JP2006325316A

JP2006325316A - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP2006325316A
Application number: JP2005145508A
Authority: JP
Inventors: Takuma Henmi; 琢磨逸見; Toru Tone; 徹登根
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: US20070002995A1; EP1724147A2; US7451842B2; JP4568169B2; EP1724147A3

Abstract

【課題】装置固有な情報を電力管理装置が一括管理して電気車の電力を有効活用する。
【解決手段】ＶＶＶＦインバータ10と、ＣＶＣＦインバータ28と、燃料電池20と、電力貯蔵装置40と、電力管理装置41とを備えた電気車制御装置において、電気車が回生ブレーキ動作となる時は電動機からの交流電力をＶＶＶＦインバータ10にて直流電力へ変換し、当該直流電力を電力貯蔵装置40、ＣＶＣＦインバータ28で電力を消費させるように制御し、電気車が力行動作となる時は、燃料電池20の電力と電力貯蔵装置40の電力とその不足分の電力として架線電圧からの電力とをＶＶＶＦインバータ10、ＣＶＣＦインバータ28へ供給するように制御し、電気車が惰行している時は、燃料電池20の電力と電力貯蔵装置40の電力とその不足分の電力として架線電圧からの電力とをＣＶＣＦインバータ28へ供給するように制御することで、電力管理装置４１にて電力を一括管理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車制御装置に関する。

電気車では回生ブレーキをかけた時に回生電力が得られ、同じ電気車の電源装置への電力と架線を介して他の力行車への電力として消費されるが、電源の消費量は必ずしも大きくなく、他の力行車が全エネルギーを消費するとは限らない。このため、他の力行車がいない場合は回生する電力量を低減させ、機械的な摩擦ブレーキ力を大きくし、エネルギーを有効的に利用できない場合があった。また、他の力行車が期待できない場合はブレーキチョッパシステムの抵抗を利用して熱へ変換する場合もあった。

このように、回生電力を得られるシステムであるにもかかわらず、他の力行車の条件や路線条件によって十分なエネルギー消費が得られないことから、回生ブレーキ量を低減させたり回生エネルギーを熱エネルギーに変換させたりし、有効に利用されていないことがあることから、この回生エネルギーを電気２重層コンデンサなどで蓄積し、有効利用する方法が特開２００３−１９９２０４号公報（特許文献１）に記載されている。
特開２００３−１９９２０４号公報

本発明は、このような従来の電気車制御装置の技術を改良したものであって、電気車の力行時は駆動装置にて電力を消費し、回生ブレーキ時には駆動装置からの電力を電源装置、電力貯蔵装置へ供給するシステムにして、装置固有な情報を収集し、各周辺装置へ指令することが可能な電力管理装置によって回生電力の供給を一括管理し、電気車の回生電力を有効に取り扱うことができる電気車制御装置を提供することを目的とする。

本発明の電気車制御装置は、架線または第３軌条からの直流電力を入力として、可変電圧、可変周波数制御した交流電力に変換して交流電動機へ供給するＶＶＶＦインバータと、前記直流電力を入力として、固定周波数、固定電圧を電気車の補助機器へ供給するＣＶＣＦインバータと、前記ＶＶＶＦインバータ、ＣＶＣＦインバータへ電力供給可能な発電装置と、前記発電装置またはＶＶＶＦインバータからの電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、電力消費制御および電力供給制御を一括制御する電力管理装置とを備え、前記電力管理装置は、電気車が回生ブレーキ動作となる時は、前記交流電動機からの回生交流電力を前記ＶＶＶＦインバータにて直流電力へ変換し、当該直流電力を前記電力貯蔵装置またはＣＶＣＦインバータで消費させるように制御する電力消費制御と、前記電気車が力行動作となる時は、前記発電装置からの電力と、前記電力貯蔵装置からの電力と、その不足分の電力として前記架線電圧または第３軌条からの電力とを前記ＶＶＶＦインバータ、ＣＶＣＦインバータへ供給するように制御し、前記電気車が惰行している時は、前記発電装置からの電力と、前記電力貯蔵装置からの電力と、その不足分の電力として前記架線電圧または第３軌条からの電力とを前記ＣＶＣＦインバータへ供給するように制御する電力供給制御とを行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、電気車の力行時は駆動装置にて電力を消費し、回生ブレーキ時には駆動装置からの電力を電源装置、電力貯蔵装置へ供給する電気車制御装置にあって、装置固有な情報を収集し、各周辺装置へ指令する電力管理装置によって回生電力の供給を一括管理し、電気車の回生電力を有効に取り扱うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。本実施の形態は直流電車を例示している。直流電車の場合、直流電源１の直流電力を架線２を介して集電するパンタグラフ３、高速度遮断器４、充電抵抗５、充電抵抗投入用接触器６、接触器７、入力フィルタ回路としてのフィルタリアクトル８とフィルタコンデンサ９を備えている。フィルタコンデンサ９には、電圧検出器３２と３相のＶＶＶＦインバータ１０が接続されている。ＶＶＶＦインバータ１０には、誘導電動機１１が接続される。

電気車の場合、このＶＶＶＦインバータ１０の他に、別系統の電源システムとして、接触器１２、入力フィルタ回路であるＤ／Ｄコンバータ用フィルタリアクトル１３とＤ／Ｄコンバータ用フィルタコンデンサ１４が備えられている。このフィルタコンデンサ１４には、電圧検出器３３とＤ／Ｄコンバータ１５が接続され、このＤ／Ｄコンバータ１５には、接触器１６と電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）１７が接続されている。これらは電力貯蔵装置４０を構成している。また、Ｄ／Ｄコンバータ１５の出力側に、突入電流防止用のリアクトル１８と開放可能な接触器１９を介して燃料電池システム２０が接続されている。

さらに別系統の電源システムとして、直流電源を定電圧・定周波数の交流に変換して出力するＣＶＣＦインバータシステムも備えられている。このＣＶＣＦインバータシステムには、フィルタリアクトル１３と直列に接続された逆流防止用のブロッキングダイオード２６、そしてフィルタコンデンサ２７が備えられている。そしてフィルタコンデンサ２７には、電圧検出器３５と３相のＣＶＣＦインバータ２８が接続されている。さらに、ＣＶＣＦインバータ２８には、ＡＣフィルタ２９、トランス３０が接続され、空調装置、蛍光灯など電源負荷に電力を供給するようになっている。

本実施の形態の電気車制御装置は、特徴的な要素として電力管理装置４１を備えている。この電力管理装置４１は、電気車の電力管理を一括制御するためにＶＶＶＦインバータ１０とＣＶＣＦインバータ２８と電力貯蔵装置４０と燃料電池２０と信号線４２〜４５それぞれにて接続されている。

本実施の形態の電気車制御装置では、電力管理装置４１により、（１）電気車が回生ブレーキ動作となる時は、電動機１１からの交流回生電力をＶＶＶＦインバータ１０にて直流電力へ逆変換し、この直流電力を電力貯蔵装置４０、ＣＶＣＦインバータ２８で電力を消費させるように制御し、（２）電気車が力行動作となる時は、発電装置２０からの電力、電力貯蔵装置４０からの電力とその不足分を架線２からの架線電圧、または第３軌条からＶＶＶＦインバータ１０、ＣＶＣＦインバータ２８へ電力供給を行うように制御し、（３）電気車が惰行している時も、発電装置２０からの電力と電力貯蔵装置４０からの電力をＣＶＣＦインバータ２８へ供給し、また不足分の電力は架線２からの架線電圧または第３軌条からＣＶＣＦインバータ２８へ供給するように制御する。電力管理装置４１はこれら（１）〜（３）の電力制御を一括制御する。また、電力管理装置４１は、変電所からの最大パワーを制限するように電気車としての電力量も一括制御する。

図２は、上記実施の形態の電気車制御装置における情報伝達経路の説明図である。本実施の形態の電気車制御装置では、電力管理装置５５が燃料電池のような発電装置５３とＤ／Ｄコンバータ及び電気２重層コンデンサで構成される電力貯蔵装置５４からＶＶＶＦインバータ５１、ＣＶＣＦインバータ５２に電力６８を供給し、また逆にＶＶＶＦインバータ５１から発電装置５３と５４に電力６９を供給するやりとりを制御する。そのために、電力管理装置５５は、ＶＶＶＦインバータ５１から制御状態情報５８を、ＣＶＣＦインバータ５２から制御状態情報６０を、発電装置５３から電気貯蔵量などの情報６２を、電力貯蔵装置５４から電気貯蔵量などの情報を、地上設備５７から勾配情報、他車両の稼動状況情報、その他の路線情報６６を、そして運転台５６からノッチ・ブレーキ情報６７を収集する。そして、電力管理装置５５は、収集した情報に基づいてＶＶＶＦインバータ５１にＶＶＶＦ作動、停止の制御指令５９、ＣＶＣＦインバータ５２にもＣＶＣＦ作動、停止の制御指令６１を与え、発電装置５３に電力供給指令６３、電力貯蔵装置５４にも電力供給指令６５を与え、発電装置５３と電力貯蔵装置５４からＶＶＶＦインバータ５１、ＣＶＣＦインバータ５２に電力６８を供給し、また逆にＶＶＶＦインバータ５１から発電装置５３と電力貯蔵装置５４に電力６９を供給する電力管理制御を行う。

この電力管理制御は、架線からの電力を最小とするように電気車の力行／ブレーキを制御である。図３は、電気車の性能曲線を示している。図２に示した電力管理装置５５は、電気車の速度情報を運転台５６から入力し、図３の性能曲線を用いて出力を算出し、力行時の最大出力時に発電装置５３、電力貯蔵装置５４を動作させることで、変電所からの電力供給を低減させる制御をする。

図２における電力管理装置５５は、架線からの入力電流に対して図４に示した判断ロジックに基づいて発電装置５３に対する動作指令（電力供給指令）６３、電力貯蔵装置５４に対する動作指令（電力供給指令）６５を出力する。すなわち、電気車の架線からの入力電流の状態を入力し、入力電流選択項１０１にて設定値以上である場合に発電装置５３、電力貯蔵装置５４に対する動作判定信号を出力し、発電装置５３の起動条件とのＡＮＤ条件によって発電装置動作指令６３を出力し、また、電力貯蔵装置５４の起動条件とのＡＮＤ条件によって電力貯蔵装置動作指令６５を出力する。なお、入力電流選択項１０１は装置動作の安定化のためにヒシテリシス特性を持たせている。これにより、従来制御で行っていたパワー制限を行う必要が無く、下線からの入力電力と共に発電装置５３の発電電力、電力貯蔵装置５４の貯蔵電力を利用して十分な必要電力が供給できる。

また、電力管理装置５５は、電動機１１の必要電力に対して図５に示した判断ロジックに基づいて発電装置５３に対する動作指令（電力供給指令）６３、電力貯蔵装置５４に対する動作指令（電力供給指令）６５を出力する。すなわち、運転台５６からのノッチ指令６７や路線情報６６を入力し、電動機１１の必要電力を計算し、電動機電力選択項１１１にて設定値以上である場合に発電装置５３、電力貯蔵装置５４に対する動作判定信号を出力し、発電装置５３の起動条件とのＡＮＤ条件によって発電装置動作指令６３を出力し、また、電力貯蔵装置５４の起動条件とのＡＮＤ条件によって電力貯蔵装置動作指令６５を出力する。なお、電動機電力選択項１１１も装置動作の安定化のためにヒシテリシス特性を持たせている。これにより、従来制御で行っていたパワー制限を行う必要が無くなる。

また、電力管理装置５５は、架線電圧に対して図６に示した判断ロジックに基づいて発電装置５３に対する動作指令（電力供給指令）６３、電力貯蔵装置５４に対する動作指令（電力供給指令）６５を出力して余剰電力を電力貯蔵させる。すなわち、電気車の架線から電圧情報を入力し、架線電圧選択項１２１にて設定値以上である場合に発電装置５３、電力貯蔵装置５４に対する動作判定信号を出力し、発電装置５３の起動条件とのＡＮＤ条件によって発電装置動作指令６３を出力し、また、電力貯蔵装置５４の起動条件とのＡＮＤ条件によって電力貯蔵装置動作指令６５を出力し、電力貯蔵させる。なお、架線電圧選択項１２１も装置動作の安定化のためにヒシテリシス特性を持たせている。

さらに、電力管理装置５５は、電気車の速度情報に対して図７示した判断ロジックに基づいて、発電装置５３に対する動作指令（電力供給指令）６３、電力貯蔵装置５４に対する動作指令（電力供給指令）６５を出力して回生エネルギーを電力として貯蔵させる。すなわち、電気車の速度情報を入力し、速度情報選択項１３１にて回生ブレーキ時の設定区域でのみ発電装置５３、電力貯蔵装置５４に対する動作判定信号を出力し、発電装置５３の起動条件とのＡＮＤ条件によって発電装置動作指令６３を出力し、また、電力貯蔵装置５４の起動条件とのＡＮＤ条件によって電力貯蔵装置動作指令６５を出力し、回生エネルギーを電力貯蔵させる。なお、速度情報選択項１３１も装置動作の安定化のためにヒシテリシス特性を持たせている。

次に、架線電力が中断した時の電力管理装置５５による電力制御について、図８を用いて説明する。停電などで架線２または第３軌条からの電力が中断１５３した場合、電力管理装置４１は、架線電圧情報から電力中断を判断し、架線から電力を受電できないため、発電装置２０、電力貯蔵装置４０を起動させて電動機１１の駆動に必要な電力を発生されてＶＶＶＦインバータ１０、ＣＶＣＦインバータ２８に供給させて電気車の走行を継続させ、また車内の空調機や照明装置などの補助機器１４６へ電力供給も継続させる。そして電動機１１の回生エネルギーがあれば、上記と同様に回生エネルギーを電気エネルギーに逆変換して電力貯蔵装置４０に回収する。

こうして、電力管理装置４１は、架線電力の中断時にＣＶＣＦインバータ２８にてコンプレッサと照明のような補助機器１４６だけに電力を供給し、またＶＶＶＦインバータ１０には隣の駅または退避線まで電気車を走行させるまで電力を供給することにより、ＶＶＶＦインバータ１０とＣＶＣＦインバータ２８を必要最小の電力で動作させ、立ち往生を防ぐ。

なお、電力管理装置４１は上記実施の形態のように別要素にとして備えるのに代えて、図９に示すように、ＶＶＶＦインバータ１０の制御部として備え、ＶＶＶＦインバータ１０、ＣＶＣＦインバータ２８、電力貯蔵装置４０、発電装置２０の電力を一括管理するようにすることができる（第２の実施の形態）。また、図１０に示すように、電力管理装置４１をＣＶＣＦインバータ２８の制御部に備え、ＶＶＶＦインバータ１０、ＣＶＣＦインバータ２８、電力貯蔵装置４０、発電装置２０の電力を一括管理するようにすることもできる（第３の実施の形態）。また、図１１に示すように、電力管理装置４１を発電装置２０の制御部に備え、ＶＶＶＦインバータ１０、ＣＶＣＦインバータ２８、電力貯蔵装置４０、発電装置２０の電力を一括管理するようにすることもできる（第４の実施の形態）。さらにまた、図１２に示すように、電力管理装置４１を電力貯蔵装置４０の制御部に備え、ＶＶＶＦインバータ１０、ＣＶＣＦインバータ２８、電力貯蔵装置４０、発電装置２０の電力を一括管理するようにすることもできる（第５の実施の形態）。

本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図。上記実施の形態において電力管理装置に対する情報伝達経路を示すブロック図。上記実施の形態において電力管理装置が利用する電気車の速度・力行時電力の特性を示す性能曲線。上記実施の形態において電力管理装置による架線入力電流情報に応じて行う発電装置、電力貯蔵装置動作指令のロジック回路。上記実施の形態において電力管理装置による電動機電力情報に応じて行う発電装置、電力貯蔵装置動作指令のロジック回路。上記実施の形態において電力管理装置による架線電圧情報に応じて行う発電装置、電力貯蔵装置動作指令のロジック回路。上記実施の形態において電力管理装置による車速情報に応じて行う発電装置、電力貯蔵装置動作指令のロジック回路。上記実施の形態において電力管理装置が架線電力中断時に行う電力管理制御を示すブロック図。本発明の第２の実施の形態における電力管理装置の情報伝達経路を示すブロック図。本発明の第３の実施の形態における電力管理装置の情報伝達経路を示すブロック図。本発明の第４の実施の形態における電力管理装置の情報伝達経路を示すブロック図。本発明の第５の実施の形態における電力管理装置の情報伝達経路を示すブロック図。

符号の説明

１直流電源
２架線
３パンタグラフ
４高速度遮断機
５充電抵抗
６充電抵抗投入用接触器
７接触器
８フィルタリアクトル
９フィルタコンデンサ
１０ＶＶＶＦインバータ
１１誘導電動機
１２接触器
１３Ｄ／Ｄコンバータ用フィルタリアクトル
１４Ｄ／Ｄコンバータ用フィルタコンデンサ
１５Ｄ／Ｄコンバータ
１６接触器
１７電気２重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）
１８リアクトル
１９接触器
２０燃料電池システム
２１接触器
２２充電抵抗
２３半導体スイッチ
２４フィルタリアクトル
２５ブロッキングダイオード
２６ダイオード
２７フィルタコンデンサ
２８ＣＶＣＦインバータ
２９ＡＣフィルタ
３０トランス
３１電圧検出器
３２電圧検出器
３３電圧検出器
３４電圧検出器
３５電圧検出器
３６電圧検出器
４０電力貯蔵装置
４１電力管理装置
４２ＶＶＶＦインバータ−電力管理装置間情報受け渡し用信号線
４３電力貯蔵装置−電力管理装置間情報受け渡し用信号線
４４ＣＶＣＦ−電力管理装置間情報受け渡し用信号線
４５燃料電池−電力管理装置間情報受け渡し用信号線
５６運転台
５７地上設備
５８ＶＶＶＦ制御状態情報
５９ＶＶＶＦ制御指令
６０ＣＶＣＦ制御状態情報
６１ＣＶＣＦ制御指令
６２発電装置の状態情報
６３発電装置への電力供給指令
６４電力貯蔵装置の状態表示
６５電力貯蔵装置への電力供給指令
６６路線情報
６７マスコン指令などの運転台情報
６８電力貯蔵装置へ蓄積される電力
６９消費される電力
１０１入力電流選択項
１１１電動機電力選択項
１２１架線電圧選択項
１３１速度情報選択項
１４６補助機器

Claims

架線または第３軌条からの直流電力を入力として、可変電圧、可変周波数制御した交流電力に変換して交流電動機へ供給するＶＶＶＦインバータと、前記直流電力を入力として、固定周波数、固定電圧を電気車の補助機器へ供給するＣＶＣＦインバータと、前記ＶＶＶＦインバータ、ＣＶＣＦインバータへ電力供給可能な発電装置と、前記発電装置またはＶＶＶＦインバータからの電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、電力消費制御および電力供給制御を一括制御する電力管理装置とを備え、
前記電力管理装置は、
電気車が回生ブレーキ動作となる時は、前記交流電動機からの回生交流電力を前記ＶＶＶＦインバータにて直流電力へ変換し、当該直流電力を前記電力貯蔵装置またはＣＶＣＦインバータで消費させるように制御する電力消費制御と、
前記電気車が力行動作となる時は、前記発電装置からの電力と、前記電力貯蔵装置からの電力と、その不足分の電力として前記架線電圧または第３軌条からの電力とを前記ＶＶＶＦインバータ、ＣＶＣＦインバータへ供給するように制御し、前記電気車が惰行している時は、前記発電装置からの電力と、前記電力貯蔵装置からの電力と、その不足分の電力として前記架線電圧または第３軌条からの電力とを前記ＣＶＣＦインバータへ供給するように制御する電力供給制御とを行うことを特徴とする電気車制御装置。
前記電力管理装置は、電気車の路線情報を入力し、路線条件に応じて架線からの電力を最小とするように電気車に力行／ブレーキを指令することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、電気車の速度情報を入力し、力行時の最大出力時に前記発電装置および電力貯蔵装置を動作させることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、電気車の架線からの入力電流情報を入力し、設定値以上の場合に前記発電装置および電力貯蔵装置を動作させることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、電気車の交流電動機の出力値を換算し、設定値以上の場合に前記発電装置または電力貯蔵装置を動作させることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、架線電圧情報を入力し、設定値以下の場合に前記発電装置および電力貯蔵装置を動作させることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、電気車の速度情報を入力し、回生ブレーキ時の速度設定区間でのみ前記電力貯蔵装置に電力貯蔵動作させることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、架線または第３軌条からの電力が中断した場合に、前記ＶＶＶＦインバータ、ＣＶＣＦインバータ、電力貯蔵装置の動作させると共に、前記ＣＶＣＦインバータの負荷を空調機および車内照明のみに制限することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、前記ＶＶＶＦインバータの制御部に組み込んだことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、前記ＣＶＣＦインバータの制御部に組み込んだことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、前記発電装置の制御部に組み込んだことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気車制御装置。
前記電力管理装置は、前記電力貯蔵装置の制御部に組み込んだことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気車制御装置。
前記電力貯蔵装置は、直流電力を所定電圧の直流に変換するＤ／Ｄコンバータと、このＤ／Ｄコンバータの出力する直流電力を貯蔵する電気２重層コンデンサとで構成したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電気車制御装置。