JP2007020370A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 運行条件や路線条件を考慮に入れ、しかも簡単な制御で有効な電圧補償効果が得られる電気車制御装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 走行対象路線における電気車の計画走行曲線に基づき電圧補償装置のキャパシタ６が所定の許容電圧範囲内で電圧補償動作の実行が可能となるよう走行対象路線位置Ｘに応じてキャパシタ６の電圧を規定した蓄電電圧パターンを予め設定しておき、キャパシタ６の電圧を検出する蓄電電圧検出器１０、および走行対象路線位置Ｘに応じて蓄電電圧検出器１０からの電圧検出値Ｖｃが蓄電電圧パターンからの電圧値Ｖｃｐに追随するよう電圧補償装置の１次電圧Ｖｐを制御する補償電圧制御装置を備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、き電回路に接続されて走行する電気車に搭載されるものであって、その供給されるき電電圧の変動を抑制することができる電気車制御装置に関するものである。

電気車に電力を供給する直流き電回路において、直流き電変電所は、通常、交流電力を整流器で直流に変換してき電線を介して電気車に供給する。変電所と電気車の距離が隔たるに連れてき電線抵抗が増えこの抵抗による電圧降下が大きくなり、電気車集電部での電圧は低下してこの値が大きい場合には電気車走行特性に影響するので電圧補償が求められる。
この対策として、通常、き電変電所の変圧器のタップを選択して出力電圧を高くすることや、き電線抵抗を低減するためにき電線を太くすること、更には、変電所間隔を短くすること等各種の対策が行なわれている。また、最近は、電気二重層キャパシタ等を蓄電部に利用したき電電圧補償装置が、電圧降下対策および電気車制動時の回生電力を吸収する回生失効対策として研究されている。

一方、電気車は、輸送力増強のために多くの車両が連結されるようになってきている。電気車編成が長大化することや在線する電気車数が増えることにより、き電線からの供給電力は増加し、き電線電圧降下が増えて対策が必要になってきている。また、電気車の回生制動時には電力を受け入れる負荷が必要となり、変電所が回生電力を交流に変換することのできる回生変電所ではない場合には、変電所では回生電力を吸収することができず、負荷となる力行運転中の他の電気車が在線していなければならない。もし、充分な回生負荷が得られないならば、回生制動車の電圧は上昇し回生失効する。このとき、電気車には摩擦ブレーキが作用するので、踏面ブレーキではブレーキシューの磨耗に対する調整作業が必要となり、また、車輪の磨耗が進み保守点検の負担が大きくなる。

以上の対策として、電気車上に蓄電装置を搭載し、電気車集電部であるパンタグラフと直流／交流の電力変換を行うインバータとの間にこの蓄電装置を接続して電圧変動の抑制を行う方式を、例えば、特許文献１に紹介している。
同文献１の図１１に示す方式では、パンタグラフとインバータとの間の給電線に並列に可逆コンバータを介して蓄電装置である電気二重層キャパシタを接続している。この方式は、可逆コンバータを制御してその出力電圧を調整することで、インバータからの回生電力をキャパシタに充電することができ、また、力行時にき電線電圧が低下した場合、キャパシタから電力を放電出力してき電線電圧低下を補償することができる。

特開２００１−６９６０４号公報（図１１、段落００３９、４０等）

以上のように、電気車上に蓄電装置と電力変換装置を搭載してき電電圧の変動を抑制する方式が従来から検討されているが、き電回路の負荷は常に変動することから、その電力変換装置の制御は、必ずしも簡単ではない。即ち、蓄電装置の放電が充分になされない状態で回生電力を吸収しようとしてもその時点の蓄電電力の制限で充電が出来なくなり、また、充電が充分でない状態で力行時のき電電圧低下を補償しようとしてもその時点の放電電力の制限で電圧補償が出来ないことになる。
これに対して、蓄電装置の容量を充分大きくすればよいが、経済性が低下せざるを得ない。更に、この電気車に搭載する方式で電圧補償を行う場合、電気車の走行速度エネルギー以外に路線の勾配条件も位置エネルギーとして作用することからこれら路線条件等も考慮に入れた複雑な制御にならざるを得ない。

この発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、運行条件や路線条件を考慮に入れ、しかも簡単な制御で有効な電圧補償効果が得られる電気車制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電気車制御装置は、き電回路に接続されて走行する電気車に搭載されるものであって、電気車を走行駆動する駆動装置、力行時はき電回路からの電力を変換して駆動装置に供給し回生時は駆動装置からの電力を変換してき電回路へ送出する電力変換装置、および１次側がき電回路に並列に接続され２次側に蓄電装置が接続され１次２次間で可逆的に電力変換を行い蓄電装置の充放電動作によりき電回路の電圧変動を抑制する電圧補償動作を行う電圧補償装置を備えた電気車制御装置において、
走行対象路線における電気車の計画走行曲線に基づき蓄電装置が所定の許容電圧範囲内で電圧補償動作の実行が可能となるよう走行対象路線位置に応じて蓄電装置の電圧を規定した蓄電電圧パターンを予め設定しておき、蓄電装置の電圧を検出する蓄電電圧検出器、および走行対象路線位置に応じて蓄電電圧検出器からの電圧検出値が蓄電電圧パターンからの電圧値に追随するよう電圧補償装置の１次電圧を制御する補償電圧制御装置を備えたものである。
また、走行対象路線における電気車の計画走行曲線に基づき蓄電装置が所定の許容電圧範囲内で電圧補償動作の実行が可能となるよう走行対象路線位置に応じて電圧補償装置の１次電圧値を規定した補償電圧パターンを予め設定しておき、走行対象路線位置に応じて、電圧補償装置を、その１次電圧が補償電圧パターンからの電圧値に追随するよう制御する補償電圧制御装置を備えたものである。

この発明は以上のように、走行対象路線における電気車の計画走行曲線に基づき蓄電装置が所定の許容電圧範囲内で電圧補償動作の実行が可能となるよう走行対象路線位置に応じて予め設定された蓄電電圧パターンまたは補償電圧パターンに基づき補償電圧制御装置がその１次電圧を制御するという簡単な制御で、電気車の力行から回生に亘る運行形態の広い範囲で、き電電圧の変動を有効に抑制することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電気車制御装置の基本構成を示す図である。電気車は、直流き電回路を形成するき電線１とレール２との間に接続され、電気車上には、き電線１から給電するパンタグラフＰｔ３と、給電された直流電力を交流電力に変換して駆動装置である誘導電動機ＩＭ４に供給する電力変換装置であるインバータＩＮＶ５と、１次側がパンタグラフＰｔとレール２との間に接続され２次側に蓄電装置である電気二重層キャパシタＣ（以下、キャパシタＣと略称する）６が接続された可逆コンバータ５を有する電圧補償装置７とを備えている。
なお、この発明の適用上、キャパシタとして、電気二重層キャパシタに限定されるものではなく、また、蓄電装置としてキャパシタに限定されるものではない。
そして、この電気車は、図１に示すように、き電線１を介して、変電所８との間で電力の授受が行なわれる。
なお、図示はしていないが、他の電気車が同一のき電線区間に在線する場合は、電力を吸収する負荷や放電する発電源として変電所と等価な作用をする。

本願発明は、先に掲げた課題を解決するため、電圧補償装置７、具体的には、可逆コンバータ５の新たな電圧制御方式を提案するわけであるが、その内容が理解し易いよう、先ず、従来の制御方式による場合を説明するものとする。

ここでは、図１に示す電気車駆動システムにおいて、下記制御諸元を仮定して演算するシミュレーション結果を基に説明するものとする。
即ち、変電所８は、無負荷電圧ＤＣ１６００Ｖ、定格電圧ＤＣ１５００Ｖで、内部抵抗を０．１Ωとする。き電線抵抗Ｒ１、Ｒ２は０．０４Ω／Ｋｍとする。そして、電気車は、重量が２００ｔｏｎ、加減速度２．５Ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ、最高速度１３０Ｋｍ／ｈで走行する。
電圧補償装置７のキャパシタ６の蓄電容量を３００Ｆとし、蓄電電圧範囲をＤＣ８２０ＶからＤＣ４００Ｖとしている。可逆コンバータ５は、出力電圧をＤＣ１６００ＶからＤＣ１４００Ｖの範囲に制御して充放電する。

図４は、以上の諸元を有したシステムで、約５Ｋｍの駅間を走行した場合のチャートを示している。同図（ａ）は、駅間の計画走行曲線を表す電気車の速度と、駆動装置である電動機の電流を示している。同図（ｂ）は、変電所、電圧補償装置および駆動装置間での電力の授受を電流で示している。
電気車は、乗客の乗り心地対策のために加速度と減速度とを定トルクに制御するので、制御装置は電気的には定電流源と見なされる。変電所と電圧補償装置とは定電圧源であるが、負荷としての電気車が定電流源であるので、３者の電力授受は電流で表示する方が理解し易い。

図４（ｃ）は、電圧補償装置の蓄電部であるキャパシタの電圧を示している。このチャートでは、キャパシタは、初期充電電圧をＤＣ６００Ｖとし、電圧補償装置は、その出力電圧をＤＣ１５５０Ｖに制御している。
図４（ｂ）から分かるように、変電所から５００Ａの電流が出力されて電気車と電圧補償装置に給電されている。電気車は、加速するに連れて消費電カが増大し、電圧補償装置と変電所の電力が電気車に供給される。電動機の定格容量領域では、電気車の電流は一定になり電動機容量特性にて電動機電流は減少するが電動機の電圧は上昇するので消費電力は一定になる領域である。力行開始後５０秒以降になるとキャパシタ電圧は可逆コンバータの最低動作電圧であるＤＣ４００Ｖに達し電圧補償装置は出力しなくなる。

図４（ｄ）は、変電所、電気車および電圧補償装置の各電圧を示している。電圧補償装置の出力が無くなると電気車走行に必要な電流は全て変電所から供給されるので変電所電流は増大し変電所電圧が降下している。この時点以降、電気車が惰行に入ると、キャパシタは変電所電流で充電され、更にその後の電気車の抑速制動による回生電力の充電で電圧が更に上昇している。
続く電気車の再力行では、電圧補償装置の出力によりキャパシタは放電して電圧降下するが、最終の駅停止動作では、回生制動電流で充電されてＤＣ８００Ｖに迄充電されている。
従って、この走行パターンでは、力行時にキャパシタの充電電力が不足して一時的にき電線電圧がＤＣ１４５０Ｖまで低下している。

以上、図４で示した走行パターンにおける力行時のキャパシタ電力の不足を補うため、起動時のキャパシタ初期電圧を７００Ｖにして走行したチャートを図５に示す。
図５から分かるように、このチャートではキャパシタの初期電圧を高くしているので、力行時には電圧補償装置の出力で電圧が維持されているが、これ以降、キャパシタ電圧が、図４の場合に比較して高く、最終の駅停止動作では上限値であるＤＣ８２０Ｖに達し、それ以降、回生電力の充電ができなくなり電気車制御装置は回生失効している。
以上の例では、キャパシタ容量を３００Ｆとしたが、これを４００Ｆに増大すれば回生失効はしなくなるが経済性が損なわれることになる。

以上、図４、５で説明したように、電気車の具体的な運行の中で、キャパシタの電圧をその制限内に納め、しかも、キャパシタの容量を最大限活かした電圧補償動作を実現する制御は簡単ではない。
本願発明は、以上の課題に有効な解決策を創出したもので、以下、図２、３により説明する。

図２は、この発明の実施の形態１における電気車制御装置の要部である補償電圧制御装置を示す構成図である。重要な点は、先ず、走行対象路線における電気車の計画走行曲線に基づきキャパシタ６が所定の許容電圧範囲内で電圧補償動作の実行が可能となるよう走行対象路線位置に応じて電圧補償装置の１次電圧値を規定した蓄電電圧パターンＶｃｐを予め設定しておくことである。
即ち、電気車走行で加速や減速に必要な電力は、電気車の重量、電動機の特性と容量や走行抵抗（ここでは電気車の補機である空調、照明、制御等の消費電力は外して説明する。）等の電気車性能諸元、曲線や勾配等の路線条件、および先行電気車との間隔により決まる速度制限情報を考慮した電気車の計画走行曲線を基に、キャパシタ６の計画容量での適合性を判断して蓄電電圧パターンを設定する。

具体的には、電気車性能諸元、路線条件、速度制限情報に基づき計画走行曲線を計算する。この計算で使用した蓄電電圧バターンを照査し、力行時での下限電圧割り込みと回生制動時での上限電圧超過を確認する、下限電圧を割り込んだ場合は、電圧補償装置の出力電圧を低くして変電所出力電圧を相対的に高くし分担する放電電流を抑えるか、場合により更にキャパシタ６への充電電流を増やすために蓄電電圧パターンを高く修正する。
回生制動時に上限電圧を超過する場合は、制動が開始される前にキャパシタ６の放電を増やし回生電力を蓄電する機能を高めるように力行時での放電量を増大させるか、回生時の変電所からの充電を抑えるために蓄電電圧パターンを低く修正する。

以上のようにして設定された蓄電電圧パターンに沿って電圧補償装置のキャパシタ６の電圧を制御すると電圧補償装置と変電所出力電圧との相互の電圧関係で放電量や充電量が決まり、設定時に考慮した条件が満足されることになる。しかし、現実の運行では、負荷となる他の電気車の走行状態により変電所電圧は変動するために一義的に計画した蓄電電圧パターン通りにはならない。

そこで、本願発明では、蓄電電圧パターンと実際の蓄電器電圧との照合を行うようにしている。
即ち、図２に示すように、電圧補償装置７に、キャパシタ６の電圧Ｖｃを検出する蓄電電圧検出器１０と電気車の現在位置Ｘを検出する位置検出器１１とを備える。そして、位置検出器１１からの現在位置Ｘにおける蓄電電圧パターン値Ｖｃｐを読み出し、減算器９により、蓄電電圧検出器１０からの蓄電電圧Ｖｃとの偏差ΔＶｃｐが演算される。電圧指令発生回路１２は、蓄電電圧Ｖｃが蓄電電圧パターン値Ｖｃｐに追随するように、例えば、図３に示す動作特性に従い電圧補償装置の可逆コンバータ５の１次電圧指令Ｖｐを出力する。

図３において、偏差ΔＶｃｐが零のときは、例えば、Ｖｐ＝ＤＣ１５００Ｖとし、ΔＶｃｐがプラス方向に増大するとキャパシタ６への充電を増やすために電圧Ｖｐを降下させる。逆に、ΔＶｃｐがマイナスになるとキャパシタ６の充電を制限するために電圧Ｖｐを上昇させる。
但し、ここでは、電気車の運行形態やき電系統の運用等を考慮して電圧Ｖｐは、下限値Ｖｍｉｎとして、例えば、ＤＣ１４００Ｖ、上限値Ｖｍａｘとして、例えば、ＤＣ１６００Ｖに制限するリミッタを備えている。

以上で説明したこの発明を適用したシミュレーション結果による動作チャートを図６に示す。同図（ａ）は、電気車性能諸元、駅間の路線条件や速度制限情報に基づき決められた計画走行曲線と電気車の電動機電流を示す。同図（ｂ）は、この計画走行曲線を得るための電力パターンを示している。同図（ｃ）は、予め設定された蓄電電圧パターンＶｃｐとこのパターンＶｃｐに基づき制御された蓄電電圧Ｖｃとを示している。
この走行パターンでは、駅間走行での電圧補償装置の作用時にキャパシタ６の電圧変動範囲が、例えば、機器の制限であるＤＣ４００ＶからＤＣ８２０Ｖの範囲に収まり正常に作用できるように決められる。この例では、キャパシタ６の初期充電電圧がＤＣ６００Ｖで電気車が起動した場合で、当初、充電不足を補うために蓄電電圧パターンＶｃｐは、ＤＣ６８０Ｖになっていて変電所からの電力で充電している。従って、先の図４で説明したように、起動後５０秒付近での充電不足による電圧降下は発生していない。
また、先の図５のように、次駅手前での充電過多による回生失効も発生していない。
図６（ｄ）の電圧チャートは、電圧指令発生回路１２の出力である電圧パターンＶｐと変電所電圧を示している。

以上のように、この発明の実施の形態１においては、キャパシタ６の電圧を検出する蓄電電圧検出器１０、および走行対象路線位置Ｘに応じて蓄電電圧検出器１０からの電圧検出値Ｖｃが予め設定した蓄電電圧パターンからの電圧値Ｖｃｐに追随するよう電圧補償装置７の１次電圧を制御する補償電圧制御装置を備えたので、電気車の実際の運用にあたっても、キャパシタの容量を有効に活用したき電回路の電圧変動を抑制する電圧補償動作が、簡単な制御で実現できるという効果がある。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２における電気車制御装置の要部である補償電圧制御装置を示す構成図である。先の実施の形態１と異なるのは、ここでは、蓄電電圧パターンに替わって補償電圧パターンを予めオフラインの演算により設定している点である。
即ち、走行対象路線における電気車の計画走行曲線に基づきキャパシタが所定の許容電圧範囲内で電圧補償動作の実行が可能となるよう走行対象路線位置に応じて電圧補償装置の１次電圧値を規定した補償電圧パターンを予め設定する。
そして、位置検出器１１からの現在位置Ｘにおける補償電圧パターン値Ｖｐ１を読み出し、減算器９により、１次電圧検出器１３からの１次電圧Ｖ１との偏差ΔＶｐ１が演算される。電圧指令発生回路１２は、１次電圧Ｖ１が補償電圧パターン値Ｖｐ１に追随するように、電圧補償装置の可逆コンバータ５の１次電圧指令Ｖｐを出力する。

以上のように、この発明の実施の形態２においては、電気車の走行に合わせて逐一補償電圧パターン値を読み出し、当該パターン値に可逆コンバータの出力電圧を追随させるという簡単な制御で、キャパシタの容量を有効に活用したき電回路の電圧変動を抑制する電圧補償動作が実現できるという効果がある。

実施の形態３．
ここでは、図示は省略するが、図７における補償電圧パターンを、高速、標準、低速等走行状態に応じた複数の計画走行曲線を想定してそれぞれの計画走行曲線に対応する複数の補償電圧パターンを予め設定保持しておき、補償電圧制御装置は、走行状態に応じて上記複数の補償電圧パターンから１個の補償電圧パターンを選択し該補償電圧パターンに基づき電圧補償装置の１次電圧を制御するようにしてもよい。
先の実施の形態２の場合は、同じ走行対象路線であっても、時間帯等の差で補償電圧パターン設定の根拠となった計画走行曲線と異なる計画走行曲線に沿って運行する場合には、設定された補償電圧パターンをそのまま適用することが出来ない。
これに対し、この実施の形態３では、想定されうる複数の計画走行曲線に対応して複数の補償電圧パターンを保持しておき、その時々の実際の走行状態に応じた補償電圧パターンを選択して制御するので、以上で説明した電圧補償動作が、電気車の運行状況に対してより柔軟に適用でき、全体としてより実効性のある電圧補償効果が得られる。
なお、以上の各実施の形態例では、いずれも、直流き電回路に適用した場合について説明したが、本願発明の原理からは、直流き電回路に限られるものではなく、交流き電回路に接続される電気車制御装置にも、この発明は同様に適用でき同等の効果を奏するものである。

この発明の実施の形態１における電気車制御装置の基本構成を示す図である。 この発明の実施の形態１の要部である補償電圧制御装置を示す構成図である。 図２の電圧指令発生回路１２の動作を説明する図である。 従来の制御方式における、電気車の駅間走行チャートを示す図である。 従来の制御方式における、図４とは条件を一部異ならせた場合の電気車の駅間走行チャートを示す図である。 この発明の実施の形態１の制御方式における、電気車の駅間走行チャートを示す図である。 この発明の実施の形態２の要部である補償電圧制御装置を示す構成図である。

符号の説明

１ き電線、４ 誘導電動機、５ 可逆コンバータ、６ キャパシタ、
７ 電圧補償装置、８ 変電所、９ 減算器、１０ 蓄電電圧検出器、
１１ 位置検出器、１２ 電圧指令発生回路、１３ １次電圧検出器。

Claims (4)

1. き電回路に接続されて走行する電気車に搭載されるものであって、
   上記電気車を走行駆動する駆動装置、力行時は上記き電回路からの電力を変換して上記駆動装置に供給し回生時は上記駆動装置からの電力を変換して上記き電回路へ送出する電力変換装置、および１次側が上記き電回路に並列に接続され２次側に蓄電装置が接続され上記１次２次間で可逆的に電力変換を行い上記蓄電装置の充放電動作により上記き電回路の電圧変動を抑制する電圧補償動作を行う電圧補償装置を備えた電気車制御装置において、
   走行対象路線における上記電気車の計画走行曲線に基づき上記蓄電装置が所定の許容電圧範囲内で上記電圧補償動作の実行が可能となるよう上記走行対象路線位置に応じて上記蓄電装置の電圧を規定した蓄電電圧パターンを予め設定しておき、
   上記蓄電装置の電圧を検出する蓄電電圧検出器、および上記走行対象路線位置に応じて上記蓄電電圧検出器からの電圧検出値が上記蓄電電圧パターンからの電圧値に追随するよう上記電圧補償装置の１次電圧を制御する補償電圧制御装置を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. き電回路に接続されて走行する電気車に搭載されるものであって、
   上記電気車を走行駆動する駆動装置、力行時は上記き電回路からの電力を変換して上記駆動装置に供給し回生時は上記駆動装置からの電力を変換して上記き電回路へ送出する電力変換装置、および１次側が上記き電回路に並列に接続され２次側に蓄電装置が接続され上記１次２次間で可逆的に電力変換を行い上記蓄電装置の充放電動作により上記き電回路の電圧変動を抑制する電圧補償動作を行う電圧補償装置を備えた電気車制御装置において、
   走行対象路線における上記電気車の計画走行曲線に基づき上記蓄電装置が所定の許容電圧範囲内で上記電圧補償動作の実行が可能となるよう上記走行対象路線位置に応じて上記電圧補償装置の１次電圧値を規定した補償電圧パターンを予め設定しておき、
   上記走行対象路線位置に応じて、上記電圧補償装置を、その１次電圧が上記補償電圧パターンからの電圧値に追随するよう制御する補償電圧制御装置を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
3. 上記補償電圧パターンを、高速、標準、低速等走行状態に応じた複数の計画走行曲線を想定してそれぞれの計画走行曲線に対応する複数の補償電圧パターンを予め設定保持しておき、
   上記補償電圧制御装置は、走行状態に応じて上記複数の補償電圧パターンから１個の補償電圧パターンを選択し該補償電圧パターンに基づき上記電圧補償装置の１次電圧を制御するようにしたことを特徴とする請求項２記載の電気車制御装置。
4. 上記補償電圧制御装置は、上記電圧補償装置の１次電圧を、上記き電回路に定められた上限電圧および下限電圧の範囲内に制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電気車制御装置。

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