JP2006034041A

JP2006034041A - き電系統電力貯蔵システムの制御装置

Info

Publication number: JP2006034041A
Application number: JP2004211616A
Authority: JP
Inventors: Geiho Chin; 芸峰陳
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】電力貯蔵装置の電力貯蔵状態を制御しながら、き電系統電圧の補償機能を損なわずに、稼働率のよいき電系統電力貯蔵システムの制御装置を提供する。
【解決手段】き電系統電力貯蔵システムの制御装置において、き電線電圧値に基づき、電力貯蔵装置への充電特性を重視した充放電電力値を求める第１の手段と、き電線電圧値に基づき、電力貯蔵装置からの放電特性を重視した充放電電力値を求める第２の手段と、電力貯蔵装置の電力貯蔵状態に基づき、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第３の手段と、第１〜第３の手段より求められた各充放電電力値を統合し、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第４の手段とを設け、第４の手段で求められた電力貯蔵装置の充放電電力値を半導体電力変換器の電力制御指令値とすることによって、電力貯蔵装置システムの電力授受を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気鉄道き電システムに係り、特に電力貯蔵装置を利用してき電線電圧の補償する機能を有する電力貯蔵システムの制御装置に関するするものである。

電気鉄道用き電システムは、図２の概略構成に示すように、数十キロメートルごとに設けられた変電所８，９から変成された電力を、き電線１０およびトロリー線１１を通して、負荷となる電車１２に給電する給電システムである。
昨今の交通量の増加と電気回生車の出現により、変電所の中間点やき電回路の末端部において、電車回生時の給電電圧上昇と力行時の給電電圧降下が激しくなり、回生失効および給電電圧不足現象の出現率が増加する傾向にある。給電品質を強化するために、従来の変電所間に新たな変電所の増設が望まれるが、莫大な建設費を要する。

このため、給電能力の弱いところに、二次電池や大容量キャパシタ、電気二重層キャパシターなどを代表する充放電能力を有する電力貯蔵装置を設け、き電線電圧が上昇時、き電線から電力を電力貯蔵装置に充電し、き電線電圧不足時、電力貯蔵装置から貯蔵した電力をき電線へ放電して、き電線電圧の上下を一部補償するとともに、き電系統の供給電力を平準化する役割も果たすき電系統電力貯蔵システムが考案されている。

き電系統電力貯蔵システムの基本構成を図３に示す。図３において、１０は電力を供給するき電線、１３は電力貯蔵装置、１４は半導体電力変換器である。この電力貯蔵システムの基本的な運用形態については、通過電車が回生状態にある場合、半導体電力変換器１４を通して電力貯蔵装置１３を充電し、通過電車が力行状態にある場合は電力貯蔵装置１３から半導体電力変換器１４を通して放電させる。回生か力行かはき電線電圧値の大きさで判断できるので、従来では、図４に示すような特性に従って、充放電動作を制御している（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、回生時き電線電圧が上昇し、充電開始電圧値より高くなった場合、電力変換器を充電制御で動作させ、き電線にある余剰電力を電力貯蔵装置に貯めると共に、き電線電圧の上昇を抑制する。回生電力が大きいほど電圧上昇も大きいので、き電線電圧の大きさに比例して充電電力（電流）が大きく設定されている。一方、力行時き電線電圧が低下し、放電開始電圧より低くなった場合、電力変換器を放電制御で動作させ、電力貯蔵装置に貯めておいた電力をき電線に放電し、き電線電圧の不足を緩和する。回生時と同じ理由で、き電線電圧が低いほど、放電電力（電流）も大きく設定されている。

しかし、現実の電力貯蔵装置は無制限に充放電することが不可能である。すなわち、電力貯蔵装置が満充電になった場合、それ以上に充電できなくなり、また、電力貯蔵量が枯渇した場合、放電するためのエネルギーがないため、放電不能となることになる。き電系システムの場合、回生力行の出現頻度また力行回生電力量も各時間帯において均等ではないのが普通である。ある時間帯において、電力貯蔵装置の電力貯蔵状態が偏り、一時期放電または充電の機能を使用不能になり、システムの稼働率を低下させる原因になる。この事態を防ぐために、従来では、電力貯蔵装置の設置に必要以上に大きい貯蔵容量のものを用意している。このため、電力貯蔵装置が大型で高価な設備となり、システム全体の設備効率を低下させている。

特開昭５５−１３３７７７（第４頁、第４図）

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題点に対して、き電線電圧が正常範囲から離脱した場合、き電線電圧を補償し、き電線電圧が正常範囲にある場合、電力貯蔵装置の電力貯蔵状態を制御することによって、電力貯蔵システムを常に正常運用可能な状態に維持できる制御装置を提供することにある。

つまり、その目的を達成するために、き電系統電力貯蔵システムに対し、き電系統のき電線電圧を検出する手段と、き電線電圧検出手段より求められたき電線電圧値に基づき、電力貯蔵装置への充電特性を重視した充放電電力値を求める第１の手段と、き電線電圧値に基づき、電力貯蔵装置からの放電特性を重視した充放電電力値を求める第２の手段と、電力貯蔵装置の電力貯蔵状態を検知する手段と、電力貯蔵装置の電力貯蔵状態に基づき、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第３の手段と、第１〜第３の手段より求められた各充放電電力値を統合し、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第４の手段とを設け、第４の手段で求められた電力貯蔵装置の充放電電力値を半導体電力変換器の電力制御指令値とすることによって、電力貯蔵装置システムの電力授受を制御する。

本発明の請求項によれば、電気鉄道用電力貯蔵システムの電力貯蔵状態を常に正常運用できる状態に制御できるため、システムを高い稼働率で運用することが可能となり、従来では問題となっている回生失効、電圧不足等の問題を大幅に解消することができる。また、電力貯蔵状態の制御により、システム運用に必要とする電力貯蔵装置の電力貯蔵容量を大幅に縮小することができ、システムの構築コストを下げ、設備効率を向上することが可能となる。

図１は本発明のき電系統電力貯蔵システム制御装置の構成を示す図である。同図において、１はき電線電圧に基づき、充電特性を重視した充放電電力値を求める第１の手段であり、２はき電線電圧に基づき、放電特性を重視した充放電電力値を求める第２の手段であり、３は電力貯蔵装置の電力貯蔵状態に基づき、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第３の手段であり、４は前記第１から３までの手段より求められた各充放電電力値を統合し、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第４の手段であり、５はき電線電圧の検出手段であり、６は電力貯蔵装置の電力貯蔵状態の検知手段であり、７は半導体電力変換器の電力制御器である。本発明では、第４の手段より得た電力貯蔵装置の充放電電力値を５の変換器電力制御器の電力指令値としている。電力制御器の制御動作より、電力貯蔵装置の充放電電力を前記電力指令値と一致させることにより、所望の制御効果を達成させている。

以下、本発明の実施例である図1に示したき電系統電力貯蔵システム制御装置の原理を詳述する。
前述のように、本発明のき電系統電力貯蔵システムは主に以下の３つの機能を満たすことを目的としている。
1. 電車回生などでき電線電圧が上昇し、規定値以上になった時、変換器より電力貯蔵装置を充電させ、き電系統にある余剰電力を吸収することによって、き電線電圧の上昇を抑制する。
2. 電車力行などでき電線電圧が低下し、規定値以下になった時、変換器より電力貯蔵装置を放電させ、電力をき電系統に注入ことによって、き電線の電圧不足を緩和する。
3. 電力貯蔵装置の貯蔵状態を監視し、貯蔵状態が適正状態から離脱した場合、変換器より電力貯蔵装置を充放電し、その貯蔵状態を適正状態に整える。
これらの機能を実現するために、本発明は第１〜第4までの手段を用意して、電力貯蔵装置の充放電電力値を求め、これを半導体電力変換器の制御器の指令値とすることによって、き電系統電力貯蔵システムを円滑に運用できるようにしたものである。
以下、各手段の詳細を、図５を用いて詳述する。図５において、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）図はそれぞれ本発明請求項の第１〜第４の手段の特性を示す図である。
特に拘らない限り、以下の説明では充放電電力値が、「正」の場合、電力貯蔵装置への充電、「負」の場合、電力貯蔵装置からの放電を意味して進める。

第５図の（ａ）図は本発明の第１の手段の特性を示す図である。横軸はき電線電圧で、縦軸は第１の手段より求める充放電電力である。充放電特性は、き電線電圧が規定の充電開始電圧以上にあるとき、充電特性となり、充電開始電圧以下にあるとき、放電特性となるように設定されている。

第１の手段では、この充電開始電圧以上の充電電力特性を特に重視しており、き電系統と通過車両となるき電システムの特性と電力貯蔵システム自身の容量能力から決められる。この特性に従って充電電力を制御すれば、き電線電圧上昇の原因となる電車回生などで発生した余剰電力を電力貯蔵装置に貯蔵することによって、き電線電圧の上昇は抑制される。
なお、第１の手段において、充電開始電圧以下の放電特性は、電力貯蔵装置からの充放電要求と上記き電系統電圧上昇抑制特性とを円滑に融合できるように設けたものである。これは従来にない本発明の独特な特徴である。

第５図の（ｂ）図は本発明の第２の手段の特性を示す図である。充放電特性は、き電線電圧が規定の放電開始電圧以下にあるとき、放電特性となり、放電開始電圧以上にあるとき、充電特性となるように設定されている。

第２の手段では、この放電開始電圧以下の放電電力特性を特に重視しており、き電システムの特性と電力貯蔵システム自身の容量能力から決められる。この特性に従って放電電力を制御すれば、き電線電圧低下の原因となる電車力行などによる電力不足は電力貯蔵装置から放電供給により緩和され、き電線電圧の低下は抑制される。
また、第２の手段において、放電開始電圧以上の充電特性は、電力貯蔵装置からの充放電要求と上記き電系統電圧低下抑制特性とを円滑に融合できるように設けたものである。これは従来にない本発明の独特な特徴である。

第５図の（ｃ）図は本発明の第３の手段の特性を示す図である。横軸は電力貯蔵装置の電力貯蔵状態を表せる量であり、たとえば、電気二重層コンデンサを代表する大容量キャパシタ電力貯蔵装置の場合キャパシタ電圧、二次電池の場合内部起電力（電圧）等である。また、縦軸は第３の手段より求める充放電電力である。
充放電特性は、電力貯蔵装置の貯蔵状態が適正状態にあるとき、ゼロ（充放電ともしない）、適正状態の上限以上の時放電特性、適正状態の下限以下の時充電特性となるように設定されており、充放電電力値は電力貯蔵装置の性質と容量より決められる。ここで、適正貯蔵状態は電力貯蔵装置が充放電する余裕がある状態を意味している。

容易に分かるように、本発明の第３の手段は、電力貯蔵装置が過充電になりそうなとき、放電要求し、貯蔵電力量が枯渇しそうなとき、充電要求して、貯蔵電力量を適正状態に向かって整える作用をしている。また、すでに適正貯蔵状態にあるとき、余分な充放電要求をせず、き電線電圧側の充放電要求もなければ、装置を休止させることができる。

第５図の（ｄ）図は本発明の第４の手段の特性を示す図である。横軸はき電線電圧で、縦軸は第４の手段より求める充放電電力である。
（ｄ）図の太線に示される充放電特性は、第１〜第３の手段を統合したものとなっており、基本的に、き電線電圧が充電開始電圧以上または放電開始電圧以下の場合、き電システムから要求の充放電特性を優先し、き電線電圧が通常範囲内にある場合、電力貯蔵装置の貯蔵状態から要求の充放電特性を通すようにしている。しかも、これらの連結は円滑に行われている。

（ｄ）図にき電線電圧が通常範囲付近にある充放電特性は第３の手段より求められた電力貯蔵装置の電力貯蔵状態から要求の充放電電力値であり、貯蔵状態より破線で示される範囲内のどれか１つの値となる。すなわち、全体の充放電特性は電力貯蔵状態で変化することが分かる。しかし、このような変化があっても、き電系統電力貯蔵装置のき電線電圧補償特性に影響しないことが（ｄ）図より明らかになる。
つまり、本発明請求項の第４の手段の作用はき電線電圧補償機能と電力貯蔵装置の貯蔵状態の調整機能を有機に融合し、両立させることにある。
第４の手段の一実施例は図6のフローチャート図より示される。

以上は本発明請求項に請求した内容である。なお、以上で充放電電力特性を用いて説明したが、充放電電流特性に置換えても成立するのが明らかである。

以上詳述したように、本発明のき電系統電力貯蔵システムの制御装置を利用すれば、き電線電圧補償と電力貯蔵装置の貯蔵管理の両立が図れる、システムの稼働率を向上させることができるとともに、必要とする貯蔵装置の容量を小さくできる。システムの構築コストを下げることができるので、電気鉄道用き電システムの電力貯蔵システム、例えばバッテリポスト、キャパシタポスト、フライホイールポストシステム等に適用できる。また、電車車上用電力貯蔵システムにも適用可能である。

本発明の構成を示すブロック図である。従来の技術を説明するための電気鉄道用き電システムの構成図である。き電系統電力貯蔵システムの構成を示す図従来のき電系統電力貯蔵システムの充放電特性を示す図本発明請求項の第１〜第４の手段の原理を説明するための図本発明請求項の第4の手段の一実施例を示すフローチャート図

符号の説明

１本発明の第１の手段
２本発明の第２の手段
３本発明の第３の手段
４本発明の第４の手段
５本発明のき電線電圧検出手段
６本発明の電力貯蔵装置の電力貯蔵状態を検知する手段
７半導体電力変換器の電力制御器
８交流電力系統
９整流装置
１０き電線
１１トロリー線
１２電車
１３電力貯蔵装置
１４半導体電力変換器

Claims

電気鉄道のき電系統と、電力エネルギーを貯蔵及び供給する能力を有する電力貯蔵装置とを、充放電電力制御機能を有する半導体電力変換器を介し構成されるき電系統電力貯蔵システムの制御装置において、
前記き電系統のき電線電圧を検出する手段と、前記き電線電圧検出手段より求められたき電線電圧値に基づき、電力貯蔵装置への充電特性を重視した充放電電力値を求める第１の手段と、前記き電線電圧値に基づき、電力貯蔵装置からの放電特性を重視した充放電電力値を求める第２の手段と、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵状態を検知する手段と、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵状態に基づき、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第３の手段と、前記第１〜第３の手段より求められた各充放電電力値を統合し、電力貯蔵装置の充放電電力値を求める第４の手段とを設け、前記第４の手段で求められた電力貯蔵装置の充放電電力値を前記半導体電力変換器の電力制御指令値としたことを特徴とするき電系統電力貯蔵システムの制御装置。