CN101282855B - 直流电气轨道的电力存储单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流电气轨道系统的电力存储单元,其中利用升压/降压斩波器对双电荷层电容器进行充电/放电来执行为电车供电、和吸收再生电力,而不需要负载电阻设备,而且不用增加电容器的容量就能够防止电车再生失效、保护双电荷层电容器以免过电压。电车2是具有按照超过指定电平的集电弓点电压将再生电流从100%降低到0%的功能的类型。当双电荷层电容器4A被充电到任意电压时,升压/降压斩波器4B的控制部件4C进行再生失效防止控制,利用该再生失效防止控制,将馈电电缆电压增加到使得电车2的再生电流降低控制功能启动的电平。
Description
技术领域
本发明涉及一种为电车提供电力并吸收所再生的电力的直流电气轨道系统的电力存储单元;更具体地,涉及防止在电力存储介质被充电到超过任意电压的电平时电车发生再生失效的电力存储单元。
背景技术
通常,由电车在再生制动下所产生的再生电力并不总是全部被用于启动和/或加速车辆,因此,未被利用的再生电力变成了多余的电力。为了获得多余再生电力的有效利用,提出了一种系统,其中,与馈电电缆并联地设置有包含电力存储介质和直流/直流转换器的电力存储单元,使得多余的再生电力由电力存储介质所吸收。
上述电力存储单元的一个缺点在于,当电力存储介质为满充电时,就不能再吸收再生电力。当在满充电的情况下电车受到再生制动时,发生电车的再生失效(电制动失效),因而在这种条件下再生操作停止,执行从电制动到机械制动的制动系统切换。但是,由于切换操作,产生了制动滞后。由于该制动滞后,由机械制动进行的急制动(rapid braking)可能引起诸如无法将电车停止在所期望的停止位置上、以及由于增加了制动蹄片与车轮间的摩擦磨损而引起的使用寿命缩短等问题。
为了消除上述问题,提出了一种系统,其中通过开关与双电荷层电容器并联地设置了负载电阻,并设置了过电压检测器以检测电容器的满充电条件。即,在检测到满充电条件时,该开关闭合来将再生电流施加于负载电阻而将电容器旁路,从而使得该负载电阻以热量形式将再生电力消耗掉。据此,保护该双电荷层电容器免于过电压。例如专利文献1公开了上述系统。
除上述系统外,还提出了另一种系统。在该系统中,当检测到电容器的电压等于或高于预定电平时,向馈电变电站的主元件(即半导体电力变换器、抽头变压器等)的控制单元提供控制指令,以降低变电站的输出电压,从而防止馈电电缆的过电压并保护双电荷层电容器免受过电压。例如专利文献2中公开了这种系统。
【专利文献1】日本专利申请公开(Tokkai)2001-206110
【专利文献2】日本专利申请公开(Tokkai)2003-237431
在专利文献1所公开的系统中,在双电荷层电容器的满充电的情况下,将由电车产生的再生电流施加到负载电阻上,从而进行再生电力的吸收。虽然在该系统中实现了防止电车的再生失效、和对双电荷层电容器的过电压保护,但是该系统不仅需要设置负载电阻设备,还需要提供用于扩散和处理由负载电阻设备所产生的热量的通风设备和散热设备,而这不可避免地需要用于安装这些设备的空间以及用于这些设备的花费。虽然通过增加双电荷层电容器的电容能够降低利用负载电阻进行电力吸收的机会,但是该方法也会引起双电荷层电容器尺寸的增加,以及该电容器成本的增加。
在专利文献2所公开的系统中,当电容器电压超过预定电平时,进行控制以减小馈电变电站的输出电压。但是,在该系统中,如果没有在电力运行下的其他电车,则馈电电缆的电压不能降低。因此,在该措施中,并不总能确实地保护电容器免受由电车产生的再生电力所引起的过电压,而且这种保护受到其他电车运行条件的影响。另外,当馈电变电站是没有诸如抽头变压器和半导体电力转换器之类的控制其输出电压的设备或功能的类型时,上述措施是不实用的,除非设置新的馈电变电站。因此,能够实际使用专利文献2中的系统的电气设备是受限制的;因而,如果电气设备是不能实际使用该系统的类型,则需要替换这些电气设备,而这需要高额的设备费用。
发明内容
本发明的一个目的在于,提供一种电力存储单元,该单元通过利用直流/直流转换器对电力存储介质进行充电/放电而进行向电车提供电力和对再生电力的吸收,该直流电气轨道系统的电力存储单元可以防止电车的再生失效,确实地保护电力存储介质免于过电压,不需要负载电阻设备、通风设备和散热设备,不需要电力存储介质的增大,而且可实际地用于现有的馈电变电站设备。
为了解决上述问题,本发明提供以下手段。
(1)一种直流电气轨道系统的电力存储单元,其中利用直流/直流转换器对电力存储介质进行充电/放电来执行对电车提供电力、和吸收具有再生电流降低功能的电车的再生电力,其特征在于:该直流/直流转换器具有再生失效防止控制单元,当电力存储介质被充电到任意电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到使得电车的再生电流降低控制功能启动的电平。
(2)一种直流电气轨道系统的电力存储单元,其中利用直流/直流转换器对电力存储介质进行充电/放电来执行对电车提供电力、和吸收具有再生电流降低功能的电车的再生电力,其特征在于:该直流/直流转换器具有再生失效防止控制单元,在电力存储介质被充电到满电平电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到使得电车的再生电流为零的电平。
(3)一种直流电气轨道系统的电力存储单元,其中利用直流/直流转换器对电力存储介质进行充电/放电来执行对电车提供电力、和吸收具有再生电流降低功能的电车的再生电力,其特征在于:该直流/直流转换器具有再生失效防止控制单元,在电力存储介质被充电到任意电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到使得电车的再生电流降低控制功能启动的电平,并根据电力存储介质的电压增加来增加馈电电缆的电压,从而增加降低再生电流的程度;而在电力存储介质被充电到满电平电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到利用电车的再生电流降低控制功能而使再生电流为零的电平。
(4)本发明的特征还在于,上述直流/直流转换器为升压/降压斩波器(step up/down chopper)。
(5)本发明的特征还在于,上述电力存储介质为双电荷层电容器。
附图说明
图1是本发明实施方式的用于直流电气轨道的馈电系统的主要部分示意图。
图2是电车的再生电流降低功能的特性曲线图。
图3是正常控制以及再生失效防止控制下,各个部分的电流/电压控制曲线图。
具体实施方式
图1为本发明实施方式的直流电气轨道的馈电系统的主要部分。即,在本实施方式中,提供用于直流/直流转换器的再生失效防止控制单元,该再生失效防止控制单元利用电车所具有的再生电流降低控制功能(即,根据超过指定电平的集电弓点(pantograph point)电压,将再生电流从100%减小到0%的功能),根据电力存储介质的电压增加而增加馈电电缆的电压。
本发明实施方式适用的电力存储单元是其中电车具有再生电流降低控制功能的类型。该控制功能由现有电车提供,并监控电车的集电弓点电压,使得当该电压超过指定电平时,根据该电压将再生电流从100%减小到0%,从而防止集电弓点电压增加到过高的电平。通常,如图2所示,在直流1500V类型的电车中,控制再生电流,使得在集电弓点电压等于或低于直流1600V时,将降低率控制为1.0(降低量为0%),在集电弓点电压等于或高于直流1800V时,将降低率控制为0(降低量为100%),在集电弓点电压在1600V~1800V之间时,将降低率与电压成比例地向0(零)线性减小。由于再生电流的降低而产生的再生电力的多余部分由机械制动所吸收。在本实施方式中,双电荷层电容器4A被用作电力存储介质,升压/降压斩波器4B用作直流/直流转换器。但是,本发明不限于这种电力存储介质4A和直流/直流转换器4B的使用。
在实际使用具有上述再生电流降低控制功能的电车的直流电气轨道系统中,该系统的电力存储单元4具有主电路,该主电路包括双电荷层电容器4A、升压/降压斩波器4B、以及作为控制单元的斩波器控制部分4C。
斩波器控制部分4C具有与传统的电力存储单元相同的充电/放电控制功能,并且为了进行对电车的供电以及再生电力的吸收,根据所检测到的馈电电缆电压信号Vt与充电/放电控制电压之间的比较,进行升压/降压斩波器4B的升压/降压操作的切换和斩波器的导通率的控制。
例如,当由于电车的电力运行,馈电电缆电压Vt降低到低于指定值的值时,斩波器控制部分4C使斩波器4B进行升压(step up)操作,使得由电容器4A作为放电电力馈送运行电车所需的一部分或全部电力。而当由于电车的再生制动,馈电电缆电压Vt增加到高于指定值的值时,斩波器控制部分4C使斩波器4B进行降压(step down)操作,使得再生电力的一部分或全部由电容器4A作为充电电力而吸收。为了进行充电/放电操作,通过升压/降压斩波器4B的导通率控制来调整充电/放电电力的需要量。
除了上述充电/放电控制功能之外,本实施方式的斩波器控制部分4C还具有再生失效防止控制单元,当双电荷层电容器4A被充电到任意电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到使得电车所具有的再生电流降低控制功能启动的电平。另外,如图3的示例所示,所述控制是以如下方式进行的:根据电容器4A电压的增加,为了提高电车的再生电流降低程度而增加馈电电缆电压,而当将电容器4A充电到满电平电压时,再生电流变为0。由于提供了这种再生失效防止控制单元,可以抑制电容器4A的过充电,即充电超过电容器的满充电,而且可以防止电容器4A过电压而无需负载电阻设备和增加电容器4A的容量。另外,由于电车具有再生电流降低功能,因此可以抑制电车的再生失效。
以下,参照如图3所示的用于直流电气轨道的馈电系统,对在双电荷层电容器4A的工作电压为直流400V至直流1000V(满充电电压)的情况下再生失效防止控制单元的动作进行说明。
当电容器4A的电压为400V至800V时,斩波器控制部分4C进行对电容器4A的充电/放电控制(正常控制),以使馈电电缆具有约1650V的电压,从而再生约100%的电车再生电流。
当电容器4A的电压接近1000V(满充电电压)而超过作为指定值的800V时,斩波器控制部分4C的再生失效防止控制单元运行以增加馈电电缆的电压,使得电车2所具有的再生电流降低控制功能开始起作用从而降低再生电流。在此情况下,当电容器4A的电压为800V~1000V(满充电电压)时,升压/降压斩波器4B工作,以利用其导通率控制将馈电电缆的电压控制或调整为1650V~1800V,据此,使电车2降低再生电流。特别地,当电容器4A的电压为1000V(满充电电压)时,馈电电缆的电压被控制在1800V,据此,使电车2的再生电流变为0。
因此,在由再生失效防止控制单元控制期间,由于馈电电缆电压的增加,不可避免地存在没有被电车2所消耗的多余能量。但是,由于使用了再生电流降低控制功能,抑制了电车2的再生制动,这种再生制动会导致因馈电电缆电压的增加所引起的超过电容器4A满充电的过充电;而在发生再生失效之前进行机械制动,因此,不会导致再生失效。另外,由于抑制了电容器4A的过充电,因此也抑制了过电压。由于不存在再生失效,因此,也不会产生由于从电气制动到机械制动的切换所引起的不期望的急制动,因此、诸如无法将电车停止在期望停止位置、以及由于制动蹄片与车轮摩擦磨损的增加而缩短使用寿命等问题也得到解决。
如上所述,在本发明的电力存储单元中,提供了按照电力存储介质的电压的增加来增加馈电电缆电压的控制单元,据此获得了如下的效果。
(1)抑制了电车的再生失效。
(2)防止了电力存储介质的过电压。
(3)由于电力存储单元仅需要小的容量,因此能够获得小型化、低成本的电力存储介质的结构。
(4)由于不需要负载电阻设备、通风设备和散热设备,因此无需用于安装这些设备的空间,并节约了对这些设备的花费。
(5)由于可以使用现有的馈电变电站,不需要设备的更换和改造,因此本发明能够广泛应用于各种电气轨道系统,而且不需要更换设备和改造费用。
Claims (6)
1.一种直流电气轨道系统的电力存储单元,其中利用直流/直流转换器对电力存储介质进行充电/放电来执行对电车提供电力、和吸收具有再生电流降低功能的电车的再生电力,其特征在于:
该直流/直流转换器具有再生失效防止控制单元,当电力存储介质被充电到任意电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到使得电车的再生电流降低控制功能启动的电平。
2.一种直流电气轨道系统的电力存储单元,其中利用直流/直流转换器对电力存储介质进行充电/放电来执行对电车提供电力、和吸收具有再生电流降低功能的电车的再生电力,其特征在于:
该直流/直流转换器具有再生失效防止控制单元,在电力存储介质被充电到满电平电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到使得电车的再生电流为零的电平。
3.一种直流电气轨道系统的电力存储单元,其中利用直流/直流转换器对电力存储介质进行充电/放电来执行对电车提供电力、和吸收具有再生电流降低功能的电车所产生再生电力,其特征在于:
该直流/直流转换器具有再生失效防止控制单元,在电力存储介质被充电到任意电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到使得电车的再生电流降低控制功能启动的电平,并根据电力存储介质的电压增加来增加馈电电缆的电压,从而增加降低再生电流的程度;而在电力存储介质被充电到满电平电压时,该再生失效防止控制单元将馈电电缆的电压增加到利用电车的再生电流降低控制功能而使再生电流为零的电平。
4.权利要求1、2或3所述的直流电气轨道系统的电力存储单元,其特征在于,上述电力存储介质为双电荷层电容器。
5.权利要求1、2或3所述的直流电气轨道系统的电力存储单元,其特征在于,上述直流/直流转换器为升压/降压斩波器。
6.权利要求4所述的直流电气轨道系统的电力存储单元,其特征在于,上述电力存储介质为双电荷层电容器。
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PB01 | Publication | ||
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