(57)【要約】  多変数制御システムは、注目している複数の制御変数に対して調整を行なうが、それは、対応する設定値に関する調整のために変数の特定の一つを選択することにもとづいたものであり、制御変数のすべてが許容範囲内となるように維持する必要のために、他の制御変数を監視し、選択されなかった変数の一つに調整制御の対象を切り換え調整を行ないながら調整を行なう。本システムは、調整制御のために選択された特定の変数のために自身を調節する、一つあるいはそれ以上の数のＰＩＤレギュレータを含んでいる。一実施例では、制御システムは、代替エネルギーシステムを制御するように構成されており、代替エネルギーシステムは、電気エネルギー蓄積装置（ＥＥＳＤ）（３０）と共通ＤＣバスと外部ＡＣ電気システムとの間の電力潮流を制御する、一つあるいはそれ以上の数の電力潮流装置（２０）を含んでいる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多変数システムを制御する方法であって、
システム内の注目している複数の制御変数を監視するステップと、
制御変数の一つを選択し、選択されなかった他の制御変数の監視を続けながら、所望する設定値に関して選択された制御変数を制御するステップと、
選択されなかった他の制御変数の一つに選択的に調整制御を切り換え、その一つの制御変数が許容値を超えるものと検知された場合に、その一つの制御変数が所望の設定値となるように調整するステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法は、さらに、
各制御変数の一つあるいはそれ以上の数のパラメータ値を格納するステップと、
制御変数の特定の一つに対応した格納されたパラメータ値でを用いるように制御回路を構成するステップであり、該特定の制御変数は、調整制御のために選択されたことを特徴としたステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記制御回路は、ＰＩＤコントローラから構成され、各制御変数の格納されたパラメータ値は、比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインの項のうち少なくとも一つから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法は、さらに、
各制御変数に対して個々の制御ループを提供するステップと、
選択された制御変数に対応してた制御ループを、ＰＩＤコントローラによって確立するステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法は、さらに、
一つあるいはそれ以上の数の制御変数が、それらの許容値を超えるものと検出された場合に、調整制御のために選択すべき特定の制御変数を決定する制御優先度の順番を定義するステップから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法は、さらに、
制御変数の中の特定の一つを、デフォルトの調整変数として指定するステップと、最下位の制御優先度をデフォルトの調整変数に割り当てるステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、
多変数システムは、電気エネルギー蓄積装置（ＥＥＳＤ）から動作するように構成された代替エネルギーシステムと、代替エネルギー発生装置（ＡＥＧＤ）とから構成され、該方法は、さらに、ＥＥＳＤとＤＣバスとの間の電力潮流を制御する第一の電力潮流制御装置によって、システムのＥＥＳＤ入力をＤＣバスに接続するステップと、
ＤＣバスからＡＥＧＤへの電力潮流を防止する逆阻止回路によって、ＡＥＧＤ入力をＤＣバスに接続するステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、
制御変数の一つを選択し、選択されなかった他の制御変数の監視を続けながら、所望する設定値に関して選択された制御変数を制御するステップは、選択された制御変数と、選択された制御変数の所望の設定値との間の誤差を測定した結果に応じて、ＥＥＳＤとＤＣバスとの間の電力潮流を制御することにより、選択された制御変数を調整するステップから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、選択されなかった他の制御変数の一つに選択的に調整制御を切り換え、その一つの制御変数が許容値を超えるものと検知された場合に、その一つの制御変数が所望の設定値となるように調整するステップは、選択されなかった制御変数の一つを、新しい調整制御変数として選択するステップと、新しい調整制御変数の測定値と、それに対応する所望の設定値との間の誤差に応じて、ＥＥＳＤとＤＣバスとの間の電力潮流を制御するステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８記載の方法において、第一の電力潮流装置は、印加された切り換え信号のデューティサイクルに応じて、双方向コンバータ電流を制御する双方向コンバータから構成され、電力潮流の制御は、切り換え信号のデューティサイクルを制御することから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項７記載の方法において、代替エネルギーシステムは、さらに、代替エネルギーシステムの動作のグリッド並列モードにおいて、選択的にＡＣ電気系システムに接続されたＡＣインバータから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法は、さらに、ＡＣインバータを、第二の電力潮流装置として動作させ、ＤＣバスとＡＣ電気系システムとの間の電力潮流を制御することによって、ＡＥＧＤ電流とＤＣバス電圧を選択的に調整するステップから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法は、さらに、グリッド並列モードで動作中に、第一の電力潮流装置によって、選択的にＥＥＳＤ電圧とＥＥＳＤ電流を調整するステップと、第二の電力潮流装置によって、選択的にＡＥＧＤ電流とＤＣバス電圧を調整するステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項７記載の方法において、複数の制御変数は、ＥＥＳＤ電流、ＥＥＳＤ電圧、ＤＣバス電圧およびＡＥＧＤ電流から構成され、さらに、制御変数の制御優先度の順番を定義するステップと、制御優先度の順番に応じて調整のための制御変数を選択するステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、代替エネルギーシステムの充電モードにおいて、制御優先度の順番は、ＤＣバス電圧、ＡＥＧＤ電流、および、ＥＥＳＤ電圧あるいはＥＥＳＤ電流のいずれかの順とし、それらの値の最大値の設定に関する関数として定義することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の方法において、代替エネルギーシステムの非充電モードにおいて、制御優先度の順番は、ＤＣバス電圧、ＡＥＧＤ電流の順として定義することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の方法は、さらに、制御変数の一つをデフォルト変数として選択するステップと、デフォルト変数に対して、制御優先度の最下位の順番を割り当てるステップとから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１８】
システムで注目している複数の対応する制御変数の所望の設定値に関する誤差信号を生成するように構成されている一つあるいはそれ以上の数の監視回路と、調整制御のために制御変数の中から一つを選択し、対応する誤差信号に応じて、選択された制御変数を調整するように構成され、さらに、選択されていない制御変数のいずれか一つが許容値を超えていると検知したことに応じて、選択されていない制御変数のいずれか一つに調整制御を選択的に切り替えるように構成された制御回路とから構成されていることを特徴とする、多変数システムを制御する多変数制御システム。
【請求項１９】
請求項１８記載の装置は、さらに、各制御変数の一つあるいはそれ以上の数の制御回路とともに動作し、一つあるいはそれ以上の数のパラメータ値を格納する格納装置から構成され、制御回路は、制御変数の特定の一つに対応して格納されたパラメータ値を用いるように構成され、該特定の制御パラメータは調整制御のために選択されることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の装置において、制御回路は、ＰＩＤコントローラから構成され、各制御変数の格納されたパラメータ値は、比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうち少なくとも一つから構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項２０記載の装置において、ＰＩＤコントローラは、各制御変数に対して個々の制御ループを提供し、選択された制御変数に対応してた制御ループをＰＩＤコントローラによって確立するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項１８記載の装置において、制御回路は、一つあるいはそれ以上の数の制御変数が、それらの許容値を超えるものと検出された場合に、調整制御のために選択すべき特定の制御変数を決定する制御優先度の順番の定義に従って、制御変数を選択するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項１８記載の装置において、装置は代替エネルギーシステムの少なくとも一部から構成され、さらに、装置は、電気エネルギー蓄積装置（ＥＥＳＤ）を代替エネルギーシステム内のＤＣバスに接続する第一の電力潮流制御装置と、代替エネルギー発生装置（ＡＥＧＤ）をＤＣバスに接続する逆阻止回路とから構成され、第一の電力潮流制御装置は、ＥＥＳＤとＤＣバスとの間の電力潮流を制御するように構成され、逆阻止回路は、ＤＣバスからＡＥＧＤへの電力潮流を防止するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項２３記載の装置において、装置は、対応する誤差信号に応じて、ＥＥＳＤとＤＣバスとの間の電力潮流を制御することにより、選択された制御変数を調整することを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項２４記載の装置において、第一の電力潮流装置は、印加された切り換え信号のデューティサイクルに応じて、双方向コンバータ電流を制御する双方向コンバータから構成され、装置は、切り換え信号のデューティサイクルを制御することにより、ＥＥＳＤとＤＣバスとの間の電力潮流を制御することを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２３記載の装置において、代替エネルギーシステムは、さらに、代替エネルギーシステムの動作のグリッド並列モードにおいて、選択的にＡＣ電気系システムに接続されたＡＣインバータから構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２７】
請求項２６記載の装置において、装置は、ＡＣインバータを、第二の電力潮流装置として動作させ、ＤＣバスとＡＣ電気系システムとの間の電力潮流を制御することによって、ＡＥＧＤ電流とＤＣバス電圧を選択的に調整するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２８】
請求項２７記載の装置において、グリッド並列モードで動作中に、第一の電力潮流装置によって、選択的にＥＥＳＤ電圧とＥＥＳＤ電流を調整し、第二の電力潮流装置によって、選択的にＡＥＧＤ電流とＤＣバス電圧を調整することを特徴とする装置。
【請求項２９】
代替エネルギーシステムを制御する多変数制御装置であって、
該システムに付随した電気エネルギー蓄積装置（ＥＥＳＤ）とシステム内に含まれるＤＣバスとの間の電力潮流を制御する第一の電力潮流装置と、
代替エネルギー発生装置（ＡＥＧＤ）をＤＣバスに接続し、ＤＣバスからＡＥＧＤへの電力潮流を防止する逆阻止回路と、
ＤＣバスによって供給されたＤＣ電力から、ＡＣ電力を生成するＡＣインバータと、
ＥＥＳＤ電圧、ＥＥＳＤ電流、ＡＥＧＤ電流およびＤＣバス電圧の中から一つあるいはそれ以上の数のものから構成される制御変数の組を監視する多変数制御回路とから構成されたシステムにおいて、
前記多変数制御回路は、代替エネルギーシステムの一つあるいはそれ以上の数の動作モードで、第一の電力潮流装置を制御し、対応する所望の設定値に関して、複数の制御変数の中から選択された一つを調整し、選択されなかった制御変数が許容値を超えると検出されたことに応じて、調整制御のために選択すべき制御変数を変更するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項２９記載の装置において、ＡＣインバータは、ＤＣバスとＡＣ電気系システムとの間の電力潮流を制御することによって、第二の電力潮流装置として動作し、ＡＣインバータが外部電気系システムに接続されるグリッド並列モードでは、多変数制御回路は、第二の電力潮流装置を制御することによりＡＥＧＤ電流およびＤＣバス電圧の中から一つを選択して調整し、同時に、第一の電力潮流装置を制御することによりＥＥＳＤ電圧とＥＥＳＤ電流の中から一つを選択して調整するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３１】
請求項３０記載の装置において、多変数制御回路は、第一の電力潮流装置を制御するＤＣ制御回路と、第二の電力潮流装置を制御するＡＣ制御回路とから構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項３１記載の装置において、ＤＣ制御回路は、グリッド並列モードでない場合、ＥＥＳＤ電圧、ＥＥＳＤ電流、ＡＥＧＤ電流およびＤＣバス電圧の中から一つを選択して調整するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項２９記載の装置において、第一の電力潮流装置は、印加された切り換え信号のデューティサイクルに応じて、ＥＥＳＤとＤＣバスとの間の電力潮流を制御する双方向コンバータから構成され、多変数制御回路は、切り換え信号のデューティサイクルを制御することにより選択された制御変数を調整するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項２９記載の装置において、装置は、一つあるいはそれ以上の数のモードで動作し、多変数制御回路は、モードに依存した優先度の順番に従って調整制御のための制御変数を選択するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項２９記載の装置において、一つあるいはそれ以上の数のモードには、ＥＥＳＤ充電モードが含まれ、多変数制御回路は、許容される最大値に関して、ＥＥＳＤ電圧とＥＥＳＤ電流を監視し、該監視にもとづき、両者のうち一方を調整制御のために選択するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項３５記載の装置において、多変数制御回路は、ＥＥＳＤ電圧とＥＥＳＤ電流のいずれもがそれらの各々の許容される最大値を超える場合、充電モードでの調整制御にＥＥＳＤ電流を選択するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項２９記載の装置において、多変数制御回路は、ＤＣバス電圧に対応した設定値を、最小値となるように調節し、ＤＣ電圧が許容範囲を外れることがないようにして、ＤＣバス電圧が調整制御のために選択されないようにして、アイドルモードで動作するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３８】
請求項３７記載の装置において、多変数制御回路は、さらに、ＡＥＧＤ電流を下げるように調整し始める前に、ＡＥＧＤ電流に対応した設定値を調整し、ＡＥＧＤ電流が許容される最大値にまで上昇できるように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３９】
請求項３８記載の装置において、多変数制御回路は、監視制御回路から指示値を受信することにもとづき、ＤＣバス電圧とＡＥＧＤ電流に対応した設定値を調整するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４０】
請求項２９記載の装置において、多変数制御回路は、
複数の制御変数の組の中の各制御変数の制御ループ入力回路と、
各制御ループ入力回路から一つあるいはそれ以上の数の検出信号を受取ることにもとづき、調整モードを選択するモード選択回路と、
選択された制御信号と、それに対応した所望の設定値との間の誤差にもとづき、第一の電力潮流装置の制御信号を生成するＰＩＤレギュレータ回路とから構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４１】
請求項４０記載の装置において、ＰＩＤレギュレータ回路は、選択された制御変数にもとづき、一つあるいはそれ以上の数の微分ゲイン、比例ゲインおよび積分ゲインを調整するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４２】
請求項４１記載の装置において、各制御変数の一つあるいはそれ以上の数のパラメータにもとづき、一つあるいはそれ以上の数のゲインを設定することにより、複数の制御変数の組の中の各制御変数を調整するために、その動作を調節するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４３】
請求項４０記載の装置は、さらに、ＡＣインバータを第二の電力潮流装置として制御する第二のＰＩＤレギュレータ回路から構成され、該装置がグリッド並列モードで動作している際には、多変数制御回路は、第一のＰＩＤレギュレータ回路を介して第一の電力潮流装置を制御することにより、ＥＥＳＤ電流とＥＥＳＤ電圧のうち選択された一方を調整するように構成され、また、第二のＰＩＤレギュレータ回路を介して第二の電力潮流装置を制御することにより、ＡＥＧＤ電流とＤＣバス電圧のうち選択された一方を調整するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４４】
請求項２９記載の装置において、第一の電力潮流装置は、制御信号のデューティサイクルに応じて、ＥＥＳＤとＤＣバスの間に流れる双方向コンバータ電流を制御するように構成された双方向コンバータコントローラから構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４５】
多変数システムを制御するためのコンピュータプログラムを格納したコンピュータで読取り可能な媒体であって、該コンピュータプログラムは、
システム内の注目している複数の制御変数を監視するプログラム命令と、
制御変数の一つを調整制御のために選択し、選択されなかった他の制御変数の監視を続けながら、所望する設定値に関して選択された制御変数を制御するプログラム命令と、
選択されなかった他の制御変数の一つに選択的に調整制御を切り換え、その一つの制御変数が許容値を超えるものと検知された場合に、その一つの制御変数が所望の設定値となるように調整するプログラム命令とから構成されていることを特徴とする媒体。
【請求項４６】
請求項４５記載のコンピュータプログラムを格納したコンピュータで読取り可能な媒体において、多変数システムは、外部電気系システムに接続され、代替エネルギーシステム内のＤＣバスによって供給されたＤＣ電力からＡＤ電力を生成するように構成されたＡＣインバータを含む代替エネルギーシステムから構成されており、代替エネルギーシステムは、さらに、電気エネルギー蓄積装置（ＥＥＳＤ）をＤＣバスに接続し、ＥＥＳＤとＤＣバスの間の電力潮流を制御する第一の電力潮流装置と、代替エネルギー発生装置（ＡＥＧＤ）をＤＣバスに接続し、ＤＣバスからＡＥＧＤへの電力潮流を防止する逆阻止回路とから構成されており、複数の制御変数を監視するプログラム命令は、ＥＥＳＤ電流、ＥＥＳＤ電圧、ＡＥＧＤ電流およびＤＣバス電圧の中から二つあるいはそれ以上の数のものを監視するプログラム命令から構成されていることを特徴とする媒体。
【請求項４７】
請求項４６記載のコンピュータプログラムを格納したコンピュータで読取り可能な媒体において、コンピュータプログラムは、さらに、複数の制御変数の組の中からどれを調整制御すべきものであるかを選択し、代替エネルギーシステムの動作モードにもとづき、選択の優先順番を設定するプログラム命令から構成されていることを特徴とする媒体。
【請求項４８】
請求項４６記載のコンピュータプログラムを格納したコンピュータで読取り可能な媒体において、選択された制御変数を所望の設定値に関して調整し、同時に、制御されなかった制御変数の監視するプログラム命令は、第一の電力潮流装置によりＥＥＳＤとＤＢバス間の電力潮流を制御することにより、選択された制御変数の調整制御を行なうプログラム命令から構成されていることを特徴とする媒体。
【請求項４９】
請求項４８記載のコンピュータプログラムを格納したコンピュータで読取り可能な媒体は、さらに、ＥＥＳＤ電流とＥＥＳＤ電圧の中から選択された一方を調整するプログラム命令と、同時に、ＡＣインバータを第二の電力潮流装置として動作させ、これによりＤＣバスと外部電気系システムとの間の電力潮流を制御し、第二の電力潮流装置によって、ＡＥＧＤ電流とＤＣバス電圧の選択された一方を調整するプログラム命令とから構成されていることを特徴とする媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、一般的に、代替エネルギーシステムに関するものであり、特に、このシステムの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
代替エネルギーシステムは、従来のユーティリティグリッド電源に対して、実現性の高い代替手段あるいは補助手段となるものである。例えば、発電および制御技術の進歩により、燃料電池による発電システムの出力密度および信頼性は向上し、住居および小規模事業所向けの局所電源として実用化すること、さらに、グリッド接続された代替エネルギーシステムが、その出力電力の一部をユーティリティグリッドに入力するようなコジェネレーションシステムを構築することが、現実性を増してきている。
【０００３】
これらのシステムは、通常、電力インバータを用いて、燃料電池（あるいは、他の局所電源）からのＤＣ電力を、ＡＣ電力に変換する。さらに、これらのシステムは、通常、一つあるいはそれ以上の数のバッテリを備え、バックアップ電力を提供し、さらに、少なくとも一時的なものとして、燃料電池などの一次電源装置により提供される電力よりも多くの電力を提供する。現実的には、通常の代替エネルギーシステムは、複数のエネルギー源（例えば、燃料電池およびバックアップ電池）を備え、一つの電力システム変数よりも多くのものを制御できることが必要となる。ここで重要となる不確定要素の例としては、これらに限定されるものではないが、燃料電池電流、バッテリ電流および、あるいは電圧、さらにＤＣバス電圧がある。
【０００４】
複数の、潜在的に衝突しあうシステム変数にもとづき、これらのシステムを制御することは、制御として重要な課題がもたらされることとなり、特に、スタンドアロンやグリッド接続などの様々なモードを切り換えてシステムを動作させる状況となる。例えば、ある動作モードでは、所望の制御動作をもたらすために用いられる、一つあるいはそれ以上の数の制御要素がシステム内に存在するものとなる。
【発明の開示】
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、共通の制御要素を用いて多変数システムを制御するための方法および装置からなり、ここでは、制御監視および選択論理は、所望の制御モードと監視される変数の状態に基づき制御すべき制御変数を選択する。システムの一例では、複数の制御ループを組み合わせて、例えば、適切なゲイン、遅延、フィルタリングなどの制御特性をもたらすように構成された共通の制御回路を実現している。
【０００６】
制御ループ全体は、一度に一つのみのフィードバック変数について閉じた状態、すなわち、制御応答は、選択された制御変数に対して行われる状態となるが、本例の装置は、注目している全ての制御変数の監視を継続し、いずれかの変数が、許容されない、あるいは制限値を逸脱した状態に入ったかどうかを判定する。もし、そのような状態となった場合には、装置は、その制御を、制限値を逸脱した変数を制御するように変更が可能であり、制限値を逸脱した状況での制御で、優先して扱うべき変数を決めるために、制御の階層あるいは優先度を確立する論理を含んでいる。
【０００７】
模範的な実施例では、本発明は、代替エネルギーシステムなどの多変数システムを制御する方法からなり、本方法は、システム内の注目している複数の制御変数を監視するステップと、制御変数の一つを選択し、選択されなかった他の制御変数の監視を続けながら、所望する設定に関して選択された制御変数を制御するステップと、調整制御を選択されなかった他の制御変数の一つに選択的に切り換え、その一つの制御変数が許容値を超えるものと検知された場合に、その一つの制御変数が所望の設定となるように調整するステップとから構成されている。例えば、多変数コントローラは、バッテリ電圧、バッテリ電流、燃料電池電流、内部ＤＣバス電圧等の一つを調整し、これらの変数の一つを調整する状態から、所望の操作モードに応じ、これらの変数のいくつかが許容される操作制限を越えるかどうかに応じて、他の変数を調整する状態に選択的に切り換ええる。
【０００８】
一実施例では、上記の模範的な方法の例およびその変形例は、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、他のマイクロプロセッサあるいは論理回路によって実行するように構成されたコンピュータから読取り可能となっている媒体に格納されたコンピュータプログラムの命令として実装される。実際には、本発明による処理論理は、その全体あるいはその一部が、デジタル処理の構成によって実装されている。
【０００９】
他の実施例では、本発明は、代替エネルギーシステム制御装置から構成されている。装置の一例は、装置内に設けられたＤＣバスに一つあるいはそれ以上の数のバッテリを接続する双方向コンバータと、燃料電池をＤＣバスに接続する逆阻止回路と、ＤＣバス上のＤＣ電力から出力電力を生成するインバーター回路と、複数の制御変数の中から一つを選択し、対応する所望の設定に対して調整制御し、同時に、他の制御変数についての監視を継続するように構成された多変数制御回路とから構成されている。複数の制御変数の例としては、燃料電池電流、バッテリ電流、バッテリ電圧およびＤＣバス電圧の中の２つの変数、あるいはそれ以上の数の変数がある。さらに、多変数制御回路の例として、調整制御を、選択的に制御変数の他の一つに切り換え、その一つの制御変数が許容値を超えるものと検知された場合に、その他の一つの制御変数を、対応する所望の設定に対して調整制御するように構成されたものがある。
【実施例】
【００１０】
（発明の詳細説明）
図１は、代替エネルギーシステム内で動作するように構成された多変数制御システム１０の一例を示す図である。システム１０は、多変数コントローラ１２から構成され、多変数コントローラは、上位レベルの論理制御とともに構成されたＤＣ制御１４およびＡＣ制御１６、共有（共通）ＤＣバス１８、双方向コンバータ２０、逆阻止回路２２、主インバータ２４、コンバータ回路２６、およびシステム１０の制御動作を支援する一つあるいはそれ以上の数のセンサ２８とから構成されている。この代替エネルギーシステムの構成では、システム１０は、一つのバッテリ（あるいは複数のバッテリ）３０、燃料電池３２、一つあるいはそれ以上の数の補助負荷３４、グリッド接続手段３６、および監視コントローラ４０を含んでいる。グリッド接続手段３６は、コンタクタあるいはそれに類似のものから構成されている。また、それらは、他の構成要素、あるいは付加された構成要素を含むものであってもよいが、通常、補助負荷３４は、燃料電池３２に対する機械的補助を提供する構成要素を表すものとなっている。
【００１１】
システム１０は、本質的に任意の種類の電気的エネルギー蓄積装置（ＥＥＳＤ）を、バッテリ３０の場所に設けることが可能であると考えられる。例えば、バッテリ３０の場所には、エネルギーを蓄積するキャパシタや、他の（電気的、電気化学的、電気機械的などの）エネルギー蓄積要素を用いることが可能である。同様に、システム１０は、本質的に任意の種類の代替エネルギー発生装置（ＡＥＧＤ）が、燃料電池３２の場所に設けることが可能であると考えられる。例えば、太陽電池、マイクロタービン、あるいは、他の種類のＤＣ発電機などを、燃料電池３２の場所に用いることが可能である。従って、ここでは、説明を簡単にするために、バッテリと燃料電池を用いることにするが、本発明は、ＥＥＳＤおよびＡＥＧＤについては、上記に掲げた特定の種類のものに限定されるものではない。従って、バッテリ電流およびバッテリ電圧と称する場合であっても、これらは、一般的には、ＥＥＳＤ電圧および電流を指すものであると考えられる。これと同様の一般化の考え方は、燃料電池の電流／電圧についても、ＡＥＧＤに概念を拡張して適用することが可能である。
【００１２】
システム１０は、監視コントローラ４０により生成される、全モード制御および他のコマンドに応答して動作する。監視コントローラ４０は、例えば、制御エリアネットワーク（ＣＡＮ）バス、あるいは他のネットワークあるいは信号インターフェースを介して、システム１０と通信可能となるように接続されている。システム１０の主インバータ２４は、ＤＣバス１８のＤＣ電力を、グリッド接続手段３６に接続された局所負荷に送られるＡＣ出力電圧に変換する。グリッド接続手段３６が、グリッド並列モードなどでユーティリティグリッドに接続されている場合には、主インバータ２４が出力するＡＣ電力の一部あるいは全てが、グリッドに送出されるが、この方式は、しばしばＡＣコジェネレーションと呼ばれるものである。
【００１３】
ＤＣバス１８で利用可能となるＤＣ電力は、バッテリ３０、燃料電池３２、あるいはバッテリ３０と燃料電池３２の組み合わせによって供給される。以下で詳細に説明するように、多変数コントローラ１２は、選択された制御変数を調整することに応じて、その変数が所望の設定となるように、双方向インバータ２０によりＤＣバス１８に送られる電流の量を制御するように構成されている。従って、このような構成では、システム１０は、複数のエネルギー源（例えば、バッテリ３０と燃料電池３２）を含む代替エネルギーシステムから構成され、一つ以上の電力システム制御変数を調整できるようになっている必要がある。これらの複数の制御変数の例としては、燃料電池電流（ＩＦＣ）、バッテリ電流（ＩＢＡＴ）、バッテリ電圧（ＶＢＡＴ）およびＤＣバス電圧（ＶＢＵＳ）の中の２つあるいはそれ以上の数の変数があげられる。図示した構成では、コントローラ１２は、双方向コンバータ２０を制御し、上述の変数の任意の一つを制御することができるが、監視コントローラ４０から指定されたモード情報によって、設定調整制御のために選択された制御変数のうち特に一つが、少なくとも部分的に決定される。
【００１４】
より一般的には、本発明は、複数のシステム変数を同時に監視し、前記複数の変数の一つを調整のために選択する方法を提供するものである。さらに、制御の一例としては、他のシステム変数の監視を継続しながら、選択された変数を所望の設定値となるように調整する。他のシステム変数の一つが、許容される最大の動作条件を超えるような場合には、制御を切り換えて、新たに別の変数を所望の設定値となるように調整する。もし、一つ以上の変数が、その許容される最大の動作条件を超えるような場合には、どの変数を調整するかを決定するために、制御の順番の優先度が確立される。
【００１５】
この多変数制御の方法では、システム１０は、バッテリ３０を（電流調整モードあるいは電圧調整モードのいずれかで）充電し、燃料電池３２からの電流を調整するか、バス１８のＤＣバス電圧を調整するように構成されている。多くの動作モードでは、双方向コンバータ２０は、システム１０の単一の独立した電力制御装置として動作し、選択された制御変数の調整制御を行なうように制御される。すなわち、多くの動作モードでは、システム変数の例を調整するための唯一の利用可能な制御手段が、双方向インバータ２０となっている。従って、設定電流ＩＢｉをＤＣバス１８に送るように、双方向インバータ２０が制御され、さらに、設定電流ＩＢｉは、他のシステム変数を調整するために用いられる。
【００１６】
以下に示す表１は、システム１０の制御モードの一例を示すものである。表１は、システム１０の一例での、主要な制御モードと、各モードに体操した制御変数の設定値を表している。異なる制御モード間の遷移は、基本的には、監視コントローラ４０からの指示によって行なわれるが、その遷移の一部は、システム１０により自動的に決定されるものであってもよい。
【表１】
2007521583.tif 000003
【００１７】
以下で詳細に説明するように、システム１０は、各制御変数と、その設定値とを連続的に比較する。これらの比較の結果として、システム１０は、どの変数がその設定値に実施的に等しくなっているか（すなわち、設定値の付近の値域に収まっているか）、あるいは、その変数が、設定値に対して大きいか小さいかを決定する。各変数については、設定値に対して大きいか、小さいかの条件のいずれかは、許容できる動作状態を表し、一方、他の大きいか、小さいかの条件は、許容されない動作状態を表すものとなっている。いずれかの変数が、許容されない状態となっている場合には、制御方法は、自動的にその変数を調整し、その変数が許容できる動作領域に戻す。一つ以上の変数が、許容されない状態となっている場合には、制御は、予め定められた優先度の順番、すなわち、定義された調整の優先度に従い、調整すべき制御変数の一つを選ぶ。もし、全ての制御変数が、それらの許容できる動作状態に収まっている場合には、制御は、調整すべき変数としてデフォルトの変数を選択するか、調整すべきものとして以前に選択されたいずれかの変数を継続して調整する。このようにして、システム１０は、複数の制御変数の中から、最も注目すべきものとして一つの変数を決定し、必要なもの、あるいは適切なものとして、その変数を調整する。
【００１８】
以下に示す表２は、表１で示した注目している制御変数について、許容できる動作状態、および許容されない動作状態を示すものである。各変数は、その変数に対応した設定値と実質的に一致する場合に、“範囲に収まっている”ものとして定義される。ＤＣバス１８の電圧、ＶＢＵＳは、その対応する設定値よりも大きな値で動作することが許されているが、その値以下では動作が許されていない。燃料電池電流、ＩＦＣと、バッテリ電圧ＶＢＡＴは、それらの対応する設定値よりも小さな値で動作することが許されているが、それらの値以上では動作が許されていない。同様の原則が、バッテリ電流、ＩＢＡＴについても適用されるが、ＩＢＡＴの正値が、バッテリ３０の放電を表し、バッテリ３０の充電中はＩＢＡＴが負値となるため、電流の意味が逆となる点で異なる。すなわち、バッテリの充電電流（−ＩＢＡＴ）は、設定値よりも小さい値で動作することが許されるが、大きな値では動作が許されていないこととなる。
【表２】
2007521583.tif 000004
【００１９】
“オフライン”モードの例では、燃料電池３２と補助負荷３４は活性状態になく、バッテリ３０が、コントローラ１２を動作させるために必要な最小の電力を供給する。このモードでは、通常、コントローラ１２などの処理ロジックのための電源を除き、システム１０内の電源は無効となっている。システム１０は、起動前および停止後は、オフラインモードで動作する。
【００２０】
“スタンバイ”モードの例では、補助負荷３４は活性状態となるが、燃料電池３２と主インバータ２４は、不活性状態のままである。バッテリ３０は、双方向インバータ２０の動作によって、補助負荷３４に必要な電力を供給する。この双方向インバータは、ＤＣバス１８に電流を供給したり、そこから電流を得る。システム１０は、起動あるいは停止の間、あるいは、燃料電池３２のガスが引き抜かれている間は、スタンバイモードで動作する。スタンバイモードでは、双方向インバータは２０は、ＤＣバス電圧（ＶＢＵＳ）を燃料電池の端子電圧よりも高い電圧となるように調整し、逆阻止回路２２は、燃料電池３２からＤＣバス１８に電流が流れ込むことを阻止する。従って、逆阻止回路２２の例では、ＶＢＵＳの値が、燃料電池３２の端子電圧よりも高い場合に逆バイアスがかけられる、直列ダイオードを含んでいる。この阻止動作によって、逆電流が燃料電池３２に流れることを防ぎながら、同時に、燃料電池３２に負荷がかかることを防いでいる。表１に示したように、他の制御変数の設定値は、極めて大きな値とすることが可能であり、これにより、システム１０は、他の制御変数を調整することなく、ＶＢＵＳの調整を続けられることが保証される。
【００２１】
“アイドル”モードの例では、燃料電池３２が活性状態となり、電力を補助負荷３４に供給し、必要に応じてバッテリ３０を再充電する。主インバータ２４は、活性状態とはなっていないままである。このモードでは、主インバータ２４が活性状態となる前、あるいはインバータ２４が停止する直前に、システム１０が動作する。アイドルモードでは、双方向コンバータ２０は、監視コントローラ４０で設定された要求を満足するために、必要に応じて、制御変数の中の任意のものを調整する。ＤＣバス電圧の設定値は、燃料電池３２から与えられる許容電圧の最小値の付近に設定され、これにより、電力需要に応えるには不適切な燃料が燃料電池３２に供給されるような極端な場合でも、システム１０は、ＶＢＵＳを調整するだけで済む。燃料電池電流の設定値（ＩＦＣ＊）は、監視コントローラ４０によって与えられる許容電流の最大値に設定される。バッテリ充電の設定値（ＶＢＡＴ＊およびＩＢＡＴ＊）は、監視コントローラ４０により与えられる指令値に設定される。このように、ＶＢＵＳあるいはＩＦＣが、各々の許容値を超えない限り、システム１０はバッテリー充電に対する要求を満足できる。
【００２２】
“スタンドアロン”モードの一例では、主インバータ２４が活性状態となり、グリッド接続手段３６に接続されたローカル負荷にＡＣ電力を供給する。燃料電池３２は、活性状態となったままであり、（インバータ２４を介して）ローカル負荷と補助負荷３４に電力を供給する。また、必要に応じて、燃料電池３２は、バッテリ３０を再充電する。ＡＣメインが存在しないか、主電圧あるいは主周波数が、それらの通常の動作限界を超えていると検出された場合に、システム１０は、スタンドアロンモードで動作する。この場合、主インバータ２４は、ＡＣ出力電圧レギュレータとして動作し、インバータの入力端子でＤＣバス１８から引き出される電力は、インバータ２４に設けられたＡＣ負荷によって指示される。燃料電池３２によっては満足させることができない、付加的な負荷への切り換えや、突入負荷を扱うことへの要求など、短期間のＡＣ負荷電力に対する要求は、バッテリ３０によって満たされる。インバータ２４が活性状態であることを除き、アイドルモードの例で示したものと同様に、システム１０は、制御変数を調整する。
【００２３】
グリッド並列モードの一例では、燃料電池３２およびインバータ２４は、活性状態となったままである。インバータのＡＣ出力は、ＡＣメインに並列に接続され、負荷電力に対する要求は、メインあるいはインバータ２４のいずれかによって満足されるようになっている。さらに、本モードでは、ローカル負荷が必要とするよりも多くの電力をインバータが提供するように、インバータ２４を動作させることが可能となっており、この場合、正味のＡＣ電力が、ＡＣメインに供給（注入）される。また、メインからの電力は、逆にインバータを介して、双方向インバータからバッテリへ、あるいは、バック・コンバータから補助負荷へ、供給するように、インバータ２４を動作させることが可能となっている。グリッド並列とは、システム１０が完全に起動状態にあり動作中となっている場合、および、ＡＣメインが存在し、通常の動作範囲で動作している場合に、システム１０が通常に動作する状態を指している。燃料電池３２は、インバータ２４と、必要に応じて補助負荷３４に電力を供給し、必要に応じてバッテリ３０を再充電する。インバータ電力制御機能により、燃料電池３２の電流ＩＦＣを制御することと、潜在的にＶＢＵＳを制御することが行なわれる。このようにして、表１に示すように、ＩＦＣとＶＢＵＳのＤＣシステム制御が無効状態となる。バッテリ充電の設定値（ＩＢＡＴとＶＢＡＴ）は、監視コントローラ４０で指示された値に設定されており、これにより、インバータの動作とは独立して、バッテリ充電に対する要求を満足させることができる。
【００２４】
バッテリ充電を可能とするモード（アイドルモード、スタンドアロンモードあるいはグリッド並列モード）では、さらに、監視コントローラ４０の制御によって、バッテリ充電機能を無効とすることが可能である。この場合、ＩＢＡＴとＶＢＡＴの調整モードが無効状態となり、システム１０は、ＩＦＣとＶＢＵＳのみを、これらの変数に関する制御調整ルールに従って、調整する。アイドル・モードとスタンドアロン・モードでは、補助負荷３４および、あるいはインバータ２４のＤＣ負荷要求が、燃料電池３２の短期間の供給能力を超えない場合に限り、この調整動作により、双方向コンバータを不活性状態に維持することが可能となる。この場合、システム１０は、バッテリ３０からの過大な負荷要求に対して、ＩＦＣあるいはＶＢＵＳを調整する。グリッド並列モードでは、ＩＦＣおよびＶＢＵＳ調整モードは、すでに無効状態となっているため、バッテリ充電を無効化することにより、双方向コンバータ２０を完全に無効化することができる。
【００２５】
バッテリ充電については、システム１０は、定電流充電モードあるいは定電圧充電モードのバッテリ充電動作を提供している。監視コントローラ４０は、調整の設定値をシステム１０に送り、これらの値を必要に応じて更新することが可能となっていたり、あるいは、システム１０は、例えば、デフォルトの調整の設定値に対応した一つあるいはそれ以上の数の設定値を格納するように構成することが可能となっている。充電が有効状態となる（すなわち、ＣＨＡＲＧＥが指示される）と、制御システムは、バッテリ電圧ＶＢＡＴがＶＢＡＴ＊設定値を超えない限り、デフォルトの調整変数として、ＩＢＡＴ＊設定値に対して、ＩＢＡＴを調整しようとする。この場合、システム１０は、自動的に、調整制御をＩＢＡＴからＶＢＡＴに切り換える。
【００２６】
同様にして、バッテリ電圧を調整する際には、ＩＢＡＴがＩＢＡＴ＊設定値を超えない場合に、ＶＢＡＴ＊設定値に対して制御変数ＶＢＡＴが調整され、この場合は、システム１０は、自動的に、調整制御をＶＢＡＴからＩＢＡＴに切り換える。すなわち、システム１０は、バッテリ変数（ＶＢＡＴまたはＩＢＡＴ）のいずれか一方を調整し、他の変数の監視を続けながら、バッテリ充電電流の制限が超えないことを保証する。これにより、バッテリ充電の電圧制限と電流制限の基本機能が提供される。
【００２７】
双方向インバータ２０は、このような制御をある程度実現することができる。図２は、双方向インバータ２０の一実施例を示したものである。図示したように、双方向インバータ２０は、バッテリ３０をＤＣバス１０に接続するスイッチリアクタンス回路から構成され、ゲートドライバ５０−１および５０−２、インダクタ５２、キャパシタ５４および５６、ダイオード５８および６０、ならびに、トランジスタ６２および６４を含んでいる。ここで、トランジスタ６２および６４は、バイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（ＢＪＴ）で構成されているが、（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの）他の種類のトランジスタを使うことが可能であることは、当業者にとって自明である。
【００２８】
この構成では、コンバータ２０は、システム１０の対応するバッテリ接続端子に接続された、単一の電力極と容量性フィルタとから構成されており、電力極の中心点は、フィルタ・インダクタとして動作するインダクタ５２に接続されている。インダクタ５２の他方の端点は、ＤＣバス１８に接続されている。電力極を含んでいるトランジスタ６２および６４は、タンデムで切り換えられる（すなわち、一方のトランジスタがオン状態となると、他方がオフ状態となる）。電力極は、固定されたキャリア周波数で切り換えられ、そのデューティサイクルは、コントローラ１２により変化させることにより、双方向コンバータ２０の制御を実現している。デューティーサイクルＤを、上側のトランジスタ（トランジスタ６２）のオン状態の時間（ｔｏｎ）として定義した場合には、電力極の中央タップでの電圧ＶＢｉは、（インダクタ電流が連続伝導性をもつと仮定した場合）以下の式で定義される。
【数１】
2007521583.tif 000005
【００２９】
コントローラ１２は、双方向インバータのデューティーサイクルを変化させて、必要に応じてこの電圧を調整し、バッテリ３０を充電あるいは放電させるために、フィルタインダクタ５２を流れる所定の電流値を決定することが可能となっている。なお、バッテリ３０の充電中は、下側のトランジスタ６４と上側のダイオード５８が動作状態となり、バッテリ３０に電力を供給する標準的なブースト・コンバータを形成する。また、放電中は、上側のトランジスタ６２と下側のダイオード６０が動作状態となり、ＤＣバスに電力を供給する標準的なバック・コンバータを形成する。このように、回路動作のデューティーサイクルを変化させることにより、コントローラ１２は、双方向コンバータ２０を介してＤＣバスに供給される電流を制御することが可能である。なお、この動作により、さらに、ＤＣバス電圧ＶＢＵＳの制御が可能となっている。フィルタインダクタ５２は、ＤＣバス１８に対する電力の供給（あるいは電力の引き出し）を援助し、さらに、双方向インバータ２０を介した、ＤＣバス１８との間で流れる電流ＩＢｉの平滑化に寄与している。
【００３０】
簡単に言うと、コントローラ１２の制御論理は、双方向コンバータ２０に印加される切り換え信号のデューティサイクルを変化させることより、電力極の中央タップに現れる電圧ＶＢｉを変化させるように構成されている。このデューティーサイクルの変化は、次に、ＤＣバス１８への（あるいは、からの）電流ＩＢｉの変化率を決定する。このＩＢｉに関する制御により、ＤＣ制御１４に対して、注目する任意の変数の調整が可能となる単独の制御手段を提供するものとなる。例えば、燃料電池の電流ＩＦＣの調整中に、ＩＦＣを上昇させることが必要となった場合には、ＤＣ制御１４は、電圧ＩＢｉを一時的に下げることにより、ＤＢバス１８に流入するＩＢｉを少なくすることができる。これらの制御動作については、以下で詳細に説明するが、基本的には、双方向コンバータ２０が、ＤＣバス１８に流入する、あるいはそこから流出する電力潮流を制御するための“パワー・バルブ”として作用する。他の種類の回路を用いても、同様の機能が果たせるため、本発明は、図示したような特定のコンバータ回路に限定されないことは、当業者にとって自明なことである。
【００３１】
図３は、双方向コンバータ２０を制御するため、コントローラ１２内に設けられるコンバータ制御回路７０の一実施例を示したものである。コンバータ制御回路７０は、機能的に、第一の加算器７２、利得段７４、第二の加算器７６、乗算／除算回路７８およびリミッタ８０から構成されている。コンバータ制御回路７０は、双方向コンバータ電流ＩＢｉ、その設定値ＩＢｉ＊、さらに、ＤＣバス電圧ＶＢＵＳおよびバッテリ電圧ＶＢＡＴを、入力として受け取る。
【００３２】
コンバータ制御回路７０は、その動作において、設定値ＩＢｉ＊で示された双方向コンバータ電流の所望の値に応じて、双方向コンバータ２０のゲートドライバ５０に適用されるデューティサイクルを決定する。回路７０は、指示された電流設定値を最小の時間で達成するために、フィルタインダクタ５２に印加される電圧を制御する改良型デッドビート制御方式を実装している。この制御は離散時間で行われ、各時間ステップごとに、次の時間ステップで所望の電流値を達成するために、インダクタ５２に印加するために必要な電圧値を計算する。
【００３３】
理想としては、このインダクタ電流制御は、以下に示す制御則に従って行われ、現在のインダクタ電流ＩＢｉが、一つの時間ステップ幅Δｔの間に、望ましい電流値ＩＢｉ＊に変化するよう、十分なインダクタ電圧ＶＬを決定する。
【数２】
2007521583.tif 000006
さらに、望ましいインダクタ電圧を印加するために必要な双方向コンバータの電圧は、次式で与えられる。
【数３】
2007521583.tif 000007
ここで、Ｋ＝Ｌ／Δｔである。従って、望ましいインダクタ電圧を達成する双方向コンバータのデューティサイクルＤは、次式で与えられる。
【数４】
2007521583.tif 000008
【００３４】
式（２８）は、図３の制御回路で実装された制御則を表す。さらに、デューティサイクルＤは、たとえ、制御則から導かれた値であったとしても、その値が０を下回ったり、１を上回ったりすることがないよう、制限を受ける。現実的には、制御ゲインＫの実際の値は、制御ループの安定化を確保するために、理想値よりも小さくなるように定められる。Ｋ＝０．３３（Ｌ／Δｔ）という値にすれば、安定性と応答速度の適切なバランスが得られることが分かっている。このように、双方向コンバータ２０は、電流レギュレータとして動作することにより、多変数コントローラ１２によって用いられる外部制御ループのための必須となる基礎ブロックを提供する高速で安定した内部ループを提供することができ、これにより、システム１０で注目している複数の制御変数を調整することが可能となる。
【００３５】
図４は、多変数コントローラ１２に実装された制御論理の一部の実施例を示すものである。特に、図４は、注目する制御変数を監視し、これらの変数の設定値を受信することにより、調整モードの制御を行うモードコントローラ９０を図示したものである。図示したように、モードコントローラ９０は、モード調停状態機械９２、比例・積分・微分（ＰＩＤ）レギュレータ９４、および、３状態リレー９６−１〜９６−４、設定値リミッタ９８−１および９８−２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１００−１〜１００−４、リミッタ１０２−１および１０２−２、および加算器１０４−１および１０４−２などの、様々な補助論理要素とから構成されている。
【００３６】
図示した実施例では、４つの制御変数の設定値の各々が、制限値を設けられ、これにより、制限値を超えるような設定値が指令されないようにしている。従って、指令値、ＶＢＵＳ＊、ＩＦＣ＊、ＶＢＡＴ＊およびＩＢＡＴ＊の各々は、設定値リミッタ９８−１あるいは９８−２のどちらか一方、あるいはリミッタ１０２−１あるいは１０２−２の一方に入力される。設定値入力の変化率を制限することにより、コントローラ１２は、急激な指令値の変化によって、対応する制御変数がオーバーシュートを起こすことを防いでいる。許容される制御範囲を超えて、一時的に制御動作のほかに、オーバーシュートは、リミットサイクル型の動作を発生させてしまう危険性がある。この状況では、制御は、一つの所定の制御モードを選んでそのモードを維持するのではなく、一つあるいはそれ以上の数の制御モードの間を周期的に切り換えてゆく。変化率を制限することは、特に、ＶＢＵＳの設定値ＶＢＵＳ＊にとって有利であり、変化率制限によって、ＤＣバスに大きな充電電流が流れてしまうことを防ぎ、それにより、ＤＣバス電圧ＶＢＵＳが急激に変化しないようにすることができる。
【００３７】
設定値の値とその変化率を制限した後、注目している制御変数の各々について、その制御変数の値から設定値を差し引いて、誤差信号を生成する。一実施例では、各誤差信号の正負については、正の値であれば、その変数の許容されない状態となっていることを表すように定義する。例えば、ＶＢＵＳの値が、設定値の最小を下回るような状況は補正しなければならず、この状況では、正の誤差信号が生成される。同様に、ＩＦＣの値が、設定値（ＩＦＣ＊）を上回るような状況は補正しなければならず、この状況では、ＩＦＣ制御変数の正の誤差信号が生成される。
【００３８】
これらの様々な、制御変数の誤差信号は、実質的に二つの方法で用いられる。一つ目は、各制御変数が、その設定値と実質的に等しく、すなわち許容される動作範囲に収まっているか、あるいは許可されない動作範囲に外れてしまっているかを判定するために用いられる。二つ目は、これらの誤差信号は、ＰＩＤレギュレータ９４の入力として選択的に用いられ、調整中の制御変数に関して正の誤差が発生した場合には、それに対応し、双方向コンバータ電流ＩＢｉを増加するように作用し、また、制御変数に関して負の誤差が発生した場合には、それに対応して、双方向インバータ電流を減少するように作用する。
【００３９】
図５は、設定値リミッタ９８に実装され、上記で説明した機能を組み込んだ、値と変化率を合わせたリミッタと誤差計算の演算論理の一例を示したものである。図示したように、この演算論理の一例には、リミッタ１１０および１１２、加算器１１４、１１６および１１８、ならびに遅延要素１１９が含まれている。
【００４０】
再び、図４を参照すると、制御変数について生成された誤差信号は、ローパスフィルタにかけられる。制御変数をローパスフィルタにかけると、制御への入力となる制御変数の計測信号に含まれる、主周波数の二倍のところにあるリップル成分を実質的に除去することができる。本実施例では、フィルタ１００−１から１００−４が、主周期の半分の長さをもつ移動平均フィルタ（同一係数ＦＩＲ）として実装され、主周波数の二倍のところを除去することに関して最適化されている。また、ローパスフィルタにより、システムのモード調停論理がその制御状態を変更する応答速度が低下することになり、上述したリミットサイクルの発生を防止する一助となる。
【００４１】
フィルタがかけられた誤差信号の各々は、３状態制御リレー９６の中の対応するものに送られる。図６は、リレー９６の各々の一実施例を示すものである。機能的には、各リレー９６−ｘ（ここで、ｘは、リレー９６の中の所定のものを表す）は、絶対値回路１２０、ヒステリシスに基づくコンパレータ１２２、符号検出器１２４および１２６、さらに出力論理（ＮＯＲ）ゲート１２８および１３０から構成されている。この構成により、各リレー９６−ｘは、その入力誤差信号を検査して、誤差が、誤差ゼロの前後で予め定められた許容範囲内に収まるかどうかを判定し、もし収まる場合には、ＩＮＢＡＮＤ信号をオン状態とする。もし、誤差が、許容範囲内に収まっていないならば、誤差信号の正負に応じて、ＬＯあるいはＨＩ出力信号を出力する。誤差信号の正負について上で説明したように、ＬＯ信号は、誤差が許容範囲内に収まっていることを示しており、一方、ＨＩ信号は、誤差が許容されない範囲に入っている、すなわち、対応する制御変数は許容範囲を超えていることを示している。
【００４２】
リレーの“チャタリング”の可能性を最小とするために、ＩＮＢＡＮＤ比較は、ヒステリシスをもって行なわれる。すなわち、ＩＮＢＡＮＤ領域に入ったことを判定するための許容範囲は、ＩＮＢＡＮＤ領域から出たことを判定するための許容範囲よりも狭く定義されている。このように、ＩＮＢＡＮＤ領域に出入りすることに関する許容範囲の設定は、各リレー９６−ｘ毎に、個々に決定され、リレー９６―ｘによって扱われている特定の制御変数の誤差信号の特性を補償することができるようになっている。
【００４３】
リレー９６からのＩＮＢＡＮＤおよびＬＯ／ＨＩ出力は、状態機械９２に送られる。また、状態機械９２は、所望のバッテリ充電モード（充電可能あるいは充電不可）を示す情報を、監視コントローラ４０から受信し、さらに、インバータ２４が、グリッド並列、あるいはスタンドアロンモードで動作しているかどうかを示す情報を受信する。次に、状態機械９２は、二つの出力値、ＭＯＤＥ信号とＲＥＳＥＴ信号フラグを生成する。ＭＯＤＥ信号は、システム１０の調整モードを制御する。すなわち、注目している複数の制御変数のどれを選択し、その対応する設定値に対して調整制御を行なうかを決定する。ＲＥＳＥＴ信号フラグは、調整する動作を行なう必要がない場合に、双方向コンバータ２０を無効化する。
【００４４】
図７Ａおよび７Ｂは、状態機械９２を実装するための論理の一例を示すものである。この論理では、状態機械９２が起動した時に、「Ｎｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」モードを示す値に設定されたＭＯＤＥ信号によってその動作を開始する。サンプリングを行なうごとに、状態機械９２内のモード選択論理は、異なる制御モードに変更するような条件が成立するかどうかを判定し、もし条件が成立した場合には、変更される制御モードを表すようにＭＯＤＥ信号の値を更新する。このようにして、ＰＩＤレギュレータ９４は、システム１０の注目している複数の制御変数の一つを調整するようになる。例えば、ＩＦＣ、ＩＢＡＴ、ＶＢＡＴ、ＶＢＵＳなどの、各制御変数は、それ自身の制御ループ（リミッタ／フィルタ、誤差信号生成回路）を持っていて、この制御ループは、状態機械９２から送られたＭＯＤＥ信号にもとづき、ＰＩＤレギュレータ９４によって選択してループを閉鎖することが可能となっている。このようにして、同一のＰＩＤレギュレータ９４は、全ての制御ループに共通なものとなっているが、これは、調整のために選択された特定の制御変数に応じて、動的に（ゲインなどを）再構成するようになっている。
【００４５】
調整制御のための制御変数の中から、特定の一つを選択することについて、あるいは、制御変数の中で現在選択されているものを調整することから、選択されなかった残りの制御変数の中から新たに選択されたものを調整することに変更することについて、以下に記載する論理は、状態機械９２の一実施例を示すものとなっている。まず始めに、システム１０が、充電可能モードとなっている場合には、システム１０は、以下の論理に従って動作する。
−  任意の誤差信号「ＨＩ」は、以下の優先順序で調整する。はじめに、ＶＢＵＳ、次に、ＩＦＣ、さらに、ＶＢＡＴ、最後にＩＢＡＴ。
−  もし、「ＨＩ」の誤差信号がなく、全ての誤差信号が「ＬＯ」という訳でもない場合には、最後のモードを維持する。
−  ４つの誤差信号すべてが、「ＬＯ」ならば、デフォルトとしてＩＢＡＴを調整する。
【００４６】
もし、システム１０が、充電不可能モードとなっている場合には、以下の論理に従って動作する。
−  ＶＢＡＴおよびＩＢＡＴの誤差信号を無視する。
−  任意の誤差信号「ＨＩ」は、以下の優先順序で調整する。はじめに、ＶＢＵＳ、次に、ＩＦＣ。
−  もし、（ＶＢＡＴあるいはＩＢＡＴ以外の信号に）「ＨＩ」の誤差信号がなく、（ＶＢＡＴあるいはＩＢＡＴ以外の信号の）全ての誤差信号が「ＬＯ」という訳でもない場合には、最後のモードを維持する。
−  （ＶＢＡＴおよびＩＢＡＴの信号を除く）両方の誤差信号が「ＬＯ」ならば、デフォルトとして、調整を行なわず（双方向コンバータ２０をオフにする）。
【００４７】
上記のモード選択規則に加え、もしシステム１０が、グリッド並列モードになっている場合は、以下の論理に従って動作する。
−  すでにシステムが、ＶＢＵＳ調整中、あるいはＩＦＣ調整中である場合には、上記のバッテリー充電モードに従い、デフォルトの調整モード（ＩＢＡＴ調整モードあるいは調整なし）に戻る。
−  上記の規則によって指示されたとしても、システムが、ＶＢＵＳ調整、あるいはＩＦＣ調整にならないようにする。
図７Ｂは、上記の規則を実行するように構成された論理の一例を示すものである。図示された論理は、図７Ａに示した回路からの入力に対して、ＭＯＤＥ信号を生成するように構成されており、ここでは、モード信号は、異なるモードに対して異なる値をとるようになっている（例えば、ＶＢＵＳ調整モードの場合は値＝“１”、ＩＦＣ調整モードの場合は値＝“２”、ＶＢＡＴ調整モードの場合は値＝“３”、ＩＢＡＴ調整モードの場合は値＝“４”、さらに、Ｎｏ＿ＣＮＴＲＬモードの場合は値＝“５”とする）。ＭＯＤＥ信号を用いて、図７Ｂに示した論理は、ＭＯＤＥ信号の値が“２”あるいはそれ未満となっているか（すなわち、モードがＶＢＵＳあるいはＩＦＣであるか）、また、主インバータ２４がグリッド並列モードで動作していることを示すＧＲＩＤ＿ＰＡＲ信号が発行されているかを判定し、上記の調整規則を適用する。もし、両方の条件が成立した場合には、“ＢＡＩＬＯＵＴ”信号が生成され、図７Ａに示す論理回路に送られ、調整制御をデフォルト変数に戻す。一実施例では、デフォルト変数は、充電モードのＩＢＡＴと、非充電モードのＮｏ＿ＣＮＴＲＬである。
【００４８】
同様に、もしシステム１０が、充電不可モードになっている場合には、以下の論理に従って動作する。
−  すでにシステムが、ＶＢＡＴ調整中、あるいはＩＢＡＴ調整中である場合には、デフォルトの（調整なし）モードに戻る。
−  上記の規則によって指示されたとしても、システムが、ＶＢＡＴ調整、あるいはＩＢＡＴ調整にならないようにする。
図７Ｂは、上記の規則を実行するように構成された論理の一例を示すものである。ＭＯＤＥ信号を用いて、図７Ｂに示した論理は、ＭＯＤＥ信号の値が“３”あるいは“４”となっているか（すなわち、モードがＶＢＡＴあるいはＩＢＡＴであるか）、また、ＣＨＡＲＧＥ信号が発行されているかを判定し、上記の調整規則を適用する。もし、現在のモードが、ＶＢＡＴあるいはＩＢＡＴ調整であり、ＣＨＡＲＧＥ信号が発行されていない場合には、“ＢＡＩＬＯＵＴ”信号が生成され、調整制御をデフォルト変数に戻し、すなわち、Ｎｏ＿ＣＮＴＲＬとする。Ｎｏ＿ＣＮＴＲＬ調整では、ＤＣ制御１４は、双方向コンバータ２０を動作させないため、バッテリ３０は充電されない。なお、多変数コントローラ１２は、ＶＢＵＳ＊を最小の指示値に、また、ＩＦＣ＊を適用可能な上限の制限値に設定し、もしグリッド並列モードでない場合には、いずれかの制限値に引っかかった際に、双方向コンバータ２０を再び動作させる。
【００４９】
上記の論理の規則に組み込まれ、状態機械９２によって実行される、調整の優先度の順番は、多くの物理的な制約によって、管理システム１０で課題となる無数の問題について一例と思われる方法を表しているにすぎない。例えば、許容範囲の最小電圧以下で燃料電池３２を動作させると、その物理的な損傷につながる恐れがあるため、ＶＢＵＳは、常に、調整制御について最も高い優先度をもつ制御変数である。また、燃料電池の電圧と電流の間には逆関係があるため、燃料電池電圧が減少を制限することにより、燃料電池電流の上昇を制限することもできる。従って、燃料電池の電圧が極度に低下するのと同時に、燃料電池の電流が極度に高くなった場合には、ＶＢＵＳを調整することにより、両方の変数をそれらの設定値に近づけることができる。ＶＢＵＳを調整した後で、もし、ＩＦＣが高い状態を維持している場合には、コントローラ１２は、ＩＦＣの制御に切り換え、ＶＢＵＳを許容範囲内の値に変化させる。これと同様の関係は、選択された調整の優先度の順番に反映された各制御変数の間に成立する。
【００５０】
同様に、デフォルトの調整変数を選び、全ての制御変数がそれらの許容範囲内に収まっているときに、良好なシステム応答性能を発揮できるようにする。例えば、システムが充電可能モードにあり、全ての制御変数がＬＯ領域に収まっている場合は、システムはデフォルトとしてＩＢＡＴ調整を行う。これにより、−ＩＢＡＴのレベルを引き上げ、同じように、−ＩＢｉのレベルを引き上げる（すなわち、バッテリ３０により多くの電流が送られ、より多くの電流を双方向コンバータ２０を介してＤＣバス１８から引き出す）。これにより、次に、ＩＦＣのレベルを引き上げ、ＶＢＵＳのレベルが下げられる。これらの動作が一体となって作用し、制御変数がそれぞれの設定値に近づくようになる。この動作は、（１）ＩＢＡＴが設定に近づくか、（２）他の変数の一つが、その許容範囲を外れてしまうようになるまで続けられる。後者の場合には、コントローラ１２は、許容範囲を外れている制御変数に対する調整制御に切り換える。
【００５１】
ＤＣ制御１４とＡＣ制御１６が干渉しないようにするため、グリッド並列モードに関する特別のモード選択規則が必要となる。スタンドアロン動作では、インバータ２４は、電圧レギュレータとしてのみ動作し、インバータ２４を流れる電力潮流は、ＡＣ負荷の要求によって主に決定される。この場合、すべてのＤＣ側の調整は、ＤＣ制御１４によって行う必要がある。グリッド並列動作では、インバータ２４は、ＤＣバス１８からＡＣメインへの電力潮流を制御する。これにより、図４に示した多変数制御回路と同様の制御回路を、ＡＣ制御１６内に付け加える必要がある。
【００５２】
図８は、グリッド並列のために所望の制御機能を提供するための、ＡＣ制御１６の一部として実装される回路１４０の一例を示すものである。この場合、ＡＣ制御１６は、燃料電池３２および、あるいはＤＣバス電圧からの電流を調整する役目を担っており、ＤＣ制御１４は、バッテリ充電（ＶＢＡＴあるいはＩＢＡＴ）を調整する役目を独立して担っている。特に、インバータ２４は、逆向きの電力潮流を防止する整流回路を含んでいない場合には、メインに対してＡＣ電力を出力するための入力ＤＣ電力を使用するか、それと逆向きに、ＡＣメイン電力を用いて、ＤＣ電力をＤＣバス１８に出力することは、当業者にとって自明なものとなっている。すなわち、インバータ２４は、ＡＣメインから得られたＤＣ電流を、ＤＣバス１８に送り、それゆえに、双方向インバータ２０がＤＣコントロール１４に関して共通の制御手段を提供していることと同様に、ＡＣ制御１６は、ＶＢＵＳおよびＩＦＣを調整するための“共通の”制御手段として主インバータを利用している。従って、グリッド並列動作の一例では、ＤＣ制御１４は、（監視コントローラ４０によって与えられるＣＨＡＲＧＥ信号状態に応じて）ＶＢＡＴとＩＢＡＴに対する調整制御を提供し、ＡＣ制御１６は、ＶＢＵＳとＩＦＣに対する調整制御を提供する。この調整制御の機能により、システム１０は、補助負荷３４への電源供給やバッテリ３０の充電のために、ＡＣメインからのＤＣ電力を利用することが可能となる。
【００５３】
図４に戻って説明すると、状態機械９２は、ＧＲＩＤ＿ＰＡＲ信号が発行された場合には、ＶＢＵＳおよびＩＦＣ変数に対しては応答せず、状態機械１４２が同時に調整動作を行うことを許可する。（なお、コントローラ１２には、処理制御論理を追加し、例えば、ＡＣグリッドが通常のパラメータ範囲内で動作して、主インバータ２４がグリッドと適切に同期して動作していることを検証した結果に基づいて、ＧＲＩＤ＿ＰＡＲ信号を生成するように構成することが可能である。）従って、グリッド並列動作では、同時に、二つのシステム変数を調整することが可能となる。回路１４０は、モード調停状態機械１４２を含んでおり、これは、同様に、状態機械９２、ＰＩＤレギュレータ１４４、および３状態リレー９６−５および９６−６、設定リミッタ９８−３および９８−４、ＬＰＦ１００−５および１００−６などの様々な補助的な論理要素を構成するために用いられていることが図８からわかる。
【００５４】
以下の表３は、上述した制御規則と状態機械９２の動作に関して、調整モードの決定、すなわち、調整制御変数の選択に関する組み合わせ論理の一例を示したものである。もし制御状態変化信号の一つがその入力で活性状態となった場合に、調整モードは、その信号で示された状態に切り換るように、図７Ｂに示した組み合わせ論理ブロックは動作する。このような論理は、必要や要望に応じて、様々な構成に従って実装可能であることは、当業者にとって自明なことである。しかし、以下の表３は、このような論理の一例を示すものであり、様々な制御モードに整数１から５を対応させてまとめてある。
【表３】
2007521583.tif 000009
Ｎｅｘｔ＿Ｍｏｄｅ値は、次の時間ステップでは、どのモードを選択すべきかを、現在の時間ステップでの信号値に基づいて決定する。もし、制御状態変化信号が活性状態となっていない場合には、Ｎｅｘｔ＿Ｍｏｄｅの値はゼロであり、制御は、以前の調整モード（“Ｈｏｌｄ  Ｌａｓｔ  Ｓｔａｔｅ”）に維持される。所定の時刻に、一つ以上の制御状態変化信号が活性状態となることは、モード選択論理の排他的な特徴から見て、不可能となっている。いずれの場合でも、一つ以上の制御状態変化信号が同時に活性状態となった場合には、制御は、最後に有効となっていた状態に留まるように応答する。
【００５５】
なお、各制御設定値は、その制御変数の一方の側の制限値を表すものである。いくつかの制御変数では、システムの物理的な構造上、他方の側の制限値も必要となる場合がある。その他の場合として、システムチェックを追加して実施し、他方の側の制限値を人工的に設け、この動作範囲を超えないようにシステムを動作させることが必要となる場合もある。このような状況を、以下の表４に示す。
【表４】
2007521583.tif 000010
【００５６】
例えば、燃料電池の電流設定値（ＩＦＣ＊）は、上限値を表しているが、その設定値の下限値（ＩＦＣ＝０）は、燃料電池３２に直列接続された遮断ダイオードによって与えられる。すなわち、もしＤＣバス電圧が燃料電池の電圧よりも高くなった場合に、燃料電池３２に逆方向に電流が流れることを、逆遮断／フィルタ回路２２が防止する。他の例としては、ＤＣバス電圧の設定値（ＶＢＵＳ＊）は、下限値を表すが、システム上では物理的な上限値は存在しないため、システムを偶発的な損傷から保護するためのバス過電圧トリップ機能が設けられている。実際には、この上限値は、監視コントローラ４０が矛盾した制御設定値の組み合わせを与えてしまうような特別な場合に作用する。表に示したトリップ条件（バス過電圧およびバッテリ過電流）は、共に、システム１０を自動的にオフラインモードに戻す結果をもたらす。
【００５７】
図４に戻って説明すると、状態機械９２によって生成されたＭＯＤＥ信号およびＲＥＳＥＴ信号と、以前に計算された誤差信号は、ＰＩＤレギュレータ９４に送られることがわかる。前述したように、ＰＩＤレギュレータ９４は、双方向コンバータ電流ＩＢｉを制御し、選択された制御変数を、その設定値に一致するように調節する。ＰＩＤレギュレータ９４の一例を、図９に示す。
【００５８】
図示したＰＩＤレギュレータ９４は、複数のゲイン回路ブロック１５０−１〜１５０−３から構成されている。これらのゲイン回路は、注目している制御変数の各々に適した、比例、微分および積分ゲインを与える。このようにして、切り換え回路１５２−１〜１５２−３は、現在選択されている制御変数、すなわち、状態機械９２によって与えられたＭＯＤＥ信号の値に応じて、ＰＩＤレギュレータ９４により調整中の制御変数に対する適切なゲインを、選択的に切り換える装置を提供している。ＰＩＤレギュレータ９４は、ゲイン回路１５３、微分器１５４、再設定可能な積分器１５６、論理ゲートおよびコンパレータ１５８、１６０および１６２、加算器１６４、制限定数１６６および１６８、遅延ゲート１７０、加算器１７２、およびスイッチ１７８などの様々な補助構成回路を含んでいる。なお、スイッチ１７８は、ＲＥＳＥＴ信号の状態によって、ＩＢｉ＊を、“ゼロ”信号、あるいはＰＩＤ演算調整信号として、選択的に、コンバータ・コントローラ回路１７に与えている。
【００５９】
ＰＩＤレギュレータの出力値は、リミッタ１７４により制限され、双方向コンバータ２０に対する電流制御指示が、適度な値を超えてしまうことを防止している。また、ＰＩＤレギュレータ９４には、ワインドアップ防止保護が備えられ、レギュレータの出力値が飽和した場合に、積分器が積分を続けてしまうことを防止している。また、オプションとしてフィードフォワード制御信号を加えることも可能となっている（加算器１７２にＩＦＣのフィードフォワード項をオプションと設けるためのスイッチ１５２−４参照のこと）。
【００６０】
ＰＩＤレギュレータ９４は、異なる制御変数を調整するために選択して用いられるため、一つあるいはそれ以上の数のその動作パラメータは、システム１０により現在調整中となっている制御変数の独自の特性のための制御動作に合わせて、変化させたり更新することが可能となっている。一実施例としては、ＰＩＤレギュレータ９４は、一つあるいはそれ以上の数の、ゲインブロック１５０で用いられる比例、積分および微分ゲインなどの可変パラメータを格納するためのメモリを含んでいる。それに代えて、システム１０内のほかの要素や回路が、これらのパラメータを格納（あるいは、監視コントローラ４０からこれらのパラメータを受信）し、ＰＩＤレギュレータ９４に適切なものを提供することも可能である。
【００６１】
一実施例では、状態機械９３から送られるＭＯＤＥ信号は、調整すべき所望の変数に応じて、レギュレータ９４によって用いられる（比例、積分および微分の）ゲインの適切な組み合わせを選択する。さらに、ＭＯＤＥ信号は、注目しているシステム制御変数（例えば、ＶＢＵＳ、ＩＦＣ、ＶＢＡＴあるいはＩＢＡＴ）のどれを調整するべきかを決定する。“Ｎｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌ”モード（ＭＯＤＥ＝５）の場合は、調整の各パラメータには、ゼロ値が送られる。ＲＥＳＥＴ信号フラグが発行されている場合は、積分状態はゼロにリセットされ、レギュレータ９４は、コンバータ制御回路７０に送られたＩＢｉ＊指示に対しては、ゼロ値を強制的に出力する。
【００６２】
コンバータ制御回路７０の動作については、すでに図３を引用して説明した。なお、注目している全ての制御変数が、同一のＰＩＤレギュレータ９４を共有する利点の一つとして、コンバータ制御回路７０によって、双方向コンバータ２０のデューティーサイクルを設定するために用いられる制御信号ＩＢｉ＊が、モード切り換えの前後で連続的となり、モード間でシームレスな遷移が可能となるという点がある。
【００６３】
本発明の制御方法の一実施例では、制御パラメータの選択を決定するために、複雑な関係が存在する。調整可能な制御変数と、これらが影響を及ぼす制御特性のいくつかを、以下の表５に示す。
【表５】
2007521583.tif 000011
【００６４】
一つあるいはそれ以上の数の制御パラメータを変化させる際には、複数の制御特性について様々なトレードオフが発生する。例えば、チャタリングを防止するためにリレー９６で用いられるヒステリシス領域制限を狭くして、より良好な制御精度をもたらすようにすると、異なる制御モード間でのリミットサイクルが発生しやすくなるという問題がある。また、ランプ・レートが早くなると高速なシステム応答をもたらすが、同時に、ランプのずれやオーバーシュートが発生するという問題がある。ローパスフィルタ１００を減速させることにより、１２０Ｈｚの除波を改善しリミットサイクルの発生を防ぐことが可能となるが、許容制限を越えた制御変数に対して、モードの切り換えを行なう際の遅延が増してしまうという問題がある。制御パラメータを調整するために、他にも多くの性能上のトレードオフが行なわれる。
【００６５】
このようなトレードオフに対して、本発明は、ＰＩＤレギュレータ９４の調整と、コンバータ制御回路７０のデッドビート制御則のための方法の一例を提供している。始めに、双方向コンバータの電流制御ループ（ＩＢｉ）のデッドビートゲインを調節し、適度な安定性を確保しオーバーシュートを抑えながら、可能な限り高速な応答をもたらすようにする。上述したように、Ｋ＝０．３３（Ｌ／Δｔ）の値は、この点に関して、良好な結果をもたらすことがわかっている。次に、レギュレータ９４のＤＣバス電圧と、燃料電池電流制御ループのためのＰＩＤゲインを決定する。これらのゲインは、オーバーシュートを最小としながら、可能な限り高速な応答をもたらすように決定する。ＤＣバス電圧フィードバック制御ループのさらに他の目的は、負荷変動に対しても、良好な制御特性を維持することにある。最後に、バッテリ電圧とバッテリ電流のフィードバック制御ループのＰＩＤゲインを決定し、（他のループに比べ）適度な応答時間をもたらすようにする。これら後者の二つのループの応答を、幾分、遅めにすることが、リミットサイクルを起こしにくくするために有利なものとなる。
【００６６】
一般的に、燃料電池電流ＩＦＣを除いた制御変数については、ゼロでない微分ゲインを用いることは、必ずしも必須ではない。（ＰＩＤ制御に比べ）ＰＩ制御は、テスト状態の領域で注目している他の制御変数について、適度な制御特性をもたらすことがわかっている。燃料電池電流の制御については、ＰＩＤ制御ではなくＰＩ制御を採用することは、入力フィルタの構成にどのようなものを選択したかに大きく依存する（図１に示した逆阻止回路２２を参照のこと）。逆阻止回路２２が、堅実な入力源をもつＬＣ入力フィルタを含む場合には、燃料電池電流のＰＩＤ制御で行なうことは、システム１０を安定化させる上で必要であることがわかっている。ＰＩＤ制御を用いると、燃料電池電流とバッテリ電流から１２０Ｈｚの電流成分を除去することを、犠牲とせざるを得なくなる。純粋に容量性の入力フィルタを用いた場合、燃料電池電流のＰＩ制御は、適切な制御安定性をもたらすものとなる。燃料電池３２自体は、システム特性を極めて緩やかなものにするため、ＬＣ入力フィルタを用いたＰＩ制御を採用することも可能となるが、この場合は、システム１０で用いられる特定の燃料電池３２の動特性に合うように、ＰＩ制御のパラメータを注意深く調整する必要がある。
【００６７】
以上で、本発明を、代替エネルギー制御システム１０に適用した一実施例について説明してきたが、ここで示した装置および方法は、様々なシステムの形態で用いられる多変数制御を実現するものである。これに限定されない例として、本発明は、固定あるいは変動するＤＣ負荷に供給する、一つあるいはそれ以上の数のＤＣ電力源ＤＣを含むＤＣ配電システムの制御、単一の電力制御が一つあるいはそれ以上の数の制御量を選択して制御するような電力システムの制御、単一の制御手段をもち相互依存した、非電気系システムを含む他の多変数システムの制御、（太陽電池、燃料電池、マイクロタービンなどの）代替エネルギー源がＡＣメインに接続された単相インバータの制御、そして、ＵＰＳシステムや代替エネルギーシステムのためのバッテリバックアップシステムの制御などに有利に適用することが可能である。
【００６８】
概略的には、本発明は、単一の制御手段を用いて、複数のシステム変数の制御を可能とするものである。代替エネルギーシステム１０に適用した場合、本発明により、双方向コンバータ２０によって提供される単一の制御手段を介して、異なる条件のもとでシステム１０の変動するニーズに応えるために必要となる、バッテリの充電、燃料電池電流あるいは内部ＤＣバス電圧の調節が可能となる。システム１０は、通常、一度に一つの制御変数のみを調整するが、システム１０自体の構成部分、あるいはそれに接続された構成部分に損傷を与えるような動作領域に、制御変数が入らないように、システムは動作する。
【００６９】
方法の一例として、システム１０は、注目している各制御変数の制御ループを提供し、これらの制御ループの中から一つを選択して、ＰＩＤレギュレータ９４によってループを完結させるが、このループは、異なる制御ループによって共有されるものである。ＰＩＤ９４内での動的な切り換えにより、切り換え可能なゲインの選択結果に応じて、その制御動作を各々の制御変数の調整に合わせることができる。このように、状態機械９２のモード調停論理と、ＰＩＤレギュレータ９４の切り換え可能なゲインを用いて、多変数コントローラ１２は、自動的な変数選択と調整制御を提供し、モードと、注目している制御変数の各々の監視状態（ＬＯ／ＨＩ／ＩＮＢＡＮＤ）とに応じて必要とされる調整（および調節）のために、制御変数の中から一つを自動的に選択することが可能となる。
【００７０】
このように、システム１０は、複数の制御変数のフィードバック制御ループを組み合わせて、共通のＰＩＤレギュレータを用いる単一の多変数制御を構成する。この制御方法は、各変数の誤差信号を監視し、それを３状態あるい３値論理信号（ＨＩ／ＬＯ／ＩＮＢＡＮＤ）に変換する。組み合わせ論理および状態機械による技術を、新たな方法で用いて、システム１０の正しい調整制御モードを決定する。この制御は、一つあるいはそれ以上の数のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、あるいは、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの他の処理回路や、他の複雑なプログラム可能な装置内部で、全体あるいはその一部を実装することが可能である。実際には、本発明は、コンピュータで読取り可能な媒体に格納されたコンピュータプログラムとして実装することが可能であり、このコンピュータプログラムは、上記でその一例を説明した方法の各ステップを実行するためのプログラム命令から構成されている。
【００７１】
本発明を、電気系システムと非電気系システムを含む様々な制御形態とシステム構成に適用できることは、当業者であれば容易に理解できるものである。本発明は、上記で詳細に説明した内容に限定されるものではなく、以下のクレームとそれらの合理的な等価なもの範囲にのみ限定を受けるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明による、代替エネルギー制御システムとして構成された多変数制御システムの一例を示すブロック図。
【図２】図１のシステムに実装可能な、双方向コンバータあるいはバッテリ充電器の一例を示すブロック図。
【図３】図１のシステムに実装可能な、双方向コンバータのコントローラの一例を示すブロック図。
【図４】図１のシステムに実装可能な、多変数制御回路の一例を示すブロック図。
【図５】図１のシステムに実装可能な、ゲイン値と変化率の設定値のリミッタの一例を示すブロック図。
【図６】図１のシステムに実装可能な、３状態制御リレーの一例を示すブロック図。
【図７Ａ】図１のシステムに実装可能な、モードコントローラの一例を示すブロック図。
【図７Ｂ】同じく図１のシステムに実装可能な、モードコントローラの一例を示すブロック図。
【図８】グリッド並列モードでの操作に関するモード制御論理の一例を示すブロック図であり、主インバータ制御は、電圧ではなく出力電力にもとづき制御されるブロック図。
【図９】図１のシステムに実装可能な、ＰＩＤ制御器の一例を示すブロック図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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