(57)【要約】熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのための制御システム。この制御システムは、１つまたは複数のパラメータ値を感知して、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するためのパラメータ感知手段とを備える。感知される各パラメータごとに、比較器手段が、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較し、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供する。１つまたは複数の制御手段が、１つまたは複数の誤差信号を使用して複数の制御信号を提供し、それにより各制御信号は、交流発電機の１つまたは複数の制御特性と、コージェネレーションユニットからのエネルギーを使用して加熱される物体の温度とを調整することができる。
2004524794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機と、を備えるコージェネレーションユニットのための制御システムであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知し、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、それぞれが感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供することのできる比較器手段と、を備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合されており、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供することができ、それにより各制御信号はそれぞれのパラメータを調整するのに使用され、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う制御システム。
【請求項２】
電気負荷は家庭負荷を含み、家庭負荷は交流発電機と外部ＡＣ電源との両方に接続されている、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項３】
指定パラメータは生成されたＡＣ電気の力率であり、所望の値は所望の力率値である、請求項２に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項４】
所望の力率値は制御システムのプログラム可能デバイス中にプログラムすることができる、請求項３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項５】
力率パラメータに対する制御手段は力率コントローラであり、力率コントローラは力率制御信号を界磁電流コントローラに提供することができ、界磁電流コントローラは交流発電機の界磁巻線に結合されており、界磁電流コントローラは力率制御信号に応答して界磁電流を変化させる、請求項３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項６】
電気負荷は家庭負荷および擬似負荷を含み、家庭負荷と擬似負荷は両方とも交流発電機に接続されており外部ＡＣ電源には接続されていない、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項７】
指定パラメータは生成されたＡＣ電気の出力電圧および周波数であり、所望の値は所望の出力電圧値および所望の周波数値である、請求項６に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項８】
出力電圧パラメータに対する制御手段は電圧コントローラであり、電圧コントローラは電圧制御信号を界磁電流コントローラに提供することができ、界磁電流コントローラは交流発電機の界磁巻線に結合されており、界磁電流コントローラは電圧制御信号に応答して交流発電機の界磁巻線の界磁電流を変化させる、請求項７に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項９】
周波数パラメータに対する制御手段は周波数コントローラであり、周波数コントローラは周波数制御信号を電気スイッチに提供することができ、それにより電気スイッチは周波数制御信号に従って擬似負荷の有効な大きさを変化させ、擬似負荷の有効な大きさが変化することにより、交流発電機の速度を変化させることができる、請求項７に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１０】
電気スイッチはトライアックである、請求項９に記載の制御システム。
【請求項１１】
擬似負荷は、物体を加熱することのできる抵抗素子である、請求項６に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１２】
温度パラメータに対する制御手段は燃料コントローラであり、燃料コントローラは燃料制御信号を燃料調整器に提供することができ、それにより燃料調整器は燃料制御信号に従って熱機関への燃料供給レートを変化させ、燃料供給が変化することにより、物体に提供されるエネルギーが変化する、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１３】
物体は、温水暖房システムで使用することのできる一塊の水である、請求項１２に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１４】
所望の温度値は温水暖房システムを使用して設定され、温水暖房システムは物体から得られる熱を散逸させることができる、請求項１３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１５】
温水暖房システムの熱散逸を制御する手段をさらに備える、請求項１３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１６】
電気負荷のタイプを、
ａ．交流発電機と外部ＡＣ電源の両方に接続された家庭負荷と、
ｂ．どちらも外部電源には接続されていない家庭負荷および制御可能擬似負荷と
のうちから選択するように動作可能な切替え手段をさらに備える、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１７】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法であって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整されることを含み、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う、コージェネレーションユニットを制御する方法。
【請求項１８】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御するためのプログラム式コンピュータであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と
を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．各誤差信号を使用してそれぞれの制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整できるようにすることを行うためのソフトウェアおよびハードウェアを備え、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行うプログラム式コンピュータ。
【請求項１９】
所望の値がプログラム可能である、請求項１６に記載のプログラム式コンピュータ。
【請求項２０】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システムであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知するためのパラメータ感知手段であって、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供し、指定パラメータは、第１のモードではＡＣ電気の電圧および周波数を含み、第２のモードではＡＣ電気の力率を含むようにモードに依存する、パラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段とを備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合され、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、各制御手段はそれぞれのパラメータを調整するのに使用され、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行い、制御システムのモードはスイッチを使用して選択可能である、コージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２１】
第１のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源から独立して動作し、第２のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源と共に動作する、請求項２０に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２２】
第１のモードでは、電気負荷は擬似負荷および家庭負荷を含む、請求項２１に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２３】
擬似負荷の有効な大きさが、周波数パラメータを調整するのに使用されるコントローラに関連する制御手段によって制御され、それにより擬似負荷の制御を用いてＡＣ電気の周波数を調整することができる、請求項２２に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２４】
第２のモードでは、電気負荷は家庭負荷を含む、請求項２１に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２５】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのための制御システムであって、
ａ．１つまたは複数のパラメータを感知するためのパラメータ感知手段であって、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとの、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段と、
ｃ．１つまたは複数の誤差信号を使用して複数の制御信号を提供することのできる１つまたは複数の制御手段であって、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整することができる制御手段とを備え、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからの熱を使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う、コージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項２６】
少なくとも第１および第２のモードで動作可能である、請求項２５に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項２７】
第１のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源から独立して動作する、請求項２６に記載の制御システム。
【請求項２８】
感知されるパラメータは、
ａ．生成されたＡＣ電気の周波数と、
ｂ．生成されたＡＣ電気の電圧と、
ｃ．物体の温度とを含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項２９】
電気負荷は擬似負荷および家庭負荷を含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項３０】
擬似負荷の有効な大きさが制御信号によって制御される、請求項２９に記載の制御システム。
【請求項３１】
第２のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源と共に動作する、請求項２６に記載の制御システム。
【請求項３２】
感知されるパラメータは、
ａ．生成されたＡＣ電気の力率と、
ｂ．物体の温度とを含む、請求項３１に記載の制御システム。
【請求項３３】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法であって、
ａ．１つまたは複数のパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較すること、
ｃ．感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｄ．１つまたは複数の誤差信号を使用して少なくとも１つの制御信号を提供し、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整できるようにすることを含み、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからのエネルギーを使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う、コージェネレーションユニットを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコージェネレーションシステムに関し、より詳細には、幹線配電ネットワーク(mains power distribution network)に接続することのできるコージェネレーションユニットを制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ほとんどの電気は、天然ガスや石炭などの燃料を使用して大規模な発電所によって生成されている。この従来の電気生成方法では、燃料の約３分の１が電気に変換され、約３分の２が熱に変換される。この熱エネルギーは潜在的に有用だが、この熱は移送しにくく潜在的なユーザは一般にいくらか離れた所にいるので、消費者に販売するのが難しい。したがって、生成された熱は、使用されずに冷却塔または海からの冷却水を通して大気に放出されることが多い。
【０００３】
同時に、工場、病院、および温水プールを含めた潜在的な熱ユーザはしばしば、より多くの燃料を燃焼させるか電気を使用することによって、それら自体の熱を生成する。これは明らかに、熱と電気を生成する方法として非常に非効率的であり、また、このようなユーザがそれら自体の小規模な「発電所」を設置して、電気生成プロセスから直接に生成した廃熱を使用してそれら自体の熱要件を満たせるようにする方が、はるかにコスト効果が高く効率的であることがわかっている。
【０００４】
有用な熱と電気を同じプラント中で同時に生成することは、コージェネレーションと呼ばれる。コージェネレーションユニットは、前述の多くの工業用途で使用されている。しかしこの概念は、温水用の加熱を必要とする家庭や、また特に、より寒い気候で一般に環境を暖房するための加熱を必要とする家庭など、自家用環境にも等しく当てはまる。このようなユニットから生成された余剰電気を、他の家庭または商業ユーザによって使用されるように幹線分配ネットワークに提供することができれば、自家用にまたは家庭で使用するためのコージェネレーションの利点を高めることができる。
【０００５】
さらに、幹線接続なら、ピーク家庭負荷のための電力を幹線分配ネットワークから引き出すことができる。この場合、コージェネレーションユニットをこれらのピーク負荷を満たすサイズにする必要はない。これを達成するために、これまでにいくつかの方法が提案されてきた。しかし現在の方法は、概して非常に高価であり、構成および設置がかなり複雑である。
【０００６】
このようなシステムの費用および複雑さは、インバータに起因すると考えることができる。インバータは、幹線分配ネットワークへの好都合なインタフェースを提供するために、小規模な発電機でしばしば使用される。このタイプのシステムでは、交流発電機によって生成されたＡＣ電気が、ＤＣに整流されてインバータに供給される。インバータは、幹線パラメータ（例えば周波数および電圧）と正確に一致する、所望の力率のＡＣ電力を合成する。このタイプのインバータは通常、幹線パラメータを感知して、それに合うようにＡＣ電力を合成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、より単純かつコスト効果の高い方式で幹線配電ネットワークに接続することのできるコージェネレーションユニットで使用するための制御システムを提供することである。
【０００８】
本発明の目的はまた、外部ＡＣ電源（幹線配電ネットワークからの幹線供給など）から独立して動作することのできるコージェネレーションユニットで使用するための制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
概して言えば、本発明は、コージェネレーションユニットを制御するためのシステムおよび方法を対象とする。この制御システムは、コージェネレーションユニットが電気負荷のためのＡＣ電気を生成できるようにし、ＡＣ電気は、インバータを使用せずに確立されたパラメータを有する。
【００１０】
したがって本発明は、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのための制御システムを提供する。この制御システムは、
ａ．１つまたは複数のパラメータを感知するためのパラメータ感知手段であって、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段と、
ｃ．１つまたは複数の誤差信号を使用して複数の制御信号を提供することのできる１つまたは複数の制御手段であって、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整することができる制御手段と、を備え、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからの熱を使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う。
【００１１】
本発明はまた、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのための制御システムを提供する。この制御システムは、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知し、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段とを備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合され、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供することができ、それにより各制御信号はそれぞれのパラメータを調整するのに使用され、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う。
【００１２】
本発明は、外部電源（例えば幹線配電ネットワーク）から得られるＡＣ電気との関連で、あるいは外部電源から独立して、電気負荷にＡＣ電気を提供することができる。したがって本発明は、少なくとも２つの動作モード、すなわち幹線接続モードまたはスタンドアロンモードが可能である。本発明のこの形態では、指定パラメータはモードに依存する。
【００１３】
より具体的には、スタンドアロンモードでは、指定パラメータは交流発電機によって生成されたＡＣ電気の出力電圧および周波数であることが好ましい。このモードでは、本発明は、これらのパラメータを調整して電気負荷のコンポーネントの大きさの変化を補償し、それにより、通常なら生じるかもしれない電圧および周波数の大きな変動を最小限に抑えることができる。これに関し、電気負荷のコンポーネントは家庭負荷とすることができる。
【００１４】
幹線接続モードでは、指定パラメータは発電機によって生成されたＡＣ電気の力率であることが好ましい。
【００１５】
したがって理解されるように、本発明はまた、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システムを提供する。この制御システムは、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知するためのパラメータ感知手段であって、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供し、指定パラメータは、第１のモードではＡＣ電気の電圧および周波数を含み、第２のモードではＡＣ電気の力率を含むようにモードに依存する、パラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとの、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、それぞれが感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供することのできる比較器手段とを備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合され、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、各制御手段はそれぞれのパラメータを調整するのに使用され、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行い、制御システムのモードはスイッチを使用して選択可能である。
【００１６】
本発明の好ましい一実施形態では、物体の温度は、トランスデューサを使用して感知する。物体は、貯水タンクに貯えられた一塊の水とすることができ、水は少なくとも、熱機関から得られた廃熱によって加熱される。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、物体は一塊の空気とすることができ、コージェネレーションユニットからエネルギーを得る源（例えば前述の一塊の水）から取り出されたエネルギーによって加熱される。
【００１８】
本発明の別の実施形態では、物体は温水暖房の水流回路中の水とすることができる。
【００１９】
物体の温度を制御するための制御手段は、トランスデューサに関連する比較器手段からの温度誤差信号に応じて変化する燃料制御信号を提供することのできる燃料制御手段を備えることが好ましい。燃料制御信号は燃料調整器に供給されることが好ましく、燃料調整器は、燃料制御信号に応答して熱機関への燃料供給を燃料制御信号に従って調整する。
【００２０】
本発明の好ましい形態では、熱機関は、ガスバーナを備える蒸気機関である。本発明のこの形態では、燃料調整器は、ガスバーナにガスを供給するガス調整器である。本発明の別の形態では、熱機関は、本発明で使用するのに適した内燃機関（例えばディーゼル機関）とすることができる。
【００２１】
本発明の好ましい一実施形態では、制御システムは、プログラム式コンピュータを使用して実現することができる。したがって本発明はまた、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御するためのプログラム式コンピュータも提供する。このプログラム式コンピュータは、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．各誤差信号を使用してそれぞれの制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整できるようにすることを行うためのソフトウェアおよびハードウェアを備え、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う。
【００２２】
また理解されるように、本発明は、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法も提供する。この制御システムは、
ａ．１つまたは複数のパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較すること、
ｃ．感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｄ．１つまたは複数の誤差信号を使用して少なくとも１つの制御信号を提供し、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整できるようにすることを含み、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからのエネルギーを使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う。
【００２３】
また理解されるように、本発明はまた、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法も提供する。この方法は、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整できるようにすることを含み、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う。
【００２４】
本発明の交流発電機は、ハイブリッド交流発電機であることが理想的である。理解されるように、ハイブリッド交流発電機は、直流電流（以下、「界磁電流」と呼ぶ）によって磁化することのできる界磁巻線を有する回転子と、永久磁石と、固定子巻線を有する固定子とを備え、それにより、回転子が熱機関によって駆動されると、界磁巻線の磁化と永久磁石との組合せによって生み出される回転磁束が、固定子の巻線中に電圧（Ｅｍｆ）を誘導する。
【００２５】
交流発電機は、動作時のトルク角度（すなわち回転子界磁と固定子界磁との間の角度）が大きくなりすぎないように、十分に容量の大きいものとすべきである。さもなければ、幹線接続モードで必要とされるように交流発電機と幹線との間で同期を達成および/または維持するのが困難になる場合がある（例えばトルク角度が９０度を超えると同期が失われる）。
【００２６】
これに関し、交流発電機はハイブリッド交流発電機として言及するが、本発明の別の実施形態では、従来型の交流発電機を使用してもよいことを理解されたい。
【００２７】
さらに、交流発電機は、単層出力を有する交流発電機（家庭での使用によく適する）として述べるが、本発明の制御システムは、三相電気生成および幹線への三相接続にも等しく適用されることを理解されたい。
【００２８】
最後に、この記述で言及する交流発電機は同期交流発電機だが、他のタイプの交流発電機を、それらの特性に適合するように適切に修正して使用してもよいことを理解されたい。
【００２９】
前述のように、本発明の好ましい一形態によれば、制御システム（したがってコージェネレーションユニット）は、少なくとも２つのモードのうちの１つで動作することができる。この好ましい形態では、制御システムはさらに多極切替えスイッチも備え、この多極切替えスイッチは、制御システムをスタンドアロンモードと幹線接続モードのいずれかに選択的に切り替えるように動作可能である。本発明の一形態では、多極切替えスイッチは物理的なスイッチとすることができる。本発明の代替形態では、多極切替えスイッチは、プログラム式コンピュータを使用して（例えばマイクロコンピュータ中のソフトウェアを使用して）実現することができる。
【００３０】
ここまでは２つのモードについてかなり大まかに述べたが、次にこれらのモードについてより詳細に述べる。
【００３１】
スタンドアロンモードの動作(Stand-alone Mode Operation)
スタンドアロンモードでは、交流発電機が外部ＡＣ電源（例えば幹線配電ネットワークから取り出されたＡＣ電力）に依拠せずにＡＣ電気を生成できるように、切替えスイッチを設定して制御システムを構成する。
【００３２】
このモードでは前述のように、制御システムによって感知される指示パラメータは、生成されたＡＣ電気の出力電圧（Ｖ）および周波数（ｆ）を含むことが好ましい。後でより詳細に説明するが、出力電圧の制御は、交流発電機の界磁巻線中の電流を制御することによって行い、周波数の制御は、交流発電機の速度を制御することによって行う。
【００３３】
本発明のこの形態では、少なくとも２つの比較器手段が提供される。第１の比較器手段は、感知された出力電圧をそれぞれの所望の電圧値（すなわちＶdes）と比較するために提供されることが好ましく、第２の比較器手段は、感知された周波数をそれぞれの所望の周波数値（すなわちｆdes）と比較するために提供されることが好ましい。
【００３４】
第１の比較器手段は、感知された出力電圧とそれぞれの所望の電圧値との差に応じた電圧誤差信号を提供することが好ましい。本発明のこの形態では、この電圧誤差信号を出力電圧制御手段が使用して、交流発電機の界磁巻線中の界磁電流（Ｉf）を変化させることが好ましい。理解されるように、界磁電流を変化させると、固定子に結合される起電力（Ｅｍｆ）がそれに比例して変化し、それにより出力電圧が調整される。したがって本発明のこのモードでは、出力電圧を調整するために制御される交流発電機の特性は、界磁電流である。
【００３５】
第２の比較器手段は、感知された周波数とそれぞれの所望の周波数値との差に応じた周波数誤差信号を提供することが好ましい。この場合、この周波数誤差信号を周波数制御手段が使用して、電子スイッチ（または調整器）を制御し、交流発電機の出力に接続された「擬似」負荷の大きさを有効に変化させることが好ましい。
【００３６】
本発明の好ましい一形態では、擬似負荷の有効な大きさは、制御可能な切替えレートで擬似負荷を交流発電機の出力に切替え可能に接続することによって変化させる。これに関し、本明細書全体で「有効な擬似負荷」という語に言及する場合、これは交流発電機の出力から「見える」擬似負荷の平均値を指すものと理解されたい。
【００３７】
理解されるように、交流発電機の出力に接続された擬似負荷の有効な大きさを変化させると、それに応じて交流発電機の回転子に対する機械負荷が変化し、この変化は、熱機関のトルク負荷の変化として実現される。熱機関のトルク負荷が変化すると、それに対応して回転子の角速度が変化し、これによりＡＣ電気の周波数が調整される。したがって本発明のこのモードでは、周波数を調整するために制御される交流発電機の特性は、トルク負荷である。
【００３８】
本発明のこの好ましい形態では、電子スイッチはトライアックであり、第２の比較器に関連する制御手段から取り出された制御信号を使用してこのトライアックを切り替えて、擬似負荷を交流発電機の出力に切替え可能に接続する。
【００３９】
擬似負荷は、抵抗負荷であることが好ましい。より具体的には、抵抗負荷は水タンク中にある発熱体とすることができ、それにより、抵抗負荷中の電力散逸によって生成される熱が、水タンク中の水の加熱に寄与する。したがって、本発明のこの形態では、熱機関の廃熱と抵抗負荷によって生成される熱との両方が水を加熱する。
【００４０】
有利には、交流発電機によって生成されたＡＣ電気が抵抗負荷と家庭負荷とを含めた電気負荷に提供される本発明のこの形態では、抵抗負荷は、余分な電力（すなわち交流発電機によって生成された総電力と家庭負荷の電力要件との差）を散逸させるのに使用され、かつ、ほぼ一定の総電気負荷（すなわち家庭負荷と抵抗負荷を組み合わせた負荷）を維持するように操作できる「バッファ」負荷を提供することによって家庭負荷要件の変動を補償するのに使用されることが好ましい。このような操作は「素早く」（すなわち１サイクルまたは数サイクルの交流出力で）行えることが理想的であり、変化した燃料供給レートに対する熱機関の応答は通常はそれよりも遅いことになる。実際、変化した燃料供給レートに対する熱機関の応答は、家庭負荷切替え時のかなりの周波数変動を回避するには遅すぎる場合がある。
【００４１】
理解されるように、抵抗負荷によって散逸される電力を増加させると、一塊の水の温度が上昇する傾向がある。
【００４２】
一塊の水の温度は、トランスデューサによって感知され、その結果感知された信号は、第３の比較器に供給される。第３の比較器は、感知された温度と所望の温度値との差に応じた温度誤差信号を生成することができる。
【００４３】
温度誤差信号は燃料制御手段に供給され、燃料制御手段は、水温の上昇に応答して、燃料調整器を制御して熱機関への燃料供給を減少させるように動作する。熱機関への燃料供給を減少させることにより、交流発電機出力の周波数がそれに対応して低下する。
【００４４】
周波数の低下は周波数感知手段によって感知され、その結果、前述の方法に従って、抵抗負荷の有効な大きさが低減されて周波数の低下が補償される。
【００４５】
抵抗負荷の有効な大きさが低減されると、家庭負荷の変動によって引き起こされる場合のある「スイッチオン」過渡現象に制御システムが応答できなくなることがある。すなわち、前は、抵抗負荷の有効な大きさが、家庭負荷の変動に対応する「バッファ」として使用されるのに十分だったとしても、述べたこの状況では、抵抗負荷は、このような変動を補償するのに使用できるほどには十分に大きくない場合がある。
【００４６】
有利なことに、本発明は、物体の温度のせいで通常ならＡＣ電気が適さなくなる（例えば周波数が低すぎる）状況で、ＡＣ電気の供給を家庭負荷に適したものに維持する能力を制御システムに提供するモード（以下、「電気優先モード」と呼ぶ）を提供することにより、前述の問題を克服する。
【００４７】
電気優先モードをサポートすることのできる本発明のシステムは、さらに以下の手段も備えることができる。
Ａ．しきい値温度に達するまで温度/燃料制御を不可能にする（すなわち所望の温度値をしきい値温度値で置き換える）手段を備える。あるいは、
Ｂ．（Ａ）と同じだが、追加の熱負荷を家庭の内部でまたは外部（廃棄する）であるいはその両方で加えて、しきい値温度に達するまでの時間を延ばすか、または達しないようにする手段も備える。あるいは、
Ｃ．所望の温度で常に最大限の熱を散逸できるようにするだけの十分に大きい追加の内部および/または外部熱負荷を加え、所望の温度に対する制御を維持する。
【００４８】
（Ａ）および（Ｂ）に関しては、これらの場合、スタンドアロン電気優先モードは物体がしきい値温度に達するまでしか機能せず、しきい値温度に達した時点で、制御システムはスタンドアロンモードの動作に移行する。これに関し、しきい値温度は、所望の温度値を超える最大許容温度とすることができる。
【００４９】
（Ｂ）および（Ｃ）に関しては、本発明のこの形態では、追加の熱負荷は、物体から熱を抽出し、それによりしきい値温度に達するのにかかる時間を延ばすか、物体がしきい値温度に達しないようにすることのできる熱散逸装置を含むことができる。
【００５０】
適した装置の一例では、物体に一般に接続される温水暖房システムを使用することができる。この構成では、温水暖房システムは、加熱された物体（例えば水）を利用して家庭に暖房を提供することができる。
【００５１】
本発明のこの実施形態では、制御システムはさらに、温水暖房システムを制御するための制御手段も備えることができる。一般にこのような制御手段を使用して、温水暖房システムを制御してその熱散逸を増加させることができ（水流レートを上げたり、ラジエータにあるバルブ開口を増大させたりすることによって）、それにより、しきい値温度に早く達するチャンスをより少なくするかまったくなくして、コージェネレーションユニットが最大出力電力を生成できるようにすることができる。
【００５２】
本発明の別の形態では、電気優先モードは、「デフォルト」動作モードとすることができ、このモードの間に物体から散逸する熱は廃熱として放出することができる。本発明のこの形態では、常に最大出力電力（したがって完全出力負荷能力）が利用可能である。本発明のこの形態の一構成では、家庭の外にある冷却塔を使用して廃熱を放出することができる。あるいは、物体がタンク中の水である場合は、水が沸騰して蒸気をタンクの外に排出するままにさせることができる。
【００５３】
制御システムの第１のモードについて述べたが、次に第２のモードの説明に移る。
【００５４】
幹線接続モードの動作(Mains Connected Mode Operation)
第２のモード（「幹線接続モード」）では、第２のモードの指定パラメータは外部ＡＣ電源のそれぞれのパラメータを使用して制御され、物体の温度はトランスデューサによって感知された温度に従って制御されるような形で交流発電機がＡＣ電気を生成できるように、切替えスイッチを構成する。
【００５５】
外部ＡＣ電源は、幹線分配ネットワークから得られる幹線供給であることが好ましい。本発明の別の実施形態では、外部ＡＣ源は、幹線分配ネットワークではない源（例えば太陽エネルギー発電機、風力タービン発電機、または他の適したＡＣ発電機）から取り出すこともできる。
【００５６】
幹線接続モードでは、交流発電機出力の出力電圧および周波数は、外部ＡＣ電源の対応パラメータに従って固定される。この場合、交流発電機の出力から「見える」幹線配電ネットワークのインピーダンスは、熱機関の駆動能力に対して相対的に非常に低いので、熱機関および交流発電機の周波数および電圧は、幹線配電ネットワークからの幹線供給によって決定されることになる。このため、交流発電機出力の電圧は、外部ＡＣ電源の電圧に固定され、交流発電機出力の周波数は、外部ＡＣ電源の周波数に固定される。
【００５７】
制御システムによって感知され調整される指定パラメータは、交流発電機出力の力率（すなわち固定子電圧と固定子電流との間の位相角）であることが好ましい。したがって本発明のこのモードでは、力率を感知することは、出力電圧と出力電流との間の位相関係を感知することを含むものとすることができる。
【００５８】
より具体的には、制御システムは、感知された力率を所望の力率値と比較することのできる第４の比較器手段を備え、この第４の比較器手段は、感知された力率とそれぞれの所望の力率値との差に応じた力率誤差信号を提供することが理想的である。本発明のこの形態では、この誤差信号を力率制御手段が使用して、交流発電機の界磁巻線中の界磁電流（Ｉf）を変化させることが好ましく、交流発電機は、その出力の力率を調整する。したがって本発明のこの形態では、力率を調整するために制御される交流発電機の特性は、界磁電流である。
【００５９】
有利なことに、本発明のこの形態では、家庭負荷の電力要件が交流発電機の総出力電力よりも低いときは、余剰電力を外部ＡＣ電源に提供することができる。実際、外部ＡＣ電源が幹線配電ネットワークである本発明の形態では、余剰電力を公益事業プロバイダに売ることができる。
【００６０】
幹線接続モード−障害状況応答(Mains Connected Mode-Fault Condition Response)
本発明は、制御システムがある種の障害状況に応答できるようにするのに十分な機能を含むことが好ましい。これに関し、ある動作シナリオで２つのタイプの障害状況、すなわち熱機関障害および幹線配電ネットワーク障害に遭遇すると考える。
【００６１】
熱機関障害に関しては、コージェネレーションユニットが幹線接続モードで動作している間に熱機関が障害を起こした場合、交流発電機の出力に幹線電力が加わると、交流発電機はモータとして挙動することになる。このような挙動により、交流発電機の出力側で電流の流れる方向が逆転する。
【００６２】
有利なことに、本発明の好ましい一形態では、パラメータ感知手段は、電流の方向の逆転を感知してそれに応答して交流発電機を幹線配電ネットワークから分離することのできる電流感知手段を備える。
【００６３】
本発明の代替形態では、パラメータ感知手段は、交流発電機出力の力率を感知することによって電流の方向の逆転を感知することができる。有利なことに、力率の感知は、他の障害状況（例えば同期エラー）の検出に関しても有用な場合があると考えられる。
【００６４】
幹線配電ネットワークの障害に関しては、この場合、制御システムは、幹線供給（すなわち幹線配電ネットワークからの供給の電圧および周波数）の損失を感知し、それに応答して制御システムの動作をスタンドアロンモードに移行するように動作することが好ましい。このため、家庭負荷の電力要件が交流発電機の出力電力よりも低ければ、家庭へのＡＣ電気の供給は中断されない。
【００６５】
したがって本発明が、中間ＤＣ変換プロセスに依拠せずに幹線配電ネットワークで使用するのに適した、ＡＣ電気を生成するためのシステムおよび方法を提供することが理解されるであろう。このため本発明は、インバータに依拠せずにＡＣ電気を提供することができる。
【００６６】
また本発明が、幹線配電ネットワークなしで使用するのに適し、電気負荷の変動を補償することのできる、ＡＣ電気を生成するためのシステムおよび方法を提供することも理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
次に、図を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳細に述べる。
【００６８】
図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態は、交流発電機１００に結合された熱機関１０を含む。熱機関１０は、交流発電機１００を駆動するための動力を提供し、交流発電機１００は、本発明の好ましい実施形態ではハイブリッド交流発電機である。
【００６９】
図示および記述する実施形態では、熱機関１０はＤＣモータ３０にも結合されている。ＤＣモータ３０を使用して、後でより詳細に述べる方式でコージェネレーションユニットを開始することができる。
【００７０】
好ましい実施形態では、熱機関１０は、バーナ１１を含む構成を有する蒸気機関であり、バーナ１１は、水を蒸気に変換するための熱を生成する目的でガスを燃焼させて、交流発電機１００の回転子を駆動するための動力を提供するのに適している。
【００７１】
ガスは、燃料調整器２０を介して熱機関に送られる。燃料調整器２０は、アナログまたはディジタルベースのコントローラ（例えばマイクロコンピュータ）とすることのできる燃料コントローラ２６によって制御することができる。
【００７２】
感知手段８０は、交流発電機によって生成されたＡＣ電気の指定パラメータを感知して感知パラメータ値を提供するのに必要な機能を、制御システムに提供する。
【００７３】
指定パラメータは、制御システムの動作モードによって決まる。これに関し、本発明の好ましい実施形態は少なくとも２つのモードで使用することができる。第１のモードはスタンドアロンモードであり、コージェネレーションユニットは幹線配電ネットワークから分離して動作する。第２のモードは幹線接続モードであり、ユニットは幹線配電ネットワークに接続されて、それと共に操作される。
【００７４】
第１のモードでは、パラメータ感知手段８０は、交流発電機出力の電圧（Ｖ）および周波数（ｆ）を感知できることが好ましい。一方、第２のモードでは、パラメータ感知手段は、交流発電機出力の力率を感知できることが好ましい（出力電圧と出力電流との間の位相関係を感知することによって）。
【００７５】
好ましい実施形態では、電流は、分路抵抗器（図示せず）の両端の電圧を感知し、感知した電圧を使用して測定電圧に基づく電流を決定することによって感知する。
【００７６】
理解されるように、電圧は電圧計を使用して感知することができる。
【００７７】
力率に関しては、力率は、測定された出力電圧と電流との位相差としてパラメータ感知手段によって計算される。
【００７８】
制御システムの各モードと指定パラメータとの関係の性質については、後でより詳細に説明する。
【００７９】
制御システムは、スイッチ６１、６２、６３、６４を備える。これらのスイッチを作動させて、制御システムを特定のモードで動作するように構成することができる。
【００８０】
本発明の好ましい実施形態では、スイッチ６１、６２、６３、６４はソフトウェア制御を用いて実現される。より具体的には、スイッチ６１および６２はそれぞれ、コイル（図示せず）を有する継電器の接点を使用して形成された物理的なスイッチとすることができ、それぞれのソフトウェア制御スイッチ（図示せず）を使用してコイルへの電圧を加えたり切ったりして、それぞれのスイッチ６１、６２を作動させることができる。
【００８１】
これに関し、マイクロコンピュータを使用する場合、スイッチ６３および６４は、制御システムのモードに応じてそれぞれの制御信号（すなわちスイッチ６３の場合は電圧または力率制御信号、スイッチ６４の場合は周波数制御信号）を適切な制御システムコンポーネントに送るための適切な機能（例えば「論理」スイッチ）を組み込んだソフトウェアプログラムを使用して実現することができる。
【００８２】
感知された指定パラメータのパラメータ値は、それぞれの比較器に提供される。したがって、本発明の好ましい実施形態は、周波数比較器８１、電圧比較器８２、および力率比較器８３を含む。各比較器は、やはり動作モードに応じて、それぞれのコントローラ９０、２４に接続することができる。
【００８３】
本発明の好ましい実施形態では、これらのコントローラは燃料コントローラ２６と共に、マイクロコンピュータを使用して実現することができる。
【００８４】
実際、マイクロコンピュータの使用は本発明によく適合する。というのは、このような実装形態により、家庭加熱回路（例えば温水暖房システム）および/または外部冷却塔のオプション制御など、他の機能を組み込むことができるからである。これらの要素の重要性については、後でより詳細に述べる。
【００８５】
さらに、マイクロコンピュータの使用は、ユーザインタフェース、システム診断、時間計機能など、他の機能も提供することができる。ソフトウェアを使用してこのような機能を実現することは、ソフトウェア技術者の能力で十分できる範囲であろう。
【００８６】
コージェネレーションユニットの始動(Starting Cogeneration Unit)
最初の始動時、スイッチ６１、６３、６４はスタンドアロン位置にある。図１をよく見れば明らかなように、この構成では、幹線配電ネットワークからの幹線電源はコージェネレーションユニットから分離されており、交流発電機１００の出力は家庭負荷７０から分離されている。さらに、周波数コントローラ９０は、最初に擬似負荷１２２の有効な大きさを最小値に設定することが好ましい。
【００８７】
始動時、燃料調整器は「開」になっており、バーナ１１にガスが提供される。バーナ１１が点火されて、熱機関１０の動作を開始させる。
【００８８】
バーナ１１が点火された後すぐに、熱機関１０は蒸気を生成し始める。この段階で、電池４５を使用して始動器モータ（この場合はＤＣモータ３０）を短時間にわたって回転させ、熱機関１０の回転を開始させる。好ましい実施形態では、ＤＣモータ３０の動作は、電池４５に接続された始動コントローラ４０によって制御され、電池４５は電池充電器４６に接続されている。電池充電器４６は電力回路６０に直接に接続されている。
【００８９】
熱機関１０の回転がＤＣモータ３０によって開始されると、次いで熱機関１０は、熱機関１０自体によって生成された動力を使用して動作を開始する。この時点で、始動コントローラはＤＣモータ３０を熱機関１０から切断する。
【００９０】
始動中、交流発電機１００によって生成される電気の周波数および電圧が、パラメータ感知手段８０によって感知される。
【００９１】
この場合、次いで所望の周波数値（ｆｄｐｓ）および感知された周波数値（ｆａｃｔ）が比較器８１に入力され、所望の電圧Ｖｄｐｓおよび感知された電圧Ｖａｃｔが比較器８２に入力される。
【００９２】
比較器８１および比較器８２は、感知されたパラメータ値とそれぞれの所望の値との差に応答して、それぞれの誤差信号をそれぞれの制御手段に提供するように動作する。それにより各制御手段は、交流発電機１００によって生成される出力ＡＣ電気のそれぞれのパラメータが対応する所望の値を達成できるように、交流発電機の特性を直接的または間接的に調整することができる。
【００９３】
始動中、次いで、熱機関１０が速度を上げるにつれて交流発電機１００の出力の周波数は相応に変化し（すなわち高くなり）、したがって比較器８１によって生成される誤差信号も変化する。
【００９４】
周波数誤差信号の変化は周波数コントローラ９０によって感知され、周波数コントローラ９０は、周波数が所望の周波数と一致するまで、交流発電機１００の出力に接続された擬似負荷１２２の有効な大きさを徐々に増大させる（したがって擬似負荷１２２に電力を提供する）。
【００９５】
本発明の好ましい実施形態では、擬似負荷１２２の有効な大きさを徐々に増大させることは、周波数コントローラ９０がトライアック１１０と共に行う。より具体的には、周波数コントローラ９０は、トライアック１１０の切替え動作を制御して（周波数制御信号を使用して）、交流発電機１００の出力に対する擬似負荷１２２を徐々に増大させる。
【００９６】
周波数コントローラ９０は、周波数制御関数を使用して周波数誤差信号に応じた周波数制御信号を生成できる、任意の適したアナログまたはディジタルコントローラとすることができる。
【００９７】
これに関し、本発明の好ましい実施形態では、周波数制御関数は以下の形式とすることができる。
Ｋ７＋Ｋ８／ｓ    -----------------（１）
上式で、Ｋ７は比例項であり、Ｋ８／ｓは積分項である（周波数制御にとって許容できないことになる定常状態誤差を回避するのに必要である）。本発明の代替実施形態では、微分項（Ｋ９ｓ）を含めることもでき、その場合、周波数制御関数は以下の形式になる。
Ｋ７＋Ｋ８／ｓ＋Ｋ９ｓ    ----------（２）
この場合、周波数を上げるには擬似負荷の大きさを低減する必要があるので、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９は負の値である。
【００９８】
周波数制御関数を式（１）および（２）に関して述べたが、同様の結果をもたらす他の周波数制御関数を使用してもよいことを理解されたい。
【００９９】
式（１）および（２）における利得（Ｋｉ）の値は、必要とされる応答のタイプに応じた標準的な最適化手順を使用して決定することができる。この場合、臨界減衰応答が望ましい。このような応答は、より速い応答を提供するが、オーバーシュートがより大きくなるという犠牲が伴う。
【０１００】
動作時、トライアック１１０は、オンであることが望まれる各サイクルごとに、半サイクル全体にわたってオンに切り替えられることになる。このようにして、すべての切替えを０ボルトで行うことができる。ただし、ＤＣ出力を回避するために、交番する正と負のサイクルで切替えを行うことが重要である。
【０１０１】
このトライアック制御方法は、トライアック負荷切替えに関連するトルク変動の周波数が相対的に低いので、機械振動および応力の問題につながる場合がある。したがって、前述の切替え手法に対する代替手法は、トライアック切替えの位相角制御を用いることであり、その場合は負荷を半サイクルごとに切り替える。
【０１０２】
この結果、より大きな電流が切り替えられることになるものの、トルク変動周波数がより高くなるので、前述の手法はより円滑な制御をもたらす。
【０１０３】
出力ＡＣ電気の電圧を制御して所望の値を達成することに関しては、この場合、熱機関が「終結」したときに電圧誤差信号が電圧コントローラ２２に提供され、電圧コントローラ２２は、電圧誤差信号に応じた電圧制御信号を生成する。
【０１０４】
電圧コントローラ２２は、電圧制御関数を使用して電圧誤差信号に応じた電圧制御信号を生成できる、任意の適したアナログまたはディジタルコントローラとすることができる。
【０１０５】
これに関し、本発明の好ましい実施形態では、電圧制御関数は以下の形式とすることができる。
Ｋ１＋Ｋ２／ｓ    -------------------（３）
上式で、Ｋ１は比例項であり、Ｋ２／ｓは積分項である（電圧制御にとって許容できないことになる定常状態誤差を回避するために使用する）。本発明の代替実施形態では、微分項（Ｋ２ａｓ）を含めることもでき、その場合、電圧制御関数は以下の形式になる。
Ｋ１＋Ｋ２／ｓ＋Ｋ２ａｓ    ----------（４）
【０１０６】
電圧制御関数を式（３）および（４）に関して述べたが、同様の結果をもたらす他の電圧制御関数を使用してもよいことを理解されたい。
【０１０７】
式（３）および（４）における利得（Ｋｉ）の値は、必要とされる応答のタイプに応じた標準的な最適化手順を使用して決定することができる。この場合、臨界減衰応答が望ましい。このような応答は、より速い応答を提供するが、オーバーシュートがより大きくなるという犠牲が伴う。
【０１０８】
電圧制御信号は界磁電流コントローラ１３０に提供され、界磁電流コントローラ１３０は、交流発電機の界磁巻線１０２（または永久磁石ハイブリッド交流発電機上の相当物）中の電流を制御して、所望の値を達成する。理解されるように、界磁巻線中の電流を増加または低減させると、交流発電機中の磁束も相応に変化し、これにより誘導Ｅｍｆ、したがって出力電圧も相応に変化する。
【０１０９】
ＤＣモータ３０を使用して熱機関１０を始動させることに言及したが、本発明はこのように限定する必要はないことを理解されたい。実際、本発明の代替実施形態では、交流発電機１００がモータとして動作することができ、したがって別個の始動器モータの必要がなくなる。本発明のこの形態では、交流発電機（この場合はモータとして動作している）を回転させるのに使用されるＡＣ電流は、幹線配電ネットワーク（利用可能ならば）から、またはインバータを介して電池から提供することができる。
【０１１０】
本発明の別の実施形態では、交流発電機１００は、それがＤＣモータとして機能できるようにする追加の巻線を別個に備えることができる。この形態では、交流発電機１００は、定常トルク方向を提供するのに適した機械通信または電子通信を含むことができる。
【０１１１】
ここで図２に移るが、始動モード２００から、交流発電機が所望の周波数および電圧を有するＡＣ電気を提供するようになると、制御システムは「スタンドアロン電気優先モード」２０２に移行する。
【０１１２】
スタンドアロン電気優先モード(Stand-alone Electrical Priority Mode)
再び図１を参照するが、制御システムは、スイッチ６２を使用して家庭負荷７０と擬似負荷１２２の両方を含む電気負荷に交流発電機の電気を提供するように構成することもでき、別法として擬似負荷１２２だけに出力電力を送ることもできる（始動中の場合と同様に）。
【０１１３】
スタンドアロン電気優先モードでは、バーナ１１へのガス供給は最大供給レートに維持される。この場合、燃料コントローラ２６は、比較器８４によって所望の温度値に関して生成される温度誤差信号に応答しないように構成される。
【０１１４】
そうではなく、所望の温度値の代わりにしきい値温度値が使用され、燃料コントローラ２６は、しきい値温度に達するまで使用不可になる。
【０１１５】
界磁電流コントローラ１３０はまだ電圧誤差信号に応答し、周波数コントローラ９０はまだ周波数誤差信号に応答するので、交流発電機の電圧および周波数は、先に述べた方法に従って調整される。
【０１１６】
水温がしきい値温度に達すると、制御システムはスタンドアロンモード２０４（図２参照）で動作するように構成することができる。前述のように、このような移行は、物体に接続されており家庭の内部および/または外部の熱損失を最大限にしてしきい値温度に達するのを回避するか遅らせるように適切に構成された熱散逸装置（温水暖房システムなど）を制御システムが制御することによって、影響を受ける場合がある。
【０１１７】
実際、本発明の一形態では、熱散逸装置は、所望の温度値をしきい値温度値で置き換える必要がないほど十分に大きい熱負荷を提供する場合がある。
【０１１８】
別法として、スタンドアロンモードは、制御システムをスタンドアロン電気優先モードからスタンドアロンモードに切り替えるスイッチ（図示せず）を作動させることによって選択することもできる。
【０１１９】
幹線配電ネットワークからの幹線供給が利用可能な場合、制御システムは、（同期モードを介して）幹線接続モード２０６（図２参照）で動作するように構成することができる。
【０１２０】
スタンドアロンモードの動作(Stand-alone mode operation)
スタンドアロンモード２０４（図２参照）では、制御システムはスタンドアロン電気優先モード２０２と同じ構成を維持するが、例外として、燃料コントローラ２６が燃料調整器２０を制御して、水タンク中の所望の水温を維持することができる。
【０１２１】
この場合、燃料コントローラ２６は、燃料がバーナ１１によって消費されるレートを制御して、貯水タンク１２０中の所望の温度を維持する。貯水タンク１２０は、少なくとも熱機関１０の廃熱を使用して加熱することのできる水を保持している。
【０１２２】
燃料コントローラ２６は、比較器８４から温度誤差信号を受け取る。この信号は、貯水タンク１２０内にあるトランスデューサ１２１からの感知された温度信号と所望の温度値（Ｔｄｅｓ）との比較に従って生成される。本発明の一形態では、所望の温度値は、水タンクから熱を抽出する家庭加熱システムによって設定することができる。次いで燃料コントローラ２６は、燃料制御信号を燃料調整器２０に提供して、燃料がバーナ１１によって消費されるレートを変化させる。本発明の好ましい実施形態では、燃料制御信号は、燃料制御関数を使用して生成される。
【０１２３】
これに関し、本発明の好ましい実施形態では、燃料制御関数は以下の形式とすることができる。
Ｋ５＋Ｋ６／ｓ    ------------------（５）
上式で、Ｋ５は比例項であり、Ｋ６／ｓは積分項である（燃料制御にとって許容できないことになる定常状態誤差を回避するために使用する）。本発明の代替実施形態では、微分項（Ｋ６ａｓ）を含めることもでき、その場合、燃料制御関数は以下の形式になる。
Ｋ５＋Ｋ６／ｓ＋Ｋ６ａｓ    ----------（６）
【０１２４】
燃料制御関数を式（５）および（６）に関して述べたが、同様の結果をもたらす他の燃料制御関数を使用してもよいことを理解されたい。
【０１２５】
式（５）および（６）における利得（Ｋｉ）の値は、必要とされる応答のタイプに応じた標準的な最適化手順を使用して決定することができる。この場合、臨界減衰応答が望ましい。このような応答は、より遅い応答を提供するが、大きいオーバーシュートの発生を防ぐ。
【０１２６】
熱機関１０への燃料の流れは、所望の温度が保たれるように維持される。しかし、水の熱質量が大きいため水温は極めてゆっくりと変化し、したがって、熱機関の速度を変化させることによって必要な電力要件を維持することができるという点からみた燃料制御システムの応答は、いくぶん遅くなる。
【０１２７】
熱機関の速度を速く変化させることは不可能なので、家庭負荷の変動の結果、著しい周波数変動が生じることがある。有利なことに、本発明の好ましい実施形態では、有効な抵抗負荷１２２を変化させてほぼ一定の電気負荷（すなわち家庭負荷と擬似負荷とを組み合わせた負荷）を維持することにより、負荷過渡現象に対処する。
【０１２８】
この場合、余分な電力を擬似負荷１２２に分流させ、それにより、家庭負荷の増大（例えば高出力電気機器を「オンに切り替える」ことによって引き起こされる場合のある増大）のための「上部空間」を設ける。これもやはり、周波数コントローラ９０によって制御される。
【０１２９】
したがって、家庭負荷の電力要件が増大するのに伴って、擬似負荷中で散逸される余分な電力は、その所望の値から０になるまでゆっくりと減少する。０になった時点で、家庭負荷の電力は交流発電機の出力と一致する。
【０１３０】
擬似負荷１２２に提供される電力は、貯水タンク１２０内の水の加熱に寄与する。前述のように、水は、熱機関１０からの廃熱によっても加熱される。
【０１３１】
生成された熱が利用されていない場合、交流発電機１００の出力は、燃料コントローラ２６が熱機関１０への燃料を調整して湯温を調整するのに伴って低下する。実際、これにより燃料コントローラ２６は、許容可能な最低燃料設定よりも低い設定で稼動するよう熱機関に要求することになる場合がある。その場合は、コージェネレーションシステムは「シャットダウン」状態２０８（図２参照）に戻り、熱機関が再始動する必要のあるレベルに水温が戻るまでその状態でいることができる。機関が再始動すると、前述の始動サイクルが繰り返される。
【０１３２】
上の記述から明白なように、スタンドアロンモードでは、家庭への最大電気出力を得るには、温水システムに対して十分な熱負荷があるようにする必要がある。
【０１３３】
幹線接続モード(Mains Connected Mode)
図２を参照するが、幹線接続モード２０６に切り替わる前には、交流発電機の出力電圧および周波数を、幹線配電ネットワークからの幹線供給の対応パラメータに同期させなければならない。したがって、幹線接続モードに切り替わる前に、制御システムは「同期」モード２０に移行する。同期モードでは、交流発電機は、スイッチ６１（図１参照）を介して幹線配電ネットワークから分離されたままである。
【０１３４】
再び図１を参照するが、交流発電機の出力周波数を幹線配電ネットワークからの幹線供給の周波数に同期させることは、幹線供給の周波数を感知し、それを使用して所望の周波数値を設定することを含む。このようにして、幹線供給の周波数を使用して熱機関の速度を制御し、交流発電機１００が幹線配電ネットワークからの供給の周波数よりもわずかに高い（または低い）周波数を有するようにすることができる。例えば幹線供給周波数が、交流発電機の速度が１５００rpmであることを必要とする場合、交流発電機の速度は実際、１５０２rpmで稼動するように制御されることになる。
【０１３５】
このようにして、幹線配電ネットワークからの幹線供給の周波数と交流発電機の周波数とは、速度が異なるため定期的に同期することになる。同期の時点で、スイッチ６１、６３、６４は幹線位置に切り替わり、それによりユニットは幹線配電ネットワークに接続され、したがってコージェネレーションユニットは幹線接続モードに構成される。このモードでは、コージェネレーション出力および家庭負荷電力要件に従って、電力はグリッドに流れるかまたはグリッドから流れることができる。
【０１３６】
本発明の代替実施形態では、同期プロセスに位相ロックループ（ＰＬＬ）コントローラを使用することもできる。
【０１３７】
同期プロセス中に幹線配電ネットワークからの幹線供給が失敗した場合（例えば「ブラックアウト（停電）」や「ブラウンアウト（電圧低下）」の間に）は、制御システムは「スタンドアロンモード」２０４（図２参照）に戻り、供給が利用可能になるまでこのモードに留まる。供給が利用可能になれば、制御システムは再び同期モード２１０（図２参照）に戻ることができる。
【０１３８】
このモードでは、次いで、一塊の水の加熱要件が、熱機関１０に供給されるガスの量を前述の温度/ガス供給制御手法を使用して変化させることにより、コージェネレーションユニットによって生成される電力の量を決定する。
【０１３９】
スイッチ６３を幹線位置に切り替えた結果、界磁電流コントローラ１３０はもはや、比較器８２と電圧コントローラ２２とを含む電圧帰還ループには接続されていない。そうではなく、界磁電流コントローラ１３０は、比較器８３と力率コントローラ２４とを含む力率帰還ループに接続されている。したがってこのモードでは、所望の力率ＰＦｄｅｓを、感知ユニット８０からの実際に感知された力率と比較し、この比較から生じる差があればそれを力率誤差信号に変換して力率コントローラ２４に提供する。力率コントローラ２４は、力率誤差信号を受け取るのに応答して、力率制御関数を使用して力率制御信号を生成する。この力率制御信号は界磁電流コントローラ１３０に提供されて、交流発電機中の界磁巻線電流が調整され、したがって交流発電機出力の力率が調整される。
【０１４０】
力率コントローラ２４は、力率制御関数を使用して力率誤差信号に応じた力率制御信号を生成できる、任意の適したアナログまたはディジタルコントローラとすることができる。
【０１４１】
これに関し、本発明の好ましい実施形態では、力率制御関数は以下の形式とすることができる。
Ｋ３＋Ｋ４／ｓ---------- （７）
上式で、Ｋ３は比例項であり、Ｋ４／ｓは積分項である（力率制御にとって望ましくないことになる定常状態誤差を回避するために使用する）。本発明の代替実施形態では、微分項（Ｋ４ａｓ）を含めることもでき、その場合、力率制御関数は以下の形式になる。
Ｋ３＋Ｋ４／ｓ＋Ｋ４ａｓ---------- （８）
この場合、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ４ａは負の値である。
【０１４２】
利得（Ｋｉ）の値は、必要とされる応答のタイプに応じた標準的な最適化手順を使用して決定することができる。この場合、臨界減衰応答が望ましい。このような応答は、より遅い応答を提供するが、大きいオーバーシュートの発生を防ぐ。
【０１４３】
力率制御関数を式（７）および（８）に関して述べたが、同様の結果をもたらす他の力率制御関数を使用してもよいことを理解されたい。
【０１４４】
この記述のために図１では、所望の力率を（１−ＰＦ）ｓｉｇｎｄｅｓとして表し、実際の（感知された）力率を（１−ＰＦ）ｓｉｇｎａｃｔｕａｌとして表してある。この場合「ｓｉｇｎ」は、進み力率では正になり、遅れ力率では負になる。これに関し、所望の力率は、通常は幹線公益事業会社によって指定されることになる。幹線配電グリッドからのほとんどの幹線供給は遅相なので、幹線配電ネットワークへの入力は進相であることがしばしば望ましい。したがって、本発明の好ましい実施形態では、所望の力率はプログラム可能とすることができ、そのため必要時には改変することができる。
【０１４５】
所望の力率のプログラミングは、リモートで（例えば幹線公益事業会社によって）電話回線（例えば公衆交換電話ネットワークや公衆地上移動ネットワーク）を使用して行うこともでき、他の通信ネットワーク手段によって（例えばインターネットを介して）行うこともでき、所望の力率データを幹線供給自体に重畳することによって行うこともできる。
【０１４６】
幹線接続モード２０６（図２参照）で熱機関が失敗した場合、交流発電機１００の出力に幹線電力を加えると、交流発電機はモータとして挙動することになる。このような挙動により、交流発電機１００の出力側で電流の流れる方向が逆転することになる。
【０１４７】
有利なことに、本発明の好ましい一形態では、パラメータ感知手段８０は、電流の方向の逆転を感知することができる。電流の逆転が検出されたのに応答して、制御システムは「シャットダウン」状態２０８に移行する。
【０１４８】
同様に、幹線配電ネットワークが失敗した場合（例えば「ブラックアウト」や「ブラウンアウト」により）、制御システムは、幹線供給（すなわち幹線配電ネットワークからの供給の電圧および周波数）の損失（または劣化）を感知し、それに応答して、制御システムの動作をスタンドアロンモード２０４（図２参照）に移行するように動作する。したがって、家庭負荷の電力要件が交流発電機の出力電力よりも低ければ、家庭負荷へのＡＣ電気の供給は中断されない。
【０１４９】
したがって本発明が、中間ＤＣ変換プロセスに依拠せずに幹線配電ネットワークで使用するのに適した、ＡＣ電気を生成するためのシステムおよび方法を提供することが理解されるであろう。このため本発明は、インバータに依拠せずにＡＣ電気を提供することができる。
【０１５０】
また本発明が、幹線配電ネットワークなしで使用するのに適し、電気負荷の変動を補償することのできる、ＡＣ電気を生成するためのシステムおよび方法を提供することも理解されるであろう。
【０１５１】
以上、特定の実施形態に関して述べたが、本発明の範囲内で多くの変形および修正が可能であることを当業者なら理解するであろう。
【０１５２】
実際、制御信号を提供し、これらを使用してそれぞれの感知パラメータを調整することができる好ましい実施形態に関して本発明を述べたが、本発明はまた、各制御信号を使用して複数の感知パラメータを調整することができる他の形態や、複数の感知パラメータに従って１つまたは複数の制御信号をそれぞれ提供する形態でも実現することができることは理解されるであろう。
【０１５３】
複数の感知パラメータを調整することができる本発明の適した一形態は、状態空間コントローラを含むことができる。別の適した形態は、ファジイ論理コントローラを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】本発明の制御システムの概略図である。
【図２】図１の好ましい実施形態についての状態−モード図である。
【符号の説明】
【０１５５】
１０  熱機関
１１  バーナ
２０  燃料調整器
２４  コントローラ
２６  燃料コントローラ
３０  ＤＣモータ
８０  感知手段
６１、６２、６３、６４  スイッチ
７０  家庭負荷
８０  パラメータ感知手段
８１  周波数比較器
８２  電圧比較器
８３  力率比較器
９０  周波数コントローラ
１００  交流発電機
１２０  貯水タンク
１２２  擬似負荷
１３０  界磁電流コントローラ
２００  始動モード
２０２  スタンドアロン電気優先モード
２０４  スタンドアロンモード
２０６  幹線接続モード
２０８  シャットダウン状態
２１０  同期モード
【図１】
2004524794.tif 000003
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年6月5日(2003.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機と、を備えるコージェネレーションユニットのための制御システムであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知し、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、それぞれが感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供することのできる比較器手段と、を備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合されており、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供することができ、それにより各制御信号はそれぞれのパラメータを調整するのに使用することができ、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う制御システム。
【請求項２】
電気負荷は家庭負荷を含み、家庭負荷は交流発電機と外部ＡＣ電源との両方に接続されている、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項３】
指定パラメータは生成されたＡＣ電気の力率であり、所望の値は所望の力率値である、請求項２に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項４】
所望の力率値は制御システムのプログラム可能デバイス中にプログラムすることができる、請求項３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項５】
力率パラメータに対する制御手段は力率コントローラであり、力率コントローラは力率制御信号を界磁電流コントローラに提供することができ、界磁電流コントローラは交流発電機の界磁巻線に結合されており、界磁電流コントローラは力率制御信号に応答して界磁電流を変化させる、請求項３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項６】
電気負荷は家庭負荷および擬似負荷を含み、家庭負荷と擬似負荷は両方とも交流発電機に接続されており外部ＡＣ電源には接続されていない、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項７】
指定パラメータは生成されたＡＣ電気の出力電圧および周波数であり、所望の値は所望の出力電圧値および所望の周波数値である、請求項６に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項８】
出力電圧パラメータに対する制御手段は電圧コントローラであり、電圧コントローラは電圧制御信号を界磁電流コントローラに提供することができ、界磁電流コントローラは交流発電機の界磁巻線に結合されており、界磁電流コントローラは電圧制御信号に応答して交流発電機の界磁巻線の界磁電流を変化させる、請求項７に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項９】
周波数パラメータに対する制御手段は周波数コントローラであり、周波数コントローラは周波数制御信号を電気スイッチに提供することができ、それにより電気スイッチは周波数制御信号に従って擬似負荷の有効な大きさを変化させ、擬似負荷の有効な大きさが変化することにより、交流発電機の速度を変化させることができる、請求項７に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１０】
電気スイッチはトライアックである、請求項９に記載の制御システム。
【請求項１１】
擬似負荷は、物体を加熱することのできる抵抗素子である、請求項６に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１２】
温度パラメータに対する制御手段は燃料コントローラであり、燃料コントローラは燃料制御信号を燃料調整器に提供することができ、それにより燃料調整器は燃料制御信号に従って熱機関への燃料供給レートを変化させ、燃料供給が変化することにより、物体に提供されるエネルギーが変化する、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１３】
物体は、温水暖房システムで使用することのできる一塊の水である、請求項１２に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１４】
所望の温度値は温水暖房システムを使用して設定され、温水暖房システムは物体から得られる熱を散逸させることができる、請求項１３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１５】
温水暖房システムの熱散逸を制御する手段をさらに備える、請求項１３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１６】
電気負荷のタイプを、
ａ．交流発電機と外部ＡＣ電源の両方に接続された家庭負荷と、
ｂ．どちらも外部電源には接続されていない家庭負荷および制御可能擬似負荷と
のうちから選択するように動作可能な切替え手段をさらに備える、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１７】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法であって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と
を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整できるようにすることを含み、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う、コージェネレーションユニットを制御する方法。
【請求項１８】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御するためのプログラム式コンピュータであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と
を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．各誤差信号を使用してそれぞれの制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整できるようにすることを行うためのソフトウェアおよびハードウェアを備え、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行うプログラム式コンピュータ。
【請求項１９】
所望の値がプログラム可能である、請求項１６に記載のプログラム式コンピュータ。
【請求項２０】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システムであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知するためのパラメータ感知手段であって、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供し、指定パラメータは、第１のモードではＡＣ電気の電圧および周波数を含み、第２のモードではＡＣ電気の力率を含むようにモードに依存する、パラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段とを備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合され、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、各制御手段はそれぞれのパラメータを調整するのに使用され、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行い、制御システムのモードはスイッチを使用して選択可能である、コージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２１】
第１のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源から独立して動作し、第２のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源と共に動作する、請求項２０に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２２】
第１のモードでは、電気負荷は擬似負荷および家庭負荷を含む、請求項２１に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２３】
擬似負荷の有効な大きさが、周波数パラメータを調整するのに使用されるコントローラに関連する制御手段によって制御され、それにより擬似負荷の制御を用いてＡＣ電気の周波数を調整することができる、請求項２２に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２４】
第２のモードでは、電気負荷は家庭負荷を含む、請求項２１に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２５】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのための制御システムであって、
ａ．複数のパラメータを感知するためのパラメータ感知手段であって、複数の前記パラメータが生成された前記ＡＣ電気の指定パラメータを含み、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとの、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段と、
ｃ．１つまたは複数の誤差信号を使用して複数の制御信号を提供することのできる１つまたは複数の制御手段であって、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整することができる制御手段とを備え、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからの熱を使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う、コージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項２６】
少なくとも第１および第２のモードで動作可能である、請求項２５に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項２７】
第１のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源から独立して動作する、請求項２６に記載の制御システム。
【請求項２８】
感知されるパラメータは、物体の温度を含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項２９】
指定されるパラメータは、
ａ．生成されたＡＣ電気の周波数と、
ｂ．生成されたＡＣ電気の電圧と、を含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項３０】
電気負荷は擬似負荷および家庭負荷を含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項３１】
擬似負荷の有効な大きさが制御信号によって制御される、請求項２９に記載の制御システム。
【請求項３２】
第２のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源と共に動作する、請求項２６に記載の制御システム。
【請求項３３】
感知されるパラメータは、物体の温度を含む、請求項３２に記載の制御システム。
【請求項３４】
生成されたＡＣ電気の指定パラメータが生成されたＡＣ電気の力率を含む、請求項３２または請求項３３に記載の制御システム。
【請求項３５】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法であって、
ａ．複数のパラメータを感知して、複数の前記パラメータが生成された前記ＡＣ電気の指定パラメータを含み、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較すること、
ｃ．感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｄ．１つまたは複数の誤差信号を使用して少なくとも１つの制御信号を提供し、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整できるようにすることを含み、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからのエネルギーを使用して加熱される物体の温度とを制御する制御信号を使う、コジェネレーションユニットを制御する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
したがって本発明は、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのための制御システムを提供する。この制御システムは、
ａ．複数のパラメータを感知するためのパラメータ感知手段であって、複数のパラメータが生成されたＡＣ電気の指定パラメータを含み、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段と、
ｃ．１つまたは複数の誤差信号を使用して複数の制御信号を提供することのできる１つまたは複数の制御手段であって、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整することができる制御手段とを備え、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからの熱を使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また理解されるように、本発明は、熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法も提供する。この制御システムは、
ａ．複数のパラメータを感知して、複数のパラメータが生成されたＡＣ電気の指定パラメータを含み、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較すること、
ｃ．感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｄ．１つまたは複数の誤差信号を使用して少なくとも１つの制御信号を提供し、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整できるようにすることを含み、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからのエネルギーを使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
有利なことに、本発明は、物体の温度のせいで通常ならＡＣ電気が適さなくなる（例えば周波数が低すぎる）状況で、ＡＣ電気の供給を家庭負荷に適したものに維持する能力を制御システムに提供するモード（以下、「電気優先モード」と呼ぶ）を提供することにより、前述の問題を克服する。
電気優先モードでは、熱機関への燃料供給は、所定の供給速度（例えば、最大供給速度）に固定し得るか、あるいは家庭負荷を超えて固定されたバッファを維持するように変更し得る。
電気優先モードは、スイッチを使うユーザ、あるいはおそらくユーザインタフェース上のメニュー選択によって選択／接続解除し得る。選択／接続解除はコントローラに通信し得る。
本発明の別の態様では、“スマート(smart)”コントローラを使用し得る。この態様では、スマートコントローラは、家庭負荷がまさに増大しようとする予兆に基づいてコントロールシステムを電気優先モードに切り換え得る。そのような予兆は以前の使用パターン、あるいはスマートコントローラに利用し得るユーザの選択又は他のデータに基づき得る。
スマートコントローラを含む本発明の態様では、家庭負荷が交流発電機出力に接近した時（すなわち、擬似負荷熱散逸が所定レベルより下に減少した時）にスマートコントローラは電気優先モードを選択することもでき、その後、バッファが再び適切なレベルまで増大した時に電気優先モードを接続解除することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
コージェネレーションユニットの始動(Starting Cogeneration Unit)
最初の始動時、スイッチ６１、６３、６４はスタンドアロン位置にあり、スイッチ６２は開放位置に切り換えられる。図１をよく見れば明らかなように、この構成では、幹線配電ネットワークからの幹線電源はコージェネレーションユニットから分離されており、交流発電機１００の出力は家庭負荷７０から分離されている。さらに、周波数コントローラ９０は、最初に擬似負荷１２２の有効な大きさを最小値に設定することが好ましい。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１２】
スタンドアロン電気優先モード(Stand-alone Electrical Priority Mode)
再び図１を参照するが、制御システムは、家庭負荷７０と擬似負荷１２２の両方を含む電気負荷に交流発電機の電気を提供するようにスイッチ６２を閉じることによってスタンドアロン電気優先モード用に構成することもでき、別法として擬似負荷１２２だけに出力電力を送ることもできる（始動中の場合と同様に）。




【手続補正書】
【提出日】平成15年8月1日(2003.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機と、を備えるコージェネレーションユニットのための制御システムであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知し、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、それぞれが感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供することのできる比較器手段と、を備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合されており、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供することができ、それにより各制御信号はそれぞれのパラメータを調整するのに使用することができ、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う制御システム。
【請求項２】
電気負荷は家庭負荷を含み、家庭負荷は交流発電機と外部ＡＣ電源との両方に接続されている、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項３】
指定パラメータは生成されたＡＣ電気の力率であり、所望の値は所望の力率値である、請求項２に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項４】
所望の力率値は制御システムのプログラム可能デバイス中にプログラムすることができる、請求項３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項５】
力率パラメータに対する制御手段は力率コントローラであり、力率コントローラは力率制御信号を界磁電流コントローラに提供することができ、界磁電流コントローラは交流発電機の界磁巻線に結合されており、界磁電流コントローラは力率制御信号に応答して界磁電流を変化させる、請求項３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項６】
電気負荷は家庭負荷および擬似負荷を含み、家庭負荷と擬似負荷は両方とも交流発電機に接続されており外部ＡＣ電源には接続されていない、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項７】
指定パラメータは生成されたＡＣ電気の出力電圧および周波数であり、所望の値は所望の出力電圧値および所望の周波数値である、請求項６に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項８】
出力電圧パラメータに対する制御手段は電圧コントローラであり、電圧コントローラは電圧制御信号を界磁電流コントローラに提供することができ、界磁電流コントローラは交流発電機の界磁巻線に結合されており、界磁電流コントローラは電圧制御信号に応答して交流発電機の界磁巻線の界磁電流を変化させる、請求項７に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項９】
周波数パラメータに対する制御手段は周波数コントローラであり、周波数コントローラは周波数制御信号を電気スイッチに提供することができ、それにより電気スイッチは周波数制御信号に従って擬似負荷の有効な大きさを変化させ、擬似負荷の有効な大きさが変化することにより、交流発電機の速度を変化させることができる、請求項７に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１０】
電気スイッチはトライアックである、請求項９に記載の制御システム。
【請求項１１】
擬似負荷は、物体を加熱することのできる抵抗素子である、請求項６に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１２】
温度パラメータに対する制御手段は燃料コントローラであり、燃料コントローラは燃料制御信号を燃料調整器に提供することができ、それにより燃料調整器は燃料制御信号に従って熱機関への燃料供給レートを変化させ、燃料供給が変化することにより、物体に提供されるエネルギーが変化する、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１３】
物体は、温水暖房システムで使用することのできる一塊の水である、請求項１２に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１４】
所望の温度値は温水暖房システムを使用して設定され、温水暖房システムは物体から得られる熱を散逸させることができる、請求項１３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１５】
温水暖房システムの熱散逸を制御する手段をさらに備える、請求項１３に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１６】
電気負荷のタイプを、
ａ．交流発電機と外部ＡＣ電源の両方に接続された家庭負荷と、
ｂ．どちらも外部電源には接続されていない家庭負荷および制御可能擬似負荷と
のうちから選択するように動作可能な切替え手段をさらに備える、請求項１に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項１７】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法であって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と
を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整できるようにすることを含み、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行う、コージェネレーションユニットを制御する方法。
【請求項１８】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御するためのプログラム式コンピュータであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と
を含むパラメータを感知して、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較して、それにより感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｃ．各誤差信号を使用してそれぞれの制御信号を提供し、それにより各制御信号を使用してそれぞれのパラメータを調整できるようにすることを行うためのソフトウェアおよびハードウェアを備え、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行うプログラム式コンピュータ。
【請求項１９】
所望の値がプログラム可能である、請求項１６に記載のプログラム式コンピュータ。
【請求項２０】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システムであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知するためのパラメータ感知手段であって、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供し、指定パラメータは、第１のモードではＡＣ電気の電圧および周波数を含み、第２のモードではＡＣ電気の力率を含むようにモードに依存する、パラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段とを備え、
ｃ．各比較器手段はそれぞれの制御手段に結合され、各制御手段は比較器手段からの誤差信号を使用して制御信号を提供し、各制御手段はそれぞれのパラメータを調整するのに使用され、
指定パラメータの調整は、交流発電機の特性を制御することによって行い、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行い、制御システムのモードはスイッチを使用して選択可能である、コージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２１】
第１のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源から独立して動作し、第２のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源と共に動作する、請求項２０に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２２】
第１のモードでは、電気負荷は擬似負荷および家庭負荷を含む、請求項２１に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２３】
擬似負荷の有効な大きさが、周波数パラメータを調整するのに使用されるコントローラに関連する制御手段によって制御され、それにより擬似負荷の制御を用いてＡＣ電気の周波数を調整することができる、請求項２２に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２４】
第２のモードでは、電気負荷は家庭負荷を含む、請求項２１に記載のコージェネレーションユニットのためのマルチモード制御システム。
【請求項２５】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットのための制御システムであって、
ａ．複数のパラメータを感知するためのパラメータ感知手段であって、複数の前記パラメータが生成された前記ＡＣ電気の指定パラメータを含み、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとの、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較するための比較器手段であって、感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号をそれぞれが提供することのできる比較器手段と、
ｃ．１つまたは複数の誤差信号を使用して複数の制御信号を提供することのできる１つまたは複数の制御手段であって、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整することができる制御手段とを備え、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからの熱を使用して加熱される物体の温度とを制御することによって行う、コージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項２６】
少なくとも第１および第２のモードで動作可能である、請求項２５に記載のコージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項２７】
第１のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源から独立して動作する、請求項２６に記載の制御システム。
【請求項２８】
感知されるパラメータは、物体の温度を含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項２９】
指定されるパラメータは、
ａ．生成されたＡＣ電気の周波数と、
ｂ．生成されたＡＣ電気の電圧と、を含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項３０】
電気負荷は擬似負荷および家庭負荷を含む、請求項２７に記載の制御システム。
【請求項３１】
擬似負荷の有効な大きさが制御信号によって制御される、請求項２９に記載の制御システム。
【請求項３２】
第２のモードでは、コージェネレーションユニットは外部ＡＣ電源と共に動作する、請求項２６に記載の制御システム。
【請求項３３】
感知されるパラメータは、物体の温度を含む、請求項３２に記載の制御システム。
【請求項３４】
生成されたＡＣ電気の指定パラメータが生成されたＡＣ電気の力率を含む、請求項３２または請求項３３に記載の制御システム。
【請求項３５】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機とを備えるコージェネレーションユニットを制御する方法であって、
ａ．複数のパラメータを感知して、複数の前記パラメータが生成された前記ＡＣ電気の指定パラメータを含み、それにより、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供すること、
ｂ．感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較すること、
ｃ．感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供すること、および
ｄ．１つまたは複数の誤差信号を使用して少なくとも１つの制御信号を提供し、それにより各制御信号が１つまたは複数の感知されたパラメータを調整できるようにすることを含み、
感知されたパラメータの調整は、交流発電機の特性と、コージェネレーションユニットからのエネルギーを使用して加熱される物体の温度とを制御する制御信号を使う、コジェネレーションユニットを制御する方法。
【請求項３６】
熱機関と、熱機関によって駆動されて電気負荷のためのＡＣ電気を生成する交流発電機と、を備えるコージェネレーションユニットのための制御システムであって、
ａ．
ｉ．  生成されたＡＣ電気の少なくとも１つの指定パラメータと、
ｉｉ．  コージェネレーションユニットから提供されたエネルギーによって加熱された物体の温度と、を感知し、感知した各パラメータごとに感知パラメータ値を提供するパラメータ感知手段と、
ｂ．感知される各パラメータごとに、感知パラメータ値をそれぞれの所望の値と比較しかつ感知パラメータ値と所望の値との差に応じた誤差信号を提供する比較器と、を備え、
ｃ．各比較器はそれぞれの誤差信号を使ってそれぞれの感知されたパラメータを調整する制御信号を提供する制御装置に連結され、もって少なくとも１つの指定されたパラメータ制御信号が交流発電機に提供され、
少なくとも１つの前記指定パラメータの調整は交流発電機の特性を制御することによって行なわれ、物体の温度の調整は、熱機関への燃料供給を制御することによって行なわれる、コージェネレーションユニットのための制御システム。
【請求項３７】
前記交流発電機に提供された制御信号が交流発電機界磁巻線電流制御信号を含んでいる、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３８】
前記交流発電機界磁巻線電流制御信号によって調整された指定パラメータが生成されたＡＣ電気の電圧を含む、請求項２に記載の制御システム。
【国際調査報告】
2004524794.tif 000051
2004524794.tif 000052
2004524794.tif 000053