JP2012180078A - 回生電力吸収装置の制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流電気鉄道で適用される回生電力吸収装置において、周囲の電車の在線状況に応じて電気変換動作を自律的に起動或いは停止させ、これにより不要な電力変換動作をなくし、電力変換器や周辺機器の耐久性を向上させ、省エネルギー化を実現する。
【解決手段】 直流電気鉄道に設備される回生電力吸収装置の周囲の電車の在線状況を、例えば直流変電所の回線電流の検出値から判定する判定器を設置する。また判定器は在線状況に応じて回線電力吸収装置の電力変換器にスイッチング動作の停止／起動の指令を送る。すなわち判定器は、近傍のすべての直流変電所の回線電流が閾値を下回り、電車が遠ざかっていくと判定した場合はスイッチング動作停止の指令を送り、いずれかの直流変電所の回線電流が閾値を超え、電車が近づいてくると判定した場合はスイッチング動作起動の指令を送る。
【選択図】図１

Description

本発明は、回線電力吸収装置の制御システム及び制御方法に関し、詳細には、直流電気鉄道に設置される回生電力吸収装置の電力変換動作制御に関する。

従来より、直流電気鉄道では、三相交流をシリコン整流器で直流に順変換して電力供給するケースがほとんどを占める。シリコン整流器は逆変換能力を持たないため、電車が電力回生を行う際、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の行き場がなく、回生失効（電気制動不能）となるケースがある。これを防ぐため、回生電力吸収装置を配置して余剰電力を吸収させることにより、回生失効を回避し、かつ電力回生エネルギーを有効に活用している。
回生電力吸収装置としては、直流を交流に逆変換して電力系統に電力供給する「回生インバータ」、フライホイールや電池等の電力蓄積媒体へチョッパ回路を介して回生電力を貯蔵し、電車力行時に放電する「電力貯蔵装置」等がある。これらは、インバータやチョッパといった電力変換器を有し、そのスイッチング動作により電力の融通が図られる。

例えば、特許文献１には、上述の「回生インバータ」方式の電力回生インバータ装置が記載されている。この電力回生インバータ装置は、直流電車が減速する際に生じる直流回生電力を、電力回生インバータ装置の電力変換器で直交変換し、商用電力系統に変換するものである。
また、特許文献２や特許文献３には、上述の直流電力貯蔵装置を利用したものについて記載されている。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、上記昇降圧チョッパにより外線電圧を降圧制御し、外線から昇降圧チョッパを介して直流電力蓄積装置の充電電流として電車の回生電力を吸収させるものである。

ところで、上述したような回生電力吸収装置に適用される電力変換器は、スイッチング素子とスナバ回路とで構成される。スナバ回路はコンデンサや抵抗で構成されており、電力変換器のスイッチングによるサージの影響を軽減するために用いられている。

特開２０００−２９５７０４号公報 特開２０００−２３３６６９号公報 特開２００１−２６０７１８号公報

しかしながら、従来の回生電力吸収装置は、エネルギーを授受する必要のない状況でも待機状態であれば電力変換器のスイッチング動作を継続するため、同時に抵抗による電力損失が発生していた。上述の課題克服のため、スナバレス電力変換器や回路定数の変更といった改善策も考えられるが、スイッチング動作を行う時間を減らすことも、電力変換器の耐久性向上及び省エネルギー化の面で重要な課題である。

本発明は、前述した課題を鑑みてなされたもので、直流電気鉄道に設備される回生電力吸収装置において、周囲の電車の在線状況に応じて不要な電力変換動作をなくし、これにより電力変換器や周辺機器の耐久性を向上させるとともに省エネルギー化を実現することが可能な回生電力吸収装置の制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、第１の発明は、直流電気鉄道に設備され、電力変換器を備えた回生電力吸収装置を制御する制御システムであって、周囲の電車の在線状況を判定し、判定結果に応じて前記電力変換器のスイッチング動作の停止または起動の指令を出力する判定器と、前記判定器が前記在線状況を取得するためのインターフェース、及び前記判定器から出力される指令を前記電力変換器に送出するインターフェースを含むネットワークと、を備え、前記回生電力吸収装置の電力変換器のスイッチング動作を、前記判定器から出力される指令に応じて停止または起動させることを特徴とする回生電力吸収装置の制御システムである。

また、第２の発明は、直流電気鉄道に設備され、電力変換器を備えた回生電力吸収装置を制御する制御方法であって、周囲の電車の在線状況を判定し、判定結果に応じて前記電力変換器のスイッチング動作の停止または起動の指令を出力し、前記回生電力吸収装置の電力変換器のスイッチング動作を、前記指令に応じて停止または起動させることを特徴とする回生電力吸収装置の制御方法である。

第１及び第２の発明によれば、直流電気鉄道に設けられている回生電力吸収装置の電力変換器のスイッチング動作を、周囲の電車の在線状況に応じて自律的に停止または起動させることが可能となる。
これにより、回生電力吸収装置における不要な電力変換動作をなくし、これにより電力変換器や周辺機器の耐久性を向上させるとともに省エネルギー化を実現することが可能となる。

また、第１の発明において、前記回生電力吸収装置に隣設する直流変電所の回線電流を検出する検出器を備え、前記判定器は、前記検出器によって検出される検出値の大きさに基づいて各直流変電所の近傍を電車が走行するか否かを判定し、隣設するすべての直流変電所の近傍を電車が走行してしないと判定した場合は、前記電力変換器に対してスイッチング動作停止の指令を出力することが望ましい。
このように検出器を設けることによって、隣設する直流変電所の回線電流を検出し、その検出値から周囲を力行する電車が存在するか否かを検出できる。また、すべての直流変電所の近傍に力行する電車が存在しない場合は、回生電力吸収装置が電力の授受を行う必要がないので電力変換器のスイッチング動作を停止し、スイッチング動作に伴い発生する電力損失を低減できる。スイッチング動作時間を低減させることにより、電力変換器の耐久性も向上する。

また、第１の発明において、前記判定器は、隣設する直流変電所のうち少なくとも１つ以上の直流変電所の近傍を電車が走行すると判定した場合は、前記電力変換器に対してスイッチング動作起動の指令を出力することが望ましい。
これにより、直流変電所の近傍に力行する電車が存在する場合は、電力変換器のスイッチング動作を再開させ、回生電力吸収装置を起動させることができる。

また、第１の発明において、前記電力変換器の動作状態に係わらず、前記回線電力吸収装置に設けられる直流遮断器は、継続して投入状態を維持することが望ましい。
従来の直流遮断器は電力変換器のスイッチング動作を起動すると開放するようになっていたが、これにより、直流遮断器は電力変換器のスイッチング動作に連動した開放動作を行う必要がないため遮断器の摩耗が減り、耐久性を向上できる。

本発明の回生電力吸収装置の制御システム及び制御方法により、周囲の電車の在線状況に応じて自律的に電力変換器のスイッチング動作を停止／起動させることが可能となり、これにより不要な電力変換動作をなくし、省エネルギー化を実現できる。また電力変換器や周辺機器の耐久性が向上する。

本発明の実施の形態に係る回生電力吸収装置の制御システム１のシステム構成図 回生インバータを用いた回生電力吸収装置２Ａの概略構成図 電力貯蔵媒体を用いた回生電力吸収装置２Ｂの概略構成図 電車の在線状況と検出される負荷電流の関係、及びスイッチング動作起動／停止のタイミングを示す図 判定器３の内部構成を示すブロック図

以下、図面に基づいて本発明に係る回生電力吸収装置の制御システムの実施の形態を詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施の形態の制御システム１のシステム構成について説明する。

図１に示すように、制御システム１は直流電気鉄道に設備され、制御対象とする回生電力吸収装置２の周囲の電車の在線状況を判定する判定器３、判定器３からの指令を回生電力吸収装置２内の電力変換器（図２、図３参照）に伝送する通信インターフェースＬ１、及び判定器３に対して在線状況を送出するための通信インターフェースＬ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５を備える。上述の回生電力吸収装置２及び判定器３は、通信インターフェースＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５を介して接続され、ネットワークを構成する。

回生電力吸収装置２としては、例えば、図２に示すように回生インバータ２２を用い、回生電力を直流から交流に逆変換して電力系統へ電力供給するもの（回生電力吸収装置２Ａ）、または、図３に示すようにチョッパ回路等の電力変換器２７を介して回生電力を電力貯蔵媒体２８に貯蔵しておき、電車力行時に放電するもの（回生電力吸収装置２Ｂ）等がある。
いずれの方式の回生電力吸収装置２Ａ，２Ｂもインバータやチョッパといった電力変換器２３，２４，２７を有し、電力変換器２３，２４，２７をスイッチング動作させることにより、電力の融通が行われている。

そして、本発明に係る制御システム１の判定器３は、回生電力吸収装置２の電力変換器２３，２４，２７に対して、周囲に在線状況に応じて停止または起動の指令を送出する。

すなわち、判定器３は、周囲の直流変電所４ａ，４ｂの回線電流を検出し、その検出値に基づいて近傍の電車の在線状況、すなわち力行する電車が近づいているか、或いは遠ざかっているかを判定する。また、判定器３は、判定結果に応じて、回生電力吸収装置２の電力変換器（図２、図３参照）のスイッチング動作を停止または起動させる指令を送出する。

判定器３により回生電力吸収装置２（２Ａ，２Ｂ）から電車が遠ざかっていると判定された場合は、判定器３は回生電力吸収装置２（２Ａ，２Ｂ）の電力変換器２３，２４，２７（図２、図３参照）のスイッチング動作を停止させる指令を送出する。
また、回生電力吸収装置２（２Ａ，２Ｂ）に電車が近づいていると判定した場合は、判定器３は回生電力吸収装置２（２Ａ，２Ｂ）の電力変換器２３，２４，２７（図２、図３参照）のスイッチング動作を起動させる指令を送出する。

電力変換器２３，２４，２７は、スイッチング素子、抵抗、コンデンサ等から構成され、判定器３から送られた停止または起動の指令に応じてスイッチング動作を停止または起動する。

次に、在線状況の取得について説明する。
本実施の形態の制御システム１では、回生電力吸収装置２の周囲の電車の在線状況を取得するために、検出器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを用いて回生電力吸収装置２に隣設する直流変電所４ａ，４ｂの回線電流の大きさを検出する。

なお、以下の説明では、図１に示すように、線路が複線の例を用いる。複線の場合、回生電力吸収装置２及びそれに隣設する直流変電所４ａ，４ｂは、それぞれ上り線及び下り線の各き電線５ａ，５ｂと接続される。
そして、各直流変電所４ａ，４ｂの近傍のき電線５ａ，５ｂそれぞれに回線電流を検出する検出器６ａ，６ｂ、６ｃ，６ｄを設け、各検出器６の検出値を判定器３へ送出することで、判定器３が周囲の在線状況を取得できるようになっている。

具体的には、一方（例えば、上り側）の直流変電所４ａの近傍の下り線５ｂの回線電流の検出値が配線Ｌ２を介して判定器のＩＮ１に入力され、直流変電所４ａの近傍の上り線５ａの回線電流の検出値が配線Ｌ３を介して判定器のＩＮ２に入力される。
また、他方（例えば、下り側）の直流変電所４ｂの近傍の上り線５ａの回線電流の検出値が配線Ｌ４を介して判定器のＩＮ３に入力され、直流変電所４ｂの近傍の下り線５ｂの回線電流の検出値が配線Ｌ５を介して判定器のＩＮ４に入力される。

図４は、各検出器６ａ〜６ｄから入力される検出値と電車の位置との関係を示す図である。直流変電所４ａ，４ｂの回線電流は、電車が近傍を力行する際に比較的大きな値を示し、電車が遠方を力行する際に比較的小さな値を示す。
そのため、電車が直流変電所から遠ざかる場合は、図４（Ａ）に示すように電車が近傍から遠方へ遠ざかるに従って小さな検出値を示すように変化する。
また、電車が直流変電所４ａ，４ｂに近づく場合は、図４（Ｂ）に示すように電車が遠方から近傍へ近づくに従って大きな検出値を示すように変化する。

これらの回線電流の検出値の変化に基づいて、判定器３は上り線５ａ及び下り線５ｂについてそれぞれ下り側及び上り側の直流変電所４ａ，４ｂの近傍に電車が走行するか否かを判別する。

そして、すべての検出器６ａ〜６ｄの出力値が、図４（Ｂ）に示すような変化を示し、遠方へ遠ざかることが確認できると、判定器３は「停止」の指令を出力する。

一方、検出器６ａ〜６ｄのうち、いずれか１つ以上の検出器からの出力値が、図４（Ａ）に示すような遠方から近傍へ近づく変化を示すと、判定器３は「起動」の指令を出力する。

次に、判定器３による在線状況の判定について説明する。
図５は、判定器３の内部構成の一例を示すブロック図である。
図５に示すように、判定器３は、例えば比較器３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとＯＲ回路３３とを有する。

比較器３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、それぞれ入力端子ＩＮ１，ＩＮ２，ＩＮ３，ＩＮ４に入力される電流値（隣設する直流変電所４ａ，４ｂの上り線及び下り線の回線電流の値）を所定の閾値と比較し、入力された電流値が所定の閾値を超える場合は「１」、所定の閾値を下回る場合は「０」を出力する。すなわち、各比較器３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、電車が近傍を走行していると「１」、遠方を走行していると「０」を出力する（図５の「例１」の場合）。

ＯＲ回路３３は、複数の入力値のうちすべての入力値が「０」の場合は「０（停止）」を出力し、いずれか一つでも「１」があれば、「１（起動）」を出力する。判定器３のＯＲ回路３３から出力された出力値は、回生電力吸収装置２の電力変換器２３，２４，２７に入力され、電力変換器２３，２４，２７は判定器３から入力された指令に応じてスイッチング動作を停止または起動する。

なお、電車が近づくか遠ざかるかの判定は、検出値の変動により判定するようにしてもよい（図５の「例２」）。すなわち、一定時間連続的に得た検出値について変動の大きさを監視し、変動の大きさが所定の大きさより大きく変動し、徐々に小さくなる場合は電車が遠ざかっていると判定でき、逆に徐々に大きくなる場合は電車が近づいていると判定できる。

なお、上述の制御システム１において、判定器３から出力する指令は、電力変換器２３，２４，２７のスイッチング動作を対象とし、回生電力吸収装置２に設けられている直流遮断器７の動作に影響しないものとすることが望ましい。すなわち、通常の直流遮断器７は、電力変換器２３，２４，２７のスイッチング動作をＯＮにすると開放するようになっているが、本発明の制御システム１では電力変換器２３，２４，２７のスイッチング動作の起動／停止に係わらず、直流遮断器７は継続して投入状態を維持させる。

直流遮断器７は投入状態を維持し、開放動作をさせなければ、開放動作による遮断器の摩耗を減らすことができ、劣化を防ぐことができる。

以上説明したように、本実施の形態の回生電力吸収装置の制御システム１によれば、回線電力吸収装置２に隣設する直流変電所の回線電流を検出し、その検出値に基づいて、電車が近傍を走行するか遠方を走行するかを判別し、遠方走行時には、回線電力吸収装置２の電力変換器２３，２４，２７のスイッチング動作を停止させて、スイッチングに伴い発生する電力損失を低減する。また、電車が近づいてくると、電力変換器２３，２４，２７のスイッチング動作を再開し、回線電力吸収装置２を再起動する。これにより、回生電力吸収装置２の電力変換器２３，２４，２７のスイッチング動作を、周囲の電車の在線状況に応じて自律的に停止または起動させることが可能となる。よって、不要な電力変換動作をなくし、電力変換器や周辺機器の耐久性を向上させるとともに省エネルギー化を実現可能となる。

なお、上述の例では、複線の例を示しているが、単線、複々線の場合にも適用できる。単線の場合は、上り側直流変電所及び下り側直流変電所の各き電線にそれぞれ検出器６を設け、その出力を判定器３に入力する。すなわち、判定器３への入力数は２つである。複々線の場合は、計８か所に検出器６を設け、その出力を判定器３に入力する。すなわち、判定器３への入力数は８つである。
いずれの場合も、判定器３は、いずれか一つの直流変電所に電車が近づいていることを検知すれば、スイッチング動作「起動」の指令を送出し、すべての直流変電所から電車が遠ざかることを示していれば、スイッチング動作「停止」の指令を回生電力吸収装置２の電力変換器２３，２４，２７に出力する。

また、図１の例では、回生電力吸収装置２の両側（上り側及び下り側）に直流変電所４ａ，４ｂがある例を示しているが、稀に、線路が行き止まりになっていて回生電力吸収装置２に隣設する直流変電所が１つだけしかないという場合もある。このように、直流変電所が１つの場合であっても本発明の制御システム１を適用できる。

また、上述の実施の形態では、回線電力吸収装置２に隣設する直流変電所４ａ、４ｂの回線電流を検出器６ａ〜６ｄによって検出することにより、在線状況を取得する例を示したが、本発明はこれに限定されず、検出器６を設置せず、在線検出システムからの在線情報を取得する例も含むものとする。

在線検出システムから周囲の在線状況を取得する例の場合、本発明の制御システム１では、例えば既に敷設されている在線検出システムから在線情報を取得するために通信装置（不図示）を判定器３に設ける。在線検出システムとしては、例えばレールに沿って地上に設けられる識別子と各車両に設置される上記識別子の読取器、及び速度発電機等から車両の走行位置を認識し、車両から駅等の監視装置へ無線通信によって車両の走行位置情報を送るもの等が提案されている（特開２００１−５６２３４公報、特開２００９−１４９２１６号公報等）。

なお、既存の在線検出システムから在線情報を取得すると、ディーゼル機関車等の内燃動車も検出してしまうが、内燃動車のみが近づいてきた場合は、回生電力吸収装置２の電力変換器のスイッチング動作は停止したままでよい。このため、在線検出システムからの在線情報を取得した後に、車両の選別を行うことが望ましい。例えば、取得した各車両の在線情報からディーゼル機関車等の内燃動車の在線情報を除去し、電車についての在線情報のみを判定器３による判定対象とする。一方、在線検出システムから在線情報を取得する場合には、電車が惰行を続ける場合、例えば２本の直流変電所の間が継続した下り坂で電車の力行が不要の場合にも在線情報を取得できる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１・・・・・・・・・・・・回生電力吸収装置の制御システム
２，２Ａ，２Ｂ・・・・・・・回生電力吸収装置
３・・・・・・・・・・・・・判定器
４ａ，４ｂ・・・・・・・・・直流変電所
５，５ａ，５ｂ・・・・・・・き電線（上り線、下り線）
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ・・・検出器
７・・・・・・・・・・・・・直流遮断器
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５・・・インターフェース
ＩＮ１，ＩＮ２，ＩＮ３，ＩＮ４・・入力端子
２１・・・・・・・・・・・・整流器
２２・・・・・・・・・・・・回生インバータ
２３、２４、２７・・・・・・電力変換器
２８・・・・・・・・・・・・電力貯蔵媒体
３１・・・・・・・・・・・・比較器
３３・・・・・・・・・・・・ＯＲ回路
８・・・・・・・・・・・・・レール

Claims (8)

1. 直流電気鉄道に設備され、電力変換器を備えた回生電力吸収装置を制御する制御システムであって、
   周囲の電車の在線状況を判定し、判定結果に応じて前記電力変換器のスイッチング動作の停止または起動の指令を出力する判定器と、
   前記判定器が前記在線状況を取得するためのインターフェース、及び前記判定器から出力される指令を前記電力変換器に送出するインターフェースを含むネットワークと、を備え、
   前記回生電力吸収装置の電力変換器のスイッチング動作を、前記判定器から出力される指令に応じて停止または起動させることを特徴とする回生電力吸収装置の制御システム。
2. 前記回生電力吸収装置に隣設する直流変電所の回線電流を検出する検出器を備え、
   前記判定器は、前記検出器によって検出される検出値の大きさに基づいて各直流変電所の近傍を電車が走行するか否かを判定し、隣設するすべての直流変電所の近傍を電車が走行してしないと判定した場合は、前記電力変換器に対してスイッチング動作停止の指令を出力することを特徴とする請求項１に記載の回生電力吸収装置の制御システム。
3. 前記判定器は、隣設する直流変電所のうち少なくとも１つ以上の直流変電所の近傍を電車が走行すると判定した場合は、前記電力変換器に対してスイッチング動作起動の指令を出力することを特徴とする請求項２に記載の回生電力吸収装置の制御システム。
4. 前記電力変換器の動作状態に係わらず、前記回線電力吸収装置に設けられる直流遮断器は、継続して投入状態を維持することを特徴とする請求項１に記載の回生電力吸収装置の制御システム。
5. 直流電気鉄道に設備され、電力変換器を備えた回生電力吸収装置を制御する制御方法であって、
   周囲の電車の在線状況を判定し、
   判定結果に応じて前記電力変換器のスイッチング動作の停止または起動の指令を出力し、
   前記回生電力吸収装置の電力変換器のスイッチング動作を、前記指令に応じて停止または起動させることを特徴とする回生電力吸収装置の制御方法。
6. 前記回生電力吸収装置に隣設する直流変電所の回線電流を検出器によって検出し、
   前記検出器によって検出される検出値の大きさに基づいて各直流変電所の近傍を電車が走行するか否かを判定し、隣設するすべての直流変電所の近傍を電車が走行してしないと判定した場合は、前記電力変換器に対してスイッチング動作停止の指令を出力することを特徴とする請求項５に記載の回生電力吸収装置の制御方法。
7. 前記判定器は、隣設する直流変電所のうち少なくとも１つ以上の直流変電所の近傍を電車が走行すると判定した場合は、前記電力変換器に対してスイッチング動作起動の指令を出力することを特徴とする請求項６に記載の回生電力吸収装置の制御方法。
8. 前記電力変換器の動作状態に係わらず、前記回線電力吸収装置に設けられる直流遮断器は、継続して投入状態を維持することを特徴とする請求項５に記載の回生電力吸収装置の制御方法。

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