JP2014083900A

JP2014083900A - 電気鉄道用電力給電システムの制御装置

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Publication number: JP2014083900A
Application number: JP2012232483A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nagato; 秀一長門
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】延長き電等の発生で列車負荷が増大した場合にも、必要なき電電圧を維持することが出来る電気鉄道用電力給電システムの制御装置を得ることを目的とする。
【解決手段】Ｍ座側で例示すると、Ｍ座補償無効電力算出手段１４およびＭ座インバータ制御手段１６を備え、Ｍ座側のき電電圧がＭ座指定電圧より高いときは、融通有効電力ＰｃとＭ座無効電力Ｑ_Ｍを相殺補償するための補償無効電力Ｑ_Ｍｃとを出力するように、Ｍ座側のき電電圧がＭ座指定電圧以下のときは、融通有効電力ＰｃとＭ座側のき電電圧をＭ座指定電圧に維持補償するための補償無効電力Ｑ_Ｍｃとを出力するようにＭ座インバータ１０を制御するようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、１次三相側が三相交流電源に接続され２次二相側がそれぞれ第１および第２のき電線負荷に接続された三相／二相変換変圧器と、直流側が互いに接続され交流側がそれぞれ第１および第２のき電線負荷に接続され直流側と交流側との間で電力の変換を行う第１および第２の電力変換器とを備えた電気鉄道用電力給電システムの制御装置に関するものである。

三相／二相変換変圧器として、例えば、スコット結線変圧器を用い、三相交流電源から単相Ｍ座負荷および単相Ｔ座負荷へ電力を供給する、電気鉄道用電力給電システムとしての単相交流き電システムにおいて、三相側の不平衡を補償するため、第１および第２の電力変換器としての、例えば、Ｍ座インバータおよびＴ座インバータを介して単相Ｍ座負荷と単相Ｔ座負荷との間で有効電力を融通し、更に、Ｍ座負荷およびＴ座負荷で発生する無効電力をそれぞれ補償する制御方式が紹介されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２６１５４８号公報

この従来の単相交流き電システムを適用した場合であって、例えば、事故等で隣接する給電変電所が停止し、Ｍ座側またはＴ座側が延長き電となって、正常な給電が行われる定位き電時より大きな列車負荷に電力を供給する事態が発生すると、き電電圧が大幅に低下し、延長き電下の列車は必要なモータ出力を出せず、正常な運行ダイヤを維持することができなくなる。
このため、従来の単相交流き電システムは、このような延長き電等の考慮が必要となる給電システムには、適用できないという問題点があった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、延長き電等の発生で列車負荷が増大した場合にも、必要なき電電圧を維持することが出来る電気鉄道用電力給電システムの制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電気鉄道用電力給電システムの制御装置は、１次三相側が三相交流電源に接続され２次二相側がそれぞれ第１および第２のき電線負荷に接続された三相／二相変換変圧器と、直流側が互いに接続され交流側がそれぞれ第１および第２のき電線負荷に接続され直流側と交流側との間で電力の変換を行う第１および第２の電力変換器とを備えた電気鉄道用電力給電システムの制御装置であって、
第１および第２のき電線負荷の電圧、電流を検出し、両き電線負荷の有効電力、無効電力を算出する負荷検出手段、三相／二相変換変圧器から見た２次二相各相の有効電力が均等化するよう負荷検出手段からの出力に基づき両電力変換器を介して融通する融通有効電力を算出する融通有効電力算出手段、第１のき電線負荷の電圧が所定の第１の指定電圧より高いときは第１のき電線負荷の無効電力を相殺補償するために必要な補償無効電力を算出し、第１のき電線負荷の電圧が第１の指定電圧以下のときは第１のき電線負荷の電圧を第１の指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力を算出する第１の補償無効電力算出手段、第２のき電線負荷の電圧が所定の第２の指定電圧より高いときは第２のき電線負荷の無効電力を相殺補償するために必要な補償無効電力を算出し、第２のき電線負荷の電圧が第２の指定電圧以下のときは第２のき電線負荷の電圧を第２の指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力を算出する第２の補償無効電力算出手段、融通有効電力算出手段からの融通有効電力と第１の補償無効電力算出手段からの補償無効電力とを出力するよう第１の電力変換器を制御する第１の電力変換器制御手段、および融通有効電力算出手段からの融通有効電力と第２の補償無効電力算出手段からの補償無効電力とを出力するよう第２の電力変換器を制御する第２の電力変換器制御手段を備えたものである。

この発明に係る電気鉄道用電力給電システムの制御装置は、以上のように、融通有効電力算出手段により両電力変換器を介して融通する融通有効電力を算出するとともに、第１および第２の補償無効電力算出手段を備え、第１のき電線負荷の電圧が第１の指定電圧以下のときは第１のき電線負荷の電圧を第１の指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力を算出し、また、第２のき電線負荷の電圧が第２の指定電圧以下のときは第２のき電線負荷の電圧を第２の指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力を算出し、この融通有効電力と各補償無効電力を出力するよう第１および第２の電力変換器を制御するようにしたので、延長き電等の発生で列車負荷が増大した場合にも、必要なき電電圧を維持することが出来る。

この発明の実施の形態１における電気鉄道用電力給電システムを示す構成図である。図１の制御装置７の内部構成を示す図である。この発明の実施の形態１における電気鉄道用電力給電システムの制御装置における制御の流れを示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電気鉄道用電力給電システムを示す構成図である。
図１において、三相／二相変換変圧器１は、ここでは、いわゆるスコット結線変圧器を用いた場合で示しており、その１次三相側は、三相交流電源１００に接続され、２次二相側は、それぞれ第１のき電線負荷である、Ｍ座側の列車負荷２および第２のき電線負荷である、Ｔ座側の列車負荷３に単相電力を供給する。
なお、三相／二相変換変圧器に、いわゆる変形ウッドブリッジ結線変圧器を採用するものでは、その２次二相を、Ａ座、Ｂ座と称しているが、本願発明においては、三相／二相変換を行うものである限りその変圧器のタイプは関係しないので、以下、Ｍ座、Ｔ座の呼称で説明するものとする。

４の符号で示す枠内の部分を、電気鉄道用電圧変動補償装置（以下、ＲＰＣと称す）と呼んでおり、以下、そのＲＰＣ４の構成について説明する。
検出装置Ｍ５は、Ｍ座側のき電線電流Ｉ_Ｍおよびき電電圧Ｖ_Ｍを検出する。検出装置Ｔ６は、Ｔ座側のき電線電流Ｉ_Ｔおよびき電電圧Ｖ_Ｔを検出する。
第１および第２の電力変換器である、Ｍ座インバータ１０およびＴ座インバータ１１は、その直流側が互いに接続され、その交流側はそれぞれ単相変圧器８および９を介してＭ座側およびＴ座側のき電線に接続されている。

なお、三相／二相変換変圧器１、単相変圧器８、９、Ｍ座インバータ１０、Ｔ座インバータ１１自体の構成は一般的に考えられる構成のものでよく、ここでは、個々の具体的な構成の説明は省略する。

図２は、図１の制御装置７の内部構成を示す。図２において、負荷検出手段１２は、検出装置Ｍ５および検出装置Ｔ６からの電流、電圧の検出データからＭ座側の有効電力Ｐ_Ｍ、無効電力Ｑ_ＭおよびＴ座側の有効電力Ｐ_Ｔ、無効電力Ｑ_Ｔを算出する。融通有効電力算出手段１３は、三相／二相変換変圧器１から見た２次Ｍ座側およびＴ座側の有効電力が均等化するよう負荷検出手段１２からの出力に基づきＭ座インバータ１０およびＴ座インバータ１１を介して融通する融通有効電力Ｐｃを式（１）により算出する。

Ｐｃ＝（Ｐ_Ｍ−Ｐ_Ｔ）／２・・・式（１）

第１の補償無効電力算出手段としてのＭ座補償無効電力算出手段１４は、Ｍ座側のき電電圧が所定の第１の指定電圧であるＭ座指定電圧より高いときはＭ座側の無効電力Ｑ_Ｍを相殺補償するために必要な補償無効電力Ｑ_Ｍｃを算出し、Ｍ座側のき電電圧がＭ座指定電圧以下のときはＭ座側のき電電圧をＭ座指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力Ｑ_Ｍｃを算出する。
第２の補償無効電力算出手段としてのＴ座補償無効電力算出手段１５は、Ｔ座側のき電電圧が所定の第２の指定電圧であるＴ座指定電圧より高いときはＴ座側の無効電力Ｑ_Ｔを相殺補償するために必要な補償無効電力Ｑ_Ｔｃを算出し、Ｔ座側のき電電圧がＴ座指定電圧以下のときはＴ座側のき電電圧をＴ座指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力Ｑ_Ｔｃを算出する。

第１の電力変換器制御手段としてのＭ座インバータ制御手段１６は、融通有効電力算出手段１３からの融通有効電力ＰｃとＭ座補償無効電力算出手段１４からの補償無効電力Ｑ_Ｍｃとを出力するようＭ座インバータ１０を制御する。
第２の電力変換器制御手段としてのＴ座インバータ制御手段１７は、融通有効電力算出手段１３からの融通有効電力ＰｃとＴ座補償無効電力算出手段１５からの補償無効電力Ｑ_Ｔｃとを出力するようＴ座インバータ１１を制御する。

以上の制御動作の結果、図１に示すように、三相／二相変換変圧器１から見た場合、Ｍ座側の有効電力は、Ｐ_Ｍ−Ｐｃ、無効電力は、Ｑ_Ｍ−Ｑ_Ｍｃとなる。また、Ｔ座側の有効電力は、Ｐ_Ｔ＋Ｐｃ、無効電力は、Ｑ_Ｔ−Ｑ_Ｔｃとなる。

次に、制御装置７の動作の詳細を、図３のフローチャートを参照して説明する。
制御動作を開始すると（Ｓ１）、負荷検出手段１２により、検出装置Ｍ５によるＭ座側のき電電圧Ｖ_Ｍおよびき電電流Ｉ_ＭからＭ座側の電力Ｐ_ＭおよびＱ_Ｍを算出し（Ｓ２）、検出装置Ｔ６によるＴ座側のき電電圧Ｖ_Ｔおよびき電電流Ｉ_ＴからＴ座側の電力Ｐ_ＴおよびＱ_Ｔを算出する（Ｓ３）。

融通有効電力算出手段１３により、算出したＭ座とＴ座の電力から融通有効電力Ｐｃを算出する（Ｓ４）。
次に、算出したこの融通有効電力Ｐｃが、Ｍ座インバータ１０およびＴ座インバータ１１の容量以内にあるかを判定する。具体的には、両インバータの容量をＷ１、Ｗ２、ＲＰＣ容量＝Ｗ１＋Ｗ２とすると、融通有効電力ＰｃがＲＰＣ容量／２以下か否かを判定する（Ｓ５）。Ｓ５でＹｅｓならＳ７へ、前者が後者を越え、Ｓ５でＮｏならば、融通有効電力Ｐｃ＝ＲＰＣ容量／２となるよう融通有効電力Ｐｃを補正（Ｓ６）してＳ７に進む。

この融通有効電力Ｐｃの補正（Ｓ６）により、ＲＰＣ４の過重な使用が回避され、装置運転の安定性、信頼性が向上する。

次に、Ｍ座補償無効電力算出手段１４により、Ｍ座側のき電電圧がＭ座指定電圧より高いか否かを判定する（Ｓ７）。Ｓ７でＹｅｓなら算出したＭ座無効電力Ｑ_Ｍ（Ｓ２）を相殺補償するための補償無効電力Ｑ_Ｍｃを算出し（Ｓ８）Ｓ１０へ進む。前者が後者以下であり、Ｓ７でＮｏならば、Ｍ座側のき電電圧をＭ座指定電圧に維持補償（Ｖ制御）するための補償無効電力Ｑ_Ｍｃを算出し（Ｓ９）Ｓ１０へ進む。

次に、算出した補償無効電力Ｑ_Ｍｃと先の融通有効電力Ｐｃとの和、｜補償無効電力Ｑ_Ｍｃ＋融通有効電力Ｐｃ｜がＲＰＣ容量／２以下か否かを判定する（Ｓ１０）。Ｓ１０でＹｅｓならＳ１２へ進む。前者が後者を越え、Ｓ１０でＮｏならば、｜補償無効電力Ｑ_Ｍｃ＋融通有効電力Ｐｃ｜＝ＲＰＣ容量／２となるよう、補償無効電力Ｑ_Ｍｃを補正（Ｓ１１）してＳ１２に進む。

この補償無効電力Ｑ_Ｍｃの補正（Ｓ１１）により、ＲＰＣ４の過重な使用が回避され、装置運転の安定性、信頼性が向上する。

次に、Ｔ座補償無効電力算出手段１５により、Ｔ座側のき電電圧がＴ座指定電圧より高いか否かを判定する（Ｓ１２）。Ｓ１２でＹｅｓなら算出したＴ座無効電力Ｑ_Ｔ（Ｓ３）を相殺補償するための補償無効電力Ｑ_Ｔｃを算出し（Ｓ１３）Ｓ１５へ進む。前者が後者以下であり、Ｓ１２でＮｏならば、Ｔ座側のき電電圧をＴ座指定電圧に維持補償（Ｖ制御）するための補償無効電力Ｑ_Ｔｃを算出し（Ｓ１４）Ｓ１５へ進む。

次に、算出した補償無効電力Ｑ_Ｔｃと先の融通有効電力Ｐｃとの和、｜補償無効電力Ｑ_Ｔｃ＋融通有効電力Ｐｃ｜がＲＰＣ容量／２以下か否かを判定する（Ｓ１５）。Ｓ１５でＹｅｓならＳ１７へ進む。前者が後者を越え、Ｓ１５でＮｏならば、｜補償無効電力Ｑ_Ｔｃ＋融通有効電力Ｐｃ｜＝ＲＰＣ容量／２となるよう、補償無効電力Ｑ_Ｔｃを補正（Ｓ１６）してＳ１７に進む。

この補償無効電力Ｑ_Ｔｃの補正（Ｓ１６）により、ＲＰＣ４の過重な使用が回避され、装置運転の安定性、信頼性が向上する。

次に、Ｍ座インバータ制御手段１６により、融通有効電力Ｐｃと補償無効電力Ｑ_Ｍｃとを出力するようＭ座インバータ１０を制御する（Ｓ１７）。また、Ｔ座インバータ制御手段１７により、融通有効電力Ｐｃと補償無効電力Ｑ_Ｔｃとを出力するようＴ座インバータ１１を制御する（Ｓ１８）。

ＲＰＣ４の停止指令の条件式（Ｓ１９）がＹｅｓならば、ＲＰＣ４の制御を停止させて終了する（Ｓ２０）。Ｎｏならば、検出装置Ｍ５、Ｔ６によるき電電圧・電流の検出を行い、Ｓ２以降の動作を繰り返す。

以上のように、この発明の実施の形態１における電気鉄道用電力給電システムの制御装置においては、融通有効電力算出手段１３により融通有効電力Ｐｃを算出するとともに、Ｍ座補償無効電力算出手段１４およびＭ座インバータ制御手段１６を備え、Ｍ座側のき電電圧がＭ座指定電圧より高いときは、融通有効電力ＰｃとＭ座無効電力Ｑ_Ｍを相殺補償するための補償無効電力Ｑ_Ｍｃとを出力するように、Ｍ座側のき電電圧がＭ座指定電圧以下のときは、融通有効電力ＰｃとＭ座側のき電電圧をＭ座指定電圧に維持補償するための補償無効電力Ｑ_Ｍｃとを出力するようにＭ座インバータ１０を制御し、また、Ｔ座補償無効電力算出手段１５およびＴ座インバータ制御手段１７を備え、Ｔ座側のき電電圧がＴ座指定電圧より高いときは、融通有効電力ＰｃとＴ座無効電力Ｑ_Ｔを相殺補償するための補償無効電力Ｑ_Ｔｃとを出力するように、Ｔ座側のき電電圧がＴ座指定電圧以下のときは、融通有効電力ＰｃとＴ座側のき電電圧をＴ座指定電圧に維持補償するための補償無効電力Ｑ_Ｔｃとを出力するようにＴ座インバータ１１を制御するようにしたので、三相交流電源１００から見た三相不平衡および力率が改善され損失が低減されるとともに、延長き電等の発生で列車負荷が増大した場合にも、必要なき電電圧を維持することが出来る。

また、融通有効電力Ｐｃおよび補償無効電力Ｑ_Ｍｃ、Ｑ_Ｔｃの算出において、ＲＰＣ４の容量からの制限を加味した制御を行うようにしたので、ＲＰＣ４の過重な使用が回避され、装置運転の安定性、信頼性が向上する。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１三相／二相変換変圧器、２，３列車負荷、
４電気鉄道用電圧変動補償装置（ＲＰＣ）、５検出装置Ｍ、６検出装置Ｔ、
７制御装置、８，９単相変圧器、１０Ｍ座インバータ、１１Ｔ座インバータ、
１２負荷検出手段、１３融通有効電力算出手段、１４Ｍ座補償無効電力算出手段、１５Ｔ座補償無効電力算出手段、
１６Ｍ座インバータ制御手段、１７Ｔ座インバータ制御手段、Ｐｃ融通有効電力、
Ｑ_Ｍｃ、Ｑ_Ｔｃ補償無効電力。

Claims

１次三相側が三相交流電源に接続され２次二相側がそれぞれ第１および第２のき電線負荷に接続された三相／二相変換変圧器と、直流側が互いに接続され交流側がそれぞれ前記第１および第２のき電線負荷に接続され前記直流側と前記交流側との間で電力の変換を行う第１および第２の電力変換器とを備えた電気鉄道用電力給電システムの制御装置であって、
前記第１および第２のき電線負荷の電圧、電流を検出し、前記両き電線負荷の有効電力、無効電力を算出する負荷検出手段、前記三相／二相変換変圧器から見た前記２次二相各相の有効電力が均等化するよう前記負荷検出手段からの出力に基づき前記両電力変換器を介して融通する融通有効電力を算出する融通有効電力算出手段、前記第１のき電線負荷の電圧が所定の第１の指定電圧より高いときは前記第１のき電線負荷の無効電力を相殺補償するために必要な補償無効電力を算出し、前記第１のき電線負荷の電圧が前記第１の指定電圧以下のときは前記第１のき電線負荷の電圧を前記第１の指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力を算出する第１の補償無効電力算出手段、前記第２のき電線負荷の電圧が所定の第２の指定電圧より高いときは前記第２のき電線負荷の無効電力を相殺補償するために必要な補償無効電力を算出し、前記第２のき電線負荷の電圧が前記第２の指定電圧以下のときは前記第２のき電線負荷の電圧を前記第２の指定電圧に維持補償するために必要な補償無効電力を算出する第２の補償無効電力算出手段、前記融通有効電力算出手段からの融通有効電力と前記第１の補償無効電力算出手段からの補償無効電力とを出力するよう前記第１の電力変換器を制御する第１の電力変換器制御手段、および前記融通有効電力算出手段からの融通有効電力と前記第２の補償無効電力算出手段からの補償無効電力とを出力するよう前記第２の電力変換器を制御する第２の電力変換器制御手段を備えた電気鉄道用電力給電システムの制御装置。
前記融通有効電力算出手段は、前記負荷検出手段からの、前記第１のき電線負荷の有効電力をＰ１、前記第２のき電線負荷の有効電力をＰ２としたとき、下式により、前記融通有効電力Ｐｃを算出することを特徴とする請求項１記載の電気鉄道用電力給電システムの制御装置。
Ｐｃ＝（Ｐ１−Ｐ２）／２
前記融通有効電力算出手段は、算出した前記融通有効電力Ｐｃ＝（Ｐ１−Ｐ２）／２が、前記第１および第２の電力変換器の容量Ｗ１、Ｗ２の平均値（Ｗ１＋Ｗ２）／２より大きいときは、算出すべき前記融通有効電力Ｐｃを前記平均値（Ｗ１＋Ｗ２）／２に補正するようにしたことを特徴とする請求項２記載の電気鉄道用電力給電システムの制御装置。
前記第１および第２の補償無効電力算出手段は、それぞれ前記融通有効電力算出手段からの前記融通有効電力と前記補償無効電力との和の絶対値が、前記第１および第２の電力変換器の容量Ｗ１、Ｗ２の平均値（Ｗ１＋Ｗ２）／２より大きいときは、前記融通有効電力と前記補償無効電力との和の絶対値が前記平均値（Ｗ１＋Ｗ２）／２となるよう算出すべき前記補償無効電力を補正するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電気鉄道用電力給電システムの制御装置。