JP3890924B2

JP3890924B2 - Electric car drive system

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Publication number: JP3890924B2
Application number: JP2001200348A
Authority: JP
Inventors: 貴紀杉田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: JP2003018702A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気車の駆動システムに関する。さらに詳言すると、電気車に電力貯蔵システムを搭載してモータの駆動電力の供給及び回生電力の吸収を行い得るようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流電気鉄道において、電気車への電力の供給は、一般に次のような経路で行われている。すなわち、電気車の加速時・登坂時などの力行時には、き電変電所からき電線・架線を経由して電気車に電力が供給され、回生制動時には電気車から架線・き電線を介して別の力行中の電気車に電力が供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来技術においては、電気車が回生制動をかける際に他に力行中の車両が存在しないと回生電力の行き場がなくなるため、回生を行うことができなくなる。すなわち、回生失効という問題を生起する。また、直流電気鉄道ではき電線・架線の電流が大きいため、き電線・架線での電圧降下が大きくき電変電所から遠い地点では電圧を定格値に保つことが難しい。このため、き電変電所の間隔をあまり大きくすることができず、設備投資額が高騰する。さらに、き電線・架線の抵抗成分による損失が大きく、エネルギー的に無駄が多い。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に鑑み、き電線・架線の電圧の安定化及び損失の低減を実現するとともに、設備費の低減も図り得る電気車の駆動システム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。
【００１１】
１）架線から供給される直流電力をモータ駆動変換器で変換して駆動源であるモータを駆動することにより走行する電気車の駆動システムにおいて、
上記架線に対してモータ駆動変換器に並列に大容量蓄電装置を接続し、当該電気車の力行時には大容量蓄電装置からモータ駆動変換器に電力を供給するとともに、回生時にはモータ駆動変換器から大容量蓄電装置に電力を供給してこの大容量蓄電装置に蓄電するように構成し、
前記大容量蓄電装置は、ＤＣ／ＤＣ変換器と、このＤＣ／ＤＣ変換器の制御装置と、大容量二次電池又は大容量コンデンサとで構成し、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、双方向チョッパ、フィルタ及び逆流防止スイッチで構成するとともに、
前記双方向チョッパは、２個の自己消弧形スイッチング素子を交互にＯＮ，ＯＦＦさせることで、フィルタ側と、大容量二次電池又は大容量コンデンサ側との双方向に電流を流すことが可能であり、その電流は自己消弧形素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を調整することで制御可能なものとし、
前記フィルタは、双方向チョッパへ流れ込む補償電流を平滑化するものであり、
前記逆流防止スイッチは、架線の電圧が大容量二次電池又は大容量コンデンサの電圧よりも小さくなった場合にＯＦＦ状態となり、双方向チョッパと架線との接続状態を遮断するものとし、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の制御装置は、モータ駆動変換器への入力電流と当該ＤＣ／ＤＣ変換器への補償電流とを検出し、前記入力電流を電流指令値として補償電流との偏差が小さくなるようにＤＣ／ＤＣ変換器を制御するものであり、
前記制御装置は、補償電流Ｉ_Cを制御するための制御ループ及び大容量二次電池又は大容量コンデンサへの充放電電流Ｉ_Bを制御するための制御ループを有し、入力電流Ｉ_Lを電流指令値Ｉ^* _Cとし、これと補償電流Ｉ_Cとの偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリミッタを通した上で、次段の充放電電流Ｉ_Bの制御ループの電流指令値Ｉ^* _Bとし、さらに前記電流指令値Ｉ^* _Bと充放電電流Ｉ_Bの検出値との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリミッタを通した上で変調率指令値ｍ^*とし、次に、変調率指令値ｍ^*を基に、変調率指令値ｍ^*とキャリア信号とを比較器に入力し、その出力信号をスイッチング信号とし、このスイッチング信号に基づきゲート信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器のスイッチング素子のスイッチングタイミングを制御するようにしたこと。
【００１２】
２）上記１）に記載する電気車の駆動システムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換器の制御装置は、架線への架線電流を検出し、零とする電流指令値と前記架線電流との偏差が小さくなるようにＤＣ／ＤＣ変換器を制御するものであること。
【００１３】
３）上記２）に記載する電気車の駆動システムにおいて、制御装置は、架線電流Ｉ _S を制御するための制御ループ及び大容量二次電池又は大容量コンデンサへの充放電電流Ｉ_Bを制御するための制御ループを有し、電流値零を電流指令値Ｉ^* _Bとし、これと架線電流Ｉ _S との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリミッタを通した上で、次段の充放電電流Ｉ_Bの制御ループの電流指令値Ｉ^* _Bとし、さらに前記電流指令値Ｉ^* _Bと充放電電流Ｉ_Bの検出値との偏差をＰＩ制御器に入力するとともに所定のリミッタを通した上で変調率指令値ｍ^*とし、次に、変調率指令値ｍ^*を基に、変調率指令値ｍ^*とキャリア信号とを比較器に入力し、その出力信号をスイッチング信号とし、このスイッチング信号に基づきゲート信号を形成してＤＣ／ＤＣ変換器のスイッチング素子のスイッチングタイミングを制御するようにしたこと。
【００１４】
４）上記１）乃至３）に記載する何れか一つの電気車の駆動システムにおいて、電気車の運転ダイヤや速度・位置に基づき大容量蓄電装置の充放電のパターン及びリミッタの制御を行うこと。
【００１５】
【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。
【００１６】
本発明は電気鉄道の電気車に大容量蓄電装置を設け、力行時の電力は、主にこの大容量蓄電装置から供給する一方、回生制動時の回生電力は前記大電流蓄電装置に蓄えることによって、電気車に架線から供給する電力量及び電気車が架線に回生する電力量を低減するものである。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係る電気車の駆動システムを電気車に搭載した状態で示す全体のブロック線図である。同図に示すように、当該電気車Ｉは、架線１からパンタグラフ２を介して供給される直流電力をモータ駆動変換器３で交流又は他の電圧の直流に変換し、変換後の交流又は直流電力により駆動源であるモータ４を駆動するようになっている。かかる構成は従来技術と同様である。
【００１８】
本形態では、上記架線１に対してモータ駆動変換器３に並列に大容量蓄電装置５を接続している。かくして、電気車Ｉが力行する際には大容量蓄電装置５からモータ駆動変換器３にエネルギーを供給し、回生時には逆にモータ駆動変換器３から大容量蓄電装置５へエネルギーを供給する。また、大容量蓄電装置５の容量や電流定格の制限から、力行時にモータ駆動変換器３が必要とする電流に対して大容量蓄電装置５だけでは不足する場合は、不足分を架線１から供給する一方、回生時にモータ駆動変換器３が発生した回生電流を大容量蓄電装置５だけでは回収できない場合には、その余剰分を架線１に回生するものとする。
【００１９】
以上の構成により、十分な容量の大容量蓄電装置５を用いれば、架線１を流れる電流を従来と比較して大幅に小さくすることができる。これにより、架線電圧が定格電圧から大きく変動する現象を抑制することが可能となる。同時に、架線１での損失が小さくなるため、従来に比べて省エネルギーとなる鉄道システムを構築可能となる。また、架線１へ回生される電力が大幅に小さくなるので、回生失効が起こりにくくなる。さらに、路線を走る全ての電気車Ｉに本形態の電気車の駆動システムを搭載することで、き電線に従来のような大電流が流れることがなくなるので、き電線を細くしたりき電線長を長くする（変電所間隔を広げる）ことが可能となる。これにより、電気鉄道の地上設備の大幅なコストダウンが可能となる。
【００２０】
図２は図１の大容量蓄電装置の構成をさらに詳細に示すブロック線図である。同図に示すにように、当該大容量蓄電装置５は、ＤＣ／ＤＣ変換器６、大容量二次電池（または大容量コンデンサ）７及び制御装置８で構成する。ここで、図２に示すように架線１を流れる架線電流をＩ_S、モータ駆動変換器３の入力電流をＩ_L、大容量蓄電装置５からの補償電流をＩ_C、大容量二次電池７の充放電電流をＩ_Bとする。ＤＣ／ＤＣ変換器６は大容量二次電池７からの充放電電流Ｉ_Bの制御のために必要であり、双方向に電流を流すことができる変換器である必要がある。制御装置８は電流検出器９、１０で検出した入力電流Ｉ_L及び補償電流Ｉ_Cを表す信号を入力とし、ＤＣ／ＤＣ変換器６の各素子のゲート信号を出力とする。制御装置８では架線電流Ｉ_Sの絶対値を小さくするように補償電流Ｉ_Cの制御を行うものとする。
【００２１】
かかる大容量蓄電装置５の具体的な主回路構成の一例を図３に示す。同図では制御装置８を省略して示してある。この制御装置８については後述する。また、同図においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴのシンボルを用いているが、ＩＧＢＴに限らず自己消弧形素子であれば置換可能である。
【００２２】
図３に示すように、大容量蓄電装置５は、逆流防止スイッチ１１、ＬＣフィルタ１２及び双方向チョッパ１３からなるＤＣ／ＤＣ変換器６と、大容量二次電池７とを有している。双方向チョッパ１３は自己消弧形素子と逆並列ダイオードを組み合わせたもの２組と平滑リアクトルで構成される。この双方向チョッパ１３は２個の自己消弧形素子を交互にＯＮ，ＯＦＦさせることで、ＬＣフィルタ１２側の電圧が大容量二次電池７側の電圧よりも高い場合に、双方向に電流を流すことが可能であり、その電流は自己消弧形素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を調整することで制御可能である。双方向チョッパ１３のＬＣフィルタ１２側の電流は双方向チョッパ１３のスイッチングによってパルス状の波形となっており、これをそのまま架線・き電線に流した場合には様々な悪影響を及ぼす虞がある。このため、ＬＣフィルタ１２で前記電流の高周波成分を取り除いている。
【００２３】
双方向チョッパ１３の動作を図４を用いて説明する。リアクトルＬ_Cの両端にかかる電圧Ｖ_Lcはスイッチの状態に応じて図４のようになる。すなわち、スイッチＳ₂又はダイオードＤ₂が導通状態にあるとき、電圧Ｖ_Lcは大容量二次電池７の電圧Ｖ_Bに等しくなり、スイッチＳ₁又はダイオードＤ₁が導通状態にあるときは電圧Ｖ_Bは電圧Ｖ_CFに等しくなる。スイッチＳ₂又はダイオードＤ₂が導通状態にあるときは電圧Ｖ_Lcは正となるためリアクトルＬ_Cの電流Ｉ_Lcは増加し、逆にスイッチＳ₁又はダイオードＤ₁が導通状態にあるときは電圧Ｖ_Lcは負となるためリアクトルＬ_Cの電流Ｉ_Lcは減少する。ここで、後述する理由により大容量二次電池７の電圧Ｖ_Bはフィルタコンデンサの電圧Ｖ_CFよりも小さくなるように動作点を設定してあるので、スイッチＳ₁又はダイオードＤ₁が導通状態にあるときはＶ_Lc＝Ｖ_B−Ｖ_CFは負となる。このため、電流Ｉ_LcはスイッチＳ₁（又はスイッチＳ₂）のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を調整しながらスイッチＳ₁、Ｓ₂を交互にＯＮ，ＯＦＦさせることで制御可能である。電流Ｉ_Fは、図４に示すようにスイッチＳ₁又はダイオードＤ₁が導通状態の時は電流Ｉ_Bに等しく、それ以外の時には０となる。これをＬＣフィルタ１２で平滑化した電流が補償電流Ｉ_Cとなる。
【００２４】
図４は大容量二次電池７から放電する場合（Ｉ_Bが正の場合）について示したものであるが、電流Ｉ_Bが逆方向に流れる場合も電流の符号が変わるだけで同様の動作となる。
【００２５】
図４に示す回路の双方向チョッパ１３が正常に動作するためには、双方向チョッパ１３のＬＣフィルタ１２側の電圧Ｖ_CFが大容量二次電池７側の電圧Ｖ_Bよりも大きい必要がある。さもないとスイッチＳ₁，Ｓ₂の状態に関係なくリアクトルＬ_Cの電圧Ｖ_Lcが常に正となってしまい、充放電電流Ｉ_Bが増加し続けてしまうために充放電電流Ｉ_Bを制御することができなくなってしまう。かかる現象を回避するために逆流防止スイッチ１１を設けている。逆流防止スイッチ１１の自己消弧形素子は通常ＯＮ状態で用いるが、架線１の電圧が大容量二次電池７の電圧よりも小さくなった場合にＯＦＦにし、大容量二次電池７から架線１に大電流が流れるのを防止している。
【００２６】
ところで、モータ駆動用変換器３にはモータ４の種類によってＤＣ／ＤＣ変換器やＤＣ／ＡＣ変換器といった半導体電力変換器を用いるのが普通である。このため、前記大容量蓄電装置５と同様に、当該モータ駆動変換器３から架線１側に高い周波数成分を含む電流を流出させないために、モータ駆動変換器３にもＬＣフィルタを設けるのが普通である。このＬＣフィルタと大容量蓄電装置５のＬＣフィルタを共用とし、図５のような構成とすることも可能である。なお、図５中、図４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。
【００２７】
図６は、図２の大容量蓄電装置５における制御装置８のさらに具体的な構成例を示すブロック線図である。同図に示すように、制御装置８では、電流検出器９で検出したモータ駆動変換器３への入力電流Ｉ_Lを、大容量蓄電装置５の電流指令値Ｉ^* _Cとし、これに電流検出器１０で検出する補償電流Ｉ_Cが一致するようにフィードバック制御を行う。
【００２８】
ここで、入力電流Ｉ_L及び補償電流Ｉ_Cがパルス状電流の場合など、高周波成分を多く含む場合には、図７に示すように、電流検出器９、１０の出力信号である電流検出値を必要に応じてローパスフィルタ１４、１５に通した後、これを処理するようにしても良い。
【００２９】
大容量二次電池７の容量や定格電流の制限等によって大容量蓄電装置５の電流Ｉ_Cを指令値Ｉ^* _Cと一致させることができないことがある。この場合には、リミッタ１６（図６及び図７参照。）を作動させ、各部の定格電流・動作範囲を超えないように制御する。リミッタ１６の作動によって指令値通りの電流が得られない場合、不足分は架線１に流れることになる。
【００３０】
制御装置８のより具体的な構成例を図８に示す。同図に示す制御装置８は、図３又は図５に示す主回路に適用するためのものである。まず、同図の電流制御部分について説明する。電流制御部分は、Ｉ_C，Ｉ_L，Ｉ_Bの各検出値を入力とし、ゲート信号Ｇ₁，Ｇ₂を出力とする。図では省略してあるが、電流検出値に高周波成分が多く含まれるときは必要に応じて電流検出値をローパスフィルタを通すフィルタ処理を行う。電流制御部分は、大容量二次電池７の充放電電流Ｉ_Bを制御するためのフィードバックループと大容量蓄電装置５の入力電流Ｉ_Cを制御するためのフィードバックループ及びゲート信号生成部から構成される。
【００３１】
補償電流Ｉ_Cを制御するためのフィードバックループでは、入力電流Ｉ_Lを指令値Ｉ^* _C（補償電流Ｉ_Cの指令値）とし、これと補償電流Ｉ_Cとの偏差をＰＩ制御器１７に入力する。ＰＩ制御器１７の出力はリミッタ１８を通した上で次段の電流Ｉ_Bの制御ループの電流指令値Ｉ^* _Bとする。リミッタ１８では大容量二次電池７の電流定格を超えないように電流指令値Ｉ^* _Bを一定範囲内に制限するようリミッタをかける。また、電圧Ｖ_Bに基づき大容量二次電池７の充電状態を判断し、それ以上の放電が不可能な場合には電流指令値Ｉ^* _B≦０となるように、またそれ以上充電できないときには電流指令値Ｉ^* _B≧０となるようにリミッタを制御する。
【００３２】
次段の電流Ｉ_Bを制御するループでは、前段で求めた電流指令値Ｉ^* _Bと電流検出値Ｉ_Bとの偏差をＰＩ制御器１９に入力し、その出力をリミッタ２０に通した上で変調率指令値ｍ^*とする。変調率ｍはスイッチＳ₁のＯＮ時間ｔ₁とスイッチＳ₂のＯＮ時間ｔ₂を用いて次式のように定義する。
【数１】

【００３３】
リミッタ２０では変調率指令値ｍ^*の上限値・下限値を制御する。上式より０≦ｍ≦１であるが、通常は細すぎるＯＮパルスやＯＦＦパルスを発生しないようにリミッタ範囲をこれより狭くするのが一般的である。
【００３４】
次に、変調率指令値ｍ^*を基にスイッチング信号を生成する。具体的には変調率指令値ｍ^*とキャリア信号発生部２２が発生するキャリア信号とを比較器２２に入力し、その出力信号をスイッチング信号とする。キャリア信号としては、図９に示すような三角波を用いる。この場合、キャリア三角波の周波数がスイッチング周波数となる。
【００３５】
上述の処理により発生したスイッチング信号Ｇ′₁，Ｇ′₂に対して、デッドタイム処理部２３でターンオンのタイミングを微小時間だけ遅らせる処理を施したものをスイッチング素子のゲート信号Ｇ₁，Ｇ₂とする。ここで、デッドタイム処理はスイッチＳ₁，Ｓ₂が同時にＯＮになるのを防止するために必要な処理である。
【００３６】
次に、逆流防止スイッチ１１の制御部について説明する。ゲート信号Ｇ₃はスイッチＳ₃のゲート信号であり、通常の動作においては常時ＯＮ（Ｇ₃＝１）となっている。これに対し、電圧Ｖ_Sが電圧Ｖ_Bより小さくなった場合にはＧ₃＝０として逆流防止スイッチ１１をＯＦＦにし、大容量蓄電装置５から架線１に電流が流れるのを防止する。また、電圧Ｖ_Sと電圧Ｖ_Bとを比較器２４で比較した後、必要に応じて状態保持器２５を設け、ひとたび電圧Ｖ_Sが電圧Ｖ_Bより小さくなったらその後、逆流防止スイッチ１１がＯＦＦの状態を維持する。
【００３７】
図１０は、図２の大容量蓄電装置５の制御装置８の他の構成例をさらに詳細に示すブロック線図である。同図に示すように、図６に示す構成例とは電流の検出部位が異なる。本例では電流検出器２６で架線電流Ｉ_Sを検出し、これを０に制御する制御装置８である。したがって、電流指令部２７には、電流指令値＝０が設定してある。本例では、図６に示す例に対して、電流検出器が少なくて済むという特長がある。
【００３８】
ここで、電流検出器２６で検出する電流検出値は、図１１に示すように、必要に応じてローパスフィルタ３０によりフィルタ処理を行うように構成しても良い。
【００３９】
図１１に示す制御装置８を、図３又は図５に示す主回路に適用するための制御系の一例を図１２に示す。当該制御系は、図８に示す制御系とは、補償電流Ｉ_Cの検出値の代わりに架線電流Ｉ_Sの検出値を用い、架線電流Ｉ_Sの電流指令値Ｉ^* _Sとして０を用いている点が異なる。他の構成は、図８に示す構成と同様である。そこで、図８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。
【００４０】
電車は進行ダイヤが決まっているため、力行・回生のパターンはある程度決まっている。このため、運行ダイヤの情報や列車の速度・位置をもとに本発明に係る電気車の駆動システムの大容量蓄電装置５の運転パターン（充放電パターンやリミッタ値）を決めれば、当該電気車の駆動システムをより有効に活用することができる。例えば次のような方法が考えられる。
【００４１】
▲１▼ 次に力行すると分かっている場合には、力行する前に大容量二次電池７を充電し、逆に回生すると分かっている場合には大容量二次電池７を放電しておく。具体的には、大容量二次電池７を充放電していないとき（電気車Ｉの停止時又は定速走行時）に、次の動作を予測して電流指令値Ｉ^* _Bを調整して大容量二次電池７を充電または放電しておく。このとき架線電流Ｉ_Sが大きくならないように電流指令値Ｉ^* _Bは比較的小さい値とする。
【００４２】
▲２▼ 図１３に示すように、長時間の力行（又は回生）を行い大容量二次電池７が力行（または回生）途中で全放電（または満充電）してしまうことが分かっている場合に、電流Ｉ_Bのリミッタ値を小さく設定しておき、力行中（又は回生中）ずっと、ある程度の補償が行えるようにする。このようにリミッタを設定することで、架線１に大電流が流れるのを防ぐことができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、本発明によれば、電気鉄道の電気車に大容量の蓄電装置をもうけ、力行時の電力は主にその蓄電装置から供給し、また回生制動時にはその回生電力を前記蓄電装置に蓄えることができるので、電気車が架線から供給される電力量及び電気車が架線に回生する電力量を低減することができる。
【００４４】
この結果、き電線・架線の電圧変動を低減するとともに、き電線・架線に流れる回生電流を大幅に低減して回生失効を回避することもできる。さらに、き電線・架線での損失を低減することが可能で、省エネルギー効果がある。
【００４５】
また、全電気車に本電力貯蔵システムを搭載することで、き電線に従来ほどの大電流が流れることがなくなるため、き電線の太さを細くすること、及びき電変電所の間隔を大きくすることが可能となり、地上設備のコストダウンが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力貯蔵装置を電気車に搭載した状態で示す全体のブロック線図である。
【図２】図１の大容量蓄電装置の構成をさらに詳細に示すブロック線図である。
【図３】図２の大容量蓄電装置の主回路の具体的な一構成例を示す回路図である。
【図４】図３の双方向チョッバにおける各部の波形を示す波形図である。
【図５】図２の大容量蓄電装置の主回路の具体的な他の構成例を示す回路図である。
【図６】図２の大容量蓄電装置の制御装置の第１の構成例をさらに詳細に示すブロック線図である。
【図７】図６の制御装置にローパスフィルタを追加したその変形例を示すブロック線図である。
【図８】図３及び図５に示す主回路に適用する制御系の一例を示すブロック線図である。
【図９】図８に示す制御系におけるゲート信号の発生方法を説明するための波形図である。
【図１０】図２の大容量蓄電装置の制御装置の第２の構成例をさらに詳細に示すブロック線図である。
【図１１】図１０の制御装置にローパスフィルタを追加したその変形例を示すブロック線図である。
【図１２】図３及び図５に示す主回路に適用する制御系の他の例を示すブロック線図である。
【図１３】長時間力行することが分かっている場合に電流リミッタを小さくする対策の効果を説明するための説明図である。
【符号の説明】
Ｉ電気車
１架線
３モータ駆動変換器
４モータ
５大容量蓄電装置
６ＤＣ／ＤＣ変換器
７大容量二次電池又は大容量コンデンサ
８制御装置
１１逆流防止スイッチ
１２ＬＣフィルタ
１３双方向チョッパ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric vehicle drive system. More specifically, an electric power storage system is mounted on an electric vehicle so as to supply motor driving power and absorb regenerative power.
[0002]
[Prior art]
In a DC electric railway, power supply to an electric vehicle is generally performed through the following route. In other words, when the electric vehicle is accelerating or climbing, power is supplied to the electric vehicle from the feeder substation via the feeder line and overhead line, and during regenerative braking, the electric vehicle is supplied with another power via the overhead line and feeder line. Electric power is supplied to the electric vehicle in power running.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the prior art as described above, when there is no other vehicle that is in power running when the electric vehicle performs regenerative braking, there is no place for regenerative power, so regeneration cannot be performed. That is, the problem of regenerative expiration occurs. In addition, since the current of feeders and overhead lines is large in a DC electric railway, the voltage drop at the feeder lines and overhead lines is large, and it is difficult to keep the voltage at the rated value at a point far from the substation. For this reason, the interval between feeder substations cannot be increased so much and the amount of capital investment increases. Furthermore, the loss due to the resistance component of feeders and overhead wires is large, and energy is wasted.
[0004]
An object of the present invention is to provide an electric vehicle drive system that can stabilize the voltage of feeders and overhead wires and reduce loss, and can also reduce equipment costs.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the present invention that achieves the above object is characterized by the following points.
[0011]
1 ) In a drive system for an electric vehicle that travels by converting DC power supplied from an overhead wire by a motor drive converter and driving a motor as a drive source,
A large-capacity power storage device is connected in parallel to the motor drive converter with respect to the overhead wire, and power is supplied from the large-capacity power storage device to the motor drive converter when the electric vehicle is powered, and from the motor drive converter during regeneration. It is configured to supply power to the capacity storage device and store power in the large capacity storage device,
The large-capacity power storage device includes a DC / DC converter, a control device for the DC / DC converter, and a large-capacity secondary battery or a large-capacitance capacitor.
The DC / DC converter includes a bidirectional chopper, a filter, and a backflow prevention switch,
The bidirectional chopper allows current to flow in both directions between the filter side and the large-capacity secondary battery or large-capacitance capacitor side by alternately turning on and off the two self-extinguishing switching elements. The current can be controlled by adjusting the ratio of the ON time and OFF time of the self-extinguishing element,
The filter smoothes the compensation current flowing into the bidirectional chopper,
The backflow prevention switch is turned off when the voltage of the overhead wire becomes smaller than the voltage of the large capacity secondary battery or the large capacity capacitor, and cuts off the connection state between the bidirectional chopper and the overhead wire,
The control device for the DC / DC converter detects an input current to the motor drive converter and a compensation current to the DC / DC converter, and uses the input current as a current command value so that a deviation from the compensation current is small. The DC / DC converter is controlled so that
Wherein the control device has a control loop for controlling the charge and discharge current I _B of the control loop and large-capacity rechargeable battery or a large capacitor for controlling a compensation current I _C, current input current I _L and the command value I ^* _C, which a compensation current deviation between I _C on through a predetermined limiter receives an input to the PI controller, the next stage of the charge and discharge current the current command value of the control loop of I _B I ^* _B, and further, the deviation between the current command value I ^* _B and the detected value of the charge / discharge current I _B is input to the PI controller and passed through a predetermined limiter to obtain the modulation factor command value m ^* . based on the modulation rate instruction value m ^*, inputs the modulation rate instruction value m ^* and the carrier signal to the comparator, and the output signal and the switching signal, a gate signal on the basis of the Control button quenching signal DC / Switching timing of switching element of DC converter To the fact to control.
[0012]
2) In the electric vehicle drive system described in 1) above , the control device of the DC / DC converter detects the overhead wire current to the overhead wire, and makes the deviation between the current command value to be zero and the overhead wire current small. Control the DC / DC converter.
[0013]
3) In the electric vehicle drive system described in 2) above , the control device has an overhead wire current I _S. And a control loop for controlling the charging / discharging current I _B to the large-capacity secondary battery or the large-capacity capacitor, the current value zero being the current command value I ^* _B , and the overhead line Current I _S On through the predetermined limiter inputs the deviation between the PI controller, the next stage of the charge and discharge current and the current command value I ^* _B of the control loop of I _B, further the current command value I ^* _B and the charge a deviation between the detection value of the discharge current I _B and the modulation ratio command value m ^* on through a predetermined limiter receives an input to the PI controller, then, on the basis of the modulation rate instruction value m ^*, the modulation factor command to enter the value m ^* and the carrier signal to the comparator, and the output signal and the switching signal to control the switching timing of the switching element to form a gate signal DC / DC converter on the basis of the control button quenching signal What you did.
[0014]
4) In any one of the electric vehicle drive systems described in 1) to 3) above, the charge / discharge pattern and the limiter of the large-capacity power storage device are controlled based on the driving schedule, speed, and position of the electric vehicle.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
According to the present invention, a large-capacity power storage device is provided in an electric vehicle of an electric railway, and power during power running is mainly supplied from the large-capacity power storage device, while regenerative power during regenerative braking is stored in the large current power storage device. The amount of power supplied from the overhead line to the electric vehicle and the amount of power regenerated by the electric vehicle on the overhead line are reduced.
[0017]
FIG. 1 is an overall block diagram showing an electric vehicle drive system according to an embodiment of the present invention mounted on an electric vehicle. As shown in the figure, the electric vehicle I converts the DC power supplied from the overhead line 1 through the pantograph 2 into an AC or other voltage DC by the motor drive converter 3 and converts the converted AC or DC. The motor 4 which is a drive source is driven by electric power. Such a configuration is the same as in the prior art.
[0018]
In this embodiment, a large-capacity power storage device 5 is connected in parallel to the motor drive converter 3 with respect to the overhead wire 1. Thus, energy is supplied from the large-capacity power storage device 5 to the motor drive converter 3 when the electric vehicle I is powered, and conversely, energy is supplied from the motor-drive converter 3 to the large capacity power storage device 5 during regeneration. If the large capacity power storage device 5 is insufficient for the current required by the motor drive converter 3 during powering due to the capacity and current rating of the large capacity power storage device 5, supply the shortage from the overhead line 1. On the other hand, if the regenerative current generated by the motor-driven converter 3 during regeneration cannot be recovered by the large-capacity power storage device 5 alone, the surplus is regenerated on the overhead wire 1.
[0019]
With the above configuration, if the large-capacity power storage device 5 having a sufficient capacity is used, the current flowing through the overhead wire 1 can be significantly reduced as compared with the conventional case. As a result, it is possible to suppress a phenomenon in which the overhead wire voltage greatly fluctuates from the rated voltage. At the same time, since the loss in the overhead line 1 is reduced, it is possible to construct a railway system that saves energy compared to the conventional case. Moreover, since the electric power regenerated to the overhead wire 1 is significantly reduced, the regeneration invalidation is less likely to occur. Furthermore, by installing the electric vehicle drive system of this embodiment on all electric vehicles I running on the route, the large current as in the conventional case does not flow in the feeder, so the feeder can be made thinner or longer. It is possible to lengthen (increase the interval between substations). As a result, the cost of ground facilities for electric railways can be significantly reduced.
[0020]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the large-capacity power storage device of FIG. 1 in more detail. As shown in the figure, the large-capacity power storage device 5 includes a DC / DC converter 6, a large-capacity secondary battery (or large-capacity capacitor) 7, and a control device 8. Here, a overhead wire current I _S flowing through overhead wire 1 as shown in FIG. 2, the input current I _L of the

dynamic

converter 3 drive motor, compensating current I _C from the large-capacity power storage device 5, a large capacity rechargeable battery 7 is assumed to be I _B. DC / DC converter 6 is required for the control of charge and discharge current I _B from the large-capacity secondary battery 7 needs to be a converter capable of conducting current in both directions. The controller 8 as an input a signal representative of the input current I _L and the compensation current I _C is detected by the current detector 9, and outputs the gate signals of the respective elements of the DC / DC converter 6. It is assumed that the control device 8 controls the compensation current I _C so as to reduce the absolute value of the overhead wire current I _S.
[0021]
An example of a specific main circuit configuration of the large-capacity power storage device 5 is shown in FIG. In the figure, the control device 8 is omitted. The control device 8 will be described later. In the figure, IGBT symbols are used as switching elements. However, not only IGBTs but self-extinguishing elements can be replaced.
[0022]
As illustrated in FIG. 3, the large-capacity power storage device 5 includes a DC / DC converter 6 including a backflow prevention switch 11, an LC filter 12, and a bidirectional chopper 13, and a large-capacity secondary battery 7. The bidirectional chopper 13 is composed of two sets of a combination of a self-extinguishing element and an antiparallel diode and a smoothing reactor. This bidirectional chopper 13 alternately turns on and off two self-extinguishing elements so that when the voltage on the LC filter 12 side is higher than the voltage on the large-capacity secondary battery 7 side, The current can be controlled by adjusting the ratio of the ON time and OFF time of the self-extinguishing element. The current on the LC filter 12 side of the bi-directional chopper 13 has a pulse-like waveform due to the switching of the bi-directional chopper 13. For this reason, the LC filter 12 removes the high-frequency component of the current.
[0023]
The operation of the bidirectional chopper 13 will be described with reference to FIG. The voltage V _Lc applied across the reactor L _C is as shown in FIG. 4 according to the state of the switch. That is, when the switch S ₂ or the diode D ₂ is in the conductive state, the voltage V _Lc is equal to the voltage V _B of the large capacity secondary battery 7, and when the switch S ₁ or the diode D ₁ is in the conductive state, the voltage V _Lc is. _B is equal to the voltage V _CF. The voltage V _Lc is positive when the switch S ₂ or the diode D ₂ is in a conductive state, so that the current I _Lc of the reactor L _C increases, and conversely, the voltage when the switch S ₁ or the diode D ₁ is in a conductive state. Since V _Lc becomes negative, the current I _Lc of the reactor L _C decreases. Here, for reasons that will be described later, the operating point is set so that the voltage V _B of the large capacity secondary battery 7 is smaller than the voltage V _{CF of the} filter capacitor, so that the switch S ₁ or the diode D ₁ is turned on. In some cases, V _Lc = V _B −V _CF is negative. For this reason, the current I _Lc can be controlled by alternately turning on and off the switches S ₁ and S ₂ while adjusting the ratio between the ON time and the OFF time of the switch S ₁ (or switch S ₂ ). As shown in FIG. 4, the current I _F is equal to the current I _B when the switch S ₁ or the diode D ₁ is in a conductive state, and is zero otherwise. The current smoothed by the LC filter 12 becomes the compensation current I _C.
[0024]
Figure 4 is one in which (the I _B for positive) when discharging from the large-capacity secondary battery 7 shown for the same operation with only the sign of the current is changed even if the current I _B flows in the opposite direction Become.
[0025]
In order for the bidirectional chopper 13 of the circuit shown in FIG. 4 to operate normally, the voltage V _CF on the LC filter 12 side of the bidirectional chopper 13 needs to be larger than the voltage V _B on the large capacity secondary battery 7 side. . Otherwise, the voltage V _Lc of the reactor L _C will always be positive regardless of the state of the switches S ₁ and S ₂ , and the charge / discharge current I _B will continue to increase, so the charge / discharge current I _B is controlled. It becomes impossible to do. In order to avoid such a phenomenon, a backflow prevention switch 11 is provided. The self-extinguishing element of the backflow prevention switch 11 is normally used in the ON state, but is turned off when the voltage of the overhead line 1 becomes smaller than the voltage of the large capacity secondary battery 7, and the overhead line 1 is connected to the overhead line 1. Prevents a large current from flowing in
[0026]
By the way, it is common to use a semiconductor power converter such as a DC / DC converter or a DC / AC converter for the motor driving converter 3 depending on the type of the motor 4. For this reason, as in the case of the large-capacity power storage device 5, an LC filter is usually provided also in the motor drive converter 3 in order to prevent a current containing a high frequency component from flowing out from the motor drive converter 3 to the overhead wire 1 side. It is. The LC filter and the LC filter of the large-capacity power storage device 5 can be shared, and the configuration shown in FIG. 5 that are the same as those in FIG. 4 are assigned the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
[0027]
FIG. 6 is a block diagram showing a more specific configuration example of the control device 8 in the large-capacity power storage device 5 of FIG. As shown in the figure, in the control device 8, the input current I _L to the motor drive converter 3 detected by the current detector 9 is set as the current command value I ^* _C of the large-capacity power storage device 5, and current detection is performed on this. Feedback control is performed so that the compensation current I _C detected by the detector 10 matches.
[0028]
Here, when the input current I _L and the compensation current I _C are pulse-like currents and the like and contain a lot of high frequency components, the current detection values that are output signals of the

current detectors

9 and 10 as shown in FIG. May be processed after passing through the low-pass filters 14 and 15 as necessary.
[0029]
The current I _C of the large-capacity power storage device 5 may not be matched with the command value I ^* _{C due} to the capacity of the large-capacity secondary battery 7 or the limitation of the rated current. In this case, the limiter 16 (see FIGS. 6 and 7) is operated and controlled so as not to exceed the rated current and operating range of each part. If the current according to the command value cannot be obtained by the operation of the limiter 16, the shortage will flow to the overhead wire 1.
[0030]
A more specific configuration example of the control device 8 is shown in FIG. The control device 8 shown in the figure is for application to the main circuit shown in FIG. 3 or FIG. First, the current control portion of FIG. The current control portion receives the detected values of I _C , I _L and I _B and outputs gate signals G ₁ and G ₂ . Although omitted in the figure, when the current detection value includes a lot of high-frequency components, a filtering process is performed in which the current detection value is passed through a low-pass filter as necessary. The current control portion includes a feedback loop for controlling the charging / discharging current I _B of the large capacity secondary battery 7, a feedback loop for controlling the input current I _C of the large capacity power storage device 5, and a gate signal generation unit. The
[0031]
In the feedback loop for controlling the compensation current I _C , the input current I _L is set as a command value I ^* _C (command value of the compensation current I _C ), and the deviation between this and the compensation current I _C is input to the PI controller 17. To do. The output of the PI controller 17 passes through the limiter 18 and is set as the current command value I ^* _B of the control loop of the current I _B in the next stage. The limiter 18 limits the current command value I ^* _B within a certain range so as not to exceed the current rating of the large capacity secondary battery 7. Further, the state of charge of the large-capacity secondary battery 7 is determined based on the voltage V _B , so that if the discharge is not possible any more, the current command value I ^* _B ≦ 0, and if no further charge is possible The limiter is controlled so that the current command value I ^* _B ≧ 0.
[0032]
In the loop for controlling the current I _B in the next stage, the deviation between the current command value I ^* _B obtained in the previous stage and the detected current value I _B is input to the PI controller 19 and the output is passed through the limiter 20. The modulation factor command value is m ^* . Modulation factor m by using the ON time of the switch S ₁ t ₁ and ON time of the switch S ₂ t ₂ is defined by the following equation.
[Expression 1]

[0033]
The limiter 20 controls the upper limit value and lower limit value of the modulation factor command value m ^* . Although 0 ≦ m ≦ 1 from the above equation, the limiter range is generally narrower than this so as not to generate ON pulses and OFF pulses that are usually too thin.
[0034]
Next, a switching signal is generated based on the modulation factor command value m ^* . Specifically, the modulation factor command value m ^* and the carrier signal generated by the carrier signal generator 22 are input to the comparator 22 and the output signal is used as a switching signal. A triangular wave as shown in FIG. 9 is used as the carrier signal. In this case, the frequency of the carrier triangular wave is the switching frequency.
[0035]
The switching signals G ′ ₁ and G ′ ₂ generated by the above-described processing are processed by delaying the turn-on timing by a minute time in the dead time processing unit 23 to be gate signals G ₁ and G ₂ of the switching elements. To do. Here, the dead time process is a process necessary for preventing the switches S ₁ and S _{2 from} being turned ON simultaneously.
[0036]
Next, the control unit of the backflow prevention switch 11 will be described. The gate signal G ₃ is a gate signal of the switch S ₃ and is always ON (G ₃ = 1) in normal operation. On the other hand, when the voltage V _S becomes smaller than the voltage V _B , G ₃ = 0 and the backflow prevention switch 11 is turned OFF to prevent the current from flowing from the large capacity power storage device 5 to the overhead line 1. Further, after the voltage V _S and the voltage V _B are compared by the comparator 24, a state holder 25 is provided as necessary. Once the voltage V _S becomes lower than the voltage V _B , the backflow prevention switch 11 is turned off. Maintain the state.
[0037]
FIG. 10 is a block diagram showing another example of the configuration of control device 8 of large-capacity power storage device 5 in FIG. 2 in more detail. As shown in the figure, the current detection site is different from the configuration example shown in FIG. In this example, the control device 8 detects the overhead wire current I _S with the current detector 26 and controls it to zero. Therefore, the current command value 27 is set in the current command unit 27. This example has a feature that fewer current detectors are required than the example shown in FIG.
[0038]
Here, the current detection value detected by the current detector 26 may be configured to be filtered by a low-pass filter 30 as necessary, as shown in FIG.
[0039]
FIG. 12 shows an example of a control system for applying the control device 8 shown in FIG. 11 to the main circuit shown in FIG. 3 or FIG. The control system shown in FIG. 8 uses the detected value of the overhead line current I _S instead of the detected value of the compensation current I _C and uses 0 as the current command value I ^* _S of the overhead line current I _S. Is different. Other configurations are the same as those shown in FIG. Therefore, the same parts as those in FIG.
[0040]
Since trains have a fixed schedule, the pattern of power running and regeneration is fixed to some extent. For this reason, if the operation pattern (charge / discharge pattern and limiter value) of the large-capacity power storage device 5 of the drive system of the electric vehicle according to the present invention is determined based on the information of the operation schedule and the speed / position of the train, the electric vehicle Can be used more effectively. For example, the following method can be considered.
[0041]
{Circle around (1)} When it is known that powering is to be performed next, the large-capacity secondary battery 7 is charged before powering, and when it is known to be regenerated, the large-capacity secondary battery 7 is discharged. Specifically, when the large-capacity secondary battery 7 is not charged / discharged (when the electric vehicle I is stopped or traveling at a constant speed), the next operation is predicted and the current command value I ^* _B is adjusted. The large-capacity secondary battery 7 is charged or discharged. At this time, the current command value I ^* _B is set to a relatively small value so that the overhead wire current I _S does not increase.
[0042]
(2) When it is known that long-time power running (or regeneration) is performed and the large-capacity secondary battery 7 is fully discharged (or fully charged) during power running (or regeneration) as shown in FIG. to, may be set smaller limit value of the current I _B, (or in regeneration) during power running throughout, to allow a certain amount of compensation. By setting the limiter in this way, it is possible to prevent a large current from flowing through the overhead wire 1.
[0043]
【The invention's effect】
As specifically described with the above embodiments, according to the present invention, a large-capacity power storage device is provided in an electric vehicle of an electric railway, and power during power running is mainly supplied from the power storage device, and during regenerative braking. Since the regenerative power can be stored in the power storage device, it is possible to reduce the amount of power supplied from the overhead line to the electric vehicle and the amount of power regenerated from the overhead line to the overhead line.
[0044]
As a result, it is possible to reduce voltage fluctuations in the feeder and overhead lines, and to greatly reduce the regenerative current flowing in the feeder and overhead lines, thereby avoiding regeneration expiration. Furthermore, it is possible to reduce the loss in feeders and overhead wires, and there is an energy saving effect.
[0045]
In addition, since this power storage system is installed in all electric vehicles, currents as large as current do not flow in feeders, so the thickness of feeders is reduced and the intervals between feeder substations are increased. It is possible to reduce the cost of ground facilities.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall block diagram showing a state in which a power storage device according to an embodiment of the present invention is mounted on an electric vehicle.
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the large-capacity power storage device of FIG. 1 in more detail.
3 is a circuit diagram showing a specific configuration example of a main circuit of the large-capacity power storage device of FIG. 2;
4 is a waveform diagram showing waveforms at various parts in the bidirectional chopper shown in FIG. 3;
5 is a circuit diagram showing another specific configuration example of the main circuit of the large-capacity power storage device of FIG. 2. FIG.
6 is a block diagram showing in more detail a first configuration example of a control device of the large-capacity power storage device of FIG. 2; FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing a modified example in which a low-pass filter is added to the control device of FIG. 6;
8 is a block diagram showing an example of a control system applied to the main circuit shown in FIGS. 3 and 5. FIG.
9 is a waveform diagram for explaining a method of generating a gate signal in the control system shown in FIG.
10 is a block diagram showing in more detail a second configuration example of the control device of the large-capacity power storage device of FIG. 2; FIG.
11 is a block diagram showing a modified example in which a low-pass filter is added to the control device of FIG.
12 is a block diagram showing another example of a control system applied to the main circuit shown in FIGS. 3 and 5. FIG.
FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the effect of measures to reduce the current limiter when it is known that powering is performed for a long time.
[Explanation of symbols]
I electric vehicle 1 overhead line 3 motor drive converter 4 motor 5 bulk electricity storage device 6 DC / DC converter 7 large capacity rechargeable battery or a large-capacity capacitor 8 controller 11 reverse flow prevention switch 12 LC filter 13 bidirectional chopper

Claims

In a drive system for an electric vehicle that travels by converting a DC power supplied from an overhead wire with a motor drive converter and driving a motor as a drive source,
A large-capacity power storage device is connected in parallel to the motor drive converter with respect to the overhead wire, and power is supplied from the large-capacity power storage device to the motor drive converter when the electric vehicle is powered, and from the motor drive converter during regeneration. It is configured to supply power to the capacity storage device and store power in the large capacity storage device,
The large-capacity power storage device includes a DC / DC converter, a control device for the DC / DC converter, and a large-capacity secondary battery or a large-capacitance capacitor.
The DC / DC converter includes a bidirectional chopper, a filter, and a backflow prevention switch,
The bidirectional chopper allows current to flow in both directions between the filter side and the large-capacity secondary battery or large-capacitance capacitor side by alternately turning on and off the two self-extinguishing switching elements. The current can be controlled by adjusting the ratio of the ON time and OFF time of the self-extinguishing element,
The filter smoothes the compensation current flowing into the bidirectional chopper,
The backflow prevention switch is turned off when the voltage of the overhead wire becomes smaller than the voltage of the large capacity secondary battery or the large capacity capacitor, and cuts off the connection state between the bidirectional chopper and the overhead wire,
The control device for the DC / DC converter detects an input current to the motor drive converter and a compensation current to the DC / DC converter, and uses the input current as a current command value so that a deviation from the compensation current is small. The DC / DC converter is controlled so that
The control device has a control loop for controlling the compensation current I _C and a control loop for controlling the charge / discharge current I _B to the large capacity secondary battery or the large capacity capacitor,
The input current I _L is set as a current command value I ^* _C , and the deviation between the input current I _L and the compensation current I _C is input to the PI controller, and after passing through a predetermined limiter, the control loop for the next stage charge / discharge current I _B Current command value I ^* _B of
Further, the deviation between the current command value I ^* _B and the detected value of the charge / discharge current I _B is input to the PI controller and passed through a predetermined limiter to obtain the modulation factor command value m ^* .
Next, based on the modulation rate instruction value m ^*, inputs the modulation rate instruction value m ^* and the carrier signal to the comparator, and the output signal and the switching signal, a gate signal on the basis of the Control button quenching signal An electric vehicle drive system characterized in that the switching timing of the switching element of the DC / DC converter is controlled.

In the electric vehicle drive system according to claim 1 ,
The control device of the DC / DC converter detects the overhead wire current to the overhead wire, and controls the DC / DC converter so that the deviation between the current command value to be zero and the overhead wire current becomes small. The electric vehicle drive system is a feature.

In the electric vehicle drive system according to claim 2 ,
The control device has an overhead wire current I _S And a control loop for controlling the charge / discharge current I _B to the large-capacity secondary battery or the large-capacitance capacitor,
The current value zero is defined as the current command value I ^* _B, and this is the overhead wire current I _S Is input to the PI controller and after passing through a predetermined limiter, the current command value I ^* _B of the control loop of the charge / discharge current I _B of the next stage is set,
Further, the deviation between the current command value I ^* _B and the detected value of the charge / discharge current I _B is input to the PI controller and passed through a predetermined limiter to obtain the modulation factor command value m ^* .
Next, based on the modulation rate instruction value m ^*, inputs the modulation rate instruction value m ^* and the carrier signal to the comparator, and the output signal and the switching signal, a gate signal on the basis of the Control button quenching signal An electric vehicle drive system characterized in that the switching timing of the switching element of the DC / DC converter is controlled.

The drive system for an electric vehicle according to any one of claims 1 to 3 ,
A drive system for an electric vehicle, which controls a charge / discharge pattern and a limiter of a large-capacity power storage device based on an operation schedule, speed, and position of the electric vehicle.