JP2016068741A - Electric power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、き電線に使用される電力変換装置に係り、特にき電線の電源喪失時にき電線に電力供給するに好適な電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter used for a feeder, and more particularly to a power converter suitable for supplying power to a feeder when the power of the feeder is lost.
東日本大震災を契機に、大規模停電時のインフラ機能喪失が社会的な関心事になっている。同様の大規模停電時の対策は、電鉄分野においても同様に求められる課題であり、具体的には電鉄用のき電線設備において電源を喪失したときに、き電線からの給電を受けて進行する列車を、非常時の停車位置から最寄駅まで搬送することが求められている。 In the wake of the Great East Japan Earthquake, the loss of infrastructure functions during large-scale power outages has become a social concern. Similar countermeasures for large-scale power outages are also required in the field of electric railways. Specifically, when power is lost in feeders for electric railways, power supply from feeders proceeds. There is a need to transport trains from emergency stops to the nearest station.
然るにこの場合に、電源そのものを喪失しているために、これに代わり電車に給電する電源が必要になってくる。この場合の代替電源として、き電線における電車の停止時の回生電力を貯蔵し、電車の加速などの場面で電力を供給する電力貯蔵式回生電力吸収装置の応用が考えられる。 However, in this case, since the power source itself is lost, a power source for supplying power to the train is required instead. As an alternative power source in this case, it is conceivable to apply a power storage type regenerative power absorbing device that stores regenerative power at the time of stopping of the train on the feeder and supplies power when the train is accelerated.
電力貯蔵式回生電力吸収装置について、例えば特許文献1には、電力貯蔵要素を用いてき電線電圧を安定化する装置が提案されている。
Regarding a power storage type regenerative power absorbing device, for example,
また電力貯蔵式回生電力吸収装置ではないが、一般的な用途の電力変換装置について、特許文献2には、電流を断続して通流率を制御するチョッパ装置を用いて初期充電する方法が示されている。
Moreover, although it is not a power storage type regenerative power absorption device,
特許文献1の電力貯蔵式回生電力吸収装置は、き電線電圧の安定化には貢献し得る。然しながら、本発明で対策すべき電源喪失の場面では機能し得ないものである。
The power storage type regenerative power absorption device of
特許文献1の設備は、電源からダイオード整流器によりき電線電圧が保持されていることを前提としており、停電時には電力変換装置の入力回路に設けた平滑コンデンサが自然放電してしまう。この状態で運転開始のため電源を投入すると、平滑コンデンサ、ダイオードに過大な突入電流が流れ、平滑コンデンサ、ダイオードを損傷してしまう恐れがある。
The facility of
特許文献2について、チョッパ装置を用いて初期充電するという思想は一考に値する。しかしながら特許文献2では初期充電のための設備を別途準備し、本来設備に付加する形でシステム構成しており、初期充電装置を含めたシステム全体が大型化することを避けられない。またチョッパ装置を用いる場合、変圧比が大きいためスイッチング素子に高い耐圧を持たせなくてはならない。そのため、スイッチング素子が大型化し、初期充電装置を含めたシステムが二重の意味で大型化してしまう。また、回路構成が複雑になってしまう。
About
以上のことから本発明の目的は、電源喪失時にき電線に電力を供給してき電線上の電車を最寄駅まで退避させることが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a power converter capable of supplying power to a feeder line when the power source is lost and retracting a train on the conductor to the nearest station.
以上のことから本発明においては、電源からダイオード整流器を介して直流電力をき電線に供給する設備に設けられ、き電線上の列車の加減速時の電力を供給し回収するための電力変換装置であって、当該電力変換装置は、逆並列ダイオードを備えたスイッチング素子による上下アームの両端に、き電線側の直流回路を接続し、スイッチング素子による上下アームの接続点と下アームの間に電力貯蔵装置側直流回路を接続するDC/DC電力変換器と、き電線側の直流回路に並列設置された平滑コンデンサを備え、電力貯蔵装置側直流回路に電力貯蔵装置と昇圧リアクトルの直列回路を備え、電源の喪失状態において、電力貯蔵装置側直流回路を前記DC/DC電力変換器に接続して平滑コンデンサを充電し、次にき電線側の直流回路をき電線に接続して、スイッチング素子の点弧を開始することを特徴とする。 From the above, in the present invention, a power converter for supplying and collecting electric power at the time of acceleration / deceleration of a train on a feeder is provided in a facility for supplying DC power to a feeder via a diode rectifier from a power source. In this power converter, a DC circuit on the feeder side is connected to both ends of the upper and lower arms of the switching element having antiparallel diodes, and power is connected between the connection point of the upper and lower arms by the switching element and the lower arm. A DC / DC power converter that connects the DC circuit on the storage device side and a smoothing capacitor installed in parallel on the DC circuit on the feeder side, and a series circuit of the power storage device and the boosting reactor are provided on the DC circuit on the power storage device side When the power source is lost, the power storage device side DC circuit is connected to the DC / DC power converter to charge the smoothing capacitor, and then the feeder side DC circuit is connected to the feeder. Connected, characterized by starting the ignition of the switching element.
電源喪失時にき電線に電力を供給してき電線上の電車を最寄駅まで退避させることが可能となる。 When power is lost, power can be supplied to the feeder and the train on the conductor can be evacuated to the nearest station.
以下、本発明について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の電力変換装置が適用されるき電線給電設備の全体構成の一例を図1を用いて説明する。図1において、Gは電源、CBは遮断器、Trは変圧器、Reはダイオード整流器であって、通常はこの流れによりき電線7とレール8の間に直流電力を供給し、電車12はこの電力を受けて走行している。なお、本発明では電源を喪失している状態を想定しているので、遮断器CBは開放状態にある。
An example of the overall configuration of a feeder power supply facility to which the power conversion device of the present invention is applied will be described with reference to FIG. In FIG. 1, G is a power source, CB is a circuit breaker, Tr is a transformer, and Re is a diode rectifier. Normally, this flow supplies DC power between the feeder 7 and the rail 8, and the
本発明の電力変換装置である回生電力吸収装置20は、き電線における電車の減速時の回生電力を貯蔵し、電車の加速などの場面で電力を供給する目的で、き電線の各所に適宜配置されている。図1に示す回生電力吸収装置20は、電力貯蔵装置(リチウムなどの蓄電池)1、コンタクタ2と6、昇圧リアクトル3、DC/DC電力変換器4、平滑コンデンサ5、制御器10、電圧検出器11などで構成されている。
A regenerative
DC/DC電力変換器4は、逆並列ダイオードDを備えたMOS半導体素子などのスイッチング素子Swで構成され、スイッチング素子Swによる上下アームの両端にき電線側直流回路DC1を接続し、スイッチング素子Swによる上下アームの接続点と下アームの間に電力貯蔵装置側直流回路DC2を接続している。なお昇圧リアクトル3と平滑コンデンサ5により平滑回路を構成している。
The DC /
またDC/DC電力変換器4は、制御器からの点弧信号S1を受けてスイッチング素子Swの点弧タイミングを制御されており、き電線側の電圧に対するDC/DC電力変換器4の端子電圧を調整することにより、電力の方向を電車加速方向なら電力供給、電車減速方向なら電力回収のように定めている。
Further, the DC /
なお電源を喪失している状態ではコンタクタ2と6は開放状態にあり、DC/DC電力変換器4は非導通状態にあるが、電力貯蔵装置1にはき電線上の電車を最寄駅に退避させるに十分な電力が保持されているものとする。
In the state where the power source is lost, the
また初期充電時に平滑コンデンサの電圧Vcが電力貯蔵装置の電圧の約2倍となるため、(電圧Vcの過電圧判定値)>(電力貯蔵装置の電圧×2)となる電力貯蔵装置の構成とする。また、DC/DC電力変換器4の逆並列ダイオードDは、初期充電時に回路に流れる電流以上の電流耐量があるものとする。
Further, since the voltage Vc of the smoothing capacitor is about twice the voltage of the power storage device at the time of initial charging, the power storage device is configured such that (overvoltage judgment value of the voltage Vc)> (voltage of the power storage device × 2). . Further, it is assumed that the antiparallel diode D of the DC /
図2は、図1の各部電圧、各部コンタクタの開閉状態などを示している。上から(a)は平滑コンデンサ5の端子電圧、(b)は初期充電電流、(c)はコンタクタ2の開閉状態、(d)はコンタクタ6の開閉状態、(e)はスイッチング素子(例えばIGBT)のオン、オフ状態をそれぞれ示している。
FIG. 2 shows each part voltage in FIG. 1, the open / close state of each contactor, and the like. From above, (a) is the terminal voltage of the
図2(a)の平滑コンデンサ5の端子電圧Vcにおいて、時刻t1は電源喪失時刻を意味しており、これにより平滑コンデンサ5の端子電圧Vcが低下し、時刻t2の判定値1以下に低下したことをもってコンタクタ2、6がオフ状態となっている。またほぼ同時刻に(e)のスイッチング素子(例えばIGBT)もオフ状態になっている。
In the terminal voltage Vc of the
なお電圧検出器11は、平滑コンデンサ5の電圧Vcを検出する。制御器10は、平滑コンデンサ5の電圧Vcと判定値の比較と、コンタクタ2と6のオン、オフ指令の出力を行う。
The voltage detector 11 detects the voltage Vc of the
この状態から、本発明においては図3に示す手順での初期充電処理を行うことで、電車の退避運行を可能とする。図3は、本発明の電力変換装置の初期充電処理手順を示す図である。図3の処理は、図2の制御器10からの指示を纏めたものである。
From this state, in the present invention, by performing the initial charging process according to the procedure shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing an initial charging process procedure of the power conversion device of the present invention. The process of FIG. 3 is a summary of instructions from the
図3においてこの判断処理の最初の処理ステップS101では、停電の発生を検知する。つまり電源Gの喪失を、例えば遮断器CBの開放、あるいは平滑コンデンサ5の端子電圧Vc低下などで検知する。この時刻が図2のt1に対応する。回生電力吸収装置20が運転中に、t1の時点において、停電が発生すると、停電発生後、平滑コンデンサ5の電圧Vcの電圧が低下していく。t2の時点で、制御器10は電圧Vcが判定値1以下であることを判定し、コンタクタ2及びコンタクタ6にオフ信号を与える。
In FIG. 3, in the first process step S101 of this determination process, the occurrence of a power failure is detected. That is, the loss of the power supply G is detected by, for example, opening the circuit breaker CB or decreasing the terminal voltage Vc of the
次の処理ステップS102では、運転開始指令の有無を確認する。電圧低下を条件に直ちに次の初期充電処理に入ることも可能であるが、各列車における現況確認を経て、緊急退避処理であることを現場の各所に周知せしめた上で、総員合意の上での運転開始指令とすることが望ましい。この運転開始指令の出された時刻がt5である。 In the next processing step S102, it is confirmed whether or not there is an operation start command. It is possible to start the next initial charging process immediately under the condition of a voltage drop, but after confirming the current status of each train and making the emergency evacuation process known to various parts of the site, upon the agreement of all members It is desirable to set the operation start command. The time when this operation start command is issued is t5.
次の処理ステップS103では、運転開始が指令された状態で、さらにコンデンサ電圧Vcが十分に低下(判定値2以下)していることを確認する。この確認時刻がt3である。
In the next processing step S103, it is confirmed that the capacitor voltage Vc is sufficiently lowered (
処理ステップS104では、t3の時点で制御器10は電圧Vcが判定値2以下であることを判定すると、コンタクタ2にオン信号を与える。コンタクタ2がオンすると、電力貯蔵装置1―コンタクタ2―DC/DC電力変換器4の上側アームの逆並列ダイオードD―平滑コンデンサ5―電力貯蔵装置1に至る回路が形成されて、平滑コンデンサ5と昇圧リアクトル3のLC共振により、平滑コンデンサ5の初期充電を行う。この初期充電電流が図2(b)に示されており、回路形成された半波期間だけ、初期充電電流が流れる。
In the processing step S104, when the
処理ステップS105では、初期充電の完了を検知する。この時刻がt4であり、処理ステップS106では制御器10はコンタクタ6にオン信号を与え、処理ステップS107ではスイッチング素子SWとして例えばIGBTに時刻t6から点弧信号を与え、以降回生電力吸収装置20を運転する。
In process step S105, completion of initial charging is detected. This time is t4. In processing step S106, the
このように、DC/DC電力変換器4のスイッチング素子Swにおける逆並列ダイオードDを介して回路形成し、平滑コンデンサ5と昇圧リアクトル3によるLC共振を用いれば、初充電装置の大型化、回路の複雑化を回避して、停電時にも平滑コンデンサの初期充電を行うことができる。これにより、き電線上の電車を最寄駅までの緊急避難を可能としている。
In this way, if a circuit is formed through the antiparallel diode D in the switching element Sw of the DC /
1…電力貯蔵装置
2、6…コンタクタ
3…昇圧リアクトル
4…DC/DC電力変換器
5…平滑コンデンサ
7…き電線
8…レール
10…制御器
11…電圧検出器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
当該電力変換装置は、逆並列ダイオードを備えたスイッチング素子による上下アームの両端に、前記き電線側の直流回路を接続し、スイッチング素子による上下アームの接続点と下アームの間に電力貯蔵装置側直流回路を接続するDC/DC電力変換器と、前記き電線側の直流回路に並列設置された平滑コンデンサを備え、前記電力貯蔵装置側直流回路に電力貯蔵装置と昇圧リアクトルの直列回路を備え、
前記電源の喪失状態において、前記電力貯蔵装置側直流回路を前記DC/DC電力変換器に接続して前記平滑コンデンサを充電し、次に前記き電線側の直流回路をき電線に接続して、スイッチング素子の点弧を開始することを特徴とする電力変換装置。 A power converter for supplying and recovering power at the time of acceleration / deceleration of a train on a feeder, provided in a facility for supplying DC power to the feeder via a diode rectifier from a power source,
In the power converter, a DC circuit on the feeder line side is connected to both ends of an upper and lower arm by a switching element provided with an antiparallel diode, and a power storage device side is connected between the connection point of the upper and lower arm by the switching element and the lower arm. A DC / DC power converter for connecting a DC circuit, and a smoothing capacitor installed in parallel to the DC circuit on the feeder side, and a series circuit of a power storage device and a boosting reactor in the DC circuit on the power storage device side,
In the lost state of the power source, connect the DC circuit to the DC / DC power converter and charge the smoothing capacitor, and then connect the DC circuit on the feeder side to the feeder line, A power conversion device which starts ignition of a switching element.
前記電力貯蔵装置側直流回路は第1のコンタクタを介して前記DC/DC電力変換器に接続され、前記き電線側の直流回路は第2のコンタクタを介して前記き電線に接続されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The DC circuit on the power storage device side is connected to the DC / DC power converter via a first contactor, and the DC circuit on the feeder side is connected to the feeder via a second contactor. The power converter characterized by this.
前記電力貯蔵装置側直流回路を前記DC/DC電力変換器に接続するに際して、前記平滑コンデンサの端子電圧が所定値以下であることの確認を条件とすることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 or 2, wherein
When connecting the DC circuit of the power storage device side to the DC / DC power converter, it is necessary to confirm that the terminal voltage of the smoothing capacitor is not more than a predetermined value.
前記電力貯蔵装置側直流回路を前記DC/DC電力変換器に接続するに際して、運転開始指令があることの確認を条件とすることを特徴とする電力変換装置。 It is a power converter device of any one of Claims 1-3, Comprising:
When connecting the power storage device side DC circuit to the DC / DC power converter, it is necessary to confirm that there is an operation start command.
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