JP2013141374A - 電気鉄道用電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギー利用による発電電力及び蓄電池を効率的に利用することのできる電気鉄道用電力系統を提供することにある。
【解決手段】直流母線２０に接続された蓄電装置３、自然エネルギー利用の発電電力を直流母線２０に供給するための直流電力に変換する電力変換器４、交流系統２２と直流母線２０との間に設けられた電力変換器５、及び直流母線２０とき電線２３との間に設けられた電力変換器６により構成される電気鉄道用電力供給システム１０は、気象情報ＤＴ２に基づいて、自然エネルギー利用の発電電力を予測し、列車ダイヤ情報ＤＴ１及び予測された発電電力に基づいて、各電力変換器４〜６を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気鉄道用電力系統に適用される電力供給システムに関する。

一般に、電気鉄道の電力供給システム（例えば、直流き電システム）は、負荷変動が激しく、架線電圧変動が大きい特性になる。直流き電線に電力供給するためには、交流電源系統からの交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器を用いることが多い。ダイオード整流器を用いている場合、交流電源系統に電源回生するためには、回生インバータを設置する必要がある。また、回生車の回生電力を消費する充分な負荷が回生車の周辺に無い場合、回生車は回生失効に陥る。このため、回生車の回生電力を吸収するために、直流き電システムに蓄電池が設置されることがある。蓄電池を設置することで、架線電圧変動の抑制又は余剰回生電力の吸収が可能になる。

一方、自然エネルギーを利用した発電設備及び二次電池が接続されたき電システムをマイクログリッド用の送電線に用いることが提案されている。

特開２０１０−１１７１１号公報 特開２０１１−５６９９６号公報

しかしながら、直流き電システムは、線路インピーダンスが大きい上に、国内ではき電線の電圧が６００〜１５００［Ｖ］と低い。このため、き電線をマイクログリッド用の送電線として用いた場合、送電損失が大きい。

一方、自然エネルギー利用による発電は、安定した発電をすることが困難である。また、電気鉄道用電力系統は、負荷変動が激しい。さらに、蓄電池の設置には、多額の初期投資が必要になる。

このため、自然エネルギー利用による発電設備及び蓄電池を電気鉄道用電力系統に用いる場合に、これらの構成及び電力の運用方法によっては、設備投資、運用コスト又は電力損失などが大きくなる。

そこで、本発明の実施形態の目的は、自然エネルギー利用による発電電力及び蓄電池を効率的に利用することのできる電気鉄道用電力系統を提供することにある。

本発明の実施形態の観点に従った電気鉄道用電力供給システムは、直流電線に接続された蓄電手段と、自然エネルギー利用の発電電力を前記直流電線に供給するための直流電力に変換する第１の電力変換手段と、交流系統と前記直流電線との間に設けられた第２の電力変換手段と、列車に電力供給するための電気鉄道用電力系統と前記直流電線との間に設けられた第３の電力変換手段と、前記自然エネルギー利用の発電に影響を与える気象に関する情報を含む気象情報を取得する気象情報取得手段と、前記気象情報取得手段により取得された前記気象情報に基づいて、前記自然エネルギー利用の発電電力を予測する発電電力予測手段と、前記列車の列車ダイヤに関する情報を含む列車ダイヤ情報を取得する列車ダイヤ情報取得手段と、前記列車ダイヤ情報取得手段により取得された前記列車ダイヤ情報及び前記発電電力予測手段により予測された発電電力に基づいて、前記第１の電力変換手段、前記第２の電力変換手段、及び前記第３の電力変換手段を制御する制御手段とを備えている。

本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムの構成を示す構成図。 本実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図。 本実施形態に係る電力運用計画生成部により生成される放電計画の指標の例を示すグラフ図。 本実施形態にＳＯＣ計画生成部により生成されるＳＯＣ計画の指標の例を示すグラフ図。 本実施形態に係る蓄電装置のＶ−Ｉ特性を示すグラフ図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システム１０の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

電気鉄道用電力供給システム１０は、制御装置１と、発電設備２と、蓄電装置３と、発電設備側電力変換器４と、交流系統側電力変換器５と、き電線側電力変換器６と、高圧配電負荷７と、変圧器８と、６つの接触器１１〜１６と、直流母線２０と、交流系統２２と、き電線２３とを備えている。

商用系統２１は、変圧器８を介して、交流系統２２と接続されている。商用系統２１は、交流系統２２の上位電力系統である。商用系統２１は、電力会社などの電力系統である。

交流系統２２は、商用系統２１から変圧器８を介して交流電力を受電する。交流系統２２は、高圧配電負荷７及びき電線２３に電力を供給する。

き電線２３は、列車２４に直流電力を供給するための回路である。列車２４の回生電力は、き電線２３に放出される。

制御装置１は、電気鉄道用電力供給システム１０の全体的な運用をするための制御をする。例えば、制御装置１は、蓄電装置３、３つの電力変換器４〜６、及び６つの接触器１１〜１６を制御する。制御装置１は、これらの機器等を制御することにより、電気鉄道用電力供給システム１０の電気エネルギーを効率的に利用する。

発電設備２は、自然エネルギーとして太陽光を利用して発電（太陽光発電）するための設備である。発電設備２は、発電した電力を発電設備側電力変換器４に供給する。

蓄電装置３は、地上側に設置されている。蓄電装置３は、直流母線２０に接続されている。蓄電装置３は、電気エネルギーを充電又は放電する。蓄電装置３は、発電設備２により発電された余剰電力を発電設備側電力変換器４を介して蓄電する。蓄電装置３は、き電線２３の余剰回生電力をき電線側電力変換器６を介して蓄電する。蓄電装置３は、交流系統側電力変換器５を介して交流系統２２に充放電することで、過充電及び過放電を防止し、かつ所望のＳＯＣ(充電状態：state of charge)に制御する。

発電設備側電力変換器４の一端は、接触器１１を介して発電設備２と接続されている。発電設備側電力変換器４の他方の一端は、接触器１２を介して直流母線２０と接続されている。発電設備側電力変換器４は、発電設備２により発電された直流電力を直流母線２０に供給するための直流電力に変換する。発電設備側電力変換器４は、例えば、ＰＷＭ(pulse width modulation)コンバータ又は直流チョッパである。

交流系統側電力変換器５の交流側は、接触器１４を介して交流系統２２と接続されている。交流系統側電力変換器５の直流側は、接触器１３を介して直流母線２０と接続されている。交流系統側電力変換器５は、交流系統２２から供給される交流電力を直流母線２０に供給するための直流電力に変換する。交流系統側電力変換器５は、き電線２３からき電線側電力変換器６を介して直流母線２０に供給される回生電力を交流系統２２に回生するための交流電力に変換する。

き電線側電力変換器６は、直流母線２０に供給される直流電力をき電線２３に供給するための直流電力に変換する。き電線側電力変換器６は、例えば昇降圧チョッパである。

高圧配電負荷７は、交流系統２２に接続されている。高圧配電負荷７は、例えば、エレベータ、エスカレータ、又は空調設備などである。

接触器１１〜１６は、電気経路の接続及び切断をするための開閉器である。接触器１１は、発電設備２と発電設備側電力変換器４との接続及び切断をする。接触器１２は、発電設備側電力変換器４と直流母線２０との接続及び切断をする。接触器１３は、交流系統側電力変換器５と直流母線２０の接続及び切断をする。接触器１４は、交流系統２２と交流系統側電力変換器５との接続及び切断をする。接触器１５は、き電線側電力変換器６と直流母線２０との接続及び切断をする。接触器１６は、き電線２３とき電線側電力変換器６との接続及び切断をする。

図２は、本実施形態に係る制御装置１の構成を示す構成図である。

制御装置１は、電力運用計画生成部１０１と、自然エネルギー発電計画実行部１０２と、き電線用充放電計画実行部１０３と、交流系統用充放電計画実行部１０４と、ＳＯＣ計画生成部１０５と、制御部１０６とを備えている。

電力運用計画生成部１０１は、列車ダイヤ情報ＤＴ１、気象情報ＤＴ２、及び列車仕様・路線情報ＤＴ３を取得する。これらの情報ＤＴ１〜ＤＴ３は、どのように取得してもよい。例えば、他のシステムから受信してもよいし、予め制御装置１の内部に記憶（又は設定）されていてもよい。

列車ダイヤ情報ＤＴ１は、列車ダイヤに関する情報である。制御装置１は、列車ダイヤ情報ＤＴ１に基づいて、ラッシュ時間帯、閑散時間帯、又は通常時間帯などを判断したり、ある時間に運行している列車２４の本数を把握したりする。制御装置１は、き電線２３の消費電力量及び回生電力量を予測するための演算に列車ダイヤ情報ＤＴ１を用いてもよい。

気象情報ＤＴ２は、気象に関する情報である。制御装置１は、気象情報ＤＴ２に基づいて、発電設備２による発電量を推測する。ここで、発電設備２による発電は、太陽光を利用している。このため、気象情報ＤＴ２には、日光の照度又は日照時間などの発電に影響する気象情報などが含まれる。

列車仕様・路線情報ＤＴ３には、列車２４の仕様に関する情報及び路線に関する情報が含まれている。列車２４の仕様に関する情報とは、列車２４を構成する各機器の性能などを示す情報である。具体的には、列車２４の仕様に関する情報は、列車２４の動力源となる電動機の出力容量又は車内の空調等のサービス機器の消費電力量などである。路線に関する情報とは、各路線の構成などのき電線２３側の電力系統を構成する機器及び設備に関する情報である。具体的には、路線に関する情報は、き電線２３の区間毎のインピーダンス又は線路の並列数などである。制御装置１は、列車仕様・路線情報ＤＴ３に基づいて、き電線２３への消費電力量又はき電線２３からの回生電力量を推測する。

電力運用計画生成部１０１は、列車ダイヤ情報ＤＴ１、気象情報ＤＴ２、及び列車仕様・路線情報ＤＴ３に基づいて、自然エネルギー発電計画ＰＬ１、き電線用充放電計画ＰＬ２、及び交流系統用充放電計画ＰＬ３を生成する。電力運用計画生成部１０１は、情報ＤＴ１〜ＤＴ３が更新される度に又は予め決められた時間間隔で、これらの計画ＰＬ１〜ＰＬ３を更新（修正又は再生成）する。電力運用計画生成部１０１は、生成した計画ＰＬ１〜ＰＬ３をそれぞれ自然エネルギー発電計画実行部１０２、き電線用充放電計画実行部１０３、及び交流系統用充放電計画実行部１０４に送信する。

これらの計画ＰＬ１〜ＰＬ３は、図３に示すような時系列の放電電力の指標を最適化手法により決定する。最適化手法は、制約時間内（５分、１０分又は３０分など）で、最適化演算を繰り返し行う。最適化演算は、例えば遺伝的アルゴリズムである。自然エネルギー発電計画ＰＬ１の場合、発電設備２が逆潮流を許さない構成であれば、放電電力（発電電力）は、マイナス値にならない。き電線用充放電計画ＰＬ２の場合、放電電力のマイナス値は、回生電力を表す。交流系統用充放電計画ＰＬ３の場合、放電電力のマイナス値は、上位系統である交流系統２２から電力供給を受けることを表す。なお、これらの計画ＰＬ１〜ＰＬ３は、時系列の放電電力の指標を示すものに限らず、他のエネルギーを制御するような指標で示してもよい。

自然エネルギー発電計画実行部１０２は、自然エネルギー発電計画ＰＬ１を実行するために、蓄電装置３に要求する時系列の充電電力を決定する。自然エネルギー発電計画実行部１０２は、決定した時系列の充電電力をＳＯＣ計画生成部１０５に送信する。

き電線用充放電計画実行部１０３は、き電線用充放電計画ＰＬ２を実行するために、蓄電装置３に要求する時系列の充放電電力を決定する。き電線用充放電計画実行部１０３は、決定した時系列の充放電電力をＳＯＣ計画生成部１０５に送信する。

交流系統用充放電計画実行部１０４は、交流系統用充放電計画ＰＬ３を実行するために、蓄電装置３に要求する時系列の充放電電力を決定する。交流系統用充放電計画実行部１０４は、決定した時系列の充放電電力をＳＯＣ計画生成部１０５に送信する。

ＳＯＣ計画生成部１０５は、自然エネルギー発電計画実行部１０２、き電線用充放電計画実行部１０３、及び交流系統用充放電計画実行部１０４からそれぞれ受信した蓄電装置３に要求する時系列の充放電電力に基づいて、ＳＯＣ計画ＰＬ４を生成する。ＳＯＣ計画生成部１０５は、生成したＳＯＣ計画ＰＬ４を制御部１０６に送信する。

ＳＯＣ計画ＰＬ４は、図４に示すように、蓄電装置３のＳＯＣ状態の目標を時系列に示す指標である。ＳＯＣ計画ＰＬ４は、次のように決定する。ＳＯＣ計画生成部１０５は、発電設備２により発電される電力量から交流系統２２及びき電線２３に放電（供給）する電力量を引いた電力量を演算する。ここで、交流系統２２から電力供給を受ける場合又はき電線２３から回生電力がある場合は、これらによる電力量を発電設備２により発電される電力量に加算する。このように算出した電力量は、蓄電装置３に供給される電力量となる。ＳＯＣ計画生成部１０５は、算出した電力量を時間積分することで、蓄電装置３に入力されるエネルギーを算出する。ＳＯＣ計画生成部１０５は、算出した蓄電装置３への入力エネルギーに基づいて、蓄電装置３の時系列のＳＯＣ状態示すＳＯＣ計画ＰＬ４を決定する。

制御部１０６は、ＳＯＣ計画生成部１０５から受信したＳＯＣ計画ＰＬ４に従って、蓄電装置３のＳＯＣ状態を管理するように、３つの電力変換器４〜６を制御する。

また、制御部１０６は、系統事故又は各種機器の故障などの異常を検出すると、その異常に対応する保護動作として、接触器１１〜１６などの各種機器を制御する。制御部１０６は、異常が復帰したことを検出すると、通常の状態に戻すために各種機器を制御する。

次に、制御装置１の制御による電気鉄道用電力供給システム１０の動作について説明する。ここでは、都市近郊の鉄道を想定した制御について説明する。

まず、気象条件が晴天の場合について説明する。

早朝、列車が走り始める頃は、太陽光発電の発電電力は少ない。また、早朝の回生車２４は、自車近辺に回生電力を吸収する列車２４が存在することが少ない。従って、き電線２３は、主に、交流系統側電力変換器５及びき電線側電力変換器６を介して、交流系統２２から電力供給を受ける。

また、蓄電装置３の役目は、主に回生電力の吸収となる。制御装置１は、列車２４の余剰回生電力を可能な限り蓄電装置３に充電する。但し、蓄電装置３が余剰回生電力の吸収だけを行っていると、蓄電装置３は、すぐに満充電となる。そこで、蓄電装置３のＳＯＣ状態が満充電に近づくと、蓄電装置３は、蓄電エネルギーを列車２４に力行エネルギーとして供給する。ここで、不用意に、蓄電装置３の蓄電エネルギーをき電線２３にき電すると、回生車２４の回生失効を誘発する可能性がある。従って、き電線２３の架線電圧が高い場合、貯蔵した回生エネルギーをき電線２３へ出力するのではなく、交流系統２２に電力変換器５を介して回生する。

例えば、蓄電装置３の動作は、次のようになる。き電線２３に設置される整流器の無負荷送り出し電圧より低い場合、蓄電装置３は放電する。無負荷送り出し電圧以上の場合、蓄電装置３は、原則として、回生電力を吸収するように充電する。但し、蓄電装置３が満充電に近く、かつ無負荷送り出し電圧以上の場合、蓄電装置３は、交流系統側電力変換器５を介して交流系統２２に放電する。このように、蓄電装置３は、き電線電圧に応じて充放電制御される。

早朝の閑散時間帯を過ぎると、ラッシュ時間帯に入る。ラッシュ時間帯の場合、架線電圧降下が生じ易い。

発電設備２から供給される電力は、発電設備側電力変換器４を介して蓄電装置３に充電される。発電設備２からの太陽光発電による電力供給では足りない場合は、制御装置１は、交流系統側電力変換器５をコンバータ（交流から直流への電力変換）運転をして、交流系統２２から蓄電装置３に持続的に充電電力を供給する。このようにして、制御装置１は、蓄電装置３のＳＯＣ状態を常に所定の値以上になるように保つ。これにより、き電線２３のき電電圧が低くなった場合に備えて、蓄電装置３にエネルギーを蓄える。

き電線２３のき電電圧が低くなった場合、制御装置１は、蓄電装置３に充電されたエネルギーを高出力で、き電線側電力変換器６を介して、き電線２３に放電する。これにより、き電線２３の架線電圧降下を補償する。

日中になると、ラッシュ時間帯よりも消費電力が下がり、回生電力を吸収する負荷（列車２４）の減少により回生失効の確率が高まる。一方、太陽光発電による発電は、積極的に行われる。

制御装置１は、列車２４が回生失効しないようにするために、蓄電装置３に回生電力を吸収できるようなＳＯＣ状態にするために予め放電させておく。

夕方になると、太陽光発電による発電電力は減少し、再びラッシュ時間帯に入る。この場合の制御は、朝のラッシュ時間帯と同様に行われる。終電時間帯が近づくと、空間列車密度が低下する。従って、制御装置１は、早朝の時間帯と同様に、回生失効を抑制する制御をする。列車２４が走行しない夜間には、夜間電力を蓄電装置３に充電したり、放電したりすることで、蓄電装置３のＳＯＣを制御する。これにより、制御装置１は、翌日早朝の列車２４の運行開始時に備える。

次に、気象条件が雨天の場合について説明する。列車ダイヤは、気象条件が晴天の場合と同様とする。

雨天時は、発電設備２からの太陽光発電による電力供給は期待できない。従って、制御装置１は、蓄電装置３、交流系統側電力変換器５、及びき電線側電力変換器６による構成のシステムを制御することになる。即ち、電気鉄道用電力供給システム１０は、発電設備２及び発電設備側電力変換器４を取り除いた構成に等しい。

早朝、列車２４が走行し始めると、制御装置１は、列車２４の余剰回生電力を可能な限り蓄電装置３に充電する。具体的な制御については、基本的に晴天時と同様であるが、発電設備２からの電力供給が期待できないため、晴天時よりもより積極的に余剰回生電力を蓄電装置３に充電する。

朝のラッシュ時間帯に入ると、き電線２３の余剰回生電力は少なくなり、力行負荷が多くなる。この場合、蓄電装置３の放電を開始する電圧を標準電圧（例えば直流１５００［Ｖ］）以下にする。このように、制御装置１は、き電電圧低下時に蓄電装置３の放電をすることで、き電電圧降下を軽減する。

しかし、このような運用が継続すると、蓄電装置３が放電一方になる確率が高い。従って、蓄電装置３が過放電になり、蓄電装置３が機能しなくなる可能性がある。そこで、蓄電装置３のＳＯＣ状態が所定値を下回ると、交流系統側電力変換器５をコンバータ（交流から直流への電力変換）運転をして、交流系統２２から蓄電装置３に充電電力を供給する。このようにして、蓄電装置３のＳＯＣ低下を抑制する。これにより、ラッシュ時間帯においても、蓄電装置３は、放電能力を損なうことなく動作することができる。

日中の時間帯に入れば、き電線２３に在線する列車２４の数が低下するため、余剰回生電力が再び増加してくる。ここで、晴天であれば、発電設備２による発電電力を蓄電装置３を介してき電線２３に積極的に放電するが、雨天では、発電設備２からの太陽光発電による電力は得られない。従って、き電線側電力変換器６による蓄電装置３の充電を開始するき電線２３側の充電開始電圧を晴天時よりも低くする。そこで、制御装置１は、余剰回生電力の吸収を積極的に行い、かつ不足する発電設備２による太陽光発電分の蓄電装置３への入力エネルギーを補償する。これにより、制御装置１は、蓄電装置３のＳＯＣ状態を安定化させ、蓄電装置３の充放電を継続的に行う制御をすることができる。

夕方のラッシュ時間帯に入ると、制御装置１は、朝のラッシュ時間帯と同様の制御を行う。夕方のラッシュ時間帯以降は、制御装置１は、晴天時と同様の制御を行う。

次に、電気鉄道用電力供給システム１０の運用中に、発電設備２又は発電設備側電力変換器４の故障などの異常が検出された場合について説明する。

発電設備２又は発電設備側電力変換器４が異常になると、制御装置１は、発電設備側電力変換器４の両端に接続されている２つの接触器１１，１２を開放し、発電設備側電力変換器４を停止する。これにより、発電設備２又は発電設備側電力変換器４は、蓄電装置３が接続されている直流母線２０から切り離される。

この状態では、制御装置１は、蓄電装置３、交流系統側電力変換器５、及びき電線側電力変換器６による構成で、電気鉄道用電力供給システム１０の運用をすることになる。

この異常を検出すると、制御装置１は、電力運用計画生成部１０１で生成された３つの計画ＰＬ１〜ＰＬ３を更新（修正又は再生成）する。この更新により、自然エネルギー発電計画ＰＬ１による発電電力量は、常にゼロになる。き電線用充放電計画ＰＬ２及び交流系統用充放電計画ＰＬ３は、発電設備２による発電電力が無くなる分、放電を抑制し、充電を増やすように更新される。このように更新された３つの計画ＰＬ１〜ＰＬ３に基づいて、ＳＯＣ計画ＰＬ４が更新（修正又は再生成）される。制御装置１は、更新された計画ＰＬ１〜ＰＬ４に従って、電気鉄道用電力供給システム１０の各種機器を制御する。

次に、電気鉄道用電力供給システム１０の運用中に、交流系統２２の系統事故又は交流系統側電力変換器５の故障などの異常が検出された場合について説明する。

交流系統２２又は交流系統側電力変換器５が異常になると、制御装置１は、交流系統側電力変換器５の両端に接続されている２つの接触器１３，１４を開放し、交流系統側電力変換器５を停止する。これにより、交流系統２２又は交流系統側電力変換器５は、蓄電装置３が接続されている直流母線２０から切り離される。

この状態では、制御装置１は、蓄電装置３、発電設備２、発電設備側電力変換器４、及びき電線側電力変換器６による構成で、電気鉄道用電力供給システム１０の運用をすることになる。

この異常を検出すると、制御装置１は、電力運用計画生成部１０１で生成された３つの計画ＰＬ１〜ＰＬ３を更新（修正又は再生成）する。この更新により、交流系統用充放電計画ＰＬ３による充放電電力量は、常にゼロになる。自然エネルギー発電計画ＰＬ１及びき電線用充放電計画ＰＬ２は、交流系統２２に対する充放電電力が無くなる分の電力を補うように更新される。このように更新された３つの計画ＰＬ１〜ＰＬ３に基づいて、ＳＯＣ計画ＰＬ４が更新（修正又は再生成）される。制御装置１は、更新された計画ＰＬ１〜ＰＬ４に従って、電気鉄道用電力供給システム１０の各種機器を制御する。

この場合の制御では、蓄電装置３が満充電又は計画値を越えた場合でも、交流系統２２に放電することができない。従って、制御装置１は、き電線２３への放電電力を増やすように、き電線側電力変換器６に指令を出す。

例えば、制御装置１が図５に示すようなＶ−Ｉ（電圧−電流）特性に基づいて蓄電装置３を制御している場合について説明する。図５において、縦軸は出力電流を、横軸はき電線２３の架線電圧をそれぞれ示している。架線電圧のゼロ点は、定格電圧である。制御装置１は、Ｖ−Ｉ特性平面の動作点である放電開始電圧Ｖｂ，Ｖｃを正常時よりも高めたり、浮動充電制御時に流すことができる電流値Ｉｆの変動範囲を正常時よりも大きくしたりすることで、蓄電装置３のＳＯＣ状態を制御する。

次に、電気鉄道用電力供給システム１０の運用中に、き電線２３の系統事故又はき電線側電力変換器６の故障などの異常が検出された場合について説明する。

き電線２３又はき電線側電力変換器６が異常になると、制御装置１は、き電線側電力変換器６の両端に接続されている２つの接触器１５，１６を開放し、き電線側電力変換器６を停止する。これにより、き電線２３又はき電線側電力変換器６は、蓄電装置３が接続されている直流母線２０から切り離される。

この状態では、制御装置１は、発電設備２、蓄電装置３、発電設備側電力変換器４、及び交流系統側電力変換器５による構成で、電気鉄道用電力供給システム１０の運用をすることになる。

この異常を検出すると、制御装置１は、電力運用計画生成部１０１で生成された３つの計画ＰＬ１〜ＰＬ３を更新（修正又は再生成）する。この更新により、き電線用充放電計画ＰＬ２による充放電電力量は、常にゼロになる。自然エネルギー発電計画ＰＬ１及び交流系統用充放電計画ＰＬ３は、き電線２３に対する充放電電力が無くなる分の電力を補うように更新される。このように更新された３つの計画ＰＬ１〜ＰＬ３に基づいて、ＳＯＣ計画ＰＬ４が更新（修正又は再生成）される。制御装置１は、更新された計画ＰＬ１〜ＰＬ４に従って、電気鉄道用電力供給システム１０の各種機器を制御する。この場合、電気鉄道用電力供給システム１０は、交流系統２２への電力供給を主な目的として動作する。

次に、電気鉄道用電力供給システム１０の運用中に、き電線２３及び交流系統２２の電源が消失した場合について説明する。ここでは、き電線２３側の電源が消失（き電用変電所がき電停止）する場合とは、き電線２３を含むき電回路（き電システム）内の系統事故（短絡又は地絡など）による保護動作などの原因ではなく、き電線２３の上位系統にある変電所の受電点となる交流系統側の電力供給が停止した場合とする。

電源が消失すると、き電停止となるため、列車２４を動かすための電力供給が行われなくなる。このため、走行中の列車２４は、駅間などで停止する可能性がある。この場合、制御装置１は、き電線側電力変換器６を制御して、蓄電装置３に蓄えられたエネルギーをき電線２３に放出する。これにより、停止している列車２４を走行させるための電力供給をすることができる。

また、停止している列車２４が蓄電装置３の設置箇所から離れている場合、制御装置１は、交流系統側電力変換器５を制御して、交流系統２２を介して、この列車２４に電力供給をする。これにより、広範囲のき電用変電所へ電力供給することができる。この際、蓄電装置３の蓄電エネルギーを列車２４の電力供給に集中させるために、制御装置１は、高圧配電負荷７への電力供給を遮断してもよい。例えば、制御装置１は、高圧配電負荷７に接続される遮断器を開放することで、高圧配電負荷７への電力供給を遮断する。また、電気鉄道用電力供給システム１０が分散設置されている場合、蓄電装置３の蓄電エネルギーを交流系統２２へ連携して電力供給することで、広範囲の列車２４に対し高電力を供給することもできる。

本実施形態によれば、電気鉄道用電力供給システム１０は、発電設備２からの自然エネルギー利用による発電電力及び蓄電装置３が効率的に利用できるように構成され、電気鉄道用電力供給システム１０内における電力を融通することで、電力を効率的に運用することができる。例えば、以下の通りである。

蓄電装置３は、自然エネルギーによる発電電力とき電線２３の回生電力を充電するように設けられている。これにより、蓄電装置３は、自然エネルギーによる発電電力の補償及びき電線２３の電力補償の２つの役割を兼ねることができる。

また、蓄電装置３は、自然エネルギーによる不規則な発電電力を一時的に充電し、負荷変動の大きいき電線（き電システム）２３に放電する。これにより、上位電力系統から見た場合、き電線２３と発電設備２の負荷変動を抑制することができる。

さらに、回生電力を蓄電装置３に一旦充電することで、持続放電することができるため、交流系統２２への放電量を任意に調整することができる。これにより、交流系統２２に放電するための交流系統側電力変換器５の出力定格を小さくすることができる。

また、蓄電装置３の充電量が計画量を超えた場合又は満充電になった場合でも、交流系統２２にいつでも放電することができる。さらに、蓄電装置３は、交流系統２２からいつでも充電することができる。このため、制御装置１は、蓄電装置３のＳＯＣ状態を任意の値に制御することができる。

さらに、蓄電装置３は、き電線側電力変換器６を介してき電線２３に充電エネルギーを供給することで、架線電圧降下を補償することができる。架線電圧降下を補償することは、列車２４の性能の維持し、列車２４の力行性能（加速度）を向上させ、かつ、き電損失の削減をすることができる。このため、電気鉄道用電力供給システム１０は、省エネルギー化を図ることができる。また、架線電圧降下を補償するために蓄電装置３を充電する電力は、交流系統側電力変換器５を介して交流系統２２から継続的に供給を受けることができる。従って、交流系統側電力変換器５の出力容量を、架線電圧降下を補償するために大きくする必要はない。

また、蓄電装置３は、き電線２３の架線電圧に応じて、充放電制御されることで、余剰回生電力を効率的に吸収し、回生失効を防止しながら、き電線２３の架線電圧降下を補償することができる。

さらに、電気鉄道用電力供給システム１０は、自然エネルギー発電計画ＰＬ１、き電線用充放電計画ＰＬ２、交流系統用充放電計画ＰＬ３、及びＳＯＣ計画ＰＬ４を生成して、蓄電装置３のＳＯＣ状態を管理しながら、電力の運用を図る。このような運用をすることで、電気鉄道用電力供給システム１０における電力を効率的に融通することができる。

また、電気鉄道用電力供給システム１０に異常が生じた場合、制御装置１は、接触器１１〜１６を開放する保護動作をし、かつ異常内容に対応する制御を行う。異常内容に対応する制御とは、例えば、電気鉄道用電力供給システム１０に異常が発生した場合に、各計画ＰＬ１〜ＰＬ４を見直して制御することなどである。これにより、電気鉄道用電力供給システム１０は、異常発生後においても、効率的な運用をすることができる。また、上位系統の電源が消失して列車２４が駅間などに停止した場合でも、列車２４に蓄電装置３から電力供給することで、駅などの乗客を乗降させることができる場所まで列車２４を走行させることができる。これにより、乗客へのサービスの向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、発電設備２は、自然エネルギーとして太陽光を利用して発電するものとしたが、これに限らない。発電設備２は、例えば、風力又は水力などを利用して発電するものでもよい。太陽光発電の場合は、発電電力量を予測するために、晴天又は雨天などの情報を取得する構成としたが、風力発電又は水力発電も同様の構成とすることができる。例えば、風力発電の場合は、季節又は時間帯に基づいて発電電力量を予測してもよいし、風力のデータを取得して発電電力量を予測してもよい。水力発電の場合は、雨天などの気象、雨季などの季節、水量、又はダムの放流時間帯などの情報を取得して発電電力量を予測することで、同様の構成とすることができる。

また、本実施形態では、発電設備２及び発電設備側電力変換器４は、それぞれ１つとしたが、これに限らない。例えば、複数の太陽光パネルと、複数の太陽光パネルのそれぞれに接続される複数の変換器で構成されていてもよい。また、これらの複数の変換器は、最大電力点追従制御(MPPT, maximum power point tracking)を行ってもよい。このような構成において、太陽光パネルが故障した場合、この故障した太陽光パネル及び変換器のみを直流母線２０から切り離す構成としてもよい。さらに、制御装置１は、電力運用計画生成部１０１により生成された自然エネルギー発電計画ＰＬ１を、切り離した太陽光パネルの発電電力分が減少するように更新し、この計画ＰＬ１の更新に合わせて、他の計画ＰＬ２〜ＰＬ４を更新してもよい。

さらに、本実施形態では、電気鉄道用電力供給システム１０に異常が生じた場合に、各計画ＰＬ１〜ＰＬ４の見直しによる更新をすることについて説明したが、異常が生じなくても各計画ＰＬ１〜ＰＬ４の更新をしてもよい。例えば、異常とは関係なく点検などにより電力変換器４〜６等の機器が回路から切り離された場合に、各計画ＰＬ１〜ＰＬ４を更新してもよい。さらに、蓄電装置３の充電状態を実際に測定したＳＯＣ値が、ＳＯＣ計画ＰＬ４によるＳＯＣ値から予め決められた値よりも離れた場合に各計画ＰＬ１〜ＰＬ４を更新することとしても良い。この場合、保護動作（各機器の切り離しなど）を行わずに、各計画ＰＬ１〜ＰＬ４を更新することになる。

また、本実施形態では、電気鉄道用電力供給システム１０に異常が生じた場合の制御について説明したが、これらの制御はなくてもよい。これらの制御ができなくても、電気鉄道用電力供給システム１０の正常時の運用であれば、自然エネルギー利用による発電電力及び蓄電池を効率的に利用することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…制御装置、２…発電設備、３…蓄電装置、４…発電設備側電力変換器、５…交流系統側電力変換器、６…き電線側電力変換器、７…高圧配電負荷、８…変圧器、１０…電気鉄道用電力供給システム、１１〜１６…接触器、２０…直流母線、２１…商用系統、２２…交流系統、２３…き電線。

Claims (10)

1. 直流電線に接続された蓄電手段と、
   自然エネルギー利用の発電電力を前記直流電線に供給するための直流電力に変換する第１の電力変換手段と、
   交流系統と前記直流電線との間に設けられた第２の電力変換手段と、
   列車に電力供給するための電気鉄道用電力系統と前記直流電線との間に設けられた第３の電力変換手段と、
   前記自然エネルギー利用の発電に影響を与える気象に関する情報を含む気象情報を取得する気象情報取得手段と、
   前記気象情報取得手段により取得された前記気象情報に基づいて、前記自然エネルギー利用の発電電力を予測する発電電力予測手段と、
   前記列車の列車ダイヤに関する情報を含む列車ダイヤ情報を取得する列車ダイヤ情報取得手段と、
   前記列車ダイヤ情報取得手段により取得された前記列車ダイヤ情報及び前記発電電力予測手段により予測された発電電力に基づいて、前記第１の電力変換手段、前記第２の電力変換手段、及び前記第３の電力変換手段を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする電気鉄道用電力供給システム。
2. 前記制御手段は、
   前記列車ダイヤ情報取得手段により取得された前記列車ダイヤ情報及び前記発電電力予測手段により予測された発電電力に基づいて、前記蓄電手段の目標とする充電状態の計画を表した充電状態計画を生成する充電状態計画生成手段を備え、
   前記充電状態計画生成手段により生成された前記充電状態計画に従って、前記蓄電手段の充放電を制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の電気鉄道用電力供給システム。
3. 前記第１の電力変換手段を前記直流電線から電気的に切り離す第１の開閉手段を備え、
   前記充電状態計画生成手段は、前記第１の開閉手段により前記第１の電力変換手段が切り離された場合、前記充電状態計画を更新すること
   を特徴とする請求項２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
4. 前記第２の電力変換手段を前記直流電線から電気的に切り離す第２の開閉手段を備え、
   前記充電状態計画生成手段は、前記第２の開閉手段により前記第２の電力変換手段が切り離された場合、前記充電状態計画を更新すること
   を特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電気鉄道用電力供給システム。
5. 前記第３の電力変換手段を前記直流電線から電気的に切り離す第３の開閉手段を備え、
   前記充電状態計画生成手段は、前記第３の開閉手段により前記第３の電力変換手段が切り離された場合、前記充電状態計画を更新すること
   を特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
6. 前記充電状態計画生成手段は、前記列車ダイヤ情報取得手段により取得された前記列車ダイヤ情報又は前記発電電力予測手段により予測された発電電力の少なくとも１つが更新された場合、前記充電状態計画を更新すること
   を特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
7. 前記充電状態計画生成手段は、予め決められた時間間隔で、前記充電状態計画を更新すること
   を特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
8. 前記自然エネルギー利用の発電電力を出力する発電手段
   を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力供給システム。
9. 直流電線に接続された蓄電池、自然エネルギー利用の発電電力を前記直流電線に供給するための直流電力に変換する第１の電力変換器、交流系統と前記直流電線との間に設けられた第２の電力変換器、列車に電力供給するための電気鉄道用電力系統と前記直流電線との間に設けられた第３の電力変換器により構成される電気鉄道用電力供給システムを制御する制御装置であって、
   前記自然エネルギー利用の発電に影響を与える気象に関する情報を含む気象情報を取得する気象情報取得手段と、
   前記気象情報取得手段により取得された前記気象情報に基づいて、前記自然エネルギー利用の発電電力を予測する発電電力予測手段と、
   前記列車の列車ダイヤに関する情報を含む列車ダイヤ情報を取得する列車ダイヤ情報取得手段と、
   前記列車ダイヤ情報取得手段により取得された前記列車ダイヤ情報及び前記発電電力予測手段により予測された発電電力に基づいて、前記第１の電力変換器、前記第２の電力変換器、及び前記第３の電力変換器を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする電気鉄道用電力供給システムの制御装置。
10. 直流電線に接続された蓄電池、自然エネルギー利用の発電電力を前記直流電線に供給するための直流電力に変換する第１の電力変換器、交流系統と前記直流電線との間に設けられた第２の電力変換器、及び列車に電力供給するための電気鉄道用電力系統と前記直流電線との間に設けられた第３の電力変換器により構成される電気鉄道用電力供給システムを制御する制御方法であって、
    前記自然エネルギー利用の発電に影響を与える気象に関する情報を含む気象情報を取得し、
    取得した前記気象情報に基づいて、前記自然エネルギー利用の発電電力を予測し、
    前記列車の列車ダイヤに関する情報を含む列車ダイヤ情報を取得し、
    取得した前記列車ダイヤ情報及び予測した前記自然エネルギー利用の発電電力に基づいて、前記第１の電力変換器、前記第２の電力変換器、及び前記第３の電力変換器を制御すること
    を含むことを特徴とする電気鉄道用電力供給システムの制御方法。

Images