JP2023168882A - 電力貯蔵装置、電力貯蔵制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流き電システムにおける余剰回生電力の有効活用を図る。【解決手段】電力貯蔵装置１において、コントローラ１００は、き電線７０の電圧が所定の充電開始電圧より大きく、かつ蓄電池盤３の充電率が所定の運用範囲内にある場合、蓄電池盤３を充電してき電線７０の電圧を充電開始電圧に近づけるように、電力変換器２に充電運転を実行させる。一方、き電線７０の電圧が充電開始電圧以下であり、かつき電線７０に流れる電流が所定の電流閾値より大きく、かつ蓄電池盤３の充電率が第二範囲内にある場合、蓄電池盤３を放電して整流システム５０とともにき電線７０に直流電流を出力するように、電力変換器２に放電運転を実行させる。【選択図】図１

Description

本発明は、直流き電システム向けの電力貯蔵装置および電力貯蔵制御方法に関する。

近年、世界の１５０を超える地域や国において、カーボンニュートラルに向けた社会システムへの移行が進んでいる。また、世界情勢の変化に伴い、液化天然ガスの価格高騰などの現象も起きている。これらの状況により、電力の需要家である電鉄事業においては、さらなる省エネルギー化が重要課題となっている。

上記の背景から、近年の電鉄システムでは、減速時の力学的エネルギーを電気エネルギー（回生電力）に変換してき電線に送電する回生運転機能を備えた鉄道車両が標準的に用いられるようになってきている。すなわち、減速中の車両が回生運転することで得られた回生電力を別の車両の加速エネルギーとして活用することにより、電鉄システム全体としての省エネルギーを実現することができる。この場合、車両の回生運転がなされる際には、その車両で得られた回生電力を加速エネルギーとして活用できる別の車両が近くに存在する必要がある。

しかしながら、回生運転機能を備えた鉄道車両を用いた場合であっても、回生運転を行う車両のそばに別の車両が常に存在するとは限らず、また存在した場合であっても、その車両が加速中とは限らない。そこで、さらなる回生電力の有効活用を目的として、他車両の加速電力（力行電力）で消費しきれなかった電力（余剰回生電力）を蓄電池に充電し、力行電力が発生した際に放電する電力貯蔵装置が考案および実用化されている。

上記の電力貯蔵装置に関する先行技術として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１では、変電所の出力電流を検出し、その検出結果に基づいて電力変換器を制御することにより、蓄電要素の充放電制御を行う技術が開示されている。

特許第５０４４３４０号

特許文献１では、整流器の出力電流と蓄電要素の充放電電流との合計電流を変電所の出力電流として検出し、この出力電流を所定の基準値と比較することで、き電側のエネルギー消費状態、すなわち車両の回生状態や力行状態を判断し、電力変換器の制御を行っている。しかしながら、このような充放電制御方法では、き電回路に余剰回生電力が発生していない状態でも、蓄電要素が充電される場合がある。そのため、余剰回生電力が発生したときに蓄電要素の充電率が高く、余剰回生電力を十分に充電できないおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、直流き電システムにおける余剰回生電力の有効活用を図ることを主な目的とする。

本発明による電力貯蔵装置は、充放電可能な蓄電要素と、前記蓄電要素とき電線の間で入出力される電力を双方向に変換して前記蓄電要素を充放電する電力変換器と、前記電力変換器の動作を制御し、前記蓄電要素を充電する充電運転または前記蓄電要素を放電する放電運転を前記電力変換器に実行させる制御回路と、を備え、前記き電線には、前記き電線に直流電流を出力可能な整流システムが接続されており、前記制御回路は、前記き電線の電圧が所定の充電開始電圧より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が所定の運用範囲内にある場合、前記蓄電要素を充電して前記き電線の電圧を前記充電開始電圧に近づけるように、前記電力変換器に前記充電運転を実行させ、前記き電線の電圧が前記充電開始電圧以下であり、かつ前記き電線に流れる電流が所定の電流閾値より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が第二の範囲内にある場合、前記蓄電要素を放電して前記整流システムとともに前記き電線に直流電流を出力するように、前記電力変換器に前記放電運転を実行させる。
本発明による電力貯蔵制御方法は、充放電可能な蓄電要素とき電線の間で入出力される電力を双方向に変換して前記蓄電要素を充放電する電力変換器の動作を制御することで、前記蓄電要素に貯蔵される電力を制御する方法であって、前記き電線には、前記き電線に直流電流を出力可能な整流システムが接続されており、前記き電線の電圧が所定の充電開始電圧より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が所定の運用範囲内にある場合、前記蓄電要素を充電して前記き電線の電圧を前記充電開始電圧に近づけるように、前記電力変換器の動作を制御し、前記き電線の電圧が前記充電開始電圧以下であり、かつ前記き電線に流れる電流が所定の電流閾値より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が第二の範囲内にある場合、前記蓄電要素を放電して前記整流システムとともに前記き電線に直流電流を出力するように、前記電力変換器の動作を制御する。

本発明によれば、直流き電システムにおける余剰回生電力の有効活用を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力貯蔵装置を含むき電システムの構成図である。 本発明の第１の実施形態に係るコントローラの演算器構成を示す図である。 電力変換器の主回路構成の説明図である。 整流器サポート演算器の説明図である。 蓄電池盤の説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力貯蔵装置の動作例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御モード判定方法の演算フロー図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力貯蔵装置の動作マップである。 本発明の変形例に係る電力貯蔵装置を含むき電システムの構成図である。 本発明の変形例に係るコントローラの演算器構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力貯蔵装置を含むき電システムの構成図である。 本発明の第２の実施形態に係るコントローラの演算器構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御モード判定方法の演算フロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力貯蔵装置の整流システム運転停止時における動作マップである。 アームの説明図である。

（第１の実施形態）
以下では、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力貯蔵装置を含むき電システムの構成図である。図１に示すように、本実施形態のき電システム３０は、電力貯蔵装置１、遮断器４０および整流システム５０を備える。なお、き電システム３０におけるこれらの構成要素は、例えば同一の変電所内に設けられる。

電力貯蔵装置１は、正極線４１と負極線４２の間に、整流システム５０と電気的に並列に接続される。正極線４１と負極線４２は、遮断器４０を介してき電線７０とレール７１にそれぞれ接続される。これにより、電力貯蔵装置１と整流システム５０は、き電線７０およびレール７１とそれぞれ電気的に接続される。

レール７１上を走行する鉄道車両８０は、電力貯蔵装置１や整流システム５０からき電線７０とレール７１を介して供給される直流電力により、加速エネルギーを得ることができる。また、減速時には、回生運転を行うことで得られた回生電力をき電線７０側へ送電する機能を備える。なお、図１には一つの鉄道車両８０のみを記載しているが、実際には複数の鉄道車両８０がき電線７０とレール７１にそれぞれ接続されているものとする。以下では、この複数の鉄道車両８０をまとめて説明する場合にも、単に「鉄道車両８０」と称することとする。

電力貯蔵装置１において、遮断器４０を介してレール７１と接続される負極線４２には電流検出器６０が設けられている。電流検出器６０は、負極線４２に流れる電流を検出し、その検出結果を総合負極電流I_SSとしてコントローラ１００に出力する。なお、電流検出器６０により検出される総合負極電流I_SSは、電力貯蔵装置１および整流システム５０がき電線７０にそれぞれ出力する電流を合計したものに相当する。

整流システム５０は、図示しない交流系統から変圧器５１を介して交流電力を得て、その交流電力をサイリスタ整流器５２で直流電力に変換する。具体的には、整流システム５０からき電線７０側へ送り出す電圧が一定の値となるようにサイリスタ整流器５２の点弧角を制御することで、き電システム３０の出力電圧を安定化する。

サイリスタ整流器５２は、上記のように交流電力を直流電力に変換することが可能であるが、直流電力を交流電力に逆変換することはできない。そのため、鉄道車両８０により消費しきれない回生電力（余剰回生電力）が生じた場合には、余剰回生電力の行き場がなくなり、き電線７０とレール７１の間の電圧（き電線電圧）が上昇する。その結果、き電線電圧が所定の値を超えると、鉄道車両８０は減速手段を回生運転から機械的ブレーキに徐々に切り替えることで、き電線における過電圧を回避する。しかしながら、この場合は回生運転によって運動エネルギーを電気エネルギーに変換する代わりに、機械的ブレーキによって運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、得られた熱エネルギーは回収されずに廃棄される。したがって、機械的ブレーキを多用することは余剰回生電力の有効活用の妨げとなる。

そこで、本実施形態の電力貯蔵装置１は、余剰回生電力が生じると、その電気エネルギーを蓄電池盤３内の組電池に充電することで保存しておき、鉄道車両８０の加速時には、組電池から電力を放電して鉄道車両８０に供給する。これにより、余剰回生電力の有効活用を実現するものである。

ここで、電力貯蔵装置１の構成を説明する。図１に示すように、電力貯蔵装置１は、組電池を有しており充放電可能な蓄電要素として機能する蓄電池盤３と、蓄電池盤３とき電線７０の間で入出力される電力を双方向に変換して蓄電池盤３を充放電することにより、き電線７０に対して双方向の電力融通を実現する電力変換器２と、電力変換器２の動作を制御し、蓄電池盤３を充電する充電運転または蓄電池盤３を放電する放電運転を電力変換器２に実行させる制御回路（コントローラ）１００と、を備える。

電力変換器２の一端側は、き電線７０に対して、整流システム５０の直流出力と電気的に並列に接続される。電力変換器２の他端側は、蓄電池盤３に接続される。コントローラ１００は、電力変換器２からそれぞれ得られるき電線７０の電圧（き電線電圧）および蓄電池盤３の電流（電池電流）の検出値と、蓄電池盤３から得られる組電池の充電率と、整流システム５０と電力貯蔵装置１の合成電流の検出値とに基づき、電力変換器２の制御信号であるゲート信号を生成し、電力変換器２に出力する。

電力変換器２の主回路構成を図３を用いて説明する。図３に示すように、電力変換器２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子を用いて構成されるアーム２３を有する。このアーム２３に対して、整流システム５０と並列にき電線７０と接続される端子側（図３左側）には、リアクトル２１とコンデンサ２２が設けられており、蓄電池盤３と接続される端子側（図３右側）には、リアクトル２４が設けられている。リアクトル２１とコンデンサ２２は、アーム２３のスイッチング動作に起因するＰＷＭノイズがき電線７０側へ流出するのを抑制する目的で備えられ、またリアクトル２４は、蓄電池盤３へ出力する電圧を平滑化する目的で備えられる。

アーム２３は、例えば図１５に示されるように、ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードが２組直列に接続されて構成される、２レベル出力のアームである。き電線７０側の正極端子P1は、コンデンサ２２の正極およびリアクトル２１に接続され、蓄電池盤３側の正極端子ACは、リアクトル２４に接続される。なお、き電線７０側の負極端子N1の電位と蓄電池盤３側の負極端子N2の電位とは共通であり、負極端子N1はコンデンサ２２の負極に、負極端子N2は蓄電池盤３の負極にそれぞれ接続される。直列接続された２つのＩＧＢＴ（IGBT1、IGBT2）を相補ＰＷＭによってデューティ比制御することにより、アーム２３は、コンデンサ２２の端子間電圧以下の任意の電圧を、蓄電池盤３側に出力することが可能となる。

図３の説明に戻ると、アーム２３とリアクトル２４は双方向の降圧ＤＣ－ＤＣコンバータを構成する。このＤＣ－ＤＣコンバータの動作により、蓄電池盤３の所望の充放電を実現する。なお、本実施形態では図１５に示したように、電力変換器２を２レベルのＤＣ－ＤＣコンバータとしているが、これは３レベルもしくはマルチレベルのＤＣ－ＤＣコンバータであっても良い。

電力貯蔵装置１において、電力変換器２からき電線７０へと出力される直流電流は、リアクトル２１と直列に接続された電流検出器２５により検出され、その検出結果が電力貯蔵装置１の出力電流I_BESSとしてコントローラ１００に出力される。また、コンデンサ２２の両端電圧、すなわちき電線７０の電圧は、電圧検出器２６により検出され、その検出結果がき電線電圧V_LINEとしてコントローラ１００に出力される。さらに、蓄電池盤３に流れる電流は、リアクトル２４と直列に接続された電流検出器２７により検出され、その検出結果が電池電流I_BATTとしてコントローラ１００に出力される。コントローラ１００は、これらの値に基づいて、電力変換器２を制御するためのゲート信号GateSigを生成する。

コントローラ１００により生成されたゲート信号GateSigは、電力貯蔵装置１においてアーム２３に入力される。このゲート信号GateSigに応じて、アーム２３が備える２つのＩＧＢＴ（IGBT1、IGBT2）が相補的にＯＮ、ＯＦＦ制御される。これにより、蓄電池盤３の充放電電流（電池電流I_BATT）が所望の値に制御される。なお、電池電流I_BATTの具体的な制御方法については後述する。

蓄電池盤３の構成を図５を用いて説明する。図５に示すように、蓄電池盤３は、複数の蓄電池モジュールが多直列・多並列に接続されて構成された組電池３１と、組電池３１の電圧・電流を検出して組電池３１の充電率SOCを算出するバッテリーマネージメントユニット３２を有する。

組電池３１の主回路は電力変換器２に接続され、組電池３１の充放電電流は、図３に示した電力変換器２のアーム２３が蓄電池盤３側に出力する電圧に応じて制御される。バッテリーマネージメントユニット３２により算出された充電率SOCは、コントローラ１００に入力され、コントローラ１００が行う電力変換器２の動作モード選択および充放電指令値算出に用いられる。

次に、電力変換器２のコントローラ１００の演算器構成について図２および図４を用いて説明する。

本発明の第１の実施形態に係るコントローラ１００の演算器構成を図２に示す。図２に示すように、本実施形態のコントローラ１００は、制御モード判定器１０１、充電開始電圧演算器１０２、充電側電圧制御器１０３、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５、加算器１０６、電流制御器１０７の各演算器を有する。コントローラ１００におけるこれらの演算器は、例えばコントローラ１００が有するＣＰＵ（Central Processing Unit）が所定のプログラムを実行することにより実現される。なお、図２に示す各演算器の一部または全部を、ＣＰＵ以外のデバイス、例えばＧＰＵ（Graphic Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を用いて実現してもよい。

コントローラ１００には、電流検出器６０から総合負極電流I_SSの検出値が入力される。また、図３に示した電力変換器２内の電流検出器２５、電圧検出器２６、電流検出器２７から、電力貯蔵装置１の出力電流I_BESS、き電線電圧V_LINE、電池電流I_BATTの検出値がそれぞれ入力される。さらに、図５に示した蓄電池盤３内のバッテリーマネージメントユニット３２から、組電池３１の充電率SOCも入力される。

充電開始電圧演算器１０２は、充電率SOCに応じた充電開始電圧V_ABSを演算する。例えば充電開始電圧演算器１０２は、充電率SOCが所定の基準値以下であれば、予め設定された固定値を充電開始電圧V_ABSとして出力する。一方、充電率SOCが基準値より大きければ、その充電率SOCと基準値の差に比例した値を上記固定値に加算することで、充電開始電圧V_ABSをより高い値に補正する。これにより、充電率SOCが高くなるほど充電開始電圧V_ABSが高くなるようにして、蓄電池盤３の過充電を防ぐ。なお、充電開始電圧V_ABSの算出に用いる上記固定値は、例えば1500Vを定格電圧とするき電システム３０においては、サイリスタ整流器５２の出力指令よりも十分高く、かつ鉄道車両８０が回生運転の絞り込みを開始するき電線電圧である1800Vよりも低い値に設定する必要がある。回生運転開始時のき電線電圧のオーバーシュートを勘案すると、充電開始電圧V_ABSの固定値は、例えば1550Vから1700Vの間で設定するのが好ましい。

制御モード判定器１０１は、コントローラ１００に入力される総合負極電流I_SS、き電線電圧V_LINEおよび充電率SOCと、充電開始電圧演算器１０２により求められた充電開始電圧V_ABSとに基づき、電力貯蔵装置１の制御モードを判定する。この制御モード判定器１０１により判定された制御モードに応じて、充電側電圧制御器１０３、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５による電流指令値演算がそれぞれ有効化、またはゼロにリセットされる。なお、制御モード判定器１０１による制御モード判定方法の詳細については後述する。

充電側電圧制御器１０３は、き電線電圧V_LINEが充電開始電圧V_ABSより大きくなった場合に、蓄電池盤３を充電してき電線電圧V_LINEを充電開始電圧V_ABSに近づけるように、電力変換器２に対する電流指令値の演算を行う。具体的には、例えば充電側電圧制御器１０３は、制御モード判定器１０１により電流指令値演算が有効化されると、き電線電圧V_LINEと充電開始電圧V_ABSの偏差を算出し、その偏差を入力とするＰＩ制御演算を行うことで、き電線電圧V_LINEの上昇を抑制する電流指令値を算出する。なお、制御モード判定器１０１により充電側電圧制御器１０３の電流指令値演算がリセットされると、充電側電圧制御器１０３においてＰＩ演算器の内部変数の値がクリアされ、それと同時に、充電側電圧制御器１０３の出力はゼロとなる。

充電率制御器１０４は、蓄電池盤３を充放電して充電率SOCが予め設定された所定の目標値に近づくように、電力変換器２に対する電流指令値の演算を行う。具体的には、例えば充電率制御器１０４は、制御モード判定器１０１により電流指令値演算が有効化されると、充電率SOCと所定の充電率目標値の偏差を算出し、その偏差に比例演算を行うことで、充電率SOCを目標値に近づける電流指令値を算出する。なお、制御モード判定器１０１により充電率制御器１０４の電流指令値演算がリセットされると、充電率制御器１０４の出力はゼロとなる。

ここで、鉄道車両８０を力行運転させる電力がき電線７０に十分存在しない場合に、充電率制御器１０４が上記の充電率制御を実施してもき電線電圧V_LINEが過度に上昇することを回避するには、充電率制御器１０４から出力される電流指令値を低い値に制限することが望ましい。例えば、充電率制御を実施する際の電力貯蔵装置１の入出力電力が電力貯蔵装置１の定格容量の数％未満に制限されるように、充電率制御器１０４により算出される電流指令値に対してリミッタを施すことが考えられる。また、余剰回生電力が生じたときに蓄電池盤３において充電余力が十分に残りつつ、なおかつ充電率SOCの値が過度に低下して蓄電池盤３内の蓄電池が劣化するのを避けるためには、充電率目標値を0％から100％の範囲内で適切な値に、例えば10％～40％の間で設定するのが望ましい。

整流器サポート演算器１０５は、整流システム５０と電力貯蔵装置１の出力電流を合わせた総合負極電流I_SSと、充電率SOCに基づいて、電流指令値演算を行う。なお、整流器サポート演算器１０５による電流指令値演算方法の詳細については後述する。

加算器１０６は、充電側電圧制御器１０３、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５のそれぞれで算出された電流指令値を合計し、電力変換器２が蓄電池盤３を充放電させるときの電流指令値を算出する。

電流制御器１０７は、加算器１０６から出力される電流指令値に電池電流I_BATTが一致するように、電力変換器２に対するゲート信号GateSigのデューティを算出し、このデューティに応じたゲート信号GateSigを生成する。そして、生成したゲート信号GateSigを電力変換器２のアーム２３が有する各ＩＧＢＴへ出力することで、電力変換器２の動作を制御し、電力変換器２に充電運転または放電運転を実行させる。

続いて、本発明の特徴である、整流器サポート演算器１０５および制御モード判定器１０１の詳細について説明する。

整流器サポート演算器１０５には、総合負極電流I_SSと、充電率SOCと、制御モード判定器１０１による制御モードの判定結果が入力される。制御モード判定器１０１により電流指令値演算が有効化されると、整流器サポート演算器１０５は、電力貯蔵装置１が整流システム５０とともにき電線７０に直流電力を出力し、これによって鉄道車両８０の力行運転に必要な電流の一部を電力貯蔵装置１から供給すべく、総合負極電流I_SSおよび充電率SOCに基づいて電流指令値を算出する。そして、算出した電流指令値を加算器１０６に出力する。なお、制御モード判定器１０１により整流器サポート演算器１０５の電流指令値演算がリセットされると、整流器サポート演算器１０５の出力はゼロとなる。

整流器サポート演算器１０５の具体的な演算ブロックを、図４を用いて説明する。図４に示すように、整流器サポート演算器１０５は、乗算器１０５１、最大値算出器１０５２、可変リミッタ１０５３、最小値算出器１０５４、切り替えスイッチ１０５５を有する。

乗算器１０５１は、総合負極電流I_SSに固定ゲインK1を乗算した積を算出する。最大値算出器１０５２は、乗算器１０５１により算出された総合負極電流I_SSと固定ゲインK1の積をゼロと比較し、いずれか大きい方の値を最小値算出器１０５４に出力する。

可変リミッタ１０５３は、充電率SOCに基づく放電電流のリミット値を算出し、最小値算出器１０５４に出力する。具体的には、充電率SOCが所定の基準充電率SOC2以下のときには、ゼロを放電電流のリミット値として出力し、充電率SOCがSOC2＋Δ（Δ＞0）の場合は、所定の放電電流最大値を放電電流のリミット値として出力する。また、充電率SOCが上記の基準充電率SOC2からSOC2＋Δの間にあるときは、その充電率SOCの値に対してゼロと上記放電電流最大値の間を線形補完した値を、放電電流のリミット値として出力する。

最小値算出器１０５４は、可変リミッタ１０５３と最大値算出器１０５２の出力のうちいずれか小さい方の値を、電流指令値I_ref3として切り替えスイッチ１０５５に出力する。切り替えスイッチ１０５５は、制御モード判定器１０１による制御モードの判定結果に応じて、整流器サポート演算器１０５が有効化されたときには電流指令値I_ref3を選択して出力し、リセットされたときにはゼロを出力する。

本実施形態のコントローラ１００では、整流器サポート演算器１０５が上記構成を有することにより、鉄道車両８０が力行する際に、蓄電池盤３を放電して整流システム５０とともにき電線７０に直流電流を出力し、き電システム３０から鉄道車両８０への出力電流の一部を電力貯蔵装置１から出力することが可能となる。また、蓄電池盤３の充電率SOCが所定の基準充電率SOC2近傍まで低下した際には、蓄電池盤３からの放電電流を徐々に制限しながら、基準充電率SOC2以下での放電を停止することが可能となる。これにより、き電線７０側への擾乱を抑制しつつ、蓄電池盤３の過放電を回避することができる。

なお、上記基準充電率SOC2は、前述の充電率制御器１０４における充電率制御時の充電率目標値の設定と同様に、0％から100％の範囲内で適切な値に、例えば10％～40％の間に設定することが望ましい。

本発明の第１の実施形態に係る制御モード判定器１０１の制御モード判定方法について、図７の演算フローを用いて以下に説明する。

制御モード判定器１０１は、総合負極電流I_SS、き電線電圧V_LINE、充電率SOCおよび充電開始電圧V_ABSを入力とし、これらに基づいて図７の演算フローに示す演算処理を行うことにより、電力貯蔵装置１の制御モードとして、下記４種類の制御モードのいずれかを選択する。
（１）第一制御モード（MODE=1）：蓄電池盤３の充電によりき電線電圧V_LINEの安定化を行う充電側電圧制御モード
（２）第二制御モード（MODE=2）：蓄電池盤３の放電によりき電システム３０から鉄道車両８０に供給する負荷電流の一部を担う整流器サポートモード
（３）第三制御モード（MODE=3）：充電率SOCを所定の目標値に近づけるように蓄電池盤３の充電もしくは放電を行う充電率制御モード
（４）第四制御モード（MODE=4）：電力変換器２の動作を停止して運転条件成立を待つ待機モード

４種類の制御モードのいずれかを選択すると、制御モード判定器１０１は、その選択結果を示す出力信号MODEを、充電側電圧制御器１０３、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５、電流制御器１０７に出力する。充電側電圧制御器１０３は、MODE=1で有効化され、それ以外ではリセットされる。整流器サポート演算器１０５は、MODE=2で有効化され、それ以外ではリセットされる。充電率制御器１０４は、MODE=3で有効化され、それ以外ではリセットされる。電流制御器１０７は、MODE=4でリセットされてゲート信号GateSigの出力を抑制し、それ以外では、電池電流I_BATTが加算器１０６から出力される電流指令値と一致するように、電力変換器２に対するゲート信号GateSigを生成する。

図７の演算フローに示す演算処理では、制御モード判定器１０１は、まずステップＳ１０１において、き電線電圧V_LINEと充電開始電圧V_ABSを比較し、V_LINE＞V_ABSの条件判定を行う。ステップＳ１０１の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ１０２へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０２では、制御モード判定器１０１は、充電率SOCが蓄電池盤３の運用範囲内にあるか否かを判定する。ここでは、所定の運用上限値SOC_Hと運用下限値SOC_Lにより規定される充電率の範囲を蓄電池盤３の運用範囲として設定し、この運用範囲に対して、SOC_L＜SOC＜SOC_Hの条件判定を行う。ステップＳ１０２の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ１０８へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０３では、制御モード判定器１０１は、総合負極電流I_SSと所定の電流閾値I_THを比較し、I_SS＞I_THの条件判定を行う。ステップＳ１０３の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ１０４へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ１０５へ進む。なお、電流閾値I_THは、総合負極電流I_SSの検出誤差や鉄道車両８０の補器の動作などによって電力貯蔵装置１の動作モード切替が不安定になることを回避するためのマージンに相当する。この電流閾値I_THは、鉄道車両８０の力行時において、電力貯蔵装置１が整流器サポートモードを速やかに実施し、蓄電池盤３の放電によりき電システム３０から鉄道車両８０に供給する負荷電流の一部を担うことができるように、整流システム５０の定格電流よりも低い値、例えば該定格電流の数％程度の値に選定することが望ましい。

ステップＳ１０４では、制御モード判定器１０１は、充電率SOCが蓄電池盤３の運用範囲内のうち所定の範囲内にあるか否かを判定する。ここでは、運用下限値SOC_Lよりも大きい前述の基準充電率SOC2と運用上限値SOC_Hにより規定される充電率の範囲（以下、「第二範囲」と称する）に対して、SOC2＜SOC＜SOC_Hの条件判定を行う。ステップＳ１０４の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ１１０へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０５では、制御モード判定器１０１は、ステップＳ１０４と同様の条件判定を行う。ステップＳ１０５の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ１１１へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０６では、制御モード判定器１０１は、充電率SOCが蓄電池盤３の運用範囲内のうち前述の第二範囲とは異なる所定の範囲内にあるか否かを判定する。ここでは、前述の基準充電率SOC2よりも小さい所定の充電率SOC3と運用下限値SOC_Lにより規定される充電率の範囲（以下、「第三範囲」と称する）に対して、SOC_L＜SOC＜SOC3の条件判定を行う。ステップＳ１０６の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ１１２へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ１１３へ進む。

ステップＳ１０７では、制御モード判定器１０１は、ステップＳ１０６と同様の条件判定を行う。ステップＳ１０７の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ１１１へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０２の条件判定結果が真である場合、ステップＳ１０８において、制御モード判定器１０１は、制御モードの判定結果をMODE=1に設定し、電力貯蔵装置１の制御モードを充電側電圧制御モードに切り替える。

ステップＳ１０２またはステップＳ１０７の条件判定結果が偽である場合、ステップＳ１０９において、制御モード判定器１０１は、制御モードの判定結果をMODE=4に設定し、電力貯蔵装置１の制御モードを待機モードに切り替える。

ステップＳ１０４の条件判定結果が真である場合、ステップＳ１１０において、制御モード判定器１０１は、制御モードの判定結果をMODE=2に設定し、電力貯蔵装置１の制御モードを整流器サポートモードに切り替える。

ステップＳ１０５またはステップＳ１０７の条件判定結果が真である場合、ステップＳ１１１において、制御モード判定器１０１は、制御モードの判定結果をMODE=3に設定し、電力貯蔵装置１の制御モードを充電率制御モードに切り替える。

ステップＳ１０６の条件判定結果が真である場合、ステップＳ１１２において、制御モード判定器１０１は、制御モードの判定結果をMODE=3に設定し、電力貯蔵装置１の制御モードを充電率制御モードに切り替える。

ステップＳ１０６の条件判定結果が偽である場合、ステップＳ１１３において、制御モード判定器１０１は、制御モードの判定結果をMODE=4に設定し、電力貯蔵装置１の制御モードを待機モードに切り替える。

ステップＳ１０８～Ｓ１１３のいずれかで制御モードの判定結果をMODE=1～4のいずれかに設定したら、ステップＳ１１４において、制御モード判定器１０１は、次の演算トリガまで待機する。次の演算トリガを受信したらステップＳ１０１へ戻り、図７の演算フローを再開する。これにより、図７の演算フローに従った演算処理を所定の演算周期ごとに実行し、制御モードの判定を行う。

上記の制御モード判定を制御モード判定器１０１において実施することにより、図８に示す電力貯蔵装置１の動作マップが実現される。ここで、図８の横軸は充電率SOC、縦軸はき電線電圧V_LINEをそれぞれ表し、太線は充電開始電圧V_ABSを示している。また、充電率SOCが前述の運用下限値SOC_L、所定値SOC3、所定値SOC2および運用上限値SOC_Hとなる位置を一点破線でそれぞれ示している。これらの一点鎖線と充電開始電圧V_ABSで区切られた各領域により、電力貯蔵装置１の各制御モードが定義される。図８では、各領域に対応する制御モードを、変数MODEの値でそれぞれ示している。

本実施形態に係る電力貯蔵装置１の動作例を、図６に示す各グラフを用いて説明する。図６では、上から順に、以下の６種類のグラフを示している。
（１）鉄道車両８０がき電線７０から受電する車両電流の時間変化例
（２）き電線電圧V_LINEの時間変化例
（３）整流システム５０からき電線７０に出力される電流I_RECの時間変化例
（４）電力貯蔵装置１の出力電流I_BESSの時間変化例
（５）充電率SOCの時間変化例
（６）制御モード判定器１０１による制御モードの判定結果を表す出力信号MODEの時間変化例

また、図６の各グラフでは、図１のように一つの鉄道車両８０のみがき電回路上に存在し、鉄道車両８０の回生電力を消費する力行車両は存在しない状況を想定して、上記各変数の時間変化例を示している。

時刻t1で鉄道車両８０が加速を開始すると、これに伴って、車両電流が力行側である正の電流となる。このとき、制御モード判定器１０１の出力信号はMODE=2であるため、電力貯蔵装置１は整流器サポートモードで動作し、整流システム５０および電力貯蔵装置１から鉄道車両８０へ車両電流が供給される。また、電力貯蔵装置１では、蓄電池盤３の放電に伴って充電率SOCが低下する。

時刻t2において、充電率SOCがSOC2＋Δまで低下すると、電力貯蔵装置１ではコントローラ１００の整流器サポート演算器１０５内にある可変リミッタ１０５３により、蓄電池盤３の放電電流が所定の放電電流最大値に制限される。これにより、電力貯蔵装置１からの出力電流I_BESSが減少を開始する。このとき、鉄道車両８０に流れる車両電流は変わらないため、出力電流I_BESSの減少を補填する形で、整流システム５０からの出力電流I_RECが増加する。

時刻t3において、充電率SOCが基準充電率SOC2まで低下すると、制御モード判定器１０１の出力信号がMODE=2からMODE=4に変化する。これにより、電力貯蔵装置１の制御モードが整流器サポートモードから待機モードへと切り替えられ、電力貯蔵装置１は電力変換器２の動作を停止して待機する。このとき、時刻t2から時刻t3の間で充電率SOCに応じて蓄電池盤３の放電電流を制限していたことにより、時刻t3で電力変換器２の動作を停止しても、き電線７０側への急峻な電力変動は発生しない。そのため、き電回路への擾乱を回避することができる。

時刻t4で鉄道車両８０が加速を終了すると、車両電流がゼロになり、これに伴って整流システム５０の出力電流I_RECもゼロとなる。

時刻t5で鉄道車両８０が回生運転を開始すると、回生電力によって鉄道車両８０内のフィルタコンデンサが充電されることで、フィルタコンデンサの両端電圧が上昇し、それに伴ってき電線電圧V_LINEが上昇する。き電線電圧V_LINEが充電開始電圧V_ABSを上回ると、電力貯蔵装置１では、制御モード判定器１０１の出力信号がMODE=4からMODE=1に変化する。これにより、電力貯蔵装置１の制御モードが待機モードから充電側電圧制御モードへと切り替えられ、電力貯蔵装置１は蓄電池盤３の充電によるき電線電圧V_LINEの電圧制御を開始する。これにより、き電線電圧V_LINEの安定化が図られるとともに、余剰回生電力の充電が可能となる。

時刻t6において、鉄道車両８０が回生運転を終了すると、電力貯蔵装置１では、制御モード判定器１０１の出力信号がMODE=1からMODE=3に変化する。これにより、電力貯蔵装置１の制御モードが充電側電圧制御モードから充電率制御モードへと切り替えられ、電力貯蔵装置１は蓄電池盤３の充電率制御を行う。このとき、前述のように充電率制御における電力貯蔵装置１の入出力電力を低い値に（例えば電力貯蔵装置１の定格容量の数％）制限しておくことにより、鉄道車両８０の補機が消費する電力の一部を、充電率制御用の電力として電力貯蔵装置１から鉄道車両８０に供給することが可能となる。

時刻t7において鉄道車両８０が再度加速を開始すると、電力貯蔵装置１では、制御モード判定器１０１の出力信号がMODE=3からMODE=2に変化する。これにより、時刻t1から時刻t2の間と同様に、電力貯蔵装置１は整流器サポートモードで動作し、時刻t5からt6で蓄電池盤３に充電した余剰回生電力を、力行用電力の一部として鉄道車両８０に供給することが可能となる。

時刻t8で鉄道車両８０が加速を終了すると、車両電流がゼロになり、これに伴って整流システム５０の出力電流I_RECもゼロとなる。このとき、充電率SOCが基準充電率SOC2よりも大きいため、制御モード判定器１０１の出力信号がMODE=2からMODE=3に変化する。これにより、電力貯蔵装置１の制御モードが再び充電率制御モードへと切り替えられ、時刻t6から時刻t7の間と同様に、電力貯蔵装置１は蓄電池盤３の充電率制御を行う。

上記のように、本実施形態によれば、サイリスタ整流器５２によりき電される直流き電システム３０において、電力貯蔵装置１の蓄電要素である蓄電池盤３を余剰回生電力の充電に備えてあらかじめ放電しておくことができる。また、余剰回生電力が発生した場合には、き電線７０より吸収した回生電力を蓄電池盤３に充電しておき、鉄道車両８０の力行時には蓄電池盤３に蓄積された電力を放電することで、余剰回生電力の有効活用を実現することができる。さらに、蓄電池盤３の放電時には、整流器サポート演算器１０５が有する可変リミッタ１０５３の機能により、充電率SOCに応じて放電電流を制限することができる。これにより、蓄電池盤３の過放電を回避するとともに、き電回路への急峻な擾乱も回避することができる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電力貯蔵装置１は、充放電可能な蓄電要素である蓄電池盤３と、蓄電池盤３とき電線７０の間で入出力される電力を双方向に変換して蓄電池盤３を充放電する電力変換器２と、電力変換器２の動作を制御し、蓄電池盤３を充電する充電運転または蓄電池盤３を放電する放電運転を電力変換器２に実行させる制御回路（コントローラ）１００とを備える。き電線７０には、き電線７０に直流電流を出力可能な整流システム５０が接続されている。コントローラ１００は、き電線７０の電圧V_LINEが所定の充電開始電圧V_ABSより大きく（ステップＳ１０１：True）、かつ蓄電池盤３の充電率SOCが所定の運用範囲内にある場合（ステップＳ１０２：True）、電力貯蔵装置１の制御モードを充電側電圧制御モードに設定することで（ステップＳ１０８：MODE=1）、蓄電池盤３を充電してき電線７０の電圧V_LINEを充電開始電圧V_ABSに近づけるように、電力変換器２に充電運転を実行させる。一方、き電線７０の電圧V_LINEが充電開始電圧V_ABS以下であり（ステップＳ１０１：False）、かつき電線７０に流れる電流I_SSが所定の電流閾値I_THより大きく（ステップＳ１０３：True）、かつ蓄電池盤３の充電率SOCが第二範囲内にある場合（ステップＳ１０４：True）、電力貯蔵装置１の制御モードを整流器サポートモードに設定することで（ステップＳ１１０：MODE=2）、蓄電池盤３を放電して整流システム５０とともにき電線７０に直流電流を出力するように、電力変換器２に放電運転を実行させる。このようにしたので、直流き電システム３０における余剰回生電力の有効活用を図ることができる。

（２）コントローラ１００は、電力変換器２および整流システム５０からき電線７０にそれぞれ出力される直流電流を合わせた総合電流の検出値である総合負極電流I_SSを取得し、取得した総合負極電流I_SSに基づいてき電線７０に流れる電流を求める。このようにしたので、き電線７０に流れる電流を正確に求めることができる。

（３）コントローラ１００は、整流器サポートモードで電力変換器２に放電運転を実行させる際に、整流器サポート演算器１０５により、蓄電池盤３の充電率SOCおよびき電線７０に流れる電流I_SSに基づいて電流指令値I_ref3を算出する。この電流指令値I_ref3を用いて、電力変換器２からき電線７０に出力される直流電流である出力電流I_BESSの大きさを制御する。このようにしたので、その後に電力変換器２の動作を停止したときに、き電線７０側への急峻な電力変動が発生するのを防止し、き電回路への擾乱を回避することができる。

（４）コントローラ１００は、き電線７０の電圧V_LINEが充電開始電圧V_ABS以下であり（ステップＳ１０１：False）、かつき電線７０に流れる電流I_SSが電流閾値I_TH以下であり（ステップＳ１０３：False）、かつ蓄電池盤３の充電率SOCが第二範囲内にあるか（ステップＳ１０５：True）、もしくは第二範囲よりも低い第三範囲内にある場合（ステップＳ１０７：True）、または、き電線７０の電圧V_LINEが充電開始電圧V_ABS以下であり（ステップＳ１０１：False）、かつき電線７０に流れる電流I_SSが電流閾値I_THより大きく（ステップＳ１０３：True）、かつ蓄電池盤３の充電率SOCが第三範囲内にある場合（ステップＳ１０６：True）、電力貯蔵装置１の制御モードを充電率制御モードに設定することで（ステップＳ１１１、Ｓ１１２：MODE=3）、蓄電池盤３を充放電して蓄電池盤３の充電率SOCを所定の目標値に近づけるように、電力変換器２に充電運転または放電運転を実行させる。このようにしたので、鉄道車両８０が力行運転と回生運転のいずれも行っていない場合や、蓄電池盤３の充電率SOCが低い場合に、蓄電池盤３の充電率SOCを一定の範囲内に維持することができる。

（５）コントローラ１００は、蓄電池盤３を充電してき電線７０の電圧V_LINEを充電開始電圧V_ABSに近づけるように電力変換器２を制御する第一制御モード（MODE=1：充電側電圧制御モード）と、蓄電池盤３の充電率SOCおよびき電線７０に流れる電流I_SSに基づいて放電電流指令としての電流指令値I_ref3を算出し、算出した電流指令値I_ref3に基づいて蓄電池盤３を放電するように電力変換器２を制御する第二制御モード（MODE=2：整流器サポートモード）と、蓄電池盤３を充放電して蓄電池盤３の充電率SOCを所定の目標値に近づけるように電力変換器２を制御する第三制御モード（MODE=3：充電率制御モード）と、電力変換器２の動作を停止する第四制御モード（MODE=4：待機モード）とを有する。そして、き電線の電圧V_LINE、蓄電池盤３の充電率SOCおよびき電線７０に流れる電流I_SSの少なくとも一つに基づいて、図７の演算フローにより、第一制御モード、第二制御モード、第三制御モードまたは第四制御モードのいずれかを選択する。このようにしたので、き電回路の状態に応じて適切な制御モードを選択し、電力変換器２の動作制御を行うことができる。

（６）上記の第二範囲の下限値である基準充電率SOC2は、蓄電池盤３の充電率SOCで、例えば10％から40％の間に設定されることとしてよい。このようにすれば、整流器サポートモードから他の制御モードへの切替を適切なタイミングで行い、その結果、余剰回生電力の充電に備えて蓄電池盤３の充電率SOCを適切な値に維持しておくことができる。

なお、以上説明した本発明の第１の実施形態では、図１に示したように、遮断器４０を介してレール７１と接続される負極線４２に電流検出器６０を設け、この電流検出器６０により、負極線４２に流れる総合負極電流I_SSを検出する例を説明したが、負極線４２側でなく正極線４１側に電流検出器６０を設けてもよい。また、本発明の第１の実施形態では、整流システム５０と電力貯蔵装置１の合成出力電流である総合負極電流I_SSを検出可能な位置に電流検出器６０が備えられる構成を示したが、他の位置に電流検出器６０を設けてもよい。他の位置に電流検出器６０を設けた場合の変形例を図９、１０を参照して以下に説明する。

例えば図９の変形例に示すように、電流検出器６０が整流システム５０の出力電流のみを検出する位置に設置される場合、電力貯蔵装置１は、第１の実施形態で説明したコントローラ１００に替えて、コントローラ１００ａを有する。コントローラ１００ａは、電力変換器２からき電線７０に出力される直流電流の検出値、すなわち第１の実施形態で説明した電力貯蔵装置１の出力電流I_BESSと、整流システム５０からき電線７０に出力される直流電流I_RECの検出とを取得し、取得した各直流電流の検出値に基づいてき電線７０に流れる電流値を求める。この電流値を総合負極電流I_SSの代わりに用いて、電力変換器２の動作を制御する。

本発明の変形例に係るコントローラ１００ａの演算器構成を図１０に示す。例えば図１０に示すように、コントローラ１００ａは、第１の実施形態で説明した制御モード判定器１０１、充電開始電圧演算器１０２、充電側電圧制御器１０３、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５、加算器１０６、電流制御器１０７の各演算器に加えて、加算器１０８をさらに有する。加算器１０８は、電力変換器２内の電流検出器２５で検出された電力貯蔵装置１の出力電流I_BESSと、電流検出器６０で検出された整流システム５０の出力電流I_RECとを加算し、その演算結果を制御モード判定器１０１と整流器サポート演算器１０５へ出力する。制御モード判定器１０１および整流器サポート演算器１０５では、加算器１０８の出力を総合負極電流I_SSの代わりに用いて、第１の実施形態で説明した演算処理をそれぞれ実行する。これにより、図９に示した変形例においても第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、上記第１の実施形態および変形例では、整流システム５０と電力貯蔵装置１がき電システム３０として同一の変電所内に設置される構成を説明したが、電力貯蔵装置１が整流システム５０と同一き電区間に存在し、かつき電線７０に流れる電流、または整流システム５０からき電線７０に出力される電流の検出値をコントローラ１００、１００ａが取得することができれば、整流システム５０と電力貯蔵装置１が別々の場所に設置されてもよい。この場合でも、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、き電線７０に流れる電流または整流システム５０からき電線７０に出力される電流の検出値は、電気的配線によりコントローラ１００、１００ａへ伝達されても良いし、光もしくは無線通信等によって伝達されても良い。

また、上記第１の実施形態および変形例では、整流システム５０における整流器５２はサイリスタ整流器としたが、ダイオード整流器であっても良い。この場合、充電開始電圧V_ABSは、交流系統の電圧変動を鑑みて、該ダイオード整流器を有する整流システム５０の無負荷時出力電圧よりも高い値に設定することが望ましい。このようにしても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第２の実施形態）
以下では、本発明の第２の実施形態を図面を用いて説明する。以下の説明では、第１の実施形態と同じ構成や演算機能を示す要素には同じ符号を割り当てており、これらの要素については、特に必要のない限り説明を省略する。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る電力貯蔵装置を含むき電システムの構成図である。図１１に示すように、本実施形態のき電システム３０は、電力貯蔵装置１ｂ、遮断器４０および整流システム５０ｂを備える。本実施形態と第１の実施形態との差は、整流システム５０ｂが遮断器５３を備えており、サイリスタ整流器５２が遮断器５３を介して正極線４１と負極線４２に接続されている点と、整流システム５０ｂの運転状態を表す運転状態信号SR_STATEが整流システム５０ｂから電力貯蔵装置１ｂへ出力され、電力貯蔵装置１ｂのコントローラ１００ｂに入力される点である。なお、運転状態信号SR_STATEは、例えば遮断器５３の接点情報であり、電力貯蔵装置１ｂの図示しない信号インターフェースを介してコントローラ１００ｂに入力される。

本実施形態において、電力貯蔵装置１ｂのコントローラ１００ｂは、整流システム５０ｂから入力された運転状態信号SR_STATEに基づき、整流システム５０ｂの運転状態を取得する。そして、整流システム５０ｂが動作している場合と停止している場合とで、電力変換器２の制御を切り替える。具体的には、電力貯蔵装置１ｂは、整流システム５０ｂが正常運転しているときには、前述の第１の実施形態で説明した余剰回生電力の充電と整流器サポート運転を実施する。一方、整流システム５０ｂが運転を停止した場合は、き電線７０の電圧が過度に低下しないように、蓄電池盤３の放電運転を実施する。これにより、き電電圧の安定化に貢献することができる。

本実施形態では、例えば運転状態信号SR_STATEは１または０で表され、整流システム５０ｂが正常運転をしており遮断器５３が閉状態の場合は運転状態信号SR_STATEが１となり、整流システム５０ｂが運転を停止しており遮断器５３が開状態の場合は運転状態信号SR_STATEが０となるものとする。本構成により、メンテナンスや故障などによって整流システム５０ｂが運転を停止し、これに応じて遮断器５３が解放されると、運転状態信号SR_STATEが０となることで、電力貯蔵装置１は整流システム５０ｂの停止を検出することができる。

本発明の第２の実施形態に係るコントローラ１００ｂの演算器構成を図１２に示す。図１２に示すように、本実施形態のコントローラ１００ｂは、第１の実施形態で説明した図２のコントローラ１００と比べて、制御モード判定器１０１、充電開始電圧演算器１０２、加算器１０６の代わりに制御モード判定器１０１ｂ、充放電開始電圧演算器１０２ｂ、加算器１０６ｂをそれぞれ備える点と、放電側電圧制御器１０９をさらに備える点とが異なる。

充放電開始電圧演算器１０２ｂは、充電率SOCに応じた充電開始電圧V_ABSおよび放電開始電圧V_DISCを算出する。充電開始電圧V_ABSについては、第１の実施形態で説明したのと同様に算出したものを、充電側電圧制御器１０３および制御モード判定器１０１ｂに出力することができる。また、放電開始電圧V_DISCについては、例えば充放電開始電圧演算器１０２ｂは、充電率SOCが前述の基準充電率SOC2以上であれば、予め設定された固定値を放電開始電圧V_DISCとして出力する。一方、充電率SOCが基準充電率SOC2より小さければ、その充電率SOCと基準値の差に比例した値を上記固定値から減算することで、放電開始電圧V_DISCをより低い値に補正する。これにより、充電率SOCが低くなるほど放電開始電圧V_DISCが低くなるようにして、蓄電池盤３の過放電を防ぐ。充放電開始電圧演算器１０２ｂは、こうして算出した放電開始電圧V_DISCを放電側電圧制御器１０９および制御モード判定器１０１ｂに出力する。

制御モード判定器１０１ｂは、総合負極電流I_SS、き電線電圧V_LINE、充電率SOCおよび充電開始電圧V_ABSに加え、さらに運転状態信号SR_STATEに基づき、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを判定する。これにより、充電側電圧制御器１０３、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５に加えて、さらに放電側電圧制御器１０９による電流指令値演算がそれぞれ有効化、またはゼロにリセットされる。

放電側電圧制御器１０９は、き電線電圧V_LINEが放電開始電圧V_DISCより小さくなった場合に、蓄電池盤３を放電してき電線電圧V_LINEを放電開始電圧V_DISCに近づけるように、電力変換器２に対する電流指令値の演算を行う。具体的には、例えば放電側電圧制御器１０９は、制御モード判定器１０１ｂにより電流指令値演算が有効化されると、き電線電圧V_LINEと放電開始電圧V_DISCの偏差を算出し、その偏差を入力とするＰＩ制御演算を行うことで、き電線電圧V_LINEの低下を抑制する電流指令値を算出する。なお、制御モード判定器１０１ｂにより放電側電圧制御器１０９の電流指令値演算がリセットされると、放電側電圧制御器１０９においてＰＩ制御器の内部変数の値がクリアされ、それと同時に、放電側電圧制御器１０９の出力はゼロとなる。

加算器１０６ｂは、充電側電圧制御器１０３、放電側電圧制御器１０９、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５のそれぞれで算出された電流指令値を合計し、電力変換器２が蓄電池盤３を充放電させるときの電流指令値を算出する。

本発明の第２の実施形態に係る制御モード判定器１０１ｂの制御モード判定方法について、図１３の演算フローを用いて以下に説明する。

図１３の演算フローに示す演算処理では、制御モード判定器１０１ｂは、まずステップＳ２０１において、運転状態信号SR_STATEを確認し、SR_STATE＝1の条件判定を行う。ステップＳ２０１の条件判定結果が真である場合（True）、すなわち整流システム５０ｂが正常に動作している場合は、第１の実施形態で説明した図７のステップＳ１０１～Ｓ１１３と同様の処理を行い、その後ステップＳ２１４へ進む。一方、ステップＳ２０１の条件判定結果が偽である場合（False）、すなわち整流システム５０ｂが停止している場合は、ステップＳ２０２へ進む。

ステップＳ２０２では、制御モード判定器１０１ｂは、き電線電圧V_LINEと充電開始電圧V_ABSを比較し、V_LINE＞V_ABSの条件判定を行う。ステップＳ２０２の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ２０３へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ２０４へ進む。

ステップＳ２０３では、制御モード判定器１０１ｂは、充電率SOCが蓄電池盤３の運用範囲内にあるか否かを判定する。ここでは図７のステップＳ１０２と同様に、運用上限値SOC_Hと運用下限値SOC_Lにより規定される充電率の範囲を蓄電池盤３の運用範囲として設定し、この運用範囲に対して、SOC_L＜SOC＜SOC_Hの条件判定を行う。ステップＳ２０３の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ２０８へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ２０９へ進む。

ステップＳ２０４では、制御モード判定器１０１ｂは、き電線電圧V_LINEと放電開始電圧V_DISCを比較し、V_LINE＜V_DISCの条件判定を行う。ステップＳ２０４の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ２０５へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ２０６へ進む。

ステップＳ２０５では、制御モード判定器１０１ｂは、ステップＳ２０３と同様の条件判定を行う。ステップＳ２０５の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ２１０へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ２１１へ進む。

ステップＳ２０６では、制御モード判定器１０１ｂは、図７のステップＳ１０６と同様に、前述の第三範囲に対してSOC_L＜SOC＜SOC3の条件判定を行う。ステップＳ２０６の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ２１２へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ２０７へ進む。

ステップＳ２０７では、制御モード判定器１０１ｂは、図７のステップＳ１０４と同様に、前述の第二範囲に対してSOC2＜SOC＜SOC_Hの条件判定を行う。ステップＳ２０７の条件判定結果が真であれば（True）、ステップＳ２１２へ進み、偽であれば（False）、ステップＳ２１３へ進む。

ステップＳ２０３の条件判定結果が真である場合、ステップＳ２０８において、制御モード判定器１０１ｂは、制御モードの判定結果をMODE=1に設定し、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを充電側電圧制御モードに切り替える。

ステップＳ２０３の条件判定結果が偽である場合、ステップＳ２０９において、制御モード判定器１０１ｂは、制御モードの判定結果をMODE=4に設定し、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを待機モードに切り替える。

ステップＳ２０５の条件判定結果が真である場合、ステップＳ２１０において、制御モード判定器１０１ｂは、制御モードの判定結果をMODE=5に設定し、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを放電側電圧制御モードに切り替える。この放電側電圧制御モードでは、放電側電圧制御器１０９を有効化し、充電側電圧制御器１０３、充電率制御器１０４、整流器サポート演算器１０５をリセットする。これにより、コントローラ１００ｂにおいて、放電側電圧制御器１０９からの電圧指令値に応じて電力変換器２の動作を制御し、蓄電池盤３を放電させることで、き電線電圧V_LINEの安定化を行うようにする。

ステップＳ２０５の条件判定結果が偽である場合、ステップＳ２１１において、制御モード判定器１０１ｂは、制御モードの判定結果をMODE=4に設定し、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを待機モードに切り替える。

ステップＳ２０６またはステップＳ２０７の条件判定結果が真である場合、ステップＳ２１２において、制御モード判定器１０１ｂは、制御モードの判定結果をMODE=3に設定し、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを充電率制御モードに切り替える。

ステップＳ２０７の条件判定結果が偽である場合、ステップＳ２１３において、制御モード判定器１０１ｂは、制御モードの判定結果をMODE=4に設定し、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを待機モードに切り替える。

ステップＳ１０８～Ｓ１１３またはＳ２０８～Ｓ２１３のいずれかで制御モードの判定結果をMODE=1～5のいずれかに設定したら、ステップＳ２１４において、制御モード判定器１０１ｂは、次の演算トリガまで待機する。次の演算トリガを受信したらステップＳ２０１へ戻り、図１３の演算フローを再開する。これにより、図１３の演算フローに従った演算処理を所定の演算周期ごとに実行し、制御モードの判定を行う。

上記の制御モード判定を制御モード判定器１０１ｂにおいて実施することにより、整流システム５０ｂが正常に動作している場合は、第１の実施形態で説明した図８の動作マップが電力貯蔵装置１ｂにおいて実現される。一方、整流システム５０ｂが運転を停止している場合は、図１４の動作マップが電力貯蔵装置１ｂにおいて実現される。ここで、図１４の横軸は充電率SOC、縦軸はき電線電圧V_LINEをそれぞれ表し、太線は充電開始電圧V_ABSと放電開始電圧V_DISCを示している。また、充電率SOCが運用下限値SOC_L、所定値SOC3、所定値SOC2および運用上限値SOC_Hとなる位置を一点破線でそれぞれ示している。これらの一点鎖線と充電開始電圧V_ABS、放電開始電圧V_DISCで区切られた各領域により、電力貯蔵装置１ｂの各制御モードが定義される。図１４では、各領域に対応する制御モードを、変数MODEの値でそれぞれ示している。

上記のように、本実施形態によれば、サイリスタ整流器５２によりき電される直流き電システム３０において、電力貯蔵装置１ｂの蓄電要素である蓄電池盤３を余剰回生電力の充電に備えてあらかじめ放電しておくことができる。また、余剰回生電力が発生した場合には、き電線７０より吸収した回生電力を蓄電池盤３に充電しておき、鉄道車両８０の力行時には蓄電池盤３に蓄積された電力を放電することで、余剰回生電力の有効活用を実現することができる。さらに、蓄電池盤３の放電時には、整流器サポート演算器１０５が有する可変リミッタ１０５３の機能により、充電率SOCに応じて放電電流を制限することができる。これにより、蓄電池盤３の過放電を回避するとともに、き電回路への急峻な擾乱も回避することができる。これら第１の実施形態と同様の効果に加えて、さらに、整流システム５０が動作している場合と停止している場合とで電力貯蔵装置１ｂの制御モードを切り替えることで、整流システム５０ｂの運転停止時においても、蓄電池盤３の放電によりき電線電圧の過度な低下を抑制することができる。これにより、き電線電圧の安定化により一層寄与することができる。

また、本発明の第２の実施形態によれば、整流システム５０ｂが動作している場合に（ステップＳ２０１：True）、コントローラ１００ｂは、第１の実施形態と同様に電力変換器２の制御を行う。また、整流システム５０ｂが停止している場合に（ステップＳ２０１：False）、コントローラ１００ｂは、き電線７０の電圧V_LINEが充電開始電圧V_ABSより大きく（ステップＳ２０２：True）、かつ蓄電池盤３の充電率SOCが運用範囲内にある場合（ステップＳ２０３：True）、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを充電側電圧制御モードに設定することで（ステップＳ２０８：MODE=1）、蓄電池盤３を充電してき電線７０の電圧V_LINEを充電開始電圧V_ABSに近づけるように、電力変換器２ｂに充電運転を実行させる。一方、き電線７０の電圧V_LINEが充電開始電圧V_ABSよりも低い所定の放電開始電圧V_DISCより小さく（ステップＳ２０４：True）、かつ蓄電池盤３の充電率SOCが運用範囲内にある場合（ステップＳ２０５：True）、電力貯蔵装置１ｂの制御モードを放電側電圧制御モードに設定することで（ステップＳ２１０：MODE=5）、蓄電池盤３を放電してき電線７０の電圧V_LINEを放電開始電圧V_DISCに近づけるように、電力変換器２ｂに充電運転を実行させる。このようにしたので、直流き電システム３０における余剰回生電力の有効活用を図りつつ、整流システム５０ｂの運転停止時にはき電線電圧の安定化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、任意の構成要素を用いて実施可能である。また、各実施形態や変形例は任意に組み合わせて実施することも可能である。

上記の実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１，１ｂ：電力貯蔵装置
２：電力変換器
３：蓄電池盤
２１，２４：リアクトル
２２：コンデンサ
２３：アーム
２５，２７：電流検出器
２６：電圧検出器
３０：き電システム
３１：組電池
３２：バッテリーマネージメントユニット
４０：遮断器
４１：正極線
４２：負極線
５０，５０ｂ：整流システム
５１：変圧器
５２：サイリスタ整流器
６０：電流検出器
７０：き電線
７１：レール
８０：鉄道車両
１００，１００ａ，１００ｂ：制御回路（コントローラ）
１０１，１０１ｂ：制御モード判定器
１０２：充電開始電圧演算器
１０２ｂ：充放電開始電圧演算器
１０３：充電側電圧制御器
１０４：充電率制御器
１０５：整流器サポート演算器
１０６，１０６ｂ：加算器
１０７：電流制御器
１０９：放電側電圧制御器
１０５１：乗算器
１０５２：最大値算出器
１０５３：可変リミッタ
１０５４：最小値算出器
１０５５：切り替えスイッチ

Claims (11)

1. 充放電可能な蓄電要素と、
   前記蓄電要素とき電線の間で入出力される電力を双方向に変換して前記蓄電要素を充放電する電力変換器と、
   前記電力変換器の動作を制御し、前記蓄電要素を充電する充電運転または前記蓄電要素を放電する放電運転を前記電力変換器に実行させる制御回路と、を備え、
   前記き電線には、前記き電線に直流電流を出力可能な整流システムが接続されており、
   前記制御回路は、
   前記き電線の電圧が所定の充電開始電圧より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が所定の運用範囲内にある場合、前記蓄電要素を充電して前記き電線の電圧を前記充電開始電圧に近づけるように、前記電力変換器に前記充電運転を実行させ、
   前記き電線の電圧が前記充電開始電圧以下であり、かつ前記き電線に流れる電流が所定の電流閾値より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が第二の範囲内にある場合、前記蓄電要素を放電して前記整流システムとともに前記き電線に直流電流を出力するように、前記電力変換器に前記放電運転を実行させる、電力貯蔵装置。
2. 請求項１に記載の電力貯蔵装置であって、
   前記制御回路は、前記電力変換器および前記整流システムから前記き電線にそれぞれ出力される直流電流を合わせた総合電流の検出値を取得し、取得した前記総合電流の検出値に基づいて前記き電線に流れる電流を求める、電力貯蔵装置。
3. 請求項１に記載の電力貯蔵装置であって、
   前記制御回路は、前記電力変換器から前記き電線に出力される直流電流の検出値と、前記整流システムから前記き電線に出力される直流電流の検出値とを取得し、取得した各直流電流の検出値に基づいて前記き電線に流れる電流を求める、電力貯蔵装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電力貯蔵装置であって、
   前記制御回路は、前記電力変換器に前記放電運転を実行させる際に、前記蓄電要素の充電率および前記き電線に流れる電流に基づいて、前記電力変換器から前記き電線に出力される直流電流の大きさを制御する、電力貯蔵装置。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の電力貯蔵装置であって、
   前記制御回路は、
   前記き電線の電圧が前記充電開始電圧以下であり、かつ前記き電線に流れる電流が前記電流閾値以下であり、かつ前記蓄電要素の充電率が前記第二の範囲内にあるか、もしくは前記第二の範囲よりも低い第三の範囲内にある場合、または、
   前記き電線の電圧が前記充電開始電圧以下であり、かつ前記き電線に流れる電流が前記電流閾値より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が前記第三の範囲内にある場合、
   前記蓄電要素を充放電して前記蓄電要素の充電率を所定の目標値に近づけるように、前記電力変換器に前記充電運転または前記放電運転を実行させる、電力貯蔵装置。
6. 請求項１から３のいずれかに記載の電力貯蔵装置であって、
   前記制御回路は、
   前記蓄電要素を充電して前記き電線の電圧を前記充電開始電圧に近づけるように前記電力変換器を制御する第一の制御モードと、
   前記蓄電要素の充電率および前記き電線に流れる電流に基づいて放電電流指令を算出し、算出した前記放電電流指令に基づいて前記蓄電要素を放電するように前記電力変換器を制御する第二の制御モードと、
   前記蓄電要素を充放電して前記蓄電要素の充電率を所定の目標値に近づけるように前記電力変換器を制御する第三の制御モードと、
   前記電力変換器の動作を停止する第四の制御モードと、を有し、
   前記き電線の電圧、前記蓄電要素の充電率および前記き電線に流れる電流の少なくとも一つに基づいて、前記第一の制御モード、前記第二の制御モード、前記第三の制御モードまたは前記第四の制御モードのいずれかを選択する、電力貯蔵装置。
7. 請求項１から３のいずれかに記載の電力貯蔵装置であって、
   前記制御回路は、前記整流システムの運転状態を取得し、前記整流システムが動作している場合と停止している場合とで前記電力変換器の制御を切り替える、電力貯蔵装置。
8. 請求項７に記載の電力貯蔵装置であって、
   前記整流システムが動作している場合に、前記制御回路は、
   前記き電線の電圧が前記充電開始電圧より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が前記運用範囲内にある場合、前記蓄電要素を充電して前記き電線の電圧を前記充電開始電圧に近づけるように、前記電力変換器に前記充電運転を実行させ、
   前記き電線の電圧が前記充電開始電圧以下であり、かつ前記き電線に流れる電流が前記電流閾値より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が前記第二の範囲内にある場合、前記蓄電要素を放電して前記整流システムとともに前記き電線に直流電流を出力するように、前記電力変換器に前記放電運転を実行させ、
   前記整流システムが停止している場合に、前記制御回路は、
   前記き電線の電圧が前記充電開始電圧より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が前記運用範囲内にある場合、前記蓄電要素を充電して前記き電線の電圧を前記充電開始電圧に近づけるように、前記電力変換器に前記充電運転を実行させ、
   前記き電線の電圧が前記充電開始電圧よりも低い所定の放電開始電圧より小さく、かつ前記蓄電要素の充電率が前記運用範囲内にある場合、前記蓄電要素を放電して前記き電線の電圧を前記放電開始電圧に近づけるように、前記電力変換器に前記放電運転を実行させる、電力貯蔵装置。
9. 請求項１から３のいずれかに記載の電力貯蔵装置であって、
   前記第二の範囲の下限値は、前記蓄電要素の充電率で10％から40％の間に設定される、電力貯蔵装置。
10. 請求項１から３のいずれかに記載の電力貯蔵装置であって、
    前記充電開始電圧は、前記整流システムの無負荷時出力電圧よりも高い値に設定される、電力貯蔵装置。
11. 充放電可能な蓄電要素とき電線の間で入出力される電力を双方向に変換して前記蓄電要素を充放電する電力変換器の動作を制御することで、前記蓄電要素に貯蔵される電力を制御する方法であって、
    前記き電線には、前記き電線に直流電流を出力可能な整流システムが接続されており、
    前記き電線の電圧が所定の充電開始電圧より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が所定の運用範囲内にある場合、前記蓄電要素を充電して前記き電線の電圧を前記充電開始電圧に近づけるように、前記電力変換器の動作を制御し、
    前記き電線の電圧が前記充電開始電圧以下であり、かつ前記き電線に流れる電流が所定の電流閾値より大きく、かつ前記蓄電要素の充電率が第二の範囲内にある場合、前記蓄電要素を放電して前記整流システムとともに前記き電線に直流電流を出力するように、前記電力変換器の動作を制御する、電力貯蔵制御方法。

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