JP3770110B2 - 直流系統電圧安定化装置 - Google Patents
直流系統電圧安定化装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3770110B2 JP3770110B2 JP2001196111A JP2001196111A JP3770110B2 JP 3770110 B2 JP3770110 B2 JP 3770110B2 JP 2001196111 A JP2001196111 A JP 2001196111A JP 2001196111 A JP2001196111 A JP 2001196111A JP 3770110 B2 JP3770110 B2 JP 3770110B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- storage device
- power storage
- current
- system voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
- B60L7/003—Dynamic electric braking by short circuiting the motor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L2200/00—Type of vehicles
- B60L2200/26—Rail vehicles
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流系統電圧安定化装置に関し、特に直流系統電圧を安定化する電力変換装置として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流系統上では、モータの力行、回生時等における負荷電流の発生により電圧降下、上昇が起こり直流系統上の機器の動作に悪影響を与えることがある。従来、回生電力への対策としては、直流系統に接続した抵抗を回生電流に応じて変化させ、その抵抗で消費させるものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
抵抗により回生電力を消費させた場合には、エネルギーを捨てることになる。また、力行時の直流系統電圧の低下には対応できないという問題を有している。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に鑑み、回生電力の有効利用を図り、同時に直流系統の電圧の安定化を図り得る直流系統電圧安定化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【０００７】
１） 直流電源である給電装置から負荷に電力を供給する直流系統に接続され、この直流系統の電圧の安定化を図る直流系統電圧安定化装置において、
電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、
この電力貯蔵装置と直流系統との間に接続されて前記直流系統からの電力を前記電力貯蔵装置に導入するとともに、この電力貯蔵装置に貯蔵した電力を前記直流系統に放出させる双方向チョッパと、
この双方向チョッパと直流系統との間に接続されて双方向チョッパのスイッチング動作に起因するリップル電流の直流系統への流出を低減するスイッチング成分除去フィルタと、
前記双方向チョッパのスイッチング動作を制御する制御部とを有し、
この制御部で双方向チョッパのスイッチングタイミングを制御して直流系統から電力貯蔵装置に電流を供給するか、又は電力貯蔵装置から直流系統に電流を供給することにより、直流系統と当該直流系統電圧安定化装置との接続点との電圧である直流系統電圧Ｖ１ が一定となるよう調整すること、
直流系統電圧Ｖ1 と直流系統電圧指令値Ｖ1 * の偏差を変調率ｍで割った（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍを入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 との偏差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 で割ることにより規格化して変調率ｍを得、この変調率ｍで制御部により双方向チョッパのスイッチング動作を制御して前記直流系統から当該直流系統電圧安定化装置に流入する補償電流Ｉ1 を調整し、直流系統電圧Ｖ1 の安定化を図ること。
【０００８】
２） 上記１）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統電圧Ｖ1 のループにおけるＰＩ制御器の入力を、（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍ の代わりに、電圧Ｖ3 と電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 との比を偏差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）に乗じた（Ｖ1 −Ｖ1 * ）×（Ｖ2 ／Ｖ3 ）とすること。
【０００９】
３） 上記１）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統電圧Ｖ1 のループにおけるＰＩ制御器の入力を、（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍの代りに、直流系統電圧Ｖ1 と電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 との比を偏差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）に乗じた（Ｖ1 −Ｖ1 * ）×Ｖ2 ／Ｖ1 としたこと。
【００１０】
４） 上記１）乃至３）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループにおけるＰＩ制御出力の規格化を、直流系統電圧Ｖ1 で割りそれを変調率ｍとすること。
【００１１】
５） 上記１）乃至４）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * の下限値を電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 にゲインＫV2を乗じて符号を反転した値とすること。
【００１２】
６） 上記１）乃至５）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
変調率ｍの下限値をＶ2 ／２Ｖ3 とすることで制御性能の悪くなる領域を回避すること。
【００１３】
７） 上記１）乃至６）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 が下限値Ｖ2LL 以下の時、負値の電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * を０とし、上限値Ｖ2UL 以上の時、正値の電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * を０とすることにより、電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 を動作範囲内に収めるようにしたこと。
【００１４】
８） 上記１）乃至７）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 と電力貯蔵装置側指令電圧Ｖ2 * の誤差（Ｖ2 −Ｖ2 * ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループの電力貯蔵装置側電流指令値Ｉ2 * に加えることにより、待機時の電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 を一定にすること。
【００１５】
９） 上記１）乃至８）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
負荷の運用スケジュールに合せて電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 のループの電力貯蔵装置側の電圧指令値Ｖ2 * を定め、より効果的に直流系統電圧Ｖ1 の安定化を行うこと。
【００１６】
１０） 直流電源である給電装置から負荷に電力を供給する直流系統に接続され、この直流系統の電圧の安定化を図る直流系統電圧安定化装置において、
電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、
この電力貯蔵装置と直流系統との間に接続されて前記直流系統からの電力を前記電力貯蔵装置に導入するとともに、この電力貯蔵装置に貯蔵した電力を前記直流系統に放出させる双方向チョッパと、
この双方向チョッパと直流系統との間に接続されて双方向チョッパのスイッチング動作に起因するリップル電流の直流系統への流出を低減するスイッチング成分除去フィルタと、
前記双方向チョッパのスイッチング動作を制御する制御部とを有し、
この制御部で双方向チョッパのスイッチングタイミングを制御して直流系統から電力貯蔵装置に電流を供給するか、又は電力貯蔵装置から直流系統に電流を供給することにより、直流系統と当該直流系統電圧安定化装置との接続点との電圧である直流系統電圧Ｖ１ が一定となるよう調整すること、
直流系統側の補償電流Ｉ1 とその電流指令値Ｉ1 * との偏差を変調率ｍで割った（Ｉ1 * −Ｉ1 ）／ｍを入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループの電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 との偏差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 で割ることにより規格化して変調率ｍを得、この変調率ｍで制御部により双方向チョッパのスイッチング動作を制御して補償電流Ｉ1 を調整し、直流系統電圧Ｖ1 の安定化を図ること。
【００１７】
１１） 上記１０）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側電流Ｉ1 ループのＰＩ制御器への入力に、誤差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに給電装置側の直流系統の電流Ｉ01を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化すること。
【００１８】
１２） 上記１０）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器への入力に、誤差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに負荷側の直流系統の電流Ｉ02の符号を反転した値を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化すること。
【００１９】
１３） 上記１０）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器への入力に、偏差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに直流系統電圧Ｖ1 と給電装置の電圧Ｖ0 との偏差を線路インピーダンスＺ1 で割った（Ｖ1 −Ｖ0 ）／Ｚ1 を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化すること。
【００２０】
１４） 上記１０）乃至１３）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器の代りに、Ｐ制御器を用いること。
【００２１】
１５） 上記１）乃至１４）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置を二次電池で構成したこと。
【００２２】
１６） 上記１）乃至１５）に記載する何れか一つの直流系統電圧安定化装置において、
スイッチング成分除去フィルタと双方向チョッパとの間にストッパースイッチを設け、事故等により直流系統電圧Ｖ1 が既定値より低下、又はＶ1 ＜Ｖ2 となった場合、前記ストッパースイッチをＯＦＦさせて電力貯蔵装置側から直流系統側への電流を遮断することにより、大電流発生による機器の破壊を防止するようにしたこと。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２４】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置を組み込んだ直流系統を示すブロック線図である。同図に示すように、直流系統１は、給電装置１０から出力される電圧Ｖ0 の電力を負荷Ｌに供給するものであり、Ｚ1 は給電装置１０と直流系統電圧安定化装置８との間の線路インピーダンス、Ｚ2 は直流系統電圧安定化装置８と負荷Ｌとの間の線路インピーダンスである。また、負荷Ｌは、モータ等、その力行、回生のように直流系統１への負荷電流ＩM が正負の値をとるものを想定する。
【００２５】
直流系統電圧安定化装置８は、接続点７で、負荷Ｌに対して並列に、直流系統１に接続してある。図１では直流系統電圧安定化装置８が、給電装置１０と負荷Ｌとの間にあるが、給電装置１０と直流系統電圧安定化装置８との間に負荷Ｌを接続しても勿論、良い。
【００２６】
負荷Ｌが直流系統１から受電する場合（モータでは力行時）、負荷電流ＩM は負値をとり、線路インピーダンスＺ2 により直流系統電圧Ｖ1 は低下する。ここで、直流系統電圧安定化装置８から直流系統電圧Ｖ1 の変動を抑えるように、負値の補償電流Ｉ1 を流し、直流系統電圧Ｖ1 を安定化する。また、負荷Ｌが直流系統１に放電する場合（モータでは回生時）、負荷電流ＩM は正値をとり、線路インピーダンスＺ2 により直流系統電圧Ｖ1 は上昇する。ここで、直流系統電圧安定化装置８から直流系統１の電圧Ｖ1 の変動を抑えるように、正値の補償電流Ｉ1 を流し、当該電圧Ｖ1 を安定化する。
【００２７】
かかる機能を実現すべく、図２に示すように、直流系統電圧安定化装置８は、電力変換装置９及び電力貯蔵装置４を有する。ここで、電力変換装置９は、図３にさらに詳細に示すように、スイッチング成分除去フィルタ２、双方向チョッパ３、制御部１３で構成してある。図４は、直流系統電圧安定化装置８のさらに具体的な回路図である。同図に示すように、スイッチング成分除去フィルタ２は、リアクトルＬ1 及びコンデンサＣ1 で構成し、双方向チョッパ３のスイッチングによるリプル電流の直流系統１への流出を低減するローパスフィルタとしている。双方向チョッパ３は、スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 及び電流Ｉ2 の平滑化リアクトルＬ2 で構成し、スイッチＳＷ1 の変調率ｍを操作することにより電流Ｉ2 ，Ｉ3 を制御する。具体的には、図４の回路において、Ｖ1 ＞Ｖ2 となるように双方向チョッパ３を制御し、電流Ｉ1 が正値のとき降圧、電流Ｉ1 が負値のときに昇圧動作とする。
【００２８】
電力貯蔵装置４は、大容量コンデンサを用い、直流系統１の負荷電流ＩM の充放電を行い直流系統電圧Ｖ1 を安定化する。図４に示す回路における電力貯蔵装置４は、コンデンサＣC と内部抵抗ＲC とで表わしている。
【００２９】
直流系統１への補償電流Ｉ1 は、双方向チョッパ３に用いられているスイッチＳＷ1 の変調率ｍを操作することにより制御する。スイッチＳＷ1 は、図５に示すように、一定の周期で０〜１の大きさをとる三角波であるキャリア信号Ｓ1 と変調率ｍとを比較し、キャリア信号Ｓ1 が変調率ｍより小さい間はＯＮ、大きい間はＯＦＦとする。このときスイッチＳＷ2 は、スイッチＳＷ1 と逆の動作とする。ここで、変調率ｍとキャリア信号の１周期中のスイッチＳＷ1 がＯＮとなる時間ｔ1 とＯＦＦとなる時間ｔ2 の関係は次式（１）となる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ここで、スイッチング時にスイッチＳＷ1 、ＳＷ2 が同時にＯＮとなりフィルタコンデンサＣ1 が短絡する危険がある為、通常デッドタイムを設ける。ターンＯＮのタイミングをデッドタイム分だけ遅らせて、一方のスイッチＳＷ1 又はＳＷ2 がＯＦＦした後、デッドタイム経過後にもう一方のスイッチＳＷ2 又はＳＷ1 がＯＮになるようにすることで、フィルタコンデンサＣ1 の短絡を回避する。
【００３２】
双方向チョッパ３での電力変換による損失が無い場合、直流系統１側の電圧Ｖ3 、電流Ｉ3 と電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ4 、電流Ｉ2 のキャリア信号Ｓ1 の１周期中の平均値は、変調率ｍを用いて次式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】
図５に示すキャリア信号Ｓ1 の１周期中の平均値についての直流系統１側から見た等価回路は、図６となり次式（３）の関係が成り立つ。
【００３５】
【数３】
上式（３）中のｓはラプラス変換の演算子を示す。式（３）より電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 、電流Ｉ3 と変調率ｍの関係は式（４）、式（５）となる。
【００３６】
【数４】
【００３７】
【数５】
【００３８】
式（４）に示すように、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 の微分値は、変調率ｍの１次式となり線形な為、比較的簡単に制御できる。式（５）に示すように、直流系統１側にある電流Ｉ3 の微分値と変調率ｍとの関係は非線型性が強く制御は難しい。そこで、本形態に係る直流系統電圧安定化装置８は、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 を変調率ｍにより制御するループを形成して制御性能を良好に保持している。
【００３９】
本形態に係る直流系統電圧安定化装置８の制御系のブロック線図を図７に示す。同図に示すように、当該制御系は、直流系統１の電圧Ｖ1 を指令値Ｖ1 * に近づけるように、操作量となる双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 の変調率ｍを計算し、直流系統電圧安定化装置８の補償電流Ｉ1 の制御を行う。当該制御系は直流系統１の電圧Ｖ1 のループ、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループからなる。
【００４０】
電圧Ｖ1 のループでは、次式（６）に示すように、直流系統１の電圧Ｖ1 と直流系統電圧指令値Ｖ1 * の誤差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループの電流指令値Ｉ2 *'とする。その際、線形性を確保する為にＰＩ変換器への入力を１／ｍ倍しておく。
【００４１】
【数６】
ここで、ＰV1は、直流系統１の電圧Ｖ1 のループのＰＩ制御器の比例ゲイン、ＩV1は同積分ゲインである。
【００４２】
なお、式（２）を考慮して変調率ｍの代りにフィルタ２のコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 と電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の測定値の比を用い、式（６）の１／ｍをＶ2 ／Ｖ3 に置き換えても良い。この場合の計算式が式（７）である。
【００４３】
【数７】
【００４４】
フィルタ２のコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 にはスイッチングリプルが含まれているので、より安定化した制御を行う為に、この電圧Ｖ3 の代りに、ほぼ同じ値となる直流系統の電圧Ｖ1 の測定値を用いることも可能である。この場合の計算式が式（８）である。
【００４５】
【数８】
【００４６】
上記式（６）〜（８）の何れかにより電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'を求める。
【００４７】
電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 は、電力貯蔵装置４の定格電流Ｉ2Lにより制限されるので、前記電流指令値Ｉ2 *'はリミッタ５でリミット処理を行い電流指令値Ｉ2 * とする。ここで、図４に示すように、電力貯蔵装置４をコンデンサＣC と直列に接続された抵抗ＲC でモデル化し、抵抗ＲC の電圧降下による影響を考える。この場合、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 は次式（９）となる。
【００４８】
【数９】
【００４９】
電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 が負値を取る時、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 は抵抗ＲC により低下する。同じ大きさの直流系統側電流Ｉ1 を出力しようとしたとき、この電圧降下により電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 を大きくしなければならなくなり、電力貯蔵装置４側から直流系統１側への電力の変換効率が低下する。このとき、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 が低いほど変換効率の低下が大きい。そこで、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 が負値の時の変換効率低下を避ける為、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 にゲインＫV2を乗じて符号を反転した値を電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'の下限値とする。ここでゲインＫV2、電力貯蔵装置４の定格電流Ｉ2Lは正値とする。電圧Ｖ1 のループのＰＩ制御器の出力Ｉ2 *'を、図７に示すように、電力貯蔵装置４側の電流指令値リミッタ５を通して、式（１０）に示す電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 * とする。
【００５０】
【数１０】
【００５１】
電流Ｉ2 のループでは、変調率ｍを操作して電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 の制御を行う。ここで、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 の指令値Ｉ2 * との誤差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をｄＩ2 とする。これは次式（１１）で求まる。
【００５２】
【数１１】
ここで、電流Ｉ2 ループのＰＩ制御器の比例ゲインＰI2、積分ゲインＩI2としている。
【００５３】
次に、式（１２）で示すように、ｄＩ2 を、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 相当の値としてのコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 で割り、規格化を行い変調率ｍ’を得る。
【００５４】
【数１２】
【００５５】
また、フィルタ２のコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 の代りに、ほぼ同じ値でより安定した値となる直流系統１の電圧Ｖ1 の測定値を用いることも可能である。この場合の演算式を次式（１３）に示す。
【００５６】
【数１３】
【００５７】
上記式（１２）、式（１３）のいずれかにより変調率ｍ’を求める。ここで、変調率ｍ’の初期値を考える。変調率ｍ’と電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 との関係は、式（４）を変形して次式（１４）で求まる。
【００５８】
【数１４】
【００５９】
上式（１４）で微分の項を０とするとｍ’＝Ｖ2 ／Ｖ3 となる。そこで電流Ｉ2 のループのＰＩ制御器の積分バッファの初期値をＶ2 とすることで、本形態に係る直流系統電圧安定化装置８の初期動作を安定化することができる。さらに、変量率ｍには、式（１）から物理的な制約として、０＜ｍ’＜１になるようにリミッタ６でリミット処理をする。通常、チョッパでは、スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 のＯＮ，ＯＦＦ時間が短くなりすぎないように、正値となる微小量δを用いてδ＜ｍ’＜１・δとする。ここで、直流系統１側の電流Ｉ3 の微分値は、変調率ｍに関して式（５）を変形した式（１５）のようになる。
【００６０】
【数１５】
【００６１】
上式（１５）よりｓＩ3 が極小値をとるときの変調率ｍLLを式（１６）に示す。
【００６２】
【数１６】
【００６３】
上式（１５）で求まる変調率ｍ’とｓＩ3 との関係の一例を図８に示す。同図に示すように、変調率ｍ’がｍLL以下では、変調率ｍ’が増加してもｓＩ3 が減少する。電流Ｉ3 をより減少させる為に変調率ｍ’を下げてもｍLL以下になると、電流Ｉ3 の減少率となるｓＩ3 が減少していき、制御性能が悪化する。変調率ｍの下限値をｍLLとすることにより、制御性能の悪化を回避することができる。操作量となる変調率ｍは、電流Ｉ2 のループのＰＩ制御器の出力を規格化したｍ’をリミッタ６に通して求める。これを次式（１７）に示す。
【００６４】
【数１７】
【００６５】
導き出された操作量である変調率ｍによりスイッチＳＷ1 ，ＳＷ2 のＯＮ、ＯＦＦ時間比を操作し、電力貯蔵装置４が充電又は放電を行い、それにより補償電流Ｉ1 が定まり、この補償電流Ｉ1 により負荷電流ＩM が補償され、直流系統１の電圧Ｖ1 が安定化する。
【００６６】
なお、図４では電力貯蔵装置４にコンデンサＣc を用いているが、コンデンサＣc の代りに各種二次電池を用いることもできる。また、チョッパ３で使用しているスイッチＳＷ1 ，ＳＷ2 は、図９のように各種半導体スイッチで好適に構成することができる。半導体スイッチとしては、図９に示すようなＩＧＢＴ等の自己消孤型素子とダイオードとを組み合わせたものが最適である。
【００６７】
スイッチＳＷ1 に、図９のようにダイオードを用いた場合、事故等により直流系統１の電圧Ｖ1 が電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 より低下してスイッチＳＷ1 のダイオードを通して電力貯蔵装置４側から直流系統１側へ大電流が流れ機器が破壊される虞れがある。そこで、図１０に示すように、スイッチング成分除去フィルタ２、双方向チョッパ３の間にストッパースイッチ１１を設けても良い。ストッパースイッチ１１は、通常ＯＮ状態にあり双方向に電流を流すが、ＯＦＦすることにより双方向チョッパ３からスイッチング成分除去フィルタ２への電流を遮断する機能をもつ。直流系統１の電圧Ｖ1 を監視し、ある既定値以下に下がるか、又はＶ1 ＜Ｖ2 となったときに、ストッパースイッチ１１をＯＦＦさせて電力貯蔵装置４側から直流系統１側への電流を遮断することにより機器の破壊を防ぐ。かかる制御はストッパースイッチ制御部１７で行う。
【００６８】
電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の動作範囲を定格電圧や、電力変換効率等により式（１８）と定めたとき、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のリミッタ処理を電力貯蔵装置４側の電流指令値のリミッタ処理の後に行う。
【００６９】
【数１８】
ここで、電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 の下限値Ｖ2LL 、上限値Ｖ2UL である。
【００７０】
リミッタ５の出力を電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *"として、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 が式（１８）の動作範囲をはずれた場合、それ以上動作範囲から電圧Ｖ2 がはなれる方向の電流指令値Ｉ2 *"を０とするようなリミッタをかける。式（１９）のように電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 が下限値Ｖ2LL 以下の時、電力貯蔵装置４からの放電となる負極の電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *"を０として、これ以上の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の低下を防ぐ。電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 が上限値Ｖ2UL 以上の時、電力貯蔵装置４への充電となる正値の電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *"を０として、これ以上の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の上昇を防ぐ。
【００７１】
【数１９】
この電力貯蔵装置側電圧リミッタの出力を、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 ループの入力である電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 * とする。
【００７２】
一方、図１１に示すように、待機時の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 を、ある一定値に保つために、図７に示す制御系の電圧Ｖ1 を安定化する制御系に、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のループを追加しても良い。当該電圧Ｖ2 のループは、負荷電流ＩM の発生時に十分な補償電流Ｉ1 を得られるように電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 を制御する。電力貯蔵装置４側の電圧指令電圧Ｖ2 * の例としては、負荷がモータの場合、回生、力行のどちらがおこっても補償できるように、式（１８）の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の動作範囲のなかで、電力貯蔵コンデンサＣC に貯えられているエネルギーが中央値となる式（２０）の値にする。
【００７３】
【数２０】
【００７４】
回生、力行時の負荷の大きさが異なる場合は、電圧指令電圧Ｖ2 * を式（２０）の値からより適した値に変更する。回生時の負荷が大きい場合は、電圧指令電圧Ｖ2 * を下げ、力行時の負荷が大きい場合は電圧指令電圧Ｖ2 * を上げる。電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のループでは、式（２１）に示すように電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 と電力貯蔵装置４側の電圧指令電圧Ｖ2 * の誤差（Ｖ2 −Ｖ2 * ）を入力としたＰＩ制御を行う。
【００７５】
【数２１】
ここで、電圧Ｖ2 の制御系のＰＩ制御器の比例ゲインをＰV2、積分ゲインをＩV2としている。
【００７６】
上記ＰＩ制御器のゲインは、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のループにより直流系統１の電圧Ｖ1 を大きく変動させないように、また負荷電流補償時に直流系統１の電圧Ｖ1 を安定化する制御ループに大きな影響を与えないようにするため、ＰＩ制御器の時定数が大きくなるよう低めに設定する。このＰＩ制御器の積分バッファの初期値をＶ2 とすることで、本発明の直流系統電圧安定化装置８の初期動作を安定化することができる。
【００７７】
式（２１）のＰＩ制御器の出力Ｉ2V2 *'を式（２２）に係わる電圧Ｖ2 のループのリミッタ１２を通して電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループの電流指令値Ｉ2 * に加える。
【００７８】
【数２２】
ここで、Ｉ2V2Lは、電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 のループ電流リミッタである。電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のループ電流リミッタＩ2V2Lは、直流系統１の電圧Ｖ1 を安定化する制御ループに大きな影響を与えないように、直流系統電圧安定化装置８の補償電流Ｉ1 の最大値に対して低めに設定する。
【００７９】
また、例えば電車のダイヤのような、負荷の運用スケジュールを予め知ることのできる場合、その運用スケジュールに合わせて予め予備充放電を行い、待機時の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 を最適な値にしておくことで、より効果的に直流系統１の電圧Ｖ1 の安定化を行うことができる。例えば負荷がモータの場合、力行の前にあらかじめ予備充電を行う。モータの負荷電流を電力貯蔵装置４の放電により十分補償できるような高い電圧指令値Ｖ2 * 、例えば上限値のＶ2UL に設定する。また、モータの回生の前に予め予備放電を行う。例えば、回生電流により電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 が上限値Ｖ2UL を超えそうなときは、その回生電流によるエネルギーをＰＩＭとすると、電力貯蔵装置４で十分に吸収できるように、式（２３）を満たす低い電力貯蔵装置４側の電圧指令値Ｖ2 * を設定する。
【００８０】
【数２３】
【００８１】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態も、上記第１の実施の形態と同様に、図１及び図２に示すように、直流系統１に接続した電力貯蔵装置４を含む直流系統電圧安定化装置８であって、電力貯蔵装置４から充放電することにより補償電流Ｉ1 を制御するものである。この点は、上記第１の実施の形態と同様である。そこで、図中、第１の実施の形態と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００８２】
本形態は、図１２に示すように、双方向チョッパ３のスイッチングタイミングを制御する制御部２１の構成が、第１の実施の形態に対して異なる。すなわち、直流系統１側の補償電流Ｉ1 、直流系統１側の電流指令値Ｉ1 * 及び電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 とに基づき変調率ｍを決定するものである。
【００８３】
本実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置８の制御系のブロック線図を図１３に示す。同図に示すように、当該制御系は、補償電流Ｉ1 を直流系統１側の電流指令値Ｉ1 * に近づけるように、操作量となる双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 の変調率ｍを計算し、直流系統１側の補償電流Ｉ1 の制御を行うものである。すなわち、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループ、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループを有しており、これにより変調率ｍによる直流系統１側の補償電流Ｉ1 の制御を行う。
【００８４】
直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループは、式（２４）のように直流系統１側の補償電流Ｉ1 の電流指令値Ｉ1 * との偏差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループの電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'とする。その際、線形性を確保する為にＰＩ変換器への入力を１／ｍ倍する。
【００８５】
【数２４】
ここで、ＰI1は、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器の比例ゲイン、ＩI1は積分ゲインである。また、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御の代りにＰ制御に置き換えても良い。このときの関係式は、次式（２５）の通りとなる。
【００８６】
【数２５】
【００８７】
上式（２４）、式（２５）のいずれかにより電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'を求める。
【００８８】
図１３に示す制御系におけるリミッタ５以降の制御は、上記第１の実施の形態における制御系（図７参照。）と同様である。当該制御系で得る操作量である変調率ｍによりスイッチＳＷ1 ，ＳＷ2 のＯＮ，ＯＦＦ時間比を操作し、電力貯蔵装置４が充電または放電を行う。この動作ににより補償電流Ｉ1 が定まる。
【００８９】
図１３に示す制御系における直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器またはＰ制御器への入力を、偏差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01（図１参照。）を与えることにより、負荷電流ＩM による給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01の変動を抑えるように補償電流Ｉ1 を制御して、直流系統電圧Ｖ1 を安定化するようにしても良い。この制御系を図１４に示す。ここで、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループでＰＩ制御器を用いている場合は式（２６）、Ｐ制御器を用いている場合は式（２７）の演算を行う。
【００９０】
【数２６】
【００９１】
【数２７】
【００９２】
上式（２６）、（２７）のいずれかにより電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'を求める。また、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器又はＰ制御器への入力を、給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01の代りに負荷Ｌ側の直流系統１の電流Ｉ02を与える場合、上式（２６）、（２７）においてＩ01をＩ02と置き換えれば良い。
【００９３】
図１４に示す制御系において、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器またはＰ制御器への入力の給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01を、直流系統電圧Ｖ1 から求めることにより与え、負荷電流ＩM による給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01の変動をおさえるように直流系統１側の補償電流Ｉ1 を制御して、直流系統電圧Ｖ1 を安定化するようにしても良い。この制御系を図１５に示す。当該制御系において、負荷電流ＩM ＝０の時、給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01＝０となり、直流系統電圧Ｖ1 は給電装置１０の電圧Ｖ0 に等しくなっている。給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01と直流系統電圧Ｖ1 の関係式は、次式（２８）で求まる。
【００９４】
【数２８】
ここで、Ｚ1 は給電装置１０と直流系統安定化装置８の間の線路インピーダンスである。
【００９５】
上式（２８）により直流系統電圧Ｖ1 を入力とした直流系統１側の電流Ｉ1 のループを、直流系統１側の電流Ｉ1 のループでＰＩ制御器を用いている場合は式（２９）、Ｐ制御器を用いている場合は式（３０）とする。
【００９６】
【数２９】
【００９７】
【数３０】
上式（２９）、式（３０）の何れかにより電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'を求める。
【００９８】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに詳細に説明した通り、本願発明によれば、次の様な効果を得る。
１） 回生電流を電力貯蔵装置に充電し、力行時に放電することによりエネルギーを有効利用できる。また、接続した直流系統の電圧を安定化できる。
２） 電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループでは、式（４）に示すように、変調率ｍによる前記電流Ｉ2 の制御を容易に行うことができ、高い制御性能が得られる。さらに、直流系統電圧Ｖ1 のループの出力値を電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループに与えることで直流系統電圧Ｖ1 の安定化制御を行うことができる。
３） 制御中のスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 の測定値を使用している箇所で、スイッチングリプルの除去されていない前記電圧Ｖ3 の代りに、平均値としてはほぼ同じ大きさとなる直流系統電圧Ｖ1 を用いることにより制御系がより安定することを期待できる。
４） 電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * の下限値を電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 により変化させることで、補償電流Ｉ1 が負値の時の電力変換効率の低下を避けることができる。
５） 変調率ｍの下限値を設定することにより、制御性能が悪化する領域を回避できる。
６） ストッパースイッチを設けることにより、事故等により直流系統Ｖ1 が既定値より低下もしくは、Ｖ1 ＜Ｖ2 となった場合の大電流発生による機器の破壊を防ぐことができる。
７） 電力貯蔵装置側の制御系により電力貯蔵装置の予備充放電を行い、負荷電流ＩL の発生時に十分な補償電流Ｉ1 を得るようにすることができる。
９） 補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器またはＰ制御器への入力に、直流系統における給電装置側の電流Ｉ01又は負荷側の電流Ｉ02を与えることにより、直流系統電圧Ｖ1 を安定化することができる。
１０） 補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器又はＰ制御器への入力に、直流系統電圧Ｖ1 と給電装置の電圧Ｖ0 の偏差を線路インピーダンスＺ1 で割った（Ｖ1 −Ｖ0 ）／Ｚ1 を与えることにより、直流系統電圧Ｖ1 を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置を組み込んだ直流系統を示すブロック線図である。
【図２】図１における直流系統電圧安定化装置をさらに詳細に示すブロック線図である。
【図３】図２における直流系統電圧安定化装置をさらに詳細に示すブロック線図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置の具体的な回路図である。
【図５】図４に示す双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 、ＳＷ2 のタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置をその直流系統側から見た等価回路を示す回路図である。
【図７】図４に示す双方向チョッパ３の制御系を示すブロック線図である。
【図８】図７に示す制御系における変調率ｍ’とsI3 （電流I3の微分値）との関係を示すグラフである。
【図９】図４に示す双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 、ＳＷ2 の具体的構成を示す回路図である。
【図１０】図４に示すスイッチング成分除去フィルタと双方向チョッパとの間にストッパースイッチを設けた場合の直流系統電圧安定化装置を示すブロック線図である。
【図１１】図４に示す双方向チョッパ３の他の制御系を示すブロック線図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置の具体的な回路図である。
【図１３】図１２に示す双方向チョッパ３の第１の制御系を示すブロック線図である。
【図１４】図１２に示す双方向チョッパ３の第２の制御系を示すブロック線図である。
【図１５】図１２に示す双方向チョッパ３の第３の制御系を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１ 直流系統
２ スイッチング成分除去フィルタ
３ 双方向チョッパ
４ 電力貯蔵装置
５ リミッタ
６ リミッタ
７ 接続点
８ 直流系統電圧安定化装置
９ 電力変換装置
１０ 給電装置
１１ ストッパースイッチ
１２ リミッタ
１３ 制御部
１４ ストッパスイッチ制御部
２１ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は直流系統電圧安定化装置に関し、特に直流系統電圧を安定化する電力変換装置として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流系統上では、モータの力行、回生時等における負荷電流の発生により電圧降下、上昇が起こり直流系統上の機器の動作に悪影響を与えることがある。従来、回生電力への対策としては、直流系統に接続した抵抗を回生電流に応じて変化させ、その抵抗で消費させるものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
抵抗により回生電力を消費させた場合には、エネルギーを捨てることになる。また、力行時の直流系統電圧の低下には対応できないという問題を有している。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に鑑み、回生電力の有効利用を図り、同時に直流系統の電圧の安定化を図り得る直流系統電圧安定化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【０００７】
１） 直流電源である給電装置から負荷に電力を供給する直流系統に接続され、この直流系統の電圧の安定化を図る直流系統電圧安定化装置において、
電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、
この電力貯蔵装置と直流系統との間に接続されて前記直流系統からの電力を前記電力貯蔵装置に導入するとともに、この電力貯蔵装置に貯蔵した電力を前記直流系統に放出させる双方向チョッパと、
この双方向チョッパと直流系統との間に接続されて双方向チョッパのスイッチング動作に起因するリップル電流の直流系統への流出を低減するスイッチング成分除去フィルタと、
前記双方向チョッパのスイッチング動作を制御する制御部とを有し、
この制御部で双方向チョッパのスイッチングタイミングを制御して直流系統から電力貯蔵装置に電流を供給するか、又は電力貯蔵装置から直流系統に電流を供給することにより、直流系統と当該直流系統電圧安定化装置との接続点との電圧である直流系統電圧Ｖ１ が一定となるよう調整すること、
直流系統電圧Ｖ1 と直流系統電圧指令値Ｖ1 * の偏差を変調率ｍで割った（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍを入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 との偏差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 で割ることにより規格化して変調率ｍを得、この変調率ｍで制御部により双方向チョッパのスイッチング動作を制御して前記直流系統から当該直流系統電圧安定化装置に流入する補償電流Ｉ1 を調整し、直流系統電圧Ｖ1 の安定化を図ること。
【０００８】
２） 上記１）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統電圧Ｖ1 のループにおけるＰＩ制御器の入力を、（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍ の代わりに、電圧Ｖ3 と電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 との比を偏差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）に乗じた（Ｖ1 −Ｖ1 * ）×（Ｖ2 ／Ｖ3 ）とすること。
【０００９】
３） 上記１）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統電圧Ｖ1 のループにおけるＰＩ制御器の入力を、（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍの代りに、直流系統電圧Ｖ1 と電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 との比を偏差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）に乗じた（Ｖ1 −Ｖ1 * ）×Ｖ2 ／Ｖ1 としたこと。
【００１０】
４） 上記１）乃至３）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループにおけるＰＩ制御出力の規格化を、直流系統電圧Ｖ1 で割りそれを変調率ｍとすること。
【００１１】
５） 上記１）乃至４）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * の下限値を電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 にゲインＫV2を乗じて符号を反転した値とすること。
【００１２】
６） 上記１）乃至５）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
変調率ｍの下限値をＶ2 ／２Ｖ3 とすることで制御性能の悪くなる領域を回避すること。
【００１３】
７） 上記１）乃至６）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 が下限値Ｖ2LL 以下の時、負値の電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * を０とし、上限値Ｖ2UL 以上の時、正値の電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * を０とすることにより、電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 を動作範囲内に収めるようにしたこと。
【００１４】
８） 上記１）乃至７）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 と電力貯蔵装置側指令電圧Ｖ2 * の誤差（Ｖ2 −Ｖ2 * ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループの電力貯蔵装置側電流指令値Ｉ2 * に加えることにより、待機時の電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 を一定にすること。
【００１５】
９） 上記１）乃至８）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
負荷の運用スケジュールに合せて電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 のループの電力貯蔵装置側の電圧指令値Ｖ2 * を定め、より効果的に直流系統電圧Ｖ1 の安定化を行うこと。
【００１６】
１０） 直流電源である給電装置から負荷に電力を供給する直流系統に接続され、この直流系統の電圧の安定化を図る直流系統電圧安定化装置において、
電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、
この電力貯蔵装置と直流系統との間に接続されて前記直流系統からの電力を前記電力貯蔵装置に導入するとともに、この電力貯蔵装置に貯蔵した電力を前記直流系統に放出させる双方向チョッパと、
この双方向チョッパと直流系統との間に接続されて双方向チョッパのスイッチング動作に起因するリップル電流の直流系統への流出を低減するスイッチング成分除去フィルタと、
前記双方向チョッパのスイッチング動作を制御する制御部とを有し、
この制御部で双方向チョッパのスイッチングタイミングを制御して直流系統から電力貯蔵装置に電流を供給するか、又は電力貯蔵装置から直流系統に電流を供給することにより、直流系統と当該直流系統電圧安定化装置との接続点との電圧である直流系統電圧Ｖ１ が一定となるよう調整すること、
直流系統側の補償電流Ｉ1 とその電流指令値Ｉ1 * との偏差を変調率ｍで割った（Ｉ1 * −Ｉ1 ）／ｍを入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループの電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 との偏差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 で割ることにより規格化して変調率ｍを得、この変調率ｍで制御部により双方向チョッパのスイッチング動作を制御して補償電流Ｉ1 を調整し、直流系統電圧Ｖ1 の安定化を図ること。
【００１７】
１１） 上記１０）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側電流Ｉ1 ループのＰＩ制御器への入力に、誤差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに給電装置側の直流系統の電流Ｉ01を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化すること。
【００１８】
１２） 上記１０）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器への入力に、誤差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに負荷側の直流系統の電流Ｉ02の符号を反転した値を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化すること。
【００１９】
１３） 上記１０）に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器への入力に、偏差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに直流系統電圧Ｖ1 と給電装置の電圧Ｖ0 との偏差を線路インピーダンスＺ1 で割った（Ｖ1 −Ｖ0 ）／Ｚ1 を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化すること。
【００２０】
１４） 上記１０）乃至１３）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器の代りに、Ｐ制御器を用いること。
【００２１】
１５） 上記１）乃至１４）の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置を二次電池で構成したこと。
【００２２】
１６） 上記１）乃至１５）に記載する何れか一つの直流系統電圧安定化装置において、
スイッチング成分除去フィルタと双方向チョッパとの間にストッパースイッチを設け、事故等により直流系統電圧Ｖ1 が既定値より低下、又はＶ1 ＜Ｖ2 となった場合、前記ストッパースイッチをＯＦＦさせて電力貯蔵装置側から直流系統側への電流を遮断することにより、大電流発生による機器の破壊を防止するようにしたこと。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２４】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置を組み込んだ直流系統を示すブロック線図である。同図に示すように、直流系統１は、給電装置１０から出力される電圧Ｖ0 の電力を負荷Ｌに供給するものであり、Ｚ1 は給電装置１０と直流系統電圧安定化装置８との間の線路インピーダンス、Ｚ2 は直流系統電圧安定化装置８と負荷Ｌとの間の線路インピーダンスである。また、負荷Ｌは、モータ等、その力行、回生のように直流系統１への負荷電流ＩM が正負の値をとるものを想定する。
【００２５】
直流系統電圧安定化装置８は、接続点７で、負荷Ｌに対して並列に、直流系統１に接続してある。図１では直流系統電圧安定化装置８が、給電装置１０と負荷Ｌとの間にあるが、給電装置１０と直流系統電圧安定化装置８との間に負荷Ｌを接続しても勿論、良い。
【００２６】
負荷Ｌが直流系統１から受電する場合（モータでは力行時）、負荷電流ＩM は負値をとり、線路インピーダンスＺ2 により直流系統電圧Ｖ1 は低下する。ここで、直流系統電圧安定化装置８から直流系統電圧Ｖ1 の変動を抑えるように、負値の補償電流Ｉ1 を流し、直流系統電圧Ｖ1 を安定化する。また、負荷Ｌが直流系統１に放電する場合（モータでは回生時）、負荷電流ＩM は正値をとり、線路インピーダンスＺ2 により直流系統電圧Ｖ1 は上昇する。ここで、直流系統電圧安定化装置８から直流系統１の電圧Ｖ1 の変動を抑えるように、正値の補償電流Ｉ1 を流し、当該電圧Ｖ1 を安定化する。
【００２７】
かかる機能を実現すべく、図２に示すように、直流系統電圧安定化装置８は、電力変換装置９及び電力貯蔵装置４を有する。ここで、電力変換装置９は、図３にさらに詳細に示すように、スイッチング成分除去フィルタ２、双方向チョッパ３、制御部１３で構成してある。図４は、直流系統電圧安定化装置８のさらに具体的な回路図である。同図に示すように、スイッチング成分除去フィルタ２は、リアクトルＬ1 及びコンデンサＣ1 で構成し、双方向チョッパ３のスイッチングによるリプル電流の直流系統１への流出を低減するローパスフィルタとしている。双方向チョッパ３は、スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 及び電流Ｉ2 の平滑化リアクトルＬ2 で構成し、スイッチＳＷ1 の変調率ｍを操作することにより電流Ｉ2 ，Ｉ3 を制御する。具体的には、図４の回路において、Ｖ1 ＞Ｖ2 となるように双方向チョッパ３を制御し、電流Ｉ1 が正値のとき降圧、電流Ｉ1 が負値のときに昇圧動作とする。
【００２８】
電力貯蔵装置４は、大容量コンデンサを用い、直流系統１の負荷電流ＩM の充放電を行い直流系統電圧Ｖ1 を安定化する。図４に示す回路における電力貯蔵装置４は、コンデンサＣC と内部抵抗ＲC とで表わしている。
【００２９】
直流系統１への補償電流Ｉ1 は、双方向チョッパ３に用いられているスイッチＳＷ1 の変調率ｍを操作することにより制御する。スイッチＳＷ1 は、図５に示すように、一定の周期で０〜１の大きさをとる三角波であるキャリア信号Ｓ1 と変調率ｍとを比較し、キャリア信号Ｓ1 が変調率ｍより小さい間はＯＮ、大きい間はＯＦＦとする。このときスイッチＳＷ2 は、スイッチＳＷ1 と逆の動作とする。ここで、変調率ｍとキャリア信号の１周期中のスイッチＳＷ1 がＯＮとなる時間ｔ1 とＯＦＦとなる時間ｔ2 の関係は次式（１）となる。
【００３０】
【数１】
ここで、スイッチング時にスイッチＳＷ1 、ＳＷ2 が同時にＯＮとなりフィルタコンデンサＣ1 が短絡する危険がある為、通常デッドタイムを設ける。ターンＯＮのタイミングをデッドタイム分だけ遅らせて、一方のスイッチＳＷ1 又はＳＷ2 がＯＦＦした後、デッドタイム経過後にもう一方のスイッチＳＷ2 又はＳＷ1 がＯＮになるようにすることで、フィルタコンデンサＣ1 の短絡を回避する。
【００３２】
双方向チョッパ３での電力変換による損失が無い場合、直流系統１側の電圧Ｖ3 、電流Ｉ3 と電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ4 、電流Ｉ2 のキャリア信号Ｓ1 の１周期中の平均値は、変調率ｍを用いて次式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
図５に示すキャリア信号Ｓ1 の１周期中の平均値についての直流系統１側から見た等価回路は、図６となり次式（３）の関係が成り立つ。
【００３５】
【数３】
【００３６】
【数４】
【数５】
式（４）に示すように、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 の微分値は、変調率ｍの１次式となり線形な為、比較的簡単に制御できる。式（５）に示すように、直流系統１側にある電流Ｉ3 の微分値と変調率ｍとの関係は非線型性が強く制御は難しい。そこで、本形態に係る直流系統電圧安定化装置８は、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 を変調率ｍにより制御するループを形成して制御性能を良好に保持している。
【００３９】
本形態に係る直流系統電圧安定化装置８の制御系のブロック線図を図７に示す。同図に示すように、当該制御系は、直流系統１の電圧Ｖ1 を指令値Ｖ1 * に近づけるように、操作量となる双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 の変調率ｍを計算し、直流系統電圧安定化装置８の補償電流Ｉ1 の制御を行う。当該制御系は直流系統１の電圧Ｖ1 のループ、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループからなる。
【００４０】
電圧Ｖ1 のループでは、次式（６）に示すように、直流系統１の電圧Ｖ1 と直流系統電圧指令値Ｖ1 * の誤差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループの電流指令値Ｉ2 *'とする。その際、線形性を確保する為にＰＩ変換器への入力を１／ｍ倍しておく。
【００４１】
【数６】
【００４２】
なお、式（２）を考慮して変調率ｍの代りにフィルタ２のコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 と電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の測定値の比を用い、式（６）の１／ｍをＶ2 ／Ｖ3 に置き換えても良い。この場合の計算式が式（７）である。
【００４３】
【数７】
フィルタ２のコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 にはスイッチングリプルが含まれているので、より安定化した制御を行う為に、この電圧Ｖ3 の代りに、ほぼ同じ値となる直流系統の電圧Ｖ1 の測定値を用いることも可能である。この場合の計算式が式（８）である。
【００４５】
【数８】
上記式（６）〜（８）の何れかにより電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'を求める。
【００４７】
電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 は、電力貯蔵装置４の定格電流Ｉ2Lにより制限されるので、前記電流指令値Ｉ2 *'はリミッタ５でリミット処理を行い電流指令値Ｉ2 * とする。ここで、図４に示すように、電力貯蔵装置４をコンデンサＣC と直列に接続された抵抗ＲC でモデル化し、抵抗ＲC の電圧降下による影響を考える。この場合、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 は次式（９）となる。
【００４８】
【数９】
電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 が負値を取る時、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 は抵抗ＲC により低下する。同じ大きさの直流系統側電流Ｉ1 を出力しようとしたとき、この電圧降下により電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 を大きくしなければならなくなり、電力貯蔵装置４側から直流系統１側への電力の変換効率が低下する。このとき、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 が低いほど変換効率の低下が大きい。そこで、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 が負値の時の変換効率低下を避ける為、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 にゲインＫV2を乗じて符号を反転した値を電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'の下限値とする。ここでゲインＫV2、電力貯蔵装置４の定格電流Ｉ2Lは正値とする。電圧Ｖ1 のループのＰＩ制御器の出力Ｉ2 *'を、図７に示すように、電力貯蔵装置４側の電流指令値リミッタ５を通して、式（１０）に示す電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 * とする。
【００５０】
【数１０】
電流Ｉ2 のループでは、変調率ｍを操作して電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 の制御を行う。ここで、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 の指令値Ｉ2 * との誤差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をｄＩ2 とする。これは次式（１１）で求まる。
【００５２】
【数１１】
【００５３】
次に、式（１２）で示すように、ｄＩ2 を、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 相当の値としてのコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 で割り、規格化を行い変調率ｍ’を得る。
【００５４】
【数１２】
また、フィルタ２のコンデンサＣ1 の電圧Ｖ3 の代りに、ほぼ同じ値でより安定した値となる直流系統１の電圧Ｖ1 の測定値を用いることも可能である。この場合の演算式を次式（１３）に示す。
【００５６】
【数１３】
上記式（１２）、式（１３）のいずれかにより変調率ｍ’を求める。ここで、変調率ｍ’の初期値を考える。変調率ｍ’と電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 との関係は、式（４）を変形して次式（１４）で求まる。
【００５８】
【数１４】
上式（１４）で微分の項を０とするとｍ’＝Ｖ2 ／Ｖ3 となる。そこで電流Ｉ2 のループのＰＩ制御器の積分バッファの初期値をＶ2 とすることで、本形態に係る直流系統電圧安定化装置８の初期動作を安定化することができる。さらに、変量率ｍには、式（１）から物理的な制約として、０＜ｍ’＜１になるようにリミッタ６でリミット処理をする。通常、チョッパでは、スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 のＯＮ，ＯＦＦ時間が短くなりすぎないように、正値となる微小量δを用いてδ＜ｍ’＜１・δとする。ここで、直流系統１側の電流Ｉ3 の微分値は、変調率ｍに関して式（５）を変形した式（１５）のようになる。
【００６０】
【数１５】
上式（１５）よりｓＩ3 が極小値をとるときの変調率ｍLLを式（１６）に示す。
【００６２】
【数１６】
上式（１５）で求まる変調率ｍ’とｓＩ3 との関係の一例を図８に示す。同図に示すように、変調率ｍ’がｍLL以下では、変調率ｍ’が増加してもｓＩ3 が減少する。電流Ｉ3 をより減少させる為に変調率ｍ’を下げてもｍLL以下になると、電流Ｉ3 の減少率となるｓＩ3 が減少していき、制御性能が悪化する。変調率ｍの下限値をｍLLとすることにより、制御性能の悪化を回避することができる。操作量となる変調率ｍは、電流Ｉ2 のループのＰＩ制御器の出力を規格化したｍ’をリミッタ６に通して求める。これを次式（１７）に示す。
【００６４】
【数１７】
導き出された操作量である変調率ｍによりスイッチＳＷ1 ，ＳＷ2 のＯＮ、ＯＦＦ時間比を操作し、電力貯蔵装置４が充電又は放電を行い、それにより補償電流Ｉ1 が定まり、この補償電流Ｉ1 により負荷電流ＩM が補償され、直流系統１の電圧Ｖ1 が安定化する。
【００６６】
なお、図４では電力貯蔵装置４にコンデンサＣc を用いているが、コンデンサＣc の代りに各種二次電池を用いることもできる。また、チョッパ３で使用しているスイッチＳＷ1 ，ＳＷ2 は、図９のように各種半導体スイッチで好適に構成することができる。半導体スイッチとしては、図９に示すようなＩＧＢＴ等の自己消孤型素子とダイオードとを組み合わせたものが最適である。
【００６７】
スイッチＳＷ1 に、図９のようにダイオードを用いた場合、事故等により直流系統１の電圧Ｖ1 が電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 より低下してスイッチＳＷ1 のダイオードを通して電力貯蔵装置４側から直流系統１側へ大電流が流れ機器が破壊される虞れがある。そこで、図１０に示すように、スイッチング成分除去フィルタ２、双方向チョッパ３の間にストッパースイッチ１１を設けても良い。ストッパースイッチ１１は、通常ＯＮ状態にあり双方向に電流を流すが、ＯＦＦすることにより双方向チョッパ３からスイッチング成分除去フィルタ２への電流を遮断する機能をもつ。直流系統１の電圧Ｖ1 を監視し、ある既定値以下に下がるか、又はＶ1 ＜Ｖ2 となったときに、ストッパースイッチ１１をＯＦＦさせて電力貯蔵装置４側から直流系統１側への電流を遮断することにより機器の破壊を防ぐ。かかる制御はストッパースイッチ制御部１７で行う。
【００６８】
電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の動作範囲を定格電圧や、電力変換効率等により式（１８）と定めたとき、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のリミッタ処理を電力貯蔵装置４側の電流指令値のリミッタ処理の後に行う。
【００６９】
【数１８】
【００７０】
リミッタ５の出力を電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *"として、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 が式（１８）の動作範囲をはずれた場合、それ以上動作範囲から電圧Ｖ2 がはなれる方向の電流指令値Ｉ2 *"を０とするようなリミッタをかける。式（１９）のように電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 が下限値Ｖ2LL 以下の時、電力貯蔵装置４からの放電となる負極の電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *"を０として、これ以上の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の低下を防ぐ。電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 が上限値Ｖ2UL 以上の時、電力貯蔵装置４への充電となる正値の電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *"を０として、これ以上の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の上昇を防ぐ。
【００７１】
【数１９】
【００７２】
一方、図１１に示すように、待機時の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 を、ある一定値に保つために、図７に示す制御系の電圧Ｖ1 を安定化する制御系に、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のループを追加しても良い。当該電圧Ｖ2 のループは、負荷電流ＩM の発生時に十分な補償電流Ｉ1 を得られるように電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 を制御する。電力貯蔵装置４側の電圧指令電圧Ｖ2 * の例としては、負荷がモータの場合、回生、力行のどちらがおこっても補償できるように、式（１８）の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 の動作範囲のなかで、電力貯蔵コンデンサＣC に貯えられているエネルギーが中央値となる式（２０）の値にする。
【００７３】
【数２０】
回生、力行時の負荷の大きさが異なる場合は、電圧指令電圧Ｖ2 * を式（２０）の値からより適した値に変更する。回生時の負荷が大きい場合は、電圧指令電圧Ｖ2 * を下げ、力行時の負荷が大きい場合は電圧指令電圧Ｖ2 * を上げる。電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のループでは、式（２１）に示すように電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 と電力貯蔵装置４側の電圧指令電圧Ｖ2 * の誤差（Ｖ2 −Ｖ2 * ）を入力としたＰＩ制御を行う。
【００７５】
【数２１】
【００７６】
上記ＰＩ制御器のゲインは、電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 のループにより直流系統１の電圧Ｖ1 を大きく変動させないように、また負荷電流補償時に直流系統１の電圧Ｖ1 を安定化する制御ループに大きな影響を与えないようにするため、ＰＩ制御器の時定数が大きくなるよう低めに設定する。このＰＩ制御器の積分バッファの初期値をＶ2 とすることで、本発明の直流系統電圧安定化装置８の初期動作を安定化することができる。
【００７７】
式（２１）のＰＩ制御器の出力Ｉ2V2 *'を式（２２）に係わる電圧Ｖ2 のループのリミッタ１２を通して電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループの電流指令値Ｉ2 * に加える。
【００７８】
【数２２】
【００７９】
また、例えば電車のダイヤのような、負荷の運用スケジュールを予め知ることのできる場合、その運用スケジュールに合わせて予め予備充放電を行い、待機時の電力貯蔵装置４側の電圧Ｖ2 を最適な値にしておくことで、より効果的に直流系統１の電圧Ｖ1 の安定化を行うことができる。例えば負荷がモータの場合、力行の前にあらかじめ予備充電を行う。モータの負荷電流を電力貯蔵装置４の放電により十分補償できるような高い電圧指令値Ｖ2 * 、例えば上限値のＶ2UL に設定する。また、モータの回生の前に予め予備放電を行う。例えば、回生電流により電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 が上限値Ｖ2UL を超えそうなときは、その回生電流によるエネルギーをＰＩＭとすると、電力貯蔵装置４で十分に吸収できるように、式（２３）を満たす低い電力貯蔵装置４側の電圧指令値Ｖ2 * を設定する。
【００８０】
【数２３】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態も、上記第１の実施の形態と同様に、図１及び図２に示すように、直流系統１に接続した電力貯蔵装置４を含む直流系統電圧安定化装置８であって、電力貯蔵装置４から充放電することにより補償電流Ｉ1 を制御するものである。この点は、上記第１の実施の形態と同様である。そこで、図中、第１の実施の形態と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００８２】
本形態は、図１２に示すように、双方向チョッパ３のスイッチングタイミングを制御する制御部２１の構成が、第１の実施の形態に対して異なる。すなわち、直流系統１側の補償電流Ｉ1 、直流系統１側の電流指令値Ｉ1 * 及び電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 とに基づき変調率ｍを決定するものである。
【００８３】
本実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置８の制御系のブロック線図を図１３に示す。同図に示すように、当該制御系は、補償電流Ｉ1 を直流系統１側の電流指令値Ｉ1 * に近づけるように、操作量となる双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 の変調率ｍを計算し、直流系統１側の補償電流Ｉ1 の制御を行うものである。すなわち、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループ、電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループを有しており、これにより変調率ｍによる直流系統１側の補償電流Ｉ1 の制御を行う。
【００８４】
直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループは、式（２４）のように直流系統１側の補償電流Ｉ1 の電流指令値Ｉ1 * との偏差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置４側の電流Ｉ2 のループの電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'とする。その際、線形性を確保する為にＰＩ変換器への入力を１／ｍ倍する。
【００８５】
【数２４】
【００８６】
【数２５】
上式（２４）、式（２５）のいずれかにより電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'を求める。
【００８８】
図１３に示す制御系におけるリミッタ５以降の制御は、上記第１の実施の形態における制御系（図７参照。）と同様である。当該制御系で得る操作量である変調率ｍによりスイッチＳＷ1 ，ＳＷ2 のＯＮ，ＯＦＦ時間比を操作し、電力貯蔵装置４が充電または放電を行う。この動作ににより補償電流Ｉ1 が定まる。
【００８９】
図１３に示す制御系における直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器またはＰ制御器への入力を、偏差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01（図１参照。）を与えることにより、負荷電流ＩM による給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01の変動を抑えるように補償電流Ｉ1 を制御して、直流系統電圧Ｖ1 を安定化するようにしても良い。この制御系を図１４に示す。ここで、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループでＰＩ制御器を用いている場合は式（２６）、Ｐ制御器を用いている場合は式（２７）の演算を行う。
【００９０】
【数２６】
【数２７】
上式（２６）、（２７）のいずれかにより電力貯蔵装置４側の電流指令値Ｉ2 *'を求める。また、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器又はＰ制御器への入力を、給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01の代りに負荷Ｌ側の直流系統１の電流Ｉ02を与える場合、上式（２６）、（２７）においてＩ01をＩ02と置き換えれば良い。
【００９３】
図１４に示す制御系において、直流系統１側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器またはＰ制御器への入力の給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01を、直流系統電圧Ｖ1 から求めることにより与え、負荷電流ＩM による給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01の変動をおさえるように直流系統１側の補償電流Ｉ1 を制御して、直流系統電圧Ｖ1 を安定化するようにしても良い。この制御系を図１５に示す。当該制御系において、負荷電流ＩM ＝０の時、給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01＝０となり、直流系統電圧Ｖ1 は給電装置１０の電圧Ｖ0 に等しくなっている。給電装置１０側の直流系統１の電流Ｉ01と直流系統電圧Ｖ1 の関係式は、次式（２８）で求まる。
【００９４】
【数２８】
【００９５】
上式（２８）により直流系統電圧Ｖ1 を入力とした直流系統１側の電流Ｉ1 のループを、直流系統１側の電流Ｉ1 のループでＰＩ制御器を用いている場合は式（２９）、Ｐ制御器を用いている場合は式（３０）とする。
【００９６】
【数２９】
【数３０】
【００９８】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに詳細に説明した通り、本願発明によれば、次の様な効果を得る。
１） 回生電流を電力貯蔵装置に充電し、力行時に放電することによりエネルギーを有効利用できる。また、接続した直流系統の電圧を安定化できる。
２） 電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループでは、式（４）に示すように、変調率ｍによる前記電流Ｉ2 の制御を容易に行うことができ、高い制御性能が得られる。さらに、直流系統電圧Ｖ1 のループの出力値を電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループに与えることで直流系統電圧Ｖ1 の安定化制御を行うことができる。
３） 制御中のスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 の測定値を使用している箇所で、スイッチングリプルの除去されていない前記電圧Ｖ3 の代りに、平均値としてはほぼ同じ大きさとなる直流系統電圧Ｖ1 を用いることにより制御系がより安定することを期待できる。
４） 電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * の下限値を電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 により変化させることで、補償電流Ｉ1 が負値の時の電力変換効率の低下を避けることができる。
５） 変調率ｍの下限値を設定することにより、制御性能が悪化する領域を回避できる。
６） ストッパースイッチを設けることにより、事故等により直流系統Ｖ1 が既定値より低下もしくは、Ｖ1 ＜Ｖ2 となった場合の大電流発生による機器の破壊を防ぐことができる。
７） 電力貯蔵装置側の制御系により電力貯蔵装置の予備充放電を行い、負荷電流ＩL の発生時に十分な補償電流Ｉ1 を得るようにすることができる。
９） 補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器またはＰ制御器への入力に、直流系統における給電装置側の電流Ｉ01又は負荷側の電流Ｉ02を与えることにより、直流系統電圧Ｖ1 を安定化することができる。
１０） 補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器又はＰ制御器への入力に、直流系統電圧Ｖ1 と給電装置の電圧Ｖ0 の偏差を線路インピーダンスＺ1 で割った（Ｖ1 −Ｖ0 ）／Ｚ1 を与えることにより、直流系統電圧Ｖ1 を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置を組み込んだ直流系統を示すブロック線図である。
【図２】図１における直流系統電圧安定化装置をさらに詳細に示すブロック線図である。
【図３】図２における直流系統電圧安定化装置をさらに詳細に示すブロック線図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置の具体的な回路図である。
【図５】図４に示す双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 、ＳＷ2 のタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置をその直流系統側から見た等価回路を示す回路図である。
【図７】図４に示す双方向チョッパ３の制御系を示すブロック線図である。
【図８】図７に示す制御系における変調率ｍ’とsI3 （電流I3の微分値）との関係を示すグラフである。
【図９】図４に示す双方向チョッパ３のスイッチＳＷ1 、ＳＷ2 の具体的構成を示す回路図である。
【図１０】図４に示すスイッチング成分除去フィルタと双方向チョッパとの間にストッパースイッチを設けた場合の直流系統電圧安定化装置を示すブロック線図である。
【図１１】図４に示す双方向チョッパ３の他の制御系を示すブロック線図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る直流系統電圧安定化装置の具体的な回路図である。
【図１３】図１２に示す双方向チョッパ３の第１の制御系を示すブロック線図である。
【図１４】図１２に示す双方向チョッパ３の第２の制御系を示すブロック線図である。
【図１５】図１２に示す双方向チョッパ３の第３の制御系を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１ 直流系統
２ スイッチング成分除去フィルタ
３ 双方向チョッパ
４ 電力貯蔵装置
５ リミッタ
６ リミッタ
７ 接続点
８ 直流系統電圧安定化装置
９ 電力変換装置
１０ 給電装置
１１ ストッパースイッチ
１２ リミッタ
１３ 制御部
１４ ストッパスイッチ制御部
２１ 制御部
Claims (16)
- 直流電源である給電装置から負荷に電力を供給する直流系統に接続され、この直流系統の電圧の安定化を図る直流系統電圧安定化装置において、
電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、
この電力貯蔵装置と直流系統との間に接続されて前記直流系統からの電力を前記電力貯蔵装置に導入するとともに、この電力貯蔵装置に貯蔵した電力を前記直流系統に放出させる双方向チョッパと、
この双方向チョッパと直流系統との間に接続されて双方向チョッパのスイッチング動作に起因するリップル電流の直流系統への流出を低減するスイッチング成分除去フィルタと、
前記双方向チョッパのスイッチング動作を制御する制御部とを有し、
この制御部で双方向チョッパのスイッチングタイミングを制御して直流系統から電力貯蔵装置に電流を供給するか、又は電力貯蔵装置から直流系統に電流を供給することにより、直流系統と当該直流系統電圧安定化装置との接続点との電圧である直流系統電圧Ｖ１ が一定となるよう調整すること、
直流系統電圧Ｖ1 と直流系統電圧指令値Ｖ1 * の偏差を変調率ｍで割った（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍを入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 との偏差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 で割ることにより規格化して変調率ｍを得、この変調率ｍで制御部により双方向チョッパのスイッチング動作を制御して前記直流系統から当該直流系統電圧安定化装置に流入する補償電流Ｉ1 を調整し、直流系統電圧Ｖ1 の安定化を図ることを特徴する直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕に記載する直流系統電圧安定化装置において、 直流系統電圧Ｖ1 のループにおけるＰＩ制御器の入力を、（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍ の代わりに、電圧Ｖ3 と電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 との比を偏差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）に乗じた（Ｖ1 −Ｖ1 * ）×（Ｖ2 ／Ｖ3 ）とすることを特徴とする直流系統電圧安定化装置。
- 〔請求項１〕に記載する直流系統電圧安定化装置において、 直流系統電圧Ｖ1 のループにおけるＰＩ制御器の入力を、（Ｖ1 −Ｖ1 * ）／ｍの代りに、直流系統電圧Ｖ1 と電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 との比を偏差（Ｖ1 −Ｖ1 * ）に乗じた（Ｖ1 −Ｖ1 * ）×Ｖ2 ／Ｖ1 としたことを特徴としたことを特徴とする直流系統電圧安定化装置。
- 〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループにおけるＰＩ制御出力の規格化を、直流系統電圧Ｖ1 で割りそれを変調率ｍとすることを特徴とする直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕乃至〔請求項４〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * の下限値を電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 にゲインＫV2を乗じて符号を反転した値とすることを特徴する直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕乃至〔請求項５〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
変調率ｍの下限値をＶ2 ／２Ｖ3 とすることで制御性能の悪くなる領域を回避することを特徴とする直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕乃至〔請求項６〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 が下限値Ｖ2LL 以下の時、負値の電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * を０とし、上限値Ｖ2UL 以上の時、正値の電力貯蔵装置側の電流指令値Ｉ2 * を０とすることにより、電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 を動作範囲内に収めるようにしたことを特徴する直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕乃至〔請求項７〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置側電圧Ｖ2 と電力貯蔵装置側指令電圧Ｖ2 * の誤差（Ｖ2 −Ｖ2 * ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループの電力貯蔵装置側電流指令値Ｉ2 * に加えることにより、待機時の電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 を一定にすることを特徴する直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕乃至〔請求項８〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
負荷の運用スケジュールに合せて電力貯蔵装置側の電圧Ｖ2 のループの電力貯蔵装置側の電圧指令値Ｖ2 * を定め、より効果的に直流系統電圧Ｖ1 の安定化を行うことを特徴とする直流系統電圧安定化装置。 - 直流電源である給電装置から負荷に電力を供給する直流系統に接続され、この直流系統の電圧の安定化を図る直流系統電圧安定化装置において、
電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、
この電力貯蔵装置と直流系統との間に接続されて前記直流系統からの電力を前記電力貯蔵装置に導入するとともに、この電力貯蔵装置に貯蔵した電力を前記直流系統に放出させる双方向チョッパと、
この双方向チョッパと直流系統との間に接続されて双方向チョッパのスイッチング動作に起因するリップル電流の直流系統への流出を低減するスイッチング成分除去フィルタと、
前記双方向チョッパのスイッチング動作を制御する制御部とを有し、
この制御部で双方向チョッパのスイッチングタイミングを制御して直流系統から電力貯蔵装置に電流を供給するか、又は電力貯蔵装置から直流系統に電流を供給することにより、直流系統と当該直流系統電圧安定化装置との接続点との電圧である直流系統電圧Ｖ１ が一定となるよう調整すること、
直流系統側の補償電流Ｉ1 とその電流指令値Ｉ1 * との偏差を変調率ｍで割った（Ｉ1 * −Ｉ1 ）／ｍを入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力を電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 のループの電流指令値Ｉ2 * として電力貯蔵装置側の電流Ｉ2 との偏差（Ｉ2 * −Ｉ2 ）を入力としたＰＩ制御を行い、そのＰＩ制御器の出力をスイッチング成分除去フィルタの電圧Ｖ3 で割ることにより規格化して変調率ｍを得、この変調率ｍで制御部により双方向チョッパのスイッチング動作を制御して補償電流Ｉ1 を調整し、直流系統電圧Ｖ1 の安定化を図ることを特徴する直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１０〕に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側電流Ｉ1 ループのＰＩ制御器への入力に、誤差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに給電装置側の直流系統の電流Ｉ01を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化することを特徴とする直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１０〕に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器への入力に、誤差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに負荷側の直流系統の電流Ｉ02の符号を反転した値を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化することを特徴とする直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１０〕に記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器への入力に、偏差（Ｉ1 * −Ｉ1 ）の代りに直流系統電圧Ｖ1 と給電装置の電圧Ｖ0 との偏差を線路インピーダンスＺ1 で割った（Ｖ1 −Ｖ0 ）／Ｚ1 を与えることにより直流系統電圧Ｖ1 を安定化することを特徴する直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１０〕乃至〔請求項１３〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
直流系統側の補償電流Ｉ1 のループのＰＩ制御器の代りに、Ｐ制御器を用いることを特徴とする直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕乃至〔請求項１４〕の何れか一つに記載する直流系統電圧安定化装置において、
電力貯蔵装置を二次電池で構成したことを特徴とする直流系統電圧安定化装置。 - 〔請求項１〕乃至〔請求項１５〕に記載する何れか一つの直流系統電圧安定化装置において、
スイッチング成分除去フィルタと双方向チョッパとの間にストッパースイッチを設け、事故等により直流系統電圧Ｖ1 が既定値より低下、又はＶ1 ＜Ｖ2 となった場合、前記ストッパースイッチをＯＦＦさせて電力貯蔵装置側から直流系統側への電流を遮断することにより、大電流発生による機器の破壊を防止するようにしたことを特徴とする直流系統電圧安定化装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001196111A JP3770110B2 (ja) | 2001-06-28 | 2001-06-28 | 直流系統電圧安定化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001196111A JP3770110B2 (ja) | 2001-06-28 | 2001-06-28 | 直流系統電圧安定化装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003018746A JP2003018746A (ja) | 2003-01-17 |
| JP3770110B2 true JP3770110B2 (ja) | 2006-04-26 |
Family
ID=19033978
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001196111A Expired - Fee Related JP3770110B2 (ja) | 2001-06-28 | 2001-06-28 | 直流系統電圧安定化装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3770110B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3964857B2 (ja) * | 2003-12-04 | 2007-08-22 | 株式会社日立製作所 | 電鉄用回生電力吸収制御方法 |
| KR100634611B1 (ko) * | 2004-12-23 | 2006-10-16 | 현대자동차주식회사 | 양방향 3상 직류변환장치의 제어장치 및 제어방법 |
| US7772806B2 (en) | 2006-04-11 | 2010-08-10 | Mitsubishi Electric Corporation | Power storage system |
| JP2008160912A (ja) * | 2006-12-21 | 2008-07-10 | Ihi Corp | モータ制御装置、モータ制御方法 |
| JP5347780B2 (ja) * | 2009-07-07 | 2013-11-20 | 株式会社明電舎 | 電気鉄道用き電線電圧補償装置における放電制御方法 |
| KR101191244B1 (ko) * | 2012-01-05 | 2012-10-18 | 주식회사 우진산전 | 양방향 디씨-디씨 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치 |
| KR101524786B1 (ko) * | 2013-12-18 | 2015-06-01 | 포스코에너지 주식회사 | 계통전압 센싱옵셋 보상방법 및 그 장치 |
| KR20240046774A (ko) * | 2022-08-26 | 2024-04-09 | 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤 | 직류 배전 시스템 및 전압 안정화 장치 |
-
2001
- 2001-06-28 JP JP2001196111A patent/JP3770110B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003018746A (ja) | 2003-01-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2646226C (en) | Bidirectional buck boost dc-dc converter, railway coach drive control system, and railway feeder system | |
| JP6153144B1 (ja) | Ｄｃ／ｄｃコンバータの制御装置および制御方法 | |
| JP6030755B2 (ja) | 電源保護のためのｄｃ／ｄｃ電力コンバータ制御方式 | |
| JP2007521583A (ja) | 代替エネルギーシステム制御方法および装置 | |
| JPH07135013A (ja) | 燃料電池発電装置のガス欠防止回路 | |
| WO2010032316A1 (ja) | Ｄｃｄｃ変換装置 | |
| JP2005278269A (ja) | 車両用駆動制御装置 | |
| US11764595B2 (en) | Clamping current limit of a hysteretic power converter to a minimum value to ensure graceful shutdown at battery end of life | |
| JP3770110B2 (ja) | 直流系統電圧安定化装置 | |
| JP6877640B2 (ja) | 電力変換装置および電力変換システム | |
| KR101512258B1 (ko) | 충방전 장치 | |
| WO2006098000A1 (ja) | コンバータ | |
| JPH11262187A (ja) | 電力貯蔵システムの制御装置 | |
| JP2007215378A (ja) | 無停電電源装置 | |
| KR20150005868A (ko) | 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법 | |
| JP2015109781A (ja) | 系統連系電力変換装置 | |
| CN109962607B (zh) | 一种限流控制调节方法和装置 | |
| JP4569552B2 (ja) | 瞬時電圧低下補償装置 | |
| JP5191270B2 (ja) | デッドバンド補償方法および補償装置 | |
| JP3058928B2 (ja) | インバータ装置 | |
| JPH02164236A (ja) | 無停電電源装置 | |
| JP6969342B2 (ja) | モータ駆動装置 | |
| JP2023160041A (ja) | 燃料電池システム | |
| JPH02262840A (ja) | アクティブフィルタの制御装置 | |
| JP4016767B2 (ja) | Ｄｃ−ｄｃコンバータ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040823 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050722 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050802 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051003 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060117 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060130 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3770110 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100217 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110217 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110217 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120217 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130217 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140217 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |