JP2010000810A

JP2010000810A - 直流き電系統の給電方式

Info

Publication number: JP2010000810A
Application number: JP2008158583A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kamimura; 正上村
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】き電線電圧の電圧降下の救済および電力貯蔵装置の小型化、小容量化、電源効率の向上を図ることができる。
【解決手段】き電変電所とき電線末端の間にエアセクション７を設ける。このエアセクションで区分されるき電線の両端に電力貯蔵装置６の入出力端Ｔ１，Ｔ２を直列に介挿することで、電力貯蔵装置は、き電線末端側のき電線電圧の電圧降下を救済する電圧を、電力貯蔵媒体に重畳させる。
電力貯蔵装置の昇降圧チョッパは、き電線末端側のき電線電圧が設定電圧以上にあるときは電力貯蔵媒体６Ｂおよびき電変電所側とき電線末端側を導通させ、き電線末端側のき電線電圧が設定値を下回ったときには電力貯蔵媒体の直流電圧を昇圧してき電線末端側に印加することで、き電線末端側のき電線電圧の電圧降下を救済する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流き電系統の給電方式に係り、特にエアセクションによりき電変電所から区分されたき電線電圧の電圧降下対策および回生失効防止対策に関する。

図３は直流き電系統の要部構成例を示す。き電変電所ＳＳは、電力会社から受電する交流電力を変圧器１で降圧し、整流器２で直流に変換し、き電遮断器等を介してき電線３に直流電圧を印加する。電気車４Ａ、４Ｂは、その力行運転時にはき電線３からパンタグラフを通して直流電力を取り込み、回生運転時にはき電線３側に回生する。なお、き電線３は、トロリー線も含めたものとして以下説明する。

このような直流き電系統において、閑散線区のき電変電所は、その間隔が比較的長い距離を有して設備される。このため、き電変電所から遠隔した地点に位置する電気車４Ａ、４Ｂでは、その起動時など、大きな電流が流れるときにき電線抵抗によるき電電圧降下が大きくなり、電気車のパンタ点電圧が規定値よりも低くなってしまうことが予測される。

また、閑散線区では、電気車が回生運転状態にあるときに、この回生エネルギーを他の電気車が吸収することが殆どないため、回生失効となり易い。この回生失効では回生エネルギーの有効利用ができなくなる。

図３において、き電線の末端部分にき電変電所が無く、き電線末端部分の電気車にき電変電所から電力供給を行う系統において、電気車のパンタ点電圧は、き電変電所電圧Ｅｓ、き電変電所内部抵抗Ｒｓ、電気車パンタ点電圧Ｅｔ、電気車負荷電流Ｉｔ、き電線抵抗Ｒ１，Ｒ２とすると、Ｅｔ＝Ｅｓ−（Ｒｓ＋Ｒ１＋Ｒ２）×Ｉｔで決定される。

この電気車のパンタ点電圧Ｅｔが大きく低下すると電気車走行に影響がでることから、Ｅｔを許容電圧以上とする必要がある。この対策として、き電変電所内部抵抗Ｒｓを小さくすること、き電線抵抗Ｒ１，Ｒ２を小さくすること（き電線を太くする、条数を増加する）、末端部分近くにき電変電所を設けること、などについて検討されてきた。

しかし、き電変電所内部抵抗Ｒｓを小さくする為にはき電変電所機器を大容量とする必要があり高額な費用が必要である。しかも、き電線抵抗による電圧降下に比べて効果は少ない。また、き電線を太いものと張り直す、または条数を多くする事は、き電系統全体の改修を必要とすることから、長期工事となり、費用も高額となる。

また、き電系統の末端付近にき電変電所を設置することは、変電所用地の確保、電力会社等からの交流電源の確保等が難しい。また、末端付近に変電所を設置できない場合がある。

上記のき電電圧降下対策および回生失効防止対策として、図３中に示す電力貯蔵装置５をき電変電所から遠隔した駅近くに設備する方式がある（例えば、特許文献１参照）。電力貯蔵装置５は、電力用コンデンサを電力貯蔵媒体とし、例えば、電気車の発着位置になる駅の近傍に配置し、電気車の制動による回生エネルギーでき電線電圧が上昇したときに電力用コンデンサへの急速充電で回生電力を吸収し、電気車の起動によってき電線電圧が降下したときに電力用コンデンサからの急速放電でき電線電圧の降下を防止する。

５Ａは直流電力を蓄積する電力用コンデンサであり、電気二重層キャパシタとする場合もある。５Ｂはき電線３との間を開閉できる開閉器であり、電磁接触器で構成する場合がある。５Ｃは電力用コンデンサ５Ａとき電線３との間の充放電を制御するコントローラであり、昇降圧チョッパで構成する場合がある。
特開２０００−２３３６６９号公報

従来の電力貯蔵装置５は、き電変電所から給電するき電線とレールとの間に並列に設置し、電気車の力行運転時のき電線電圧の電圧降下対策には電力貯蔵媒体からき電線側に放電を行い、電気車の回生運転時のき電線電圧の電圧上昇による回生失効防止対策にはき電変電所側から電力貯蔵媒体への充電を行う。

このようなき電線電圧の電圧降下救済や回生失効防止を行う電力貯蔵装置５は、その電力貯蔵媒体には高電圧で大電流を充放電できる高耐圧で大容量のものが必要となる。また、電力貯蔵媒体に対する充放電制御を行うコントローラには、その主回路を構成する半導体スイッチ素子に高耐圧で大電流容量のものを必要とする。

これらの要求から、電力貯蔵装置は大型、高価なものになるし、半導体スイッチ素子での電力損失が大きくなって電源効率を低下させる問題があり、さらには設置できるスペースを確保できない場合も予測される。

本発明の目的は、き電線電圧の電圧降下の救済および電力貯蔵装置の小型化、小容量化、電源効率の向上を図ることができる直流き電系統の給電方式を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、き電変電所側とき電線末端側をエアセクションで区分し、この位置に電力貯蔵装置の入出力端を直列に介挿したもので、以下の方式を特徴とする。

（１）き電変電所からき電線に直流電圧を印加し、き電線から電気車にき電する直流き電系統の給電方式であって、
き電変電所とき電線末端の間にエアセクションを設け、
前記エアセクションによってき電変電所側とき電線末端側に区分されるき電線の両端に電力貯蔵装置の入出力端を直列に介挿し、
前記電力貯蔵装置は、前記き電線末端側のき電線電圧の電圧降下を救済する電圧を、電力貯蔵媒体に重畳させる手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記電力貯蔵装置は、
き電変電所側の電圧で常時充電される電力貯蔵媒体と、
き電線末端側のき電線電圧が設定電圧以上にあるときは前記き電変電所側とき電線末端側を導通させ、き電線末端側のき電線電圧が前記設定電圧を下回ったときには前記電力貯蔵媒体の直流電圧を昇圧してき電線末端側に印加することで、き電線末端側のき電線電圧の電圧降下を救済する昇降圧チョッパを備えたことを特徴とする。

（３）前記き電変電所側とき電線末端側の導通時は、き電線末端側の電気車が力行負荷の時にはき電変電所側と電力貯蔵媒体の直流電圧をき電線末端側に印加し、き電線末端側の電気車が回生負荷で、き電変電所側および電力貯蔵媒体よりき電線末端側の直流電圧が上昇した時にはき電線末端側の直流電圧をき電変電所側と電力貯蔵媒体に印加することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、き電変電所側とき電線末端側をエアセクションで区分し、この位置に電力貯蔵装置の入出力端を直列に介挿したため、以下の効果がある。

（１）き電線の任意の位置に電力貯蔵装置を設置するのみでき電線電圧の電圧降下救済が可能である。

（２）電力貯蔵媒体から負荷に供給する電流は従来の装置に比べて減らすことができ、その小容量化を図ることができる。また、電力貯蔵媒体に対する充放電制御を行う昇降圧チョッパのスイッチ素子は小電流容量のもので済む。

（３）電力貯蔵容量が大きな電力貯蔵媒体を用いた場合には、電力貯蔵媒体による回生電力の貯蔵、および力行電気車への電力供給を行うことができ、回生エネルギーの有効利用が可能となる。

（４）電気車が定電力負荷の場合には、送電損失の低減、き電変電所ピーク電力の低減ができる。

（１）電力貯蔵装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態を示す直流き電系統の要部構成図である。図３に示す従来の構成では、き電変電所の直流出力端から見て電力貯蔵装置５を並列に設置するのに対し、本実施形態はエアセクションで区分した位置に電力貯蔵装置６の入出力端を直列に介挿する。

き電変電所とき電線末端の間（例えば中間位置）にはエアセクション７を設け、このエアセクション７によってき電変電所側とき電線末端側に区分されるき電線３の両端に電力貯蔵装置６の入出力端子Ｔ１、Ｔ２を接続することで、電力貯蔵装置６をき電線に直列に介挿した配置にする。電力貯蔵装置６のレール側接地端子Ｔ３はレールに接続する。

電力貯蔵装置６は、き電変電所側（端子Ｔ１とＴ３間）に、サージ電圧阻止用リアクトル６Ａと、電力貯蔵媒体としての電力用コンデンサ（または電気二重層キャパシタ）６Ｂの直列回路を設け、電力貯蔵媒体がき電変電所側の電圧で常時充電される。また、電力貯蔵装置６は、負荷側（端子Ｔ２とＴ３間）に、サージ電圧阻止用リアクトル６Ｃと、平滑用コンデンサ６Ｄの直列回路を設ける。昇降圧チョッパは、リアクトル６Ｅと半導体スイッチ素子６Ｆ、６Ｇとダイオード６Ｈ，６Ｉで構成する。

昇降圧チョッパによる昇圧動作は、スイッチ素子６Ｆのオンでコンデンサ６Ｂからリアクトル６Ｅに短絡電流を流して電磁エネルギーとして蓄積し、スイッチ素子６Ｆのオフでリアクトル６Ｅからダイオード６Ｉおよびリアクトル６Ｃを通してき電末端側の電気車に昇圧した電圧により電力供給する。

（２）図１の構成において、き電線電圧の電圧降下の救済制御を説明する。電力貯蔵装置６の制御装置は、き電線末端側のき電線電圧を監視し、き電線末端側のき電線電圧が設定電圧以上にあるときは、スイッチ素子６Ｇは連続ＯＮ状態とし、き電変電所側とき電線末端側はほぼ導通状態とし、電力貯蔵媒体およびき電変電所側の直流電圧をき電線末端側に印加する。

この状態で、電気車４が力行運転した場合、き電変電所ＳＳ→リアクトル６Ａ→リアクトル６Ｅ→ダイオード６Ｉ→リアクトル６Ｃの経路で電気車４に電力供給を行う。この時、コンデンサ６Ｂからも電気車４に電力供給される。

また、電気車４が回生運転した場合、き電変電所側および電力貯蔵媒体よりき電線末端側の直流電圧が上昇した時には、き電線末端側の直流電圧をき電変電所側および電力貯蔵媒体に印加する。この状態で、電気車４→リアクトル６Ｃ→スイッチ６Ｇ→リアクトル６Ｅ→リアクトル６Ａの経路でき電変電所側の力行中の電気車に回生電力を供給すると共に、コンデンサ６Ｂにも回生電力が充電される。

次に、き電線末端側のき電線電圧が設定電圧より下回ったときは、昇降圧チョッパを昇圧動作させ、コンデンサ６Ｂ→リアクトル６Ｅ→スイッチ素子６Ｆ→コンデンサ６Ｂの経路で短絡電流を流し、これによりリアクトル６Ｅに発生するＬ・ｄｉ／ｄｔの電圧をコンデンサ６Ｂの電圧（き電変電所側電圧）に重畳させることにより、き電線末端側のき電線電圧を昇圧でき、き電線電圧の電圧降下の救済を行う。

（３）本実施形態の効果を説明する。電力貯蔵装置６はき電系統に直列に介挿し、電力貯蔵装置６の制御はき電変電所側のき電線電圧とき電線末端側のき電線電圧の差電圧を制御し、き電線末端側のき電電圧降下を救済するのに必要な電流はき電変電所側とコンデンサ６Ｂからの電流を併せたものになる。これにより、コンデンサ（電力貯蔵媒体）６Ｂからき電線末端側に供給する電流は従来の装置に比べて減らすことができ、その小容量化を図ることができる。また、電力貯蔵媒体に対する充放電制御を行うスイッチ素子６Ｆは小電流容量のもので済み、スイッチ素子６Ｇは低い耐圧のもので済み、さらにはスイッチ素子６Ｆ、６Ｇでのスイッチングによる電力損失を軽減できる。

また、コンデンサ６Ｂを電気二重層キャパシタ等の貯蔵容量が大きな電力貯蔵媒体を用いた場合には、該コンデンサ６Ｂに回生電力の貯蔵、該コンデンサ６Ｂから力行中の電気車への供給が行われ、回生エネルギーの有効利用が可能となる。

（４）具体的な数値を用いて本実施形態の効果を説明する。図２は電力貯蔵装置６を含めたき電系統の等価回路を示し、簡単の為に、き電系統は単線とし、き電区間には電気車が１台のみ運転されるものとする。き電線の抵抗は０．０３Ω／ｋｍとする。整流器２は６０００ｋＷとし、総合電圧変動率を８％とする。

図２における各部の電圧、電流等の定数の具体例を説明する。き電変電所無負荷電圧Ｅｓ＝１５００×（１＋０．０８）＝１６２０Ｖ、き電変電所等価抵抗Ｒｓ＝１５００Ｖ×０．０８／４０００Ａ＝０．０３Ω、き電変電所からき電線末端まで８ｋｍと仮定し、電力貯蔵装置６を中間地点（４ｋｍ地点）に設置する。

（４Ａ）電気車負荷が２０００ｋＷで定電力負荷と仮定し、電力貯蔵装置６が無い場合と設置した場合の電力、電圧、電流などの具体例を説明する。

まず、電力貯蔵装置６が無い場合、Ｅｔ×Ｉｔ＝Ｐｔ＝２０００×１０００→Ｅｔ＝２０００×１０００／Ｉｔ、Ｉｓ＝Ｉｔ、Ｅｓ−（Ｒｓ＋Ｒ１＋Ｒ２）×Ｉｔ＝Ｅｔ＝２０００×１０００／Ｉｔ、（Ｒｓ＋Ｒ１＋Ｒ２）×Ｉｔ²−Ｅｓ×Ｉｔ＋２０００×１０００＝０、
各数値を代入すると、
（０．０３＋０．０３×４＋０．０３×４）×Ｉｔ²−１６２０×Ｉｔ＋２０００×１０００＝０
Ｉｔを求めると、
Ｉｔ＝［１６２０−√（１６２０²−４×０．２７×２０００×１０００）］／（２×０．２７）
＝（１６２０−６８１．５）／０，２７
＝３４７６Ａ
Ｅｔ＝２０００×１０００／３４７６＝８６３Ｖ
電力貯蔵装置の設置予定地点電圧＝１６２０−（０．０３＋０．０３×４）×３４７６＝１０９９Ｖ
次に、電力貯蔵装置６を設置した場合、なお、昇降圧チョッパの動作設定電圧を１５００Ｖとする。すなわち、電力貯蔵装置６の負荷側電圧Ｅｃｐｏが１５００Ｖ以下であれば、昇降圧チョッパにより１５００Ｖに昇圧して電力供給を行うものとする。

Ｅｔ’×Ｉｔ’＝Ｐｔ＝２０００×１０００、Ｅｃｐｏ−Ｒ２×Ｉｔ’＝Ｅｔ’＝２０００×１０００／Ｉｔ’、Ｒ２×（Ｉｔ’）²−Ｅｃｐｏ×Ｉｔ’＋２０００×１０００＝０
各数値を代入すると、
０．０３×４×（Ｉｔ’）²−１５００×Ｉｔ’＋２０００×１０００＝０
Ｉｔ’を求めると、
Ｉｔ’＝［１５００−√（１５００²−４×０．１２×２０００×１０００］／（２×０．１２）
＝（１５００−１１３６）／０．２４
＝１５１７Ａ
Ｅｔ’＝２０００×１０００／１５１７＝１３１８Ｖ
電力貯蔵装置６の入力電流Ｉｓ’、入力側電圧Ｅｃｐｉとすると、
Ｅｃｐｉ×Ｉｓ’＝Ｅｃｐｏ×Ｉｔ’＝１５００×１５１７＝２２７５５００
Ｅｓ−（Ｒｓ＋Ｒ１）×Ｉｓ’＝Ｅｃｐｉ＝２２７５５００／Ｉｓ’
（Ｒｓ＋Ｒ１）×（Ｉｓ’）²−Ｅｓ×Ｉｓ’＋２２７５５００＝０
各数値を代入すると、
（０．０３＋０．０３×４）×（Ｉｓ’）²−１６２０×Ｉｓ’＋２２７５５００＝０
Ｉｔ’を求めると、
Ｉｔ’＝［１６２０−√（１６２０²−４×０．１５×２２７５５００）］／（２×０．１５）
＝（１６２０−１１２２）／０．３
＝１６６０Ａ
Ｅｃｐｉ＝２２７５５００／１６６０＝１３７１Ｖ
送電電力を比較すると、電力貯蔵装置６が無い場合の送電損失Ｐｌｏｓｓ＝（１６２０−８６３）×３４７６＝２６３１ｋＷとなる。一方、電力貯蔵装置６を設置した場合の送電損失Ｐｌｏｓｓ＝（１５００−１３１８）×１５１７＋（１６２０−１３７１）×１６６０＝６８９ｋＷ、昇降圧チョッパの損失が５％とすると、２０００×０．０５＝１００ｋＷ、したがって、送電損失Ｐｌｏｓｓの合計は７８９ｋＷとなる。

また、パンタ点電圧は８６３Ｖ→１３１８Ｖ、送電損失は２６３１ｋＷ→７８９ｋＷ、変電所ピーク電流は３４７６Ａ→１６６０Ａとなり、き電損失の低減、変電所ピーク電力の低減で大きな効果が得られる。

（４Ｂ）電気車負荷が２０００Ａの定電流負荷と仮定し、電力貯蔵装置６が無い場合と設置した場合の電力、電圧、電流などの具体例を説明する。

まず、電力貯蔵装置６が無い場合、各数値を代入すると、
Ｅｔ＝Ｅｓ−（Ｒｓ＋Ｒ１＋Ｒ２）×２０００＝１６２０−（０．０３＋０．０３×４＋０．０３×４）×２０００＝１０８０Ｖ
電力貯蔵装置６がある場合、各数値を代入すると、
Ｅｔ’＝Ｅｃｐｏ−Ｒ２×２０００＝１５００−０．０３×４×２０００＝１２６０Ｖ、
Ｅｃｐｉ×Ｉｓ’＝Ｅｃｐｏ×２０００＝１５００×２０００＝３０００×１０００
Ｅｓ−（Ｒｓ＋Ｒ１）×Ｉｓ’＝Ｅｃｐｉ＝３０００×１０００／Ｉｓ’
１６２０−（０．０３＋０．０３×４）×Ｉｓ’＝３０００×１０００／Ｉｓ’
０．１５×（Ｉｓ’）²−１６２０×Ｉｓ’＋３０００×１０００＝０
Ｉｓ’＝（１６２０−９０８）／０．３＝２３７３Ａ
Ｉｃｐｉ＝１６２０−０．１５×２３７３＝１２６４Ｖ
以上より、パンタ点電圧は１０８０Ｖ→１２６４Ｖとなり、き電電圧の電圧降下の救済ができる。

（４Ｃ）電気車特性との関係を説明する。

近年のＶＶＶＦ車では最終ノッチまでは定電流特性、最終ノッチからは定電力特性と言われている。したがって、力行当初は（４Ｂ）で述べたようにき電電圧の電圧降下は救済され、最終ノッチに達した後は定電力特性となり、（４Ａ）で述べたように電圧降下救済、送電損失、ピーク電流が減少する。

本発明の実施形態を示す直流き電系統の要部構成図。電力貯蔵装置を含めたき電系統の等価回路。従来の直流き電系統の要部構成図。

符号の説明

１変圧器
２整流器
３き電線
４、４Ａ、４Ｂ電気車
５、６電力貯蔵装置

Claims

き電変電所からき電線に直流電圧を印加し、き電線から電気車にき電する直流き電系統の給電方式であって、
き電変電所とき電線末端の間にエアセクションを設け、
前記エアセクションによってき電変電所側とき電線末端側に区分されるき電線の両端に電力貯蔵装置の入出力端を直列に介挿し、
前記電力貯蔵装置は、前記き電線末端側のき電線電圧の電圧降下を救済する電圧を、電力貯蔵媒体に重畳させる手段を備えたことを特徴とする直流き電系統の給電方式。
前記電力貯蔵装置は、
き電変電所側の電圧で常時充電される電力貯蔵媒体と、
き電線末端側のき電線電圧が設定電圧以上にあるときは前記き電変電所側とき電線末端側を導通させ、き電線末端側のき電線電圧が前記設定電圧を下回ったときには前記電力貯蔵媒体の直流電圧を昇圧してき電線末端側に印加することで、き電線末端側のき電線電圧の電圧降下を救済する昇降圧チョッパを備えたことを特徴とする請求項１に記載の直流き電系統の給電方式。
前記き電変電所側とき電線末端側の導通時は、き電線末端側の電気車が力行負荷の時にはき電変電所側と電力貯蔵媒体の直流電圧をき電線末端側に印加し、き電線末端側の電気車が回生負荷で、き電変電所側および電力貯蔵媒体よりき電線末端側の直流電圧が上昇した時にはき電線末端側の直流電圧をき電変電所側と電力貯蔵媒体に印加することを特徴とする請求項２に記載の直流き電系統の給電方式。