JP2005205970A - 電圧補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セクションポスト両側のき電線末端電圧を両方とも所定電圧に維持するとともに、回生エネルギーを有効に利用できるようにする。
【解決手段】単相交流き電線３Ａには交流−直流変換器４２Ａ、単相交流き電線３Ｂには交流−直流変換器４２Ｂをそれぞれ接続してき電線末端での電圧変動を補償し、かつ変換器４２Ａと４２Ｂに共通の直流回路と電力貯蔵要素４４との間には直流−直流変換器４２Ｃを接続して、上記き電電圧補償にて生じる有効電力の変動分を補償することにより、掲記課題の解決を図る。
【選択図】図１

Description

この発明は、き電線末端電圧変動の補償、特に交流電気鉄道において、変電所（ＳＳ）からき電区分所（ＳＰ：セクションポスト）に至る単相回路で、き電区分所両側のき電線末端の電圧変動を補償するための電圧補償方法に関する。

図６は、例えば新幹線の従来の単相交流き電線システムを示す概要図である。同図において、１Ａ，１Ｂは３相交流電源、２Ａ，２Ｂは３相交流電源１Ａ，１Ｂから電力の供給を受けてそれぞれ２つの単相電力に変換するスコット巻線変圧器、３Ａ，３Ｂは単相電力が供給される単相交流き電線、６は単相交流き電線３Ａ，３Ｂ間に設置され、３相交流電源１Ａ，１Ｂからの電力の供給区間を区分するセクショポスト、５Ａ，５Ｂは単相交流き電線３Ａ，３Ｂから電力の供給を受けて走行する電車である。

上記の単相回路では、き電線３の末端で線路インピーダンスの抵抗分やリアクタンス分によって、電車５の力行による電圧降下または回生による電圧上昇が発生し、そのき電線３の末端で所望のき電電圧が得られなくなるという現象が生じる。さらに、走行中の電車から回生した電力にはノイズが含まれているので、３相交流電源１へ回生することは好ましくない。
そこで、き電線末端に無効電力補償装置を設置し、これにより無効電力を補償することで、き電線末端の電圧変動を抑制するものがある。しかし、最近はＰＷＭコンバータ車が増加して、列車の力率がほぼ１のものがあり、無効電力の補償による電圧変動を抑制するだけでは不十分であった。また、無効電力補償のみの方法では、力率が進んでしまうという問題もある。

上記のような問題を解決するために、例えば図７に示すように、セクションポストの両側のき電線にそれぞれ電力を供給する２つの電源の電力消費量を均等にすることにより、セクションポストの両側のき電線末端での電圧差を小さくして電圧変動を補償する方法が、例えば特許文献１で提案されている。
図７の電力演算ブロック１００の具体例を図８に示す。図８の参照符号２０Ａは一方の単相き電線３Ａの電圧値Ｖ_Aと、その単相き電線電圧基準値Ｖ_Arefとが入力されて両者の偏差を求める減算器、２１Ａは減算器２０Ａからの偏差が入力されてその偏差が小さくなるような無効電力補償分を演算する演算器である。また、２２はセクションポストの両側の単相交流き電線３Ａ，３Ｂの電圧Ｖ_A，Ｖ_Bが入力されてその偏差を求める減算器、２３は減算器２２からの電圧偏差が入力されてその偏差が小さくなるような有効電力補償分を演算する演算器である。

別の例として、図９に示すようなものも提案されている（特許文献２）。
これは、交流電気鉄道のき電線３Ａの末端で、連系変圧器４１を介して接続された連系コンバータ４２により、き電線３の末端での電圧変動を補償するものである。すなわち、連系コンバータ４２の直流側にバッテリ４４と直流コンデンサ４３とを並列接続し、バッテリ４４により有効電力の長周期変動分を補償し、直流コンデンサ４３により有効電力の短周期変動分を補償するものである。
特開２００１−０２８８８７号公報（第４−６頁、図１−４） 特開２０００−００６６９３号公報（第２−３頁、図１）

さて、上記特許文献１に示すものでは、セクションポストの両側の電源電力量消費量を均等にして、両側の電圧差を小さくしている。しかし、セクションポストの両側のき電線末端電圧が同時に電圧降下または電圧上昇すると、有効電力補償による電圧変動の抑制ができなくなる。また、一方の末端電圧が定格基準電圧であっても、隣接のセクションの末端電圧変動補償制御により、逆に電圧変動になってしまうという問題もある。

一方、上記特許文献２に示すものでは、接続されたセクションでの電車の運転状態による末端電圧の変動を、有効電力補償により抑制している。しかし、隣接のセクションでの電車の運転状態を考慮していないので、隣接のき電線末端の電圧変動を有効に利用できていない。そのため、連系コンバータに接続されたバッテリーを頻繁に充放電しなければならないという問題がある。
したがって、この発明の課題は、セクションポストの両側のき電線末端電圧を両方とも定格電圧に維持するとともに、回生エネルギーを有効に利用することにある。

このような課題を解決するために、請求項１の発明では、セクションポストで区分された２つの単相交流き電線末端にそれぞれ第１，第２の自励変換器を接続してき電線末端での電圧変動を補償し、前記２つの自励変換器の直流回路と電力貯蔵要素との間に第３の自励変換器を接続してき電電圧変動補償により生じる有効電力の変動分を補償することを特徴とする。この請求項１の発明においては、前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルより高いときは、前記第１，第２の自励変換器がともに有効電力を吸い込み、その吸い込んだ有効電力を前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素へ充電して、き電線末端での電圧変動を補償することができる（請求項２の発明）。

また、請求項１の発明においては、前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルより低いときは、前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素から直流回路へ放電し、前記第１，第２の自励変換器を介して前記セクションポスト両側へ有効電力を出力して、き電線末端での電圧変動を補償することができ（請求項３の発明）、または、前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、そのうちの一方の末端電圧が予め定めた或る電圧レベルより高く、他方の末端電圧が予め定めた或る電圧レベルより低いときは、電圧の高い方から電圧の低いほうへ有効電力を融通し、さらに過不足分を前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素の充放電により補足して、き電線末端での電圧変動を補償することすることができる（請求項４の発明）。

さらに、請求項１の発明においては、前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルになるときは、前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素の残量を予め設定する待機容量値まで小さな電流で充放電することができ（請求項５の発明）、または、前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルにように有効電力の入出力を行なって、残りの変換器容量で無効電力を補償することができる（請求項６の発明）。

この発明によれば、セクションポストの両側のき電線末端での電圧変動を補償し、き電線末端での電圧をそれぞれ予め定めた或る電圧レベルに維持することができる。セクションポストの両側の電圧変動抑制制御を独立に行ない、過不足分を電力貯蔵要素の充放電により補足することで、有効電力制御による電圧変動抑制制御は、隣接のセクションポストに影響を与えない。
請求項２の発明によれば、セクションポストの両側のき電電圧が予め定めた或る電圧レベルより高いとき、つまりＡ系統，Ｂ系統とも回生電車があるときは、電車から回生したエネルギーを電力貯蔵要素に貯蔵することにより、き電電圧の変動を同時に補償することができる。また、電車からのノイズを含むエネルギーを、電源系統に回生するという不都合を回避できる。

請求項３の発明によれば、セクションポストの両側のき電電圧が予め定めた或る電圧レベルより低いときは、電力貯蔵要素に貯蔵されたエネルギーを放出することにより、き電電圧の変動を同時に補償することができる。
請求項４の発明によれば、一方の変換器は有効電流を出力する必要があり、他方の変換器は有効電流を入力する必要がある場合、つまり、一方の系統には回生電車があり、他方の系統には力行電車があるときは、回生電車がある系統から力行電車がある系統へ回生したエネルギーを融通して、セクションポストの両側のき電電圧補償を同時に行なう。これにより、回生エネルギーを有効に利用でき、電車の運転性能が向上する。

請求項５の発明によれば、セクションポストの両側のき電電圧が予め定めた或る電圧レベルのとき、スロー充放電により電力貯蔵要素の残量を予め設定した待機容量値までもっていって、いつでも充電，放電ができるようにしておくことで、装置全体の利用率を向上できる。
請求項６の発明によれば、変換器の容量と有効電流とから決まる無効電流リミッタ値の範囲内に無効電力補償を行なうことで、有効電力によるき電電圧補償に加えて、変換器の容量を超えることなく無効電力補償の制御もできる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
同図において、１Ａ，１ＢはそれぞれＡ系統，Ｂ系統の３相交流電源であり、４４は電力貯蔵要素である。ここで、図１のＡ系統に関連する部分にはＡが、Ｂ系統に関連する部分にはＢが、また電力貯蔵要素に関連する部分にはＣがそれぞれ付されている。２Ａ，２Ｂは３相交流電源１Ａ，１Ｂから電力の供給を受けてそれぞれ２つの単相電力に変換するスコット巻線変圧器、３Ａ，３Ｂは単相電力が供給される単相交流き電線で、お互いに位相または周波数が異なっている。６は単相交流き電線３Ａ，３Ｂ間に設置され、３相交流電源１Ａ，１Ｂから電力の供給区間を区分するセクションポストであり、５Ａ，５Ｂは単相交流き電線３Ａ，３Ｂから電力の供給を受けて走行する車両である。

また、４はセクションポスト６の設置位置に設けられ、２つの単相交流き電線３Ａ，３Ｂ末端に接続された自励式変換装置である。４１Ａ，４１Ｂは単相交流き電線３Ａ，３Ｂに接続された変換器用変圧器で、４２Ａ，４２Ｂは半導体素子を用いて電力の交直変換を行なう自励式の変換器である。変換器４２Ａ，４２Ｂの交流側がそれぞれ変換器用変圧器４１Ａ，４１Ｂに接続され、直流側は互いに接続されるとともに、直流コンデンサ４３および直流電圧Ｅｄを検出する直流電圧検出器１４が接続されている。変換器４２Ａと４２Ｂの直流側に直−直変換する自励式の変換器４２Ｃを介して、電力貯蔵要素４４を接続する。変換器用変圧器４１Ａ，４１Ｂ、変換器４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ、直流コンデンサ４３、電力貯蔵要素４４および直流電圧検出器１４により自励式変換装置４を形成する。

１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃはそれぞれ変換器４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの半導体素子点弧信号となるパルスＰＬＳ_A，ＰＬＳ_B，ＰＬＳ_Cを演算して送出する制御パルス演算回路、１１Ａ，１１Ｂは変換器４２Ａ，４２Ｂの交流側の電流を検出する変換器電流検出器、１１Ｃは変換器４２Ｃの電力貯蔵要素側の電流を検出する変換器電流検出器、１０Ａ，１０Ｂは自励式変換装置４の設置位置において、セクションポスト６の両側での単相交流き電線３Ａ，３Ｂの末端電圧を検出するき電線電圧検出器、１０Ｃは変換器４２Ｃに接続された電力貯蔵要素の電圧を検出する電圧検出器、１５Ａ，１５Ｂはセクションポスト６の両側での単相交流き電線３Ａ，３Ｂに流れている電流を検出するき電線電流検出器である。

１００はき電線電圧検出器１０Ａ，１０Ｂと電力貯蔵要素電圧検出器１０Ｃの出力Ｖ_A，Ｖ_B，Ｅ_BATが入力されるき電線電圧補償演算部であり、制御パルス演算回路１３Ａへは変換器４２Ａの有効電流基準Ｉ_PAを出力するとともに、制御パルス演算回路１３Ｂへは変換器４２Ｂの有効電流基準Ｉ_PBおよび制御パルス演算回路１３Ｃへは変換器４２Ｃの電力貯蔵要素充放電電流基準Ｉ_PCをそれぞれ出力する。

図２は図１に示すき電線電圧補償演算部の詳細構成図である。
図２の２０ＡはＡ系統の単相交流き電線３Ａの電圧値Ｖ_Aとその単相交流き電線基準電圧Ｖ_Arefとが入力されて両者の偏差を算出する減算器、２１Ａは減算器２０ＡからＶ_A，Ｖ_Arefの偏差が入力されてその偏差が小さくなるように演算し、変換器４２Ａへ入出力すべき有効電流指令Ｉ_PA1を出力する制御関数Ｇ_P（Ｓ）である。
２０ＢはＢ系統の単相交流き電線３Ｂの電圧値Ｖ_Bとその単相交流き電線基準電圧Ｖ_Brefとが入力されて両者の偏差を算出する減算器、２１Ｂは減算器２０ＢからＶ_B，Ｖ_Brefの偏差が入力されてその偏差が小さくなるように演算し、変換器４２Ｂへの入出力すべき有効電流指令Ｉ_PB1を出力する制御関数Ｇ_P（Ｓ）である。

３３Ａ，３３Ｂは乗算器で、それぞれ２１Ａ，２１Ｂから出力された有効電流指令と系統電圧とを用いて変換器４２Ａ，４２Ｂの入出力有効電力量を演算し、その演算した結果を加算して変換器４２Ｃへの電力指令を生成する。３４は変換器４２Ｃへの電力指令と電力貯蔵要素の電圧を除算して、電力貯蔵要素４４への充放電電流Ｉ_CH0を算出する除算器である。３５は電力貯蔵要素の端電圧と残量を用いて、電力貯蔵要素４４への充放電電流の最大値を決める演算回路、３６は電力貯蔵要素への充放電電流Ｉ_CH0を、電力貯蔵要素４４への充放電電流の最大値に制限するリミッタ（制限器）である。５０は２１Ａ，２１Ｂおよびリミッタ３６の各出力Ｉ_PA1，Ｉ_PB1，Ｉ_CH1を入力されて、制御パルス演算回路１３Ａ〜１３Ｃへの指令値を演算する有効電流指令演算回路である。

図３に、有効電流指令演算回路の詳細構成を示す。
同図の符号５１は入力されたＩ_PA1，Ｉ_PB1，Ｉ_CH1の正負，大小関係で電流演算回路の選択ルールを作成する演算部である。すなわち、Ａ系統とＢ系統のき電電圧補償で、両方とも入出力有効電流が零でかつ電力貯蔵要素の残量が予め設定した待機容量前後ではないときはスロー充放電演算部５２を選択し、有効電流指令を出力する。Ａ系統とＢ系統のき電電圧補償で、両方とも有効電流を入力または出力する必要があるときは、電力貯蔵要素の充放電によりき電電圧を補償する演算部５３を選択し、き電電圧の補償電流指令を出力する。き電電圧補償で、一方の変換器は有効電流を出力する必要があり、他方の変換器は有効電流を入力する必要があるときは、電力融通によりき電電圧を補償する演算部５４または５５を選択し、有効電流の入力の方から有効電流の出力の方へ有効電力を融通し、さらに、過不足分は電力貯蔵要素の充放電によって、き電電圧補償電流指令を出力する。

図４は制御パルス演算回路１３Ａの具体例を示す構成図である。
同図において、変換器４２Ａの容量をＩ_Aとすると、有効電力補償後の残り変換器容量は√（Ｉ_A ²−Ｉ_PA ²）となる。残り変換器容量内で、無効電力補償を行なう。図４はき電線末端力率補償の１つの実施例であり、３７はき電線電流検出器１５Ａからの出力を入力して、き電線に流れている無効電流成分を演算する演算回路、２１Ａはそのき電線無効電流成分が零になるよう演算する無効電力制御関数Ｇ_Q（Ｓ）である。き電電圧補償演算部１００から入力された有効電流基準Ｉ_PAと２１Ａからの無効電流基準を、それぞれ変換器の容量と無効電流のリミッタをかけてパルス生成部３８へ入力し、変換器４２Ａのゲートパルスを生成する。

図５に図３の変形例を示す。
図３と比較すれば明らかなように、演算部５１１をセクションポスト両側のき電電圧Ｖ_A，Ｖ_Bの大小関係で、電流演算回路の選択ルールを作成するようにした点にある。したがって、Ａ系統とＢ系統のき電電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルで、かつ電力貯蔵要素の残量が予め設定した待機容量前後ではないときはスロー充放電演算部５２を選択し、有効電流指令を出力する。Ａ系統とＢ系統のき電電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルより高いかまたは低いときは、電力貯蔵要素の充放電によるき電電圧を補償する演算部５３を選択し、き電電圧の補償電流指令を出力する。セクションポスト両側で、一方の電圧が予め定めた或る電圧レベルより高く、他方の電圧が予め定めた或る電圧レベルより低いときは、電力融通によりき電電圧を補償する演算部５４または５５を選択し、電圧の高い方から電圧の低い方へ有効電力を融通し、さらに、過不足分は電力貯蔵要素の充放電によって、き電電圧補償電流指令を出力する。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１のき電電圧補償演算部を示す詳細構成図 図２の有効電流指令演算部を示す詳細構成図 制御パルス演算回路例を示す詳細構成図 図３の変形例を示す構成図 新幹線の単相交流き電線システムの従来例を示す概要図 電圧変動補償のための第１の従来例を示す構成図 図７の電力演算ブロックを示す詳細構成図 電圧変動補償のための第２の従来例を示す構成図

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…３相交流電源、２Ａ，２Ｂ…スコット巻線変圧器、３Ａ，３Ｂ…単相交流き電線、４…自励式変換装置、５Ａ，５Ｂ…電車、６…セクションポスト、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１４…電圧検出器、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１５Ａ，１５Ｂ…電流検出器、１３Ａ，１３Ｂ…制御パルス演算回路、２０Ａ，２０Ｂ…減算器、２１Ａ，２１Ｂ…制御関数、３３Ａ，３３Ｂ…乗算器、３４…除算器、３５，３７…演算回路、３６…リミッタ、３８…パルス生成部、４１Ａ，４１Ｂ…変換器用変圧器、４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ…変換器、４３…直流コンデンサ、４４…電力貯蔵要素、５０…有効電流指令演算回路、５１，５２，５３，５４，５５，５１１…演算部、１００…き電電圧補償演算回路。

Claims (6)

1. セクションポストで区分された２つの単相交流き電線末端にそれぞれ第１，第２の自励変換器を接続してき電線末端での電圧変動を補償し、前記２つの自励変換器の直流回路と電力貯蔵要素との間に第３の自励変換器を接続してき電電圧変動補償により生じる有効電力の変動分を補償することを特徴とする電圧補償方法。
2. 前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルより高いときは、前記第１，第２の自励変換器がともに有効電力を吸い込み、その吸い込んだ有効電力を前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素へ充電して、き電線末端での電圧変動を補償することを特徴とする請求項１に記載の電圧補償方法。
3. 前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルより低いときは、前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素から直流回路へ放電し、前記第１，第２の自励変換器を介して前記セクションポスト両側へ有効電力を出力して、き電線末端での電圧変動を補償することを特徴とする請求項１に記載の電圧補償方法。
4. 前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、そのうちの一方の末端電圧が予め定めた或る電圧レベルより高く、他方の末端電圧が予め定めた或る電圧レベルより低いときは、電圧の高い方から電圧の低いほうへ有効電力を融通し、さらに過不足分を前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素の充放電により補足して、き電線末端での電圧変動を補償することを特徴とする請求項１に記載の電圧補償方法。
5. 前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルになるときは、前記第３の自励変換器を介して前記電力貯蔵要素の残量を予め設定する待機容量値まで小さな電流で充放電することを特徴とする請求項１に記載の電圧補償方法。
6. 前記セクションポスト両側のき電線末端電圧を監視し、その末端電圧が両方とも予め定めた或る電圧レベルになるように有効電力の入出力を行なって、残りの変換器容量で無効電力を補償することを特徴とする請求項１に記載の電圧補償方法。
   
   

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