JP3669667B2

JP3669667B2 - 電気鉄道給電システム及び電気車

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Publication number: JP3669667B2
Application number: JP16726698A
Authority: JP
Inventors: 廸夫岡村; 講治宮坂
Original assignee: Mitsui and Co Ltd
Current assignee: Mitsui and Co Ltd
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2018-06-15
Also published as: JP2000004507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送電線より変電所で受電しき電系統を介して電気車の電動機に駆動電力を給電し走行制御を行う電気鉄道給電システム及び電気車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道の消費電力は、電車の走行状況に応じて大幅に変化することは良く知られている。電車が加速する際には、その加速度と速度の増加に伴ってモーターの消費電力が増加し、最大速度前の最大加速時にモーターは最大出力を発生し、消費電力も最大となる。
【０００３】
しかし、電車の走行時間全体に対し、モーターがトルクを発生し電力を消費している力行区間の割合は小さく、消費電力を平均すると最大出力時の数分の１にも満たないのが通例である。
【０００４】
これまでの電気鉄道では、給電設備として、電車が力行している状態での消費電力が、走行中の列車数によって重畳されるのを算定し、その総和あるいは統計的ピーク値に相当する容量の設備を備えるのが通常であった。しかも、そこに送電系統に生じる過渡特性などへの余裕度を持たせている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、電気鉄道用の変電所、変圧器、整流器あるいはインバータなどの電力機器は、尖頭負荷に強い特別な設計をしたものが用いられている。また、電力会社との契約も当然その最大電力に見合ったものとなり、実際に必要とする電気エネルギーに対して遙に大きな電力設備を備えることが不可欠であった。
【０００６】
上記の問題は、あまりにも顕著なため、今日のようなエネルギー、環境、温暖化などの問題が提起される以前に早くから認識されるところであった。その解決法の研究の１つとしてフライホィール式の蓄電装置が試作され、１９８８年から京浜急行電鉄逗子線を対象として実用運転が行われている。
【０００７】
この装置は、フライホィール重量１３．７ｔｏｎ、外径１４４５ｍｍ、最高回転数３１５０ｒｐｍ、蓄勢エネルギー約２５ｋＷｈ、電圧９３６Ｖ三相で、蓄勢時１８００ｋＷ（５０ｓｅｃ）、放勢時３０００ｋＷ（３０ｓｅｃ）の出力を有している。
【０００８】
フライホィールの破壊に備えて外周には、防護壁が設置されており、全体は通風ダクトとともにヘリウム容器として構成されている。軸受けには、振動抑制効果の大きい油膜軸受けを採用しているため、潤滑油供給装置、冷却器、オイルリフト装置、異常時に給油を行うアキュムレータを設けている。
【０００９】
機器本体の冷却媒体に風損と循環するガスの圧力損失の点からヘリウムガスを用い、機器を冷却したガスは遠心式ブロアによってガス冷却器に送られ、クーリングタワーからの冷却水によって冷やされる。油冷却器７２ｋＷ、ガス冷却器９０ｋＷ、クーリングタワー１７０ｋＷを備えた。
【００１０】
１日の運転での効率（ｋＷｈ当たり）は、約５０％で、入出力の効率（ｋＷｈ当たり）は、約７５％である。損失はおもに油膜軸受けの損失や待機損失である。装置として、蓄電部だけでも、４５ｍ³程度の体積容量、１５ｍ²程度の敷設スペース、３０ｔｏｎ程度の重量になする。しかも、フライホィールによる発電は、その回転数が大幅に変化するため発生する交流の周波数が変わるので、かなり複雑で大型の変換機が必要になる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、加減速による負荷の大幅な変動を賄い樹電電力の尖頭値を低減し、電力の有効な利用、設備のコンパクト化、設備コストの低減を図るものである。
【００１２】
そのために本発明は、変電所からき電系統を介して電気車の電動機に駆動電力を給電し走行制御を行う電気鉄道給電システムにおいて、満充電になると充電電流をバイパスする並列モニタを備えた複数のキャパシタを直並列に接続して組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクと、前記変電所の給電電力により前記キャパシタ・バンクを充電し電気エネルギーを蓄える充電手段と、前記キャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギーを駆動電力として前記電動機に放電し給電すると共に、前記電動機の回生電力を前記キャパシタ・バンクに充電し蓄える出力制御手段とを備え、前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクは、前記変電所の給電電力により充電される第１のキャパシタブロックと、前記第１のキャパシタブロックに蓄えられた電気エネルギーにより充電されると共に前記出力制御手段に接続されて前記電動機に放電し前記電動機の回生電力により充電され前記第１のキャパシタブロックより内部抵抗の低い第２のキャパシタブロックからなり、前記充電手段は、前記変電所の給電電力により前記第１のキャパシタブロックを充電する第１の充電手段と、前記第１のキャパシタブロックに蓄えられた電気エネルギーにより前記第２のキャパシタブロックを充電する第２の充電手段からなり、前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記変電所の給電電力とを併せて前記電動機の駆動電力とするように構成したことを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクは、２つのキャパシタ・バンクをユニットとして、複数のユニットを多段に接続し、蓄えられた電気エネルギーの量に応じて各ユニット毎に２つのキャパシタ・バンクの直列接続と並列接続の切り換えを行い、前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記変電所の給電電力とを併せて前記電動機の駆動電力とするように構成したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクは、定格電圧に充放電されるメインキャパシタ・バンクと電圧の許容変動幅で充放電されるサブキャパシタ・バンクからなり、蓄えられた電気エネルギーの量に応じて前記サブキャパシタ・バンクを前記メインキャパシタ・バンクに直列接続又は接続の切り離しを行い、前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記変電所の給電電力とを併せて前記電動機の駆動電力とするように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る電気鉄道給電システムの実施の形態を示す図であり、１は変電所、２はき電回路、３は電気車、４は変圧器、５は充電回路、６はキャパシタ・バンク、７は出力制御回路、８は走行制御回路、９は電動機を示す。
【００１６】
図１において、変電所１は、送電線より電力を受電するものであり、き電回路２は、変電所１よりトロリー線、き電線、パンタグラフなどを介して電気車３に駆動電力を給電するき電系統である。本発明に係る電気鉄道給電システムでは、直流式の電気車も交流式の電気車も同じであるが、以下に交流式で説明する。電気車３において、キャパシタ・バンク６は、例えば電気二重層コンデンサなどの複数のキャパシタを直列、さらにそれらを並列（直並列）に接続した複数のバンクからなり、電気エネルギーを蓄えて駆動電力とするものである。充電回路５は、１次側がき電回路２に接続された変圧器４の２次側出力により、送電線から受電した変電所からの電力に基づき、キャパシタ・バンク６に充電し電気エネルギーを蓄えるものである。出力制御回路７は、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ、交流スイッチなどからなり、キャパシタ・バンク６に蓄えられた電気エネルギーを放電して駆動電力として電動機９に給電すると共に、電動機９の回生電力をキャパシタ・バンク６に充電し蓄えるものである。走行制御回路８は、運転指令に従って電動機９の駆動を制御することにより、電気車３の走行制御を行うものである。このように変電所１から、あるいは負荷である電動機９からキャパシタ・バンク６に電気エネルギーを蓄積し、これを電気車３が力行するときにそのための駆動電力として供給するので、加速時の大きな駆動電力を必要とする場合にも、それに見合った電力を送電線から取り込まなくてもキャパシタ・バンク６に蓄積した電気エネルギーで賄うことができる。したがって、変電所１側から見ると負荷平準化装置として働く。
【００１７】
図２は本発明に係る電気鉄道給電システムの実施の形態を示す図であり、１１は負荷制御装置、１２は整流部、１３はインバータ、１５は負荷平準化装置、１６は充電回路、１６はキャパシタ・バンク、１７は出力制御回路を示す。
【００１８】
図２に示す実施の形態は、き電回路２に１次側が接続された変圧器４の２次側に整流部１２を接続し、インバータ１３を通して駆動電力を負荷に供給すると共に、これと並列に負荷平準化装置１５として充電回路１６、キャパシタ・バンク１７、出力制御回路１８を接続するものである。つまり、負荷平準化装置１５では、加速時に大きな駆動電力を一時的に必要とするとき、そのピーク分の電力を賄うので、電源側から見た負荷の平準化を行っている。
【００１９】
本発明に係る電気鉄道給電システムは、上記のようにキャパシタ・バンク６、１７に蓄えられた電気エネルギー又はその電気エネルギーと変電所１からの電力とを併せて電気車３の電動機９の駆動電力とするものである。しかも、キャパシタ・バンクを構成する電気二重層コンデンサは、鉛電池やニッケル・カドミウム電池のような充電に時間がかかる化学電池と比較して、他のキャパシタと同様に物理的な充電により急速充電が可能になる。また、化学電池は、定電圧デバイスであり、正常な動作範囲では負荷に給電してもその電池に蓄えられたエネルギー量にかかわらず、端子電圧はほぼ一定の定電圧特性を示すのに対して、電気二重層コンデンサの電池は、大量にエネルギーが貯蔵できるという化学電池にない大きなメリットを有している。しかし、電気二重層コンデンサの電池は、電力の貯蔵量を多くしてそれを有効に利用しようとすると、Ｑ＝ＣＶ²／２の関係に基づいて端子電圧が大きく変動する特性を持っている。そのため、放電に伴い蓄積されたエネルギー量により端子電圧が満充電電圧からゼロまで大きく変化し、負荷に安定した定格電圧を供給するには、ＥＣＳ(Energy Capacitor System) で大幅な出力電圧の調整が必要になる。
【００２０】
ＥＣＳは、キャパシタと並列モニタと電流ポンプからなる電力エネルギー貯蔵システムとして既に各種文献（例えば電子技術、１９９４−１２、ｐ１〜３、電学論Ｂ、１１５巻５号、平成７年ｐ５０４〜６１０など）で紹介されている。ここで、並列モニタは、複数のキャパシタが直並列に接続されたキャパシタ・バンクの各キャパシタの端子間に接続され、キャパシタ・バンクの充電電圧が並列モニタの設定値を越えると充電電流をバイパスする装置である。
【００２１】
上記並列モニタを備えたキャパシタ・バンクは、充電する際にキャパシタ・バンクの充電電圧が設定値以上に上昇しないように充電電流をバイパスして一定に保つので、キャパシタ・バンク内のすべてのキャパシタは、設定された電圧まで均等に充電され、キャパシタの蓄積能力をほぼ１００パーセント発揮させることができる。したがって、並列モニタは、キャパシタの特性のバラツキや残留電荷の大小がある場合にも、最大電圧の均等化、逆流防止、充電終止電圧の検出と制御などを行い、耐電圧いっぱいまで使えるようにするものとして、きわめて大きな役割を持ち、エネルギー密度の有効利用の手段として不可欠な装置である。
【００２２】
次に、キャパシタ・バンクを有する負荷平準化装置の構成例を示す。図３は２種類のキャパシタブロックを用いて負荷応答を高めると同時に電力の蓄積容量を高めるようにした構成例を示す図であり、２１、２２は充電回路、２３はコンパレータ、Ａ、Ｂはキャパシタブロック、Ｖｒは基準電圧を示す。
【００２３】
図３において、キャパシタブロックＡは、負荷に接続され負荷に電力を直接供給する負荷給電用の電源であり、電力密度がそれほど高くないが、内部抵抗の低い大容量キャパシタが用いられる。キャパシタブロックＢは、キャパシタブロックＡを充電する電源であり、キャパシタブロックＡに比べて、内部抵抗はそれほど低くないが、電力容量の体積或いは重量に対する比が大きな大容量キャパシタが用いられる。充電回路２１は、電圧変換・整流してキャパシタブロックＢを充電する回路であり、インバータ等の電圧変換手段で構成してもよい。充電回路２２は、キャパシタブロックＢからキャパシタブロックＡを充電する回路であり、インバータ等の電圧変換手段で構成したものである。
【００２４】
コンパレータ２３は、キャパシタブロックＡの端子電圧と基準電圧Ｖｒとを比較して基準電圧Ｖｒが大きいと充電回路２２をオンにする信号を出力するものであり、抵抗Ｒ１、Ｒ２でキャパシタブロックＡの端子電圧を分圧して検出し、抵抗Ｒ３を介してコンパレータ２３に端子電圧の検出信号を入力している。なお、基準電圧Ｖｒは、キャパシタブロックＡの満充電レベルに設定される。キャパシタブロックＡの各キャパシタに充電制限回路（並列モニタ）を設けて満充電を検出するようにしてもよい。また、抵抗ｒは、電流検出用の抵抗であり、充電回路２２でこの抵抗ｒによって充電電流を検出し充電電流を一定に制御する。すなわち、充電回路２２では、コンパレータ２３の出力信号によってオン／オフし、抵抗ｒによる電流の検出によって充電電流の制御を行う。キャパシタブロックＢは、内部抵抗の大きな電源であり、大電流で充電すると、損失が大きくなるので、充電電流を制限することによって、損失を少なくする。
【００２５】
上記のように、必要な電源容量をキャパシタブロックＡ、キャパシタブロックＢからなる２つの電源部に分け、負荷等の条件によって異なるが、例えばキャパシタブロックＡに全容量の１／４、キャパシタブロックＢに残り容量３／４を持たせる。そして、可能な限りキャパシタブロックＡを満充電レベルに保つことによって、負荷は常に内部抵抗の低い電源（キャパシタブロックＡ）から、比較的一定の電圧の供給を受けることが可能になり、しかも、製造の容易な、内部抵抗の大きな電源（キャパシタブロックＢ）を多用するので、全体の体積や重量を小さくすることができる。
【００２６】
図４はメインキャパシタ・バンクにサブキャパシタ・バンクを直列接続又は接続の切り離しを行い電圧変動幅を小さくした構成例を示す図、図５は全放電状態から定電流充電し定電力放電完了までの各部の電圧推移の例を示す図、図６および図７はキャパシタの容量を変えて組み合わせた場合の電圧推移の例を示す図であり、図中、３１は充電回路、３２は出力制御回路、３３は負荷、Ｃ１〜Ｃ５はキャパシタ・バンク、Ｓ１〜Ｓ３はスイッチを示す。
【００２７】
図４において、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５は、電気エネルギー貯蔵用として、例えば電気二重層コンデンサのようなキャパシタ（単セル）を複数個用いることにより、それらを直列あるいはそれをさらに並列に接続したものであり、各キャパシタ、あるいはバンクには並列モニタが接続される。これらのうち、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３は、負荷の定格電圧の範囲で充放電されるメインキャパシタ・バンクであり、キャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５は、負荷電圧の変動幅許容範囲で充放電されるサブキャパシタ・バンクである。スイッチＳ１〜Ｓ３は、直列接続したメインキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３にさらに追加してサブキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５を段階的に直列接続したり、あるいは接続の切り離しをしたりするものである。
【００２８】
制御回路Ａ１は、直列接続したメインキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３における充放電状態（電圧）を検出し、その充放電状態に応じてスイッチＳ１〜Ｓ３を制御してサブキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５について接続又は接続の切り離しを行うものである。したがって、制御回路Ａ１によりスイッチＳ１〜Ｓ３のうち常にいずれか１つのみをオンにすることにより、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３だけの直列接続からキャパシタ・バンクＣ４、さらにはＣ５を加えた直列接続の状態まで、直列接続されるバンク数を段階的に切り換える。したがって、制御回路Ａ１では、３つの接続状態の切り換えを行うので、２つの検出レベルＥ₁、Ｅ₂（例えばＥ₁＜Ｅ₂）を有する。
【００２９】
充電回路３１は、電源より直列接続されたキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５に定電流充電するものであり、段階的にキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５の接続が切り離され、最終的にキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の直列回路が定格電圧まで充電されて充電を終了する。出力制御回路３２は、例えば既に知られた電流ホンプのようにキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５から負荷に供給する電流を制御、調節したり、負荷から逆に電流源（充電器）としてキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５を充電する、つまり負荷が発電機となる回生制動の場合の切り換えを行ったりするものである。したがって、出力制御回路３２としては、電子スイッチや、降圧チョッパ、昇圧チョッパ、その他のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられるが、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の接続切り換えの制御により、負荷から見て調整の必要のない範囲に電圧が安定化される場合には省くこともでき、本発明にとっては特に必要不可欠な構成要素というものではない。勿論、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の接続切り換えの制御により、電圧変動範囲が小さくなれば、これとコンバータを組み合わせることにより、コンバータを高効率に設計でき、電圧安定性の高い電源を実現することもできる。
【００３０】
充電動作について説明する。全放電からの充電は、図４（Ａ）に示すようにスイッチＳ３のみをオンにすることにより、全キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５を直列に接続した状態から開始する。つまり、制御回路Ａ１は、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧Ｖが第１の設定レベルＥ₁に達しないとスイッチＳ３のみをオンにする。充電を開始し、充電電圧Ｖが第１の設定レベルＥ₁まで上昇したことを制御回路Ａ１が検出すると、図４（Ｂ）に示すようにスイッチＳ３をオフにしてスイッチＳ２のみをオンにすることにより、キャパシタ・バンクＣ５を切り離してキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ４の直列接続とする。さらに充電電圧Ｖが上昇し、第２の設定レベルＥ₂に達した（越えた）ことを制御回路Ａ１が検出すると、図４（Ｃ）に示すようにスイッチＳ２をオフにしてスイッチＳ１のみをオンにすることにより、キャパシタ・バンクＣ４を切り離してキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の直列接続とする。そして、定格電圧まで充電すると、この状態が系としての満充電になる。
【００３１】
放電動作について説明する。満充電からの放電は、充電動作のときと逆に、図４（Ｃ）に示すようにスイッチＳ１のみをオンにすることにより、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の３つを直列に接続した状態から開始する。放電により電圧Ｖが低下し、第２の設定レベルＥ₂より低下したことを制御回路Ａ１が検出すると、図４（Ｂ）に示すようにスイッチＳ１をオフにしてスイッチＳ２のみをオンにすることにより、キャパシタ・バンクＣ４を直列に加える。さらに放電が進み、電圧Ｖが第１の設定レベルＥ₁より低下したことを制御回路Ａ１が検出すると、図４（Ａ）に示すようにスイッチＳ２をオフにしてスイッチＳ１のみをオンにすることにより、キャパシタ・バンクＣ５も直列に加える。このようにキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５を順次直列に加えていくことにより、出力電圧の低下を補っている。
【００３２】
系としての満充電の状態では、図４（Ｃ）に示すようにスイッチＳ１のみをオンにしキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の直列接続により定格電圧を取り出しているため、その上にキャパシタ・バンクＣ４＋Ｃ５の電圧が積み重なり、回路の内部で発生する最大電圧はその分大きくなる。このような図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す回路構成に対し、図４（Ｄ）に示す回路構成は、キャパシタ・バンクＣ４＋Ｃ５の電圧がキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の直列回路の電圧から差し引く極性で接続されるので、回路の内部で発生する最大電圧を低く抑えることができる。
【００３３】
充電から放電までの動作例をさらに説明する。
それぞれ同一の１０００Ｆ、１０Ｖ定格のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５を用いて充放電試験を行った例を示したのが図５である。ここで、制御回路Ａ１の設定レベルは、Ｅ₁＝１８Ｖ、およびＥ₂＝２２．５Ｖとし、充電器は３０Ａの定電流型を用い、電圧制限値を３０．５Ｖに定め、放電は５００Ｗの定電力負荷とした。
【００３４】
まず、基本的な全放電状態、つまり各キャパシタ・バンクの初期電圧がゼロの状態から満充電までと、満充電から全放電までの間の出力電圧および各キャパシタ・バンクの電圧の推移は、図５に示すように出力電圧が１（◇）、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧が２（□）、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の平均電圧が３（▽）、キャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５の電圧が４（△）、５（○）となる。このように出力電圧１は、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の直列状態への充電電圧が定格に達したところから、直列接続しても定格電圧を割るまでの全期間中の最低電圧は２２．５Ｖ、変動の幅を７．５／３０＝２５％以内に留めることができた。
【００３５】
また、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧のトレース２から明らかなように、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の端子電圧は、系の貯蔵エネルギーの残量と一定の関係を持つ。したがって、静電容量Ｃのキャパシタに蓄えたエネルギーＵがその端子電圧Ｖから、
Ｕ＝ＣＶ²／２
で表せる原理を利用し、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の端子電圧を測定することにより、上記の計算、あるいは２乗、平方根の折れ線近似回路を使って端子電圧Ｖを貯蔵エネルギーの残量、すなわち蓄電量に換算することができ、残量計に簡単で正確な表示を行うことができる。
【００３６】
上記実施の形態では、説明を簡単にするため全てのキャパシタ・バンクに静電容量や耐電圧が等しいものを使って説明したが、図５に示すトレース３、４、５から明らかなように、固定のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３に対して、スイッチされるキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５は、それぞれ７５％、６０％の電圧までしか充電されない、したがって、ここには耐電圧の低いキャパシタ・バンクあるいは直列接続個数の少ないキャパシタ・バンクを使用することができる。直列接続個数の少ないバンクを同じ静電容量の単セルで製造すると、必然的にその静電容量は直列接続個数の少なさに比例して大きくなる。
【００３７】
スイッチされるキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５に固定のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３より大きい静電容量（Ｃ４＝１ｋＦ／０．６、Ｃ５＝１ｋＦ／０．７５）を用いた場合の各部の電圧推移の例を示したのが図６であり、逆にスイッチされるキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５に固定のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３より小さい静電容量（Ｃ４、Ｃ５＝１ｋＦ×０．８）を用いた場合の各部の電圧推移の例を示したのが図７である。これらは、□がキャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧、◇が出力電圧、○がキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の平均電圧、△がキャパシタ・バンクＣ４の電圧、▽がキャパシタ・バンクＣ５の電圧のトレースをそれぞれ示している。
【００３８】
このようにスイッチされるキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５の静電容量の増減によって、一定電圧以上で利用できる電力量、つまり利用率が増減し、電圧の変動幅が変化する。したがって、本発明は、全部同一のキャパシタを用いて製造を容易にするか、静電容量を使用する部位によって調節して蓄電量の有効利用を図るかなど、目的に応じた設計を選択することが可能である。
【００３９】
図８は２つのキャパシタ・バンクからなるキャパシタ・ユニットにより直列接続と並列接続との切り換えを行い電圧変動幅を小さくした構成例を示す図、図９はキャパシタ・ユニットの多段切り換えによる電圧変動の様子を示す図であり、Ｕ１〜Ｕｎはキャパシタ・ユニット、Ｃ１１〜Ｃｎ２はキャパシタ・バンク、Ｓ１１〜Ｓｎ３はスイッチを示す。
【００４０】
図８において、キャパシタ・ユニットＵ１〜Ｕｎは、１対のキャパシタ・バンクと並列接続ー直列接続の切り換えを行う切り換えスイッチからなり、それらを複数段にわたり縦続接続してキャパシタ電力貯蔵装置を構成している。例えばキャパシタ・ユニットＵ１は、１対のキャパシタ・バンクＣ１１、Ｃ１２にそれぞれ第１の切り換えスイッチＳ１１、第２の切り換えスイッチＳ１２をお互いに反対の極性側に直列に接続し、それらの直列接続回路を並列に接続するとともに、直列接続回路の接続点間に第３の切り換えスイッチＳ１３を接続して構成される。そして、第１の切り換えスイッチＳ１１、第２の切り換えスイッチＳ１２に対し第３の切り換えスイッチＳ１３を相補的に動作させることにより、第１の切り換えスイッチＳ１１、第２の切り換えスイッチＳ１２をオンにしたときには、第３の切り換えスイッチＳ１３をオフにして１対のキャパシタ・バンクＣ１１、Ｃ１２を並列に接続し、第３の切り換えスイッチＳ１３をオンにしたときには、第１の切り換えスイッチＳ１１、第２の切り換えスイッチＳ１２をオフにして１対のキャパシタ・バンクＣ１１、Ｃ１２を直列に接続する。キャパシタ・ユニットＵ２〜Ｕｎもキャパシタ・ユニットＵ１と同じ構成であり、キャパシタ・ユニットＵ１、Ｕ２、……、ｎＵが直列に接続され、出力電圧Ｖ_Oが得られる。なお、キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２は、複数個の例えば並列モニタを有する電気二重層コンデンサを直並列に接続してなる。
【００４１】
並列モニタは、先に紹介した文献や出願等により既に知られているように充電電流をバイパスする例えば半導体制御素子を有し、その制御により充電電圧が設定値を越えるとその設定値の電圧に保って充電電流をバイパスすると共に、並列接続した電気二重層コンデンサが故障して充電異常の状態となった場合には、ターンオンして電気二重層コンデンサを短絡する装置であり、充電電流に対して逆極性に電気二重層コンデンサに並列接続される半導体整流素子、充電電流をバイパスするように電気二重層コンデンサに並列接続される半導体制御素子、その半導体制御素子を制御するモニタ制御回路からなる。
【００４２】
上記のように構成により、まず、同じ定格電圧、容量の各キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２が満充電されていると、図８（Ａ）に示すように各キャパシタ・ユニットＵ１〜Ｕｎは、第１の切り換えスイッチＳ１１、Ｓ２１、……、Ｓｎ１、第２の切り換えスイッチＳ１２、Ｓ２２、……、Ｓｎ２がオン、第３の切り換えスイッチＳ１３、Ｓ２３、……、Ｓｎ３がオフになっている。つまり、すべてのキャパシタ・ユニットＵ１〜Ｕｎが並列に接続された状態となる。
【００４３】
次に、放電により各キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２の充電電圧が低下し出力電圧Ｖ_Oの低下が少なくともキャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２の１個分の電圧になると、図８（Ｂ）に示すように第１のキャパシタ・ユニットＵ１のみが第１の切り換えスイッチＳ１１、第２の切り換えスイッチＳ１２をオフ、第３の切り換えスイッチＳ１３をオンにする。このことにより、第１のキャパシタ・ユニットＵ１のみがキャパシタ・バンクＣ１１とＣ１２との直列接続回路となり、全体としてキャパシタ・バンクＣ１１の充電電圧分が上昇する。
【００４４】
さらに、放電により各キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２の充電電圧が低下し、出力電圧Ｖ_Oの低下が少なくとも並列接続状態のキャパシタ・バンクＣ２１〜Ｃｎ２の１個分の電圧になると、図８（Ｃ）に示すように第２のキャパシタ・ユニットＵ２が第１の切り換えスイッチＳ２１、第２の切り換えスイッチＳ２２をオフ、第３の切り換えスイッチＳ２３をオンにする。このことにより、第１のキャパシタ・ユニットＵ１に続いて第２のキャパシタ・ユニットＵ２がキャパシタ・バンクＣ２１とＣ２２との直列接続回路となり、全体としてキャパシタ・バンクＣ２１の充電電圧分が上昇する。
【００４５】
以下同様に、放電により各キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２の充電電圧が低下し、出力電圧Ｖ_Oが少なくとも並列接続状態のキャパシタ・バンクの１個分の電圧だけ低下する毎に、キャパシタ・バンクを並列接続から直列接続に切り換えるキャパシタ・ユニットを逐次増やしてゆく。このような多段切り換えによる電圧変動の様子を示したのが図９である。このことにより、出力電圧Ｖ_Oは、図９に示すようにＶ_U〜Ｖ_Lの範囲内で変動することになる。
【００４６】
ここで、変動する電圧の上限値Ｖ_Uは、キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２の満充電電圧Ｖ_CFとキャパシタ・ユニットＵ１〜Ｕｎの段数ｎから、その直列接続電圧としてＶ_U＝Ｖ_CF×ｎで求めることができる。また、変動する電圧の下限値Ｖ_Lは、第１のキャパシタ・ユニットＵ１のみがキャパシタ・バンクＣ１１とＣ１２との直列接続回路となったときの出力電圧がＶ_LからＶ_Uになるので、Ｖ_L＝Ｖ_U−Ｖ_U／（ｎ＋１）で求めることができる。つまり、出力電圧Ｖ_Oの変動幅（Ｖ_U−Ｖ_L）は、１／（ｎ＋１）に抑えることができる。例えば段数ｎが４であれば、変動幅は２０％となる。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、キャパシタ・バンクによるキャパシタ電源を電気車に搭載した構成で説明したが、このようなキャパシタ電源を変電所に設置するように構成してもよい。また、電気車としては、交流、直流のいずれでもよいことはいうまでもない。走行区間とキャパシタの積載量によっては、「停車駅ごとに充電する」という方式を採用することもできる。そうすることにより、駅の負荷がピークとなるが、これもキャパシタで平均化すればよいし、力行と回生制動の差のエネルギーだけを充電すれば済むことになる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、変電所の給電電力と回生電力によりキャパシタ・バンクを充電して電気エネルギーを蓄え、このキャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は電気エネルギーと変電所の給電電力とを併せて電動機の駆動電力とするので、尖頭負荷を賄い負荷を平準化することができる。しかも、キャパシタ・バンクからの電力の供給は、受電する平均的な電力量と合算して電動機を駆動できればよいので、ハイブリッド電気自動車と同様、キャパシタ・バンクを小さくすることができる。特に、電気車に搭載することによって、変電所に設置するのに比べて電気車から送電系統まで含めて負担が軽減できるとともに、回生制動による電力がキャパシタ・バンクに蓄えられるので、従来の回生機能を持った変電所などの設備が節約できる。
【００４９】
図１０はＥＣＳキャパシタの放電時間とセル重量、温度上昇の例を示す図である。これらは現状の技術で用意できるＥＣＳキャパシタであり、さらに高性能化の研究は進められているが、現状において先に述べた従来のフライホィールの例、３０００ｋＷ、３０秒間、２５ｋＷｈと比較すると、以下のとおりである。
【００５０】
まず、内部抵抗の最も低い図１０の上段の場合には、最短放電時間が６０秒であるので、このままではフライホィールの２倍の容量、５０ｋＷｈを設備する必要がある。しかし、それでも、分電盤や変電設備以外のエネルギー貯蔵部だけを比較すると、重量６．３ｔｏｎ、実体積６ｍ³、高さ３ｍとしたとき、実質の据え付け床面積２ｍ²と１／２０ほどですむ。
【００５１】
しかし、キャパシタを車両に搭載する場合、重量は、車両１両につきモータを４００ｋＷとし、上記と同様に計算すると８３３ｋｇとなるが、車両の１編成を賄えばよいので、充放電間隔が変電所ほど頻繁にならないことを勘案すると４００〜５００ｋｇとなる。電動機付き車両の重量３０〜４０ｔｏｎと比べて無理な重量ではなく、現状のキャパシタにおける最大出力で連続３０秒〜１分間加速可能という条件は、急坂のない電車の路線では十分対応できる。充放電１分間のＥＣＳキャパシタを搭載し、回生制動で充電し、不足分をゆっくりと架線から充電するような方式を採用した場合、路線の状況や走り方、停止の頻度にもより大きく変わるが、受電電力の尖頭値は、１／３〜１／１０程度まで低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気鉄道給電システムの実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係る電気鉄道給電システムの実施の形態を示す図である。
【図３】２種類のキャパシタブロックを用いて負荷応答を高めると同時に電力の蓄積容量を高めるようにした構成例を示す図である。
【図４】メインキャパシタ・バンクにサブキャパシタ・バンクを直列接続又は接続の切り離しを行い電圧変動幅を小さくした構成例を示す図である。
【図５】全放電状態から定電流充電し定電力放電完了までの各部の電圧推移の例を示す図である。
【図６】キャパシタの容量を変えて組み合わせた場合の電圧推移の例を示す図である。
【図７】キャパシタの容量を変えて組み合わせた場合の電圧推移の例を示す図である。
【図８】２つのキャパシタ・バンクからなるキャパシタ・ユニットにより直列接続と並列接続との切り換えを行い電圧変動幅を小さくした構成例を示す図である。
【図９】キャパシタ・ユニットの多段切り換えによる電圧変動の様子を示す図である。
【図１０】ＥＣＳキャパシタの放電時間とセル重量、温度上昇の例を示す図である。
【符号の説明】
１…変電所、２…き電回路、３…電気車、４…変圧器、５…充電回路、６…キャパシタ・バンク、７…出力制御回路、８…走行制御回路、９…電動機

Claims

変電所からき電系統を介して電気車の電動機に駆動電力を給電し走行制御を行う電気鉄道給電システムにおいて、
満充電になると充電電流をバイパスする並列モニタを備えた複数のキャパシタを直並列に接続して組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクと、
前記変電所の給電電力により前記キャパシタ・バンクを充電し電気エネルギーを蓄える充電手段と、
前記キャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギーを駆動電力として前記電動機に放電し給電すると共に、前記電動機の回生電力を前記キャパシタ・バンクに充電し蓄える出力制御手段と
を備え、
前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクは、前記変電所の給電電力により充電される第１のキャパシタブロックと、前記第１のキャパシタブロックに蓄えられた電気エネルギーにより充電されると共に前記出力制御手段に接続されて前記電動機に放電し前記電動機の回生電力により充電され前記第１のキャパシタブロックより内部抵抗の低い第２のキャパシタブロックからなり、
前記充電手段は、前記変電所の給電電力により前記第１のキャパシタブロックを充電する第１の充電手段と、前記第１のキャパシタブロックに蓄えられた電気エネルギーにより前記第２のキャパシタブロックを充電する第２の充電手段からなり、
前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記変電所の給電電力とを併せて前記電動機の駆動電力とするように構成したことを特徴とする電気鉄道給電システム。
変電所からき電系統を介して電気車の電動機に駆動電力を給電し走行制御を行う電気鉄道給電システムにおいて、
満充電になると充電電流をバイパスする並列モニタを備えた複数のキャパシタを直並列に接続して組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクと、
前記変電所の給電電力により前記キャパシタ・バンクを充電し電気エネルギーを蓄える充電手段と、
前記キャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギーを駆動電力として前記電動機に放電し給電すると共に、前記電動機の回生電力を前記キャパシタ・バンクに充電し蓄える出力制御手段と
を備え、
前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクは、２つのキャパシタ・バンクをユニットとして、複数のユニットを多段に接続し、蓄えられた電気エネルギーの量に応じて各ユニット毎に２つのキャパシタ・バンクの直列接続と並列接続の切り換えを行い、
前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記変電所の給電電力とを併せて前記電動機の駆動電力とするように構成したことを特徴とする電気鉄道給電システム。
前記複数のユニットは、蓄えられた電気エネルギーの量に応じて１段ずつ段階的に切り換えるようにしたことを特徴とする請求項２記載の電気鉄道給電システム。
変電所からき電系統を介して電気車の電動機に駆動電力を給電し走行制御を行う電気鉄道給電システムにおいて、
満充電になると充電電流をバイパスする並列モニタを備えた複数のキャパシタを直並列に接続して組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクと、
前記変電所の給電電力により前記キャパシタ・バンクを充電し電気エネルギーを蓄える充電手段と、
前記キャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギーを駆動電力として前記電動機に放電し給電すると共に、前記電動機の回生電力を前記キャパシタ・バンクに充電し蓄える出力制御手段と
を備え、
前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクは、定格電圧に充放電されるメインキャパシタ・バンクと電圧の許容変動幅で充放電されるサブキャパシタ・バンクからなり、蓄えられた電気エネルギーの量に応じて前記サブキャパシタ・バンクを前記メインキャパシタ・バンクに直列接続又は接続の切り離しを行い、
前記組み合わせ使用される複数のキャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記変電所の給電電力とを併せて前記電動機の駆動電力とするように構成したことを特徴とする電気鉄道給電システム。
前記メインキャパシタ・バンクは、直列に接続された複数のキャパシタ・バンクからなり、前記サブキャパシタ・バンクは、それぞれが前記メインキャパシタ・バンクに段階的に直列接続又は接続の切り離しを行う複数のキャパシタ・バンクからなることを特徴とする請求項４記載の電気鉄道給電システム。
前記キャパシタ・バンクと充電手段と出力制御手段は、変電所に設置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気鉄道給電システム。
前記キャパシタ・バンクと充電手段と出力制御手段は、電気車に搭載されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気鉄道給電システム。