JP2024068930A - 電気車及び鉄道システム - Google Patents

Abstract

【課題】 運用コストを低く抑えることが可能な電気車及び鉄道システムを提供する。【解決手段】 一実施形態に係る電気車６は、架線４から供給される系統電力の電圧値を所定の電圧値に変換して出力する第１電力変換器８と、第１電力変換器８の出力電力の電圧値を所定の電圧値に変換して電動機１１に出力する第２電力変換器１０と、第１電力変換器８の出力電力の電圧値を所定の電圧値に変換して補機１３に出力する第３電力変換器１２と、第１電力変換器８の出力電力により充電され、第２電力変換器１０及び第３電力変換器１２の出力電力が第１電力変換器８の出力可能電力の上限を超過するときに放電される蓄電池９と、を備え、第１電力変換器８の最大出力可能電力は、第２電力変換器１０の最大出力可能電力より小さく、第３電力変換器１２の最大出力電力以上である。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、電気車及び鉄道システムに関する。

従来、電気車は直流変電所から饋電回路を通じて電力供給を受け、車両を加速させ、補機に対して電力供給を行っていた。一方、架線から走行に要する電力を短時間に大きなパワーで取得するため、架線に流れる電流が大きくなり、饋電回路の抵抗（架線・饋電線・レール）による電圧降下で、変電所中間の受電電圧が低下してしまう。この最低受電電圧が、列車が健全に走行可能な電圧を維持できるように変電所の間隔が設定されているのが現状である。例えばＤＣ１５００Ｖの電気鉄道であれば３～１０ｋｍ間隔で変電所が設置されている。

特許第６９３４０１８号公報 特許第６７５３８０９号公報

路線長が長い線区では、架線を所定電圧以上に保つために多くの変電所を配置する必要があるため、変電所のメンテナンスコストや、変電所の更新コストを低く抑えることが難しかった。
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、運用コストを低く抑えることが可能な電気車及び鉄道システムを提供することである。

一実施形態に係る電気車は、架線と一次側を接続し、前記架線から供給される系統電力の電圧値を所定の電圧値に変換して出力する第１電力変換器と、前記第１電力変換器の二次側に接続され、前記第１電力変換器の出力電力の電圧値を所定の電圧値に変換して第１負荷に出力する第２電力変換器と、前記第１電力変換器の二次側に接続され、前記第１電直変換器の出力電力の電圧値を所定の電圧値に変換して第２負荷に出力する第３電力変換器と、前記第１電力変換器の二次側に接続され、前記第１電力変換器の出力電力により充電され、前記第２電力変換器及び前記第３電力変換器の出力電力が前記第１電力変換器の出力可能電力の上限を超過するときに放電される蓄電池と、を備え、前記第１電力変換器の最大出力可能電力は、前記第２電力変換器の最大出力可能電力より小さく、前記第３電力変換器の最大出力電力以上である。

図１は、一実施形態に係る電気車を含む鉄道システムの一構成例を概略的に示す図である。 図２は、一実施形態に係る電気車の第１電力変換器の構成の一例を示すブロック図である。 図３は、一実施形態に係る電気車の走行ルートにおける勾配と蓄電池の目標ＳＯＣの関係を示す図である。

以下、実施形態に係る電気車及び鉄道システムについて図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明に用いる図面において、各部の縮尺は適宜変更されている。また、以下の実施形態の説明に用いる図面において、説明のために構成を適宜省略している場合がある。

図１は、一実施形態に係る鉄道システムを含む電気車の一構成例を概略的に示す図である。
図１に示す鉄道システム１は、架線からの受電電力を制限することで、架線電圧降下を抑制し、直流饋電回路内の直流変電所間隔を延長するシステムであって、直流変電所３と、架線４と、レール５と、電気車６と、を備える。

直流変電所３は、交流系統２と電気的に接続され、交流系統２からの三相交流電力を受電する。また、直流変電所３は、架線（直流架線）４電気的に接続され、交流系統２から受電した三相交流電力を直流電力に変換して、架線４に送電する。なお、直流変電所３は、レール５と電気的に接続されて接地されている。図１では、直流変電所３が所定間隔に２箇所配置しているが、他に図示しない複数台の直流変電所３が所定間隔ごとに並んで配置されている。なお、本実施形態では、直流変電所３が配置された間隔は、１０ｋｍ以上とする。

電気車６は、第１接触器７と、第１電力変換器８と、蓄電池９と、第２電力変換器１０と、電動機１１（第１負荷）と、第３電力変換器１２と、補機１３（第２負荷）と、制御装置１４と、車輪１５と、を備える。電気車６は、パンタグラフを介して、架線４から直流電力を受電する。

第１接触器７は、パンタグラフと第１電力変換器８との間に配置されている。第１接触器７は、閉路（投入）することにより、第１電力変換器８とパンタグラフとを電気的に接続し、回路（開放）することにより第１電力変換器８とパンタグラフとを電気的に遮断する。第１接触器７は、制御装置１４からの投入指令に基づいて、投入と開放とを切り換える。

第１電力変換器８の一次側は、第１接触器７を介してパンタグラフと電気的に接続されている。また、第１電力変換器８の一次側は、車輪１５およびレール５を介して接地されている。第１電力変換器８は、パンタグラフから供給される直流電力を第１電力変換器８は、系統電力の電圧を所定の電圧に変換して変換後の電力を、直流リンク（第１電力変換器８の二次側の直流主回路）を介して蓄電池９と、第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、に出力する。

蓄電池９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９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９は、第１電力変換器８の二次側（直流リンク）と電気的に接続され、当該第１電力変換器８の出力電力により充電される。蓄電池９は、第２電力変換器１０を介して供給される電動機１１からの回生電力によっても充電される。蓄電池９は、直流リンクを介して第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、に充電電力を放電する。なお、蓄電池９の充電及び放電は、同時に行われてもいいし、交互に行われてもよい。蓄電池９の動作は、後述する制御装置１４により制御される。

蓄電池９は、詳細を後述する制御装置１４により、ＳＯＣ（State of Charge）を監視され、第１電力変換器８の出力電力を充電する期間、第２電力変換器１０と第３電力変換器１２への充電電力の放電開始タイミング及び放電終了タイミング及び第２電力変換器１０と第３電力変換器１２に放電する電力量の配分等を制御される。
なお、蓄電池９は、例えば図示しない電流センサにより計測される蓄電池９の充放電電流の値と、図示しない電圧センサにより計測される蓄電池９の電圧値とを用いてＳＯＣを算出する回路を含み、算出したＳＯＣ値を周期的に制御装置１４に送信する。

第２電力変換器１０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り、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２電力変換器１０は、変換した交流電力を電動機１１に供給する。

第２電力変換器１０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。第２電力変換器１０は、例えば、３つのレグを備え、各レグは、それぞれ蓄電池９と並列に接続されている。各レグは、制御装置１４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し、互いに位相の異なる交流電力を電動機１１に供給する。

電動機１１は、第２電力変換器１０から供給される交流電力によって回転軸を回転駆動させる。電動機１１は、例えば、三相式の永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）であって、第２電力変換器１０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１１は、第２電力変換器１０から供給された三相交流電力に応じて動作し、機械的な動力を生成する。第２電力変換器１０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１１の軸が回転すると、電動機１１の軸に連結されたギアなどを介して、電気車６の車輪１５に駆動力が伝達し、電気車６が力行する。

第３電力変換器１２は、例えば、補助電源装置であり、直流リンクから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３電力変換器１２は、変換した交流電力を補機１３に供給する。補機１３は、例えば、空調、コンプレッサ、照明又は車内ディスプレイなどである。なお、第１電力変換器８と、第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、にＳｉｃ－ＭＯＳＦＥＴを採用することで上記変換器の小型化をしてもよい。第１電力変換器８に限っては、インバータ回路の出力を高周波化することで変圧器２０を小型化することが可能である。

また、第２電力変換器１０を電気車６の編成内に複数搭載し、第３電力変換器１２が故障した際に、複数のうちの少なくとも１つの第２電力変換器１０を補機１３に接続することで、補機１３に必要な電力を供給するよう構成されたシステムであってもよい。

制御装置１４は、第１電力変換器８と、第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、蓄電池９と、にそれぞれ相互通信可能に接続されている。制御装置１４は、例えば、第１電力変換器８に対する制御装置と、第２電力変換器１０に対する制御装置と、第３電力変換器１２に対する制御装置と、が配置され、上記３つの制御装置間で相互通信をすることでデータを送受信する構成であってもよい。

制御装置１４は、蓄電池９の電流センサ及び電圧センサから蓄電池９のＳＯＣを取得し、当該蓄電池９のＳＯＣに応じて、第１電力変換器８の出力電力の出力先を制御する。例えば、制御装置１４は、蓄電池９のＳＯＣが目標ＳＯＣ未満である場合、第１電力変換器８の出力電力の出力先が蓄電池９と、第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、になるように制御信号を生成し、第１電力変換器８へ出力する。一方、制御装置１４は、蓄電池９のＳＯＣが目標ＳＯＣ以上である場合、第１電力変換器８の出力電力の出力先が第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、になるように制御信号を生成し、第１電力変換器８へ出力する。なお、制御装置１４は、蓄電池９のＳＯＣが目標ＳＯＣ以上である場合であっても、第１電力変換器８の出力電力の出力先を、蓄電池９と、第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、なるように制御してもよく、例えば、蓄電池９に出力する電力を減少させる等の制御をしてもよい。

制御装置１４は、電気車６の車両速度と、電気車６の運転台からの動作指令と、に基づいて、第２電力変換器１０への制御信号を生成し、出力する。なお、制御装置１４は、電動機１１の軸の回転を検出する側で検出手段等から、電動機１１の軸の回転速度を取得し、電気車６の車両速度を算出する。

制御装置１４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、制御装置１４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。

図２は、一実施形態に係る電気車の第１電力変換器の構成の一例を示すブロック図である。
第１電力変換器８は、第１フィルタリアクトル１６と、第１フィルタコンデンサ１７と、第１フルブリッジインバータ回路１８と、交流リアクトル１９と、変圧器２０と、第２フルブリッジインバータ回路２１と、第２フィルタコンデンサ２２と、第２フィルタリアクトル２３と、ヒューズ２４と、第２接触器２５と、を備える。第１電力変換器８は、例えば、ＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式を適用したＤＣ／ＤＣコンバータであり、最大出力電力は小さく、長時間負荷電力を供給する仕様となる。

本実施形態に係る第１電力変換器８は、高負荷な状態を長時間にわたり持続的に継続することから、ＤＡＢ回路のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を実現しやすい特徴を有し、第１電力変換器８の発熱低減、更には第１電力変換器８を小型化することが可能になる。

第１フィルタリアクトル１６は、パンタグラフと、第１フルブリッジインバータ回路１８と、第１フィルタコンデンサ１７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１７は、第１フィルタリアクトル１６からみて第１フルブリッジインバータ回路１８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１７の高圧側端子は、第１フィルタリアクトル１６及び第１フルブリッジインバータ回路１８に接続されている。第１フィルタコンデンサ１７の低圧側端子は、第１フルブリッジインバータ回路１８に接続されている。また、第１フィルタコンデンサ１７の低圧端子側は、アースとしてレール５に車輪１５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１７は、第１フィルタリアクトル１６などを介してパンタグラフから供給された電力を平滑し、第１フルブリッジインバータ回路１８に供給する。

第１フルブリッジインバータ回路１８は、第１フィルタコンデンサ１７と並列に接続され、第１フルブリッジインバータ回路１８の低圧側端子は、アースとしてのレール５に車輪１５などを介して電気的に接続されている。
交流リアクトル１９は、第１フルブリッジインバータ回路１８と接続されている。交流リアクトル１９は、変圧器２０の漏れインダクタンスで代用し省略してもよい。

変圧器２０は、一次側が交流リアクトル１９と、第１フルブリッジインバータ回路１８に接続され、二次側が第２フルブリッジインバータ回路２１に接続されている。変圧器２０は、絶縁型変圧器であり、一次側電圧を降圧し、一次側電圧よりも二次側電圧が小さくなることで、変圧器２０の二次側に接続される機器の絶縁耐性を下げることが可能になり、結果として当該機器全体の小型化をすることが可能になる。

第２フルブリッジインバータ回路２１は、第２フィルタコンデンサ２２と並列に接続されている。第１フルブリッジインバータ回路１８と、第２フルブリッジインバータ回路２１は、それぞれ４つのスイッチ素子をもち、制御装置１４からの制御信号に基づいて、スイッチ素子が制御される。

第２フィルタリアクトル２３は、第２フルブリッジインバータ回路２１と、ヒューズ２４と、第２フィルタコンデンサ２２の接続点と、の間に接続されている。第２フィルタリアクトル２３は、第２電力変換器１０、第３電力変換器１２及び蓄電池９への高調波の影響がなければ省略可能である。
第２接触器２５は、第２フィルタリアクトル２３と接続され、第１電力変換器８を解放する。

次に、電気車６の動作を説明する。電気車６は、架線４から受電した電力を第１電力変換器８で所定の電圧値へと変換し、変換後の出力電力を蓄電池９と、第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、に供給する。第２電力変換器１０が、電動機１１を動作させるのに必要な出力電力と、第３電力変換器１２が、補機１３を動作させるのに必要な出力電力と、の合計出力電力が第１電力変換器８の出力可能電力の上限を下回る場合、蓄電池９は、充電される。

一方で、第２電力変換器１０が、電動機１１を動作させるのに必要な出力電力と、第３電力変換器１２が、補機１３を動作させるのに必要な出力電力と、の合計出力電力が第１電力変換器８の出力可能電力の上限を超過する場合、蓄電池９は、必要な分の電力を第２電力変換器１０若しくは第３電力変換器１２の少なくとも一方に放電する。

なお、本実施形態に係る電気車６が備える第１電力変換器８の出力電力の最大値は、第２電力変換器１０の出力電力の最大値より小さく、第３電力変換器１２の出力電力の最大値以上である。また、上記蓄電池９の充放電動作は、制御装置１４が、第１電力変換器８と、第２電力変換器１０と、第３電力変換器１２と、における出力電力に基づいて制御する構成であってもよい。

図３は、一実施形態に係る電気車の走行ルートにおける勾配と蓄電池の目標ＳＯＣの関係を示す図である。
図３において、線Ｅは、電気車６の位置情報における標高を示しており、線ＴＣは、電気車６の現在の位置情報における目標ＳＯＣを示している。なお、電気車６の現在の位置情報における標高等は、予めデータベースに記憶されており、任意のタイミングで取得が可能である。また、標高に対して必要な目標ＳＯＣは、周囲の環境や標高等に基づいて予めデータベースにて設定され、記憶されているものとする。図３によれば、上り勾配である場合には、徐々に目標ＳＯＣが下がっていく一方で、下り勾配である場合には、徐々に目標ＳＯＣが上がっていくのが分かる。

制御装置１４は、外部から現在の電気車６の位置情報と、標高と、蓄電池９のＳＯＣと、を取得する。制御装置１４は、電気車６の現在の標高に対する目標ＳＯＣを取得し、蓄電池９のＳＯＣと比較する。

制御装置１４は、蓄電池９のＳＯＣが標高に基づく目標ＳＯＣを下回っている場合、第１電力変換器８の出力電力によって蓄電池９を充電するよう制御する。制御装置１４は、蓄電池９のＳＯＣが標高に基づく目標ＳＯＣを上回っている場合、第１電力変換器８の出力電力による蓄電池９の充電を停止、若しくは第１電力変換器８が蓄電池９に出力する電力を減らす等の制御をする。なお、目標ＳＯＣは、標高によらず一定の閾値として予め設定されていてもよい。

本実施形態に係る電気車６によれば、当該電気車６の力行時に大電力を架線４から受電することなく蓄電池９で不足分を補うことにより、架線４からの電気車６へ供給される電力を制限している。この際に、第１電力変換器８は、第３電力変換器１２に対する電力供給や蓄電池９の回復充電のために架線４から一定の電力を受電し続ける。このため、短時間に大きな電力を消費する第２電力変換器１０に対し、第１電力変換器８は、長時間小さな電力を架線４から受電する負荷として機能し、架線４を含む饋電回路から電気車６へ流れる電流を低減することで架線４の電圧降下を防ぐことができる。その結果、直流変電所３が配置される間隔を延長することが可能になり、変電の受電設備、スイッチギヤ、整流器設備、保護リレーなどのメンテナンスコストや、変電所設備の更新コストを低く抑えることができる。

本実施形態に係る電気車６では、架線４からの受電電力を制限することで、架線４の電圧降下を抑制し、変電所間隔の延長を可能にするものであるが、直流変電所３の送り出し電圧を上げることで、直流変電所３の間隔を更に延長してもよい。

例えば、ＤＣ１５００Ｖ饋電の場合、６％電圧変動率で１５９０Ｖ、８％電圧変動率で１６２０Ｖの送り出し電圧を直流変電所３が有していた場合、これを最大１８００Ｖ程度まで上昇させてもよい。１８００Ｖに高圧化した場合、蓄電池９に充電することで回生失効する電力を吸収することが可能である。

本実施形態に係る鉄道システム１では、２つの直流変電所３の間に電気車６が１台ある構成になっているが、実際には、複数の直流変電所３間に複数の電気車６がある構成になっている。電気車６が直流変電所３間に複数存在する場合、第１電力変換器８は、架線４の電圧低下に基づいて、第１電力変換器８が架線４から受電する系統電力の最大値を低下させる特性をもつ構成であってもよい。これにより架線４の電圧低下と共に架線４からの受電電力は低下するため、最低パンダ点電圧の維持が可能になる。

上記のように、本実施形態の電気車及び鉄道システムによれば、運用コストを低く抑えることができる。

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
２…交流系統
３…直流変電所
４…架線
５…レール
６…電気車
７…第１接触器
８…第１電力変換器
９…蓄電池
１０…第２電力変換器
１１…電動機
１２…第３電力変換器
１３…補機
１４…制御装置
１５…車輪
１６…第１フィルタリアクトル
１７…第１フィルタコンデンサ
１８…第１フルブリッジインバータ回路
１９…交流リアクトル
２０…変圧器
２１…第２フルブリッジインバータ回路
２２…第２フィルタコンデンサ
２３…第２フィルタリアクトル
２４…ヒューズ
２５…第２接触器

Claims (4)

1. 一次側が架線と接続され、前記架線から供給される系統電力の電圧を所定の電圧に変換して二次側へ出力する第１電力変換器と、
   前記第１電力変換器の二次側に接続され、前記第１電力変換器の出力電力の電圧値を所定の電圧値に変換して第１負荷に出力する第２電力変換器と、
   前記第１電力変換器の二次側に接続され、前記第１電力変換器の出力電力の電圧値を所定の電圧値に変換して第２負荷に出力する第３電力変換器と、
   前記第１電力変換器の二次側に接続され、前記第１電力変換器の出力電力により充電され、前記第２電力変換器及び前記第３電力変換器の出力電力が前記第１電力変換器の出力可能電力の上限を超過するときに放電される蓄電池と、を備え、
   前記第１電力変換器の最大出力可能電力は、前記第２電力変換器の最大出力可能電力より小さく、前記第３電力変換器の最大出力電力以上である、電気車。
2. 前記電気車の位置エネルギーに基づいて、前記第１電力変換器が前記蓄電池に出力する前記系統電力を制御する制御装置と、を更に備えた、
   請求項１記載の電気車。
3. 前記制御装置は、
   前記蓄電池の充電率が目標値を下回っている場合、前記第１電力変換器の出力電力の出力先が前記蓄電池と、前記第２電力変換器と、前記第３電力変換器と、になるように制御信号を生成し、
   前記蓄電池の充電率が目標値を上回っている場合、前記第１電力変換器の出力電力の出力先が前記第２電力変換器と、前記第３電力変換器と、になるように制御信号を生成する、
   請求項２記載の電気車。
4. 架線に直流電力を供給する直流変電所と、
   請求項１に記載の電気車と、
   を備える鉄道システム。