JP2010215048A - 回生対策装置と回生対策装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過補償状態を回避することができる回生対策装置を提供する。
【解決手段】交流電源１から供給される交流電力が整流器２にて直流電力に電力変換され、整流器２からの前記直流電力が架線３を介して電気車に供給される直流式電気鉄道設備において、架線３に接続され、架線３との接続点の電圧が所定値以上のとき動作し、架線３を介して供給される前記電気車からの回生エネルギーを変換するチョッパ６を備え、回生エネルギーを熱エネルギーとして消費する回生対策装置５であって、整流器２から回生対策装置５に電流が流れる過補償状態が回避され得るようにチョッパ６の設定電圧を制御する制御部９を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流式電気鉄道において、回生エネルギーを熱エネルギーとして消費する回生対策装置とその制御方法に関するものである。

直流式電気鉄道の電気車の回生エネルギーの対処として、エネルギーとして利用する方法と熱として消費する方法がある。このうち、エネルギーとして利用する方法が、例えば特許文献１〜３に記載されている。

エネルギーとしての利用は省電力化のためであるが、熱として消費するのは、電力変換器（例えば、回生用インバータ）が高価であるため、回生エネルギーが多く見込めない場所では簡易で安価な熱として消費する方法を用いることが得策だからである。

回生エネルギーを熱として消費する回生対策装置の適用例を図６に示す。図６のものは、交流電源１、変電所５０、架線３、および回生負荷４を備えている。

変電所５０は、交流電源１から供給された交流電力を図示しない変圧器とダイオードとを設けた整流器２により直流電力に変換する設備および回生対策装置２０を備えている。

架線３は、整流器２により変換された直流電力を送電するためのもので、等価回路として、インダクタンスおよび抵抗を図示している。

回生負荷４は、回生時の電気車を等価的に電流源として表したものである。回生時には、回生負荷４から架線３を介して回生エネルギーが供給される。

回生対策装置２０は、架線３に接続され、チョッパ６と回生抵抗７とを備えている。チョッパ６は、ＩＧＢＴ等の半導体デバイスのオンオフの動作を高速で繰り返して、架線３を介して供給される回生負荷４からの回生エネルギーの吸収を調整するものである。また、回生抵抗７は、チョッパ６により変換された電力を熱として消費させるためのものである。

回生対策装置２０の内部に備えられたチョッパ６は、整流器２から供給されるＡ点における直流電圧Ｖｄｃ１を検出し、その電圧がチョッパ６の設定された設定電圧Ｖｄｃ以上であれば動作する。そして、チョッパ６は、回生負荷４からの回生エネルギーが発生している間、前記Ａ点電圧Ｖｄｃ１が設定電圧となるように動作する。

Ａ点の電圧特性を示したものが図７である。

図７の縦軸の右側は、Ａ点の電圧と電気車の力行時の電流との関係を、交流電圧Ｖｓが１００％および１１０％の場合のそれぞれについて示している。また、図７の縦軸の左側は、前記電気車の回生時の、チョッパ６の設定電圧Ｖｄｃの特性例を示している。

チョッパ６の設定電圧Ｖｄｃを高く設定してしまうと、電気車からの回生電圧がＶｄｃ以上にならないと回生対策装置２０は動作しないため、電気車が回生失効するおそれがある。ここでは、Ｖｄｃが低い場合（図７の（Ｂ））のみを説明し、Ｖｄｃが高い場合（図７の（Ｃ））については後述する。

図７の縦軸の左側の（Ｂ）に示すように設定電圧Ｖｄｃを低く設定してしまうと回生対策装置２０が整流器２から負荷を取ることになり、回生対策装置２０の容量が非常に大きくなって装置が大型化すると共に無駄な電力を消費する過補償状態になる。なお、過補償状態のときには、整流器２から回生対策装置２０に流れる電流に、交流電源１の周波数の所定倍数の電流成分が重畳されている。

回生対策装置２０が整流器２から負荷を取ることがないように、チョッパ６の設定電圧を整流器２の無負荷時直流電圧（以下、無負荷電圧と称す。）以上に選定する方法が、例えば、特許文献４に示されている。

ここで、無負荷電圧とは、電気車が力行していない状態における、整流器の直流側の電圧のことである。

特開平８−１４９８１９号公報（サイリスタ式回生インバータ） 特開２０００−２９５７０４号公報（ＧＴＯ方式回生インバータ） 特開２００４−３５１９５２号公報（サイリスタ式回生インバータ） 特開２００４−１６８２１４号公報

無負荷時とはいえ、整流器２の出力側に多少の容量分があり、交流電源１のピーク値で充電されるので直流電圧が最も高く、その結果、図７の縦軸の右側の力行電流領域の電圧特性が示すように、Ａ点の電圧は、電気車の力行開始時の直流電圧が最も高く、電気車が力行し始めると急激に電圧が低下する。このように無負荷時から軽負荷時の電圧を計測するのは難しい。

また、整流器２の交流側の電圧は±１０％程度の変動を許容されている場合、整流器２の無負荷電圧も変動する。このため、チョッパ６の設定電圧Ｖｄｃは、整流器２から回生対策装置２０へ電流が流れないように、整流器２の交流側電圧の＋１０％の無負荷電圧に対応する必要がある。したがって、図７の縦軸の左側の（Ｃ）に示すように、設定電圧Ｖｄｃを交流電圧Ｖｓ１１０％時の無負荷電圧よりも若干上げ固定で設定している。しかし、このようにチョッパ６の設定電圧Ｖｄｃを上げると、図６に示す回生負荷４である回生源の電気車の電圧Ｖｄｃ２を高くしないと回生できないため、過電圧保護レベルに近くなり、回生失効しやすくなるという問題がある。

本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、過補償状態を回避することができる回生対策装置とその制御方法を提供することにある。

本発明は、前記課題の解決を図るために、交流電源から供給される交流電力が交流−直流変換手段にて直流電力に電力変換され、前記交流−直流変換手段からの前記直流電力が架線を介して電気車に供給される直流式電気鉄道設備において、前記架線に接続され、前記架線との接続点の電圧が所定値以上のとき動作し、前記架線を介して供給される前記電気車からの回生エネルギーを変換する直流−直流変換手段を備え、前記回生エネルギーを熱エネルギーとして消費する回生対策装置であって、前記交流−直流変換手段から前記回生対策装置に電流が流れる過補償状態が回避され得るように、前記直流−直流変換手段の設定電圧を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、直流−直流変換手段の設定電圧が回生対策装置の過補償状態が回避され得る値に制御されることにより、回生対策装置は交流−直流変換手段から電流が流れる過補償状態を回避することができる。

また、前記交流電源から前記交流−直流変換手段に供給される交流電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した交流電圧の値に応じて、前記直流−直流変換手段の設定電圧を制御することを特徴とする。

上記構成によれば、直流−直流変換手段の設定電圧は、制御手段により、交流−直流変換手段に供給される交流電圧に応じた値に設定される。これにより、前記交流電圧が所定範囲変動した場合に、実際には前記交流電圧がその下限の値であるにもかかわらず前記交流電圧の上限に対応した設定電圧にするというように、必要以上に直流−直流変換手段の設定電圧を上げることがないので、回生失効を防ぐことができる。

また、前記制御手段は、前記直流−直流変換手段の設定電圧を、前記交流電圧の電圧変動範囲の上限に対応して設定される前記直流−直流変換手段の設定電圧と、前記電圧変動範囲の下限に対応して設定される前記直流−直流変換手段の設定電圧と、の間に設定することを特徴とする。

上記構成によれば、過補償状態が回避される確実性が増すので、回生対策装置は更なる安定な動作を得ることができる。

また、前記交流−直流変換手段から前記直流−直流変換手段に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、前記制御手段は、前記電流検出手段が検出した電流から、前記交流電源の電源周波数の所定倍数の電流成分を検出し、前記所定倍数の電流成分が予め設定した値以下になるまで前記直流−直流変換手段の設定電圧を所定値ずつ上昇させることを特徴とする。

また、交流電源から供給される交流電力が交流−直流変換手段にて直流電力に電力変換され、前記交流−直流変換手段からの前記直流電力が架線を介して電気車に供給される直流式電気鉄道設備において、前記架線に接続され、前記架線との接続点の電圧が所定値以上のとき動作し、前記架線を介して供給される前記電気車からの回生エネルギーを変換する直流−直流変換手段と、前記交流−直流変換手段から前記直流−直流変換手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、前記回生エネルギーを熱エネルギーとして消費する回生対策装置における制御方法であって、前記回生対策装置の制御手段が、前記直流−直流変換手段の初期設定電圧を設定し、前記電流検出手段の検出電流から、前記交流電源の電源周波数の所定倍数の電流成分を検出し、前記所定倍数の電流成分が予め設定した値以下になるまで前記直流−直流変換手段の設定電圧を所定値ずつ上昇させることを特徴とする。

上記構成によれば、制御手段が、交流−直流変換手段から回生対策装置に流れる電流に含まれる交流電源の電源周波数の所定倍数の電流成分が予め設定した値になるまで、直流−直流変換手段の設定電圧を所定値ずつ上昇させている。これにより、当該所定倍数の電流成分のリプル分が回生対策装置に重畳しないので、過補償状態を回避することができる。

請求項１の発明によれば、直流−直流変換手段の設定電圧が直流−直流変換手段の過補償状態が回避され得る値に制御されることにより、回生対策装置は交流−直流変換手段から電流が流れる過補償状態を回避することができる。

請求項２の発明によれば、直流−直流変換手段の設定電圧は、制御手段により、交流−直流変換手段に供給される交流電圧に応じた値に設定される。これにより、前記交流電圧が所定範囲変動した場合に、実際には前記交流電圧がその下限の値であるにもかかわらず前記交流電圧の上限に対応した設定電圧にするというように、必要以上に直流−直流変換手段の設定電圧を上げることがないので、回生失効を防ぐことができる。

請求項３の発明によれば、制御手段が、直流−直流変換手段の設定電圧を、交流電圧の電圧変動範囲の上限に対応して設定される直流−直流変換手段の設定電圧と、交流電圧の電圧変動範囲の下限に対応して設定される直流−直流変換手段の設定電圧との間に設定している。これにより、過補償状態が回避される確実性が増すので、回生対策装置は更なる安定な動作を得ることができる。

請求項４および５の発明によれば、制御手段が、交流−直流変換手段から回生対策装置に流れる電流に含まれる交流電源の電源周波数の所定倍数の電流成分が予め設定した値になるまで、直流−直流変換手段の設定電圧を所定値ずつ上昇させている。これにより、当該所定倍数の電流成分のリプル分が回生対策装置に重畳しないので、過補償状態を回避することができる。

実施例１における回生対策装置の適用例を示す構成図。 実施例１における交流電圧Ｖｓと直流電圧指令値との関係を示す説明図。 実施例１における交流電圧Ｖｓと直流電圧指令値との関係を示す説明図。 実施例２における回生対策装置の適用例を示す構成図。 実施例２における処理のフローチャート。 従来における回生対策装置の適用例を示す構成図。 従来における回生電流または力行電流と整流器の直流側電圧との関係を示す説明図。

以下、本発明の実施の形態における回生対策装置を図面等に基づいて詳細に説明する。

図1は、実施例1における回生対策装置５を直流式電気鉄道に適用した構成図である。図６のものと同一のものには同一の符号を付し説明を省略する。図６のものと相違するのは、前記回生対策装置２０に、さらに電圧検出器８および制御部９を設けて回生対策装置５を構成したことである。なお、整流器２が交流−直流変換手段に相当し、チョッパ６が直流−直流変換手段に相当し、電圧検出器８が電圧検出手段に相当し、制御部９が制御手段に相当する。

電圧検出器８は、交流電源１から整流器２へ入力される交流電圧を検出し、その検出信号を制御部９へ送信するものである。

制御部９は、電圧検出器８が検出した交流電圧の値に基づいてチョッパ６の設定電圧である直流電圧指令値を決定するものである。

次に動作について説明する。

電圧検出器８が、整流器２の交流側電圧Ｖｓ（以下、交流電圧Ｖｓと称す。）を検出する。この交流電圧Ｖｓは、実際には連続的に変動することが多く、その電圧変動範囲は略±１０％である。

そして、制御部９が、検出された交流電圧Ｖｓの値に基づいて直流電圧指令値を決定する。この場合の交流電圧Ｖｓと直流電圧指令値との関係を図２に示す。図２は、縦軸に直流電圧指令値、横軸に交流電圧Ｖｓをとり、交流電圧Ｖｓに対する直流電圧指令値の変化を示している。

交流電圧Ｖｓの電圧変動範囲の下限である交流電圧Ｖｓの９０％以下における直流電圧指令値がＶｄｃ０９であり、交流電圧Ｖｓの電圧変動範囲の上限である交流電圧Ｖｓの１１０％以上における直流電圧指令値がＶｄｃ１１である。交流電圧Ｖｓの９０％から１１０％までの直流電圧指令値は、（（Ｖｄｃ１１−Ｖｄｃ０９）／０．２）Ｖｓによって決定される傾きの直線上の値となる。

また、直流電圧指令値は、回生対策装置５の更なる安定な動作を得るため、交流電圧Ｖｓの９０％以上の電圧時の直流電圧指令値Ｖｄｃ０９を上回る、例えば図３に示すＶｄｃ１０に設定してもよい。

このようにすることで、必要以上にチョッパ６の設定電圧を上げなくてもよいので、回生失効を防ぐことができる。また、チョッパ６の設定電圧が無負荷電圧を下回ることがないので、整流器２から回生対策装置５に電流が流れる過補償状態を回避することができる。

図４は、実施例２における回生対策装置１０を直流式電気鉄道に適用した構成図である。図６のものと同一のものには同一の符号を付し説明を省略する。図６のものと相違するのは、前記回生対策装置２０に、さらに電流検出器１１および制御部１２を設けて回生対策装置１０を構成したことである。なお、整流器２が交流−直流変換手段に相当し、チョッパ６が直流−直流変換手段に相当し、電流検出器１１が電流検出手段に相当し、制御部１２が制御手段に相当する。

電流検出器１１は、整流器２が電力変換して架線３に送電した直流電力のうち、回生対策装置１０の内部のチョッパ６に流れる電流成分を検出するものである。

制御部１２は、電流検出器１１が検出した電流成分に、交流電源１の電源周波数（例えば５０または６０Ｈｚ）でＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）解析を施し、その電源周波数の所定倍数の周波数の電流成分を検出して、この電流成分が設定値以下になるまで、チョッパ６の直流電圧指令値を微小電圧ΔＶ刻みで上昇させるものである。

次に動作について説明する。

整流器２が１２相整流器の場合、チョッパ６の直流電圧指令値が無負荷電圧より低いと、整流器２から回生対策装置１０に電流が流れ、チョッパ６に流れる電流には交流電源１における電源周波数の１２倍の周波数のリプル分が重畳される過補償状態になる。この１２倍の周波数の電流成分を流さないようにするため、図４の構成により、以下に説明する図５の処理が行われる。

まず、制御部１２が、回生対策装置１０のチョッパ６の直流電圧指令値の初期値Ｖｄｃを、実使用交流電圧（例えば、交流電圧Ｖｓの±１０％）の範囲における無負荷直流電圧付近で適宜に設定する（Ｓ１）。直流電圧指令値は、後の処理で上昇させるため、好ましくは低めに設定する。

次に、電流検出器１１が、整流器２からチョッパ６に流れる電流Ｉｄｃを検出する。そして、制御部１２が、検出された電流Ｉｄｃに交流電源１の電源周波数でＦＦＴ解析を施し、その電源周波数の１２倍の周波数の電流成分を検出する（Ｓ２）。

次に、制御部１２は、検出された１２倍の周波数の電流成分が設定値以下か否かを判断する（Ｓ３）。Ｙｅｓの場合は、ＳＴＥＰ２へ進み、Ｎｏの場合は、ＳＴＥＰ４へ進む。

次に、チョッパ６の直流電圧指令値を微小電圧ΔＶだけ上昇させる（Ｓ４）。その後ＳＴＥＰ２へ進み１２倍の周波数の電流成分が設定値以下になるまでＳＴＥＰ２〜ＳＴＥＰ４の処理を繰り返す。なお、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ４の処理は一定周期で行う。

このようにすることで、交流電源１における電源周波数の１２倍の周波数のリプル分が回生対策装置１０に重畳しないので、過補償状態を回避することができる。

なお、本実施例では、１２相の整流器を用いているが、６相の整流器の場合でも同様であることは言うまでもない。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…交流電源
２…整流器
３…架線
４…回生負荷
５，１０，２０…回生対策装置
６…チョッパ
７…回生抵抗
８…電圧検出器
９，１２…制御部
１１…電流検出器
５０…変電所

Claims (5)

1. 交流電源から供給される交流電力が交流−直流変換手段にて直流電力に電力変換され、前記交流−直流変換手段からの前記直流電力が架線を介して電気車に供給される直流式電気鉄道設備において、
   前記架線に接続され、前記架線との接続点の電圧が所定値以上のとき動作し、前記架線を介して供給される前記電気車からの回生エネルギーを変換する直流−直流変換手段を備え、
   前記回生エネルギーを熱エネルギーとして消費する回生対策装置であって、
   前記交流−直流変換手段から前記回生対策装置に電流が流れる過補償状態が回避され得るように、前記直流−直流変換手段の設定電圧を制御する制御手段を備えたことを特徴とする回生対策装置。
2. 前記交流電源から前記交流−直流変換手段に供給される交流電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した交流電圧の値に応じて、前記直流−直流変換手段の設定電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の回生対策装置。
3. 前記制御手段は、前記直流−直流変換手段の設定電圧を、前記交流電圧の電圧変動範囲の上限に対応して設定される前記直流−直流変換手段の設定電圧と、前記電圧変動範囲の下限に対応して設定される前記直流−直流変換手段の設定電圧と、の間に設定することを特徴とする請求項２に記載の回生対策装置。
4. 前記交流−直流変換手段から前記直流−直流変換手段に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記電流検出手段が検出した電流から、前記交流電源の電源周波数の所定倍数の電流成分を検出し、前記所定倍数の電流成分が予め設定した値以下になるまで前記直流−直流変換手段の設定電圧を所定値ずつ上昇させることを特徴とする請求項１に記載の回生対策装置。
5. 交流電源から供給される交流電力が交流−直流変換手段にて直流電力に電力変換され、前記交流−直流変換手段からの前記直流電力が架線を介して電気車に供給される直流式電気鉄道設備において、
   前記架線に接続され、前記架線との接続点の電圧が所定値以上のとき動作し、前記架線を介して供給される前記電気車からの回生エネルギーを変換する直流−直流変換手段と、前記交流−直流変換手段から前記直流−直流変換手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、
   前記回生エネルギーを熱エネルギーとして消費する回生対策装置における制御方法であって、
   前記回生対策装置の制御手段が、
   前記直流−直流変換手段の初期設定電圧を設定し、
   前記電流検出手段の検出電流から、前記交流電源の電源周波数の所定倍数の電流成分を検出し、
   前記所定倍数の電流成分が予め設定した値以下になるまで前記直流−直流変換手段の設定電圧を所定値ずつ上昇させることを特徴とする回生対策装置の制御方法。

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