JP2017077857A

JP2017077857A - 電気鉄道用回生インバータの制御方法及び制御装置

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Publication number: JP2017077857A
Application number: JP2015207812A
Authority: JP
Inventors: 正宣平松; Masanori Hiramatsu
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: JP6597168B2

Abstract

【課題】回生インバータにおける電力損失を低減する。
【解決手段】列車の制動時に発生する回生電力をき電線から交流系統に回生する回生インバータ２の制御装置１である。制御装置１は、時間帯に応じて回生インバータ２の回生吸収開始電圧を選択する回生開始選択部５を有する。回生開始選択部５は、回生インバータ２が担当する区間に存在する列車が少ない時間帯では、変電所に設けられた整流器の無負荷電圧以下とならない範囲で低い回生吸収開始電圧を選択する。また、回生インバータ２が担当する区間に存在する列車が多い時間帯では、列車が少ない時間帯の回生吸収開始電圧より高い回生吸収開始電圧を選択する。制御装置１は、回生開始選択部５により選択された回生吸収開始電圧と、き電線で検出されたき電電圧検出値と、に基づいて、回生インバータ２の回生動作のための運転及び停止を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気鉄道用直流き電システムにおける回生インバータの制御方法及び制御装置に関する。

電気鉄道用直流き電システムは、交流系統電力を変電所内の整流器で直流電力に変換し、き電線を通して直流電力を電気鉄道の列車に給電するシステムである。このシステムでは、変電所に設けられたダイオード整流器やサイリスタ整流器等により交流系統の交流電力が直流電力に変換され、き電線に電力が供給される（例えば、特許文献１，２）。

電気鉄道では、減速や停止時等の制動の際に回生を行う回生車が増加しているが、上記の整流器は回生機能を持たないため、回生車の制動時に発生する回生電力をき電線から交流系統に回生することができない。直流電力部であるき電線において回生電力を消費させないと、き電電圧が上昇してしまう。

そこで、図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示すような、回生電力を消費させる電気鉄道用直流き電システム７〜９が採用されている（例えば、特許文献３）。図３（ａ）の直流き電システム７では回生インバータ２を設け、回生車１０の制動時に発生する回生電力をき電線１１から回生インバータ２を介して交流系統１２に回生している。また、図３（ｂ）の直流き電システム８では、回生電力を消費する回生抵抗装置１３を設け、チョッパ装置を介して回生電流を回生抵抗装置１３に流して消費している。図３（ｃ）の直流き電システム９では蓄電装置１４を設け、き電線１１に発生した回生電力をチョッパ装置を介して蓄電装置１４に貯蔵している。

図３（ａ）に示した直流き電システム７の回生インバータ２は、ＩＧＢＴ等の電力用半導体によって構成され、電力用半導体のスイッチング動作によってき電の直流電力を交流電力に変換する。回生インバータ２が回生車１０で発生した回生電力を交流系統１２に返すことで回生電力が消費され、き電電圧上昇が抑制される。き電電圧上昇を抑制することで、回生車１０の回生失効やき電の過電圧破壊が防止される。

図４は、図３（ａ）の直流き電システム７に用いられている回生インバータ２の制御装置１５のブロック図である。制御装置１５は、比較器３と比較器４とを有する。

比較器３は、回生インバータ２に運転指令信号を送信する。比較器３には、き電電圧検出値と、予め定められた設定値である回生吸収開始電圧が入力される。そして、比較器３において、き電電圧検出値と回生吸収開始電圧とが比較され、き電電圧検出値＞回生吸収開始電圧のときに、運転指令信号が回生インバータ２に出力される。

比較器４は、回生インバータ２に停止指令信号を送信する。比較器４には、き電電圧検出値と、回生吸収開始電圧と停止オフセット電圧の差分が入力される。そして、比較器４において、き電電圧検出値と、回生吸収開始電圧と停止オフセット電圧の差分が比較され、き電電圧検出値＜回生吸収開始電圧と停止オフセット電圧の差分のときに、停止指令信号が回生インバータ２に出力される。なお、停止オフセット電圧は、き電電圧検出値≒回生吸収開始電圧時での運転／停止の繰り返しを避けるために設けられるものである。

特開平７−３０４３５３号公報特開平１−１３２４３２号公報特開２００７−２１０５１３号公報特開平８−２０５４０５号公報

直流き電システムを図３（ａ）のように構成して、回生電力を回生インバータ２を介して交流系統１２に回生して電力の有効利用を図ろうとしても、電鉄会社と電力会社との取決めによって回生電力を電力会社に売電できない場合がある。この場合、電鉄会社においては図３（ａ）のシステムにおける利点はない。また、回生電力の電力会社への売電が可能であっても、回生インバータの運転時には、電力用半導体の導通損失やスイッチング損失等の損失が発生する。この損失分の電力料金は電鉄会社が負担することとなり、回生インバータの運転時間が長いことは、電力料金と省エネルギーの両面から好ましくない。

そこで、本発明は、回生インバータにおける電力損失の低減に貢献する回生インバータの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の回生インバータの制御方法は、回生インバータを持つ電気鉄道用直流き電システムにおける回生インバータの制御方法であって、時間帯によって前記回生インバータの回生吸収開始電圧を変動させ、前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が少ない時間帯の回生吸収開始電圧より、前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が多い時間帯の回生吸収開始電圧を高く設定することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の制御装置は、列車の制動時に発生する回生電力をき電線から回生インバータを通して交流系統に回生する電気鉄道用直流き電システムの制御装置であって、前記制御装置は、前記回生インバータの回生吸収開始電圧を選択する回生開始選択部を有し、前記回生開始選択部は、前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が多い時間帯に、前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が少ない時間帯の回生吸収開始電圧より高い回生吸収開始電圧を選択し、前記制御装置は、前記回生開始選択部により選択された回生吸収開始電圧と、き電線で検出されたき電電圧検出値と、に基づいて、前記回生インバータの回生吸収動作を制御することを特徴としている。

以上の発明によれば、回生インバータにおける電力損失を低減することができる。

本発明の実施形態に係る回生インバータの制御装置のブロック図である。時間帯（１日）に応じた回生インバータの回生吸収開始電圧の設定例を示す図である。（ａ）回生電力をき電線から交流系統に回生するための回生インバータを備えた直流き電システムの一例を示す図、（ｂ）回生電力を消費する回生抵抗装置を備えた直流き電システムの一例を示す図、（ｃ）回生電力を貯蔵する蓄電装置を備えた直流き電システムの一例を示す図である。従来技術に係る回生インバータの制御装置のブロック図である。

本発明の実施形態に係る回生インバータの制御方法及び制御装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、実施形態の説明では、本発明の好ましい態様を示して説明するが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、発明の特徴を損なわない範囲において適宜設計変更が可能である。また、本発明の回生インバータの制御方法及び制御装置は、例えば、図３（ａ）に示すような、回生車１０の制動時に発生する回生電力をき電線１１から交流系統１２に回生するための回生インバータ２を有する直流き電システム７に適用することができる。したがって、回生インバータ２及び後に詳細に説明する制御装置１は、例えば、き電線１１と交流系統１２との間に備えられる変電所（図示せず）内に設けられることとなる。

図１は、本発明の実施形態に係る制御装置１のブロック図である。制御装置１は、回生インバータ２の回生動作のための運転・停止を制御するものであり、比較器３、比較器４及び回生開始選択部５を有する。なお、制御装置１は、図４に示した従来技術に係る制御装置１５に、時間帯によって回生吸収開始電圧を選択出力する機能を持つ回生開始選択部５を備えたものである。よって、従来技術に係る制御装置１５と同様の構成については同じ符号を付して説明する。

回生開始選択部５は、時間帯に応じて回生吸収開始電圧の選択を行う。例えば、回生開始選択部５には、タイマ等の時間帯情報を示す信号が入力され、時間帯に応じた回生吸収開始電圧が選択され、選択された回生吸収開始電圧が比較器３及び減算器６に出力される。回生開始選択部５は、予め運行ダイヤ等の情報に基づいて、所定の区間内における列車の粗密状態を判定し、所定の区間内に存在する列車の本数が多い時間帯ほど高い回生吸収開始電圧を選択し、回生車で発生した回生電力が他の列車の力行動力として消費されるように回生インバータ２を制御する。なお、回生開始選択部５は、所定の区間内に存在する列車の粗密状態を検出し、検出された列車の粗密状態に応じて回生吸収開始電圧を選択する態様とすることもできる。

比較器３は、回生インバータ２に運転指令信号を送信する。比較器３には、き電電圧検出値と、回生開始選択部５で選択された回生吸収開始電圧（以後、選択された回生吸収開始電圧と称する）が入力される。そして、比較器３において、き電電圧検出値と選択された回生吸収開始電圧とが比較され、き電電圧検出値＞選択された回生吸収開始電圧のときに、運転指令信号が回生インバータ２に出力される。この運転指令信号が０→１に立ち上がった時に、回生インバータ２は運転する。

比較器４は、回生インバータ２に停止指令信号を送信する。比較器４には、き電電圧検出値と、減算器６からの出力信号である選択された回生吸収開始電圧と停止オフセット電圧の差分（すなわち停止電圧）が入力される。そして、比較器４において、き電電圧検出値と、選択された回生吸収開始電圧と停止オフセット電圧の差分が比較され、き電電圧検出値＜選択された回生吸収開始電圧と停止オフセット電圧の差分のときに、停止指令信号が回生インバータ２に出力される。この停止指令信号が０→１に立ち上がった時に、回生インバータ２は停止する。

図２は、制御装置１による回生吸収開始電圧の設定例を示す図である。この設定例では、時間帯に応じて回生吸収開始電圧を１〜３に設定しているが、回生吸収開始電圧の設定値は３個に限定されるものではなく、２個以上であればよい。

時間帯１：例えば、変電所の整流器及び回生インバータ２が担当する区間に列車が１編成のみの場合は、回生車が減速や停止する際の回生電力を消費する他の列車がないため、き電電圧が上昇するとすぐに回生インバータ２を運転して回生吸収を行う必要がある。したがって、回生開始選択部５は、無負荷電圧に近い回生吸収開始電圧１を選択することで、列車の回生失効やき電過電圧の防止を確実にする。

時間帯２：例えば、変電所の整流器及び回生インバータ２が担当する区間に朝夕のラッシュ時のような短い間隔で複数の列車が存在する場合である。回生開始選択部５は、時間帯１の回生吸収開始電圧１より高く、列車の回生失効電圧近くの回生吸収開始電圧２を選択する。これにより、回生インバータ２の運転機会が減少し、回生車で発生した回生電力は、区間内で回生電力を回生中ではない列車の力行や補機（照明・空調設備・コンプレッサ）電源として消費される。

時間帯３：変電所の整流器及び回生インバータ２が担当する区間の列車の粗密状態が、時間帯１と時間帯２の中間の状態である。この場合、回生開始選択部５は、回生吸収開始電圧１と回生吸収開始電圧２の中間の回生吸収開始電圧３を選択する。

以上のような本発明の実施形態に係る回生インバータ２の制御方法及び制御装置１によれば、回生インバータ２が担当する区間に存在する列車が多い時間帯での回生インバータ２の運転機会が減ることになり、回生インバータ２に発生する損失分を低減させることができる。これにより、直流き電システムの信頼性を向上しつつ、列車の多い時間帯での回生インバータ２の損失分の省エネルギーと電力料金の低減を実現することができる。

つまり、回生インバータ２が担当する区間に存在する列車が少ない時間帯では、回生電力を消費する列車も少ないため、回生インバータ２の回生吸収開始電圧を低めに設定することで、確実に列車の回生失効やき電過電圧に陥らないように制御することができる。このときの回生吸収開始電圧の下限は、変電所整流器無負荷電圧よりも高く設定される。

また、回生インバータ２が担当する区間に存在する列車が多い時間帯では、回生インバータ２の回生吸収開始電圧を高めに設定することで、列車間で回生電力を消費させる機会を増やすことができる。つまり、き電で消費される回生電力を増加させ、回生インバータ２を介して交流系統へ返す電力を低減することができる。このときの回生吸収開始電圧の上限は、列車の回生失効電圧より低く設定される。

なお、特許文献４では、列車の運転台数に応じてき電電圧を制御する技術が開示されているが、これは、変電所内の機器（変圧器、サイリスタ整流器、回生インバータ装置）の運転台数制御と変電所内の変圧器の変圧比に基づいてき電電圧を目標値に制御するものである。

これに対して、本発明の回生インバータ２の制御方法及び制御装置１では、回生インバータ２の吸収開始電圧を変動させることによって、変電所の整流器無負荷電圧＜き電電圧＜列車の回生失効電圧、となるように制御するものである。よって、特許文献４と比較して、タップ切換器等の変圧器の変圧比を変更するための構成が不要となる。また、運転台数制御に必要な複数台の機器が不要である。つまり、特許文献４と比較して、き電システムを小型化、低コストにできる。

また、回生インバータ２が回生電力を交流系統に返しても、電鉄会社と電力会社との取決めによっては電鉄会社が回生電力を電力会社に売電できない場合がある。この場合、回生インバータ２を運転することによる電鉄会社の経済的な利点は少ない。そこで、本発明のように、回生インバータ２を制御して交流系統で回生電力を消費する機会を低減することで、回生インバータ２における電力損失を低減できるだけでなく、回生インバータ２を長時間運転する運転コストを低減することができる。

１…制御装置
２…回生インバータ
３，４…比較器
５…回生開始選択部
６…減算器

Claims

回生インバータを持つ電気鉄道用直流き電システムにおける回生インバータの制御方法であって、
時間帯によって前記回生インバータの回生吸収開始電圧を変動させ、
前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が少ない時間帯の回生吸収開始電圧より、前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が多い時間帯の回生吸収開始電圧を高く設定する
ことを特徴とする回生インバータの制御方法。
列車の制動時に発生する回生電力をき電線から回生インバータを通して交流系統に回生する電気鉄道用直流き電システムの制御装置であって、
前記制御装置は、前記回生インバータの回生吸収開始電圧を選択する回生開始選択部を有し、
前記回生開始選択部は、前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が多い時間帯に、前記回生インバータが担当する区間に存在する列車が少ない時間帯の回生吸収開始電圧より高い回生吸収開始電圧を選択し、
前記制御装置は、前記回生開始選択部により選択された回生吸収開始電圧と、き電線で検出されたき電電圧検出値と、に基づいて、前記回生インバータの回生吸収動作を制御する
ことを特徴とする制御装置。