JP4387813B2 - 直流電圧給電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気車の回生電力を再利用するようにした直流電圧給電装置に関する。
一般に、直流電圧給電装置においては、交流電圧をダイオード整流器で直流電圧に変換して電気車に直流電力を給電している。図１２に従来の直流電圧給電装置を示す。図１２において、１は交流電源，２は整流器、３は直流架線、４はインバータ、５は交流電動機、６はフィルタリアクトル、７はフィルタコンデンサ、８は抵抗器、９はスイッチ、１０はインバータ４と交流電動機５とフィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ７と抵抗器８とスイッチ９で構成される電気車である。
従来の直流電圧給電装置について説明する。交流電源１の交流電圧は、整流器２によって交流電圧から直流電圧に変換され、直流架線３を介して電気車１０へと給電される（例えば非特許文献１参照）。
電気車１０はインバータ４で直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機５を駆動する。交流電動機５で電力を消費する力行運転では、交流電動機５は直流架線３→インバータ４→交流電動機５と電力を受電し、交流電動機５が電力を発電する回生運転では、交流電動機５は交流電動機５→インバータ４→直流架線３へと回生電力を出力する。直流架線３に出力された電力は、同じ直流架線３で他の電気車が力行運転をしていると回生電力は力行運転を行う他の電気車で消費されて電力を有効に利用することができる。
持永芳文著「電気鉄道工学」エース出版 １９９９年 第62頁
しかしながら従来の直流電圧給電装置では、電気車が回生運転をしているときに力行運転を行う他の電気車が存在しない場合、直流架線の直流電圧が上昇する。直流架線の直流電圧が過電圧の設定値を越えると、回生運転を行う電気車のスイッチがオンし、抵抗器で回生電力を消費して直流架線の過電圧を抑制する。そのため、回生電力が無駄に消費されてしまうという課題があった。
そこで、本発明は直流架線と並列に充放電回路と蓄電素子を接続し、直流架線の電圧上昇で蓄電素子を充電して、電気車への出力電流で蓄電素子を放電することで電気車の回生電力を再利用することを可能にした直流電圧給電装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために本発明は、交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を直流架線を介して電気車に供給する直流電圧給電装置において、直流架線を介して供給される電力を蓄積する蓄電素子と、当該蓄電素子の充放電動作を行う充放電回路と、当該充放電回路を制御するための制御回路と、充放電回路の出力端の直流電圧を検出して制御回路に直流電圧信号として出力する電圧検出器と、前記充放電回路に対して前記電気車側に出力する前記直流架線の電流を検出して制御回路に出力電流信号として出力する電流検出器と、蓄電素子の充放電電流を検出して制御回路に充放電電流信号として出力する電流検出器を備え、制御回路は、直流電圧信号が充電設定値を越えたとき蓄電素子を充電制御する一方、直流電圧信号が放電設定値を越えたとき蓄電素子を放電制御することを特徴としている。
上記構成の本発明によれば、電気車の回生電力を蓄電素子に充電するとともに、力行運転で放電するので、電気車の回生電力を再利用することが可能となる。また直流架線電圧の大きさを見て蓄電素子を充電するため、架線電圧の上昇をすばやく抑えることができる。
《第１の実施形態》
図１は本発明に係る直流電圧給電装置の第１の実施形態を示す回路構成図である。図中、交流電源１、整流器２、直流架線３、インバータ４、交流電動機５、フィルタリアクトル６、フィルタコンデンサ７、抵抗器８、スイッチ９、インバータ４と交流電動機５とフィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ７と抵抗器８とスイッチ９とで構成される電気車１０は図１２に示した従来図面と同一構成であるため、説明は省略する。
図１において、１１ａ，１１ｂは自己消弧形素子、１２はリアクトル、１３は直流コンデンサ、１４は自己消弧形素子１１ａ，１１ｂとリアクトル１２と直流コンデンサ１３で構成する充放電回路、１５は蓄電素子、１６は充放電回路１４を制御するための制御回路、１７は直流コンデンサ電圧を検出する電圧検出器、１８は直流架線４へ出力する電流を検出する電流検出器、１９は蓄電素子１５の充放電電流を検出する電流検出器である。充放電回路１４は直流架線３と並列に接続し、制御回路１６で自己消弧形素子１１ａ，１１ｂを制御して蓄電素子１５の充放電を行う。
次に、図２から図４を用いて制御回路１６の回路動作について説明する。
図２は制御回路１６の制御機能ブロックを示しており、充電と放電の制御モードを切換える充電・放電切換え回路の制御ブロック図である。図２において２０は充電制御部、２１は放電制御部、２２はゲート回路、２３は充放電判定回路、２４は切換え回路である。
図２の動作について説明する。電圧検出器１７から得られた直流コンデンサ電圧信号Vdcは充放電判定回路２３で充電レベルLevel_Hおよび放電レベルLevel_Lと比較され、直流コンデンサ電圧信号Vdcが充電レベルLevel_Hを越えれば切換え回路２４により充電制御部２０からゲート回路２２へと信号を出力し、直流コンデンサ電圧信号Vdcが放電レベルLevel_Lを下回れば切換え回路２４により放電制御部２１からゲート回路２２へと信号を出力する。
図３に放電制御部２１の制御ブロック図を示す。図３において２５は引算器、２６は増幅器、２７はリミット回路、２８は引算器、２９は電流制御回路、３０は三角波発生回路、３１はＰＷＭ回路である。
図３の動作について説明する。電流検出器１８から得られた出力電流信号Ioは、引算器２５で出力電流設定値Io_Lを引算し、増幅器２６で増幅した後リミット回路２７でリミット処理を施して放電電流指令Ib*を生成する。引算器２８で放電電流指令Ib*と電流検出器１９から得られた充放電電流信号Ibを引算し、その出力信号を電流制御回路２９で演算してＰＷＭ回路３１の入力信号とする。ＰＷＭ回路３１では電流制御回路２９の出力信号と三角波発生回路３０の出力信号を比較して、放電制御の出力信号を出力する。
図４に充電制御部の制御ブロック図を示す。図４において３２は充電動作判定回路である。
図４の動作について説明する。電圧検出器１７から得られた直流コンデンサ電圧信号Vdcは充電動作判定回路３２で充電動作レベルLevelCと比較され、直流コンデンサ電圧信号Vdcが充電動作レベルLevelCを上回っていると、充放電回路１４の上側自己消弧形素子１１ａをオンして蓄電素子１５を充電し、直流コンデンサ電圧信号Vdcが充電動作レベルLevelCを下回っていると充放電回路１４の上側自己消弧形素子１１ａをオフして蓄電素子１５の充電を停止する。なお充電制御部においては、下側自己消弧形素子１１ｂを常にオフして、蓄電素子１５が放電しないよう制御する。
このように第１の実施形態によれば、架線電圧の増加で蓄電素子１５を充電し、架線３への出力電流の増加で蓄電素子１５を放電することができる。これにより、電気車１０の回生電力を蓄電素子１５に充電するとともに、力行運転で放電するので、電気車１０の回生電力を再利用することが可能となる。また直流架線電圧の大きさを見て蓄電素子１５を充電するため、架線電圧の上昇をすばやく抑えることができる。
《第２の実施形態》
図５は本発明に係る直流電圧給電装置の第２の実施形態を示す回路構成図である。３３はリアクトル、３４はスイッチ、３５はリアクトル３３とスイッチ３４で構成する開閉回路である。
図５の回路動作について説明する。充放電回路１４は出力端に直流コンデンサ１３が接続されている。この直流コンデンサ１３が直流架線３と直接に接続された状態で、直流架線３において短絡故障および地絡故障が発生すると、直流コンデンサ１３もしくは蓄電素子１５の蓄積エネルギーが故障点を通じて放出される。この放電エネルギーが事故の増大を招く恐れがあるため、直流架線で短絡故障および地絡故障が発生したら、すばやくスイッチ３４を開放してエネルギーの放出を停止する。この場合、リアクトル３３は短絡電流の増加率を抑える効果がある。
このように第２の実施形態によれば、直流架線３で短絡故障もしくは地絡故障が発生した場合でも、スイッチ３４を開放することでエネルギーの放出を抑えることができ、直流電圧給電装置を安全に運用することができる。
また事故発生時に限定せずとも、スイッチ３４を開放することで蓄電素子１５および充放電回路１４を直流架線３から切り離すことができる。
《第３の実施形態》
図６は本発明に係る直流電圧給電装置の第３の実施形態を示す制御ブロック図である。図６において３６はヒステリシス特性を持った充電動作判定回路である。
図６の動作について説明する。電圧検出器１７から得られた直流コンデンサ電圧信号Vdcは充電動作判定回路３６で充電動作上レベルLevelC_Hおよび充電動作下レベルLevelC_Lと比較され、直流コンデンサ電圧信号Vdcが充電動作上レベルLevelC_Hを上回っていると、充放電回路１４の上側自己消弧形素子１１ａをオンして蓄電素子１５を充電し、直流コンデンサ電圧信号Vdcが充電動作下レベルLevelC_Lを下回っていると、充放電回路１４の上側自己消弧形素子１１ａをオフして蓄電素子１５の充電を停止する。
このように第３の実施形態によれば、充電動作判定回路３６がヒステリシス特性を持つことで、充電判定の閾値にて自己消弧形素子１１ａ，１１ｂのスイッチング周波数が増加する現象を生ずることなく、架線電圧の増加で蓄電素子を充電し、架線への出力電流の増加で蓄電素子を放電できるようになる。よって電気車１０の回生電力を蓄電素子で充電し、力行運転で放電して、電気車１０の回生電力を再利用することが可能となる。
《第４の実施形態》
図７は本発明に係る直流電圧給電装置の第４の実施形態を示す回路構成図である。図７において３７は蓄電素子１５の端子電圧を検出する電圧検出器である。
図８に制御回路１６の制御ブロック図を示す。図８において３８は満充電判定回路、３９は低電圧判定回路、４０は充電停止部、４１は放電停止部、４２は充電停止切換え回路、４３は放電停止切換え回路である。
図８の動作について説明する。電圧検出器３７から得られた蓄電素子１５の端子電圧信号Vbは、満充電判定回路３８と低電圧判定回路３９に入力される。満充電判定回路３８では端子電圧信号Vbと満充電設定値Level_Pを比較し、端子電圧信号Vbが満充電設定値Level_Pを上回ったら充電制御部２０から充電停止部４０へと充電停止切換え回路４２を切換え、蓄電素子１５の充電動作を停止する。また低電圧判定回路３９では端子電圧信号Vbと低電圧設定値Level_Nを比較し、端子電圧信号Vbが低電圧設定値Level_Nを下回ったら放電制御部２１から放電停止部４１へと放電停止切換え回路４３を切換え、蓄電素子１５の放電動作を停止する。
このように第４の実施形態によれば、蓄電素子１５に過電圧もしくは電圧低下を発生することなく、電気車１０の回生電力を蓄電素子で充電し、力行運転で放電して、電気車１０の回生電力を再利用することが可能となる。
《第５の実施形態》
図９は本発明に係る直流電圧給電装置の第５の実施形態を示す制御ブロック図である。図９において、４４はヒステリシス特性を持った満充電判定回路、４５はヒステリシス特性を持った低電圧判定回路である。満充電判定回路４４および低電圧判定回路４５がヒステリシス特性を持つことで、満充電もしくは電圧低下の判定後に充放電電流が停止したとき、蓄電素子１５の内部抵抗による電圧の増減が無くなり、再び充電制御または放電制御に戻ることを防ぐことができる。
このように第５の実施形態によれば、過充電もしくは電圧低下で充放電動作を停止した場合に生ずる蓄電素子内部抵抗での電圧変動による電圧ばたつきを抑制することができ、蓄電素子に過電圧もしくは電圧低下を発生することなく、電気車１０の回生電力を蓄電素子１５で充電し、力行運転で放電して、電気車１０の回生電力を再利用することが可能となる。
《第６の実施形態》
図１０と図１１は本発明に係る直流電圧給電装置の第６の実施形態を示す制御ブロック図である。図１０は放電制御部の制御ブロックで、４６は引算器、４７は増幅器、４８はリミット回路である。
図１０の放電制御動作について説明する。引算器４６により低電圧設定値Level_Nから端子電圧信号Vbを引算し、その出力信号を増幅器４７で増幅する。リミット回路４８は端子電圧信号Vbが低電圧設定値Level_Nを下回ったら出力信号を絞るよう働き、この出力信号がリミット回路２７の上限リミットとして入力されるので、放電電流指令Ib*は端子電圧信号が低電圧設定値を下回ると徐々に減少する。
図１１は充電制御部の制御ブロック図である。４９は引算器、５０は増幅器、５１は下限リミット回路である。
図１１の充電制御動作について説明する。引算器４９により満充電設定値Level_Pから端子電圧信号Vbを引算し、その出力信号を増幅器５０で増幅する。下限リミット回路５１は端子電圧信号Vbが満充電設定値Level_Pを越えたら出力信号を増加させる。この出力信号が充電判定回路３３の充電動作上レベルとして入力されるので、端子電圧信号Vbが満充電設定値Level_Pを越える充電動作レベルが上昇して充電電流は徐々に減少する。
このように第６の実施形態によれば、蓄電素子１５の過電圧もしくは電圧低下に対して充放電電流を徐々に減少させ、過充電もしくは電圧低下で充放電動作を停止した場合に生ずる蓄電素子内部抵抗での電圧変動による電圧ばたつきを抑制することができ、蓄電素子１５に過電圧もしくは電圧低下を発生することなく、電気車１０の回生電力を蓄電素子１５で充電し、力行運転で放電して、電気車１０の回生電力を再利用することが可能となる。
なお、蓄電素子１５はリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等の大容量キャパシタを適用することができる。
本発明に係る直流電圧給電装置の第１の実施形態を示す回路構成図。 第１の実施形態の充電・放電切換え回路を説明する制御ブロック図。 第１の実施形態の放電制御を説明する制御ブロック図。 第１の実施形態の充電制御を説明する制御ブロック図。 本発明に係る直流電圧給電装置の第２の実施形態を示す回路構成図。 本発明に係る直流電圧給電装置の第３の実施形態を示す制御ブロック図。 本発明に係る直流電圧給電装置の第４の実施形態を示す回路構成図。 第４の実施形態の満充電判定および低電圧判定を説明する制御ブロック図。 本発明に係る直流電圧給電装置の第５の実施形態を示す制御ブロック図。 本発明に係る直流電圧給電装置の第６の実施形態を示す制御ブロック図。 本発明に係る直流電圧給電装置の第６の実施形態を示す制御ブロック図。 従来の直流電圧給電装置の一例を示す回路構成図。
符号の説明
１…交流電源
２…整流器
３…直流架線
４…インバータ
５…交流電動機
６…フィルタリアクトル
７…フィルタコンデンサ
８…抵抗器
９，３４…スイッチ
１０…電気車
１１ａ，１１ｂ…自己消弧形素子
１２，３３…リアクトル
１３…直流コンデンサ
１４…充放電回路
１５…蓄電素子
１６…制御回路
１７，３７…電圧検出器
１８，１９…電流検出器
２０…充電制御部
２１…放電制御部
２２…ゲート回路
２３…充放電判定回路
２４…切換え回路
２５，２８，４６，４９…引算器
２６…増幅器
２７，４８…リミット回路
２９…電流制御回路
３０…三角波発生回路
３１…ＰＷＭ回路
３２…充電動作判定回路
３５…開閉回路
３６…ヒステリシス特性付き充電動作判定回路
３８…満充電判定回路
３９…低電圧判定回路
４０…充電停止
４１…放電停止
４２…充電停止切換え回路
４３…放電停止切換え回路
４４…ヒステリシス特性付き充電停止切換え回路
４５…ヒステリシス特性付き放電停止切換え回路
４７，５０…増幅器
５１…下限リミット回路

Claims (6)

  1. 交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を直流架線を介して電気車に供給する直流電圧給電装置において、
    直流架線を介して供給される電力を蓄積する蓄電素子と、当該蓄電素子の充放電動作を行う充放電回路と、当該充放電回路を制御するための制御回路と、充放電回路の出力端の直流電圧を検出して制御回路に直流電圧信号として出力する電圧検出器と、前記充放電回路に対して前記電気車側に出力する前記直流架線の電流を検出して制御回路に出力電流信号として出力する電流検出器と、蓄電素子の充放電電流を検出して制御回路に充放電電流信号として出力する電流検出器を備え、
    制御回路は、直流電圧信号が充電設定値を越えたとき蓄電素子を充電制御する一方、直流電圧信号が放電設定値を越えたとき蓄電素子を放電制御することを特徴とする直流電圧給電装置。
  2. 請求項１に記載の直流電圧給電装置において、
    充放電回路と直流架線との間に開閉回路を接続することを特徴とする直流電圧給電装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の直流電圧給電装置において、
    制御回路における充電設定値にはヒステリシス特性が設定され、制御回路に入力された直流電圧信号が充電設定値の上限を越えたとき蓄電素子を充電制御する一方、制御回路に入力された直流電圧信号が充電設定値の下限を下回ったとき蓄電素子の充電制御を停止することを特徴とする直流電圧給電装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の直流電圧給電装置において、
    蓄電素子電圧を検出して制御回路に蓄電素子電圧信号を出力する電圧検出器を備え、
    制御回路は、入力された蓄電素子端子電圧が満充電設定値を越えたとき充電動作を停止する一方、入力された蓄電素子端子電圧が低電圧設定値を下回ったとき放電動作を停止することを特徴とする直流電圧給電装置。
  5. 請求項４に記載の直流電圧給電装置において、
    制御回路における満充電設定値および低電圧設定値にはそれぞれヒステリシス特性が設定されることを特徴とする直流電圧給電装置。
  6. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の直流電圧給電装置において、
    蓄電素子電圧を検出して制御回路に蓄電素子電圧信号を出力する電圧検出器を備え、
    制御回路は、入力された蓄電素子端子電圧が満充電設定値を越えたとき徐々に充電電流を抑制する一方、入力された蓄電素子端子電圧が低電圧設定電圧を下回ったとき放電電流を徐々に抑制することを特徴とする直流電圧給電装置。
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