は、システム８のより低い電圧の制御部分とは対照的に、太くしてある。

商用電力送電網バス１０は、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８が導線またはバス１５を介して提供するように、通常、４８０Ｖ_ACおよび６０Ｈｚの電力を提供する。全体が１２によって示されるスイッチング装置が、一つまたは複数の燃料電池１８、一つまたは複数の負荷１４、および商用電力送電網１０を相互に接続するように機能する。このように、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８は、一つまたは複数の燃料電池の経済的な使用のために、全時間において負荷１４と商用電力送電網１０の一方または両方に電力を供給するように利用可能でありかつ接続される。スイッチング装置１２は、以下に説明するように、商用電力送電網バス１０を、負荷１４および一つまたは複数の燃料電池電力設備１８に選択的に接続しおよび接続を解除するための静的スイッチモジュール１７などの高速遮断スイッチを含む。静的スイッチモジュール１７は、２０００アンペアの定格でありかつ約１／４周期（約４ｍｓ）内で電力の継ぎ目なしスイッチイング切り換えを実施できる３極電気作動静的スイッチ１９を含む。さらに、スイッチング装置１２は、点検のために静的スイッチ１９を主として遮断しかつ一つまたは複数の負荷１４に電力を提供し続けるために、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８、負荷１４、商用電力送電網バス１０、および静的スイッチモジュール１７を互いにさらに選択的に接続しおよび接続を解除するためのいくつかの内部連結器（ｉｎｔｅｒ−ｔｉｅ）または遮断器スイッチ２１、２１Ａ、２３、２３Ａ、および遮断スイッチ２５を含む。第二の目的は、大きな障害電流を、万一そのような障害が負荷１４内に生じた場合に、静的スイッチ１９の代わりに遮断器２３Ａを通して流すことである。

本発明は、複数の燃料電池電力設備１８を有する電力システムにおいて有用でありかつそれに適用できるとはいえ、その最大の相対的価値は、本実施態様に示すように、単一の電力設備を有する電力システム８にある。燃料電池電力背恥部１８は、負荷１４と商用電力送電網１０の一方または両方に電力を提供するように接続される。例示的な実施態様においては、各燃料電池電力設備１８は、２００ｋｗユーティーシー燃料電池（ＵＴＣＦｕｅｌＣｅｌｌ）ＰＣ２５^TMＣ電力設備とすることができ、２００キロワットまでの電力を提供する。独立して図示していない燃料処理装置に加えて、燃料電池電力設備１８は、燃料電池アッセンブリ６０および電力調整システム（ＰＣＳ）６２を含み、この電力調整システム６２は、ＤＣ電力を所望の電圧および周波数のＡＣ電力に変換するソリッドステートインバータ６４を含む。ＰＣＳのおよびＰＣＳによる制御は、よりいっそう詳細に以下に説明するように、さらに、Ｇ／ＣからＧ／Ｉへまたその逆への燃料電池電力設備１８の作動モードの変換を可能とする。Ｇ／Ｃモードで使用されるとき、ＰＣＳ６２により制御される変数は、供給される（有効および無効の両方の）電力である。Ｇ／Ｉモードで使用されるとき、制御される変数は、出力電圧および周波数、および、複数の電力設備１８が関係する場合は、位相である。制御可能な回路遮断器８０は、燃料電池６０が作動しているとき、インバータ６４の出力に接続され、通常は閉にされて、それぞれの電力設備１８からの電力出力を提供する。一つまたは複数の燃料電池電力設備１８の出力は、バス１５に接続され、バス１５は、デルタ対ワイ変成器（ｄｅｌｔａ−ｔｏ−ｗｙｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）２７およびバス１５’を通してスイッチング装置１２に接続される。変成器２７は、負荷１４のために別々に導かれる中性／接地装置（ｎｅｕｔｒａｌ／ｇｒｏｕｎｄｓｙｓｔｅｍ）を提供し、また、燃料電池ＰＣＳと、負荷１４および商用電力送電網バス１０の少なくとも一方との間の遮断を提供する。

サイトモニタ制御器（ＳＳＣ）２９が、システム８のための運転者インターフェースを提供し、通常は高いレベルでのシステムの制御に責任を負うことができる。ＳＳＣ２９によって、運転者は、「始動」、「停止」などの高いレベルの命令を発することができる。ＳＳＣ２９は、システム８のさまざまな構成要素および機能の制御を実行するために、一つまたは複数のプログラム可能な論理制御装置、データ処理装置、コンピュータ、検出器、などを含むことができる。運転者コンソール３２が、ＳＳＣ２９のためのディスプレイおよび入力能力を提供する。ＳＳＣ２９は、リンク５２を通してのようにスイッチング装置１２のいくつかのシステム制御も提供でき、このスイッチング装置の主なローカル制御は、静的スイッチ１９により自動的に起こる。さらに本発明に従うと、ＳＳＣ２９は、以下に説明するように、一つの／この燃料電池６０が電力生成に利用できない場合の静的スイッチ１９の制御のための、および、それぞれの電力設備１８の回路遮断器８０の制御のための制御手段として機能することができる。

さらに、以下に説明する送電網電圧基準信号１０’ばかりでなく静的スイッチモジュール１７からの信号に応答して、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８のＰＣＳ６２の直接の制御を提供するサイト管理制御器（ＳＭＣ）３１が設けられる。また、ＳＭＣ３１は、コンピュータ、付随する検出器、および制御回路から構成することができる。ＳＭＣ３１は、ＳＭＳ１１に含まれた部分として見なしかつ考えることができる。制御バス３３が、ＳＭＣ３１と一つまたは複数の燃料電池電力設備１８のＰＣＳ６２との間で制御信号を交換する。制御信号はまた、ＳＳＣ２９と、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８の、燃料電池６０、および回路遮断器８０を含むＰＣＳ６２との間で、制御バス３５を介して交換される。制御信号は、ＳＭＣ３１と静的スイッチモジュール１７の間で制御バス４０を介して交換される。電圧または電位変成器３７が、送電網の電圧、位相、および周波数を示す制御信号を提供する目的で、４８０Ｖ_AC送電網電圧を検出するとともに、低下された１２０Ｖ_ACの値を、バス１０’を介してＳＭＣ３１と静的スイッチモジュール１７に伝達する。一つまたは複数の変成器３７の図示された位置および量は、概して象徴的であり、理解されるように、そのような一つまたは複数の変成器は、代替として、制御信号が提供されるための制御回路またはモジュールの一部として組み込まれることができる。電流変成器４１が、負荷１４に接続された電力バス経路３９内の負荷電流を検出するとともに、その値を、バス４３を介して静的スイッチモジュール１７に伝達する。同様に、電流変成器４２が、送電網電流を検出するとともに、その値を、バス４４を介して静的スイッチモジュール１７に伝達し、電圧変成器４６が、負荷電圧を検出するとともに、それを、バス４８を介して静的スイッチモジュール１７に伝える。

さらに図４に関するスイッチング装置１２についてのさらなる考察では、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８からの電力バス１５’は、遮断器２１を通して静的スイッチ１９の一方の極に接続される。電力バス経路３９は、静的スイッチ１９のこの極から通常は閉になっている遮断スイッチ２５を通して負荷１４に延びている。商用電力送電網電力バス１０は、静的スイッチ１９の他方の極に遮断器２３を通して延びている。遮断器スイッチ２１および２３は、一つまたは複数の燃料電池１８と商用電力送電網１０の一方または両方からの電力が、静的スイッチ１９が閉になるとすれば、負荷１４に供給され得るように、通常作動時に閉にされるように意図される。同様に、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８によって重要な負荷１４に供給される電力が電池の全電力出力より小さいとすれば、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８からの過剰な電力は、静的スイッチ１９を通して商用電力送電網に、または、少なくとも静的スイッチ１９の送電網側に位置する顧客の重要でない負荷（図示せず）に、供給され得る。実際、これは、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８の使用を最大にするとともに、送電網１０からの電力の、必要性および費用を最低限に抑えるので、好ましい経済的な作動モードである。

バイパス遮断器スイッチ２１Ａは、電力バス１５’から負荷１４と遮断スイッチ２５の間の電力バス経路３９に接続され、通常は開になっており、閉にされるときは、保守または遮断の目的のために遮断器スイッチ２１をバイパスするように機能する。同様に、バイパス遮断器スイッチ２３Ａは、商用電力送電網バス１０から負荷１４と遮断スイッチ２５の間の電力バス経路３９に接続され、通常は開になっており、閉にされるときは、静的スイッチが故障した場合、または保守時、または静的スイッチの定格を超えるのに十分大きな負荷障害時に、遮断器スイッチ２３と静的スイッチ１９をバイパスして送電網電力を負荷１４に供給するように機能する。遮断器２１、２３、および２３Ａは、電気的に作動され、静的スイッチ１９により自動的に制御されて、５または６周期、例えば約８０〜１００ｍｓの間に切り換えを実行する。遮断器スイッチ２１Ａと遮断スイッチ２５は、手動である。スイッチ２１、２３、および２３Ａは、ＳＳＣ２９により手動で制御されることもできる。スイッチ２１、２１Ａ、２３、２３ａ、および２５のそれぞれは、２０００アンペアの定格であり、回路遮断器は、６５ｋａｉｃの障害中断定格を有する。一般的伝達リンク５２が、スイッチング装置１２とＳＳＣ２９の間にあり、これらの間で、静的スイッチ１９、およびいくつかの遮断器２１、２３、２３Ａなどのための適切なステータス信号および手動制御信号を運ぶ。静的スイッチモジュール１７に付随する制御論理回路４９、特にそのスイッチ装置制御論理回路部分４９Ｂは、いくつかの遮断器およびスイッチ２１、２１Ａ、２３、および２３Ａを、そこへと延びる破線制御経路２１’、２１Ａ’、２３’、および２３Ａ’により示されるように、制御するように機能する。制御論理回路４９は、一般に、静的スイッチ１９を迅速に制御するための高速の論理回路部分４９Ａと、スイッチ装置１２の残りを制御するための相対的に、より低速の部分４９Ｂとから構成される。

図４をなおさらに参照すると、静的スイッチモジュール１７が、よりいっそう詳細に図示される。静的スイッチ１９が、実際は、３対のＳＣＲ（サイリスタ）であり、それぞれの制御ゲート１９Ｇがイネーブルにされた場合は、いずれかの方向に導通があるように、各対が、並列に対向した（ｐａｒａｌｌｅｌ−ｏｐｐｏｓｅｄ）関係で接続されているとはいえ、それらのＳＣＲの一つだけが、この図では図示されている。この３対のＳＣＲは、それぞれ、電力供給の３位相のそれぞれのためのものである。通常、制御ゲート１９Ｇは、共通に接続されるとともに、一斉に制御される。商用電力送電網バス１０上の電力と燃料電池バス１５／１５’上の電力の少なくとも一方が、制御ゲート１９Ｇがイネーブルにされたときに、ＳＣＲ１９を通って流れることができ、それによって、どちらかの供給源が、負荷１４に電力を供給することができ、また、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８が、送電網１０に過剰の電力を供給することもできる。

通常モードは、商用電力送電網１０と燃料電池１８が接続されるＧ／Ｃである。モジュール１７は、商用電力送電網バス１０からの電力の供給が所定範囲を外れるときを検出するための回路４５を含む。一般に、これらの範囲は、規格値または公称値に対する電圧および電流範囲を含み、検出回路４５は、いつ送電網がこれらの範囲を外れたかを示すために、導線４７上の信号を、制御論理回路４９、特にその静的スイッチ制御論理回路４９Ａに提供する。検出または検知回路４５は、高速で作動し、約２ｍｓ内で応答を与える。図示されていないとはいえ、別の高速作動周波数検知器が、送電網周波数をモニタできるとともに、「範囲」「内」または「範囲」「外」信号を、静的スイッチ制御論理回路４９Ａに提供できる。「範囲外」の送電網信号値は、例えば：ａ）どのような位相でも、４８０ｖ＋８％から−１５％の範囲外の瞬間送電網電圧の大きさ；ｂ）どのような位相でも、２，０００アンペアより大きな瞬間過電流；ｃ）０．５秒間を超える公称６０Ｈｚ値からの周波数の逸脱、その他などを含む。制御論理回路４９Ａは、所定範囲を外れた送電網に応答して、ＳＣＲゲート１９Ｇをディセーブルにする信号をそれらに提供するように作動する。ＳＣＲ１９は、迅速に転換を中止することになり、それによって、商用電力送電網バス１０は、負荷１４との直接接続から解除されるが、本発明に従うと、以下に説明するように、一つまたは複数の燃料電池電力設備１８のＰＣＳ６２との交互の好ましい接続は維持できる。電流検出器４２’が、ＳＣＲを通る電流を検出するとともに、ＳＣＲを通る零電流の発生のしるしを制御論理回路４９Ａに提供する。この情報は、論理回路４９Ａによって、ＳＣＲ転換をより高速にするのに使用される。この全体の作動は、通常、約１／４周期（４ｍｓ）内に生じ、従って、送電網１０と一つまたは複数の燃料電池電力設備１８との両方からの一つまたは複数の燃料電池電力設備１８のみへの、負荷１４に直接接続された電力供給源の継ぎ目なし切り換えを容易にし、一つまたは複数の燃料電池電力設備は、迅速に再設定される。これは、従来のライン転換を用いてＳＣＲを転換するのに必要とされる８ｍｓまたはそれを超えるよりは、かなり高速である。検出回路４５は、送電網の範囲外の状態を検出するとき、静的スイッチ１９を迅速に開にし、また、送電網電力供給源が許容可能な範囲内に戻ったと決定するとき、それを導通に迅速に戻すことができる。

さらに、制御論理回路４９Ｂは、さまざまな送電網、負荷、および燃料電池の範囲外または障害の条件下で、スイッチング装置２１、２３、および２３Ａを作動させるのに、電圧および電流検出器３７、４１、４２、および４６を使用する。例えば、静的スイッチ１９の電流定格を超えることができるような負荷過電流条件が存在する場合は、スイッチ２３Ａは、閉にされて、障害電流を負荷１４に伝導し、静的スイッチをバイパスする。さらなる例として、燃料電池障害は、低い負荷電圧、および負荷過電流ではないがおそらく高い送電網電流をモニタすることにより、間接的に検知できる。そのような場合は、スイッチ２１は、開にされて、燃料電池障害を負荷１４から遮断する。制御論理回路４９Ａは、さらに、制御信号バス４０の一部に特定のモード信号を提供する。ＳＳＣ２９からの手動制御では、Ｇ／Ｉステータス信号が、制御論理回路４９により導線４０３上に提供され、ＳＷ１９イネーブル信号が、導線４０４上に受け取られる。導線４０３および４０４上の信号は、伝達リンク５２を介して運ばれ得る。

ＰＣＳ６２内でＳＭＣ３１を介して実行されるモード制御のさらに詳細な説明が必要とされる程度まで、確実な電力を重要な負荷に供給するシステムという名称の許可された米国特許出願番号第０９／７８２，４０２号を参照できる。この出願すなわち出願番号０９／７８２，４０２号は、本願の「親」であり、本願の出願人に譲渡されており、ここと矛盾しない程度まで参照によってここに組み込まれる。本発明の目的のためには、ＰＣＳ６２ばかりでなく、静的スイッチ１９を含むスイッチング装置１２が、送電網の電力の品質に許容できない変動が生じる場合に、静的スイッチ１９による重要な負荷１４との送電網１０の直接接続からの送電網１０の迅速な接続の解除と、Ｇ／ＣからＣ／Ｉへの一つまたは複数の燃料電池電力設備１８の作動モードの迅速な変更とを実行するように制御される、と言えば十分である。一つまたは複数の燃料電池電力設備１８は通常、連続的に作動して、重要な負荷１４に接続されており、モード移行は、十分に速く、送電網の喪失からの任意の電力遮断は約８ｍｓより短く、約４ｍｓであり、それによって、重要な負荷１４への電力は実質的に不断である。

通常の作動は、送電網１０と一つまたは複数の電力設備１８の一つまたは複数の燃料電池６０とが、少なくとも一つの重要な負荷１４に、またことによると一つまたは複数の燃料電池電力設備によって送電網に、電力を十分に提供するように、また、送電網の逸脱の場合に一つまたは複数の燃料電池電力設備が負荷１４に電力を継ぎ目なしで提供するように、作動することを予想している。しかしながら、時々、一つまたは複数の燃料電池６０は、保守および同様のものなどの理由でオフラインとなる必要があるし、また必要があり得る。個々の燃料電池６０の全体の電力生成の稼働率は、一般に９７％と決定されているが、これは、燃料電池６０が利用できないときの多少の短い時間間隔の可能性を明示している。これは、他の燃料電池と送電網１０の一方または両方が、一つまたは複数の負荷１４の要求に適合するのに十分であれば、深刻な問題にはならないであろう。しかしながら、電力システム８に一つだけしか燃料電池電力設備１８が存在しないときに特にそうであるように、一つまたは複数の任意のさらなる燃料電池６０の容量が、一つまたは複数の重要な負荷１４の要求に適合するのに十分でない場合に、本発明は、一様で連続的な電力を一つまたは複数の負荷１４に保証するのに備える。一様で連続的な電力のこの保証は、本発明の一つまたは複数の態様において、一つまたは複数の燃料電池６０が作動していようと作動していなかろうと、特定の送電網の過渡的現象の場合にまで及ぶものであり、また、この保証は、一つまたは複数の燃料電池６０が作動しているとき、特に、容量が限られている単一の燃料電池と燃料電池のアレイとの一方または両方で起こり得るように一つまたは複数の燃料電池６０の電力容量の限度を超える場合に、一つまたは複数の負荷１４への電力に特定のかなりの過渡的な増加が生じる場合にまで及ぶことさえできる。

図３に戻って、本発明の態様の一つに従うと、線路フィルタ６５が、電力システム８において送電網１０からの入力において接続される。線路フィルタ６５は、実際は三つのフィルタであり、三相システムの三つのラインのそれぞれに一つのフィルタとなっている。線路フィルタ６５は、短い継続時間（すなわち、一周期より短い）の送電網の逸脱の間に静的スイッチ１９が開になる間に起こり得るであろう過渡的現象または電圧スパイクを減衰させるのに十分な誘導値を有する。このように、この過渡的現象は、回路全体に、特に一つまたは複数の負荷１４に過渡的現象が適用される前に減衰される。線路フィルタは好ましくは、最もありそうなサージの範囲に適合するのに十分な誘導値を有する。従って、線路フィルタ６５は、燃料電池６０が通常に作動していようと作動していなかろうと、送電網１０に起こり得る過渡的現象から一つまたは複数の顧客負荷１４を保護する緩衝器として機能する。

本発明の別の態様に従うと、送電網１０は、関連する燃料電池６０が使用から外れることがあるような時間間隔の間に、燃料電池電力設備１８内のＰＣＳ６２に関連するインバータ６４を介して一つまたは複数の負荷１４に電力を提供する。送電網１０の支線１０’’が、ＰＣＳ６２内の電力整流器６６などの単向性伝導装置を介して燃料電池電力設備１８のＰＣＳ６２のインバータ６４に延びている。送電網支線１０’’は、フィルタ６５の利益を得るように、好ましくは線路フィルタ６５（もし存在するならば）と静的スイッチ１９との間で、静的スイッチ１９の前において送電網１０に接続される。手動とすることができる通常閉の安全スイッチ６８が、整流器が使用されている場合にこの支線を遮断するように、整流器６６と直列に接続されている。それに対応して、燃料電池６０のＤ．Ｃ．出力が、電力整流器７０などの別の単向性伝導装置を介してインバータ６４に接続される。同様に、手動とすることができる通常閉の安全スイッチ７２が、整流器７０、燃料電池６０、および整流器６６のうちの少なくとも一つが使用されている場合にこの支線を遮断するように、整流器７０と直列に接続されている。

インバータ６４は、ＤＣからＡＣへの電力インバータであり、通常の燃料電池の作動中は、燃料電池６０からのＤＣ電力が、直接整流器７０を通ってインバータ６４へ流れ、そこでそれは変換されて、回路遮断器８０を通ってバス１５へ、そして最終的には一つまたは複数の負荷１４へとＡＣ電力を提供する。作動中の燃料電池６０を用いる通常作動中に、送電網１０、１０’’からのＡＣ電力は、整流器６６によって整流され、燃料電池６０からの電力を補充するようにインバータ６４の入力においてＤＣ電力として利用できる。燃料電池６０と送電網１０、１０’’は、インバータ６４への入力として並列に効果的に接続され、あるいは接続され得るので、二つの整流器７０および６６の存在は、一つの電力供給源からもう一つの電力供給源への「逆供給（ｂａｃｋｆｅｅｄｉｎｇ）」または「不意（ｓｎｅａｋ）」の経路を防止するように機能する。

しかしながら、燃料電池６０が、保守のため「ダウン」して作動中でない時間間隔の間に、上述した構成は、送電網１０、１０’’から燃料電池電力設備１８のインバータ６４を通して一つまたは複数の負荷へと電力を供給することによって、よく調整された電力の継続した供給を保証するのに有用である。さらに、送電網１０、１０’’から一つまたは複数の負荷１４へ整流器６６とインバータ６４を介して電力を提供するこのモードは、ＡＣからＤＣへ、次いでＡＣ電力へ戻る送電網電圧の二重の変換を提供するように機能し、これは、送電網１０と一つまたは複数の負荷１４との付加的な程度の遮断を提供する。燃料電池６０が使用から外れるようなときは、静的スイッチモジュール１７の論理回路が、静的スイッチ１９を開にする。これは、燃料電池６０が公称電力を生成しているか決定するようにライン３５を介して燃料電池６０の状態をモニタするＳＳＣ２９によって達成され、燃料電池６０が公称電力を生成していない場合、信号が、ライン５２を介して静的スイッチ制御論理回路４９へ提供され、静的スイッチ１９を「開」に、すなわち「オフ（ｏｆｆ）」にする。これは、一つまたは複数の負荷１４への送電網１０の直接接続を終了させるが、すぐに、ライン１０’’を介して整流器６６とインバータ６４を通る新しい送電網電力経路が、よく調整されたＡＣ電力をバス１５を介して一つまたは複数の負荷１４に提供する。静的スイッチ１９の速度と、送電網１０から整流器６４およびインバータ６４を通る接続の存在とが、一つまたは複数の負荷１４に電力を供給するのに使用される電力の供給源の継ぎ目のない切り換えを保証し、また、処理においては、二重変換システムの遮断の利益を提供する。重要なことには、回路遮断器８０はこれまで、燃料電池６０が作動していなかったときにバス１５から電力設備１８の接続を解除するように開になっていたけれども、今では、本発明に従って、燃料電池６０が作動していない場合は回路遮断器８０が閉じたままで、しかしインバータ６４が支線１０’’と整流器６６を介して送電網１０に接続されることを保証することが必要である。この決定と、回路遮断器８０の制御とは、ＳＳＣ２９によってそれの燃料電池６０およびＰＣＳ６２との接続３５を介して行われ、また、それに関連する検出器と論理回路の一方または両方を含むことができる。このような検出器と実行回路とは詳細に図示していないけれども、図５のモード状態表を参照することで、燃料電池６０、整流器６６、さらにはインバータ６４でさえも、それらの作動状態の「オン（ｏｎ）」／「オフ（ｏｆｆ）」の決定が、適切な検出器によって行われ、次いでＳＳＣ２９内のロジックが、適切な一つまたは複数の命令を遮断器８０に提供して、適切な遮断器状態を提供することが、理解されるであろう。このルーチンの例外は、インバータ６４が誤りを経験することがあり、この場合に、その誤り検出器が、遮断器８０を開にするよう直接有効になる場合である。この後者の場合には、ＳＳＣ２９からの遮断器への任意の命令は、無効または「重要でない（ｉｎｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ）」であり、表では「考慮せず」と表示される。

本発明のなおさらなる態様に従うと、燃料電池電力設備１８、および好ましくはそのＰＣＳ６２は、ここではキャパシタ７５と図示されかつインバータ６４に作用するよう接続される、貯蔵エネルギー装置７４を含む。貯蔵エネルギー装置７４は、送電網供給源１０において、燃料電池６０が使用から外れるときに、あるいは、電力要求の過渡的な増加と燃料電池６０によりインバータ６４へ供給される電圧の付随的な低下とを引き起こす瞬間的な負荷の増加の間に、燃料電池６０だけが作動しているときに、起こり得る任意の短い遮断または移行を「乗り切る（ｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈ）」または「平滑化（ｓｍｏｏｔｈ）」するための貯蔵電気エネルギーの即座の供給を提供する。それぞれの場合、インバータ６４の入力において許容可能なレベルまたはしきい値より下へのＤＣ電圧の低下によって、貯蔵エネルギー装置７４は、そのエネルギーの一部を電圧の低下を乗り切る努力のため放出することになる。貯蔵エネルギー装置７４は、キャパシタ７５以外の蓄電池または同様のものなどの形態を取ることができることは理解されるであろう。キャパシタ７５は、比較的高価でなく、蓄電池と同様に、それを整流器７０および６６に接続することによって燃料電池６０および送電網１０’’それぞれから充電され（そして維持され）るという利点を有する。

本発明の上述した三つの態様のそれぞれは、特に燃料電池が使用から外れるときの短い時間間隔の間に、燃料電池と従来の電力送電網供給源の組み合わせに基づく電力システムから重要な負荷へ連続で一様な流れを持続的に提供するのに個々に有利である。それに対応して、これらの利点は、上述したこれらの態様の組み合わせ、または好ましくはそれらの全てを含ませることによって増大する。

本発明は、その例示的な実施態様に関して説明かつ図示したが、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、上述したものおよびさまざまな他の変更、省略、および追加を行うことができることは、当業者には理解されるはずであろう。例えば、組み合わされた電力システムにおけるさらなる信頼性が、システム部品の冗長化などの技術、さらには、燃料電池へ適切に利用できる十分な燃料を保証する燃料供給源の管理、および同様のものなどによって、実現され得る。

従来技術に従う不断の電力供給の一型式の簡略概略ブロック図。従来技術に従って燃料電池電力設備を使用する不断の電力供給の簡略概略ブロック図。重要な負荷に不断の電力を保障するように本発明に従って相互接続された送電網および燃料電池電力設備を使用する不断の電力システムの簡略概略ブロック図。よりいっそう詳細に静的スイッチを例示する概略ブロック図。燃料電池および整流器の作動状態に関連する燃料電池遮断器の作動モード状態の表。

Claims

不断のＡＣ電力を重要な負荷（１４）に提供する電力システム（８）であって、
ａ．少なくとも一つの燃料電池電力設備（１８）から成り、重要な負荷（１４）に供給するのに十分な電力を通常は提供し、通常は実質的に連続して重要な負荷（１４）に接続されかつ電力を供給する、第一の電力供給源（１８）と、
ｂ．重要な負荷（１４）に供給するのに十分な電力を提供する、第二のＡＣ電力供給源（１０）と、
ｃ．第二の電力供給源（１０）を第一の電力供給源（１８）および重要な負荷（１４）に選択的に接続しかつ接続を解除する、高速遮断スイッチング手段（１９）と、
を備えており、
ｄ．前記少なくとも一つの燃料電池電力設備であって、燃料電池（６０）と、インバータ（６４）を含む電力調整システム（ＰＣＳ）（６２）とを備え、燃料電池（６０）は、重要な負荷（１４）に供給するＡＣ電力への変換のためにインバータ（６４）にＤＣ電力を供給するように通常は接続される、少なくとも一つの燃料電池電力設備と、
ｅ．第一および第二の電力供給源（１０、１８）の一方または両方に作用するよう接続され、かつ、重要な負荷（１４）へのＡＣ電力の一様で連続した供給を向上させる、電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）と、
を備えることを特徴とする電力システム（８）。
電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）は、重要な負荷（１４）への電力の一様で連続した供給を提供するように、燃料電池電力設備（１８）のＰＣＳ６２のインバータ６４に作用するよう接続されることを特徴とする請求項１記載の電力システム（８）。
電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）は、負荷（１４）への電力の供給において第二の電力供給源（１０）における過渡的なサージを減衰させるサージ抑制手段（６５）を少なくとも備えることを特徴とする請求項１記載の電力システム（８）。
電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）は、負荷（１４）への電力の供給において第二の電力供給源（１０）における過渡的なサージを減衰させるサージ抑制手段（６５）を少なくとも備えることを特徴とする請求項２記載の電力システム（８）。
サージ抑制手段（６５）は、第二の電力供給源（１０）におけるサージを負荷（１４）のために緩衝するように第二の電力供給源（１０）と直列に接続される線路フィルタを備えることを特徴とする請求項４記載の電力システム（８）。
電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）は、第二の電力供給源（１０）から負荷（１４）への電力供給を保証するように、かつ、保護的な遮断を向上させるように、第二の電力供給源（１０）と負荷（１４）との間に作用するよう接続される二重変換電力接続手段（１０’’、６６、６４、７０）を少なくとも備えることを特徴とする請求項２記載の電力システム（８）。
二重変換電力接続手段（１０’’、６６、６４、７０）は、第二の電力供給源（１０）から負荷（１４）へ二重変換電力を提供するように、第二の電力供給源（１０）からインバータ（６４）に直列に接続（１０’’）される第一の整流器（６６）を備えることを特徴とする請求項６記載の電力システム（８）。
二重変換電力接続手段（１０’’、６６、６４、７０）は、第二の電力供給源（１０）と第一の電力供給源（１８）の燃料電池（６０）との間で電力の逆供給を防止するように、燃料電池（６０）と直列に、かつ、第一の整流器（６６）および第二の電力供給源（１０）と並列に接続される第二の整流器（７０）をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の電力システム（８）。
電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）は、少なくとも第二の電力供給源（１０）からインバータ（６４）への電圧の低下の間の一時的な時間間隔の間にインバータ（６４）へ電気エネルギーを提供するように接続される貯蔵エネルギー手段（７４）を少なくとも備えることを特徴とする請求項２記載の電力システム（８）。
電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）は、第二の電力供給源（１０）と第一の電力供給源（１８）の燃料電池（６０）からインバータ（６４）への電圧の低下の間の一時的な時間間隔の間にインバータ（６４）へ電気エネルギーを提供するように接続される貯蔵エネルギー手段（７４）を少なくとも備えることを特徴とする請求項６記載の電力システム（８）。
貯蔵エネルギー手段（７４）は、第二の電力供給源（１０）およびインバータ（６４）に少なくとも接続されるキャパシタ（７５）を備えることを特徴とする請求項１０記載の電力システム（８）。
電力保証手段（６５；１０’’、６６、６４、７０；７４、７５）は、インバータ（６４）および負荷（１４）に電気エネルギーを一時的に提供する第三の電力供給源（７４）を提供するように整流器（６６）を含む少なくとも第二の電力供給源（１０）と並列にインバータ（６４）に接続されるキャパシタ（７５）と、第二の電力供給源における過渡的なサージを抑制しかつ減衰させそれによって負荷（１４）を保護するように第二の電力供給源（１０）と直列に接続される線路フィルタ（６５）とをさらに備えることを特徴とする請求項７記載の電力システム（８）。