JP3927901B2 - 饋電電圧補償装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、饋電回路の電圧変動を抑制する饋電電圧補償装置に係り、特に、列車の回生制動を安定して動作させることが出来るものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２４は、従来からの直流饋電回路の概略構成を示す。饋電変電所３、４では、交流電力系統１、２からの三相交流電圧を降圧し、更に整流器５、６で直流に変換し、高速度遮断器７〜１０を介して饋電線１６に供給する。饋電回路１５は饋電線１６と帰線１７とからなり、列車１４にはこの饋電回路１５から電力が供給される。
そして、饋電区分所に饋電電圧補償装置１１が設けられ、饋電電圧補償装置１１は、キャパシタ１８とこのキャパシタ１８と高速度遮断器１２、１３を介した饋電線１６との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータであるＤＣ／ＤＣコンバータ１９とから構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以上のように、キャパシタ１８をＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して饋電線１６に接続する構成を採用しているので、例えば、キャパシタ１８に電気二重層キャパシタを適用する場合、キャパシタ１８としての定格電圧を高く設定することが一般に困難であるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が饋電線１６の電圧との間で適当に電圧変換を行うことで、その適用が容易となる利点がある。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の電圧変換比を調整可能なものとし、饋電区間や時間帯により、列車の力行負荷が多いと予想されるときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の電圧変換比を高くし、逆に回生負荷が多いと予想されるときは、電圧変換比を低くすることで、回生電力の有効利用と饋電電圧の補償とを共に達成できるという利点がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３３４４２０号公報（第５、６頁、図９、１１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の饋電電圧補償装置は以上のように構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることで特にその電圧定格の面からキャパシタの適用が容易になるという利点はあるが、負荷条件によってはキャパシタが饋電変電所からの電流で充電され、その電圧が一定高くなった状態で列車が回生動作に入ってキャパシタが過電圧に至り饋電電圧補償装置が停止して列車が回生失効することがあった。
また、列車ダイヤ等を参考にした力行または回生負荷予想に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる饋電電圧補償装置の電圧調整を行うので、現実に走行する列車の回生失効を確実に防止するという点では十分とは言えなかった。
【０００６】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、列車の回生失効をより確実に防止し、列車の回生制動を安定して動作させることが出来る饋電電圧補償装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る饋電電圧補償装置は、饋電変電所から饋電線を介して、力行・回生を行う列車に給電する饋電回路に接続され、キャパシタおよびこのキャパシタと上記饋電線との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータからなる饋電電圧補償装置において、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧が、上記饋電変電所の無負荷時電圧以上で選定された所定の設定値となるよう上記可逆コンバータを制御するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１で想定する饋電回路のモデルを示す。ここでは、左端に交流電源系統２０からの交流電圧を直流電圧に変換して饋電回路２２に出力する饋電変電所２１が設けられ、右端にキャパシタ２３とＤＣ／ＤＣコンバータ２４とからなる饋電電圧補償装置２５が設けられている。列車２６はこの饋電回路２２を矢印の方向に走行し、特にその回生制動時は定電流源として作用するものとする。ＲＳは饋電変電所２１の内部抵抗、ＲＬ１、ＲＬ２は饋電線２７の抵抗である。
饋電電圧補償装置２５について更に詳しく説明する。キャパシタ２３には大容量化が容易な電気二重層キャパシタを採用する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４はキャパシタ２３と饋電線２７との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータで、コンバータ制御装置２９からの信号に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧Ｖ２が所定の設定値となるよう制御される。
【０００９】
図２、図３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の回路構成および動作の一例を示す図である。図２において、ＤＣ／ＤＣコンバータは、平滑フィルタを構成するリアクトルＬ１、キャパシタＣ１、ＩＧＢＴや電界効果形パワートランジスタとからなる第１および第２のスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２、これらスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２に逆並列接続されたダイオードＤｄ１、Ｄｄ２、およびリアクトルＬ２から構成され、バッテリＢｔとキャパシタＣ２との間で電圧変換を行う。図１に対応させると、バッテリＢｔは饋電電圧補償装置２５の饋電線端に相当し、キャパシタＣ２はキャパシタ２３に相当する。
そして、Ｔｒ１、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ２により、ＢｔからＣ２に充電するチョッパー回路を形成し、Ｔｒ２、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ１により、Ｃ２からＢｔに逆充電するチョッパー回路を形成している。
【００１０】
次にＤＣ／ＤＣコンバータ２４の動作について説明する。コンバータ制御装置２９は饋電電圧補償装置２５の饋電線側電圧Ｖ２を検出し、これが設定値より高いとスイッチング素子Ｔｒ１をオンオフして図３（ａ）に示すように、定電流（電流幅Ｉｕ〜Ｉｄ）でＢｔからＣ２に充電して電圧を下げ、電圧検出値が設定値より低いとスイッチング素子Ｔｒ２をオンオフして図３（ｂ）に示すように、Ｃ２からＢｔに放電して電圧を上げることにより、電圧Ｖ２を指令された設定値に制御する。
【００１１】
ここで、図４により、我が国の直流饋電回路で一般的に設定されている饋電電圧の変動範囲について説明する。先ず、（ｂ）饋電変電所無負荷時電圧は、無負荷時の饋電変電所からの送り出し電圧でＤＣ１６００Ｖとされている。（ｃ）標準電圧は、列車の設計標準となる電圧で、無負荷時電圧から１００Ｖ低いＤＣ１５００Ｖに設定されている。（ｄ）最低電圧は、最大負荷時でも必要な列車性能を維持するため饋電回路に要請される電圧最低値でＤＣ１１００Ｖに設定されている。（ａ）最高電圧は、列車の回生制動動作時に許容される電圧最高値でＤＣ１７００Ｖに設定されている。
従って、列車の電圧は、力行時はＤＣ１６００〜１１００Ｖの範囲、回生制動時はＤＣ１７００〜１１００Ｖの範囲で変動することになる。
【００１２】
以上で説明した饋電電圧補償装置２５の主回路構成および制御構成、更には饋電電圧変動範囲を前提にして、以下、この発明の実施の形態１における饋電電圧補償装置２５の制御方式を、当該制御方式に基づき実施したシミュレーション結果を踏まえて説明する。
ここでは、コンバータ制御装置２９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧が饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００Ｖ（図４参照）となるようＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御する。これにより、キャパシタ２３が饋電変電所２１から充電されることが防止され、その分、列車からの回生電流を吸収する、即ち、キャパシタ２３の蓄電能力が有効に活かされ回生失効が防止されるという効果が期待される。
【００１３】
以下、この様子を、図５〜８のシミュレーション結果を参照して説明する。このシミュレーションは、列車が饋電変電所２１位置から出発し、力行ー惰行ー回生制動ー惰行ー再力行ー惰行ー回生制動で饋電電圧補償装置２５位置に停止する、典型的な単位走行パターン（ランカーブ）で運転した場合を想定している。
図５は、この場合の列車電流（列車の電動機電流）Ｉ４、列車速度Ｖｅを示す。即ち、初め、一定加速度で加速し電動機には一定の電流が流れ、やがて電動機の定格容量領域まで加速するにつれて減衰して列車は最高速度に達した後、力行オフして惰行運転している。その後、抑速運転で回生制動を作用させて減速し、再度惰行運転している。再加速で電動機が一定電流になった後、定格容量域にて電流が減少し、惰行運転後回生制動を作用させて停止する。
【００１４】
図６は、饋電変電所２１の電圧（図では変電所電圧と略記）Ｖ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧（図ではコンバータ電圧と略記）Ｖ２、列車電圧Ｖ３を示し、図７は、変電所電流Ｉ１（正極性は流出方向）、コンバータ電流Ｉ２（正極性は流入方向）、列車電流Ｉ３（正極性は流入方向）を示し、図８は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。
【００１５】
ここで、キャパシタ２３の設定要領について説明する。キャパシタ２３の必要容量は、列車が最高速度から停止するまでの制動エネルギーＷｂ［Ｋｗ・秒］の吸収能力から定まり、以下の関係式から求められる。
Ｗｂ＝０．５・Ｃｂ・（ＶＨ２−ＶＬ２） （１）式
但し、Ｃｂ：キャパシタ容量［Ｆ］
ＶＨ：キャパシタ上限電圧［Ｖ］
ＶＬ：キャパシタ下限電圧［Ｖ］
今回の具体例では、キャパシタ２３は、電気二重層キャパシタＤＣ５４Ｖモジュールを１６個直列接続したものを想定し、上限電圧はＤＣ８２０Ｖ、下限電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ２４の変換能力（電流耐量）から決まるＤＣ４００Ｖとしている。そして、定位置停止をするときの列車最高速度を１００Ｋｍ／ｈとして上式から求まる値に多少の余裕をみて、Ｃｂ＝２００［Ｆ］としている。
【００１６】
図５〜８に戻り、コンバータ電圧Ｖ２は、饋電変電所２１の無負荷時電圧ＤＣ１６００Ｖ一定に制御されるので、最初の力行加速期間においては、低下した変電所電圧Ｖ１に対してコンバータ電圧Ｖ２が高くなり（図６参照）、饋電電圧補償装置２５からも電流が列車に供給される（図７参照）。この結果、キャパシタ電圧Ｖｃが大幅に低下し、この例ではほぼ加速終了時点でその下限電圧ＤＣ４００Ｖ近くまで低下している（図８参照）。更に、再力行時は、その途中で、キャパシタ電圧Ｖｃが下限電圧ＤＣ４００Ｖに至り、饋電電圧補償装置２５は一旦動作を停止している。
従って、回生制動停止の動作は、キャパシタ２３がその下限電圧に近いレベルからスタートしており、キャパシタの電圧はその上限値に達することなく、回生エネルギーを確実に吸収して列車の回生失効は防止され安定した回生動作を補償している。
コンバータ電圧Ｖ２を変電所無負荷時電圧Ｖ０より高い値に設定すると、以上で説明した傾向、即ち、キャパシタ電圧Ｖｃが下限値に至る傾向がより顕著になりキャパシタの蓄電余裕が増大して列車の回生失効は確実に防止される。
【００１７】
図９、図１０は、比較例として、コンバータ電圧Ｖ２をあえて饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００Ｖより低い電圧、ここではＤＣ１５００Ｖに制御した場合のシミュレーション結果を示す。この場合、最初の力行時も途中までは変電所電圧Ｖ１がコンバータ電圧Ｖ２より高いので、饋電電圧補償装置２５は饋電変電所２１から充電されキャパシタ電圧Ｖｃは一旦上昇している。その後、変電所電圧Ｖ１の低下に従い饋電電圧補償装置２５から列車への供給電流が増え、キャパシタ電圧Ｖｃは一旦低下するが、列車が惰行に入ると、変電所電圧Ｖ１が上昇するので充電動作が再開してキャパシタ電圧Ｖｃは上昇する。更に列車が惰行から抑速回生制動に入ると、キャパシタ電圧Ｖｃは更に急上昇し、この回生動作の途中で上限電圧ＤＣ８２０Ｖに達し、饋電電圧補償装置２５は動作を停止している。
図１０から判るように、再力行後の惰行時にも同様の条件で饋電変電所２１から充電されてキャパシタ電圧Ｖｃが大幅に上昇する結果、列車が最終の回生制動停止の動作に入った直後に、再び上限電圧ＤＣ８２０Ｖに達して饋電電圧補償装置２５の動作が停止、列車は回生失効して発電ブレーキや空気ブレーキに切り替えざるを得ず、饋電電圧補償装置２５が有効に機能しないことになる。
【００１８】
以上の比較結果からも判るように、この発明の実施の形態１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧が、饋電変電所２１の無負荷時電圧以上で選定された所定の設定値となるようＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御するようにしたので、列車の回生動作時に饋電電圧補償装置２５が有効に機能し、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【００１９】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、コンバータ電圧Ｖ２を饋電変電所の無負荷時電圧以上に制御するようにしたので、回生失効が確実に防止されるとしたが、現実の饋電変電所の状況を考えた場合、以下のような問題がある。即ち、饋電変電所は電力会社の電力系統から給電されるが、この電力系統の電圧変動の影響で饋電変電所の無負荷時電圧が変動する可能性がある。この場合、この無負荷時電圧が通常値より上昇すると相対的にコンバータ電圧が無負荷時電圧より低くなる結果、図９、１０で説明したような不具合が生じ得ることになる。
この実施の形態２は、この点を解決するため創案されたものである。
【００２０】
図１１は、この発明の実施の形態２における饋電電圧補償装置を示す構成図である。先の実施の形態１と異なるのは、電圧検出器３０を設けて饋電変電所２１の電圧Ｖ１を検出し、コンバータ制御装置２９ＡはＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧Ｖ２がこの検出電圧Ｖ１と一致するようＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御するようにした点である。
図１２、１３はこの場合のシミュレーション結果を示す。なお、列車電流Ｉ４、列車速度Ｖｅは、先に説明した図５と同様であるのでここでは省略している。図１２は、変電所電圧Ｖ１、コンバータ電圧Ｖ２、列車電圧Ｖ３およびキャパシタ電圧Ｖｃを示し、図１３は、変電所電流Ｉ１、コンバータ電流Ｉ２、列車電流Ｉ３およびキャパシタ電流Ｉｃを示す。
【００２１】
図から判るように、コンバータ電圧Ｖ２は変電所電圧Ｖ１に追随し、饋電変電所２１から饋電電圧補償装置２５への不要な充電が防止され、列車の回生時に饋電電圧補償装置２５が有効に機能して安定した回生制動動作が実現する。
但し、回生動作時、列車電圧Ｖ３が上昇し、これに伴って変電所電圧Ｖ１が上昇するので、コンバータ電圧Ｖ２をそのまま変電所電圧Ｖ１に追随させると、列車電圧Ｖ３が更に上昇することになって好ましくないので、上限値（この例では、変電所無負荷時電圧ＤＣ１６００Ｖを採用している）を設け、コンバータ電圧Ｖ２をこの上限値でリミットするようにしている。図１２において、Ｖ２※とし記している部分が該当する。
【００２２】
以上のように、この発明の実施の形態２では、饋電変電所２１の電圧を検出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧を上記変電所電圧検出値になるよう制御するようにしたので、列車の回生動作時に饋電電圧補償装置２５が有効に機能し、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧の制御において、所定の上限値でリミットするようにしたので、不要な電圧上昇が無くなり回生動作が支障無くなされる。
【００２３】
実施の形態３．
先の実施の形態２の説明では言及しなかったが、図１２のキャパシタ電圧Ｖｃに着目すると、次のことが判る。即ち、キャパシタ電圧Ｖｃは、当初、ＤＣ７００Ｖに充電されているが、一連の単位走行パターンが終了した時点では、ＤＣ８１９Ｖとなり、ＤＣ１１９Ｖ上昇している。従って、この単位走行パターンを繰り返すと仮定すると、キャパシタ電圧Ｖ２がいずれ上限電圧（ＤＣ８２０Ｖ）に達し、回生失効が生じ得ることになる。
そこで、この実施の形態３では、変電所電圧検出値Ｖ１に所定電圧ΔＥを加算し、コンバータ電圧Ｖ２をこの加算した電圧値に追随させるように制御する。
【００２４】
図１４、１５は、その一例によるシミュレーション結果を示す図で、ここでは加算電圧ΔＥとしてＤＣ１００Ｖとしている。そして、図１４は各電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、図１５はキャパシタ電圧Ｖｃを示す。コンバータ電圧Ｖ２を上げた関係で、図１４にＶ２※で示すように、実施の形態２で説明した電圧リミット動作が頻繁に成されることになるが、Ｖ２を上げた分饋電電圧補償装置２５から列車への電力供給、従って、キャパシタ２３の放電量が増加し、図１５に示すように、キャパシタ電圧Ｖｃは、初期値ＤＣ７００Ｖから最終値ＤＣ６８２ＶになりＤＣ１８Ｖ低下している。
【００２５】
以上のように、加算電圧ΔＥの値を適当に設定することで、単位走行パターンを繰り返したときの、キャパシタ電圧Ｖｃの累積上昇を抑制することが出来、回生失効をより確実に防止することが出来る。
なお、個々の説明は省略するが、先の実施の形態１を適用した場合にも、コンバータ電圧Ｖ２を変電所無負荷時電圧Ｖ０より所定電圧ΔＥ高めるようにし、この電圧ΔＥの値を、図１４、１５で説明したキャパシタ電圧Ｖｃの累積増大を抑制する目的で設定するようにしてもよい。
【００２６】
実施の形態４．
図１６は、この発明の実施の形態４における饋電電圧補償装置を示す構成図である。ここでは、饋電変電所２１は回生機能がないものとしており、列車の回生時は、もっぱら饋電電圧補償装置２５がその回生電流を吸収するものとする。そして、電流検出器３１により饋電電圧補償装置２５の饋電線側電流を検出し、コンバータ制御装置２９Ｂは、その電流値および極性から力行状態か、回生状態か、更には惰行状態かを判別し、この判別結果に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧Ｖ２を制御する。
これにより、力行時にはこのコンバータ電圧Ｖ２を高く設定して列車への給電量（キャパシタ２３の放電量）を増やし、回生時にはコンバータ電圧Ｖ２を低く設定して列車電圧Ｖ３の上昇を抑制するという饋電電圧補償装置２５の合理的な運転が期待される。
【００２７】
先ず、電流検出器３１による電流検出値から力行、回生、惰行を判別する要領について図１７を参照して説明する。図は、流出する方向（力行状態）の電流極性をプラス、流入する方向（回生状態）の電流極性をマイナスとして図示している。そして、電流の絶対値が惰行判定基準値ΔＩ（例えば、１０Ａ程度）より大きく、かつ極性がプラス、即ち向きが流出方向のときは力行と判定する。また、電流の絶対値が惰行判定基準値ΔＩより大きく、かつ極性がマイナス、即ち向きが流入方向のときは回生と判定する。更に、電流の絶対値が惰行判定基準値ΔＩ以下のときは惰行と判定する。
そして、力行と判定したときは、コンバータ電圧Ｖ２を第１の設定値Ｅ１に制御し、回生と判定したときは、第１の設定値より低い第２の設定値Ｅ２に制御する。
なお、惰行と判定したときは、ハンチング動作等を防止して安定した制御動作を確保するため、直前の判定結果に基づく設定値Ｅ１またはＥ２を採用する。従って、例えば、図１７の下段に▲１▼→▲８▼で示すように電流が変化した場合は、各電流履歴点に対応して同図上段に示すように、▲３▼→▲４▼の惰行判定範囲では第１の設定値Ｅ１を採用し、▲６▼→▲７▼の惰行判定範囲では第２の設定値Ｅ２を採用することになる。
【００２８】
次に、実施の形態４での電圧Ｅ１、Ｅ２の設定要領およびその場合のシミュレーション結果につき図１８、１９を参照して説明する。
ここでは、力行判定時の第１の設定値Ｅ１として、饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００Ｖを採用している。そして、回生判定時の第２の設定値Ｅ２としては、回生動作時の列車電圧Ｖ３を許容最高電圧ＤＣ１７００Ｖ（図４参照）以下に収めるために設定された電圧、ここではＤＣ１５００Ｖを採用している。
図１８は、各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を、図１９は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。図から判るように、力行判定時には、コンバータ電圧Ｖ２は変電所無負荷時電圧ＤＣ１６００Ｖに制御されるので、列車へは饋電電圧補償装置２５からも電流が供給されキャパシタ２３は放電して電圧Ｖｃは急減している。回生判定時は、低いＤＣ１５００Ｖに制御されるので、列車電圧Ｖ３は、高々ＤＣ１６１０Ｖ程度に止まっている。この計算例では、列車の再力行期間の途中で、キャパシタ電圧Ｖｃがその下限値ＤＣ４００Ｖまで下がって饋電電圧補償装置２５が一旦停止しているが、その後の回生制動停止動作では補償装置として完全に機能している。
【００２９】
以上のように、この発明の実施の形態４では、饋電電圧補償装置２５の電流から力行、回生、惰行状態を判定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧を、力行およびそれに続く惰行時には変電所無負荷時電圧に制御し、回生およびそれに続く惰行時には列車電圧がその許容最高電圧以下となる電圧に制御するようにしたので、回生動作時、饋電電圧補償装置２５が有効に機能して列車電圧が安全な範囲に抑えられるとともに、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【００３０】
実施の形態５．
次に、実施の形態５での電圧Ｅ１、Ｅ２の設定要領およびその場合のシミュレーション結果につき図２０、２１を参照して説明する。
先ず、力行時の第１の設定値Ｅ１は、以下のように、ＤＣ１６５０Ｖとしている。即ち、饋電電圧補償装置２５から力行する列車に給電する場合を想定し、これを平均定格的な電圧の関係で捉え、コンバータ電圧としては、列車の平均定格的電圧に饋電線での最大電圧降下分を加えたものと考える。具体的に、列車の平均定格的な電圧として、図４の標準電圧ＤＣ１５００Ｖを採用し、饋電線の最大電圧降下分としては、今回のシミュレーションでの下記データを算出根拠にＤＣ１５０Ｖとしている。
饋電変電所２１と饋電電圧補償装置２５との距離：５Ｋｍ
饋電線抵抗：０．０４Ω／Ｋｍ
饋電線最大電流：１０００Ａ
以上の条件で、饋電線全長での電圧降下分２００Ｖと饋電線１／２長での電圧降下分１００Ｖとの平均値としてＤＣ１５０Ｖとした。
【００３１】
また、回生時の第２の設定値Ｅ２は、以下のように、ＤＣ１５５０Ｖとしている。即ち、列車からの回生電流を饋電電圧補償装置２５で吸収する場合を想定し、列車の許容最高電圧ＤＣ１７００Ｖ（図４参照）から上記饋電線最大電圧降下分ＤＣ１５０Ｖを減算してＤＣ１５５０Ｖとする。
【００３２】
図２０は、各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を、図２１は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。図から判るように、力行判定時には、コンバータ電圧Ｖ２は饋電線の標準電圧ＤＣ１５００Ｖに饋電線最大電圧降下分ＤＣ１５０Ｖを加算したＤＣ１６５０Ｖに制御されるので、列車へは饋電電圧補償装置２５からも十分な電流が供給されキャパシタ２３は放電して電圧Ｖｃは急減している。回生判定時は、列車の許容最高電圧ＤＣ１７００Ｖから饋電線最大電圧降下分ＤＣ１５０Ｖを減算したＤＣ１５５０Ｖに制御されるので、列車電圧Ｖ３は、ＤＣ１６００Ｖ程度に抑えられている。この計算例では、列車の最初の加速期間および再力行期間の途中で、キャパシタ電圧Ｖｃがその下限値ＤＣ４００Ｖまで下がって饋電電圧補償装置２５が一旦停止しているが、その後の回生制動動作ではいずれも補償装置として完全に機能している。
【００３３】
以上のように、この発明の実施の形態５では、饋電電圧補償装置２５の電流から力行、回生、惰行状態を判定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧を、力行およびそれに続く惰行時には饋電線の標準電圧に饋電線最大電圧降下を加算した値に制御し、回生およびそれに続く惰行時には列車の許容最高電圧から饋電線最大電圧降下を減算した値に制御するようにしたので、回生動作時、饋電電圧補償装置２５が有効に機能して列車電圧が安全な範囲に抑えられるとともに、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【００３４】
実施の形態６．
饋電線電流検出値から力行、回生を判定し、その判定結果に基づきコンバータ電圧Ｖ２の設定値を切り替えるという点では、先の実施の形態４、５と同様であるが、この実施の形態６では、饋電電圧補償装置２５のキャパシタ２３として、最小限の容量で列車の回生動作を補償するという点に着目した、上記コンバータ電圧Ｖ２の設定方式について説明する。
即ち、ここでは、力行およびそれに続く惰行時に採用する第１の設定値Ｅ１としては、饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００ＶにΔＥを加算した値とし、回生およびそれに続く惰行時に採用する第２の設定値Ｅ２としては、回生動作時の列車電圧を許容最高電圧（ＤＣ１７００Ｖ）以下に収める条件からＤＣ１５５０Ｖとする。そして、キャパシタ容量Ｃｂとしては、列車の制動エネルギーＷｂから求まる最小限の値としておき、上記加算値ΔＥをパラメータにしてシミュレーションを行い、列車が最高速度から回生動作で停止する期間でキャパシタ電圧が、丁度、その最低許容電圧から始まり最高許容電圧で終了するような結果が得られるときの加算値ΔＥを求める。
このため、既述した（１）式では、キャパシタ容量Ｃｂ＝２００［Ｆ］としたが、ここでは、同式による計算結果に余裕を持たせることなく、Ｃｂ＝１６５［Ｆ］としてシミュレーションしている。
なお、Ｃｂを決定するための条件は、先の計算例の場合と同一である。即ち、
列車最高速度：１００［Ｋｍ／ｈ］
キャパシタ上限電圧ＶＨ：８２０［Ｖ］
キャパシタ下限電圧ＶＬ：４００［Ｖ］
としている。
【００３５】
図２２、２３は、ほぼ所望の結果が得られたときのシミュレーション結果で、加算値ΔＥとしてＤＣ５０Ｖ、従って、第１の設定値Ｅ１＝ＤＣ１６５０Ｖとした場合の計算結果である。図２２は、各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を、図２３は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。
特に図２３から判るように、列車が最終の回生制動で停止する期間において、キャパシタ電圧Ｖｃは、最低許容電圧の４００Ｖから最高許容電圧の８２０Ｖまで上昇している。即ち、補償装置としてのキャパシタ２３がその容量計算通りの回生補償能力を発揮している。
換言すれば、この電圧設定方式は、列車の運転特性、特にその回生動作特性からの要請を満足させる饋電電圧補償装置２５としてそのキャパシタ２３の容量を最小限のもので実現できるという経済設計を可能とするものと言える。
更に、列車の始動時におけるキャパシタ電圧Ｖｃもその最高許容電圧ＤＣ８２０Ｖに近い値になっており、列車がこの単位走行パターンの運行を継続するものとすると、上述した効率的な回生補償能力が繰り返し実現されることになる。
【００３６】
以上のように、この発明の実施の形態６では、キャパシタ容量を列車の制動エネルギーから求まる最小限の値としておき、力行判定時のコンバータ電圧の設定値を決める加算値ΔＥを、列車が実際に最高速度から回生制動で停止する期間でキャパシタ電圧がその最低許容電圧から最高許容電圧まで上昇するように設定するので、結果として、饋電電圧補償装置のキャパシタの容量を無駄のない最小限の値に留めて経済性を高めることが出来る。
【００３７】
なお、以上の、コンバータ電圧の第１および第２の設定値Ｅ１、Ｅ２の設定方式としては、実施の形態４〜６で説明したものに限られるわけではなく、Ｅ１＞Ｅ２の条件を前提に、個々のケースにおける饋電電圧範囲等を考慮に入れて種々変形しうるものである。
また、以上の説明では、キャパシタ２３として電気二重層キャパシタを例示したが、この発明の適用上、それに限定されるわけではないことは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る饋電電圧補償装置は、饋電変電所から饋電線を介して、力行・回生を行う列車に給電する饋電回路に接続され、キャパシタおよびこのキャパシタと上記饋電線との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータからなる饋電電圧補償装置において、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧が、上記饋電変電所の無負荷時電圧以上で選定された所定の設定値となるよう上記可逆コンバータを制御するので、列車の回生動作時に饋電電圧補償装置が有効に機能し、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１における饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【図２】 図１のＤＣ／ＤＣコンバータ２４の回路構成を示す図である。
【図３】 図２のＤＣ／ＤＣコンバータ２４の動作を説明する図である。
【図４】 饋電電圧の変動範囲を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（列車電流、速度）を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（各点の電流）を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図９】 比較例として実施したシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１０】 比較例として実施したシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図１１】 この発明の実施の形態２における饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態２におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１３】 この発明の実施の形態２におけるシミュレーション結果（各点の電流）を示す図である。
【図１４】 この発明の実施の形態３におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１５】 この発明の実施の形態３におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図１６】 この発明の実施の形態４における饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【図１７】 力行、回生、惰行を判定する要領を示す図である。
【図１８】 この発明の実施の形態４におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１９】 この発明の実施の形態４におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図２０】 この発明の実施の形態５におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図２１】 この発明の実施の形態５におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図２２】 この発明の実施の形態６におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図２３】 この発明の実施の形態６におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図２４】 従来の饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【符号の説明】
２１ 饋電変電所、２２ 饋電回路、２３ キャパシタ、
２４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２５ 饋電電圧補償装置、２６ 列車、
２７ 饋電線、２９，２９Ａ，２９Ｂ コンバータ制御装置、
３０ 電圧検出器、３１ 電流検出器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、饋電回路の電圧変動を抑制する饋電電圧補償装置に係り、特に、列車の回生制動を安定して動作させることが出来るものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２４は、従来からの直流饋電回路の概略構成を示す。饋電変電所３、４では、交流電力系統１、２からの三相交流電圧を降圧し、更に整流器５、６で直流に変換し、高速度遮断器７〜１０を介して饋電線１６に供給する。饋電回路１５は饋電線１６と帰線１７とからなり、列車１４にはこの饋電回路１５から電力が供給される。
そして、饋電区分所に饋電電圧補償装置１１が設けられ、饋電電圧補償装置１１は、キャパシタ１８とこのキャパシタ１８と高速度遮断器１２、１３を介した饋電線１６との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータであるＤＣ／ＤＣコンバータ１９とから構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以上のように、キャパシタ１８をＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して饋電線１６に接続する構成を採用しているので、例えば、キャパシタ１８に電気二重層キャパシタを適用する場合、キャパシタ１８としての定格電圧を高く設定することが一般に困難であるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が饋電線１６の電圧との間で適当に電圧変換を行うことで、その適用が容易となる利点がある。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の電圧変換比を調整可能なものとし、饋電区間や時間帯により、列車の力行負荷が多いと予想されるときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の電圧変換比を高くし、逆に回生負荷が多いと予想されるときは、電圧変換比を低くすることで、回生電力の有効利用と饋電電圧の補償とを共に達成できるという利点がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３３４４２０号公報（第５、６頁、図９、１１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の饋電電圧補償装置は以上のように構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることで特にその電圧定格の面からキャパシタの適用が容易になるという利点はあるが、負荷条件によってはキャパシタが饋電変電所からの電流で充電され、その電圧が一定高くなった状態で列車が回生動作に入ってキャパシタが過電圧に至り饋電電圧補償装置が停止して列車が回生失効することがあった。
また、列車ダイヤ等を参考にした力行または回生負荷予想に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる饋電電圧補償装置の電圧調整を行うので、現実に走行する列車の回生失効を確実に防止するという点では十分とは言えなかった。
【０００６】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、列車の回生失効をより確実に防止し、列車の回生制動を安定して動作させることが出来る饋電電圧補償装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る饋電電圧補償装置は、饋電変電所から饋電線を介して、力行・回生を行う列車に給電する饋電回路に接続され、キャパシタおよびこのキャパシタと上記饋電線との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータからなる饋電電圧補償装置において、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧が、上記饋電変電所の無負荷時電圧以上で選定された所定の設定値となるよう上記可逆コンバータを制御するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１で想定する饋電回路のモデルを示す。ここでは、左端に交流電源系統２０からの交流電圧を直流電圧に変換して饋電回路２２に出力する饋電変電所２１が設けられ、右端にキャパシタ２３とＤＣ／ＤＣコンバータ２４とからなる饋電電圧補償装置２５が設けられている。列車２６はこの饋電回路２２を矢印の方向に走行し、特にその回生制動時は定電流源として作用するものとする。ＲＳは饋電変電所２１の内部抵抗、ＲＬ１、ＲＬ２は饋電線２７の抵抗である。
饋電電圧補償装置２５について更に詳しく説明する。キャパシタ２３には大容量化が容易な電気二重層キャパシタを採用する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４はキャパシタ２３と饋電線２７との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータで、コンバータ制御装置２９からの信号に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧Ｖ２が所定の設定値となるよう制御される。
【０００９】
図２、図３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の回路構成および動作の一例を示す図である。図２において、ＤＣ／ＤＣコンバータは、平滑フィルタを構成するリアクトルＬ１、キャパシタＣ１、ＩＧＢＴや電界効果形パワートランジスタとからなる第１および第２のスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２、これらスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２に逆並列接続されたダイオードＤｄ１、Ｄｄ２、およびリアクトルＬ２から構成され、バッテリＢｔとキャパシタＣ２との間で電圧変換を行う。図１に対応させると、バッテリＢｔは饋電電圧補償装置２５の饋電線端に相当し、キャパシタＣ２はキャパシタ２３に相当する。
そして、Ｔｒ１、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ２により、ＢｔからＣ２に充電するチョッパー回路を形成し、Ｔｒ２、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ１により、Ｃ２からＢｔに逆充電するチョッパー回路を形成している。
【００１０】
次にＤＣ／ＤＣコンバータ２４の動作について説明する。コンバータ制御装置２９は饋電電圧補償装置２５の饋電線側電圧Ｖ２を検出し、これが設定値より高いとスイッチング素子Ｔｒ１をオンオフして図３（ａ）に示すように、定電流（電流幅Ｉｕ〜Ｉｄ）でＢｔからＣ２に充電して電圧を下げ、電圧検出値が設定値より低いとスイッチング素子Ｔｒ２をオンオフして図３（ｂ）に示すように、Ｃ２からＢｔに放電して電圧を上げることにより、電圧Ｖ２を指令された設定値に制御する。
【００１１】
ここで、図４により、我が国の直流饋電回路で一般的に設定されている饋電電圧の変動範囲について説明する。先ず、（ｂ）饋電変電所無負荷時電圧は、無負荷時の饋電変電所からの送り出し電圧でＤＣ１６００Ｖとされている。（ｃ）標準電圧は、列車の設計標準となる電圧で、無負荷時電圧から１００Ｖ低いＤＣ１５００Ｖに設定されている。（ｄ）最低電圧は、最大負荷時でも必要な列車性能を維持するため饋電回路に要請される電圧最低値でＤＣ１１００Ｖに設定されている。（ａ）最高電圧は、列車の回生制動動作時に許容される電圧最高値でＤＣ１７００Ｖに設定されている。
従って、列車の電圧は、力行時はＤＣ１６００〜１１００Ｖの範囲、回生制動時はＤＣ１７００〜１１００Ｖの範囲で変動することになる。
【００１２】
以上で説明した饋電電圧補償装置２５の主回路構成および制御構成、更には饋電電圧変動範囲を前提にして、以下、この発明の実施の形態１における饋電電圧補償装置２５の制御方式を、当該制御方式に基づき実施したシミュレーション結果を踏まえて説明する。
ここでは、コンバータ制御装置２９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧が饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００Ｖ（図４参照）となるようＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御する。これにより、キャパシタ２３が饋電変電所２１から充電されることが防止され、その分、列車からの回生電流を吸収する、即ち、キャパシタ２３の蓄電能力が有効に活かされ回生失効が防止されるという効果が期待される。
【００１３】
以下、この様子を、図５〜８のシミュレーション結果を参照して説明する。このシミュレーションは、列車が饋電変電所２１位置から出発し、力行ー惰行ー回生制動ー惰行ー再力行ー惰行ー回生制動で饋電電圧補償装置２５位置に停止する、典型的な単位走行パターン（ランカーブ）で運転した場合を想定している。
図５は、この場合の列車電流（列車の電動機電流）Ｉ４、列車速度Ｖｅを示す。即ち、初め、一定加速度で加速し電動機には一定の電流が流れ、やがて電動機の定格容量領域まで加速するにつれて減衰して列車は最高速度に達した後、力行オフして惰行運転している。その後、抑速運転で回生制動を作用させて減速し、再度惰行運転している。再加速で電動機が一定電流になった後、定格容量域にて電流が減少し、惰行運転後回生制動を作用させて停止する。
【００１４】
図６は、饋電変電所２１の電圧（図では変電所電圧と略記）Ｖ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧（図ではコンバータ電圧と略記）Ｖ２、列車電圧Ｖ３を示し、図７は、変電所電流Ｉ１（正極性は流出方向）、コンバータ電流Ｉ２（正極性は流入方向）、列車電流Ｉ３（正極性は流入方向）を示し、図８は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。
【００１５】
ここで、キャパシタ２３の設定要領について説明する。キャパシタ２３の必要容量は、列車が最高速度から停止するまでの制動エネルギーＷｂ［Ｋｗ・秒］の吸収能力から定まり、以下の関係式から求められる。
Ｗｂ＝０．５・Ｃｂ・（ＶＨ２−ＶＬ２） （１）式
但し、Ｃｂ：キャパシタ容量［Ｆ］
ＶＨ：キャパシタ上限電圧［Ｖ］
ＶＬ：キャパシタ下限電圧［Ｖ］
今回の具体例では、キャパシタ２３は、電気二重層キャパシタＤＣ５４Ｖモジュールを１６個直列接続したものを想定し、上限電圧はＤＣ８２０Ｖ、下限電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ２４の変換能力（電流耐量）から決まるＤＣ４００Ｖとしている。そして、定位置停止をするときの列車最高速度を１００Ｋｍ／ｈとして上式から求まる値に多少の余裕をみて、Ｃｂ＝２００［Ｆ］としている。
【００１６】
図５〜８に戻り、コンバータ電圧Ｖ２は、饋電変電所２１の無負荷時電圧ＤＣ１６００Ｖ一定に制御されるので、最初の力行加速期間においては、低下した変電所電圧Ｖ１に対してコンバータ電圧Ｖ２が高くなり（図６参照）、饋電電圧補償装置２５からも電流が列車に供給される（図７参照）。この結果、キャパシタ電圧Ｖｃが大幅に低下し、この例ではほぼ加速終了時点でその下限電圧ＤＣ４００Ｖ近くまで低下している（図８参照）。更に、再力行時は、その途中で、キャパシタ電圧Ｖｃが下限電圧ＤＣ４００Ｖに至り、饋電電圧補償装置２５は一旦動作を停止している。
従って、回生制動停止の動作は、キャパシタ２３がその下限電圧に近いレベルからスタートしており、キャパシタの電圧はその上限値に達することなく、回生エネルギーを確実に吸収して列車の回生失効は防止され安定した回生動作を補償している。
コンバータ電圧Ｖ２を変電所無負荷時電圧Ｖ０より高い値に設定すると、以上で説明した傾向、即ち、キャパシタ電圧Ｖｃが下限値に至る傾向がより顕著になりキャパシタの蓄電余裕が増大して列車の回生失効は確実に防止される。
【００１７】
図９、図１０は、比較例として、コンバータ電圧Ｖ２をあえて饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００Ｖより低い電圧、ここではＤＣ１５００Ｖに制御した場合のシミュレーション結果を示す。この場合、最初の力行時も途中までは変電所電圧Ｖ１がコンバータ電圧Ｖ２より高いので、饋電電圧補償装置２５は饋電変電所２１から充電されキャパシタ電圧Ｖｃは一旦上昇している。その後、変電所電圧Ｖ１の低下に従い饋電電圧補償装置２５から列車への供給電流が増え、キャパシタ電圧Ｖｃは一旦低下するが、列車が惰行に入ると、変電所電圧Ｖ１が上昇するので充電動作が再開してキャパシタ電圧Ｖｃは上昇する。更に列車が惰行から抑速回生制動に入ると、キャパシタ電圧Ｖｃは更に急上昇し、この回生動作の途中で上限電圧ＤＣ８２０Ｖに達し、饋電電圧補償装置２５は動作を停止している。
図１０から判るように、再力行後の惰行時にも同様の条件で饋電変電所２１から充電されてキャパシタ電圧Ｖｃが大幅に上昇する結果、列車が最終の回生制動停止の動作に入った直後に、再び上限電圧ＤＣ８２０Ｖに達して饋電電圧補償装置２５の動作が停止、列車は回生失効して発電ブレーキや空気ブレーキに切り替えざるを得ず、饋電電圧補償装置２５が有効に機能しないことになる。
【００１８】
以上の比較結果からも判るように、この発明の実施の形態１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧が、饋電変電所２１の無負荷時電圧以上で選定された所定の設定値となるようＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御するようにしたので、列車の回生動作時に饋電電圧補償装置２５が有効に機能し、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【００１９】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、コンバータ電圧Ｖ２を饋電変電所の無負荷時電圧以上に制御するようにしたので、回生失効が確実に防止されるとしたが、現実の饋電変電所の状況を考えた場合、以下のような問題がある。即ち、饋電変電所は電力会社の電力系統から給電されるが、この電力系統の電圧変動の影響で饋電変電所の無負荷時電圧が変動する可能性がある。この場合、この無負荷時電圧が通常値より上昇すると相対的にコンバータ電圧が無負荷時電圧より低くなる結果、図９、１０で説明したような不具合が生じ得ることになる。
この実施の形態２は、この点を解決するため創案されたものである。
【００２０】
図１１は、この発明の実施の形態２における饋電電圧補償装置を示す構成図である。先の実施の形態１と異なるのは、電圧検出器３０を設けて饋電変電所２１の電圧Ｖ１を検出し、コンバータ制御装置２９ＡはＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧Ｖ２がこの検出電圧Ｖ１と一致するようＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御するようにした点である。
図１２、１３はこの場合のシミュレーション結果を示す。なお、列車電流Ｉ４、列車速度Ｖｅは、先に説明した図５と同様であるのでここでは省略している。図１２は、変電所電圧Ｖ１、コンバータ電圧Ｖ２、列車電圧Ｖ３およびキャパシタ電圧Ｖｃを示し、図１３は、変電所電流Ｉ１、コンバータ電流Ｉ２、列車電流Ｉ３およびキャパシタ電流Ｉｃを示す。
【００２１】
図から判るように、コンバータ電圧Ｖ２は変電所電圧Ｖ１に追随し、饋電変電所２１から饋電電圧補償装置２５への不要な充電が防止され、列車の回生時に饋電電圧補償装置２５が有効に機能して安定した回生制動動作が実現する。
但し、回生動作時、列車電圧Ｖ３が上昇し、これに伴って変電所電圧Ｖ１が上昇するので、コンバータ電圧Ｖ２をそのまま変電所電圧Ｖ１に追随させると、列車電圧Ｖ３が更に上昇することになって好ましくないので、上限値（この例では、変電所無負荷時電圧ＤＣ１６００Ｖを採用している）を設け、コンバータ電圧Ｖ２をこの上限値でリミットするようにしている。図１２において、Ｖ２※とし記している部分が該当する。
【００２２】
以上のように、この発明の実施の形態２では、饋電変電所２１の電圧を検出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧を上記変電所電圧検出値になるよう制御するようにしたので、列車の回生動作時に饋電電圧補償装置２５が有効に機能し、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧の制御において、所定の上限値でリミットするようにしたので、不要な電圧上昇が無くなり回生動作が支障無くなされる。
【００２３】
実施の形態３．
先の実施の形態２の説明では言及しなかったが、図１２のキャパシタ電圧Ｖｃに着目すると、次のことが判る。即ち、キャパシタ電圧Ｖｃは、当初、ＤＣ７００Ｖに充電されているが、一連の単位走行パターンが終了した時点では、ＤＣ８１９Ｖとなり、ＤＣ１１９Ｖ上昇している。従って、この単位走行パターンを繰り返すと仮定すると、キャパシタ電圧Ｖ２がいずれ上限電圧（ＤＣ８２０Ｖ）に達し、回生失効が生じ得ることになる。
そこで、この実施の形態３では、変電所電圧検出値Ｖ１に所定電圧ΔＥを加算し、コンバータ電圧Ｖ２をこの加算した電圧値に追随させるように制御する。
【００２４】
図１４、１５は、その一例によるシミュレーション結果を示す図で、ここでは加算電圧ΔＥとしてＤＣ１００Ｖとしている。そして、図１４は各電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、図１５はキャパシタ電圧Ｖｃを示す。コンバータ電圧Ｖ２を上げた関係で、図１４にＶ２※で示すように、実施の形態２で説明した電圧リミット動作が頻繁に成されることになるが、Ｖ２を上げた分饋電電圧補償装置２５から列車への電力供給、従って、キャパシタ２３の放電量が増加し、図１５に示すように、キャパシタ電圧Ｖｃは、初期値ＤＣ７００Ｖから最終値ＤＣ６８２ＶになりＤＣ１８Ｖ低下している。
【００２５】
以上のように、加算電圧ΔＥの値を適当に設定することで、単位走行パターンを繰り返したときの、キャパシタ電圧Ｖｃの累積上昇を抑制することが出来、回生失効をより確実に防止することが出来る。
なお、個々の説明は省略するが、先の実施の形態１を適用した場合にも、コンバータ電圧Ｖ２を変電所無負荷時電圧Ｖ０より所定電圧ΔＥ高めるようにし、この電圧ΔＥの値を、図１４、１５で説明したキャパシタ電圧Ｖｃの累積増大を抑制する目的で設定するようにしてもよい。
【００２６】
実施の形態４．
図１６は、この発明の実施の形態４における饋電電圧補償装置を示す構成図である。ここでは、饋電変電所２１は回生機能がないものとしており、列車の回生時は、もっぱら饋電電圧補償装置２５がその回生電流を吸収するものとする。そして、電流検出器３１により饋電電圧補償装置２５の饋電線側電流を検出し、コンバータ制御装置２９Ｂは、その電流値および極性から力行状態か、回生状態か、更には惰行状態かを判別し、この判別結果に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧Ｖ２を制御する。
これにより、力行時にはこのコンバータ電圧Ｖ２を高く設定して列車への給電量（キャパシタ２３の放電量）を増やし、回生時にはコンバータ電圧Ｖ２を低く設定して列車電圧Ｖ３の上昇を抑制するという饋電電圧補償装置２５の合理的な運転が期待される。
【００２７】
先ず、電流検出器３１による電流検出値から力行、回生、惰行を判別する要領について図１７を参照して説明する。図は、流出する方向（力行状態）の電流極性をプラス、流入する方向（回生状態）の電流極性をマイナスとして図示している。そして、電流の絶対値が惰行判定基準値ΔＩ（例えば、１０Ａ程度）より大きく、かつ極性がプラス、即ち向きが流出方向のときは力行と判定する。また、電流の絶対値が惰行判定基準値ΔＩより大きく、かつ極性がマイナス、即ち向きが流入方向のときは回生と判定する。更に、電流の絶対値が惰行判定基準値ΔＩ以下のときは惰行と判定する。
そして、力行と判定したときは、コンバータ電圧Ｖ２を第１の設定値Ｅ１に制御し、回生と判定したときは、第１の設定値より低い第２の設定値Ｅ２に制御する。
なお、惰行と判定したときは、ハンチング動作等を防止して安定した制御動作を確保するため、直前の判定結果に基づく設定値Ｅ１またはＥ２を採用する。従って、例えば、図１７の下段に▲１▼→▲８▼で示すように電流が変化した場合は、各電流履歴点に対応して同図上段に示すように、▲３▼→▲４▼の惰行判定範囲では第１の設定値Ｅ１を採用し、▲６▼→▲７▼の惰行判定範囲では第２の設定値Ｅ２を採用することになる。
【００２８】
次に、実施の形態４での電圧Ｅ１、Ｅ２の設定要領およびその場合のシミュレーション結果につき図１８、１９を参照して説明する。
ここでは、力行判定時の第１の設定値Ｅ１として、饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００Ｖを採用している。そして、回生判定時の第２の設定値Ｅ２としては、回生動作時の列車電圧Ｖ３を許容最高電圧ＤＣ１７００Ｖ（図４参照）以下に収めるために設定された電圧、ここではＤＣ１５００Ｖを採用している。
図１８は、各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を、図１９は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。図から判るように、力行判定時には、コンバータ電圧Ｖ２は変電所無負荷時電圧ＤＣ１６００Ｖに制御されるので、列車へは饋電電圧補償装置２５からも電流が供給されキャパシタ２３は放電して電圧Ｖｃは急減している。回生判定時は、低いＤＣ１５００Ｖに制御されるので、列車電圧Ｖ３は、高々ＤＣ１６１０Ｖ程度に止まっている。この計算例では、列車の再力行期間の途中で、キャパシタ電圧Ｖｃがその下限値ＤＣ４００Ｖまで下がって饋電電圧補償装置２５が一旦停止しているが、その後の回生制動停止動作では補償装置として完全に機能している。
【００２９】
以上のように、この発明の実施の形態４では、饋電電圧補償装置２５の電流から力行、回生、惰行状態を判定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧を、力行およびそれに続く惰行時には変電所無負荷時電圧に制御し、回生およびそれに続く惰行時には列車電圧がその許容最高電圧以下となる電圧に制御するようにしたので、回生動作時、饋電電圧補償装置２５が有効に機能して列車電圧が安全な範囲に抑えられるとともに、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【００３０】
実施の形態５．
次に、実施の形態５での電圧Ｅ１、Ｅ２の設定要領およびその場合のシミュレーション結果につき図２０、２１を参照して説明する。
先ず、力行時の第１の設定値Ｅ１は、以下のように、ＤＣ１６５０Ｖとしている。即ち、饋電電圧補償装置２５から力行する列車に給電する場合を想定し、これを平均定格的な電圧の関係で捉え、コンバータ電圧としては、列車の平均定格的電圧に饋電線での最大電圧降下分を加えたものと考える。具体的に、列車の平均定格的な電圧として、図４の標準電圧ＤＣ１５００Ｖを採用し、饋電線の最大電圧降下分としては、今回のシミュレーションでの下記データを算出根拠にＤＣ１５０Ｖとしている。
饋電変電所２１と饋電電圧補償装置２５との距離：５Ｋｍ
饋電線抵抗：０．０４Ω／Ｋｍ
饋電線最大電流：１０００Ａ
以上の条件で、饋電線全長での電圧降下分２００Ｖと饋電線１／２長での電圧降下分１００Ｖとの平均値としてＤＣ１５０Ｖとした。
【００３１】
また、回生時の第２の設定値Ｅ２は、以下のように、ＤＣ１５５０Ｖとしている。即ち、列車からの回生電流を饋電電圧補償装置２５で吸収する場合を想定し、列車の許容最高電圧ＤＣ１７００Ｖ（図４参照）から上記饋電線最大電圧降下分ＤＣ１５０Ｖを減算してＤＣ１５５０Ｖとする。
【００３２】
図２０は、各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を、図２１は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。図から判るように、力行判定時には、コンバータ電圧Ｖ２は饋電線の標準電圧ＤＣ１５００Ｖに饋電線最大電圧降下分ＤＣ１５０Ｖを加算したＤＣ１６５０Ｖに制御されるので、列車へは饋電電圧補償装置２５からも十分な電流が供給されキャパシタ２３は放電して電圧Ｖｃは急減している。回生判定時は、列車の許容最高電圧ＤＣ１７００Ｖから饋電線最大電圧降下分ＤＣ１５０Ｖを減算したＤＣ１５５０Ｖに制御されるので、列車電圧Ｖ３は、ＤＣ１６００Ｖ程度に抑えられている。この計算例では、列車の最初の加速期間および再力行期間の途中で、キャパシタ電圧Ｖｃがその下限値ＤＣ４００Ｖまで下がって饋電電圧補償装置２５が一旦停止しているが、その後の回生制動動作ではいずれも補償装置として完全に機能している。
【００３３】
以上のように、この発明の実施の形態５では、饋電電圧補償装置２５の電流から力行、回生、惰行状態を判定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の饋電線側電圧を、力行およびそれに続く惰行時には饋電線の標準電圧に饋電線最大電圧降下を加算した値に制御し、回生およびそれに続く惰行時には列車の許容最高電圧から饋電線最大電圧降下を減算した値に制御するようにしたので、回生動作時、饋電電圧補償装置２５が有効に機能して列車電圧が安全な範囲に抑えられるとともに、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【００３４】
実施の形態６．
饋電線電流検出値から力行、回生を判定し、その判定結果に基づきコンバータ電圧Ｖ２の設定値を切り替えるという点では、先の実施の形態４、５と同様であるが、この実施の形態６では、饋電電圧補償装置２５のキャパシタ２３として、最小限の容量で列車の回生動作を補償するという点に着目した、上記コンバータ電圧Ｖ２の設定方式について説明する。
即ち、ここでは、力行およびそれに続く惰行時に採用する第１の設定値Ｅ１としては、饋電変電所２１の無負荷時電圧Ｖ０＝ＤＣ１６００ＶにΔＥを加算した値とし、回生およびそれに続く惰行時に採用する第２の設定値Ｅ２としては、回生動作時の列車電圧を許容最高電圧（ＤＣ１７００Ｖ）以下に収める条件からＤＣ１５５０Ｖとする。そして、キャパシタ容量Ｃｂとしては、列車の制動エネルギーＷｂから求まる最小限の値としておき、上記加算値ΔＥをパラメータにしてシミュレーションを行い、列車が最高速度から回生動作で停止する期間でキャパシタ電圧が、丁度、その最低許容電圧から始まり最高許容電圧で終了するような結果が得られるときの加算値ΔＥを求める。
このため、既述した（１）式では、キャパシタ容量Ｃｂ＝２００［Ｆ］としたが、ここでは、同式による計算結果に余裕を持たせることなく、Ｃｂ＝１６５［Ｆ］としてシミュレーションしている。
なお、Ｃｂを決定するための条件は、先の計算例の場合と同一である。即ち、
列車最高速度：１００［Ｋｍ／ｈ］
キャパシタ上限電圧ＶＨ：８２０［Ｖ］
キャパシタ下限電圧ＶＬ：４００［Ｖ］
としている。
【００３５】
図２２、２３は、ほぼ所望の結果が得られたときのシミュレーション結果で、加算値ΔＥとしてＤＣ５０Ｖ、従って、第１の設定値Ｅ１＝ＤＣ１６５０Ｖとした場合の計算結果である。図２２は、各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を、図２３は、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。
特に図２３から判るように、列車が最終の回生制動で停止する期間において、キャパシタ電圧Ｖｃは、最低許容電圧の４００Ｖから最高許容電圧の８２０Ｖまで上昇している。即ち、補償装置としてのキャパシタ２３がその容量計算通りの回生補償能力を発揮している。
換言すれば、この電圧設定方式は、列車の運転特性、特にその回生動作特性からの要請を満足させる饋電電圧補償装置２５としてそのキャパシタ２３の容量を最小限のもので実現できるという経済設計を可能とするものと言える。
更に、列車の始動時におけるキャパシタ電圧Ｖｃもその最高許容電圧ＤＣ８２０Ｖに近い値になっており、列車がこの単位走行パターンの運行を継続するものとすると、上述した効率的な回生補償能力が繰り返し実現されることになる。
【００３６】
以上のように、この発明の実施の形態６では、キャパシタ容量を列車の制動エネルギーから求まる最小限の値としておき、力行判定時のコンバータ電圧の設定値を決める加算値ΔＥを、列車が実際に最高速度から回生制動で停止する期間でキャパシタ電圧がその最低許容電圧から最高許容電圧まで上昇するように設定するので、結果として、饋電電圧補償装置のキャパシタの容量を無駄のない最小限の値に留めて経済性を高めることが出来る。
【００３７】
なお、以上の、コンバータ電圧の第１および第２の設定値Ｅ１、Ｅ２の設定方式としては、実施の形態４〜６で説明したものに限られるわけではなく、Ｅ１＞Ｅ２の条件を前提に、個々のケースにおける饋電電圧範囲等を考慮に入れて種々変形しうるものである。
また、以上の説明では、キャパシタ２３として電気二重層キャパシタを例示したが、この発明の適用上、それに限定されるわけではないことは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る饋電電圧補償装置は、饋電変電所から饋電線を介して、力行・回生を行う列車に給電する饋電回路に接続され、キャパシタおよびこのキャパシタと上記饋電線との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータからなる饋電電圧補償装置において、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧が、上記饋電変電所の無負荷時電圧以上で選定された所定の設定値となるよう上記可逆コンバータを制御するので、列車の回生動作時に饋電電圧補償装置が有効に機能し、回生失効が確実に防止され安定した回生動作が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１における饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【図２】 図１のＤＣ／ＤＣコンバータ２４の回路構成を示す図である。
【図３】 図２のＤＣ／ＤＣコンバータ２４の動作を説明する図である。
【図４】 饋電電圧の変動範囲を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（列車電流、速度）を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（各点の電流）を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態１におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図９】 比較例として実施したシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１０】 比較例として実施したシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図１１】 この発明の実施の形態２における饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態２におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１３】 この発明の実施の形態２におけるシミュレーション結果（各点の電流）を示す図である。
【図１４】 この発明の実施の形態３におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１５】 この発明の実施の形態３におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図１６】 この発明の実施の形態４における饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【図１７】 力行、回生、惰行を判定する要領を示す図である。
【図１８】 この発明の実施の形態４におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図１９】 この発明の実施の形態４におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図２０】 この発明の実施の形態５におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図２１】 この発明の実施の形態５におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図２２】 この発明の実施の形態６におけるシミュレーション結果（各点の電圧）を示す図である。
【図２３】 この発明の実施の形態６におけるシミュレーション結果（キャパシタ電圧）を示す図である。
【図２４】 従来の饋電電圧補償装置を示す構成図である。
【符号の説明】
２１ 饋電変電所、２２ 饋電回路、２３ キャパシタ、
２４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２５ 饋電電圧補償装置、２６ 列車、
２７ 饋電線、２９，２９Ａ，２９Ｂ コンバータ制御装置、
３０ 電圧検出器、３１ 電流検出器。
Claims (10)
- 饋電変電所から饋電線を介して、力行・回生を行う列車に給電する饋電回路に接続され、キャパシタおよびこのキャパシタと上記饋電線との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータからなる饋電電圧補償装置において、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧が、上記饋電変電所の無負荷時電圧以上で選定された所定の設定値となるよう上記可逆コンバータを制御することを特徴とする饋電電圧補償装置。 - 饋電変電所から饋電線を介して、力行・回生を行う列車に給電する饋電回路に接続され、キャパシタおよびこのキャパシタと上記饋電線との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータからなる饋電電圧補償装置において、
上記饋電変電所の出力電圧を検出し、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧が、上記饋電変電所の出力電圧検出値以上であって上記出力電圧検出値に追随するように上記可逆コンバータを制御することを特徴とする饋電電圧補償装置。 - 上記可逆コンバータの饋電線側電圧の上限を上記饋電変電所の無負荷時電圧に制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項２記載の饋電電圧補償装置。
- 上記列車の走行状態が、力行、惰行、回生動作を含む所定の単位走行パターンの繰り返しとみなせる場合であって、上記列車が上記単位走行パターンを走行したときその前後で上記キャパシタの電圧が上昇した場合、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧を、上記饋電変電所の無負荷時電圧より所定量高くすることにより、上記キャパシタの上記単位走行パターン前後における電圧上昇を抑制するようにしたことを特徴とする請求項１記載の饋電電圧補償装置。 - 饋電変電所から饋電線を介して、力行・回生を行う列車に給電する饋電回路に接続され、キャパシタおよびこのキャパシタと上記饋電線との間に挿入され両者の間で双方向の電圧変換を行う可逆コンバータからなる饋電電圧補償装置において、
上記饋電変電所に回生機能が無い場合、
上記可逆コンバータの饋電線側電流を検出し、当該電流が流出方向のときは力行状態、流入方向のときは回生状態と判定する力行回生判定手段を備え、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧が、上記力行状態と判定したときは第１の設定値に、上記回生状態と判定したときは上記第１の設定値より低い第２の設定値になるよう上記可逆コンバータを制御することを特徴とする饋電電圧補償装置。 - 上記第１の設定値は上記饋電変電所の無負荷時電圧とし、上記第２の設定値は、回生動作時の列車電圧を許容最大値以下に収める条件で定まる電圧とすることを特徴とする請求項５記載の饋電電圧補償装置。
- 上記列車の設計基準となる電圧を標準電圧、上記列車の回生動作時に許容される電圧最高値を最高電圧、上記列車と饋電電圧補償装置との間の饋電線に想定される最大電圧降下分を饋電線電圧降下としたとき、
上記第１の設定値は、上記標準電圧に上記饋電線電圧降下を加算した値とし、上記第２の設定値は、上記最高電圧から上記饋電線電圧降下を減算した値とすることを特徴とする請求項５記載の饋電電圧補償装置。 - 上記列車の走行状態が、力行、惰行、回生抑速、回生停止動作を含む所定の単位走行パターンの繰り返しとみなせる場合、
上記第１の設定値は、上記饋電変電所の無負荷時電圧にΔＥを加算した値とし、第２の設定値は、回生動作時の列車電圧を許容最大値以下に収める条件で定まる電圧とし、
上記キャパシタの容量Ｃｂ［Ｆ］を、下式で算出したものとし、
Ｃｂ＝２・Ｗｂ／（ＶＨ２−ＶＬ２）
但し、Ｗｂ：列車が最高速度から停止するまでの制動エネルギー［Ｋｗ・秒］
ＶＨ：キャパシタ最高許容電圧［Ｖ］
ＶＬ：上記キャパシタ最高許容電圧ＶＨと上記可逆コンバータの変換能 力とで定まるキャパシタ最低許容電圧［Ｖ］
上記単位走行パターンにおいて、上記列車が最高速度から回生動作で停止する期間で上記キャパシタの電圧が上記最低許容電圧ＶＬから最高許容電圧ＶＨまで上昇するよう、上記ΔＥの値を設定することを特徴とする請求項５記載の饋電電圧補償装置。 - 上記力行回生判定手段は、上記可逆コンバータの饋電線側電流を検出し、当該電流の絶対値が所定の惰行判定基準値より大きくかつ向きが流出方向のときは力行状態、上記電流の絶対値が上記惰行判定基準値より大きくかつ向きが流入方向のときは回生状態、上記電流の絶対値が上記惰行判定基準値以下のときは惰行状態と判定するものとし、
上記惰行状態と判定されたときの上記可逆コンバータの饋電線側電圧は、当該惰行状態の直前の判定結果に基づく設定値を採用するようにしたことを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の饋電電圧補償装置。 - 上記列車の走行状態が、力行、惰行、回生動作を含む所定の単位走行パターンの繰り返しとみなせる場合であって、上記列車が上記単位走行パターンを走行したときその前後で上記キャパシタの電圧が上昇した場合、
上記可逆コンバータの饋電線側電圧を、上記饋電変電所の出力電圧検出値より所定量高く設定することにより、上記キャパシタの上記単位走行パターン前後における電圧上昇を抑制するようにしたことを特徴とする請求項２または３記載の饋電電圧補償装置。
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