JP2010132209A - 直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 交流電気鉄道と直流電気鉄道が並行している区間において、電力負荷平準化、回生失効防止、回生電力有効活用を図る電力貯蔵システムの設備コストを低減すること。
【解決手段】 制御部３は、所定の基準値が予め記憶された記憶部を備えたパーソナルコンピュータの如き情報処理装置である。制御部３は、直流き電電圧検出部４の直流き電電圧Ｖ_DCが及び交流き電電圧検出部５の交流き電電圧Ｖ_ACを入力信号とし、前記記憶部に記憶されている基準値と比較して、比較結果に基づいて電力貯蔵装置１及び電力変換装置（ＤＣ／ＡＣ）２を制御し、直流電気鉄道と交流電気鉄道の間の電力融通を行わせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は直流電気鉄道と交流電気鉄道との間で自動的に電力融通を行う電力融通システムに関する。

電気鉄道における変電所の電力負荷は、変電所の電力を供給する区間に電車が走行する時間のみ大きくなる間欠特性を有する。従って、最大電力は大きくなるため、変電所の設備容量を大きく設定する必要がある。また、電力が間欠特性を有するため、実際に使用する電力量に比して契約電力が大きくなる。以上の理由により、電気鉄道システムにおいては、電力負荷平準化を行うことによって、設備コストに低減を図ることが要求されている。

電気鉄道において電車が電力回生を行う際に、付近に力行する電車が存在しないと電力回生エネルギーを有効に活用することができない。直流電気鉄道では、電力回生エネルギーの行き場がなくなると回生失効となるケースがある。また、電車が回生運転状態のときに他の電車が力行状態を終了した場合には、負荷の急激な減少による回生失効が起こる。交流電気鉄道では電力回生エネルギーは受電側即ち電力会社側に逆流して送電システムに悪影響を及ぼすことが懸念される。以上の理由により、電車の電力回生エネルギーを効率よく電車の力行エネルギーに吸収させることが要求されている。

そこで、電気鉄道においては電力負荷平準化、回生失効防止、回生電力有効活用を図る様々な装置が開発されてきた。例えば、特開２０００−２３３６６９号公報（特許文献１）や特開２００１−２６０７１８号公報（特許文献２）に記載されている直流電気鉄道における直流電力貯蔵装置を利用した電力回生方式は、直流変電所の直流側に昇降圧チョッパと直流電力蓄積装置からなる直流電力貯蔵装置を装備したものであり、電気車の回生運転によって外線電圧がその定格電圧範囲の上限を超えた場合には、前記昇降圧チョッパにより外線電圧を降圧制御し、外線から前記昇降圧チョッパを介して前記直流電力蓄積装置の充電電流として前記電気車の回生電力を吸収させるものである。

なお、前記直流貯蔵装置を構成する前記昇降圧チョッパは、直流き電線とレールとの間に接続された高圧側アームと低圧側アームの直列回路と、前記高圧側アームと低圧側アームの接続点とレールとの間に接続された直流電力蓄積装置とからなる。そして、前記高圧側アームは外線から流れ込む充電電流を制御できる向きに一端を外線に接続した第1半導体スイッチ及び前記第1半導体スイッチに逆並列に接続された第1ダイオードで構成され、前記低圧側アームは前記第1半導体スイッチと電流を制御できる向きが同じで且つ前記第1半導体スイッチの他端と直列接続された第２半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチに逆並列接続された第２ダイオードで構成されている。

また、特開２０００−１０２１７３号公報（特許文献３）には、交流電気鉄道の電力平準化装置が記載されている。即ち、この電力平準化装置は、無負荷又は軽負荷時に交流電源電圧をき電変圧器を経て電力変換器で交直変換し、その直流出力で電力貯蔵装置を充電し、重負荷時に前記電力変換器をインバータとして作動させ、前記電力貯蔵装置を放電させて前記電力変換器で直交変換し、その交流出力を注入用変圧器及び前記き電変圧器を経て負荷側に供給するものである。

ところで、交流電気鉄道と直流電気鉄道が並行している区間において、従来から交流電気鉄道と直流電気鉄道はそれぞれに電力負荷平準化、回生失効防止、回生電力有効活用を図るために、電力貯蔵システムが設けられる場合、各電力貯蔵システムは、十分な効果を発揮するように設備容量は大きく設定される。このように、大きな設備容量の電力貯蔵システムが２つも存在しているので、交流電気鉄道と直流電気鉄道が並行している区間を有する鉄道会社の設備コストは、非常に高くなる問題がある。
特開２０００−２３３６６９号公報 特開２００１−２６０７１８号公報 特開２０００−１０２１７３号公報

交流電気鉄道と直流電気鉄道が並行している区間において、電力負荷平準化、回生失効防止、回生電力有効活用を図る電力貯蔵システムの設備コストを低減することである。

上記課題を解決するために、直流電気鉄道と交流電気鉄道が並行している区間において、直流電気鉄道のき電線とレールとの間に配置する直流電気鉄道用の電力貯蔵装置を、交流電気鉄道のき電線と中性線との間に配置される交流電気鉄道用の電力貯蔵装置に兼用し、直流電気鉄道と交流電気鉄道との間で電力を融通できるようにした。

本発明により、交流電気鉄道と直流電気鉄道が並行している区間において、電力負荷平準化、回生失効防止、回生電力有効活用を図る電力貯蔵システムの設備コスト低減が図られるようになった。
また、本発明により、直流電気鉄道の直流変電所の電力負荷と交流電気鉄道の交流変電所の電力負荷が共に平準化されるようになり、設備容量の低減、契約電力の低減が図られ、鉄道会社のコスト負担が低減された。
更に、直流電気鉄道と交流電気鉄道の間で電力融通を行うようにしたので、回生運転中の電車と力行運転中の電車の数が増え、電力回生エネルギーが失効する可能性が大幅に減少し、電気ブレーキの利用率の拡大が図られた。
更にまた、電力回生エネルギーが有効に活用されるので、省エネルギーも実現できるようになった。

本発明は、直流電気鉄道の直流き電回路に直流遮断器と電力変換器を介して接続された電力貯蔵媒体と前記電力変換器を制御する制御装置とで構成された直流電力貯蔵装置を、交流遮断器と降圧用変圧器と直流／交流変換装置を介して交流き電回路に接続すると共に、前記制御装置が直流き電電圧と直流基準電圧との比較並びに交流き電電圧と交流基準電圧との比較に基づいて前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御するようにシステムを構成し、並行する区間を有する直流電気鉄道と交流電気鉄道の間で電力の相互融通を可能にしたことを特徴とする直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システムである。

本発明の一実施例の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システムは、図１の全体システム構成図及び図２の主要部の回路構成図に示す如く、直流電気鉄道の直流き電システム１０と交流電気鉄道の交流き電システム２０との間で電力融通を電力貯蔵装置１を介して自動的に行うようにしたシステムである。直流き電システム１０において、所定間隔を隔てて設置されている複数の直流変電所１５，１６から直流き電線１１とレール１２に直流電力が給電されている。直流き電システム１０の電車１４は、力行中は直流き電線１１とレール１２からなる直流き電回路から直流電力を供給され、回生中は前記直流き電回路に直流回生電力を供給する。

交流き電システム２０において、交流変電所２５は所定間隔を隔てて複数個所設置されおり、交流変電所間にはき電区分所２６が設けられている。交流変電所２５とき電区分所２６との間には複数の補助き電区分所２７，２８が設けられている。三相交流電力は交流変電所２５からトロリー線２１、レール２２、交流き電線２３に給電されている。交流き電システム２０の電車２４は、力行中はトロリー線２１、レール２２からなる交流き電回路から交流電力を供給され、回生中は前記交流き電回路に交流回生電力を供給する。

電力融通システムは、電力貯蔵装置１、電力変換装置（ＤＣ／ＡＣ）２、制御部３、直流き電電圧検出部４、及び交流き電電圧検出部５を含む。図２に示す如く、電力貯蔵装置１は電力貯蔵媒体１Ａと電力変換器１Ｂとで構成され、電力変換装置（ＤＣ／ＡＣ）２は直流／交流変換部２Ａと交流／直流変換部２Ｂとで構成されている。電力貯蔵装置１は、直流遮断器６を介して直流き電システム１０の直流き電線１１とレール１２に接続され、且つ、電力変換装置（ＤＣ／ＡＣ）２、降圧用変圧器７及び交流遮断器８を介して交流き電システム２０のトロリー線２１とレール２２に接続されている。

制御部３は、所定の基準値が予め記憶された記憶部を備えたパーソナルコンピュータの如き情報処理装置である。制御部３は、直流き電電圧検出部４の直流き電電圧Ｖ_DCが及び交流き電電圧検出部５の交流き電電圧Ｖ_ACを入力信号とし、前記記憶部に記憶されている基準値と比較して、比較結果に基づいて電力変換器１Ｂ及び電力変換装置２を制御し、直流電気鉄道と交流電気鉄道の間の電力融通を行わせる。

即ち、制御部３の記憶部には下限基準直流電圧Ｖ_DC1と上限基準直流電圧Ｖ_DC2、及び下限基準交流電圧Ｖ_AC1 と上限基準交流電圧Ｖ_AC2の４つの基準値が予め記憶されている。そして、制御部３は、入力された直流き電電圧Ｖ_DCが及び交流き電電圧Ｖ_ACと、これらの基準値を演算プログラムに従って比較する。前記演算プログラムは、制御部３の記憶部に予め格納されているものである。２つの入力信号と４つの基準値との比較結果は、表１の如く「交流側力行、直流側力行−状態１」、「交流側力行、直流側負荷なし−状態２」、「交流側力行、直流側電力回生−状態３」、「交流側負荷なし、直流側力行−状態４」、「交流側負荷なし、直流側負荷なし−状態５」、「交流側負荷なし、直流側電力回生−状態６」、「交流側電力回生、直流側力行−状態７」、「交流側電力回生、直流側負荷なし−状態８」及び「交流側電力回生、直流側電力回生−状態９」の９種類となる。以下、演算プログラムの一例のフローチャートである図３に参照しながら、本発明に係る直流電気鉄道と交流電気鉄道の間で電力融通がどのように行われるかを説明する。

（交流側力行、直流側力行−状態１）
制御部３は、交流き電電圧Ｖ_ACが下限基準交流電圧Ｖ_AC1よりも小さい状態、即ち、交流側力行状態か否かを判定し（１０１）、判定結果がＮｏならステップ１０４に進む。ステップ１０１の判定結果がＹｅｓなら、制御部３は直流き電電圧Ｖ_DCが下限基準直流電圧Ｖ_DC1よりも小さい状態、即ち直流側力行状態か否かを判定する（１０２）、判定結果がＮｏならステップ１０３に進む。ステップ１０２の判定結果がＹｅｓなら、交流側力行、且つ、直流側力行にある状態（状態１）にあるので、制御部３は電力貯蔵媒体１Ａから放電するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側力行、直流側負荷なし−状態２）
ステップ１０２の判定結果がＮｏなら、制御部３は直流き電電圧Ｖ_DCが下限基準直流電圧Ｖ_DC1以上で且つ上限基準直流電圧Ｖ_DC2以下の状態、即ち、直流側負荷なし状態か否かを判定する（１０３）。ステップ１０３の判定結果がＹｅｓなら、交流側力行、且つ、直流側負荷なしの状態（状態２）にあるので、制御部３は電力貯蔵媒体１Ａから放電し、交流き電システム２０側に電力融通するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側力行、直流側電力回生−状態３）
ステップ１０３の判定結果がＮｏなら、直流側力行状態と直流側負荷なし状態のいずれでもないので、直流き電電圧Ｖ_DCが上限基準直流電圧Ｖ_DC2よりも大きい状態、即ち、直流側電力回生状態である。このときは、交流側力行、且つ、直流側電力回生の状態（状態３）にあるので、制御部３は直流き電システム１０側から交流き電システム２０側へ電力融通し、且つ電力貯蔵媒体１Ａを充電するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側負荷なし、且つ直流側力行−状態４）
ステップ１０１の判定結果がＮｏなら、制御部３は交流き電電圧Ｖ_ACが下限基準交流電圧Ｖ_AC1 以上で且つ上限基準交流電圧Ｖ_AC2以下の状態、即ち交流側負荷なし状態か否かを判定する（１０４）し、判定結果がＮｏならステップ１０７に進む。ステップ１０４の判定結果がＹｅｓなら、制御部３は直流き電電圧Ｖ_DCが下限基準直流電圧Ｖ_DC1よりも小さい状態、即ち直流側力行状態か否かを判定し（１０５）、判定結果がＮｏならステップ１０６に進む。ステップ１０５の判定結果がＹｅｓなら、交流側負荷なし、且つ、直流側力行にある状態（状態４）にあるので、制御部３は電力貯蔵媒体１Ａから放電し、直流き電システム１０側に電力融通するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側負荷なし、直流側負荷なし−状態５）
ステップ１０５の判定結果がＮｏなら、制御部３は直流き電電圧Ｖ_DCが下限基準直流電圧Ｖ_DC1以上で且つ上限基準直流電圧Ｖ_DC2以下の状態、即ち、直流側負荷なし状態か否かを判定する（１０６）。ステップ１０６の判定結果がＹｅｓなら、交流側負荷なし、且つ、直流側負荷なしの状態（状態５）にあるので、本発明に係る電力融通システムを待機状態におくように制御部３は電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側負荷なし、直流側電力回生−状態６）
ステップ１０６の判定結果がＮｏなら、直流側力行状態と直流側負荷なし状態のいずれでもないので、直流き電電圧Ｖ_DCが上限基準直流電圧Ｖ_DC2よりも大きい状態、即ち、直流側電力回生状態である。このときは、交流側負荷なし、且つ、直流側電力回生の状態（状態６）にあるので、制御部３は直流き電システム１０側からの電力で電力貯蔵媒体１Ａを充電するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側電力回生、直流側力行−状態７）
ステップ１０４の判定結果がＮｏなら、交流側力行状態と交流側負荷なし状態のいずれでもないので、制御部３は交流き電電圧Ｖ_ACが上限基準交流電圧Ｖ_AC２よりも大きい状態、即ち、交流側電力回生状態にあると判定する。そして、ステップ１０４に続いて、制御部３は直流き電電圧Ｖ_DCが下限基準直流電圧Ｖ_DC1よりも小さい状態、即ち直流側力行状態か否かを判定し（１０７）、判定結果がＮｏならステップ１０８に進む。ステップ１０７の判定結果がＹｅｓなら、交流側電力回生、且つ、直流側力行にある状態（状態７）にあるので、制御部３は交流き電システム２０側から直流き電システム１０側に電力融通し、且つ電力貯蔵媒体１Ａを充電するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側電力回生、直流側負荷なし−状態８）
ステップ１０７の判定結果がＮｏなら、制御部３は直流き電電圧Ｖ_DCが下限基準直流電圧Ｖ_DC1以上で且つ上限基準直流電圧Ｖ_DC2以下の状態、即ち、直流側負荷なし状態か否かを判定する（１０８）。ステップ１０８の判定結果がＹｅｓなら、交流側電力回生、且つ、直流側負荷なしの状態（状態８）にあるので、制御部３は交流き電システム２０側からの電力で電力貯蔵媒体１Ａを充電するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

（交流側電力回生、直流側電力回生−状態９）
ステップ１０８の判定結果がＮｏなら、直流側力行状態と直流側負荷なし状態のいずれでもないので、制御部３は直流き電電圧Ｖ_DCが上限基準直流電圧Ｖ_DC2よりも大きい状態、即ち、直流側電力回生状態であると判定する。このときは、交流側電力回生、且つ、直流側電力回生の状態（状態９）にあるので、制御部３は直流き電システム１０側と交流き電システム２０側からの双方の電力で電力貯蔵媒体１Ａを充電するように電力貯蔵装置１と電力変換装置２を制御する。

本発明の一実施例の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システムの全体構成図である。 本発明の一実施例の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システムの主要部の回路構成図である。 本発明の一実施例の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システムの処理の流れの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電力貯蔵装置
１Ａ 電力貯蔵媒体
１Ｂ 電力変換器
２ 電力変換装置（ＤＣ／ＡＣ）
２Ａ 直流／交流変換部
２Ｂ 交流／直流変換部
３ 制御部
４ 直流き電電圧検出部
５ 交流き電電圧検出部
６ 直流遮断器
７ 降圧用変圧器
８ 交流遮断器
１０ 直流き電システム
１１ 直流き電線
１２ レール
１４ 電車
１５，１６ 直流変電所
２０ 交流き電システム
２１ トロリー線
２２ レール
２３ 交流き電線
２４ 電車
２５ 交流変電所
２６ き電区分所
２７，２８ 補助き電区分所

Claims (10)

1. 直流電気鉄道の直流き電回路に直流遮断器と電力変換器を介して接続された電力貯蔵媒体と前記電力変換器を制御する制御装置とで構成された直流電力貯蔵装置を、交流遮断器と降圧用変圧器と直流／交流変換装置を介して交流き電回路に接続すると共に、前記制御装置が直流き電電圧と直流基準電圧との比較並びに交流き電電圧と交流基準電圧との比較に基づいて前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御するようにシステムを構成し、並行する区間を有する直流電気鉄道と交流電気鉄道の間で電力の相互融通を可能にしたことを特徴とする直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
2. 直流き電電圧が下限基準直流電圧よりも小さく、且つ交流き電電圧が下限基準交流電圧よりも小さいときは、前記制御装置は前記電力貯蔵媒体を放電させるように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
3. 直流き電電圧が下限基準直流電圧よりも小さく、且つ交流き電電圧が下限基準交流電圧以上で上限基準交流電圧以下であるときには、前記制御装置は前記電力貯蔵媒体を放電させると共に、前記交流き電回路から前記直流き電回路へ電力の融通が行われように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
4. 直流き電電圧が下限基準直流電圧よりも小さく、且つ交流き電電圧が上限基準交流電圧よりも大きいときには、前記制御装置は交流側回生電力を前記直流き電回路へ電力融通し、且つ前記交流き電回路で消費できない余剰電力で前記電力貯蔵媒体を充電させるように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
5. 直流き電電圧が下限基準直流電圧以上で上限基準直流電圧以下、且つ交流き電電圧が下限基準交流電圧よりも小さいときは、前記制御装置は前記電力貯蔵媒体を放電させると共に、前記直流き電回路から前記交流き電回路への電力融通が行われように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
6. 直流き電電圧が下限基準直流電圧以上で上限基準直流電圧以下、且つ交流き電電圧が下限基準交流電圧以上で上限基準交流電圧以下であるときには、前記制御装置は前記電力貯蔵媒体を待機状態におくように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
7. 直流き電電圧が下限基準直流電圧以上で上限基準直流電圧以下、且つ交流き電電圧が上限基準交流電圧よりも大きいときには、前記制御装置は交流側回生電力を前記電力貯蔵媒体に貯蔵させるように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
8. 直流き電電圧が上限基準直流電圧よりも大きく、且つ交流き電電圧が下限基準交流電圧よりも小さいときは、前記制御装置は直流側回生電力を前記交流き電回路へ電力融通し、且つ前記直流き電回路で消費できない余剰電力で前記電力貯蔵媒体を充電させるように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
9. 直流き電電圧が上限基準直流電圧よりも大きく、且つ交流き電電圧が下限基準交流電圧以上で上限基準交流電圧以下であるときには、前記制御装置は直流側回生電力で前記電力貯蔵媒体を充電させるように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
10. 直流き電電圧が上限基準直流電圧よりも大きく、且つ交流き電電圧が上限基準交流電圧よりも大きいときには、前記制御装置は前記電力貯蔵媒体を充電させるように前記電力変換器並びに前記直流／交流変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道と交流電気鉄道の電力融通システム。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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