JP2016094054A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】余剰回生電力を処理するための電力変換部のスイッチング動作に伴う高調波電流を抑制してレールへの流入を防止した電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流き電系統によりき電される車両１１０の回生電力を交流電力に変換する電力変換部２０４を備え、その交流出力側に負荷３０１及び交流電源系統３０３が互いに並列に接続されると共に、交流電源系統３０３から負荷３０１に常時給電し、かつ、回生電力により直流き電電圧が所定値以上になったときに電力変換部２０４を直流−交流変換動作させて電力変換部２０４から負荷３０１に交流電力を供給可能とした電力変換装置において、直流き電系統内の接地されたレール１０２に接続された電力変換部２０４の負側電路に、直流リアクトル２１１を挿入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流き電系統から発生した回生電力の余剰分を交流電力に変換して負荷に供給するようにした電力変換装置に関するものである。

直流き電系統において、車両の制動動作により発生した回生電力は、き電線を介して他の列車の力行電力として利用されている。このような直流き電系統では、同一の変電区間内において、回生電力が力行電力を上回ると、き電電圧が上昇し、回生電力が力行電力を下回った場合には、き電電圧が低下する。

ここで、例えば特許文献１には、直流き電系統におけるき電電圧の安定化を図りながら、交流電源系統に逆潮流しない範囲で余剰回生電力を有効に活用する回生電力吸収装置が開示されている。
図４は、この特許文献１に記載された従来技術の構成図である。

図４において、１０１は直流のき電線、１０２はレール、１１０は車両、３０１は駅構内の照明設備や空調設備、昇降設備等の負荷、３０３は低圧の交流電源系統、３０４は変圧器である。
また、４００は、き電線１０１及びレール１０２と交流電源系統３０３との間に接続された回生電力吸収装置である。この回生電力吸収装置４００は、複数のＩＧＢＴからなるＩＧＢＴ変換器４１０、制御器４２０、電力検出器４３１，４３２、電流検出器４３３、電圧検出器４３４，４３５、チョッパ４３６、二次電池４３７、遮断器４３８、及び変圧器４４０を備えている。

制御器４２０において、電圧制御器４２１は、き電線の電圧指令値ＶＦ_ＲＥＦと電圧検出値ＶＦとの偏差から第１の回生電力指令値ＷＡＢＳ_ＲＥＦを演算する。電力指令分配器４２２は、負荷電力ＷＬ，回生電力指令値ＷＡＢＳ_ＲＥＦ及び充電率ＳＯＣから、第２の回生電力指令値ＷＡＢＳ_ＲＥＦ２及びチョッパ４３６の電力指令値ΔＷＡＢＳを生成する。
電流換算器４２３は、回生電力指令値ＷＡＢＳ_ＲＥＦ２と回生電力検出値ＷＡＢＳとの偏差を有効電流偏差に換算し、電流制御器４２４は、有効電流偏差をゼロにするようにＩＧＢＴ変換器４１０の交流出力電圧を制御する。

一方、電流換算器４２５は、チョッパ４３６の電力指令値ΔＷＡＢＳを電流指令値Ｉ_ＲＥＦに換算し、電流制御器４２６は、電流指令値Ｉ_ＲＥＦと二次電池４３７の電流検出値Ｉ_ＢＡＴＴとの偏差をゼロにするようにチョッパ４３６の出力電圧を制御する。また、充電率演算器４２７は、二次電池４３７の電流検出値Ｉ_ＢＡＴＴ及び電圧検出値Ｖ_ＢＡＴＴに基づいて充電率ＳＯＣを演算する。

この従来技術では、車両１１０の回生運転時にき電電圧検出値ＶＦが上昇し、第１の回生電力指令値ＷＡＢＳ_ＲＥＦが負荷３０１の電力検出値ＷＬを超えると、第２の電力指令値ＷＡＢＳ_ＲＥＦ２が電力検出値ＷＬに制限されて交流電源系統３０３への逆潮流が抑制される。これと同時に、電力指令値ΔＷＡＢＳが増加するため、電流制御器４２６を介したチョッパ４３６の動作によって二次電池４３７が充電される。
また、車両１１０の回生運転が終了して力行運転に移行すると、き電電圧検出値ＶＦが低下するが、第１の回生電力指令値ＷＡＢＳ_ＲＥＦが負になることにより、チョッパ４３６の動作によって二次電池４３７の放電が開始され、更に、ＩＧＢＴ変換器４１０の動作によってき電電圧が所定値に維持されるものである。

これにより、負荷３０１の消費電力を上回る余剰回生電力を利用して二次電池４３７を充電し、また、き電電圧の低下時には二次電池４３７を放電させることで、き電電圧の安定化を図っている。

特許第４４３２６７５号公報（段落[００２７]〜[００４４]、図５，図９等）

図４に示すように、上記の回生電力吸収装置４００は通常、接地されており、また、レール１０２も接地されている。この場合、ＩＧＢＴ変換器４１０内のＩＧＢＴが高速でスイッチングすると、ＩＧＢＴに発生する急激な電圧変化（ｄＶ／ｄｔ）により、ＩＧＢＴ変換器４１０と回生電力吸収装置４００の筺体等との間に存在する浮遊容量４５０を介して大地に高調波電流が流れ、この高調波電流がレール１０２に流入する。
このような高調波電流の還流経路は、浮遊容量４５０を介したものばかりでなく、例えば変圧器４４０の接地側を介してレール１０２に流入する経路も存在する。

しかしながら、レール１０２には鉄道の信号設備や踏切設備等を制御するための様々な信号電流が流れているため、上記高調波電流がノイズとなって信号電流に悪影響を与え、各種設備の正常な動作が保証されなくなる等のおそれがあった。

そこで、本発明の解決課題は、余剰回生電力を処理するための電力変換部のスイッチング動作に伴う高調波電流を抑制してレールへの流入を防止した電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流き電系統によりき電される車両の回生電力を交流電力に変換する電力変換部を備え、前記電力変換部の交流出力側に負荷及び交流電源系統が互いに並列に接続されると共に、前記交流電源系統から前記負荷に常時給電し、かつ、前記回生電力により直流き電電圧が所定値以上になったときに前記電力変換部を直流−交流変換動作させて前記電力変換部から前記負荷に交流電力を供給可能とした電力変換装置において、
前記直流き電系統内の接地されたレールに接続された前記電力変換部の負側電路に、直流リアクトルを挿入したものである。

なお、本発明は、請求項２に記載するように、前記電力変換部、または、前記電力変換部と前記負荷との間に設けられた変圧器が接地されている回路構成において、特に有効なものである。

本発明によれば、直流き電系統のレールに接続される電力変換部の負側電路に直流リアクトルを挿入することにより、負側電路から接地を介してレールに流入する高調波電流を抑制し、レールに流れている各種の信号電流に対する影響を低減することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の課題を説明するための構成図である。 図２における高調波電流の経路の説明図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
前後するが、図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置２００の課題を説明するためのものであり、前記同様に、１０１は直流き電系統のき電線、１０２はレール、１１０は車両である。

電力変換装置２００の正側入力端子Ｐはき電線１０１に接続され、負側入力端子Ｎはレール１０２に接続されている。また、電力変換装置２００の交流出力端子は、駅構内の照明設備や空調設備、昇降設備等の負荷３０１に接続されると共に、負荷３０１に対して並列に、三相変圧器３０２を介して交流電源系統３０３に接続されている。なお、Ｇ_１はレール１０２の接地、Ｇ_２は電力変換装置２００の筺体等の接地を示す。

ここで、き電線１０１の標準電圧は、例えば１５００［Ｖ］であり、交流電源系統３０３の電圧は、例えば低圧の三相２００［Ｖ］である。図２から明らかなように、交流電源系統３０３の交流電力は、三相変圧器３０２を介して負荷３０１に常時、供給されている。

電力変換装置２００において、正側入力端子Ｐは、高速遮断器２０１と直流遮断器２０２と直流リアクトル２０３ａとを介して、電力変換部２０４の正側入力端子（＋）に接続されている。なお、２０３ｂはフィルタ用のコンデンサである。また、電力変換装置２００の負側入力端子Ｎは、電力変換部２０４の負側入力端子（−）に接続されている。

電力変換部２０４は、内部の半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって直流−交流変換を行うインバータ等により構成されている。
電力変換部２０４の交流出力端子には、交流リアクトル２０５ａ及びコンデンサ２０５ｂからなるフィルタ回路２０５が接続されており、その出力側は、三相変圧器２０６及び交流遮断器２０７を介して、負荷３０１及び三相変圧器３０２にそれぞれ接続されている。

高速遮断器２０１と直流遮断器２０２との接続点と、電力変換部２０４の負側電路との間には、き電電圧検出部２０８が接続され、この検出部２０８から出力されるき電電圧検出値が制御部２２０に入力されている。
更に、フィルタ回路２０５と三相変圧器２０６との接続点の電圧が交流電圧検出部２０９により検出され、交流遮断器２０７と三相変圧器３０２との接続点の電圧が交流電圧検出部２１０により検出される。これらの交流電圧検出部２０９，２１０による電圧検出値も、制御部２２０に入力されている。

制御部２２０は、き電電圧検出部２０８及び交流電圧検出部２０９，２１０からの各電圧検出値に基づいて、電力変換部２０４の半導体スイッチング素子をスイッチングするための駆動信号を生成する。

この電力変換装置２００の起動動作としては、まず、制御部２２０を起動し、交流電圧検出部２１０により交流電源系統３０３の電圧を検出する。次に、直流側の高速遮断器２０１を投入し、き電電圧検出部２０８により、き電電圧が例えば９００［Ｖ］以上であることを検出する。次いで、直流遮断器２０２を投入することにより、直流リアクトル２０３ａを介して電力変換部２０４に直流電圧を印加する。
更に、交流遮断器２０７を投入して交流電圧検出部２０９により交流電源系統３０３の電圧を検出し、この電圧と同期した電圧を電力変換部２０４から出力させるように、制御部２２０が電力変換部２０４を制御する。

制御部２２０は、車両１１０の回生運転時に、き電電圧検出部２０８により検出されるき電電圧が回生電力によって所定の閾値（例えば、１６００［Ｖ］）以上になった場合に、電力変換部２０４を直流−交流変換動作させ、出力電圧波形を交流電源系統３０３の電圧波形と同期させたうえで負荷３０１に交流電力を供給する。なお、き電電圧が１６００［Ｖ］を下回る時は、電力変換部２０４を待機状態とする。
負荷３０１への給電にあたっては、制御部２２０により、交流電源系統３０３からの入力電圧、電力変換部２０４の出力電力、及び負荷３０１への出力電力を監視し、交流電源系統３０３側へ電力が逆潮流しないように制御を行う。

ここで、図３は、図２における制御部２２０と、制御部２２０に入出力される信号線とを省略した電力変換装置２００の主要部を示している。
図２及び図３から分かるように、レール１０２及び電力変換装置２００は何れも接地されている。また、図３に示すように、例えば電力変換部２０４と電力変換装置２００の筐体との間には浮遊容量２３０が存在する。

このため、図４と同様に、電力変換部２０４内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴う急激な電圧変化（ｄＶ／ｄｔ）により、電力変換部２０４から浮遊容量２３０を介して大地に高調波電流が流れる。この高調波電流が、図３に矢印ａで示すように、大地からレール１０２に流入して電力変換部２０４の負側電路に還流すると、前述したごとく、レール１０２を流れる様々な信号電流に対する高調波ノイズとなって悪影響を及ぼす。
また、高調波電流の還流経路は、上記以外にも、例えば、電力変換部２０４の負側電路を介して三相変圧器２０６の接地側からレール１０２に流入する経路も存在する。

そこで、本発明の実施形態では、図１に示す電力変換装置２００Ａのように、レール１０２に接続される電力変換部２０４の負側電路、詳しくは負側入力端子Ｎとコンデンサ２０３ｂの負側端子との間に、直流リアクトル２１１を挿入することとした。
この直流リアクトル２１１は、電力変換部２０４のスイッチングに起因して発生する高調波電流に対し高インピーダンス素子として作用するため、レール１０２に流入する高調波電流を抑制し、高調波ノイズを低減することができる。これにより、レール１０２を流れる鉄道設用の信号電流にノイズが混入するのを防止することができる。

なお、図１の例では、負側入力端子Ｎとコンデンサ２０３ｂの負側端子との間に直流リアクトル２１１を接続してあるが、コンデンサ２０３ｂの負側端子と電力変換部２０４の負側入力端子（−）との間に直流リアクトル２１１を接続した場合にも同様の効果を得ることができる。

１０１：き電線
１０２：レール
１１０：車両
２００，２００Ａ：電力変換装置
２０１：高速遮断器
２０２：直流遮断器
２０３ａ：直流リアクトル
２０３ｂ：コンデンサ
２０４：電力変換部
２０５：フィルタ回路
２０５ａ：交流リアクトル
２０５ｂ：コンデンサ
２０６：三相変圧器
２０７：交流遮断器
２０８：き電電圧検出部
２０９，２１０：交流電圧検出部
２１１：直流リアクトル
２２０：制御部
２３０：浮遊容量
３０１：負荷
３０２：三相変圧器
３０３：交流電源系統
Ｐ：正側入力端子
Ｎ：負側入力端子
Ｇ_１，Ｇ_２：接地

Claims (2)

1. 直流き電系統によりき電される車両の回生電力を交流電力に変換する電力変換部を備え、前記電力変換部の交流出力側に負荷及び交流電源系統が互いに並列に接続されると共に、前記交流電源系統から前記負荷に常時給電し、かつ、前記回生電力により直流き電電圧が所定値以上になったときに前記電力変換部を直流−交流変換動作させて前記電力変換部から前記負荷に交流電力を供給可能とした電力変換装置において、
   前記直流き電系統内の接地されたレールに接続された前記電力変換部の負側電路に、直流リアクトルを挿入したことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載した電力変換装置において、
   前記電力変換部、または、前記電力変換部と前記負荷との間に設けられた変圧器が、接地されていることを特徴とする電力変換装置。

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