JP2001507199A - ハイブリッド発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ハイブリッド発電設備は、可変電圧電気出力を与えるエンジン／発電機又はその他の可制御電源（１０）を備え、この出力を整流してＤＣ−ＤＣ変換器（１２）に供給する。その出力（ＶＤＣ）を、制御回路（１６）によって監視する。この出力は、中間ＤＣ出力として機能し、通常、インバータ（１４）に給電され、外部負荷に供給するＡＣ出力を発生するために用いられる。ＤＣ−ＤＣ変換器の使用により、中間ＤＣ出力を発電機の出力から分離し、発電機が広いエンジン／発電機速度範囲にわたって、負荷要求量に応じて効率的に動作することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 ハイブリッド発電装置発明の背景 本発明は、負荷が経時的に大幅に変動する負荷に供給するために使用可能な発 電装置に関する。 従来の発電設備では、エンジン又はその他の発動機が正しい周波数のＡＣ電気 出力を与えるように算出された、公称一定速度で同期交流発電機を駆動している 。実際には、エンジンの速度は正確には一定に留まっている訳ではないため、こ のような発電設備の電気出力の周波数に、望ましくない変動が生じてしまう。 最大負荷要求に応じた電力を供給するためには、発電設備の規模をそれに応じ て決定しなければならない。しかしながら、平均負荷は通常、ピーク負荷の僅か ２０％である場合もあり、規模を大きくすることは、大きな無駄となる可能性が ある。負荷要求量が大きく変動し、間欠的にのみ発電設備に大きな負荷がかかる 可能性がある用途は、溶接、充電、及び、電動機の起動／運転等のように、多数 存在する。したがって、これらの用途に用いられる発電設備は、軽い負荷状態に も効率的に対処可能であることが望ましい。 エンジン／発電機の速度を様々に変化させることにより負荷要求量の変動に応 答し、低負荷状態では電池を利用して負荷に給電する可変速度発電設備が提案さ れている（例えば、Plahn et al（プラーン等））の米国特許第５，５６３，８ ０２号を参照のこと）。しかしながら、この種の公知のシステムには種々の欠点 があり、その１つとして、エンジン速度の動作範囲の限界、負担を伴うデューテ ィ・サイクルによる電池の短寿命、及び、劣悪負荷条件下における性能低下が含 まれる。 本発明の目的は、負荷の著しい変動に対処可能であり、しかも効率的に動作す るハイブリッド（混成）発電装置を提供することである。発明の概要 本発明によれば、電力供給装置は、 可変電圧及び可変電流の少なくとも一方の電気出力を提供する少なくとも１つ の制御可能な電源と、 前記少なくとも１つの制御可能な電源の前記可変電圧又は可変電流の電気出力 から、前記電源の電気出力の変動に実質的に独立した中間直流出力を発生するデ カップリング変換手段と、 中間直流出力から、時間的変動負荷に供給する交流又は直流出力を発生する出 力手段と、 前記少なくとも１つの制御可能な電源の前記電圧又は電流、並びに前記中間直 流出力を監視し、これらに対応する出力信号を発生するセンサ手段と、 出力信号に応答し、前記少なくとも１つの制御可能な電源の動作を制御して、 該電源の電力出力を動的に変動させることによって、時間的変動負荷が必要とす る電力を供給する制御手段と を備えている。 制御可能な電源は、燃料電池、又は、水力発電機、風力タービン、ガス・ター ビン／発電機等の機器、あるいは、非電気入力から電気出力を発生する任意の機 器で構成することができる。 制御可能な電源は、また、エンジン、及び、デカップリング変換手段に可変電 圧出力を与える発電機を備えることも可能である。 好ましくは、発電機は、可変電圧で可変周波数の交流出力をデカップリング変 換手段に与える交流発電機であり、電力供給装置は、発電機の交流出力を整流す る整流手段を含み、デカップリング変換手段は、整流された交流出力を、基準電 圧に関して制御される電圧を有する中間直流出力に変換するＤＣ−ＤＣ変換器を 備えている。 制御手段は、変換手段の中間直流出力及び制御可能な電源の負荷状態を監視し 、負荷状態が所定の値を超過した場合、エンジンの速度を上昇させるように構成 されたセンサ手段を含むことが好ましい。 一実施形態では、制御手段は、所定のレベルにおいてあるいは所定の範囲内に 、 制御可能な電源から流れる電流を保持するように制御し、センサ手段は、変換手 段の中間直流出力における出力電圧を監視し、中間直流出力の電圧が第１の電圧 スレシホルドより低下した場合、エンジンの速度を上昇させて変換手段に供給す る電力を増大させるように構成された電圧センサを備える。 別の実施形態では、制御手段は、中間直流出力の電圧をほぼ一定に保持するよ うに動作し、センサ手段は、制御可能な電源から流れる電流を監視し、制御可能 電源からの電流が第１の電流スレシホルドを超えた場合、エンジンの速度を上昇 させて変換手段に供給する電力を増大させるように構成された電流センサを備え ている。 電力供給装置は、中間直流電圧から充電され、かつ中間直流出力の電圧が公称 値より低下した場合に中間直流出力にエネルギを放電するように構成された少な くとも１つの第１のエネルギ蓄積手段を含むことができる。 電力供給装置はさらに、厄介な補助負荷の出力手段への接続を検出し、該補助 負荷への電力の供給を制御することにより、出力手段の過負荷状態を防止するよ うに構成された補助負荷制御手段を含んでもよい。 好ましくは、電力供給装置は、少なくとも第２のエネルギ蓄積手段と、変換手 段の中間直流出力から第２のエネルギ蓄積手段を充電するための充電回路と、中 間直流出力電圧が第１の電圧スレシホルドよりも低い第２の電圧スレシホルドよ り降下した場合に、第２のエネルギ蓄積手段を放電するための放電回路であって 、第１のエネルギ蓄積手段と並列に接続された放電回路とを含むことが好ましい 。 一実施形態では、電力供給装置は、第３のエネルギ蓄積手段と、電源から第３ のエネルギ蓄積手段に充電するための充電回路と、第２のエネルギ蓄積手段が少 なくとも部分的に放電した後に第３のエネルギ蓄積手段を放電するための補助変 換手段であって、第１及び第２のエネルギ蓄積手段と並列接続された補助変換手 段とを含んでいる。 第１及び第２のエネルギ蓄積機器は、好ましくはコンデンサであり、第３のエ ネルギ蓄積機器は、好ましくは電池である。 電力供給装置は、エンジン／発電機の速度を監視し、それに関係する速度出力 信号を発生する速度センサと、速度出力信号から電力信号を発生する関数発生手 段とを備え、電力信号が、エンジンの電力／速度特性を表し、制御手段が電力信 号を利用してエンジンの動作を最適化するよう構成することが好ましい。 電力供給装置はさらに、周囲圧力及び温度を監視し、圧力出力信号及び温度出 力信号をそれぞれ発生する周囲圧力及び温度センサを含み、更に、周囲動作圧力 及び温度の変動を補償するエンジン・ディレーティング特性を備えた出力を発生 する各圧力及び温度関数発生器を含んでもよい。 また、電力供給装置は、エンジンの排気温度を監視し、排気温度出力信号を発 生するように構成された排気温度センサと、速度出力信号から排気温度／速度− 負荷特性信号を発生する排気温度関数発生器と、排気温度出力信号と排気温度／ 速度−負荷特性信号との差から誤差信号を発生し、これによってエンジン排気温 度に影響を与える要因を補償するコントローラとを含むこともできる。図面の簡単な説明 図１は、電圧制御方式を利用した、本発明によるハイブリッド発電装置を簡略 化したブロック図である。 図２は、電流制御方式を採用した装置の変形例を示している、図１と同様の図 である。 図３は、負荷予測回路を含む図１の装置を、その出力回路と共に更に詳細に示 した図である。 図４は、装置の交流出力回路を示した図である。 図５は、第１及び第２のエネルギ蓄積機器を含む、第１の装置の変形を示した 図である。 図６は、図５に示した装置と同様であるが、第３のエネルギ蓄積機器を含む装 置の変形を示した図である。 図７ａは、内燃エンジンによって駆動する永久磁石ＡＣ発電機を備えた、本発 明の好適な実施形態の詳細な構成図である。 図７ｂは、図７ａの装置の制御システムにおける種々のスレシホルドと基準電 圧との関係を示す図である。 図８ａ〜図８ｃ及び図９ａ〜図９ｃは、本発明の装置の一実施形態の特性を示 すグラフである。 図１０及び図１１はそれぞれ、更に精巧化した電圧及び電流制御ループを利用 した本発明の更に別の変形を示した図である。 図１２、図１３及び図１４は、本発明の装置と共に使用し、その動作を最適化 することが可能な追加の制御回路を示した概略図である。 図１５は、制御可能な電源として燃料電池を採用した本発明の一実施形態のた めの制御ループを示すブロック図である。実施形態の説明 図１は、本発明によるハイブリッド（混成）発電装置の構成を簡略化したブロ ック図である。エンジン／発電機、燃料電池、太陽電子システム、水力発電機、 風力タービン、又は、出力を変化させるよう制御可能な他の電気エネルギ源から なる制御可能な電源（可制御電源）１０が、ＤＣ−ＤＣ変換器１２からなるデカ ップリング変換手段に接続されている。ＤＣ−ＤＣ変換器の出力を、ここでは、 電圧ＶＤＣを有する中間ＤＣ出力（中間直流出力）と呼ぶことにする。この中間 ＤＣ出力を「負荷」１４に供給する。負荷１４は、殆どの実施形態では、中間Ｄ Ｃ出力をＡＣ波形に変換し外部負荷に供給する、インバータのような出力変換手 段である。外部負荷は、例えば、ＤＣ負荷又は車両モータである場合もある。 デカップリング変換手段１２は、本装置の制御方式が電源１０の出力の大幅な 変動に対処できるように、中間ＤＣ出力を電源１０の電流出力及び電圧出力の少 なくとも一方の変動からデカップリング即ち分離するという重要な機能を提供す る。例えば、電源１０がエンジン／発電設備である場合、デカップリング変換手 段１２のデカップリング作用によって、エンジン／発電機の広い速度範囲にわた る動作を可能にしつつ、中間ＤＣ出力を所望の動作パラメータの範囲に保持する 。また、変換手段１２は、電源を負荷の変動からデカップリング即ち分離する機 能も果たす。 デカップリング変換手段１２は、可制御電源１０の種別(nature)に応じて、種 々の形態を取ることができる。電源の出力がＤＣ出力である場合、デカップリン グ手段はＤＣ−ＤＣ変換器であることが好ましい。ＡＣ出力を備えた電源１０の 場 合、ＡＣ−ＤＣ変換器を用いることも可能である。必要なことは、デカップリン グ変換手段１２は、変換機能を有し、電源１０からの広範囲に変動する電気出力 を受け入れ、測定及び制御回路からの制御信号に応じて、電源１０の電気出力か ら中間ＤＣ出力を発生することである。 図１において、測定及び制御回路を参照番号１６で表している。この回路は、 アナログ回路又はデジタル回路で構成することができ、適切なソフトウエアの下 で実行するマイクロコンピュータを利用することも容易に可能である。しかしな がら、以下の説明のために、測定及び制御「回路」と呼ぶことにする。 第１の電圧センサ１８が、中間ＤＣ出力値ＶＤＣを監視し、電圧信号Ｖ_１を 発生し、測定及び制御回路１６に供給する。第２の電圧センサ２０が電源１０の 電圧出力を測定し、第２の電圧信号Ｖ_２を発生し、これを測定及び制御回路１ ６に印加する。加えて、電流センサ２２が、電源からＤＣ−ＤＣ変換器１２への 電流出力を測定し、電流信号Ｉ_２を発生し、これを測定及び制御回路１６に印 加する。また、回路１６には、電圧基準信号Ｖ_ｒｅｆ２及び電流基準信号Ｉ_ｒ ｅｆ２がそれぞれ供給される。 電圧センサの出力Ｖ_１は、制御ループ２４にも供給される。制御ループ２４ には基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１が供給され、該ループは、電気出力信号を発生して電 源１０の制御システム２６に印加する。電源の種別に応じて、制御システム２６ は、内燃エンジンの燃料噴射コントローラであったり、又は、例えば、燃料電池 内のガス（例えば、水素及び酸素）の流れを制御するコントローラとすることが 可能である。 図１の装置は、参照番号２８で示すエネルギ蓄積機器を含んでいる。これは、 回路の中間ＤＣ出力に接続されている。本発明の単純な態様では、エネルギ蓄積 機器２８は、中間ＤＣ出力に単に並列に接続され、中間ＤＣ出力に適用された負 荷が突然変動した場合に短期間の予備エネルギを与えるコンデンサで構成するこ とができる。更に精巧化した実施形態（以下を参照）では、エネルギ蓄積機器２ ８は、各制御システム毎に、１つ以上の異なるエネルギ蓄積機器を補うことも可 能である。 図１の装置は、電圧制御ループと共に動作する。この電圧制御ループは、デカ ップリングＤＣ−ＤＣ変換器１２が、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２に応じた最大電圧に よって、中間ＤＣ出力の電圧ＶＤＣを効果的に規制し、電源１０からの変動する 入力電圧には無関係に、基準に応じてＶＤＣの値を制御ループによって調節する ように構成されている。 同時に、この動作モードでは、変換器１２は、電流基準Ｉ_ｒｅｆ２に応じて 該変換器を通過する電流を制御し、電源１０にかかる負荷の最適化を図る。例え ば、エンジン／発電設備の場合、エンジン／発電機がその可変速度範囲内で動作 しているとき、該エンジンの最適電力／速度特性を近似した所望の曲線に応じて 、このエンジンに負荷をかける。負荷の電力要求量が突然増大した場合、変換器 １２によって適用される電流制御は、電源から流れる電流を増大することによっ て、増大された負荷電力要求量の供給を防止する。これは実際には、中間ＤＣ出 力の電力が不足し、負荷がエネルギ蓄積機器２８から直接エネルギを引き出し、 中間ＤＣ出力を増大させることを意味する。エネルギがこの機器から引き出され ると、機器の出力、したがって中間ＤＣ出力の電圧ＶＤＣは低下する。 第１の電圧センサ１８によって検出されたＶＤＣの値が第１の電圧スレシホル ド未満に低下した場合、その結果発生した入力信号Ｖ_１が制御ループ２４及び 制御システム２６に供給され、電源１０を制御して、その電力出力を増大させる 。エンジン／発電機の場合、制御システム２６はエンジン速度を高め、その結果 、発電機の出力電圧の上昇を得る。この電圧上昇により、変換器１２に供給され る電力が増大し、これによって、基準Ｉ_ｒｅｆ２によって設定された電源電流 を超過させることなく、変換器は更に高い電力を中間ＤＣ出力に供給することが 可能となる。このように、電源１０は負荷の要求を満たし、エネルギ蓄積機器２ ８を再充電する。中間ＤＣ出力の電圧ＶＤＣは、電圧基準信号Ｖ_ｒｅｆ１によ って決定される電圧スレシホルドに復元するまで上昇し、電源１０は、より高い 新たなレベルの出力電力で安定する。 負荷電力要求量が減少した場合、電源と負荷との間のバランスが再び崩れる。 この場合、電圧ＶＤＣが上昇し、電圧／速度制御ループは、電源の出力電力を減 少させるように動作し（例えば、エンジン／発電設備の場合、エンジン速度の低 下）、電源の出力電力及び電圧を低下させ、これにより、変換器１２がその出力 電圧を再度その公称値に低下させるようにする。 前述の動作モードでは、電流制御の一形態を、主電圧制御方式と共に用いた。 電源から引き出される電流を制御又は制限することによって、変換器１２及びそ の制御回路１６によって許容される所定の電圧変動枠の範囲内で、中間ＤＣ出力 の電圧ＶＤＣを、負荷要求量の変動と共に変動させる。実際には、この「枠」の サイズは、とりわけ、負荷変換器１４の動作パラメータ、エネルギ蓄積機器２８ のエネルギ蓄積容量、及び、電源１０のその制御システム２６に対する動的応答 によって決定される。 図２の装置は、採用した制御方式が電圧制御方式ではなく、主に電流制御方式 であることを除いて、図１の装置と実質的に同様である。電流制御方式にしたが って、変換器１２は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２に応じて中間ＤＣ出力の電圧ＶＤＣ を規制し、変換器１２への入力電圧の変動には無関係に、ＶＤＣの値を実質的に 一定に維持するように動作する。 負荷電力要求量（中間ＤＣ出力におけるＤＣ電圧とＤＣ電流の積）が増大した 場合、変換器内の電流、したがって電源１０によって供給される電流は、ＶＤＣ をほぼ一定に保持するようにするためには、増大しなければならない。変換器１ ２は、安全な動作範囲で、負荷電力要求量に応じて、電流を増大又は減少させる 。 負荷の値が大きくなり、そしてＶＤＣの値を実質的に一定に保持するために、 変換器１２は、電源１０からより多くの電流を要求することによって、負荷に給 電しようとする。電流センサ２２はこの増大を検出し、出力信号Ｉ_２を発生し 、測定及び制御回路１６並びに制御ループ２４の双方に印加する。制御システム ２６によって、制御ループ２４は電源１０の出力を調節し、その電力出力を増大 させる。例えば、エンジン／発電設備の場合、エンジン速度を上昇させ、発電機 の出力電圧及び電力を増大させる。電源の電圧出力を上昇させることにより、変 換器１２はその電圧ステップ・アップ比(voltage step-up ratio)を低下させる 。入力電圧が上昇するに連れて、変換器１２の入力電流は、電力基準信号Ｉ_ｒ ｅｆ２によって決定される電流スレシホルドに復元するまで減少し、電源１０は 、この新たな出力電力の状態で安定する（エンジン／発電機の場合、エンジンは より高い新たな速度で安定する）。 逆に、負荷電力要求量が減少した場合、変換器１２は、電源からの電流を減ら す。電流値がＩ_ｒｅｆ２によって設定される所定のスレシホルドより低下した 場合、電源の電力出力が減少する（例えば、エンジン／発電設備のエンジン速度 を低下させる）。電源の出力電圧がこれに対応して低下し、電源から引き出され る電流が増大する。電流が、電流基準Ｉ_ｒｅｆ２によって決定される値まで減 少した場合、電源は、その新たな電力出力の状態で安定する（例えば、エンジン ／発電設備において、エンジンの速度は、そのより低い新たな速度で安定する） 。 この動作モードでは、電源は、該電源から流れる最大電流を制限する変換器１ ２によって保護されている。電源電流が、最適と見なされる値まで増大した場合 （例えば、エンジン／発電設備の出力電流が、エンジンの最適トルク出力を表す 値に達した場合）、電圧制御方式を参照して説明される電流制限機能の動作を開 始させることができる。その後の負荷要求量の増大によって、中間ＤＣ出力の電 力が不足し、その結果、中間ＤＣ出力電圧ＶＤＣが対応して低下する。 前述の制御方式の双方において、デカップリング変換器１２の使用は、極めて 重要であり、非常に異なった特性を有する可変電源の使用を可能とすることがわ かる。 前述の基本的な装置には、多数の変形や変更が可能である。 例えば、エネルギ蓄積機器２８の代わりに、２つ以上の補助エネルギ源を利用 し、短期ピーク負荷及び長期ピーク負荷の双方に対して一層効果的に応答するシ ステムを備えることが可能である（以下を参照）。その他の場合では、補助エネ ルギ蓄積を除外することも可能である。その代わりに、負荷予測回路を導入し、 衝撃の大きな負荷即ち負荷の大変動に対処することも可能である。図３に、図１ の装置に本質的に対応する装置を示す。ここで、内部負荷１４は、ＤＣ−ＡＣ変 換器（即ち、インバータ）を備え、ＡＣ電気出力を主負荷（通常ＡＣ負荷）３０ に供給するように構成されている。加えて、第２の厄介な負担がかかる補助負荷 ３２も備えられており、この負荷は、動作中、過渡的な又は一時的な過負荷を発 生することが予期される。この負荷には、インバータ１４から、インターフェー ス回路３４及び電流センサ３６を介して給電する。電流センサ３６は、負荷電流 の大きさに関係する出力電流信号Ｉ_４をコントローラ３８に与える。コントロ ー ラ３８は、インターフェース回路３４の動作を制御する。 負荷を検出すると、インターフェース回路３４は素早く負荷をインバータ１４ から切断するか、あるいは、負荷への出力の周波数及び電圧の少なくとも一方を 低下させる。コントローラ３８は、出力信号Ｖａ２ｘを発生し、これを制御ルー プ２４に印加し、電源１０に最大出力電力を発生させる（エンジン／発電設備の 場合、エンジンを最大速度まで加速する）。一時的な準負荷(sub-load)状態が発 生し、通常の負荷適応電力制御ループは一時的に無視される。インターフェース ・コントローラ３８が、第２の電圧センサ２０の出力Ｖ_２から、電源１０の出 力が最大であることを検出した場合、コントローラ３８は制御信号Ｖ_ａｌｉを インターフェース３４に出力し、このインターフェースの所定の特性（例えば、 オン／オフ、可変電圧／周波数、又はソフト起動）に応じて、補助負荷３２をイ ンバータ１４に接続する。一時的な無視の後、通常の負荷適応制御システムは動 作を再開し、電源１０の電力出力が安定し、その出力電力及び全負荷要求量がバ ランスする。 一例として、補助負荷がＤＣシャント（分巻）電動機である場合、インターフ ェースは電圧をシャント巻線に印加し、次いで電機子回路上の電圧をその公称動 作値まで変更させる。補助負荷がＡＣ電動機である場合、インターフェースはソ フト起動回路におけるように印加電圧を低下させるか、あるいは可調節速度駆動 装置（ＡＳＤ:adjustable speed drive）におけるように、電圧及び周波数を比 例的に低下させることができる。また、補助負荷は、電源がその最大出力電力レ ベルに達した場合、単に切断しそして再接続することも可能である。 図４は、内部負荷１４が、主ＤＣ負荷４０に給電するＤＣ−ＤＣ変換器である ことを除いて、図３と同様の構成を示す（同一の構成要素は、省略し繰り返しを 避けた）。補助負荷４２（ＤＣ又はＡＣ）は、インターフェース４４及び電流セ ンサ３６を介して、装置の中間ＤＣ出力から直接供給される。 図５は、図１の実施形態に実質的に対応する装置の変形を示している。しかし 、この場合、第２の補足エネルギ蓄積機器４６を備えている。この構成では、エ ネルギ蓄積機器２８及び４６は、通常、１又は複数のコンデンサ又はウルトラ・ コンデンサで構成される。その代わりに、特にデューティ・サイクルがさほど負 担 ではない第２のエネルギ蓄積機器４６の場合、電池又はフライホイール・モータ ／発電機等の機器も採用可能である。コンデンサ（複数のコンデンサ）４６は、 第２のＤＣ−ＤＣ変換器４８を介して中間ＤＣ出力に接続されている。第２のＤ Ｃ−ＤＣ変換器４８は、これ自体と関連付けられた測定及び制御回路５０を有す る。制御回路５０は、第１の電圧センサ１８からのＶＤＣ値に対応する出力Ｖ_ １と、エネルギ蓄積機器４６の端子電圧に対応する第３の電圧センサ５２の出力 Ｖ_３と、電流センサ５４からの、補足エネルギ蓄積機器と変換器４８との間の 電流の大きさに対応する出力Ｉ_３とを受け取る。 測定及び制御回路５０は、変換器４８を制御し、ＶＤＣの値が、基準電圧Ｖ_ ｒｅｆ１によって決定される第１のスレシホルドよりも僅かに低い第２スレシホ ルドより低下した場合、第２のエネルギ蓄積機器４６からのエネルギを中間ＤＣ 出力に供給するように構成されている。したがって、負荷の電力要求量が瞬時に 大きく増大した場合、ＶＤＣの値は第２のスレシホルド未満に降下し、コンデン サ２８及び主デカップリング変換器１２によって供給されるエネルギと事実上並 列に、コンデンサ４６からの追加エネルギが負荷に供給される。 可変電圧機器であるコンデンサ（即ち、コンデンサの端子電圧はその充電状態 に応じて変化する）に適合するために、ＤＣ−ＤＣ変換器４８は、必要に応じて 、ステップ・アップ又はステップ・ダウン可変比率変換器の双方として（コンデ ンサの作業電圧に応じて）動作することができるので、中間ＤＣ出力に、ＤＶＣ に公称上等しい電圧を有する出力を送出する。この構成によって、かなり異なる 特性（例えば、動作電圧の高低）を有する補助エネルギ源を並列に使用すること が可能となる。 図６には、図５と同様の構成が示されている。しかしながら、この場合、電池 ５６の形態の第３の予備エネルギ蓄積機器を含んでいる。この場合、エネルギ蓄 積機器２８及び４６は双方とも、コンデンサ群である。この構成では、電池５６ は、主電源１０から得ることができるエネルギ源５８、あるいは、例えば補助主 電源、ソラー・パネル又はその他のエネルギ源とすることができるエネルギ源５ ８によって充電するように構成されている。エネルギ源５８の出力は、変換器６ ０に供給される。変換器６０の特性は、エネルギ源５８の種別によって決定され る。変換器６０の出力は電流センサ６２を介して電池５６に供給され、その動作 は、測定及び制御回路６４によって制御される。測定及び制御回路６４は、電流 センサ６２の出力、電圧センサ６６、並びに電流及び電圧基準信号Ｖ_ｒｅｆ４ 及びＩ_ｒｅｆ４に応答する。 電池５６は、インターフェース回路６８を介して、ＤＣ−ＤＣ変換器４８の入 力に接続され、その接続点は、事実上、変換器４８によって出力される主中間Ｄ Ｃ出力から分離即ち切断された、本装置の第２の中間ＤＣ出力である。 多数の制御可能な電源を用いた、本発明の前述の実施形態は、所定の制御方式 に応じて、２つ以上の異なる電源から１つ以上の負荷に給電可能な、ハイブリッ ド発電システムを示していることが明らかであろう。このように、本発明は、特 定の用途のためにハイブリッド発電システムを設計する際に、高い柔軟性を与え ることができる。 図示の実施形態では、第１のエネルギ蓄積機器２８は、負荷要求量の増大によ りＶＤＣの値が降下した場合に、負荷１４に放電する。ＶＤＣの値が更に第１の 電圧スレシホルド未満に低下した場合、図１を参照して先に説明したように、電 圧制御ループをアクティブ化する。第２のエネルギ蓄積機器４６は、ＶＤＣの値 が、第１のスレシホルドよりも低い第２のスレシホルド未満に低下した場合に、 エネルギを中間ＤＣ出力に放電する。第３のエネルギ源（予備電池５６）は、第 ２のエネルギ蓄積機器４６の出力において測定した電圧Ｖ_３が電池５６の端子 電圧未満に低下した場合に、放電する。 電池５６は、ＶＤＣの値が第２のスレシホルドよりも低い第３のスレシホルド 未満に低下した場合に、電力を中間ＤＣ出力に送出するように構成することがで きるが、予備電池のための制御回路は、第１及び第２の所定のスレシホルドとは 独立して、任意の時点においてインターフェース６８を介して電力を供給するよ うに構成可能であることは、重要な点である。この柔軟性は、本発明の特別な作 用効果である。 図６の構成では、コンデンサ群２８及び４６と比較すると、電池５６は通常負 荷に供給する頻度が比較的低い場合に用いられる。これにより、コンデンサは、 電池と比較して、相当多い充電／放電サイクル数を経てた後でも使用できるのに 対して、電池のデューティ・サイクルは非常に少ないから。したがって、この構 成によれば、システムの信頼性向上及び長寿命化をもたらしつつ、本装置に高い 柔軟性及び大きな予備エネルギ容量を与えることができる。 コンデンサ又は電池の代わりに、フライホイール電動機／発電機構成のような 、他の種類のエネルギ蓄積機器も使用可能である。適切なインターフェースを利 用することを別として、重要な基準は、選択したエネルギ蓄積機器の形式が、補 助蓄積機器が満たさなければならない、過渡エネルギ要求量及び長期エネルギ要 求量の双方と一致することである。 ここで図７ａを参照すると、本発明の一実施形態の更に詳細なブロック図が示 されている。この実施形態は、可制御電源１０として、エンジン／発電機を利用 する。プロトタイプにおいて用いたエンジン７０は、燃料噴射を伴うディーゼル ・エンジンであり、一方発電機７２はＡＣ永久磁石三相発電機である。エンジン は、燃料噴射コントローラ７４によって制御される。燃料噴射コントローラ７４ は、エンジン速度制御回路７６からの電気制御信号に応答する。発電機７２のＡ Ｃ出力は、三相整流回路７８に供給され、次いで、ＤＣ−ＤＣ変換器８２（これ までの図のデカップリング変換器１２に対応する）の入力に供給される前にＬＣ フィルタ８０に供給される。変換器は、ステップ・アップ・チョッパとして動作 する。発電機７２の出力は、エンジン７０の速度に応じて、電圧及び周波数の双 方を変動し、ＤＣ−ＤＣ変換器８２はこの可変電圧出力を中間ＤＣ出力に変換し 、これを用いて内部負荷１４（典型的にインバータ）に給電する。一方、内部負 荷１４は、外部負荷８４に給電する。前述のように、ＤＣ−ＤＣ変換器８２は、 エンジン７０の速度によって大幅に変動する発電機／整流器出力を中間ＤＣ出力 から効果的にデカップリング即ち分離する。 本装置の制御回路は、電圧制御回路８６を含んでいる。この電圧制御回路８６ には、基準電圧関数発生器８８からの主基準入力電圧Ｖｒ１０ｖ、及びＶＤＣの 値（即ち、中間ＤＣ出力における電圧）に対応する、電圧センサ９０からの第２ の入力電圧Ｖａ８が供給される。Ｖａ８の値は、適用された負荷の変動による、 ＶＤＣの値の変動を反映する。電圧制御回路８６は、本質的にレギュレータとし て機能し、ＶＤＣの測定値を主基準電圧Ｖｒ１０ｖと比較する。エンジン／発電 機の低速運転に対応する低負荷動作状態の場合、負荷変換器１４における電圧降 下は小さくなり、関数発生器８８は主基準入力電圧Ｖｒ１０ｖを低下させ、これ によって装置の部分負荷効率を高める。 ＤＣ−ＤＣ変換器８２は、電流／電圧変換制御回路９２を備えている。電流／ 電圧変換制御回路９２も、電圧センサ９０の出力Ｖａ８、基準電流関数発生器９ ４からの基準電流信号Ｖｒ９ｉ、及び電圧基準信号Ｖｒ９ｖを受け取る。加えて 、電流／電圧コントローラ９２には、整流器８０からＤＣ−ＤＣ変換器８２に供 給される電流の大きさから得られる入力信号Ｖａ５が供給される。電圧制御回路 ８６は、測定したＶＤＣの変動に応答して、基準速度信号Ｖｒ１１を発生し、こ れを、速度センサ９６からの出力信号Ｖａ２と共に、エンジン速度コントローラ ７６に印加する。速度コントローラ７６は、出力信号Ｖｒ１２を発生し、これを 燃料噴射コントローラ７４に印加し、エンジン７０の速度を変化させる。 速度信号Ｖａ２はまた基準電流関数発生器９４にも供給され、基準電流関数発 生器９４は、基準電流信号Ｖｒ９ｉを速度の関数として変更し、エンジンのトル ク／速度特性に対応させる。永久磁石発電機では、出力電圧が速度と線形的に変 化する場合、発電機の電流はエンジン・トルクに対応する。その結果、電流／電 圧コントローラ９２は変換器８２を制御し、そのトルク／速度特性に応じてエン ジン７０上の負荷を変化させ、これによって、広い範囲の変動負荷に対してその 性能を最適化する。 負荷８４の大きさが増大し、その結果、電圧信号Ｖａ８が、基準電圧Ｖｒ１０ ｖ、即ち、速度制御スレシホルドよりも小さい値を有することになった場合、電 圧制御回路８６は、エンジン速度が上昇するように、出力信号Ｖｒ１１の値を増 大させる。電流／電圧コントローラ９２は、発電機の出力電流が、基準電流信号 Ｖｒ９ｉによって設定される値と等しくなるように、ＤＣ−ＤＣ変換器８２の動 作を調節する。しかし、発電機の電圧、したがって変換器８２への入力電力が速 度と共に増大するに連れて、中間ＤＣ出力に送出される電力も対応して増大し、 ＶＤＣの値も増大する。Ｖａ８の値がＶｒ１０ｖの値に等しい場合に、安定性が 得られる。逆に、電圧信号Ｖａ９（ＶＤＣの値の変動に対応する）が基準電圧Ｖ ｒ１０Ｖよりも大きい場合、エンジン速度を低下させる。エンジンがその最低動 作速度に達し、ＶＤＣの値が基準電圧信号Ｖｒ９Ｖ（Ｖｒ１０ｖよりも大きさが 僅かに大きい）よりも大きいままである場合、電流／電圧コントローラ９２はＤ Ｃ−ＤＣ変換器８２を動作させてその出力を低下させるため、電流信号Ｖａ５は 、ＶＤＣの値が基準電圧Ｖｒ９ｖに等しくなるまで減少する。 主エネルギ蓄積機器（コンデンサ）２８に加えて、本装置は、コンデンサＣ３ 及び電池ＢＡＴからなる補助エネルギ蓄積機器を含む。電池は、ダイオードＤ６ によってコンデンサから分離されており、事実上、コンデンサと並列なハイブリ ッド・バッテリを形成する。電池電圧Ｖｂａｔは、コンデンサ電圧Ｖｃ３よりも 大幅に低いので、コンデンサＣ３は、放電するときに大量の電力を負荷に送出す ることができ、その端子電圧は比較的高い最大充電電圧から、最終的には電池の 端子電圧Ｖｂａｔに達する値に降下する。コンデンサの端子電圧がＶｂａｔの値 に等しい場合、電池は、ダイオードＤ６を介して、充電／放電コンデンサ９８を 通じて中間ＤＣ出力にエネルギを供給するので、電力供給機能を引き継ぐことに なる。 充電／放電変換器９８は、ダイオードＤ２及びＤ３並びにチョークＬ３と共に 、１対のトランジスタＴ２及びＴ３を備えている。トランジスタＴ３及びダイオ ードＤ３は、充電コントローラ１００によって制御され、チョークＬ３と共にス テップ・ダウン・チョッパとして機能し、中間ＤＣ出力によってコンデンサＣ３ を充電する。トランジスタＴ２及びダイオードＤ２は、放電コントローラ１０２ によって制御され、チョークＬ３と共にステップ・アップ・チョッパとして機能 し、コンデンサＣ３の中間ＤＣ出力への放電を制御する。また、予備電池ＢＡＴ は、トランジスタＴ２、ダイオードＤ２及びチョークＬ３で構成されたステップ ・アップ・チョッパを介して、中間ＤＣ出力に放電する。 放電コントローラ１０２は、中間ＤＣ出力の所定の電圧スレシホルドの値、及 び、前述のように電流センサ１１８によって与えられる適切な放電電流フィード バック信号Ｉｓｅｓに応じて、機能する。 充電コントローラ１００は、中間ＤＣ出力電圧信号Ｖａ８が、Ｖｒ１８ｖより も僅かに高い充電可能電圧基準Ｖｒ１９ｖｂを超過する場合、比較器１１９から の充電可能信号Ｖ２１に応答して動作する。これは、コンデンサ基準電流関数発 生回路１０４の出力に応じて動作し、速度センサ９６からの速度フィードバック 信号Ｖａ２の関数として基準電流信号を変更し、エンジン速度及び使用可能な電 力に応じて、コンデンサＣ３の充電を最適化する。 ブロック（遮断）ダイオードＤ５があるために、予備電池ＢＡＴは、充電／放 電変換器９８を介してでないと放電することができない(そして、充電できない) 。したがって、電池を充電するために、トランジスタＴ４、ダイオードＤ４及び チョークＬ４からなる追加の充電変換器１０６を備えている。変換器１０６は、 充電器コントローラ１０８によって制御され、ステップ・ダウン・チョッパとし て動作し、電池電圧モニタ１１０からのフィードバック電池電圧信号Ｖｂａｔ、 フィードバック電池電流信号Ｉｂａｔ、電池電圧基準信号Ｖｂａｔ_ｒｅｆ、及 び充電電流基準信号Ｉｂａｔ_ｒｅｆに応じて電池を充電する。後者の基準信号 は、電池基準電圧及び電池基準電流関数発生器１１２及び１１４によってそれぞ れ発生される。コンデンサＣ５及びインダクタＬ５からなるフィルタが、充電変 換器１０６の出力の平滑化を行い、高リップル電圧／電流により生じる電池の損 傷を防止する。 電池基準電圧関数発生器１１２は、電池の温度に応じて電池基準電圧信号Ｖｂ ａｔ_ｒｅｆを修正し、充電中のガッシング（ガス発生）を防止する。電池基準 電流関数発生器は、速度フィードバック信号Ｖａ２に応じて、電池基準電流信号 Ｉｂａｔ_ｒｅｆを修正し、使用可能な電力に関して電池の充電を最適化する。 図示の例では、電池充電変換器１０６のためのエネルギは中間ＤＣ出力から得 られるが、例えば、ソラー・パネルのような独立した電源を利用して、電池ＢＡ Ｔを充電することも可能である。 充電／放電変換器９８の制御回路は、負荷の大きさが突然増大したことによる ＶＤＣの値の降下（即ち、一時的過剰負荷状態）を検出したときに、殆ど瞬時的 に動作可能であるので、かかる要求量に対処してエンジン７０を非効率的に高い 速度で運転する必要はない。その代わりに、補助エネルギ源が、エンジン速度が 十分に上昇し負荷に完全に給電できるようになるまで、ピーク負荷要求量を満た す十分なエネルギを供給することができる。したがって、説明中の本発明の実施 形態は、可変速度、可変出力発電設備と並列に動作する、高速対応短期間エネル ギ源を事実上備えることになる。 図７ｂは、図７ａの回路における種々の基準電圧及び動作スレシホルド電圧と の間の相互関係を示している。電圧センサ９０からの信号Ｖａ８に対応する中間 ＤＣ出力の電圧ＶＤＣが、第２のスレシホルド電圧Ｖｒ１８ｖ未満に降下した場 合、変換器９８はコンデンサＣ３からの電流を中間ＤＣ出力に送り込み、コンデ ンサＣ３の端子電圧の低下とは無関係に、第２のスレシホルド電圧Ｖｒ１８ｖに その値を保持する。この端子電圧Ｖｓｅｓは、充電コントローラ１００に出力を 与える電圧モニタ１１６の入力電圧である。コンデンサの放電電流Ｉｓｅｓは、 電流センサ１１８から得られ、これも充電コントローラ１００に送られると共に 、放電コントローラ１０２にも送られる。 放電コントローラ１１２は、基準電流値Ｖｒ１８に応じて放電電流を制限し、 変換器９８を過負荷状態から保護し、更にコンデンサＣ３及び電池ＢＡＴを過剰 な放電率から保護する。 変換器９８を介した放電は、コンデンサＣ３の電圧Ｖｓｅｓが第３のスレシホ ルド未満に低下し、電池ＢＡＴの充電レベルの不足状態を示すレベルに達した場 合、放電コントローラ１０２によって禁止される。図７ａでは、簡略化のために 、電池保護手段は省略されている。しかしながら、電池ＢＡＴの放電の直接制御 は存在しない。コンデンサＣ３の端子電圧が予備電池ＢＡＴの電圧未満に低下し た場合、電池からダイオードＤ５を介してコンデンサＣ３に、そして変換器９８ を介して中間ＤＣ出力に電流が供給される。ダイオードＤ５間の電圧降下のため に、コンデンサＣ３間の電圧は、第２のスレシホルドより低い第３のスレシホル ドで安定する。この電圧レベルは、予備電池が、コンデンサＣ３から配電機能を 受け継いだ際の、予備電池の放電電圧特性によって決まる。 ＤＣ−ＤＣ変換器を発電機の出力と負荷との間に配置すると、変換器の効率が １００％未満であることから、従来の知識では、装置の効率低下を招くとことが 考えられるが、実際には、効果的な結果が得られる。ＤＣ−ＤＣ変換器を発電機 ／整流器と負荷との間に配置することの効果は、発電機出力をシステムの中間Ｄ Ｃ出力から「デカップリング」即ち分離し、システムは効率的に動作しつつ、よ り広い範囲のエンジン／発電機速度に対応可能となることである。したがって、 本発明の装置は、従来技術のシステムと比較して、負荷が軽い場合においても、 効率的に動作することができる。従来技術のシステムは、エンジン／発電機から 効率的に軽い負荷に給電することができず、代わりにこの目的のためには、電池 を使わなければならない。変換器における損失に起因するコスト上の問題点は、 本発明の装置の燃料効率における利得、及び全体的な電気出力効率と比較すれば 、無視し得る程のものに過ぎない。 図８ａ〜図８ｃ及び図９ａ〜図９ｃは、図７の速度／電力制御システムの動作 原理を示すグラフである。 図８ａにおいては、発電機の出力電力をエンジン速度の関数として示している 。「Ａ」が最低速度動作点であり、「Ｂ」が最大速度動作点である。Ａ及びＢの 双方共、一定速度動作の点である。点Ａ及びＢの間では、エンジンは可変速度モ ードで動作する。上側の線（破線）はエンジンの最大電力／速度特性を示し、下 側の線は所望の負荷電力曲線を示し、これは、任意の時点における加速のための 予備電力があるように、エンジンの最大電力曲線よりも常に下に位置する。 最低速度動作（Ａ）の点において、負荷電力は、点１（図８ａ参照）まで増大 することができる。負荷が更に増大すると、エンジンはその最大動作速度の点２ に達するまで加速される。この一定速度動作モードでは、負荷電力は最大エンジ ン電力定格（３）に達するまで増大することができる。 制御可能なデカップリング変換器を、発電機とシステムの中間ＤＣ出力との間 に用いることによって、最低及び最高速度動作点Ａ及びＢにおける限界を含む、 所望の曲線に応じた点１及び２間の可変速度領域において、エンジン上の負荷を 制御する機構が与えられる。所望の基準電流特性曲線に応じて発電機から引き出 される電流を制御することによって、制御を行う。図８ｃは、永久磁石発電機の 実質的に線形な電圧／速度特性を示す。発電機の負荷電力が、発電機の整流後の ＤＣ電圧及びＤＣ電流出力の積で表されるので、与えられた電圧特性について、 基準電流曲線を算出して、図８ａの点１及び点２の間の所望の電力曲線に一致す る負荷電力を求めることができる。 図８ｂにおいて、上側の線は電流を表し、これに図８ｃに示す電圧を乗算する と、図８ａの上側の線に示すエンジン最大電力特性曲線が得られる。電流は、エ ンジンのトルクに比例する。同様に、図８ｂにおける下側の線は、図８ａにおけ る下側の線が示す負荷電力特性を得るために必要な電流を表す。最低動作速度モ ードでは、発電機の電流がどのように点１まで増大することができるかがわかる 。点１及び点２の間では、所望の電力特性が得られるように発電機の電流を制御 する。点Ｂにおける最大一定動作速度モードでは、再び、電流は点３まで増大す ることができる。点３は、図８ｃにおける対応する電圧と共に、エンジンの最大 電力定格を生成する電流を表す（図８ａの点３に対応する）。 図９ａ〜図９ｃは、発電機の電圧、電流及び速度を、それぞれ、負荷電力の関 数として示す。図９ａ及び図９ｃの曲線は、永久磁石発電機の線形電圧／速度特 性のために、類似している。一定速度モードでは、電圧は一定のままである。負 荷を増大させ、点Ａにおける値を超過すると、エンジン速度は点１及び点２の間 まで上昇するので、エンジンは負荷の増大に対処することができる。点Ｂは、最 大一定速度を表すので、速度及び電圧は、点２及び点３の間では一定のままであ る。 図９ｂには、要求される速度／負荷電力特性を得るために必要な発電機の出力 電流を示している。負荷電流は、点１まで線形に増大することができる。点１及 び点２の間では、所望の速度／電力特性が得られるように、電流を図示のように 制御する。負荷が更に増大すると、電流は、点３の最大エンジン電力定格に達す るまで、再び一定速度動作モードで増大することができる。 前述の図は、電力対速度、ディレーティング・ファクタ(derating factor)等 のような、エンジンの動作特性に応じて、その動作を最適化するための比較的簡 素な制御方式を示している。エンジン速度は、最低動作速度と最大動作速度との 間で変化するので、その負荷は、エンジンの動作曲線から決定される最適電力／ 速度曲線を追従し、負荷が増大した場合の加速のために、常にある程度の予備容 量が可能である。 このようなエンジンの電力／速度特性において、永久磁石発電機の出力電圧は 速度と線形に変化する点を考慮すると、特性曲線（図８ｂ及び図９ｂ）に応じた 比較的単純な電流制御によって、負荷が経時的に変動する際に、エンジンが最適 な条件の下で動作することが保証され、エンジン速度は、図８ａ及び図９ａに示 す電力／速度関係に応じて変化する。 簡略化した制御方式では、エンジンがその可変速度動作領域内で動作する場合 、電流は単に一定のままでいるように規制すればよい。この場合、図８ｂにおけ る電流／速度曲線は、点１及び点２間の単純な水平線となり、一方、図９ａにお ける電力／速度曲線は、図９ｃにおける電圧曲線に追従する。エンジンの電力／ 速度特性が直線から大幅に逸脱する場合、速度は負荷の関数として変化しても、 エンジンが最適ではない負荷状態で動作する場合がある。しかしながら、多くの 場合、かかる簡略化制御方式は、完全に容認可能である。 図１０は、図１の構成において用いた制御ループの変形を示している。これは 、電源の電圧特性が図８及び図９に示すような線形でない場合に、必要となる。 速度センサ１２０が速度出力信号Ｖａ２を発生し、これを電力関数発生器１２２ に供給する。電力関数発生器１２２は、電源１０の出力電力を表す、対応する出 力信号Ｐを発生する（即ち、発電機を駆動するエンジンの電力対速度特性）。こ の信号は、電圧センサ２０からの信号Ｖ_２と共に、除算回路１２４に供給され る。除算回路１２４は、基準電流信号Ｉ_ｒｅｆ２を発生し、これを測定及び制 御回路１６に供給する。除算器１２４は、効果的に電力／速度特性曲線Ｐを電圧 信号Ｖ_２でリアル・タイムで除算し、ＤＣ−ＤＣ変換器に修正電流基準信号を 与え、図９ａに対応する所望の基準電力曲線を得る。 同様に、図１１において、図２の電流制御方式を変更して、速度センサ１２０ の出力Ｖａ２を電力関数発生器１２２に供給し、その出力Ｐを除算回路１２４に おいて電圧信号Ｖ_２で除算して修正電流基準信号Ｉｒｅｆ_２を発生し、所望の 基準電力曲線を得る。 図１２、図１３及び図１４は、前述の装置の動作を改良するために使用可能な 回路を示している。図１２においては、周囲温度センサ１２８及び周囲圧カセン サ１３０を備えており、それらの出力を、各関数発生回路１３２及び１３４に供 給する。温度センサ１２８は、空気がエンジンに入ってくる際にその温度を監視 し、関数発生器１３２の出力信号Ｋｄｅｒ１は、高周囲温度動作に対するエンジ ン・ディレーティング特性(derating characteristic)に比例する。同様に、圧 力センサ１３０は、エンジンの吸気口における空気圧力を監視し、圧力信号を周 囲圧 力関数発生器１３４に供給する。周囲圧力関数発生器１３４は、高い標高での動 作に対するエンジン・ディレーティング特性に比例する出力信号Ａｄｅｒ１を生 成する。トルク関数発生器１３６は、エンジン速度センサ１２０によって与えら れるエンジン速度信号Ｖａ２から、トルク基準信号Ｔを生成する。３つの信号は 全て加算ブロック１３８において加算され、エンジン・トルク／速度特性に比例 する出力電流基準Ｉ_ｒｅｆ２を生成する。この出力電流基準Ｉ_ｒｅｆ２は、標 準的な基準条件から逸脱した現場条件のために軽減されている。 図１３において、温度センサ１４８を用いて、排気温度信号Ｋｅｘ１を与え、 排気温度負荷コントローラ１４０において、エンジン速度信号Ｖａ２から排気温 度関数発生器１４２が発生するエンジン排気温度／速度−負荷特性信号Ｋｅｘ２ と、排気温度信号Ｋｅｘ１とを比較する。排気温度コントローラ１４０は、実際 の排気温度の基準信号からの逸脱に関係する出力信号Ｋｅｘ３を発生する。加算 ブロック１３８において、この誤差信号Ｋｅｘ３を、エンジン・トルク／速度関 数発生器１３６の出力と加算し、補正電流基準信号Ｉ_ｒｅｆ２を発生する。 排気温度は、周囲温度、圧力（標高の尺度）負荷、エンジン構造の全体的な健 全状態、及び使用する燃料の品質に比例するパラメータである。したがって、単 にエンジン排気温度を監視し、排気温度基準信号に対するその変動を補正するこ とにより、所定の負荷電力要求量に対するエンジンの速度を上昇させて、エンジ ンの動作を変更し、質の悪い燃料、高い周囲温度、高い標高、エンジンの整備状 態不良等のような条件を補償することができるので、便利である。 図１４では、図１３の構成を拡張し、関数発生器１４２において第２の出力Ｋ ｅｘ４を発生し、第２の排気温度コントローラ１４４において、実際の排気温度 Ｋｅｘ１と比較し、誤差信号Ｋｅｘ５を発生する。第２の加算ブロック１４６に おいて、最大速度基準信号を誤差信号Ｋｅｘ５と加算し、エンジン速度制御回路 のために、出力速度基準信号を生成する。これは、更に別の制御ループを追加し 、排気温度誤差に応じてエンジン速度を制御する。 図１２、図１３及び図１４に示すエンジントルク基準信号は、図１０のエンジ ンの電力／速度特性を表す修正電流信号Ｉ_ｒｅｆ２と置換することができる。 また、図１２、図１３及び図１４を参照して以下に説明したディレーティング技 法 は、前述の本装置の動作の電圧及び電流制御方式双方にも適用可能である。 次に図１５を参照すると、前述のエンジン／発電機の代わりに、燃料電池スタ ック１５０を備えた、別の電源が示されている。適切な場合には、図１において 用いた参照番号と同様のものを用いることにする。概念的に、図１５の構成は、 図１の電圧制御方式の下で発電機を駆動するディーゼル・エンジンの構成に非常 に類似している。デカップリングＤＣ−ＤＣ変換器１２は、その専用制御回路１ ６によって２つの基準入力を利用して制御される。即ち、２つの基準入力とは、 中間ＤＣ出力のＶＤＣの値をセットする電圧基準Ｖ_１ｘｒｅｆ、及び燃料電池 動作特性に一致するように修正した電流基準信号である、電流基準信号Ｉ_２ｒ ｅｆである。２つのフィードバック信号、即ち、Ｉ_２（燃料電池出力電流又は 変換器入力電流を表す）、及びＶ_１（中間ＤＣ出力における電圧）がある。 ＤＣ−ＤＣ変換器１２は、図１の構成と同様に動作する。主電カコントローラ １５２は、中間ＤＣ出力の電圧ＶＤＣを監視する。この電圧が基準電圧Ｖ_１ｘ ｒｅｆ未満に降下した場合、コントローラ１５２は電力基準信号Ｐを発生し、主 燃料電池コントローラ２４をアクティブ化する。これは、複雑度が高いコントロ ーラであり、燃料電池動作マップが、その制御ソフトウエアにプログラムされて いる。これは、燃料電池出力電圧Ｖ_２及び電流Ｉ_２を監視し、電流基準信号Ｉ _２ｒｅｆを発生し、ＤＣ−ＤＣ変換器及びそのコントローラを介して、中間Ｄ Ｃ出力の最適化動作特性及び主電源フロー・コントローラ１５２の電力要求信号 Ｐ_ｒｅｆに応じて、中間ＤＣ出力の電力供給を規制する。同時に、主燃料電池 コントローラ２４は、更に２つの出力信号、即ち、Ｏｘｙｇｅｎ Ｖｏｌ_ｒｅ ｆ信号及びＦｕｅｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ_ｒｅｆ信号を発生する。酸素／空気の 流れ、及びパラメータの燃料圧力が、燃料電池の非電気入力をしたがって出力電 力を、規制する。燃料圧力及び酸素流を規制することにより、燃料電池は部分負 荷、又は経時的に変動する負荷を用いても効率的に動作可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 コチャラ，ヴロヂミェルス ポーランド共和国ペエル―00―791 ワル シャワ，ホチムスカ 11 ミェシュカニェ 10 (72)発明者 ポスピェフ，パヴェウ ポーランド共和国ペエル―26―600 ラド ム，オルシュティンスカ 35 ミェシュカ ニェ ７ (72)発明者 ニェヂャルコウスキ，アンヂュジェイ ポーランド共和国ペエル―03―252 ワル シャワ，スヴァウスカ 32 ミェシュカニ ェ 84

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電力供給装置において、 可変電圧出力及び電流電気出力の少なくとも一方を与えるように構成された少 なくとも１つの制御可能な可制御電源と、 前記少なくとも１つの可制御電源の前記可変電圧又は電流電気出力から、前記 電源の電気出力の変動に実質的に独立した、中間直流出力を発生するデカップリ ング変換手段と、 前記中間直流出力から、時間的変動負荷に供給する交流又は直流出力を発生す る出力手段と、 前記少なくとも１つの可制御電源の前記電圧出力及び電流出力の少なくとも一 方並びに前記中間直流出力を監視し、これらに対応する出力信号を発生するセン サ手段と、 前記出力信号に応答し、前記少なくとも１つの可制御電源の動作を制御し、前 記電源の電力出力を動的に変動させることによって、前記時間的変動負荷が必要 とする電力を供給する制御手段と からなることを特徴とする電力供給装置。 ２．請求項１記載の電力供給装置において、前記可制御電源が、燃料電池、水 力発電機、風力タービン、ガス・タービン／発電機、又は非電気入力から電気出 力を発生するその他の機器であることを特徴とする電力供給装置。 ３．請求項１記載の電力供給装置において、前記可制御電源が、エンジンと、 前記デカップリング変換手段に可変電圧出力を与える発電機とを備えることを特 徴とする電力供給装置。 ４．請求項３記載の電力供給装置において、前記発電機が、可変電圧、可変周 波数の交流出力を前記デカップリング変換手段に与えるＡＣ発電機であり、前記 装置が、前記発電機の交流出力を整流する整流手段を含み、前記デカップリング 変換手段が、前記整流された出力を、基準電圧に関して制御される電圧を有する 中間直流出力に変換するＤＣ−ＤＣ変換器を備えることを特徴とする電力供給装 置。 ５．請求項４記載の電力供給装置において、前記制御手段が、前記変換手段の 前記中間直流出力及び／又は前記可制御電源の負荷状態を監視し、前記負荷状態 が所定の値を超過した場合、前記エンジンの速度を上昇させるためのセンサ手段 を含むことを特徴とする電力供給装置。 ６．請求項５記載の電力供給装置において、前記制御手段が、所定のレベルに おいてあるいは所定の範囲内において、前記可制御電源から引き出される電流を 維持するように動作し、前記センサ手段が、前記変換手段の前記中間直流出力に おける出力電圧を監視し、前記中間直流出力の電圧が第１の電圧スレシホルド未 満に降下した場合、前記エンジンの速度を上昇させて前記変換手段に供給する電 力を増大させるための電圧センサを備えることを特徴とする電力供給装置。 ７．請求項５記載の電力供給装置において、前記制御手段が、前記中間直流出 力の電圧をほぼ一定に維持するように動作し、前記センサ手段が、前記可制御電 源からの電流を監視し、前記可制御電源からの電流が第１の電流スレシホルドを 超過した場合、前記エンジンの速度を上昇させ前記変換手段に供給する電力を増 大させるための電流センサを備えることを特徴とする電力供給装置。 ８．請求項６又は請求項７記載の電力供給装置において、該装置は、前記中間 直流電圧により充電され、前記中間直流出力の電圧が公称値未満に低下した場合 、前記中間直流出力にエネルギを放電するように構成された少なくとも１つの第 １のエネルギ蓄積手段を含むことを特徴とする電力供給装置。 ９．請求項１〜８のいずれかに記載の電力供給装置であって、負担がかかる補 助負荷の前記出力手段への接続を検出し、該補助負荷への電力の供給を制御する ことにより、前記出力手段の過負荷状態を防止するための補助負荷制御手段を含 むことを特徴とする電力供給装置。 １０．請求項８記載の電力供給装置において、該装置は、少なくとも第２のエ ネルギ蓄積手段と、前記変換手段の前記中間直流出力から前記第２のエネルギ蓄 積手段を充電するように構成された充電回路と、前記中間直流出力電圧が前記第 １の電圧スレシホルドよりも低い第２の電圧スレシホルド未満に降下した場合、 前記第１のエネルギ蓄積手段と並列に、前記第２のエネルギ蓄積手段を放電する ように構成された放電回路とを含むことを特徴とする電力供給装置。 １１．請求項１０記載の電力供給装置において、該装置は、第３のエネルギ蓄 積手段と、電源から前記第３のエネルギ蓄積手段に充電するように構成された充 電回路と、前記第２のエネルギ蓄積手段が少なくとも部分的に放電した後、前記 第１及び第２のエネルギ蓄積手段と並列に、前記第３のエネルギ蓄積手段を放電 するように構成された補助変換手段とを含むことを特徴とする電力供給手段。 １２．請求項１１記載の電力供給装置において、前記第１及び第２のエネルギ 蓄積機器がコンデンサであり、前記第３のエネルギ蓄積機器が電池であることを 特徴とする電力供給装置。 １３．請求項４〜７のいずれかに記載の電力供給装置において、該装置は、前 記エンジン／発電機の速度を監視し、それに関係する速度出力信号を発生する速 度センサと、前記速度出力信号から電力信号を発生する関数発生手段とを備え、 前記電力信号が、前記エンジンの電力／速度特性を表し、前記制御手段が該電力 信号を利用して前記エンジンの動作を最適化することを特徴とする電力供給装置 。 １４．請求項１３記載の電力供給装置において、該装置は、周囲圧力及び温度 を監視し、圧力出力信号及び温度出力信号をそれぞれ発生する周囲圧力及び温度 センサを含み、更に、周囲動作圧力及び温度の変動を補償するエンジン・ディレ ーティング特性を備えた出力を発生する各圧力及び温度関数発生器を含むことを 特徴とする電力供給装置。 １５．請求項１３記載の電力供給装置において、該装置は、前記エンジンの排 気温度を監視し、排気温度出力信号を発生するように構成された排気温度センサ と、前記速度出力信号から排気温度／速度−負荷特性信号を発生する排気温度関 数発生器と、前記排気温度出力信号と前記排気温度／速度−負荷特性信号との差 から誤差信号を発生し、これによって前記エンジン排気温度に影響を与える要因 を補償するコントローラとを含むことを特徴とする電力供給装置。 １６．図示した実施形態のいずれか１つを参照して明細書に記載された電力供 給装置。