JP4021292B2

JP4021292B2 - 直流電源システム

Info

Publication number: JP4021292B2
Application number: JP2002278430A
Authority: JP
Inventors: 輝雄吉野
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: JP2004120846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車のき電システムに代表されるような、直流による電力の送電と蓄積とを複合的に行なう直流電源システムに係り、特に、システムの効率化、合理化を図った直流電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電鉄用き電システムに代表される従来の直流電源システムは、交流電力を変電所などに設けられた送電用変換装置で直流電力に変換し、直流線路を経由し直流負荷に電力を供給するシステムである。
【０００３】
このように構成された直流電源システムに適用される変換装置には、従来から、いわゆる他励式変換装置が用いられてきたが、最近になって自励式変換装置も用いられるようになってきた。自励式変換装置を用いると、電源力率の改善、電源高調波の抑制が可能となるばかりでなく、電車のブレーキ時に発生するエネルギーを交流電源に少ない損失で回生できるなどのメリットがある。
【０００４】
直流電源システムの融通性を更に高めるためには、系統内に電力蓄積装置を設置する考え方がある。直流線路部分に電力蓄積装置を設置した直流電源システムは、例えば特許文献１に示されている。このように、直流送電システムと電力蓄積装置とを組み合わせて使用すると、送電側でのシステム故障などのトラブルに強い直流電源システムの構成が可能となるが、この直流電源システムの効率化、合理化技術についても考慮すべき問題である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２６７１９号公報（第２−３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の直流電源システムにおいては、送電電力と負荷電力とを一致させなければならないという制約があった。したがって、直流負荷系統の電力需要のピーク値に見合った容量を有する送電用変換装置が必要であった。
【０００７】
また、システム経済性の観点から考えると、直流線路の電圧をなるべく高くすることが望ましいが、この場合には、直流部分に設置する電力蓄積装置との電圧マッチングを採る必要が生じる。
【０００８】
更に、このような構成の直流電源システムでは、稼動率の向上対策が重要になるが、稼動率を向上させるような合理的システムをどう実現するか等の課題がある。
【０００９】
従って、本発明は上記課題に対して為されたもので、効率的で合理的な直流電源システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の直流電源システムは、交流電力を直流電力に変換する送電用変換装置と、この送電用変換装置の出力である直流電力を直流負荷に給電するための直流線路と、前記直流線路に接続された電力蓄積装置から構成され、前記送電用変換装置の容量を、前記電力蓄積装置の容量より小さくするとともに、前記直流負荷の電力消費が少ない期間に、前記送電用変換装置及び直流線路を介して、前記電力蓄積装置を、電力蓄積装置の容量のｋ（ｋ＜１）倍の比率で充電しておき、前記直流負荷の電力消費の多い期間は、前記電力蓄積装置から電力蓄積装置の定格出力で放電させ、電力消費の少ない期間をｔｃ、電力消費の多い期間をｔｄとしたとき、以下の不等式が成立するように運転する、
ｋ×ｔｃ×η＞ｔｄ（ηは電力蓄積装置の効率）
ことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、効率的で合理的な直流電源システムを提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
(第１の実施の形態)
以下に本発明による直流電源システムの第１の実施の形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明に係る直流電源システムのブロック構成図である。
【００１４】
電力系統１の交流電力を送電用変換装置２で直流に変換し、直流線路３を介して直流負荷４に給電する構成としている。
【００１５】
直流線路３には、電力蓄積装置５が接続されている。ここで、送電用変換装置２の変換容量は、電力蓄積装置５の容量よりも小さく選定する。
【００１６】
送電用変換装置２は、変圧器２１により所望の電圧を得、複数個のパワーデバイス２２をブリッジ接続して構成される変換器によって直流に変換する。この直流出力は直流コンデンサ２３によって平滑される。ここで、送電用変換装置２に用いるパワーデバイス２２には、ＩＧＢＴなどの自己消弧デバイスを用い、自励式変換装置を構成するようにしているが、ダイオード整流素子やサイリスタ素子などを用いた他励式変換装置を採用しても良い。また、図１に示したような２レベルの変換装置だけでなく、３レベル以上の変換装置を用いても良い。尚、自励式変換装置や、サイリスタ素子を用いた一部の他励式変換装置を用いれば、電力の流れを逆方向に制御することも可能となる。
【００１７】
図２に、二次電池を用いた電力蓄積装置５の一例を示す。ここでは、昇降圧チョッパ５１を用いて、二次電池５２の充放電を行なう構成を示している。昇降圧チョッパ５１は、電圧平滑用の直流コンデンサ５３、通電率制御用のパワーデバイス５４、及び電流平滑用リアクトル５５から構成されている。
【００１８】
図３には、超電導コイルを用いた電力蓄積装置５の他の実施の形態を示してある。この実施の形態にあっても、昇降圧チョッパ５１を用いて、超電導コイル５６の充放電を行なっている。昇降圧チョッパ５１は、電圧平滑用の直流コンデンサ５３及び通電率制御用のパワーデバイス５４から構成されている。
【００１９】
図２及び図３における昇降圧チョッパ５１の動作は、「パワーエレクトロニクス回路」(電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編、オーム社)の第７章「直流変換回路」などに解説されているように、パワーデバイス５４の通電率を制御することにより所望の直流電圧を得るようにしている。
【００２０】
以下、図１の直流電源システムの基本動作について説明する。
【００２１】
送電用変換装置２は、電力系統１の交流電力を直流電力に変換し、直流線路３に送り出す。この直流電力は直流負荷４に供給すると同時に、電力蓄積装置５を充電する。これは電力蓄積装置５が充電モードの場合であるが、この逆に電力蓄積装置５が放電モードの場合は、送電用変換装置２からの電力と電力蓄積装置５からの放電電力とが直流負荷４に供給される。
【００２２】
直流負荷４が電気車である場合、電力が定速運転・惰行運転している期間は電力需要が小さい。この間に電力系統１から送電用変換装置２、直流線路３を介して、電車に電力を供給すると共に、余剰電力で電力蓄積装置５を充電しておく。このように充電した電力を、電車が加速する際に、電力蓄積装置５から放電し、送電用変換装置２からの電力と加え合わせて電車に供給する。このように運転することで、電力系統１から電車に供給する電力のピーク量を低減し、電力の平準化を計ることができる。また、電力系統１に対し、電圧変動などの悪影響を受けないようにすることもできる。
【００２３】
今、電車の消費電力が小さい期間に、電力系統1から送電用変換装置２、直流線路３を介して、電力蓄積装置５を、電力蓄積装置の容量のｋ(ｋ＜１)倍の比率で充電しておくものとする。直流負荷４の電力消費の多い期間は、電力蓄積装置５から電力蓄積装置５の定格出力で放電する。電力消費の少ない期間をｔｃ、電力消費の多い期間をｔｄとしたとき、以下の不等式が成立するように運転する。
【００２４】
ｋ×ｔｃ×η＞ｔｄ…（１）
ただし、ここでηは電力蓄積装置５の効率である。
【００２５】
このように運転すれば、送電用変換装置２、及び直流線路３の扱う電力は、常に電力蓄積装置５より小さくなる。
【００２６】
また、最近の電車は、ブレーキにより減速する際には電気ブレーキを用い、電車からき電線に電力を回生する方式が広く用いられるようになった。この場合には、電車からの回生電力により、電力蓄積装置５を充電する期間ｔｒがある。このような場合には、更に電力蓄積装置５の容量を低減することが可能となる。
【００２７】
更に、電力系統１あるいは送電用変換装置２が故障などで運転できない場合でも、電力蓄積装置５から、直流負荷４への電力供給を継続することができる。
【００２８】
本発明によれば、負荷変動を送電側の電力系統１に影響を与えず、送電側の電力系統１の擾乱を緩和し、また、送電側の電力系統１における発電設備のピーク容量を低減できる。
【００２９】
また、電力系統１あるいは送電用変換装置２が故障などで運転できない場合でも、直流負荷４への電力供給を継続することができ、電力供給の稼動率を向上できる。
【００３０】
更に、送電用変換装置２、直流線路３の容量を小さくできるので、経済性向上効果が期待でき、効率的な直流電源システムを提供することができる。
【００３１】
(第２の実施の形態)
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る直流電源システムのブロック構成図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る直流電源システムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、直流線路３の距離が長いシステム構成の場合に、電力蓄積装置５を直流負荷４の近傍に配置した点である。
【００３２】
直流線路３の距離が長いような直流電源システムの場合、事故発生確率が高くなる。事故が発生すると、復旧には時間がかかるが、この様に電力蓄積装置５を直流負荷４の近傍に配置することにより、その間も電力蓄積装置５から直流負荷４への電力供給を継続できるので、稼動率を合理的に向上することができる。
【００３３】
(第３の実施の形態)
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る直流電源システムのブロック構成図である。この第３の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る直流電源システムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第３の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、直流線路３と電力蓄積装置５との間に、電圧変換装置６を追加した点である。電圧変換装置６としては、電力蓄積装置５の説明に用いた図２に示したような昇降圧チョッパなどが適用できる。
【００３４】
電力蓄積装置５を充電する場合、電圧変換装置６は、直流線路３の定格電圧から電力蓄積装置５の定格電圧に電圧変換を行ない充電する。一般に、電力蓄積装置５の電圧は、直流線路３電圧定格に比較し小さいので、電圧変換としては降圧動作を行なう。
【００３５】
この逆に電力蓄積手段５から放電する場合、電圧変換装置６は、直流線路３の定格電圧へ電力蓄積装置５の定格電圧から電圧変換を行なうことになるが、この場合は、昇圧動作の電圧変換となる。
【００３６】
以上の第３の実施の形態に係る直流電源システムにおいては、送電用変換装置２、直流線路３の電圧を高く設定できるので、送電容量が同じ場合、電流定格を小さく選定できる。電圧を高くしても、直流線路３に使用されるケーブルの経済性への影響は少なく、電流を小さくした方が経済的に良い傾向があるので、ケーブル長が長い場合は電圧変換装置６を追加しても、それ以上にケーブルが廉価になり、システム全体としての経済性向上が期待できる。従って、効率的な直流電源システムを提供することが可能となる。
【００３７】
(第４の実施の形態)
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る直流電源システムのブロック構成図である。この第４の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る直流電源システムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第４の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、複数個に分割された直流負荷４の夫々に対応して電力蓄積装置５を設置し、夫々の電力蓄積装置５は、直流線路３に対しお互いに並列に接続した点である。すなわち、直流負荷４の夫々の特性に応じて電力蓄積装置５の容量、設置場所を選定する。直流負荷４が、通信用の電源などに接続されるような重要負荷であれば、対応する電力蓄積装置５は容量を大きく選定し、直流負荷４の近傍に設置するようにする。また、直流負荷４の負荷変動が大きい場合は、対応する電力蓄積装置５は変動吸収が可能な容量に選定する。
【００３８】
このような構成を採用すると、送電用変換装置２に電力蓄積装置５と直流負荷４が並列接続されているので、送電用変換装置２から供給される電力は、ｎ台の電力蓄積装置５に分配され、対応する個別の負荷に給電される。
【００３９】
この第４の実施の形態に係る直流電源システムにおいては、各々の電力蓄積装置５は、異なる電力を扱うことができると共に、異なる直流負荷４の夫々に必要な電力を供給する。また、異なる電力蓄積装置５同志の間で電力を授受することも可能である。例えば、第１の直流負荷で電力消費が大となり、第２の直流負荷で電力消費が小となる場合、第２の直流負荷に送電していた電力を第１の直流負荷に振り向けることもできる。更に、第２の直流負荷に接続する第２の電力蓄積装置５からも第１の直流負荷に電力を放電し、第１の直流負荷の電力消費に対し、供給電力を確保する動作も可能となる。
【００４０】
以上説明したように、図６に示したような電力蓄積装置５と直流負荷４の分割構成を採用すれば、電力蓄積装置５の容量を複数個の負荷に応じて選定することができ、効率的な直流電源システムが得られる。また、異なる電力蓄積装置５同志の間で電力を授受できるので、複数の直流負荷の電力需要変動の平均化を行うことができる合理的な直流電源システムを供給することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、効率的で合理的な直流電源システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施の形態に係る直流電源システムのブロック構成図。
【図２】電力蓄積装置の一例を示すブロック図。
【図３】電力蓄積装置の他の一例を示すブロック図
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る直流電源システムのブロック構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る直流電源システムのブロック構成図。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る直流電源システムのブロック構成図。
【符号の説明】
１・・・電力系統
２・・・送電用変換装置
３・・・直流線路
４・・・直流負荷
５・・・電力蓄積装置
６・・・電圧変換装置
２１・・・変圧器
２２・・・パワーデバイス
２３・・・直流コンデンサ
５１・・・昇降圧チョッパ
５２・・・２次電池
５３・・・直流コンデンサ
５４・・・パワーデバイス
５５・・・リアクトル
５６・・・超電導コイル

Claims

交流電力を直流電力に変換する送電用変換装置と、
この送電用変換装置の出力である直流電力を直流負荷に給電するための直流線路と、
前記直流線路に接続された電力蓄積装置から構成され、
前記送電用変換装置の容量を、前記電力蓄積装置の容量より小さくするとともに、
前記直流負荷の電力消費が少ない期間に、前記送電用変換装置及び直流線路を介して、前記電力蓄積装置を、電力蓄積装置の容量のｋ（ｋ＜１）倍の比率で充電しておき、
前記直流負荷の電力消費の多い期間は、前記電力蓄積装置から電力蓄積装置の定格出力で放電させ、電力消費の少ない期間をｔｃ、電力消費の多い期間をｔｄとしたとき、以下の不等式が成立するように運転する、
ｋ×ｔｃ×η＞ｔｄ
（ηは電力蓄積装置の効率）
ことを特徴とする直流電源システム。
前記電力蓄積装置を、前記直流負荷の近傍に配置したことを特徴とする請求項１に記載の直流電源システム。
前記電力蓄積装置は、電圧変換装置を介して前記直流線路に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流電源システム。
複数個の直流負荷が有る場合、前記直流線路は、送電用変換装置の出力である直流電力を前記複数個の直流負荷に給電するものであり、
前記蓄電装置は、前記複数個の直流負荷に夫々対応して前記直流線路に互いに並列に接続された複数台から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の直流電源システム。