JP2001260719A - 電鉄用直流き電システム - Google Patents

電鉄用直流き電システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギー蓄積装置として、電気車からの回
生電力を単に電池に蓄積して回生するのみでは、装置の
利用効率及び設備効率が劣る。 【解決手段】 昇降圧チョッパ１２は、き電線電圧が充
電制御設定電圧以上にあるときにき電線から直流電力貯
蔵装置１１への充電電流を制御し、き電線電圧が放電制
御設定電圧以下にあるときに直流電力貯蔵装置からき電
線への放電電流を制御するのに、直流電力貯蔵装置の電
圧のうち、き電線への充放電に寄与しない電圧分を低く
して所期の充放電電圧を得る高い昇降圧比にする。スト
ッパースイッチ１３は直流電力貯蔵装置から昇降圧チョ
ッパを通してき電線側への自然放電を阻止する。フィル
タコンデンサ１４とリアクトル１５は昇降圧チョッパか
らき電線側に流れる高調波を抑止する。電流検出器２０
は昇降圧チョッパの充放電電流を制御するための電流検
出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電鉄用直流き電シ
ステムに係り、特に電気車からの回生電力を蓄積するエ
ネルギー蓄積装置を設けたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】電鉄用直流き電システムは、図２に概略
構成を示すように、変電所１で交流電源から整流器２
（順変換器）を通して得る直流電力を、き電線３および
トロリー線４を通して負荷となる直流電気車５に給電で
きるようにする。
【０００３】最近の直流電気車は、その減速時のエネル
ギーをき電線側に回生することで省エネを図る電力回生
方式が多く採用されている。この回生電力は、き電線や
トロリー線から他の電気車への供給電力として消費する
か、変電所の回生変電設備から交流電力として回生する
ことができる。
【０００４】回生電力を変電所の交流電源側へ回生する
場合、変電所から交流電源への逆潮流の問題や回生変電
設備のコストの問題がある。この問題を解消する方式と
して、直流側に設ける抵抗器で熱として消費するものも
ある。
【０００５】上記の回生電力を抵抗器で消費する方式で
は電気車が回生機能をもつにもかかわらず、電力回生効
率を高めることができなくなる。この課題を解消する方
式として、回生電力を直流側に設けた直流電力貯蔵装置
に貯蔵しておき、この貯蔵電力を電気車の力行に際して
の給電電力の一部として放電する方式がある（例えば、
特開平１１−９１４１５号公報）。
【０００６】この方式は、図３に示す構成にされる。整
流器６からき電線に直流電力を供給するにおいて、整流
器６の直流側に電流制御回路（昇降圧チョッパ）７と直
流電力貯蔵装置（二次電池、キャパシタ、電気二重層キ
ャパシタ）８からなるエネルギー蓄積装置を設備し、電
気車が回生状態にある場合は電流制御回路７を通して直
流電力貯蔵装置８を充電し、電気車が力行状態にある場
合は直流電力貯蔵装置８から電流制御回路７を通して放
電させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の電力貯蔵装置
は、回生電力の有無によって単に直流電力貯蔵装置を充
電／放電させる制御方式になるため、その利用効率およ
び設備効率が悪くなる問題がある。
【０００８】例えば、直流電力貯蔵装置としての電池
は、き電系統電圧が充電制御設定電圧１６００Ｖ以上で
充電を行い、放電制御設定電圧１４００Ｖ以下で放電を
行う構成とし、き電系統の最低電圧が１２００Ｖ、最大
電圧が１８００Ｖとすると、き電系統電圧が１８００〜
１６００Ｖでは充電を行い、１４００〜１２００Ｖでは
放電を行う。
【０００９】この場合、電池は、その０〜１２００Ｖに
相当する電圧分は充放電に寄与することなく、単にバイ
アス電圧として維持するためのものになる。仮に、電池
の定格電圧を１６００Ｖとすると、その電圧利用率は、
【００１０】
【数１】（１６００−１２００）／１６００＝０.２５ となり、装置の定格電圧からみて２５％の電圧分しか充
放電に寄与せず、残りの電圧分は単に定格電圧を確保す
るためであり、この電圧確保のために多数の電池を多段
直並列接続で設ける構成になる。
【００１１】一方、電鉄用き電システムでは、電気車か
らの回生電力も大きく、電力貯蔵装置での充放電電流定
格も非常に大きくなる。
【００１２】これら事情から、電流制御回路および直流
電力貯蔵装置が大型で高価な設備になり、しかもその利
用率が低いことから、設備効率を低下させてしまう。
【００１３】本発明の目的は、エネルギー蓄積装置の利
用効率および設備効率を高めた電鉄用直流き電システム
を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、直流電力貯蔵
装置の電圧を低くし、昇降圧チョッパの昇降圧比を高く
することにより、装置の利用効率及び設備効率を高め、
さらには直流電力貯蔵装置の充放電制御にはき電線電圧
および充放電電流を基にした制御を行うことにより、装
置の保護等も可能にするもので、以下の構成を特徴とす
る。
【００１５】交流電源から整流器または順変換器を介し
てき電線に直流電力を供給し、該整流器または順変換器
の直流側に設けたエネルギー蓄積装置により、電気車か
らの回生電力を直流電力貯蔵装置の充電電力として回生
する電鉄用直流き電システムにおいて、前記エネルギー
蓄積装置は、き電線電圧が充電制御設定電圧以上にある
ときにき電線から前記直流電力貯蔵装置への充電電流を
制御し、き電線電圧が放電制御設定電圧以下にあるとき
に前記直流電力貯蔵装置からき電線への放電電流を制御
する昇降圧チョッパを備え、前記昇降圧チョッパは、前
記直流電力貯蔵装置の電圧のうち、き電線の充放電に寄
与しない電圧分を低くして所期の充放電電圧を得る高い
昇降圧比にしたことを特徴とする。
【００１６】また、前記エネルギー蓄積装置は、前記昇
降圧チョッパとき電線との間に、前記直流電力貯蔵装置
から昇降圧チョッパを通してき電線側への自然放電を阻
止するストッパースイッチを設けたことを特徴とする。
【００１７】また、前記エネルギー蓄積装置は、前記昇
降圧チョッパからき電線側に流れる高調波を抑止するフ
ィルタを設けたことを特徴とする。
【００１８】また、前記エネルギー蓄積装置は、前記昇
降圧チョッパの充放電電流を制御する電流制御手段を備
えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
エネルギー蓄積装置の主回路構成図であり、変電所では
従来システムと同様に、交流電源から整流器（または順
変換器）１０によって定格電圧になる直流電力に変換し
てき電線側に供給する。
【００２０】電力貯蔵装置１１は、二次電池、キャパシ
タまたは電気二重層キャパシタにされ、その充放電装置
として昇降圧チョッパ１２が接続される。
【００２１】昇降圧チョッパ１２の主回路構成は、ＩＧ
ＢＴで示す半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ２を直列接続
し、これらスイッチＳＷ１，ＳＷ２にそれぞれ逆並列に
フライホイールダイオードＤ１，Ｄ２を設けて上下アー
ムを構成し、上下アームの接続点から直流リアクトルＬ
を介して電池１１との間を接続する。
【００２２】昇降圧チョッパ１２による直流電力貯蔵装
置１１の降圧充電は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の両端に
印加される直流電圧に対して、スイッチＳＷ１をチョッ
パ動作させ、そのオン期間にはスイッチＳＷ１からリア
クトルＬを通して直流電力貯蔵装置１１に充電電流を供
給し、そのオフ期間にはリアクトルＬの電流エネルギー
を直流電力貯蔵装置１１→ダイオードＤ２の経路で直流
電力貯蔵装置１１に充電電流を供給する。
【００２３】昇降圧チョッパ１２を通した直流電力貯蔵
装置１１からの昇圧放電は、スイッチＳＷ２をチョッパ
動作させ、そのオン期間には直流電力貯蔵装置１１から
リアクトルＬに短絡電流を流すことでリアクトルＬに電
流エネルギーを蓄積し、そのオフ期間にリアクトルＬか
らダイオードＤ１を通してき電線側に放電する。
【００２４】昇降圧チョッパ１２の高圧側には、ストッ
パスイッチ１３を設ける。このストッパスイッチ１３
は、き電線側からチョッパ１２への流入電流にはダイオ
ードＤ３で常に導通可能にし、チョッパ１２からき電線
側への電流にはＧＴＯで示す半導体スイッチＳＷ３でオ
ン・オフ制御可能にする。
【００２５】このストッパスイッチ１３は、き電線側の
電圧が直流電力貯蔵装置１１の電圧よりも低くなった場
合にき電線側に自然放電されるのを防止し、チョッパ１
３のチョッパ動作によって直流電力貯蔵装置１１からき
電線側に昇圧放電する場合のみその電流路を形成するた
めのものである。
【００２６】ストッパスイッチ１３とき電線側の間に
は、並列接続のコンデンサ１４と直列接続のリアクトル
１５を設ける。これらコンデンサ１４とリアクトル１５
は、直流電力貯蔵装置１１から昇降圧チョッパ１２を通
した充放電電流に含まれる高調波（チョッパ動作による
高調波）を抑制するためのものである。この高調波抑制
は、沿線の通信障害や鉄道信号機器への障害および車内
ラジオ等への障害を防止する。
【００２７】リアクトル１５とき電線との間には直流高
速しゃ断器１６を設け、さらにはしゃ断器１７を設け、
レール側には断路器１８を設ける。しゃ断器１６は、き
電線系統の事故発生時に系統からエネルギー蓄積装置を
高速に解列し、しゃ断器１７と断路器１８はシステムの
運転停止時などに系統からエネルギー蓄積装置を解列す
るためのものである。
【００２８】電圧検出器１９はき電線電圧を検出し、電
流検出器としての変流器２０は直流電力貯蔵装置１１の
充放電電流を検出するためのものである。これら検出器
による検出電圧および電流は、図示省略するエネルギー
蓄積制御装置に検出信号として取り込み、該制御装置は
昇降圧チョッパ１２のチョッパ制御と、ストッパスイッ
チ１３のオン・オフ制御を行う。
【００２９】以上のように構成したエネルギー蓄積装置
において、その利用効率および設備効率を高めるため、
チョッパ１２の昇降圧比を高くし、直流電力貯蔵装置１
１は定格電圧を低くする。
【００３０】この構成において、例えば、前記と同様
に、エネルギー蓄積装置を、き電系統電圧が１６００Ｖ
以上で充電動作させ、１４００Ｖ以下で放電動作させる
場合、昇降圧チョッパ１２の最大昇圧比を２.５とする
と、直流電力貯蔵装置１１は５６０〜１４００Ｖの電圧
範囲にあれば、チョッパ１２により１４００Ｖまで昇圧
してき電系統へ放電することができる。
【００３１】この場合、直流電力貯蔵装置１１の電圧の
うち、充放電に利用されない電圧（バイアス）分は０〜
５６０Ｖになり、その利用率は、
【００３２】
【数２】（１４００−５６０）／１４００＝０.６ となり、直流電力貯蔵装置電圧の６０％が充放電電圧に
寄与することになり、利用効率を高めることができる。
また、必要とする直流電力貯蔵装置電圧が低くなるた
め、そのコストダウンおよび小型化を図ることができ、
設備効率を高めることができる。
【００３３】次に、エネルギー蓄積装置の充放電制御
は、き電系統電圧が直流電力貯蔵装置を充電する電圧範
囲または直流電力貯蔵装置から放電する電圧範囲にある
か否かで切り替え、この切り替えは電圧検出器１９の検
出信号から判定することができる。このような充放電制
御は、直流電力貯蔵装置１１に二次電池を使用する場合
はその電圧がほぼ一定のため、なんら問題はない。
【００３４】しかし、直流電力貯蔵装置１１としてキャ
パシタや電気二重層キャパシタを使用する場合、そのと
きの電圧によって充放電電流が大きく変化する。この大
きな電流変化は、チョッパ１２やストッパスイッチ１３
等に使用する半導体スイッチやダイオードに電流破壊や
過熱を起こす恐れがあるし、電流性能が高い高価な素子
を必要とする。また、高速遮断器１６等が誤動作する恐
れがある。
【００３５】例えば、直流電力貯蔵装置電圧が１０００
Ｖ、き電線電圧が１４００Ｖで直流電力貯蔵装置から放
電し、このときのき電系統の負荷電流が２０００Ａとな
る場合、エネルギー蓄積装置からの放電電流は、
【００３６】
【数３】 ２０００×（１４００／１０００）＝２８００Ａ となる。この電流増加は、直流電力貯蔵装置１１の電圧
を低くするほど大きくなる。
【００３７】そこで、本実施形態では、エネルギー蓄積
装置の最大充放電電流を設定しておき、直流電力貯蔵装
置１１の充放電電流を電流検出器２０によって検出し、
この検出電流が最大充放電電流以下になるようチョッパ
１２の導通期間を制限する。
【００３８】次に、直流電力貯蔵装置１１として二次電
池とする場合、その充電は、低電流化したほうが電池寿
命等の点で優れる。そこで、本実施形態では、き電線電
圧を基にした直流電力貯蔵装置の充電制御に加えて、電
流検出器１２による検出電流を基にして充電電流を制限
する。
【００３９】これら電流制御機能を設けることは、閑散
線区のき電システムでのピークカット対策としても有効
となる。すなわち、閑散線区では、電気車がたまにしか
運転されないことから、閑散時間帯に電池を低電流充電
しておき、電気車が運転される時間帯に大電流放電する
ことにより、変電所の交流電源からみて負荷の平準化が
可能となる。
【００４０】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、エネル
ギー蓄積装置の直流電力貯蔵装置の電圧を低くし、昇降
圧チョッパの昇降圧比を高くするようにしたため、き電
線への充放電に寄与しない電圧分を低くすることがで
き、エネルギー蓄積装置の利用効率及び設備効率を高め
ることができる。
【００４１】また、直流電力貯蔵装置の充放電制御には
き電線電圧および充放電電流を基にした制御を行うこと
により、装置の保護等も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す主回路構成図。
【図２】電鉄用直流き電システムの概略構成図。
【図３】エネルギー蓄積装置の概略構成図。
【符号の説明】
１０…整流器 １１…直流電力貯蔵装置 １２…昇降圧チョッパ １３…ストッパースイッチ １４…フィルタコンデンサ １５…リアクトル １６…高速しゃ断器 １９…電圧検出器 ２０…変流器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中道 好信 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 長谷 伸一 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 上村 正 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内 (72)発明者 渡辺 秀夫 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内 Ｆターム(参考） 5G065 GA09 HA16 LA01 MA01 MA02

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 交流電源から整流器または順変換器を介
    してき電線に直流電力を供給し、該整流器または順変換
    器の直流側に設けたエネルギー蓄積装置により、電気車
    からの回生電力を直流電力貯蔵装置の充電電力として回
    生する電鉄用直流き電システムにおいて、 前記エネルギー蓄積装置は、き電線電圧が充電制御設定
    電圧以上にあるときにき電線から前記直流電力貯蔵装置
    への充電電流を制御し、き電線電圧が放電制御設定電圧
    以下にあるときに前記直流電力貯蔵装置からき電線への
    放電電流を制御する昇降圧チョッパを備え、 前記昇降圧チョッパは、前記直流電力貯蔵装置の電圧の
    うち、き電線の充放電に寄与しない電圧分を低くして所
    期の充放電電圧を得る高い昇降圧比にしたことを特徴と
    する電鉄用直流き電システム。
  2. 【請求項２】 前記エネルギー蓄積装置は、前記昇降圧
    チョッパとき電線との間に、前記直流電力貯蔵装置から
    昇降圧チョッパを通してき電線側への自然放電を阻止す
    るストッパースイッチを設けたことを特徴とする請求項
    １に記載の電鉄用直流き電システム。
  3. 【請求項３】 前記エネルギー蓄積装置は、前記昇降圧
    チョッパからき電線側に流れる高調波を抑止するフィル
    タを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の
    電鉄用直流き電システム。
  4. 【請求項４】 前記エネルギー蓄積装置は、前記昇降圧
    チョッパの充放電電流を制御する電流制御手段を備えた
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の
    電鉄用直流き電システム。
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