CN104369677B - 电车电力馈送系统、电力馈送装置和电力存储装置 - Google Patents

Abstract

一个实施例中的电车电力馈送系统包括电力存储装置、整流器和紧急电源。所述电力存储装置连接到用于电车的馈线。所述整流器将第一电力系统的交流电力转换为直流电力，并且为馈线提供直流电力。所述紧急电源为馈线提供不同于第一电力系统的第二电力系统的电力。

Description

电车电力馈送系统、电力馈送装置和电力存储装置

相关申请的交叉引用

本申请基于并且要求提交于2013年8月12日的日本专利申请No.2013-167820的优先权，通过引用将其完整内容结合在此。

技术领域

在此描述的实施例一般涉及电车电力馈送系统、电力馈送装置和电力存储装置。

背景技术

在诸如铁道、单轨铁道等等使得电车通过直流电馈电方法行进的运输系统中，当作为供电源的直流变电站发生故障时，不再能接收电能的电车在某些情况下变得不能行进。因此，为了在电源故障等等的情况下保证用于行进的供电，提出了在电车上安装电力存储装置从而电车通过电力存储装置的电力行进的技术。

另一方面，已经实际使用了这样的技术，其中在馈线侧提供电力存储装置，以便当不再能够获得交流供电时，通过从该电力存储装置给馈线提供电力，将电车移动到最近的车站。

然而，在将电力存储装置安装在电车上的前一种技术的情况下，对于单轨铁道等等的电车来说，没有足够的空间在其上安装电力存储装置。另外，在电车上安装作为高能体的电力存储装置导致增加风险，诸如火灾。尤其是，在诸如单轨铁道的运输系统中，还会发生用于安装电力存储装置的改造工作之后部件掉落的风险。

另外，在给馈线侧提供电力存储装置的后一种技术的情况下，例如，架空接触线直接耦合类型的电力存储装置一般需要具有较多数目的串联电池，导致整个电力存储装置的尺寸和成本增加。另外，考虑到馈线中的电压降，车辆长距离的移动是困难的。

注意，在电力存储装置不是架空接触线直接耦合类型而是通过转换器给馈线侧提供电力的类型的情况下，由于转换器的开关损耗消耗更多电力。因此，这种情况下的电力存储装置电荷量快速减少，并且因此不能在电力故障等时获得足够的电力供应。因此，可以想到使电力存储装置具有大容量，但是由于需要以分布式方式布置许多大容量的电力存储装置，因而存在成本方面的问题。

这里，特别是当单轨铁道类型的电车停止在车站之间时，例如，旅客很难行走逃脱到附近的车站。因此，就安全方面也需要进一步改进电力馈送技术。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种电车电力馈送系统，包括：电力存储装置，连接到用于电车的馈线；整流器，配置为将第一电力系统的交流电力转换为直流电力，并且为所述馈线提供所述直流电力；和紧急电源，配置为给所述馈线提供不同于所述第一电力系统的第二电力系统的电力。

根据另一个实施例，公开了一种用于电车电力馈送系统的电力馈送装置，所述电车电力馈送系统包括：连接到馈线的电力存储装置；和整流器，配置为将第一电力系统的交流电力转换为直流电力，并为所述馈线提供所述直流电力，所述电力馈送装置包括：紧急电源，配置为给用于电车的所述馈线提供不同于所述第一电力系统的第二电力系统的电力。

根据另一个实施例，公开了一种用于根据权利要求1的电车电力馈送系统的电力存储装置，包括：电力存储元件；和充电/放电控制单元，配置为根据所述馈线的电压的上升和下降，控制所述电力存储元件的充电和放电。

附图说明

图1是示出了根据第一实施例的电车电力馈送系统的配置的方框图。

图2是示出了包括在图1的电车电力馈送系统内的电力存储装置中的转换器的配置的框图。

图3是示出了图2中的电力存储装置的充电/放电电流和馈线电压之间的关系的图。

图4是示例了包括在图2的电力存储装置中的转换器中的充电/放电管理表的图。

图5是示出了根据第二实施例的电车电力馈送系统的配置的框图。

图6是示出了根据第三实施例的电车电力馈送系统的配置的框图。

具体实施方式

一个实施例中的电车电力馈送系统包括电力存储装置、整流器和紧急电源。电力存储装置连接到用于电车的馈线。整流器将第一电力系统的交流电力转换为直流电力，并且为馈线提供直流电力。紧急电源为馈线提供不同于第一电力系统的第二电力系统的电力。

以下，将基于附图描述实施例。

＜第一实施例＞

如图1所示，本实施例中的电车电力馈送系统10是直流馈送类型的电力馈送系统，其通过铁道、单轨铁道等等的馈线2给电车14馈送直流电力。如图1所示，电车电力馈送系统10包括馈电控制装置(电力馈送装置)15、电力存储装置20、以及共同地控制馈电控制装置15和电力存储装置20的监视装置25。

例如，在铁道、单轨铁道等等的每5千米或者每个车站安装馈电控制装置15。如图1所示，馈电控制装置15主要包括交流电路断路器12、变压器7、标准电源电路断路器6、紧急电源8(第二电力系统的电源)、紧急电源电路断路器22、整流器16、直流电路断路器23作为馈电设施。

交流电路断路器12将作为商业电源的交流电源9和变压器7彼此电连接/彼此断开。上述的交流电源9(第一电力系统的交流电源)是用于直流馈电的交流系统的标准电源。变压器7改变交流电源9的电压。标准电源电路断路器6将变压器7和整流器16彼此电连接/彼此断开。

紧急电源8例如是燃气轮发电机或者柴油发电机。紧急电源8为馈线2提供不同于第一电力系统(交流电源9的交流电力)的第二电力系统的电力。紧急电源断路器22将紧急电源8和整流器16彼此电连接/彼此断开。注意，可以在紧急电源8的后续级单独地提供用于电压调节的变压器，从而紧急电源8和整流器16通过单独提供的变压器和紧急电源断路器22彼此连接。

整流器16例如是二极管整流器或者PWM转换器，并且是将交流转换为直流的AC/DC转换器。整流器16将第一电力系统的交流电力(交流电源9的交流电力)转换为直流电力，并且为馈线2提供该直流电力。馈电控制装置15中的直流电路断路器23将整流器16和馈线2彼此电连接/彼此断开。注意，馈电控制装置15中的装置并不必然需要共同布置在同一装置中。

电车14通过经由馈线2从馈电控制装置15侧接收直流电力行进。使用电作为驱动源行进的所有电动车辆，诸如用于单轨铁道的车辆和用于铁道的车辆，对应于所述电车14。返回馈线3是导体，返回电流通过返回馈线3流动，并且例如在常规铁道的情况下，铁轨具有这种功能。对于利用橡胶轮行进的运输系统和对于部分地铁，安装返回电流通过其流动的专用导体作为返回馈线3。

另一方面，电力存储装置20被以分布式方式(例如，每3千米)布置，并且被安装在与馈电控制装置15的安装位置相距一定距离处。如图1、图2所示，电力存储装置20连接到用于电车的馈线2。另外，电力存储装置20连接到返回馈线3。电力存储装置20包括电力存储元件21、转换器5和直流电路断路器23。电力存储元件21例如是：蓄电池，诸如锂离子电池、镍金属氢化物电池或者铅酸电池；或者蓄能元件，诸如双电层电容器或者飞轮。

如后面将描述的，电力存储装置20根据馈线电压的上升和下降分别执行充电和放电。如例如图3中所示，当馈线电压的值等于或者小于放电阈值(其根据电力存储装置20的充电状态(SOC)改变(A1到A2))，电力存储装置20执行放电。另外，当馈线电压的值等于或者大于充电阈值(其根据电力存储装置20的充电状态(SOC)改变(B1到B2))时，电力存储装置20执行充电。另外，当馈线电压的值大于放电阈值A1并且小于充电阈值B1时，电力存储装置20停止充电/放电，或者，当馈线电压的值大于放电阈值A1并且小于充电阈值B1的状态持续了预定的时间段时，停止充电/放电。换言之，图3中的馈线电压的电压范围S指示电力存储装置20不执行充电/放电的电压范围(转换器5被停止以用于选通阻断(gate block)的电压范围)。

注意，电力存储装置20可以被配置为当流过馈线2的电流的值或者所述电力的值大于与所述电流的值或者所述电力的值对应的放电阈值且小于充电阈值时停止充电/放电。代之以，电力存储装置20也可以被配置为当通过馈线2的电流的值或者所述电力的值大于与所述电流的值或者所述电力的值对应的放电阈值且小于充电阈值的状态持续了预定的时间段时，停止充电/放电。

电力存储装置20中的直流电路断路器23将转换器5和馈线2彼此电连接/彼此断开。转换器5向馈线2和电力存储元件21发送电力/从其接收电力。转换器5被配置为：如果电力存储元件21是，例如，蓄电池或者电容器，则具有DC/DC转换器的功能，并且如果电力存储元件21是例如飞轮，则具有实现DC/AC转换的逆变器的功能。

此处，监视装置25获得例如馈线2的电压，并且根据操作员基于所获得的馈线电压的输入操作，控制馈电控制装置15中的直流电路断路器23、交流电路断路器12、标准电源断路器6、紧急电源8、紧急电源断路器22和直流电路断路器23，以及电力存储装置20中的直流电路断路器23和转换器5的操作。

将进一步详细描述转换器5。转换器5(充电/放电控制单元)根据馈线2的电压的上升和下降控制电力存储元件21的充电和放电。如图2所示，转换器5包括电力转换单元5a、电流控制单元5b、充电/放电管理表5c、馈线电压检测单元5d和充电状态检测单元5e。

电力转换单元5a被配置为升压/降压斩波电路(升降压转换器)等等，其选通驱动例如开关元件，并控制电力存储元件21的充电/放电操作。被应用于电力转换单元5a的元件的例子是，例如，自熄弧元件诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)，并且通过以PWM(脉冲宽度调制)驱动该元件控制电力存储元件21的充电/放电操作。

电流控制单元5b控制电力存储装置20中的直流电路断路器23的操作，同时电力转换单元5a控制从馈线2输入到电力存储元件21/从电力存储元件21输出到馈线2的充电/放电电流(充电电流和放电电流)。馈线电压检测单元5d检测馈线2的馈线电压。充电状态检测单元5e以充电率[％]检测电力存储元件21的充电状态(SOC)。

充电/放电管理表5c存储馈线电压和电力存储元件21的充电状态(SOC)之间的对应关系作为充电/放电特性，以便根据图3、图4所示的馈线电压决定放电阈值电压(A1到A2)和充电阈值电压(B1到B2)。充电/放电管理表5c存储，例如，两种类型的充电/放电特性，它们根据交流电源9的电力故障时间和可以从交流电源9提供电力的正常时间而不同。

更具体地，电流控制单元5b基于检测的馈线电压、电力存储元件21的充电状态和存储在充电/放电管理表5c中的如图3、图4所示的充电/放电特性，改变放电阈值电压和充电阈值电压。因此，电流控制单元5b通过电力转换单元5a调整电力存储元件21的充电/放电电流。

此处，将描述使电车电力馈送系统10基本独立操作的方法。首先，在交流电源9可用的标准馈送状态的情况下，电力存储装置20根据馈线电压执行充电/放电。更详细地，当吸收过多的再生电力时或者当馈线电压减小时，电力存储装置20执行放电，以便稳定馈线电压。在这种情况下，馈电控制装置15中的紧急电源断路器22保持打开(Open)。交流电源9通过变压器7，并且在整流器16处被转换为直流电力，然后通过馈线2提供给电车14。

当交流电源9在这种情况下失效，并且交流电源9从馈送系统分离使得电车电力馈送系统10独立地操作时，监视装置25控制交流电路断路器12和标准电源断路器6，以使馈电控制装置15中的直流电路断路器23打开。在这种情况下，可以结合馈电控制装置15的操作使电力存储装置20中的直流电路断路器23打开，以停止电力存储装置20。

在另一方面，监视装置25执行控制以持续充电/放电操作，而不使电力存储装置20中的直流电路断路器23，从而使得可以不停止电车14而操作电车14例如到最近的车站。另外，低损耗装置，诸如，例如，作为高效装置的SiC(碳化硅)功率装置，被用于电力存储装置20，以便避免由于转换器5的开关损耗的连续产生而导致的电力存储元件的充电率的减小，以及避免考虑到所述减小而导致的存储容量的增加，因此简化了设施。

在另一方面，将描述使电车电力馈送系统10在电力存储装置20中的直流电路断路器23打开以使电力存储装置20与馈线2分离，引起整个馈送系统中的电力故障的情况下，基本独立操作的方法。首先，监视装置25执行控制以启动紧急电源8，并且接通(闭合)紧急电源断路器22。随后，馈电控制装置15中的直流电路断路器23接通(闭合)以给馈线2提供直流电力。另外，电力存储装置20被启动，以接通电力存储装置20中的直流电路断路器23，以使得电力存储装置20与馈送系统协作。

在这种情况下，当如图3所示，馈线电压减小到低于放电阈值电压时，电力存储装置20具有放电的特性。另一方面，当不放电时，电力存储装置20选通阻断转换器5，以停止转换器5的电力转换操作。在这种情况下，电力存储装置20可以在检测到预定输出值的预定时间已经经过之后选通阻断转换器5，或者，可以在充电状态(SOC)达到预定范围内的情况下选通阻断转换器5。

另外，当馈线电压上升为高于图3所示的充电阈值电压时，电力存储装置20具有充电的特性。另外，上面所述的充电阈值电压具有随着电力存储元件21的充电状态(SOC)变低而减小，而随着所述充电状态变高而增加的特性。

此处，在现有技术中，简单地通过使用转换器使电力存储装置与馈送系统协同操作，来使该电车电力馈送系统独立地操作。因此，在现有技术中，当试图保持馈线电压时，由于转换器的开关损耗，电力存储装置的充电状态降低，因此不能保证使电车行进的能量。因此，例如，为了一起启动路线中的电车，并使它们移动到最近的车站，在现有技术中必须根据负载增加电力存储装置本身的输出，导致电力存储装置的尺寸和成本的增加。

因此，也可以将电力存储装置直接连接到馈送系统，而不使用转换器，但是需增加电力存储装置中的电池串联的数目。因此，在现有技术中，电力存储元件的尺寸增加，并且需要在该馈送系统以分布式方式布置许多电力存储元件，以应对馈线电压的下降，这是不经济的。另外，在电力存储元件直接连接到馈送系统而不使用转换器的情况下，不能控制充电/放电，而是一直执行电力存储元件的充电/放电，造成充电/放电损耗。这导致该馈送系统中的电力损耗的增加。

另一方面，本实施例中的电车电力馈送系统10使得可以，例如，在独立操作期间通过二极管整流器将紧急电源8的电力提供给馈线2以用于存在于该馈送系统中的多个电车14。换言之，电车电力馈送系统10可以，例如，通过采用紧急电源8的燃料系统产生电力，并且因此可以比电力存储元件在更长的时间段提供电力。另外，在采用具有高转换效率的二极管整流器作为整流器的情况下，可以减小上述的开关损耗。这使得可以给电车14的附带系统提供电力，例如，空调器和照明，并且长时间持续给该附带系统供电，直到电车14通过独立操作到达例如最近的车站。

这里，在电车14行进到最近的车站的情况下，如果该电车14在馈电控制装置15附近，则由于低的馈电电路电阻，几乎不发生馈电电压下降，从而电车14的移动被认为是相对容易的。然而，如果电车14远离馈电控制装置15，由于高的馈电电路电阻，馈电电压下降被认为是大的。

因此，在本实施例的电车电力馈送系统10中，采用以分布式方式布置的电力存储装置20。电力存储装置20通常根据电车的供电和再生而充电/放电，并因此不需要具有大的电力存储容量，因而可以采用具有小电力存储容量的电力存储元件。另外，具有小电力存储容量的电力存储装置20被以分布式方式安装，并且仅当馈电电压极大地下降时才放电，因此可以抑制馈电电压的减小。在这种情况下，当使用紧急电源时，放电阈值电压被设置为等于或者低于整流器的空载传送电压。

另外，在电车电力馈送系统10中，从馈电控制装置15侧提供主电力，因此使得可以操作电力存储设备20来作为对于馈线中的电压下降的对策。因此，在电车电力馈送系统10中，电力存储元件21电力存储容量可减小，并且可以通过当不执行充电/放电时选通阻断转换器5，抑制转换器5的开关损耗。

另外，由于当电力存储装置20的充电状态下降时充电阈值电压的减小，因此电车电力馈送系统10可以在电车14不执行动力运行时用紧急电源8产生的电力充电，并且因此可以恢复电力存储装置20的充电状态(SOC)。

此外，电车电力馈送系统10可以从馈电控制装置15侧提供电力以用于小负载容量诸如电车14的附带负载，而当馈线电压(车电压(trolley voltage))由于大的供电负荷而减小时，从电力存储装置20侧提供电力。这便于保持馈线电压，并因此使得可以减小电力存储元件的电力存储容量，以及减小独立操作中的电力存储装置的开关损耗，导致用于电力馈送的设施的简化。如已经描述的，根据本实施例的电车电力馈送系统10，通过使用相对简单的设施，即使在诸如电力故障的紧急情况中，也可以给馈线侧提供必要的电力。

＜第二实施例＞

接着，将基于图5描述第二实施例。注意，与图1所示的第一实施例中相同的组件在图5中以相同参考符号表示，并且将省略其重复的描述。

如图5所示，本实施例中的电车电力馈送系统50包括馈电控制装置55，取代包括在根据第一实施例的电车电力馈送系统10中的馈电控制装置15。馈电控制装置55包括变压器57，取代包括在馈电控制装置15中的变压器7。电车电力馈送系统50使用变压器57共同实现交流电源9的电压变换和紧急电源8的电压变换，以减少设施。变压器57变换交流电源9的交流电力(第一电力系统的交流电力)或者紧急电源8的电力(第二电力系统的电力)，以便为整流器16输出变换后的电力。

更具体地，变压器57包括具有根据交流电源9的变换系数的抽头和具有根据紧急电源8的变换系数的抽头。变压器57在独立操作时采用后一个抽头，以便如图5所示将紧急电源8的电力输出到整流器16侧。因此，根据电车电力馈送系统50，对变压器57的公共使用使得能够减少设施和成本。另外，电车电力馈送系统50可以执行在第一实施例中的电车电力馈送系统10不能执行的紧急电源8的电压变换，因此加宽了可采用的紧急电源8的选择。

＜第三实施例＞

接着，将基于图6描述第三实施例。注意，与图1所示的第一实施例中相同的组件在图6中以相同参考号表示，并且将省略其重复的描述。

根据该实施例的电车电力馈送系统70包括馈电控制装置75，取代包括在根据第一实施例的电车电力馈送系统10中的馈电控制装置15。馈电控制装置75包括紧急电源78，取代包括在馈电控制装置15中的紧急电源8。如同第一实施例的情况那样，当交流电源9发生故障时，通过馈电控制装置75中的直流电路断路器23使变压器7和整流器16开路。

紧急电源78连接到馈线2，它们之间没有介于其间的变压器，并且紧急电源78是例如由对应于DC 1500V的数目的串联电池组成的电力存储元件。因此，紧急电源78的电池容量必然是大的。可以使由包括该电力存储元件的紧急电源78取代第一实施例中的紧急电源8操作。

更具体地，当交流电源9发生故障时，紧急电源78可以给馈线2提供主馈送电力，而电力存储容量比紧急电源78小的电力存储装置20对馈线电压(车电压)的下降执行补偿。这使得可以减少包括馈电控制装置75的电车电力馈送系统70的设施。注意，为了防止在交流系统发生故障之后立即开始放电的情况，当交流电源9发生故障时，具有电力存储元件的紧急电源78可以从馈线2一次解列(一度解列)。

虽然已经描述了某些特定实施例，但这些实施例仅作为例子给出，并且不意图限制本发明的范围。实际上，此处描述的新颖的实施例可以以多种其它形式实施；此外，可以对此处描述的实施例的形式做出各种省略、代替和改变而不脱离本发明的精神。所附权利要求和它们的等同物旨在覆盖落在本发明的范围和精神内的这些形式或修改。

Claims (12)

1.一种电车电力馈送系统，包括：

馈电控制装置，包括：

变压器，连接到交流电源，

紧急电源，具有交流发电机，所述紧急电源在所述交流电源故障时被启动以为馈线提供通过使交流发电机旋转而产生的交流电力，以及

整流器，配置为将来自变压器和紧急电源的交流电力转换为直流电力，以向所述馈线提供所述直流电力；和

电力存储装置，连接到所述馈线，并与所述馈电控制装置间隔开一定距离，所述电力存储装置包括：

电力存储元件，配置为存储来自所述馈线的电力以及向所述馈线提供所存储的电力，

电力转换单元，配置为在所述电力存储元件和所述馈线之间转换电力，

直流电路断路器，连接所述电力转换单元和所述馈线，

馈线电压检测单元，配置为检测所述馈线的电压，

充电状态检测单元，配置为检测所述电力存储元件的充电状态，

充电/放电管理表，存储所述馈线的电压和所述电力存储元件的充电状态之间的对应关系，

电流控制单元，配置为控制电力转换单元和所述直流电路断路器，以基于所述馈线电压检测单元检测到的电压、所述充电状态检测单元检测到的充电状态、和所述充电/放电管理表中存储的对应关系，来改变所述电力存储元件的充电阈值电压和放电阈值电压。

2.根据权利要求1所述的电车电力馈送系统，

其中所述电力存储装置根据所述馈线的电压的上升和下降分别执行充电和放电。

3.根据权利要求2所述的电车电力馈送系统，

其中当所述馈线的电压等于或者小于根据所述电力存储装置的充电状态改变的放电阈值时，所述电力存储装置执行放电。

4.根据权利要求2所述的电车电力馈送系统，

其中当所述馈线的电压等于或者大于根据所述电力存储装置的充电状态改变的充电阈值时，所述电力存储装置执行充电。

5.根据权利要求2所述的电车电力馈送系统，

其中当所述馈线的电压大于放电阈值并且小于充电阈值时，所述电力存储装置停止充电/放电，或者，当所述馈线的电压大于所述放电阈值并且小于所述充电阈值的状态持续了预定的时间段时，所述电力存储装置停止充电/放电。

6.根据权利要求1所述的电车电力馈送系统，

其中当流过所述馈线的电流或者所述电力大于与所述电流或者所述电力对应的放电阈值，并且小于充电阈值时，所述电力存储装置停止充电/放电，或者，当流过所述馈线的电流或者所述电力大于与所述电流或者所述电力对应的放电阈值并且小于所述充电阈值持续了预定的时间段时，所述电力存储装置停止充电/放电。

7.根据权利要求1所述的电车电力馈送系统，

其中所述电力转换单元是升压/降压斩波电路，和

其中所述电力存储元件是蓄能元件。

8.根据权利要求7所述的电车电力馈送系统，

其中对于所述升压/降压斩波电路应用SiC功率装置。

9.根据权利要求1所述的电车电力馈送系统，

其中所述变压器和所述紧急电源连接到所述整流器。

10.根据权利要求1所述的电车电力馈送系统，

其中，所述变压器包括第一抽头和第二抽头，所述交流电源连接到所述第一抽头，所述紧急电源连接到所述第二抽头。

11.根据权利要求1所述的电车电力馈送系统，

其中所述紧急电源包括电力存储元件。

12.根据权利要求11所述的电车电力馈送系统，

其中，当所述交流电源发生故障时，包括所述电力存储元件的紧急电源从所述馈线解列一次。