CN101267959A - 电车的控制装置 - Google Patents

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Abstract

在将辅助电源装置、驱动控制装置和功率存储系统并联连接的电车控制装置中，所述功率存储系统具有：并联连接电容器的DC－DC变换器、功率存储部、以及对它们进行控制的功率存储系统控制部，上述功率存储系统控制部采用能够检测出架空线的停电、接地的结构。

Description

电车的控制装置
技术领域
本发明涉及一种应用使直流功率吸收·释放的功率存储系统的电车控制装置。
背景技术
近些年，已知开发了一种应用在电车控制装置中的功率存储系统，该功率存储系统使用了二次电池、双电层电容器等的功率存储设备，该系统通过采用存储车辆再生制动时所产生的剩余再生功率、同时在动力行驶时使用所存储的功率的结构，能够有效地利用车辆所具有的动能(例如，专利文献1)。
专利文献1：特开2006-14395号公报
在应用了上述功率存储系统的电车中，当变电站有意识地停止向架空线供电时以及架空线切断时等的架空线停电时，如果继续运转功率存储系统，则导致功率存储系统向架空线反向施加电压，当在作业等中触摸架空线时有触电的可能，即使在有意识地想要使架空线停电时，也存在着可能无法实现的问题。
另外，当架空线发生接地故障时，导致功率存储系统持续向接地位置提供电流，从而存在扩大接地位置损伤的问题。
因此，在架空线停电时、架空线接地时，必须快速检测出这种情况，并且确实地停止功率存储系统。另外，例如在架空线发生停电时，当用功率存储系统的功率使车辆行驶到最近车站时，必须避免功率存储系统向架空线反向施加电压，同时必须有效地使功率存储系统动作。
在上述专利文献1中揭示了，在应用了功率存储系统的电车控制装置中，设置不准受电检测器，通过这样，当检测出不准受电的状态时，将安装了功率存储系统的电车的控制装置的开关打开。然而，具体的不准受电状态的检测方法与功率存储系统的控制部的具体结构并没有揭示。
本发明提供一种具有控制部的、应用功率存储系统的电车控制装置，该控制部是这样构成，即，当利用架空线传送功率来行驶时(下面记为集电行驶模式)，能够检测出架空线停电及架空线接地，并且快速地使功率存储系统停止，从而避免向架空线反向施加电压；而当不利用架空线传送功率来行驶时(下面记为独立行驶模式)，能够避免向架空线反向施加电压，并且能够稳定地使辅助电源装置与驱动控制装置运转。
发明内容
在并联连接功率存储系统的由驱动控制装置与辅助电源装置构成的电车的控制装置中，上述功率存储系统由：并联连接电容器的DC-DC变换器、功率存储部、以及进行这些部分控制的功率存储系统控制部来构成，上述功率存储系统控制部采用能够检测架空线的停电、接地的结构。
附图说明
图1是表示本发明实施形态1中的电车的控制装置的结构例的图。
图2是表示本发明实施形态1中的功率存储系统控制部的结构例的图。
图3是表示本发明实施形态1中的DC-DC变换器的结构例的图。
图4是表示本发明实施形态1中的吸收·释放指令生成部720的结构例的图。
图5是表示本发明实施形态1中的DC-DC变换器电流指令生成部730(1)的结构例的图。
图6是表示本发明实施形态1中的电压骤降检测部760的结构例的图。
图7是表示本发明实施形态1的低电压检测部770的结构例的图。
图8是表示本发明实施形态1的过电压检测部780的结构例的图。
图9是说明本发明实施形态1中的、第一、第二过电压设定值OVC1、OVC2；第一、第二低电压设定值LVC1、LVC2；电压上限设定值VLMTH；电压下限设定值VLMTL；驱动控制装置60检测出过电压而停止的过电压停止电平；以及驱动控制装置60检测出低电压而停止的低电压停止电平之间的关系的图。
图10是说明本发明实施形态1中的架空线停电时的动作的图。
图11是说明本发明实施形态1中的架空线接地时的动作的图。
图12是表示本发明实施形态2的DC-DC变换器电流指令生成部730(2)的结构例的图。
图13是表示本发明实施形态3的电车的控制装置的结构例的图。
图14是说明本发明实施形态3的结构例与动作的图。
标号说明
1：变电站
1a：电压源
2：开关
3：架空线
10：断线位置
11：接地路径
12：阻抗
20：集电装置
21：轨道
22：车轮
40：总开关
50：二极管
51：辅助电源装置
52：负载
60：驱动控制装置
61：开关
62：电抗器
63：电容器
64：驱动控制逆变器
65：驱动用电动机
66a、66b：电压检测器
70：功率存储系统
71：开关
73：电容器
74：DC-DC变换器
74a～74d：开关元件
74e：耦合电抗器
74f：电容器
74g：电抗器
74h、74i：开关元件
74j：电抗器
75：功率存储部
76a、76b：电压检测器
100：信号生成部
101a：信号源
110：信号检测部
110a：抽出部
110b：判定电路
600：驱动控制部
700：功率存储系统控制部
710a、710b：指令接收分配部
720：吸收·释放指令生成部
723a：功率负担比例指令生成部
724：乘法器
730(1)、730(2)：DC-DC变换器电流指令生成部
731a、731b：减法器
732a、732b：比例积分控制器
734：加法器
733a1：电压限制器
733b：电流限制器
735：开关
731b：减法器
740：DC-DC变换器控制部
750：电压指令生成部
760：电压骤降检测部
761：电压减少率运算部
762a、762b：滤波器
763：比较器
770：低电压检测部
771：滤波器
772a、772b：比较器
773：延迟电路
774：逻辑和电路
780：过电压检测部
781：滤波器
782a、782b：比较器
783：延迟电路
784：逻辑和电路
790：逻辑和电路
具体实施方式
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1的电车的控制装置的结构例的图。
如图1所示，设置成下面结构：由电压源1a与开关2构成的变电站1与架空线2和轨道21连接，能够从架空线3通过集电装置20、车轮22引入功率，在集电装置20的后级具有总开关40，在总开关40的后级并联连接：与负载52连接的辅助电源装置51、与驱动用电动机65连接的驱动控制装置60、以及功率存储系统70。另外，二极管50是根据需要而装备的防止逆流用的二极管。
另外，对于上述辅助电源装置51和驱动控制装置60及功率存储系统70，有的情况下分别作为单个装置来安装在电车上，也有的情况下将某些装置进行组合而将多个装置作为形成一体的装置来安装在电车上，但是无论什么情况，都为本发明的对象。
另外，如图所示，将辅助电源装置51的输入功率设定为PA(将输入电流设定为IA)，而方向是将流入辅助电源装置51的方向作为正方向。另外，将驱动控制逆变器64的输入功率设定为PT(将输入电流设定为IT)，而方向是将流入驱动控制逆变器64的方向作为正方向。而且，将功率存储系统70的输入功率设定为PS(将输入电流设定为IS)，而方向是将流出功率存储系统的方向作为正方向。
上述驱动控制装置60由：检测输入电压VT1的电压检测器66a、开关61、电抗器62、电容器63、检测电容器的电压VT2的电压检测器66b、驱动控制逆变器64、以及驱动控制部600来构成。另外，上述功率存储系统70由：检测输入电压VS1的电压检测器76a、开关71、电容器73、检测电容器的电压VS2的电压检测器76b、DC-DC变换器74、功率存储部75、以及功率存储系统控制部700来构成。另外，上述功率存储系统70的输入侧的正侧与驱动控制装置60的电容器63的正侧连接，而负侧与车轮22连接。
另外，虽然正侧也可以和总开关40的后级连接，但是在这种情况下，与驱动控制装置60的结构相同，在开关71与电容器73之间需要另外的电抗器(未图示)。但是，因为该电抗器限制了功率存储系统所吸收·释放的电流的变化率，从而使得响应性能恶化，所以最好不要采用。
另外，虽然也可以采用将开关71、电容器73分别与驱动控制装置60的开关61、电容器63共用的结构(即，省略开关71、电容器73，并且将DC-DC变换器74的输入与驱动控制装置60的电容器63的两端连接的结构)，但是当例如DC-DC变换器74发生故障时，由于该DC-DC变换器不能与驱动控制装置60切断，而必须使驱动控制装置60也停止，存在着电车不能行驶的问题，所以最好将开关71、电容器73设置成图1的结构，从而使得当DC-DC变换器74发生故障等的情况下，车轮存储系统70能够与驱动控制装置60切断，有效地使用驱动控制装置60以能够使电车行驶。
除了向驱动控制部600中将输入电压VT1、电容器电压VT2输入以外，虽然未图示，但是最低限度要将输入电流IT、驱动用电动机65的转速FM输入，另外最低限度从外部输入加速指令、制动指令、以及其强度。
另外，驱动用电动机65的转速FM也能够利用驱动控制部600来运算而求得，也可以使用它。另外，对于加速指令与制动指令及其强度，有的情况下利用司机的操作来设定，也有的情况下从未图示的自动运转系统等来输入。
另外，向功率存储系统控制部700中输入：输入电压VS1、电容器电压VS2、功率PS(或者电流IS)、辅助电源装置51的功率PA(或者电流IA)、驱动控制逆变器64的功率PT(或者电流IT)、以及最低限度包含驱动电动机65的旋转频率FM、逆变器频率FINV和车速VB的来自驱动控制部600的状态信号CV，并且从外部输入包含集电行驶模式指令、独立行驶模式指令的运转指令C2。
另外，所谓集电行驶模式指令，是指当在与变电站1之间进行功率的传送同时行驶时所设定的指令；所谓独立行驶模式指令，是指当在与变电站1之间不进行功率的传送、而只使用来自功率存储系统70的功率来进行行驶时所设定的指令，例如设定在架空线停电时只用功率存储系统70的功率行驶到最近的车站的情况。这些信号的设定考虑有司机进行的情况、以及中央指令站(未图示)或车辆的其它系统(例如未图示的自动运转装置)进行的情况等。
在图1中其它还表示架空线3上发生的断线位置10、接地路径11。下面的说明中，将说明架空线发生停电的情况设定为变电站1的开关2打开、或者在断线位置10处架空线3发生断线的情况。另外，在说明架空线发生接地的情况时，设定为通过接地路径11将架空线与轨道接地的情况。
另外，在架空线处于通常的状态下，是作为不存在断线位置10、接地路径11的情况进行说明的。
接着，说明成为本发明的中心的功率存储系统控制部700的结构例。另外，在下面的说明中，虽然采用框图来说明该结构，但是各自的内容可以采用H/W来构成，也可以采用S/W来构成。
图2是表示本发明实施形态1的功率存储系统控制部700的结构例的图。
另外，在图2以下的图中，是同时采用标记PT(或者IT)、PA(或者IA)、PS(或者IS)、PL(或者IL)、P0*(或者I0*)，其目的在于，在同一图上同时标记：使用辅助电源装置51的功率PA、驱动控制逆变器64的功率PT、PA于PT之间即功率PL、功率存储系统70的功率PS来构成控制系统的情况；以及使用辅助电源装置51的电流IA、驱动控制逆变器64的电流IT、IA与IT之和即电流IL、功率存储系统70的电流IS来构成控制系统的情况，无论用任何一种方法来构成控制系统，都能够得到同样的效果。
但是，在下面的说明中，假定是使用功率PA、功率PT、功率PL、功率PS来构成控制系统的情况进行说明。
在使用电流IA、电流IT、电流IL、电流IS来构成控制系统的情况下，只要在下面的说明中，将功率PA换成电流IA，将功率PT换成电流IT，将功率PL换成电流IL，将功率PS换成电流IS，并且将吸收·释放指令生成部720的输出从基本功率指令P0*变换成基本电流指令I0*即可。
如图2所示，功率存储系统控制部700由：指令接收分配部710a、指令接收分配部710b、吸收·释放指令生成部720、DC-DC变换器电流指令生成部730(1)或者730(2)、电压指令生成部750、电压骤降检测部760、低电压检测部770、过电压检测部780、逻辑和电路790、DC-DC变换器控制部740来构成。
指令接收分配部710a的结构是：从外部接收包含多个指令的运转指令C2，当在该内容中包含了集电行驶模式指令、独立行驶模式指令时，将与之相应的控制模式指令CMC输入DC-DC变换器电流指令生成部730(1)中。指令接收分配部710b的结构是：从驱动控制部600接收包含多个指令的状态信号CV，并从其中抽出驱动电动机65的旋转频率FM、或者逆变器频率FINV、车速VB，并且输入到吸收·释放指令生成部720中。
吸收·释放指令生成部720的结构是：输入驱动控制逆变器64的功率PT与辅助电源装置51的功率PA之和的功率PL、驱动电动机65的旋转频率FM、或者逆变器频率FINV、车速VB，并将基本功率指令P0*输入到DC-DC变换器电流指令生成部730(1)中。电压指令生成部750的结构是：生成电容器73的电压VS2的指令(目标值)即第二电压指令VS2B*，并且输入到DC-DC电流指令生成部730(1)中。
DC-DC变换器电流指令生成部730(1)的结构是：输入基本功率指令P0*、第二电压指令VS2B*、功率存储系统70的功率PS、电容器73的电压VS2、控制模式指令CMC，并且向DC-DC变换器控制部740输出DC-DC变换器电流指令IDD*。DC-DC变换器控制部740的结构是：实行电流控制，以使DC-DC变换器74的电流与DC-DC变换器电流指令IDD*一致。
图3是表示本发明实施形态1的DC-DC变换器74的电路结构例的图。
图3(a)表示采用双向升降压型DC-DC变换器电路74(1)的例子，是由开关元件74a～74d、耦合电抗器74e、电容器74f、以及电抗器74g来构成的。另外，图3(b)是表示采用了双向降压型DC-DC变换器电路74(2)的例子，是由开关元件74h、74i和电抗器74j来构成的。
另外，在图3(a)、图3(b)中表示利用DC-DC变换器控制部740来进行控制的电流IDD的位置。虽然比较好的分别是耦合电抗器74e的电流IDD、电抗器74j的电流IDD，但是也可以控制除此以外位置的电流。
回到图2，电压骤降检测部760的结构是：输入电容器73的电压VS2，并且将电压骤降检测信号VD输入到逻辑和电路790中。同样地，低电压检测部770的结构是：输入电容器73的电压VS2，并且将低电压检测信号LV输入到逻辑和电路790中；过电压检测部780的结构是：输入电容器73的电压VS2，并且将过电压检测信号OV输入到逻辑和电路790中。
上述逻辑和电路790得到上述电压骤降检测信号VD、低电压检测信号LV、过电压检测信号OV的逻辑和，将该结果作为变换器停止指令COF输入DC-DC变换器控制部740中，同时向开关61、71、总开关40中输出开关打开指令SOF、SOF 1。另外，逻辑和电路790的输出的结构是：虽然未图示，但是如果一旦其变成高电平，则锁定该状态，并维持该状态，直到另外进行复位为止。
接着，说明上述吸收·释放指令生成部720、上述DC-DC变换器电流指令生成部730(1)、上述电流骤降检测部760、上述低电压检测部770、上述过电压检测部780的结构例。
图4是表示上述吸收·释放指令生成部720的结构例的图。如图4所示，用功率负担比例指令生成部723a，生成能够根据驱动电动机65的旋转频率FM或者逆变器频率FINV、车速VB而相应变化的功率负担比例指令PDP*。
另外，功率负担比例指令PDP*也可以是能够根据电容器73的电压VS2、DC-DC变换器74的温度、功率存储部75的电压、电流、存储功率量、温度等而改变的结构。在吸收·释放指令生成部720中，是用乘法器724得到功率PL与PDP*的积、并且将其作为基本功率指令P0*来输出的结构。上述功率负担比例指令PDP*是0～1的任意值。为了得到本发明的效果，最好是比1要小、例如0.9左右的值。另外，因为辅助电源装置51的功率PA只有一点，所以即使忽略或者假定其为零，对本发明的效果也不会有较大的损害。
重要的是进行维持，从而使得功率存储系统70所吸收、释放的功率PS的大小、和上述驱动控制逆变器64的功率PT与辅助电源装置51的功率PA之和即功率PL的大小一致，以及始终有意识地产生过多或不足的功率PP，并且在与变电站1之间进行该功率PP的传送。
因此，吸收·释放指令生成部720的结构，如果是能够达成上述目的的结构，则不限定于图4中所述的结构。
另外，虽然在说明中说明的情况是，维持功率存储系统70所吸收·释放的功率PS的大小，以使其比上述驱动控制逆变器64的功率PT与辅助电源装置51的功率PA之和即功率PL的大小要小，但是也可以是维持功率存储系统70所吸收·释放的功率PS的大小，以使其比上述驱动控制逆变器64的功率PT与辅助电源装置51的功率PA之和即功率PL的大小要大的情况。
图5是表示上述DC-DC变换器电流指令生成部730(1)的结构例的图。如图5所示，DC-DC变换器电流指令生成部730(1)具有：得到基本功率指令P0*与功率存储系统所吸收·释放的功率PS之差的减法器731a；位于减法器731a的后级的比例积分控制器732a；将比例积分控制器732a的输出与电容器73的电压VS2相加的加法器734；以及将加法器734的输出的上下极限限制为电压上限设定值VLMTH、电压下限设定值VLMTL、并且将其作为第一电压指令VS2A*来输出的电压限制器733a1。
另外，具有：根据控制模式指令CMC来切换从电压指令发生部750输入的第二电压指令VS2B*与上述第一电压指令VS2A*的开关735；从开关735的输出中减去电容器73的电压VS2的减法器731b；位于减法器731b的后级的比例积分控制器732b；以及位于比例积分控制器732b的输出且将其的上下极限值限制成电流上限设定值ILMTH、电流下限设定值ILMTL、并且将其作为DC-DC变换器电流指令IDD*输出的电流限制器733b。另外，开关735的结构是：当控制模式指令CMC发出集电行驶模式的指令时，切换到第一电压指令VS2A*一侧，当发出独立行驶模式的指令时，切换到第二电压指令VS2B*一侧。
接着，说明上述DC-DC变换器电流指令生成部730(1)的动作。另外，下面所说明的动作是架空线没有停电的状态下的通常状态的动作。并对架空线发生停电后的情况下的动作进行追加说明。
(1)集电行驶模式(开关735为切换到第一电压指令VS2A*一侧的状态)
在电车进行动力行驶加速时，对于基本电压指令P0*(极性为正)，如果假定功率存储系统所释放的功率PS较大时，则减法器731a的输出为负，且比例积分控制器732a的输出减少。由于这样，加法器734的输出也减少。当加法器734的输出在电压上限设定值VLMTH与电压下限设定值VLMTL之间的通常情况下，因为电压限制器733a1不起作用，加法器734的输出通过开关735而原封不动地输入减法器731b中，所以减法器731b的输出也减少。由于这样，比例积分控制器732b的输出减少，通过电流限制器733b的DC-DC变换器电流指令IDD*也减少。通过这样的控制动作，功率存储系统所释放的功率PS减少。
另一方面，在电车进行动力行驶加速时，对于基本功率指令P0*，当功率存储系统所释放的功率PS较小时，减法器731a的输出为正，且比例积分控制器732a的输出增加。由于这样，加法器734的输出也增加。当加法器734的输出位于电压上限设定值VLMTH与电压下限设定值VLMTL之间的通常情况下，因为电压限制器733a1不起作用，且加法器734的输出通过开关735原封不动地输入减法器731b中，所以减法器731b的输出也增加。由于这样，比例积分控制器732b的输出增加，通过电流限制器733b的DC-DC变换器电流指令IDD*也增加。通过这样的控制动作，功率存储系统所释放的功率PS增加。
通过上述那样的控制动作，控制功率存储系统70所释放的功率PS，以使其与基本功率指令P0*一致，在稳态下比例积分控制器732a的输出几乎变为零。另外，当电车进行再生制动时，因为除了基本功率指令P0*与功率PS的极性变为负以外，是与上述所说明的相同的控制动作，所以省略说明。
(2)独立行驶模式(开关735切换到第二电压指令VS2B*一侧的状态)
第二电压指令VS2B*通过开关735输入减法器731b中，并且用减法器731b来得到VS2B*与电容器73的电压VS2之差。
当电车进行动力行驶加速时、或者再生制动时，如果电容器73的电压VS2比第二电压指令VS2B*要大，则减法器731b的输出为负，且比例积分控制器732b的输出减少。由于这样，因为通过电流限制器733b而输出的DC-DC变换器电流指令IDD*也减少，功率存储系统70所释放的功率PS减少，所以电容器73的电压VS2减少。
相反地，如果电容器73的电压VS2比第二电压指令VS2B*要小，则减法器731b的输出为正，且比例积分控制器732b的输出增加。由于这样，因为通过电流限制器733b所输出的DC-DC变换器电流指令IDD*也增加，功率存储系统70所释放的功率PS也增加，所以电容器73的电压VS2增加。
通过上述那样的控制动作，控制电容器73的电压VS2，以使其与第二电压指令VS2B*一致。
图6是表示上述电压骤降检测部760的结构例的图。如图6所示，在电压骤降检测部760中，通过滤波器762a输入电容器73的电压VS2，接着用电压减少率运算部761来运算电压减少率ΔV/ΔT。电压减少率ΔV/ΔT通过滤波器762b输入比较器763中，与电压减少率设定值VDC进行比较。当电压减少率ΔV/ΔT比电压减少率设定值VDC要小时(即，与用电压减少率设定值所设定的减少率相比，电容器73的电压VS2更急剧地减少)，比较器763输出高电平。将比较器763的输出作为电压骤降检测信号VD来输出。
另外，滤波器762a、762b是除去包含在VS2中的所不需要的高频噪声的滤波器，可以根据需要来进行设置。另外，在电压骤降检测部760中，是采用运算电压减少率ΔV/ΔT并进行比较的结构，但是如果能够检测出电压的减少，则其它的结构也可以。例如，即使对VS2经过多个时间常数不同的滤波器而得到的信号进行比较，也能够检测出电压的减少。
另外，在图6中，是采用向电压骤降检测部760中输入电容器73的电压VS2的结构，但是也可以取而代之而将输入电压VS1、或者驱动控制装置60的电容器63的电压VT2、输入电压VT1输入来使用。
图7是表示上述低电压检测部770的结构例的图。
如图7所示，在低电压检测部770中，通过滤波器771输入电容器73的电压VS2，再将该滤波器771的输出向比较器772a、772b中输入，并且分别与第一低电压设定值LVC1、第二低电压设定值LVC2进行比较。
比较器772a在其输入比第一低电压设定值LVC1要低时，输出高电平，比较器772b在其输入比第二低电压设定值LVC2要低时，输出高电平。
将比较器772b的输出向延迟电路773中输入，并且当比较器772b的输出持续一定的时间(Δtsa)保持高电平的情况下，延迟电路773的输出变为高电平。
最后，逻辑和电路774得到比较器772a与延迟电路773的输出逻辑和，并且输出低电压检测信号LV。另外，在图7中，是采用向低电压检测部770中输入电容器73的电压VS2的结构，但是也可以取而代之而将输入电压VS1、或者驱动控制装置60的电容器63的电压VT2、输入电压VT1输入来使用。
图8是表示上述过电压检测部780的结构例的图。
如图8所示，在过电压检测部780中，通过滤波器781输入电容器73的电压VS2，再将滤波器781的输出向比较器782a、782b中输入，并且分别与第一过电压设定值OVC1、第二过电压设定值OVC2进行比较。
比较器782a当其输入超过第一过电压设定值OVC1时，输出高电平，比较器782b当其输入超过第二过电压设定值OVC2时，输出高电平。
将比较器782b的输出向延迟电路783中输入，当比较器782b的输出持续一定的时间(Δtsb)保持高电平的情况下，延迟电路783的输出变为高电平。
最后，逻辑和电路784得到比较器782a与延迟电路783的输出逻辑和，并且输出过电压检测信号OV。另外，在图8中，是采用向过电压检测部780中输入电容器73的电压VS2的结构，但是也可以取而代之而将输入电压VS1、或者驱动控制装置60的电容器63的电压VT2、输入电压VT1输入来使用。
图9是说明本发明实施形态1中的、第一、第二过电压设定值OVC1、OVC2；第一、第二低电压设定值LVC1、LVC2；电压上限设定值VLMTH；电压下限设定值VLMTL；驱动控制装置60检测过电压而停止的过电压停止电平；以及驱动控制装置60检测出低电压而停止的低电压停止电平之间的关系的图。
如图9所示，设定电压的从高到低的顺序是：驱动控制装置60的过电压停止电平、第一过电压设定值OVC1、电压上限设定值VLMTH、第二过电压设定值OVC2、第二低电压设定值LVC2、电压下限设定值VLMTL、第一低电压设定值LVC1、驱动控制装置60的低电压停止电平。另外，将第二过电压设定值OVC2设定得比电压上限设定值VLMTH稍小，并且将第二低电压设定值LVC2设定得比电压下限设定值VLMTL稍大。
接着，说明上述的实施形态1中所示的电车的控制装置的结构中的架空线停电时、架空线接地时的控制动作。
图10是说明本发明实施形态1中的架空线停电时的动作的图。另外，在下面的说明中，假定电车以集电行驶模式行驶时、架空线3从正常的状态变成停电状态的情况，是将DC-DC变换器电流指令生成部730内的开关735切换到第一电压指令VS2A*一侧的状态下的动作。
图10(a)表示动力行驶加速时的代表性的动作，图10(b)表示再生制动时的代表性的动作。各自的最上部是表示功率PP、PL、PS的时间变化，中部是表示电容器73的电压VS2的时间变化，最下部是表示开关61、71的动作。
(动力行驶加速时，架空线发生停电的情况)
根据图10(a)来说明动力行驶加速时的动作。
时间t0a～t1a是架空线没有停电的期间，如已经说明那样，在功率存储系统70中，因为根据利用图4所示的吸收·释放指令生成部720、而设定得比功率PL的大小要小的值的基本功率指令P0*，并且通过DC-DC变换器电流指令生成部730(1)、DC-DC变换器控制部740来控制DC-DC变换器74，所以控制功率存储系统70所释放的功率PS的大小，以使其变成比功率PL的大小要小的状态。因此，不足的功率PP(＝PL-PS)从变电站1通过集电装置20提供给电车。因为功率存储系统70所释放的功率PS与由变电站1所提供的功率PP之和，和功率PL相等，维持着平衡的状态，所以电容器73的电压VS2基本维持在架空线3的电压，位于电压上限设定值VLMTH与电压下限设定值VLMTL之间。
在时间t1a的时间点上，假设由于变电站1的开关2打开、或者架空线3上出现断线位置10等的理由而发生架空线3的停电。由于这样，来自变电站1的功率提供没有了，从变电站1通过集电装置20提供给电车的功率PP变为零。
因为一般是对辅助电源装置51与驱动控制逆变器64进行恒功率控制，从而使其持续向负载52和驱动用电动机65提供一定的功率，所以架空线3停电之后功率PA、功率PT不发生变化，它们之和即功率PL也不发生变化，而变成恒定值。
功率存储系统70的功率PS的大小，如已经说明的那样，照原样将其控制到比功率PL的大小要小的值。
在该状态下，对于所消耗的功率PL的大小，由于不仅功率存储系统70所释放的功率PS的大小不足，而且是变电站1也不提供功率的状态，所以通过消耗驱动控制装置60内的电容器63、功率存储系统70内的电容器73中所存储的功率来提供所不足的功率。因此，在时间t1a以后，电容器73的电压VS2开始下降。
接着，在时间t2a的时间点上，如果电容器73的电压VS2变成电压下限设定值VLMTL以下，则DC-DC变换器电流指令生成部730(1)(图5)的电压限制器733a 1的输入变得小于电压下限设定值VLMTL，并将电压限制器733a1的输出即第一电压指令VS2A*限制为VLMTL。因此，从VLMTL中减去VS2后的减法器731b的输出开始正向地增加，并且用比例积分控制器732b对其放大，DC-DC变换器电流指令IDD*正向地增加。因此，对DC-DC变换器74进行控制，以使其电流正向地增加，功率存储系统70所释放的功率PS增加。
如果功率存储系统70所释放的功率PS增加，则改善功率存储系统70相对于所消耗的功率PL所释放的功率PS的不足，以抑制电容器73的电压VS2的下降。因为比例积分控制器732b的输出持续正向地增加，一直到电容器73的电压VS2与电压下限设定值VLMTL一致、比例积分控制器732b的输入变为零为止，所以最终在功率存储系统70所释放的功率PS与所消耗的功率PL平衡的时间点稳定，并且维持该状态。
这样，虽然将吸收·释放指令生成部720的输出即基本功率指令P0*的大小设定成比功率PL的大小要小的值并维持不变，但是增加功率存储系统70所释放的功率PS，一直到电容器73的电压VS2与电压下限设定值VLMTL一致为止，控制功率PS成为与功率PL平衡的状态。因此，来自电容器63、73的功率消耗停止，并且电容器73的电压VS2维持在VLMTL上。
在时间t2a～t3a的期间中，如上所述，是控制功率PS成为与功率PL平衡的状态，并且将电容器73的电压VS2维持在VLMTL的状态。在该状态下，在低电压检测部770中，因为电容器73的电压VS2在第二低电压检测电平LVC2以下，所以比较器772b输出高电平，延迟电路773开始测量时间。
接着，在时间t3a的时间点上，延迟电路773经过设定时间Δtsa，通过逻辑和电路774而输出低电压检测信号LV，通过逻辑和电路790(图2)而输出DC-DC变换器停止指令COF以及开关61、71的停止指令SOF，DC-DC变换器74停止，并且开关71、61打开。另外，也可以利用停止指令SOF1来打开总开关40。
另外，在由于DC-DC变换器控制部740的故障等而使得在时间t2a～t3a之间不可能控制功率PS成为与功率PL平衡的状态、不能将电容器73的电压VS2维持在VLMTL上时，因为电容器73的电压VS2成为第一低电压检测电平LVC 1以下，所以比较器772a(图7)输出高电平，通过逻辑和电路774输出低电压检测信号LV，并且通过逻辑和电路790输出DC-DC变换器停止指令COF以及开关61、71的停止指令SOF，DC-DC变换器74停止，并且开关71、61打开。另外，也可以利用停止指令SOF 1来打开总开关40(图1)。
(再生制动时，架空线发生停电的情况)
根据图10(b)来说明再生制动时的动作。
另外，在再生制动时，因为通过驱动控制逆变器64将驱动用电动机65所产生的功率进行再生，所以变成功率PT的方向与动力行驶加速时相反方向的再生方向的功率。虽然辅助电源装置51所消耗的功率PA与动力行驶加速时没有变化，但是由于所产生的功率PT的大小与所消耗的功率PA的大小相比较要大很多，所以它们之和即功率PL变成再生方向的功率。
时间t0b～t1b是架空线没有停电的期间，如已经说明的那样，在功率存储系统70中，因为根据利用图4所示的吸收·释放指令生成部720、而设定得比功率PL的大小要小的值的基本功率指令P0*，并且通过上述DC-DC变换器电流指令生成部730(1)、DC-DC变换器控制部740来控制DC-DC变换器74，所以控制功率存储系统70所释放的功率PS的大小，以使其变成比产生的功率PL的大小要小的状态。因此，过剩的功率PP(＝PL-PS)通过集电装置20向变电站1释放。因为功率存储系统70所吸收的功率PS与向变电站1所释放的功率PP之和，是与所产生的功率PL相等的状态，是平衡的状态，所以电容器73的电压VS2基本维持在架空线3的电压，位于电压上限设定值VLMTH与电压下限设定值VLMTL之间。
在时间t1b的时间点上，假设由于变电站1的开关2打开、或者架空线3上出现断线位置10等的理由而发生架空线3的停电。由于这样，向变电站1进行功率释放的路径没有了，通过集电装置20向变电站1释放的功率PP变为零。
因为一般辅助电源装置51持续向负载52提供一定的功率，并且对驱动控制逆变器64进行恒功率控制，以使驱动用电动机65持续产生一定的功率，所以架空线3停电之后，由于功率PA、功率PT也不发生变化，所以它们之和即功率PL也不发生变化，而变成恒定值。
另一方面，如已经说明的那样，对功率存储系统70所吸收的功率PS的大小进行控制，照原样以使其变成比功率PL的大小要小的值。
在该状态下，因为所产生的功率PL不仅相对于功率存储系统70所吸收的功率PS是过剩，而且是向变电站1释放功率的路径也没有的状态，所以变得过剩的功率存储在驱动控制装置60内的电容器63、功率存储系统70内的电容器73中。因此，在时间t1b以后，电容器73的电压VS2开始增加。
接着，在时间t2b的时间点上，如果电容器73的电压VS2变成电压上限设定值VLMTH以上，则DC-DC变换器电流指令生成部730(1)(图5)的电压限制器733a1的输入变得大于电压上限设定值VLMTH，并将电压限制器733a1的输出即第一电压指令VS2A*限制为VLMTH。因此，从VLMTH中减去VS2后的减法器731b的输出开始负向地增加，并且用比例积分控制器732b对其放大，DC-DC变换器电流指令IDD*负向地增加。因此，对DC-DC变换器74进行控制，以使其电流的大小负向地增加，功率存储系统70所释放的功率PS增加。
如果功率存储系统70所吸收的功率PS增加，则改善所产生的功率PL相对于功率存储系统70所吸收的功率PS是过剩的状态，以抑制电容器73的电压VS2的上升。因为比例积分控制器732b的输出持续负向地增加，一直到电容器73的电压VS2与电压上限设定值VLMTH一致、比例积分控制器732b的输入变为零为止，所以最终在功率存储系统70所吸收的功率PS与再生功率即功率PL平衡的时间点稳定，并且维持该状态。
这样，虽然将吸收·释放指令生成部720的输出即基本功率指令P0*的大小设定成比所产生的功率PL的大小要小的值并维持不变，但是增加功率存储系统70所吸收的功率PS的大小，一直到电容器73的电压VS2与电压上限设定值VLMTH一致为止，控制功率PS成为与功率PL平衡的状态。因此，对电容器63、73的功率存储停止，电容器73的电压VS2维持在VLMTH上。
在时间t2b～t3b的期间中，如上所述，是控制功率PS成为与功率PL平衡的状态，并且将电容器73的电压VS2维持在VLMTH的状态。在该状态下，在过电压检测部780(图8)中，因为电容器73的电压VS2在第二过电压检测电平OVC2以上，所以比较器782b输出高电平，延迟电路783开始测量时间。
接着，在时间t3b的时间点上，延迟电路783经过设定时间Δtsb，通过逻辑和电路784而输出过电压检测信号OV，通过逻辑和电路790而输出DC-DC变换器停止指令COF以及开关61、71的停止指令SOF，DC-DC变换器74停止，并且开关71、61打开。另外，也可以利用停止SOF1来打开总开关40。
另外，在由于DC-DC变换器控制部740的故障等而使得在时间t2b～t3b之间不可能控制功率PS成为与功率PL平衡的状态、不能将电容器73的电压VS2维持在VLMTH上时，因为电容器73的电压VS2在第一过电压检测电平OC1以上，所以比较器782a输出高电平，通过逻辑和电路784输出过电压检测信号OV，并且通过逻辑和电路790输出DC-DC变换器停止指令COF以及开关61、71的停止指令SOF，DC-DC变换器74停止，并且开关71、61打开。另外，也可以利用停止SOF1来打开总开关40。
另外，在电气铁路上，在通常的运行中，频繁地发生由于架空线3或车辆的摇动等而使集电装置20与架空线3的接触暂时地分离、而使得功率的传送停止的称为离线的现象。如果从电车的控制装置一侧来看，则该离线是与架空线停电相同的事件。但是，离线时间一般是数ms～数百ms左右的时间，虽然通过设置在架空线3上的绝缘段(未图示)的情况要比这个时间长，但也在数秒内。
在图10(a)、图10(b)中，虽然在时间t2a或者t2b的时间点上当然能够判断架空线停电，停止DC-DC变换器74，并且使开关71、61打开，但是由于在上述那样的离线时及绝缘段通过时将时不时地停止驱动控制装置60和功率存储系统70，会妨碍电车的稳定行驶，所以最好不要这么做。因此，如上所述采用的结构是，在架空线停电时进行控制，将电容器73的电压VS2维持在电压上限设定值VLMTH与电压下限设定值VLMTL之间，并临时允许驱动控制装置60与功率存储系统70进行运转，在经过用延迟电路773、783所设定的Δtsa、Δtsb之后，判断为架空线停电，再停止驱动控制装置60和功率存储系统70的运转。
当然，通过将用延迟电路773、783所设定的Δtsa、Δtsb设定得比上述离线时间以及绝缘段通过时间要长，从而得到利用本发明的结构所产生的效果。另外，从本来的目的即架空线停电时防止向架空线3反向施加电压的观点来看，当然Δtsa、Δtsb最好尽量地短，设定为数秒程度比较恰当。
图11是说明本发明实施形态1中的架空线接地时的动作的图。
另外，如下所述，假定在电车以集电行驶模式进行行驶中、架空线3从正常的状态变成接地状态的情况。在图11中，最上部表示架空线3的状态，中部表示电容器73的电压VS2的时间变化，最下部表示开关61、71的动作。
在时间t0c～t1c中，架空线是不接地的正常期间，功率存储系统70的动作与上述图9的t0a～t1a或者t0b～t1b所示的动作是相同的。
将电容器73的电压VS2基本维持在架空线3的电压上，位于电压上限设定值VLMTH与电压下限设定值VLMTL之间。
现在，在时间t1c的时间点上，假设架空线3通过接地路径11接地。一般因为接地位置的阻抗非常小，所以流过较大的接地电流IG，驱动控制装置61内的电容器63、功率存储系统70内的电容器73中所存储的功率急剧地向接地位置释放。因此，在时间t1c以后，电容器73的电压VS2开始急剧地下降。
如果由于该电压VS2的急剧下降，用电压骤降检测部760的电压减少率运算部761所运算出的电压减少率ΔV/ΔT变得比电压减少率设定值VDC要小，则比较器763将电压骤降检测信号VD作为高电平输入到逻辑和电路790中，并且由逻辑和电路790输出DC-DC变换器停止指令COF以及开关61、71的停止指令SOF，从而DC-DC变换器74停止，并且开关71、61打开。
另外，在架空线接地时，因为在接地位置有较大的短路电流IG流过，所以为了避免被害区域的扩大，必须迅速地停止向接地位置供电。因此采用的结构是，如果检测出了电容器73的电压VS2的急剧下降，则迅速地停止DC-DC变换器74，并且打开开关71、61。
另外，当发生了上述的架空线停电或者架空线接地之后，为了避免电车的意外停止，在使电车移动到最近的车站、或者使车辆在没有架空线3的区间行驶时，根据来自司机或中央指令站(未图示)等的设定，将控制模式指令CMC切换成独立行驶模式，并且将DC-DC变换器电流指令生成部730内的开关735切换到第二电压指令VS2B*一侧。第二电压指令VS2B*只要设定成使辅助电源装置51和驱动控制装置60最有效地动作的电压即可，虽然最好与额定的架空线电压相等，但是也可以根据情况来变化。
通过这样，因为控制DC-DC变换器74，以使电容器73的电压VS2与第二电压指令VS2B*一致，所以能够使辅助电源装置51和驱动控制装置60稳定地运转，并且能够在架空线停电中或者架空线接地中使车辆移动到最近的车站，或者能够使车辆在没有架空线3的区间中行驶。当然，在这种情况下，为了防止向架空线3上反向施加电压，而收起集电装置20，或者关闭总开关40。驱动控制装置60的开关61也可以关闭。
这样，如果采用本发明实施形态1的结构，则在与变电站1之间进行功率传送的集电行驶模式中，当架空线停电时或者架空线接地时，能够迅速地检测出该情况，并停止DC-DC变换器74，并且打开开关71、61以及总开关40。
通过这样，能够得到一种电车的控制装置，该控制装置能够消除：当有意识地使架空线3停电的情况下和在架空线上发生断线位置的情况下等的架空线停电时、功率存储系统70一侧向架空线3反向施加电压的问题。
另外，能够得到一种电车的控制装置，该控制装置能够在架空线接地时迅速地使其停止，从而不会发生由于功率存储系统70持续向接地位置供电而扩大接地位置的被害情况。
另外，能够得到一种电车的控制装置，该控制装置能够在不与变电站1进行功率传送的独立行驶模式中，不会向架空线3反向施加电压，而能够使辅助电源装置51和驱动控制装置60稳定地运转，并且能够使车辆行驶。
实施形态2
下面，说明本发明实施形态2中的电车的控制装置的结构例。
另外，实施形态2与实施形态1相比较，如下所述，因为只有DC-DC变换器电流指令生成部730(2)的结构不同，所以只说明该部分。
图12是表示本发明实施形态2的DC-DC变换器电流指令生成部730(2)的结构例的图。如图12所示，DC-DC变换器电流指令生成部730(2)的结构是：从DC-DC变换器电流指令生成部730(1)删除开关735，将电压限制器733a1替换成新的电压限制器733a2，并且将该电压限制器733a2的输出向减法器731b中输入。
对于电压限制器733a2采用的结构是，输入第二电压指令VS2B*与控制模式指令CMC，并且当控制模式指令CMC指示是集电行驶模式的情况下，将电压上限设定值VLMTH、电压下限设定值VLMTL设定得与实施形态1相同，而当控制模式指令CMC指示是独立行驶模式的情况下，将电压上限设定值VLMTH和电压下限设定值VLMTL两者都设定成与第二电压指令VS2B*相同的值。
通过这样来构成，当控制模式指令CMC变化时，只改变电压限制器733a2的设定值，能够得到与实施形态1中所示的、用开关735来切换电压指令的情况相同的效果，并且因为能够用单一的控制系统来构成DC-DC变换器电流指令生成部，所以能够得到简化了H/W或者S/W的结构后的电车的控制装置。
实施形态3
图13是表示本发明实施形态3的电车的控制装置的结构例的图。另外，因为实施形态3是以实施形态1的构成为基础，所以对于在实施形态1中进行了说明的部分，省略其说明，只说明与实施形态1的内容不同的部分。
与实施形态1的图1相比较，在变电站1中，电压源1a与信号生成部100并联连接，而且在集电装置20与车轮22之间连接信号检测部110。
采用的结构是：信号生成部100是生成例如包含数kHz～数GHz频率的信号的部分，信号检测部110检测上述信号生成部100所产生的频率的信号，并判断其有无，从而输出总开关40的打开信号SOF2、以及判断结果信号HDD。
另外，由信号生成部100所产生的信号可以是单一的频率，也可以是实施调制后的信号。
图14是说明本发明实施形态3的结构例与动作的图。
从信号生成部100内部的信号源101a产生信号，并且通过架空线3和轨道21并经过集电装置20和车轮22输入到信号检测部110中。在信号检测部110内部，其结构是，用抽出部110a抽出信号源101a所产生的信号的成分，并且用判定电路110b来判断其有无，从而将该结果作为总开关40的打开信号SOF2、以及判断结果信号HDD来输出。
当架空线3上没有断线位置10、接地路径11的正常状态下，由信号源101a所产生的信号通过架空线3和轨道21并经过集电装置20和车轮22输入到信号检测部110中，用抽出部110a抽出上述信号的成分。然后，用判定电路110b判断为有信号，则不输出总开关40的打开信号SOF2、以及判断结果信号HDD。当架空线3上具有断线位置10或者接地路径11的状态下，因为由信号源101a所产生的信号没有通过架空线3和轨道21并经过集电装置20和车轮22输入到信号检测部110中，所以用抽出部110a没有抽出上述信号的频率成分，用判定短路110b判定出没有信号，输出总开关40的打开信号SOF2、以及判断结果信号HDD。
结果是打开总开关40，并且利用接收了HDD后的驱动控制部600、功率存储系统控制部700来打开开关61、71。
另外，开关61、71也可以采用根据判定结果信号HDD而直接来打开的结构。
另外，当有意识地使架空线3停电时，使信号生成部100的信号源101a停止。通过这样，因为信号没有输入到信号检测部110中，所以用抽出部110a没有抽出上述信号的频率成分，用判定电路110b判断出没有信号，输出总开关40的打开信号SOF2、以及判断结果信号HDD。结果是打开总开关40，并且利用接收了HDD后的驱动控制部600、功率存储系统控制部700来打开开关61、71。另外，开关61、71也可以采用根据判定结果信号HDD而直接来打开的结构。
这样，能够得到一种电车的控制装置，该控制装置通过架空线和轨道在变电站和车辆之间传送信号，并且在车辆一侧判断有无信号，利用这样的结构能够检测出架空线停电、架空线接地的状态，当在架空线3上产生断线位置10或者接地路径11的情况下，或者有意识地使架空线停电的情况下，能够使功率存储系统停止。
另外，上述实施形态1～3所示的结构是本发明的内容的一个例子，也可以将各实施形态进行组合来构成，也可以与其它公认的技术进行组合来构成，当然也可以在不脱离本发明的主旨的范围内，进行省略一部分等的变更后构成。虽然未图示，但是也适用于变电站1提供交流电的交流电系统。
工业上的实用性
在本说明书中，虽然考虑了适用于电气铁道的功率存储系统来进行本发明内容的说明，但是不仅限于该应用领域，对于汽车、电梯、电力系统等各种相关领域也能够应用。

Claims (11)

1.一种电车的控制装置，在以并联关系连接辅助电源装置、控制驱动用电动机的驱动控制装置、以及包括功率存储设备的功率存储系统的电车的控制装置中，其特征在于，
所述功率存储系统具有：
并联连接电容器的DC-DC变换器；检测出上述电容器的电压的电压检测器；具有在与上述DC-DC变换器之间进行传送功率的功率存储设备的功率存储部；以及对它们进行控制的功率存储系统控制部，
所述功率存储系统控制部采用能够检测出架空线的停电、接地的结构。
2.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
所述功率存储系统控制部的结构是
对所述功率存储系统所释放或者吸收的功率进行控制，从而使其与所述驱动控制装置的功率、或者所述驱动控制装置与所述辅助电源装置的功率之和不一致。
3.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
所述功率存储系统控制部具有：
生成与运转指令相对应的控制模式指令的指令接收分配部；
根据所述驱动控制装置的功率与所述辅助电源装置的功率之和即功率、和驱动电动机的旋转频率、逆变器频率、车速之中的至少一个信号，产生基本功率指令的吸收·释放指令生成部；
产生上述电容器的电压的目标值即第二电压指令的电压指令发生部；
根据上述控制模式指令、上述基本功率指令、上述第二电压指令、所述电压存储系统的功率、电容器的电压的各信号来产生DC-DC变换器电流指令的DC-DC变换器电流指令生成部；以及
对上述DC-DC变换器的电流进行控制、以使其与上述DC-DC变换器电流指令一致的DC-DC变换器控制部。
4.如权利要求3中所述的电车的控制装置，其特征在于，
所述DC-DC变换器电流指令生成部具有：
将和所述功率存储系统所吸收·释放的功率与所述基本功率指令之差成比例的输出、与所述电容器的电压进行相加的加法器；
设定该加法输出的上下限值、并作为第一电压指令来输出的电压限制器；
根据所述控制模式指令来切换由所述电压指令发生器所产生的第二电压指令与所述第一电压指令的切换单元；
从所述切换单元的输出中减去所述电容器的电压的减法器；以及
设定所述减法输出的上下限值、并作为DC-DC变换器电流指令来输出的电流限制器。
5.如权利要求3中所述的电车的控制装置，其特征在于，
所述DC-DC变换器电流指令生成部具有：
将和所述功率存储系统所吸收·释放的功率与所述基本功率指令之差成比例的输出、与所述电容器的电压进行相加的加法器；
将该加法输出与由所述电压指令发生器所产生的第二电压指令作为输入、并且根据所述控制模式指令设定上下限值的电压限制器；
从所述电压限制器的输出中减去所述电容器的电压的减法器；以及
设定所述减法输出的上下限值、并作为DC-DC变换器电流指令来输出的电流限制器。
6.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
构成所述功率存储系统控制部，从而在所述电容器的电压骤降时，使其能够检测出该情况，并且打开设置在所述驱动控制装置或者功率存储系统的输入侧上的开关。
7.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
构成所述功率存储系统控制部，从而在所述电容器的电压减小时，使其能够检测出该情况，并且打开设置在所述驱动控制装置或者功率存储系统的输入侧上的开关。
8.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
构成所述功率存储系统控制部，从而在所述电容器的电压变得过大时，使其能够检测出该情况，并且打开设置在所述驱动控制装置或者功率存储系统的输入侧上的开关。
9.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
构成所述功率存储系统控制部，使其能够进行控制，从而将所述电容器的电压的上限和下限维持在分别设定的值上。
10.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
构成所述功率存储系统控制部，使其能够进行控制，从而使所述功率存储系统的所述电容器的电压与设定的值一致。
11.如权利要求1中所述的电车的控制装置，其特征在于，
在变电站上设置信号发生部，并且在所述电车上安装接收所述信号发生部所产生的信号的信号检测部。
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