JP2019025979A - 電鉄用回生制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】一部の畜電セルが故障したときにも回生電力を有効利用できる電鉄用回生制御システムを提供する。【解決手段】本実施形態に係る電鉄用回生制御システムは、第１蓄電部と、第１電力変換部と、監視部と、第２蓄電部と、第２電力変換部と、を備える。第１蓄電部は、充放電可能な複数の蓄電セルを有する。第１電力変換部は、第１蓄電部と、き電線と、の間に接続され、第１蓄電部の出力電力の電力変換を行う。監視部は、蓄電セルの故障検出およびそのセルの切り離しを行うとともに、制御信号に基づいて第１蓄電部の充放電制御を行う。制御部は、第１蓄電部の出力電力に基づいて、制御信号を監視部に送信する。第２蓄電部は、制御部への電力供給を行うとともに、所定の条件下でき電線への電力供給を行う。第２電力変換部は、第２蓄電部と第１電力変換部との一方から他方に送られる電力の変換を行う。【選択図】図１

Description

本実施形態は、電鉄用回生制御システムに関する。

近年、鉄道車両の電気ブレーキ時に発生する回生電力を充放電する電鉄用回生制御システムが注目されている。この電鉄用回生制御システムは、発生した回生電力を蓄電池に充電し、鉄道車両の力行時に放電する。これにより、変電所から供給される電力を低減させるとともに、き電線の電圧を安定化させている。また、系統電力の停電時に、畜電池を鉄道車両の非常用走行電源として用いることも可能となる。このような電鉄用回生制御システムに用いられる畜電池は、一般に充放電可能な複数の蓄電セルから構成されている。

ところが、一部の畜電セルが故障すると、蓄電池の出力電力が低下するため、電鉄用回生制御システムが正常に機能しなくなってしまう恐れがある。また、停電時には、蓄電池に蓄電された電力を利用して、駅間に停車している鉄道車両を最寄りの駅まで待避させる必要があるが、一部の蓄電セルが故障している場合には、蓄電池に蓄電された電力が不足して、鉄道車両の待避ができないことも起こりえる。

国際公開２０１５／１１５５４１号

一部の畜電セルが故障したときにも回生電力を有効利用できる電鉄用回生制御システムを提供する。

本実施形態に係る電鉄用回生制御システムは、第１蓄電部と、第１電力変換部と、監視部と、第２蓄電部と、第２電力変換部と、を備える。第１蓄電部は、充放電可能な複数の蓄電セルを有する。第１電力変換部は、第１蓄電部と、電車に駆動電力を供給するき電線と、の間に接続され、第１蓄電部の出力電力の電力変換を行う。監視部は、蓄電セルの故障検出および故障した蓄電セルの切り離しを行うとともに、制御信号に基づいて第１蓄電部の充放電制御とを行う。制御部は、第１蓄電部の出力電力に基づいて、制御信号を監視部に送信する。第２蓄電部は、制御部への電力供給を行うとともに、所定の条件下でき電線への電力供給を行う。第２電力変換部は、第２蓄電部と第１電力変換部との間に接続され、第２蓄電部と第１電力変換部との一方から他方に送られる電力の変換を行う。

第１実施形態に係る電鉄用回生制御システムの全体の構成を示す図。 監視盤又は制御盤に設定されているテーブルの充放電特性の一例を示す図。 第２チョッパを駆動状態にし、第２蓄電部からき電線へ電流が供給される状態を模式的に示す図。 第２チョッパの駆動を停止し、第２蓄電部からき電線への電流供給を停止している状態を模式的に示す図。 第１蓄電部の第１蓄電セルの一部が故障した場合の制御例を示すフローチャート。 系統電力が停電した状態の電流の流れを模式的に示す図。 第２実施形態に係る電鉄用回生制御システムの制御動作例を示すフローチャート。 第１畜電部の第１畜電セルが２つ故障した状態の電流の流れを模式的に示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電鉄用回生制御システム１の全体の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る電鉄用回生制御システム１は、回生電力を充放電可能なシステムであり、第１蓄電部２０と、第１チョッパ３０と、監視盤５０と、第２蓄電部６０と、制御盤７０と、第２チョッパ８０とを、備えて構成されている。図１の電鉄用回生制御システム１の周辺には、変電所２と、変電所遮断器３を有する変電所設備４と、送電線５と、き電電力変換装置６と、き電線７と、電車８と、配電電力変換装置９とが設けられている。

変電所２は、変電所遮断器３などの変電所設備４を介して送電線５に、交流電力からなる系統電力を供給する。変電所遮断器３は、変電所２と送電線５との間の系統電力供給経路を電気的に接続又は遮断する。変電所設備４は、変電所２の配電に関する設備であり、変電所遮断器３や不図示の配電盤などを有する。送電線５は、変電所２から供給される系統電力を送電する。

き電電力変換装置６は、送電線５の交流電力を直流電力に変換してき電線７に供給する。このき電電力変換装置６は、例えば、変圧器とダイオード整流器とを組み合わせた回路やＰＷＭコンバータなどである。き電線７の電圧、すなわち、き電電圧は、き電電力変換装置６が通常運転している場合には、例えばＤＣ１５００ボルトである。

き電線７は、電車８に駆動電力を供給する電力線である。電車８は、き電線７を介して供給される直流電力により駆動される。電車８が減速時に発生した回生電力をき電線７に供給すれば、き電電圧は上昇する。一方で、電車８がき電線７から供給される電力を用いて力行すれば、き電電圧は低下する。

配電電力変換装置９は、送電線５の交流電力を直流電力に変換して、変電所設備４と、後述する第２畜電部６０及び制御盤７０とに供給する。この配電電力変換装置９は、例えば、変圧器及びダイオード整流器を備えており、例えばＤＣ２００ボルトの直流電力に変換する。なお、変電所設備４には、変圧器で変圧した交流電圧（例えばＡＣ２００ボルト）を供給してもよい。

き電線７には、第１蓄電部２０が第１チョッパ３０を介して接続されている。第１蓄電部２０は、後述するように、き電線７の電圧に応じて、電車８の回生電力の発生時に充電を行い、電車８の力行時に放電を行う。より詳細には、第１蓄電部２０は、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃと、第１セル管理部２４ａ〜２４ｃと、第１セル遮断器２６ａ〜２６ｃとを有する。第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃは、例えば６００ボルトの基準電圧を有する二次電池である。これら第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃは、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの蓄電池を直列に接続して構成されている。或いは、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃは、複数の蓄電池を直列に接続して構成されたセルを更に並列に接続して構成されている。このように、この第１蓄電部２０は、充放電可能な複数の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃを有する。

第１セル管理部２４ａ〜２４ｃは、対応する第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの電圧、電流及び温度のいずれかが基準値を超えた場合に、基準値を超えた第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの情報を有する故障信号を監視盤５０内の第１セル制御部５２に出力する。これにより、監視盤５０は故障した第１蓄電セルを検知することが可能である。また、第１セル管理部２４ａ〜２４ｃは、対応する第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの電圧、及び電流の情報を含む状態信号を監視盤５０に出力する。

第１セル遮断器２６ａ〜２６ｃは、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃと端子Ｔｅ２との間を電気的に接続又は遮断する。すなわち、この第１セル遮断器２６ａ〜２６ｃは、第１セル制御部５２から入力される監視制御信号に基づき、故障信号に対応する第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃと端子Ｔｅ２との間を電気的に遮断し、故障した第１蓄電セルを第１蓄電部２０から電気的に切り離す。例えば、３つの第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃが並列接続されている場合に、一つの第１蓄電セルを切り離せば、第１蓄電部２０の電力容量は３分の２まで低下する。このように、故障した第１蓄電セル第１蓄電部２０から電気的に切り離すと、第１蓄電部２０の電力容量は低下する。

第１電力変換部として機能する第１チョッパ３０は、第１蓄電部２０とき電線７との間に接続され、第１蓄電部２０の出力電力の電力変換を行う。また、第１チョッパ３０は、例えば自己消弧型のスイッチング素子をゲート駆動する昇降圧チョッパ回路であり、監視盤５０から入力される監視制御信号に基づきＰＷＭ駆動し、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの充放電電流を制御する。また、第１チョッパ３０は、監視盤５０から入力される監視制御信号に基づき、電力変換を停止する。この場合、き電線７とノード４との間は電気的に遮断される。なお、き電線７と第１チョッパ３０との間に遮断器を更に設けてもよい。

監視部として機能する監視盤５０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有し、第１畜電部２０の充放電制御を行う。この監視盤５０は、制御盤７０からの制御信号に基づいて、第１畜電部２０の充放電制御を行う。

また、監視盤５０は、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃを制御する第１セル制御部５２を有する。第１セル制御部５２は、上述のように、第１セル管理部２４ａ〜２４ｃからの故障信号に基づき、故障が生じた第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの切り離しを第１セル遮断器２６ａ〜２６ｃに行なわせる。このように、監視盤５０は、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの故障検出および故障した第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの切り離しを行うとともに、制御盤７０から入力される制御信号に基づいて第１蓄電部２０の充放電制御を行う。

さらにまた、監視盤５０は、第１チョッパ３０を制御し、き電線７とノード４との間を電気的に遮断するか否かを切替制御する。例えば、監視盤５０は、変電所２が停電した場合には、電車８を最寄りの駅まで待避させた後に、き電線７とノード４との間を遮断させる制御を行う。これにより、き電線７と第１蓄電部２０との間の電力の授受が停止され、第１蓄電部２０の放電を防止できる。なお、監視盤５０の制御の詳細は、図２乃至図５等を参照して後述する。

第２蓄電部６０は、制御盤７０への電力供給を行うとともに、所定の条件下で、き電線７への電力供給を行う。ここで、所定の条件下とは、第１蓄電部２０の出力電力が後述する不足電力だけ低下し、かつ第２蓄電部６０が不足電力を第２チョッパ８０に供給しても制御盤７０を正常動作させる電力を制御盤７０に供給できる場合である。第２蓄電部６０は、逆流防止用のダイオード６８を介して、制御盤７０及び第２チョッパ８０が接続されるノードｎ２に接続されている。すなわち、第２蓄電部６０は、制御盤７０への電力供給を行うとともに、第１蓄電部２０の出力電力の低下時に、低下した出力電力による不足電力を、第２チョッパ８０を介してき電線７側に供給する。また、第２蓄電部６０は、配電電力変換装置９から供給される電力により充電され、例えば変電所２の停電時に、制御盤７０のバックアップ電源として使用される。

第２蓄電部６０は、第２蓄電セル６２ａ〜６２ｃと、第２セル管理部６４ａ〜６４ｃと、第２セル遮断器６６ａ〜６６ｃとを有する。このように、第２蓄電部６０は、第１蓄電部２０とは基準電圧が異なる。すなわち、第２蓄電セル６２ａ〜６２ｃは、例えば２００ボルトの基準電圧を有する二次電池である。この第２蓄電セル６２ａ〜６２ｃは、例えば、鉛電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの蓄電池を直列に接続して構成されている。

第２セル管理部６４ａ〜６４ｃは、故障が発生した第２蓄電セル６２ａ〜６２ｃの情報を有する故障信号を後述する制御盤７０の第２セル制御部７２に出力し、第２蓄電セル６２ａ〜６２ｃの電圧及び電流の情報を含む状態信号を制御盤７０に出力する。第２セル遮断器６６ａ〜６６ｃは、第２蓄電セル６２ａ〜６２ｃと端子Ｔｅ４との間を電気的に接続又は遮断する。

制御部として機能する制御盤７０は、制御信号を監視盤５０に送信する。制御盤７０は、第１蓄積部２０の出力電力が低下した場合には、き電線７に供給されるべき目標電力からの不足電力を算出して、不足電力に関する情報を含む制御信号を監視盤５０に送信する。制御盤７０は、第２蓄電部６０が不足電力を第２チョッパ８０に供給しても制御盤７０を正常動作させる電力を制御盤７０に供給できる場合には、第２蓄電部６０から第２チョッパ８０に不足電力を供給させる。一方、制御盤７０は、第２蓄電部６０が不足電力を第２チョッパ８０に供給すると制御盤７０を正常動作させる電力を制御盤７０に供給できない場合には、第２蓄電部６０から第２チョッパ８０への不足電力の供給を停止させる。より具体的には、制御盤７０は、例えばＣＰＵを有し、変電所設備４と、監視盤５０と、第２蓄電部６０と、第２チョッパ８０との制御を行う。例えば制御盤７０は、変電所設備４内の変電所遮断器３の遮断及び接続の制御を行う。また、制御盤７０は、通常時には配電電力変換装置９から系統電力を供給されている。一方、変電所設備４が停電すると、制御盤７０の主電源が系統電力から第２畜電部６０に切り切り替えられる。

制御盤７０は、第２セル制御部７２を有している。第２セル制御部７２も、第１セル制御部５２と同等の構成であり、第２セル管理部６４ａ〜６４ｃからの故障信号に応じて、故障が生じた第２蓄電セル６２ａ〜６２ｃの切り離しを対応する第２セル遮断器６６ａ〜６６ｃに行なわせる。

また、制御盤７０は、第１蓄電部２０の出力電力の低下時に、低下した出力電力による不足電力を算出し、不足電力の情報を含む制御信号を監視盤５０に送信する。制御盤７０の制御に関する詳細は、図２乃至図５などを参照して後述する。

第２電力変換部として機能する第２チョッパ８０は、第２蓄電部６０と第１チョッパ３０との間に接続され、第２蓄電部６０と第１チョッパ３０との一方から他方に送られる電力の変換を行う。第２チョッパ８０は、上述した所定の条件下で、第２蓄電部６０から出力された不足電力に応じた電力を変換して、第１チョッパ３０に供給する。また、第２チョッパ８０は、監視盤５０または制御盤７０からの指示に応じて、第１蓄電部２０から出力された電力の少なくとも一部を変換後に第２蓄電部６０に供給する。より具体的には、第２チョッパ８０は、第２蓄電部６０と、ノードｎ４との間に接続されている。第２チョッパ８０は、自己消弧型のスイッチング素子をゲート駆動する昇降圧チョッパ回路であり、制御盤７０から入力される制御信号に基づきＰＷＭ駆動し、第１畜電部２０の出力電流、または第２蓄電部６０が出力する不足電流を制御する。また、第２チョッパ８０は、制御盤７０の制御信号に従い駆動を停止して、ノード２とノード４との間を電気的に遮断する。なお、ノード２とノード４との間に遮断器を更に設けてもよい。

以上が本実施形態に係る構成の説明であるが、以下に本実施形態に係る監視盤５０及び制御盤７０の制御例を詳細に説明する。

ここで、図２を用いて監視盤５０又は制御盤７０の制御に用いられるテーブルの特性について説明する。監視盤５０又は制御盤７０は、図２のテーブルに基づいて、第１蓄電部２０又は第２蓄電部６０の充放電を制御する。なお、このテーブルは、例えば、不図示の記憶部に記憶されており、監視盤５０又は制御盤７０は、記憶部に記憶されたテーブルを参照して、き電電圧に対応する第１蓄電部２０又は第２蓄電部６０の充放電電流を設定する。図２は、監視盤５０又は制御盤７０に設定されているテーブルの充放電特性の一例を示す図である。図２の横軸はき電電圧を示し、縦軸はき電線７への充放電電流を示している。本実施形態においては、テーブルＴ２とＴ４は監視盤５０および制御盤７０に設定されている。一方、テーブルＴ６、Ｔ８は監視盤５０に設定されている。

まず、テーブルＴ２の特性について説明する。テーブルＴ２は、第１蓄電部２０の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃに故障がない場合に使用される。また、テーブルＴ２は、第１蓄電部２０の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの一部に故障が発生しているが、第２蓄電部６０から不足電力が供給される場合にも使用される。

図２に示すように、き電電圧が放電開始電圧Ｖ１にまで低下すると、き電線７への放電電流が次第に増加する。そして、放電電流が飽和値に達すると、き電線７への放電電流は停止電圧Ｖ２まで最大値のまま維持される。この放電開始電圧Ｖ１は、電車８の力行によるき電線７の降圧特性に基づき定められており、例えば１４５０ボルトである。

テーブルＴ２は、制御盤７０による不足電力の演算にも使用される。例えば、制御盤７０は、テーブルＴ２を用いて、テーブルＴ２上の放電電流と第１畜電部２０の出力電流との差を、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの故障時の不足電流として演算する。そして、不足電流と第１畜電部２０の出力電圧との積を、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの故障時の不足電力として演算する。すなわち、不足電力は、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃが故障していない場合の第１畜電部２０の出力電力と、故障した第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃを切り離した場合の第１畜電部２０の出力電力との差分を意味する。

次に、テーブルＴ４の特性について説明する。本実施形態に係るテーブルＴ４は、第１蓄電部２０の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの一部に故障が発生し、且つ第２蓄電部６０から不足電力の供給が受けられない場合に使用される。ここでは、３つの第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの内の１つが故障した場合について説明する。

上述のように、３つの第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの内の１つが故障すると、第１蓄電部２０の蓄電容量は３分の２になる。このため、テーブルＴ４が示す放電電流の値は、テーブルＴ２が示す放電電流の値の３分の２に設定されている。すなわち、テーブルＴ４が示す放電電流の最大値は、テーブルＴ２が示す最大値の３分の２の値である。これから分かるように、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃ内の１つを故障により切り離した場合に、切り離されていない第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃ内の充放電電流の値は、第１蓄電部２０に故障が生じていない場合の値に維持される。これにより、故障の生じていない第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃへの過剰な負担が抑制される。

また、放電開始電圧Ｖ１はテーブルＴ２と同一である。なお、ここでは、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃが一つ故障した場合のテーブルについて説明するが、これに限定されず、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの故障数に応じたテーブルをそれぞれ別個に用意してもよい。例えば、３つの第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの内の２つが故障した場合には、テーブルＴ４が示す放電電流の値の３分の１に設定したテーブルを用いればよい。

次に、テーブルＴ６の特性について説明する。テーブルＴ６は、第１蓄電部２０の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃに故障がない場合に使用される。図２に示すように、き電電圧が充電開始電圧Ｖ３にまで上昇すると、第１蓄電部２０への充電電流が増加し、充電電流飽和電圧に達すると、その後は停止電圧Ｖ４まで充電電流が最大値のまま維持される。この充電開始電圧Ｖ３は、電車８の回生動作によるき電線７の昇圧特性に基づき定められており、例えば１５５０ボルトである。

次に、テーブルＴ８の特性について説明する。テーブルＴ８は、第１蓄電部２０の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの一部に故障が生じた場合に使用される。ここでは、３つの第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの内の１つが故障した場合に対応させている。上述のように、３つの第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの内の１つが故障すると、第１蓄電部２０の容量は３分の２になる。このため、テーブルＴ８が示す充電電流の値は、テーブルＴ６が示す充電電流の値の３分の２に設定されている。これにより、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃが基準値よりも急速に充電されることが抑制され、充電時の劣化が回避される。

次に、図１及び図２を参照にしつつ第１蓄電部２０に故障がない場合の制御例に関して説明する。第１蓄電部２０の第１畜電セル２２ａ〜２２ｃに故障がない場合、監視盤５０は、テーブルＴ２、Ｔ６を用いて第１蓄電部２０の充放電制御を行う。すなわち、監視盤５０は、テーブルＴ２、Ｔ６に基づいて、第１蓄電部２０の充放電を制御する。これにより、電車８の力行時には、テーブルＴ２の特性に従ってき電線７への放電が行われる。一方で、電車８の回生動作時には、テーブルＴ６の特性に従って第１蓄電部２０の充電が行われる。

一方で、制御盤７０は、監視盤５０から入力される故障信号の監視を行いつつ、変電所設備４の制御を行っている。これにより、制御盤７０は、第１蓄電部２０に故障がない場合、第２チョッパ８０の動作も停止させ、ノードｎ２とノードｎ４と間を電気的に遮断したままの状態で維持している。

次に、図３乃至図５に基づき第１蓄電部２０の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの一部が故障した場合の制御例に関して説明する。図３は、第２チョッパ８０を駆動し、第２蓄電部６０からき電線７へ電流が供給される状態を模式的に示す図である。図４は、第２チョッパ８０の駆動を停止させ、第２蓄電部６０からき電線７への電流供給を停止している状態を模式的に示す図である。図３及び図４では、「矢印」が電流の流れを模式的に示し、「ばつ印」が電流経路の遮断箇所を模式的に示している。

図５は、監視盤５０と制御盤７０の処理動作の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、第１蓄電部２０の第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの一部が故障した場合の制御盤７０の処理動作を示している。

図５に示すように、まず、監視盤５０内の第１セル制御部５２は、第１蓄電部２０の第１セル管理部２４ａ〜２４ｃの故障信号に基づき、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの故障を検知する（ステップＳ１００）。次に、第１セル制御部５２は、故障した第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの切り離しを第１セル遮断器２６ａ〜２６ｃに行わせ、故障した第１畜電セル２２ａ〜２２ｃの切り離し運転に移行する（ステップＳ１０２）。ここで、監視盤５０は、充電時に使用するテーブルをテーブルＴ８に変換する。

次に、制御盤７０は、監視盤５０から入力される故障信号に基づき、不足電力の演算を開始する（ステップＳ１０４）。ここで、制御盤７０は、き電電圧に基づき、第１畜電部２０が出力している電流とテーブルＴ２で示す電流の差分の値を用いて不足電力を演算する。なお、制御盤７０は、監視盤５０から故障信号を受信する代わりに、第１蓄電部２０の出力電圧をモニターして、その出力電圧の低下度合いにより、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの一部の故障を推定するとともに、上述した不足電力を演算してもよい。

次に、制御盤７０は、第２畜電部６０から不足電力を放電させても、制御盤７０を正常動作させることができる電力が第２畜電部６０に残存しているか否かを判断する（ステップＳ１０６）。

制御盤７０は、制御盤７０を正常動作させることができる電力が残存している場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、図３に示すように、第２チョッパ８０を駆動状態にし、第２蓄電部６０から不足電力分を放電させるとともに、不足電力に関する情報を含む制御信号を監視盤５０に出力する。これにより、き電線７には、故障した第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの切り離しを行った状態の第１畜電部２０からの電力供給に加え、第２蓄電部６０から不足電力が供給される（ステップＳ１０８）。ここで、監視盤５０は、制御信号に含まれる不足電力の情報に基づき、第１チョッパ３０の制御を行う。この場合、監視盤５０は、第２蓄電部６０から不足電力が供給されるので、第１チョッパ３０の電力変換制御をテーブルＴ２に従い行う。

一方で、制御盤７０は、不足電力を第２畜電部６０に供給させると、制御盤７０を正常動作させることができる電力が第２畜電部６０に残存していない場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、図４に示すように、第２チョッパ８０の駆動を停止状態にする。この際に、制御盤７０は、不足電力に関する情報を含む制御信号を監視盤５０に出力する。これにより、故障した第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの切り離しを行った状態の第１畜電部２０から、き電線７へ電力が供給される（ステップＳ１１０）。ここで、監視盤５０は、制御信号に含まれる不足電力に関する情報に基づき、第１チョッパ３０の制御を行う。この場合、監視盤５０は、第２畜電部６０から不足する電力が供給されないので、制御に使用するテーブルをテーブルＴ２からテーブルＴ４に切り替える。これにより、第１畜電部２０からき電線７に供給する電流は、テーブルＴ２を用いた場合の３分の２に減少する。

このように、第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの故障が生じた場合に、制御盤７０は、第２蓄電部６０が不足電力を出力しても制御盤７０を正常動作させることができれば、第２蓄電部６０から不足電力を供給させる制御を行い、正常動作させることができなければ、第２蓄電部６０から電力を供給させない制御を行う。これにより、第２蓄電部６０からの過剰な電力供給を防止することができる。

また、監視盤５０は、第２蓄電部６０から電力供給を受けられない場合に、第１蓄電部２０の出力電流を低下させる制御を行う。これにより、第１蓄電部２０からの過剰な電力供給を防止することができる。

以上のように、第１実施形態に係る電鉄用回生制御システム１は、制御盤７０からの制御信号に基づいて、監視盤５０は第１蓄電セル２２ａ〜２２ｃの充放電の制御を行う。制御信号には、第１蓄積部２０内の一部の第１蓄電セルに故障がある場合には、その故障による不足電力に関する情報も含まれている。また、制御盤７０は、その不足電力を第２蓄電部６０から供給できるか否かを判断する。よって、第１蓄積部２０内の一部の第１蓄電セルが故障になっても、第２蓄電部６０から第２チョッパ８０と第１チョッパ３０を介して、き電線７に電力を供給することで、き電線７の電圧変動を抑制できる。

また、制御盤７０は、第２蓄電部６０が不足電力を出力すると制御盤７０を正常動作させる電力を維持できないと判断した場合には、第２蓄電部６０から第２チョッパ８０には不足電圧を供給しないため、第１蓄電部２０内の一部の第１蓄電セルに故障がある場合に、制御盤７０への電力供給が滞るおそれはない。

（第２実施形態）
図６及び図７に基づき第２実施形態に係る電鉄用回生制御システム１について説明する。第２実施形態に係る電鉄用回生制御システム１の構成は第１実施形態に係る電鉄用回生制御システム１の構成と同等であるので、説明を省略する。第２実施形態に係る電鉄用回生制御システム１は、系統電力の停電時の制御機能を更に有することで第１実施形態に係る電鉄用回生制御システム１と相違する。

図６は、系統電力が停電した状態の電流の流れを模式的に示す図である。図６では、「矢印」が電流の流れを模式的に示し、「ばつ印」が電流経路の遮断箇所を模式的に示している。この図６に示すように、本実施形態に係る監視盤５０及び制御盤７０は、系統電力、すなわち変電所２の停電時に、第１蓄電部２０の電力を制御盤７０に供給させる機能を更に有する。

図７は、第２実施形態に係る電鉄用回生制御システム１の制御動作例を示すフローチャートであり、監視盤５０と制御盤７０の処理動作を示している。ここでは、不図示の中央指令室から駅間の電車８の位置情報を含む位置信号を制御盤７０が受信している場合について説明する。

図７に示すように、まず、系統電力が停電すると、制御盤７０の主電源が系統電力から第２畜電部６０に切り替わる（ステップＳ２００）。

次に、制御盤７０は、中央指令室からの位置信号に基づき、駅間に停車車両があるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。制御盤７０は、駅間に電車８が存在する場合に（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、中央指令室からの指示信号にしたがい監視盤５０に制御信号を送る。監視盤５０は、第１蓄電部２０から蓄電電力を出力させる。この蓄電電力は、第１チョッパ３０にて電力変換されて電車８に供給され、電車８を所定の駅に移動させる（ステップＳ２０６）。

一方で、系統電力の停電時に駅間に電車８が存在しない場合、または停電時に駅間に存在した電車８を所定の駅まで移動させた場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、制御盤７０は、第１チョッパ３０からの電力出力を停止させるとともに、第１蓄電部２０から出力された電力を第２チョッパ８０にて電力変換して制御盤７０に供給させる（ステップＳ２０８）。ここで、制御盤７０は、第２蓄電部６０の電圧及び電流の情報を含む第２セル管理部６４ａ〜６４ｃからの状態信号に基づき、第２チョッパ８０の制御を行う。これにより、制御盤７０は、第１蓄電部２０からの電力供給を第２蓄電部６０の状態に応じて行う。

このように、系統電力の停電時、駅間に電車８が存在する場合には、制御盤７０は、優先的にき電線７に電力を供給させる。これにより、停電時に駅間に存在した電車８を所定の駅まで移動させことが優先的に行われる。また、電車８の移動後に、第１畜電部２０の電力を制御盤７０に供給させるので、電力系統の停電により第２蓄電部６０の電力が低下しても、制御盤７０の制御機能をより長期にわたって維持することが可能である。

以上のように、第２実施形態に係る電鉄用回生制御システム１は、系統電力の停電時に、駅間に電車８が存在する場合には、第１チョッパ３０から出力された電力に基づいて電車８を所定の駅に移動させることとし、駅間に電車８が存在しない場合には、第１蓄電部２０から出力された電力を第２チョッパ８０にて電力変換して制御盤７０に供給させることとした。これにより、停電時には電車８の安全運行を優先的に行うことが可能となるとともに、停電により第２蓄電部６０の電力が低下しても、制御盤７０の制御機能を長期にわたって維持することが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る電鉄用回生制御システム１は、第１畜電部２０の第１畜電セル２２ａ〜２２ｃの故障数に基づき、第２畜電部６０からの電力供給の制御を行う機能を更に有することで第１実施形態に係る電鉄用回生制御システム１と相違する。第３実施形態に係る電鉄用回生制御システム１の構成は第１実施形態に係る電鉄用回生制御システム１の構成と同等であるので、説明を省略する。

図８は、第１畜電部２０の第１畜電セル２２ａ〜２２ｃが２つ故障した状態の電流の流れを模式的に示す図である。図８では、「矢印」が電流の流れを模式的に示し、「ばつ印」が電流経路の遮断箇所を模式的に示している。図８に示すように、本実施形態に係る制御盤７０は、監視盤５０からの故障信号に基づき、所定数（例えば２個）以上の第１畜電セル２２ａ〜２２ｃが故障した場合には、第２チョッパ８０の動作を停止させる制御を行う。このような制御を行う理由は、所定数以上の第１蓄電セルが故障した場合に、第２蓄電部６０からの電力をき電線７側に供給するとなると、第２蓄電部６０の蓄電電力が急速に減少し、制御盤７２の駆動電力が不足してしまうためである。そこで、図８では、所定数以上の第１蓄電セルが故障した場合には、第２蓄電部６０の蓄電電力をき電線７側に供給することはせず、き電線７側には、第１蓄電部２０の蓄電電力のみを供給する。より具体的には、停電時には、第１蓄電部２０の蓄電電力を少しずつき電線７側に供給するようにする。これにより、停電により駅間に停止していた電車８を、第１蓄電部２０の蓄電電力を利用して、ゆっくりした速度で最寄りの駅まで待避させることができる。

以上のように、第３実施形態に係る電鉄用回生制御システム１では、第１畜電部２０の第１畜電セル２２ａ〜２２ｃの故障数が２個以上の場合は、第２畜電部６０からき電線７への電力供給を停止することとした。これにより、第２蓄電部６０の蓄電電力を本来の駆動対象である制御盤７２に継続して長期間にわたって供給できる。

以上、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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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：電鉄用回生制御システム、７：き電線、８：電車、２０：第１蓄電部、２２ａ〜２２ｃ：第１蓄電セル、３０：第１チョッパ、５０：監視盤、６０：第２蓄電部、７０：制御盤、８０：第２チョッパ

Claims (10)

1. 充放電可能な複数の蓄電セルを有する第１蓄電部と、
   前記第１蓄電部と、電車に駆動電力を供給するき電線と、の間に接続され、前記第１蓄電部の出力電力の電力変換を行う第１電力変換部と、
   前記蓄電セルの故障検出および故障した蓄電セルの切り離しを行うとともに、制御信号に基づいて前記第１蓄電部の充放電制御とを行う監視部と、
   前記第１蓄電部の出力電力に基づいて、前記制御信号を前記監視部に送信する制御部と、
   前記制御部への電力供給を行うとともに、所定の条件下で前記き電線への電力供給を行う第２蓄電部と、
   前記第２蓄電部と第１電力変換部との間に接続され、前記第２蓄電部と前記第１電力変換部との一方から他方に送られる電力の変換を行う第２電力変換部と、
   を備える電鉄用回生制御システム。
2. 前記制御部は、前記第１蓄電部の出力電力が低下した場合には、前記き電線に供給されるべき目標電力からの不足電力を算出して、前記不足電力に関する情報を含む前記制御信号を前記監視部に送信する請求項１に記載の電鉄用回生制御システム。
3. 前記第２電力変換部は、前記所定の条件下で、前記第２蓄電部から出力された前記不足電力に応じた電力を変換して、前記第１電力変換部に供給する請求項２に記載の電鉄用回生制御システム。
4. 前記第２電力変換部は、前記監視部または前記制御部からの指示に応じて、前記第１蓄電部から出力された電力の少なくとも一部を変換後に前記第２蓄電部に供給する請求項２または３に記載の電鉄用回生制御システム。
5. 前記所定の条件下とは、前記第１蓄電部の出力電力が前記不足電力だけ低下し、かつ前記第２蓄電部が前記不足電力を前記第２電力変換部に供給しても前記制御部を正常動作させる電力を前記制御部に供給できる場合である、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電鉄用回生制御システム。
6. 前記制御部は、前記第２蓄電部が前記不足電力を前記第２電力変換部に供給しても前記制御部を正常動作させる電力を前記制御部に供給できる場合には、前記第２蓄電部から前記第２電力変換部に前記不足電力を供給させる請求項２乃至５のいずれか一項に記載の電鉄用回生制御システム。
7. 前記制御部は、前記第２蓄電部が前記不足電力を前記第２電力変換部に供給すると前記制御部を正常動作させる電力を前記制御部に供給できない場合には、前記第２蓄電部から前記第２電力変換部への前記不足電力の供給を停止させる請求項２乃至５のいずれか一項に記載の電鉄用回生制御システム。
8. 前記監視部は、前記第１蓄電部の出力電力に前記不足電力が生じた場合でも前記き電線の出力電圧が一定になるように、前記制御信号に基づき、前記第１蓄電部および前記第２蓄電部の出力電力を制御する請求項２乃至７のいずれか一項に記載の電鉄用回生制御システム。
9. 前記第２蓄電部は、系統電力により蓄電可能であり、
   前記制御部は、前記系統電力の停電時に、駅間に電車が存在する場合には、前記第１電力変換部から出力された電力に基づいて前記電車を所定の駅に移動させる請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電鉄用回生制御システム。
10. 前記第２蓄電部は、系統電力により蓄電可能であり、
    前記制御部は、前記系統電力の停電時に駅間に電車が存在しない場合、または停電時に駅間に存在した電車を所定の駅まで移動させた場合、前記第１電力変換部からの電力出力を停止させるとともに、前記第１蓄電部から出力された電力を前記第２電力変換部にて電力変換して前記制御部に供給させる請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電鉄用回生制御システム。

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