JP2022002447A - 蓄電装置、電気車制御装置、及び鉄道システム - Google Patents

Abstract

【課題】 回生電力を増加可能な蓄電装置、電気車制御装置、及び鉄道システムを提供する。【解決手段】 実施形態に係る蓄電装置は、電動機と、給電線から直流電力を受け取り電動機に交流電力を供給する第１電力変換装置と、を具備する電気車と接続された蓄電装置であって、蓄電池と、第２電力変換装置と、制御回路と、を具備する。第２電力変換装置は、前記給電線から直流電力を受け取り、直流電力を前記蓄電池に供給する充電動作と、前記蓄電池からの直流電力により前記給電線に直流電力を供給する放電動作と、を実行する。制御回路は、前記第１電力変換装置が回生動作を行っている場合、前記第２電力変換装置に放電動作を行わせる。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、蓄電装置、電気車制御装置、及び鉄道システムに関する。

電気車は、インバータと電動機とを備える。インバータは、架線または第三軌条などの給電線から電力を受け取り、受け取った電力を用いて、電動機、及び電気車の種々の設備などに電力を供給する。電動機は、例えば、回転子に永久磁石が用いられた永久磁石同期電動機である。インバータは、電動機に交流電力を供給することにより、電動機の軸を回転させ、電気車を力行させる。また、インバータは、電動機の軸の回転の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生を行う。

上記の構成では、インバータからの交流電力の周波数と、電動機の軸の回転の周波数との差分（すべり）によって、電動機による電気車の走行が制御される。例えば、すべりが正である場合、電動機を加速させる正のトルク（加速トルク）が与えられる。また、例えば、すべりが負である場合、電動機を減速させる負のトルク（回生トルク）が与えられる。また、電動機に回生トルクが与えられている場合、電動機において電力（回生電力）が発電され、電動機からインバータに返還される回生動作（回生制動）が行われる。

インバータから電動機に印加される交流電圧の最大値（または実効値）は、インバータに電力を供給するフィルタコンデンサの電圧によって決まる。フィルタコンデンサは、給電線とアースである線路との間にインバータと並列に接続される。即ち、フィルタコンデンサの電圧は、給電線の電圧によって決まる。また、電動機の軸の回転速度と回生トルクとの関係（定トルク特性）は、電動機の構成と、給電線の電圧によって決まる。例えば、給電線の電圧が低くなり、且つ電動機の軸の回転速度が高速になると、回生動作の性能が低下する可能性があるという課題がある。

特開２００５−３２８６１８号公報

本発明が解決しようとする課題は、回生電力を増加可能な蓄電装置、電気車制御装置、及び鉄道システムを提供することである。

実施形態に係る蓄電装置は、電動機と、給電線から直流電力を受け取り電動機に交流電力を供給する第１電力変換装置と、を具備する電気車と接続された蓄電装置であって、蓄電池と、第２電力変換装置と、制御回路と、を具備する。第２電力変換装置は、前記給電線から直流電力を受け取り、直流電力を前記蓄電池に供給する充電動作と、前記蓄電池からの直流電力により前記給電線に直流電力を供給する放電動作と、を実行する。制御回路は、前記第１電力変換装置が回生動作を行っている場合、前記第２電力変換装置に放電動作を行わせる。

図１は、第１実施形態に係る鉄道システムの例について説明するための説明図である。 図２は、第１実施形態に係る鉄道システムの動作の例について説明するための説明図である。 図３は、第１実施形態に係る鉄道システムの動作の例について説明するための説明図である。 図４は、第１実施形態に係る鉄道システムの動作の例について説明するための説明図である。 図５は、第１実施形態に係る鉄道システムの動作の例について説明するための説明図である。 図６は、第２実施形態に係る鉄道システムの例について説明するための説明図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る鉄道システム１の構成例を示す説明図である。鉄道システム１は、架線２、き電装置３、電気車４、及び線路５などを有する。

架線２は、き電装置３と電気車４とを電気的に接続する為の給電線である。架線２は、例えば架空電車線である。また、架線２の代わりに第三軌条などが用いられてもよい。

き電装置３は、架線２に直流電力を供給する構成である。き電装置３は、変圧器１１及び整流器１２などを備える。き電装置３は、図示されない電圧源からの直流電圧を鉄道システム１の仕様に応じた電圧に変圧器１１によって変換する。き電装置３は、変圧器１１によって変圧した直流電圧を、整流器１２を介して架線２に供給する。これにより、架線２に所定の直流電圧が供給される。

電気車４は、線路５上を移動する移動体である。電気車４は、集電器２１、車輪２２、及び電気車制御装置２３などを有する。

集電器２１は、架線２などの給電線から直流電力を受け取り、電気車制御装置２３に供給する構成である。集電器２１は、例えば、給電線が架線である場合、パンタグラフなどとして構成される。また、集電器２１は、例えば給電線が第三軌条などである場合、集電シューとして構成される。

車輪２２は、電気車制御装置２３によって回転することにより、電気車４を走行させる構成である。

電気車制御装置２３は、例えば、電気車４などの移動体に搭載される。電気車制御装置２３は、架線２から集電器２１を介して直流電力を受け取り、受け取った直流電力を電動機の定格に応じた交流電力に変換し、電動機に交流電力を供給する。これにより、電気車制御装置２３は、電動機の回転軸を回転させ、電動機の回転軸にギアなどを介して連動する車輪２２を回転させ、電気車に線路上を力行させる。

図１に示されるように、電気車制御装置２３は、第１高速度遮断器３１、第１フィルタリアクトル３２、第１フィルタコンデンサ３３、インバータ３４、電動機３５、レゾルバ３６、第２高速度遮断器３７、第２フィルタリアクトル３８、第２フィルタコンデンサ３９、ＤＣＤＣコンバータ４０、蓄電池４１、運転台４２、及び制御ユニット４３を備える。

第１高速度遮断器３１は、集電器２１に接続される。第１高速度遮断器３１は、閉路（投入）することにより、インバータ３４と集電器２１とを接続する。第１高速度遮断器３１は、制御ユニット４３からの投入指令に基づいて、投入と開放とを切り替える。

第１フィルタリアクトル３２は、集電器２１と、インバータ３４と第１フィルタコンデンサ３３との接続点との間に接続されている。

第１フィルタコンデンサ３３は、第１フィルタリアクトル３２からみてインバータ３４と並列に接続されている直流電源である。第１フィルタコンデンサ３３の高圧側端子は、第１フィルタリアクトル３２及びインバータ３４に接続されている。第１フィルタコンデンサ３３の低圧側端子は、インバータ３４に接続されている。また、第１フィルタコンデンサ３３の低圧側端子は、アースとしての線路５に車輪２２などを介して電気的に接続されている。第１フィルタコンデンサ３３は、第１フィルタリアクトル３２などを介して集電器２１から供給された電力を平滑し、インバータ３４に供給する。

インバータ３４は、例えば、可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）などのインバータ回路である。インバータ３４は、供給された直流電力を交流電力（三相交流電力）に変換する第１電力変換装置である。インバータ３４は、変換した交流電力を電動機３５に供給する。

インバータ３４は、それぞれ上アームと下アームとを構成する複数の半導体スイッチにより構成された複数のレグを備える。インバータ３４は、例えば、３つのレグを備える。各レグは、それぞれ第１フィルタコンデンサ３３に並列に接続されている。各レグは、制御ユニット４３からのインバータ動作信号に基づいて、上アーム及び下アームの半導体スイッチをオンオフ制御する。これにより、各レグは、第１フィルタコンデンサ３３からの直流電圧により、電動機３５に交流電力を供給する。各レグは、互いに位相の異なる交流電力を電動機３５に供給する。例えばインバータ３４は、互いに１２０°位相が異なる３相の交流電力（三相交流電力）を電動機３５に供給する。

電動機３５は、インバータ３４からの交流電力によって回転軸を回転させる構成である。電動機３５は、例えば、三相式の永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ)として構成される。電動機３５は、インバータ３４の各レグに接続された複数の巻線を備える固定子と、固定子の中央部に形成された空間に回転可能に設けられた永久磁石回転子とを有する。

電動機３５は、インバータ３４から供給された三相交流電力に応じて動作し、機械的な動力を得る。インバータ３４の各レグから各巻線にそれぞれ異なるタイミングで交流電力が供給される。各巻線に流れる電流によって各巻線に発生する磁場と、固定子の磁場との相互作用により、軸を回転させる機械的エネルギーが生じる。電動機３５の軸が回転すると、電動機３５の軸に連結されたギアなどを介して、電気車４の車輪２２に駆動力が伝達し、電気車４が力行する。

レゾルバ３６は、電動機３５の軸の回転を検出する速度検出手段である。レゾルバ３６は、電動機３５の軸の回転数を検出し、制御ユニット４３に検出結果を供給する。

第２高速度遮断器３７は、集電器２１に接続される。第２高速度遮断器３７は、閉路（投入）することにより、ＤＣＤＣコンバータ４０と集電器２１とを接続する。第２高速度遮断器３７は、制御ユニット４３からの投入指令に基づいて、投入と開放とを切り替える。

第２フィルタリアクトル３８は、集電器２１と、ＤＣＤＣコンバータ４０と第２フィルタコンデンサ３９との接続点との間に接続されている。

第２フィルタコンデンサ３９は、第２フィルタリアクトル３８からみてＤＣＤＣコンバータ４０と並列に接続されている直流電源である。第２フィルタコンデンサ３９の高圧側端子は、第２フィルタリアクトル３８及びＤＣＤＣコンバータ４０に接続されている。第２フィルタコンデンサ３９の低圧側端子は、ＤＣＤＣコンバータ４０に接続されている。また、第２フィルタコンデンサ３９の低圧側端子は、アースとしての線路５に車輪２２などを介して電気的に接続されている。第２フィルタコンデンサ３９は、第２フィルタリアクトル３８などを介して集電器２１から供給された電力を平滑し、ＤＣＤＣコンバータ４０に供給する。

ＤＣＤＣコンバータ４０は、例えば、第２フィルタコンデンサ３９から供給される直流電力を蓄電池４１の定格電力に応じた直流電力に変換する第２電力変換装置である。ＤＣＤＣコンバータ４０は、変換した直流電力を蓄電池４１に供給する充電動作と、蓄電池４１から電力を架線２に放電させる放電動作とを行う。

蓄電池４１は、例えば、セパレータを介して正極及び負極が積層された電極群を備えるリチウムイオン二次電池として構成される。また、蓄電池４１は、大容量のコンデンサとして構成されていてもよい。蓄電池４１は、ＤＣＤＣコンバータ４０から供給された直流電力を充電する。また、蓄電池４１は、ＤＣＤＣコンバータ４０の制御によって直流電力を放電する。ＤＣＤＣコンバータ４０及び蓄電池４１は、架線２からの直流電力を充電し、且つ架線２に直流電力を放電する蓄電装置として構成される。

運転台４２は、制御ユニット４３に種々の指令を出力する構成である。運転台４２は、ノッチなどによる操作に応じて、インバータ動作指令、及び他の種々の指令を制御ユニット４３に出力する。

制御ユニット４３は、第１高速度遮断器３１及び第２高速度遮断器３７の投入及び開放、インバータ３４の制御、及びＤＣＤＣコンバータ４０の制御を行う制御回路である。即ち、制御ユニット４３は、第１高速度遮断器３１及び第２高速度遮断器３７への投入指令、インバータ３４へのインバータ動作信号、及びＤＣＤＣコンバータ４０への充電及び放電の制御信号の出力をそれぞれ行う。

制御ユニット４３は、給電線である架線２の電圧の検出結果を取得する。例えば、制御ユニット４３は、架線２、第１フィルタコンデンサ３３、または第２フィルタコンデンサ３９の電圧を検出する電圧検出器を備えていてもよい。また、制御ユニット４３は、インバータ３４またはＤＣＤＣコンバータ４０から第１フィルタコンデンサ３３または第２フィルタコンデンサ３９の電圧の検出結果を取得する構成であってもよい。

また、制御ユニット４３は、レゾルバ３６からの検出結果に基づいて、電動機３５の軸の回転速度を算出する。また、制御ユニット４３は、電動機３５の軸の回転速度に基づいて、電気車４の車両の速度（車両速度）を算出する。

制御ユニット４３は、運転台４２からのインバータ動作指令と、架線２の電圧の検出結果と、電動機３５の軸の回転速度と、に基づいて、インバータ３４へのインバータ動作信号、及びＤＣＤＣコンバータ４０への充電及び放電の制御信号の生成などを行う。

制御ユニット４３は、例えばパルス信号を生成する論理回路として構成される。また、制御ユニット４３は、演算処理を実行する演算素子であるプロセッサと、プログラム及びプログラムで用いられるデータなどを記憶するメモリとを備え、プロセッサがプログラムを実行することにより、パルス信号（インバータ動作信号）を生成する構成であってもよい。

また、電気車制御装置２３は、図示されないブレーキ制御器などを備える。ブレーキ制御器は、制御ユニット４３の制御に基づいて、電動機３５の回転軸に連動するギアまたは車輪に対して空気ブレーキなどによりブレーキをかける。

図２は、制御ユニット４３によるインバータ３４及びＤＣＤＣコンバータ４０の回生動作中の制御について説明する為の説明図である。

制御ユニット４３は、まず電圧の検出を行う（ステップＳ１１）。即ち、制御ユニット４３は、給電線である架線２の電圧の検出結果を取得する。本例では、制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧を検出するものとして説明する。

制御ユニット４３は、回生電力を算出する（ステップＳ１２）。例えば、制御ユニット４３は、架線２の電圧の検出結果と、電動機３５の軸の回転速度と、に基づいて、インバータ３４により回生動作において生じる回生電力を算出する。

制御ユニット４３は、ブレーキ指令値を取得する（ステップＳ１３）。ブレーキ指令値は、減速の度合を示す情報（減速度）である。制御ユニット４３は、例えば、運転台４２からのインバータ動作指令に基づいて、ブレーキ指令値を取得する。

制御ユニット４３は、物理的減速エネルギーを算出する（ステップＳ１４）。物理的減速エネルギーは、電気車４の車両の質量、現時点での列車の速度（即ち電動機３５の軸の回転速度）、ブレーキ指令値（減速度）などから算出される減速のエネルギーである。例えば、物理的減速エネルギーは、質量、速度、及びブレーキ指令値（減速度）の積から算出される。

制御ユニット４３は、（物理的減速エネルギー）−（回生電力）＜閾値Ｐｔｈであるか否か判断する（ステップＳ１５）閾値Ｐｔｈは、予め設定された値である。なお、制御ユニット４３は、物理的減速エネルギー＜回生電力であるか否か判断する構成であってもよい。

制御ユニット４３は、（物理的減速エネルギー）−（回生電力）＜閾値Ｐｔｈであると判断した場合（ステップＳ１５、ＹＥＳ）、回生動作を継続するように、インバータ３４を制御し、図２の動作を終了する。

（物理的減速エネルギー）−（回生電力）＜閾値Ｐｔｈである場合、物理的減速エネルギーに対して回生電力が十分である。即ち、制御ユニット４３は、回生動作によって減速が可能であると判断する。この為、制御ユニット４３は、回生動作によって減速するように、インバータ３４を制御する。

また、制御ユニット４３は、（物理的減速エネルギー）−（回生電力）＜閾値Ｐｔｈではないと判断した場合（ステップＳ１５、ＮＯ）、第１フィルタコンデンサ３３の電圧の検出結果が、予め設定された回生絞り込み電圧未満であるか否か判断する（ステップＳ１６）。

（物理的減速エネルギー）−（回生電力）≧閾値Ｐｔｈである場合、物理的減速エネルギーに対して回生電力が不十分である。即ち、制御ユニット４３は、回生動作による減速が不十分であると判断する。この為、制御ユニット４３は、回生動作によって生じる回生電力を増加させることができるか否か判断する。

回生絞り込み電圧は、車両のインバータ３４及び鉄道システム１の種々の構成の性能によって決まる値である。例えば、他の列車において高速度遮断器が開放され、架線２から負荷が無くなった場合、架線２の電圧が急激に増加する。この為、鉄道システム１では、回生動作によって増加する架線２の電圧の上限が、回生絞り込み電圧として設定されている。制御ユニット４３は、回生絞り込み電圧を超えないように、インバータ３４による回生動作を制御する。即ち、制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧の検出結果が、予め設定された回生絞り込み電圧未満である場合、架線２の電圧、即ち第１フィルタコンデンサ３３の電圧を増加させることによって、回生電力を増加させることができると判断する。

制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧の検出結果が、回生絞り込み電圧未満であると判断した場合（ステップＳ１６、ＹＥＳ）、放電動作を行うように、ＤＣＤＣコンバータ４０を制御する（ステップＳ１７）。ＤＣＤＣコンバータ４０は、制御ユニット４３から放電を指示する制御信号を受信した場合、蓄電池４１から直流電力を架線２に放電させる。このように、制御ユニット４３は、ＤＣＤＣコンバータ４０及び蓄電池４１に放電動作を行わせることにより、架線２の電圧を増加させることができる。

なお、制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧を検出しつつ、徐々に蓄電池４１から放電させる量を増やしてもよいし、予め定められた電力量を蓄電池４１から放電させてもよい。また、制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧の検出結果に基づいてＰＩ制御を行い、蓄電池４１からの放電量を制御する構成であってもよい。

また、制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧の検出結果が、回生絞り込み電圧未満ではないと判断した場合（ステップＳ１６、ＮＯ）、充電動作を行うように、ＤＣＤＣコンバータ４０を制御する（ステップＳ１８）。ＤＣＤＣコンバータ４０は、制御ユニット４３から充電を指示する制御信号を受信した場合、架線２から第２フィルタコンデンサ３９を介して供給される直流電力を蓄電池４１に充電させる。このように、制御ユニット４３は、架線２の直流電力によって蓄電池４１を充電することができる。

次に、車両速度と回生電力との関係、及び電圧と回生電力との関係について説明する。
図３は、車両速度と回生電力との関係について説明するための説明図である。図３の縦軸は、回生動作によって生じるエネルギーである回生電力を示す。図３の横軸は、電気車４の車両の速度（車両速度）を示す。なお、横軸は、電動機３５の軸の回転速度であってもよい。

図３に示されるように、車両速度と回生電力との間には、車両速度が所定の速度に達するまで、車両速度に因らず回生電力が一定となる定トルク特性がある。図３は、架線２に対して蓄電池４１から放電が行われていない場合の定トルク特性である。即ち、図３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧が放電動作中に比べて低いある値である場合の定トルク特性の例を示す。

回生電力は、車両速度が速度域によって変化する。具体的には、回生電力は、車両速度が所定の値（以下、定トルク領域終端速度と称する）に達するまで一定である。また、回生電力は、車両速度が定トルク領域終端速度を超えると徐々に低下する。

例えば、図３の点Ａでは、車両速度（第１速度）が定トルク領域終端速度未満である。この為、十分に回生電力が生じている状態となっている。これに対し、図３の点Ｂでは、車両速度（第２速度）が定トルク領域終端速度以上となっている。この為、十分に回生電力が得られていない状態となっている。

図４は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧と回生電力との関係について説明するための説明図である。図４の縦軸は、回生電力を示す。図３の横軸は第１フィルタコンデンサ３３の電圧を示す。

図４に示されるように、回生電力は、インバータ３４に供給される直流電力の電圧、即ち第１フィルタコンデンサ３３の電圧によって変化する。具体的には、回生電力は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧が所定の値（上記の回生絞り込み電圧）に達するまで一定であり、第１フィルタコンデンサ３３の電圧が電圧を超えると徐々に低下する。

例えば、図４の点Ｃでは、第１フィルタコンデンサ３３の電圧が回生絞り込み電圧（回生絞り込み開始電圧）未満である。この為、十分に回生電力が生じている状態となっている。これに対し、図４の点Ｄでは、第１フィルタコンデンサ３３の電圧が回生絞り込み電圧（回生絞り込み開始電圧）以上となっている。この為、回生絞り込みが行われ、十分に回生電力が得られていない状態となっている。

上記したように、トルク性能は、速度域によって変化し、架線電圧によっても変化する。具体的には、定トルク領域終端速度は、架線電圧、即ちインバータ３４に直流電力を供給する第１フィルタコンデンサ３３の電圧に依存する。例えば、第１フィルタコンデンサ３３の電圧が低下すると、定トルク領域終端速度も低下する。この結果、高速域の回生トルクも低下する。この結果、回生動作時に生じる回生電力が減少する。

しかしながら、上記の図２のように、制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサ３３の電圧の検出結果が、回生絞り込み電圧未満である場合、放電動作を行うように、ＤＣＤＣコンバータ４０を制御する。これにより、架線２の電圧が蓄電池４１からの放電によって増加する。

図５は、車両速度と回生電力との関係について説明するための説明図である。図５の縦軸は、回生動作によって生じるエネルギーである回生電力を示す。図５の横軸は、電気車４の車両の速度（車両速度）を示す。

図５のグラフ５１は、通常の定トルク特性を示す。図５のグラフ５１は、図３の定トルク特性と同じである。即ち、図５のグラフ５１は、架線２に対して蓄電池４１から放電が行われていない場合の定トルク特性である。グラフ５１の定トルク領域終端速度を第１定トルク領域終端速度と称する。

図５のグラフ５２は、放電動作時の定トルク特性を示す。上記したように、架線２に対して蓄電池４１から放電が行われると、架線２の電圧が増加する。架線２の電圧が増加すると、第１フィルタコンデンサ３３からインバータ３４に印加される電圧が増加する。第１フィルタコンデンサ３３の電圧が増加すると、図５のグラフ５１及びグラフ５２で示されるように、定トルク特性における定トルク領域終端速度が第１定トルク領域終端速度から第２定トルク領域終端速度に増加する。

点Ｅは、放電動作が行われておらず、且つ第１速度で回生動作を行った場合に生じる回生電力を示す。点Ｅの例では、車両速度（第１速度）が第１定トルク領域終端速度未満となっている。この為、点Ｅの例は、十分に回生電力が生じている状態となっている。

点Ｆは、放電動作が行われておらず、且つ第１速度より速い第２速度で回生動作を行った場合に生じる回生電力を示す。点Ｆの例では、車両速度（第２速度）が第１定トルク領域終端速度以上となっている。この為、点Ｆの例は、十分に回生電力が生じていない状態となっている。

点Ｇは、放電動作が行われており、且つ第２速度で回生動作を行った場合に生じる回生電力を示す。点Ｇの例では、車両速度（第２速度）が第２定トルク領域終端速度未満となっている。この為、点Ｇの例は、十分に回生電力が生じている状態となっている。

上記したように、制御ユニット４３は、第１フィルタコンデンサの電圧検出結果が回生絞り込み電圧未満である場合に、蓄電池４１により架線２に放電を行うようにＤＣＤＣコンバータを制御する。これにより、架線２の電圧が増加し、定トルク特性における定トルク領域終端速度が増加する。この結果、電気車４の車両が高速で走行している際の回生動作によって生じる回生電力を増加させることができる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る鉄道システム１Ａの構成例を示す説明図である。なお、第１実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態では、電気車４に搭載された蓄電池から架線２に放電を行う構成であった。これに対し、第２実施形態は、地上に設けられた定置型蓄電装置から架線２に放電を行う点が第１実施形態と異なる。

鉄道システム１Ａは、架線２、き電装置３、電気車４、線路５、及び定置型蓄電装置６Ａなどを有する。

定置型蓄電装置６Ａは、架線２からの直流電力による充電及び架線２への放電を行う装置である。定置型蓄電装置６Ａは、ＤＣＤＣコンバータ４０、蓄電池４１、及び制御ユニット４３を備える。

ＤＣＤＣコンバータ６１Ａは、例えば、図示されないフィルタコンデンサなどを介して架線２から供給される直流電力を蓄電池６２Ａの定格電力に応じた直流電力に変換する電力変換装置（第２電力変換装置）である。ＤＣＤＣコンバータ６１Ａは、変換した直流電力を蓄電池６２Ａに供給する充電動作と、蓄電池６２Ａから電力を架線２に放電させる放電動作とを行う。

蓄電池６２Ａは、例えば、セパレータを介して正極及び負極が積層された電極群を備えるリチウムイオン二次電池として構成される。また、蓄電池６２Ａは、大容量のコンデンサとして構成されていてもよい。蓄電池６２Ａは、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａから供給された直流電力を充電する。また、蓄電池６２Ａは、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａの制御によって直流電力を放電する。

制御ユニット６３Ａは、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａの制御を行う。即ち、制御ユニット６３Ａは、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａに対して充電または放電を指示するための制御信号の出力を行う。

制御ユニット６３Ａは、給電線である架線２の電圧の検出結果を取得する。例えば、制御ユニット６３Ａは、架線２、またはＤＣＤＣコンバータ６１Ａと架線２との間に設けられたフィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器を備えていてもよい。また、制御ユニット６３Ａは、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａから電圧の検出結果を取得する構成であってもよい。

制御ユニット６３Ａは、架線２の電圧の検出結果に基づいて、ＤＣＤＣコンバータ４０に充電を行わせるか放電を行わせるかを判断する。例えば、制御ユニット６３Ａは、第１実施形態と同様に、架線２の電圧の検出結果が、予め設定された回生絞り込み電圧未満であるか否か判断する。制御ユニット６３Ａは、電圧の検出結果が、回生絞り込み電圧未満であると判断した場合、放電動作を行うように、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａを制御する。

ＤＣＤＣコンバータ６１Ａは、制御ユニット６３Ａから放電を指示する制御信号を受信した場合、蓄電池６２Ａから直流電力を架線２に放電させる。このように、制御ユニット６３Ａは、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａ及び蓄電池６２Ａに放電動作を行わせることにより、架線２の電圧を増加させることができる。

なお、制御ユニット６３Ａは、架線２の電圧を検出しつつ、徐々に蓄電池６２Ａから放電させる量を増やしてもよいし、予め定められた電力量を蓄電池６２Ａから放電させてもよい。また、制御ユニット６３Ａは、架線２の電圧の検出結果に基づいてＰＩ制御を行い、蓄電池６２Ａからの放電量を制御する構成であってもよい。

また、制御ユニット６３Ａは、架線２の電圧の検出結果が、回生絞り込み電圧未満ではないと判断した場合、充電動作を行うように、ＤＣＤＣコンバータ６１Ａを制御する。

ＤＣＤＣコンバータ６１Ａは、制御ユニット６３Ａから充電を指示する制御信号を受信した場合、架線２から供給される直流電力を蓄電池６２Ａに充電させる。このように、制御ユニット６３Ａは、架線２の直流電力によって蓄電池６２Ａを充電することができる。

上記したように、定置型蓄電装置６Ａは、架線２の電圧の検出結果に基づいて、蓄電池６２Ａから架線２に放電を行い、架線電圧を増加させることができる。これにより、架線電圧が増加した区間に存在する電気車４において、定トルク特性における定トルク領域終端速度が増加する。この結果、電気車４の車両が高速で走行している際の回生動作によって生じる回生電力を増加させることができる。

なお、鉄道システム１は、複数の電気車４をそなえていてもよい。また、複数の電気車４がそれぞれ集電器２１、車輪２２、及び電気車制御装置２３などを有していてもよい。また、架線２に接続される複数の電気車４の少なくとも１つが、インバータ３４、電動機３５、ＤＣＤＣコンバータ４０、蓄電池４１、及び制御ユニット４３を備える電気車制御装置２３として構成されていればよい。即ち、架線２にＤＣＤＣコンバータ４０及び蓄電池４１を備えていない電気車が接続されていてもよい。

なお、上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウエアを用いて構成するに留まらず、ソフトウエアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウエア、ハードウエアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。

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され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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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…鉄道システム、１Ａ…鉄道システム、２…架線、３…き電装置、４…電気車、５…線路、６Ａ…定置型蓄電装置、１１…変圧器、１２…整流器、２１…集電器、２２…車輪、２３…電気車制御装置、３１…第１高速度遮断器、３２…第１フィルタリアクトル、３３…第１フィルタコンデンサ、３４…インバータ、３５…電動機、３６…レゾルバ、３７…第２高速度遮断器、３８…第２フィルタリアクトル、３９…第２フィルタコンデンサ、４０…ＤＣＤＣコンバータ、４１…蓄電池、４２…運転台、４３…制御ユニット、５１…グラフ、５２…グラフ、６１Ａ…ＤＣＤＣコンバータ、６２Ａ…蓄電池、６３Ａ…制御ユニット。

Claims (5)

1. 電動機と、給電線から直流電力を受け取り電動機に交流電力を供給する第１電力変換装置と、を具備する電気車と接続された蓄電装置であって、
   蓄電池と、
   前記給電線から直流電力を受け取り、直流電力を前記蓄電池に供給する充電動作と、前記蓄電池からの直流電力により前記給電線に直流電力を供給する放電動作と、を実行する第２電力変換装置と、
   前記第１電力変換装置が回生動作を行っている場合、前記第２電力変換装置に放電動作を行わせる制御回路と、
   を具備する蓄電装置。
2. 前記制御回路は、前記給電線の電圧が予め設定された回生絞り込み電圧以上である場合、前記第２電力変換装置に充電動作を行わせ、前記給電線の電圧が予め設定された回生絞り込み電圧未満である場合、前記第２電力変換装置に放電動作を行わせる請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記制御回路は、回生動作により生じる回生電力の前記電動機の物理的減速エネルギーに対する差分が予め設定された閾値未満であり、且つ前記給電線の電圧が予め設定された回生絞り込み電圧未満である場合、前記第２電力変換装置に放電動作を行わせる請求項２に記載の蓄電装置。
4. 請求項１に記載の蓄電装置と、
   電動機と、
   前記給電線から直流電力を受け取り前記電動機に交流電力を供給する第１電力変換装置と、
   を具備する電気車制御装置。
5. 給電線に直流電力を供給するき電装置と、
   請求項１に記載の蓄電装置と、
   電動機と、前記給電線から直流電力を受け取り前記電動機に交流電力を供給する第１電力変換装置と、を備える電気車制御装置と、
   を具備する鉄道システム。

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