JP4399392B2 - 電力融通装置 - Google Patents

Description

本発明は、単巻変圧器き電方式のき電回路（ＡＴき電回路）の末端において、他の系統との間で有効電力を融通するための技術に関する。

従来、鉄道（特に新幹線）における交流き電方式として単巻変圧器き電方式（以下、ＡＴき電方式）が採用されている。このＡＴき電方式は、線路に沿って約１０ｋｍごとに配置される変電ポストに設置された単巻変圧器（以下、ＡＴ）の中性点をレールに、一端をトロリ線に、他端をき電線（フィーダ線ともいう。）に接続した単相三線式のき電回路方式である。

このようなＡＴき電方式等の交流き電回路では、図６に示すように、き電回路末端に電力補償装置を設置して、き電末端において無効電力を供給することで、パンタ点電圧降下を補償することが現在実施されている。

また、例えば特許文献１に記載のように、き電回路に電力を供給する変電所（き電変電所）において、３相／２相変換用変圧器の２次側２相交流負荷（Ｍ座、Ｔ座）それぞれの負荷電力を検出してその有効電力差を融通し、更に各座の無効電力及び高調波電流を補償することで１次側３相交流の不平衡、力率及び電圧・電流波形の歪み等を改善する方法が知られている。
特開平６−２６１５４８号公報

しかしながら、電力会社の変電所からき電変電所までの距離が長く送電線のインピーダンスが大きい場合や、近年実現されつつあるダイヤの高密度化により１変電所あたりの列車負荷が大きくなった場合、大きなパンタ点電圧降下が発生するおそれがある。このような場合、図６に示すような無効電力の供給による電圧補償のみでは、十分にパンタ点電圧降下を補償することができなくなることが懸念される。

一方、特許文献１では、無効電力を補償するだけではなく、変圧器２次側の２相間で有効電力を融通する技術が開示されている。このように２相間で有効電力を融通することでパンタ点電圧降下をある程度補償することができると考えられる。しかし、パンタ点電圧降下はき電回路末端に近いほど大きくなるので、特許文献１に記載されているように、き電変電所から有効電力を融通するのでは、融通した電力がき電回路末端付近の列車負荷に供給されるまでの電力損失が大きく、効率の面で有効ではない。

そこで、ＡＴき電回路の末端において他系統から有効電力を融通することでき電電圧を補償する装置が必要とされるようになってきた。このような電力融通を行うためには、負荷電力を検出してその検出した負荷電力の大きさに基づいて融通する電力量を制御する必要がある。しかし、ＡＴき電回路末端では、き変電所から供給される送出し電力（即ち、負荷電力）を検出することができないため、これまでＡＴき電回路末端では、他系統との間で電力融通は行われてこなかった。

一方、き電変電所にて検出した負荷電力の情報をき電回路末端へ伝送して、電回路末端において電力融通を行うことが考えられるが、このような通信を行うためには、高速・高精度で保安度の高い長距離の通信回線が必要となり、コスト面で現実的ではない。更に、通信回線に異常が発生した場合、不適切な電力融通を行うおそれがあり、信頼性、安定性の面で問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされており、第１の目的とするところは、ＡＴき電回路末端において、他系統との間で効果的な電力融通を行うことができる電力融通装置を提供することである。また、第２の目的とするところは、ＡＴき電回路末端において、他系統との間で効果的な電力融通を行うと共に、無効電力及び高調波電流の補償を行うことができる電力融通装置を提供することである。

上記第１の目的を達成するためになされた請求項１の電力融通装置は、ＡＴき電回路末端に設置されたＡＴによってレールから吸収される電力や、このＡＴと電力融通装置とから列車負荷へ供給される電力に基づいて、他系統のＡＴき電系統との間で有効電力の融通を行うことを特徴とする。

具体的には、上述の電力融通装置は、第１のＡＴき電回路におけるトロリ線及びき電線の末端に交流側が接続された第１の電力変換器と、第１のＡＴき電回路とは電力系統が異なる第２のＡＴき電回路におけるトロリ線及びき電線の末端に交流側が接続された第２の電力変換器とを備えている。そして、第１の電力変換器と第２の電力変換器とは、それぞれの直流側において互いに接続されている。更に、第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴによってレールから吸収される電力の有効成分、又は末端に設置されたＡＴと第１の電力変換器とから列車負荷へ供給される電力の有効成分（以下、これらを総称して「有効電力成分」ともいう。）の少なくとも何れかを検知する第１の有効電力検知手段と、第２のＡＴき電回路側における有効電力成分を検知する第２の有効電力検知手段とを備えている。また、第１及び第２の有効電力検知手段によってそれぞれ検知された有効電力成分に基づいて、第１及び第２のＡＴき電回路間における有効電力融通量を算出する電力融通算出手段と、電力融通算出手段によって算出された有効電力融通量に基づいて、第１及び第２のＡＴき電回路間で有効電力の融通を行うように第１及び第２の電力変換器を制御する制御手段とを備えている。

なお、ここでいう第１及び第２の電力変換器とは、交流電力を直流電力へ変換、又は直流電力を交流電力へ変換する機能を有する機器であり、例えば、ＰＭＷ（pulse width modulation）制御方式の単相自励式電圧形の電力変換器等が用いられる。

ＡＴき電回路では、各ポストにＡＴが設置されており、列車負荷へ供給される電力は、その列車負荷の両隣にあるＡＴから供給され、そして、レールを介してそのＡＴによって吸収される。列車負荷の両隣にあるＡＴから供給又は吸収される電力の比率は、列車負荷の位置によって変化し、列車負荷がＡＴに近づくにつれてそのＡＴにおける比率が大きくなる。

本発明の電力融通装置によれば、第１及び第２のＡＴき電回路において、それぞれの末端に設置されているＡＴによってレールから吸収される電力の有効成分、又は末端に設置されたＡＴと電力変換器とから列車負荷へ供給される電力の有効成分の少なくとも何れかの有効電力成分をそれぞれ検知して、その検知した有効電力成分に基づいて、第１及び第２のＡＴき電回路の末端側から互いに電力を融通することができる。

具体的には、それぞれ検知した有効電力成分を比較して、有効電力成分が小さい方のＡＴき電回路から大きい方のＡＴき電回路へ、検知した有効電力成分の所定割合の有効電力を融通するといった方法が挙げられる。なお、この所定割合（以下、融通比率ともいう。）については、実験やシミュレーション等によって好適な値（例えば、算出した有効電力成分の１／３等）を算出して設定すればよい。

ところで、直流き電回路や電力会社側の電源系統が同じ変電所同士の間の交流き電回路においては、き電回路の両側にあるき電変電所から電力を供給する並列き電方式が採用されている。この並列き電方式では、列車負荷の両側のき電変電所から電力が供給されるので、片側のき電変電所のみから電力を供給する場合と比較して電圧降下が約半分になり、電圧降下の抑制に効果がある。

しかし、電力会社側の電力系統が異なる交流き電変電所同士では、電源位相が異なる等の理由で並列き電方式を採用することができないため、それぞれのき電変電所から電力を片送りで交流き電回路へ供給している。即ち、このような交流き電回路においては、変電所から遠いき電回路末端近傍において電圧降下が最大になり、また、その大きさも並列き電方式と比較すると大きくなる。

そこで、本発明の電力融通装置のように、２系統のＡＴき電回路の末端側から互いに電力融通を行うことで、あたかも並列き電方式によって電力を供給するかの如く電圧降下抑制に大きな効果を発揮することができる。

また、本発明の電力融通装置によれば、ＡＴき電回路末端において列車負荷の有効電力成分を検知するため、他系統から有効電力を融通される側の列車負荷がＡＴき電回路の末端から近いほど、検知される有効電力成分が大きくなり、これに基づいて融通する有効電力を大きくすることができる。この場合、き電変電所から供給される電力は相対的に小さくなる。反対に、他系統から有効電力を融通される側の列車負荷がＡＴき電回路の末端から遠いほど、検知される有効電力成分が小さくなり、これに基づいて融通する有効電力を小さくすることができる。この場合、き電変電所から供給される電力は相対的に大きくなる。き電回路における電力損失は距離に比例するので、このようにＡＴき電回路末端からの列車負荷への距離に応じて有効電力の融通量を調節することで、き電回路における電力損失を低減することができ、より効果的な電力融通を行うことができる。

なお、ＡＴき電回路末端における有効電力成分を検知する具体的な方法として以下のような方法が挙げられる。即ち、請求項２に記載の電力融通装置のように、レールからＡＴき電回路末端に設置されたＡＴへ流れる電流の測定値に基づいて有効電力成分を検知する。また、請求項３に記載の電力融通装置のように、ＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ側からトロリ線上を列車負荷へ流れる電流の測定値に基づいて有効電力成分を検知する。また、請求項４に記載の電力融通装置のように、ＡＴき電回路末端に設置されたＡＴからき電線へ流れる電流の測定値と、電力変換器からの交流側入出力電流の測定値とに基づいて有効電力成分を検知する。これらの検知方法においては、ＡＴき電回路末端における各電流の測定値に基づいて、これらにＡＴき電回路末端におけるき電電圧を乗ずることで有効電力成分を検知することができる。

なお、上述のような有効電力成分の検知方法は、何れか１つの方法を用いてもよいが、複数の検知方法を組み合わせて用いることでより精度の高い検知方法を実現することもできる。

ところで、ＡＴき電回路末端においては、有効電力の融通を行うだけでなく、更に各ＡＴき電回路における無効電力補償を行うことで、パンタ点電圧降下をより効果的に抑制することができる。更に、ＡＴき電回路に流れる高調波電流を補償することにより、高調波電流による機器への悪影響や通信障害等を抑制することができる。そこで、上記第２の目的を達成するためになされた請求項５に記載の電力融通装置のように構成するとよい。即ち、第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴによってレールから吸収される電力の無効成分、又は第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ及び第１の電力変換器から列車負荷へ供給される電力の無効成分（以下、これらを総称して「無効電力成分」ともいう。）を検知する第１の無効電力検知手段と、第２のＡＴき電回路における無効電力成分検知する第２の無効電力検知手段と、第１及び第２のＡＴき電回路に流れる高調波電流をそれぞれ検知する第１及び第２の高調波検知手段とを備える。そして、制御手段は、第１及び第２の無効電力検知手段と第１及び第２の高調波検知手段とによってそれぞれ検知した無効電力成分及び高調波電流に基づいて、第１及び第２のＡＴき電回路へそれぞれ無効電力及び高調波電流を補償するように第１及び第２の電力変換器を制御する。

このように構成された上述の電力融通装置によれば、第１及び第２のＡＴき電回路の末端側から互いに電力を融通すると共に、第１及び第２のＡＴき電回路において、それぞれの末端に設置されているＡＴによってレールから吸収される電力の無効成分、又は末端に設置されたＡＴと電力変換器とから列車負荷へ供給される電力の無効成分の少なくとも何れかの無効電力成分、及び高調波電流をそれぞれ検知して、その検知した有効電力成分に基づいて、各ＡＴき電回路の無効電力及び高調波電流を補償することができる。

なお、ＡＴき電回路末端における無効電力成分及び高調波電流を検知する具体的な方法として、有効電力成分を検知する場合と同様に、以下のような方法が挙げられる。即ち、請求項６に記載の電力融通装置のように、レールからＡＴき電回路末端に設置されたＡＴへ流れる電流の測定値に基づいて無効電力成分及び高調波電流を検知する。また、請求項７に記載の電力融通装置のように、ＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ側からトロリ線上を列車負荷へ流れる電流の測定値に基づいて無効電力成分及び高調波電流を検知する。また、請求項８に記載の電力融通装置のように、ＡＴき電回路末端に設置されたＡＴからき電線へ流れる電流の測定値と、電力変換器からの交流側入出力電流の測定値とに基づいて無効電力成分及び高調波電流を検知する。

なお、上述のような無効電力成分及び高調波電流の検知方法は、何れか１つの方法を用いてもよいが、複数の検知方法を組み合わせて用いることでより精度の高い検知方法を実現することもできる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
［電力融通装置１の構成の説明］
図１は、実施形態の電力融通装置１の概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、電力融通装置１は、電力系統がそれぞれ異なるＡ変電所及びＢ変電所からそれぞれ電力を供給される、いわゆるつき合せき電方式の東京方ＡＴき電回路と大阪方ＡＴき電回路との末端においてき電系統を区分するためのき電区分所に設置されている。

電力融通装置１は、東京方面ＡＴき電回路及び大阪方面ＡＴき電回路のトロリ線及びき電線にそれぞれ交流側が接続されている電力変換器１０ａ、１０ｂと、東京方検知回路１１ａと、大阪方検知回路１１ｂと、電力融通演算回路１２と、制御指令演算回路１３ａ、１３ｂと、電力変換器制御回路１４ａ、１４ｂと、ＣＴ（current transformer）等からなる電流測定器１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂと、ＶＴ（voltage transformer）等からなる電圧測定器１９ａ、１９ｂと、直流コンデンサ２０とを備えている。

このうち、電力変換器１０ａ、１０ｂは、ＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）、ダイオード等で構成される高調波電流出力制御にも適したいわゆるＰＷＭ（pulse width modulation）制御方式の単相自励式電圧形の電力変換器である。この電力変換器１０ａ、１０ｂによって、交流を直流に変換、又は直流を交流に変換することができる。電力変換器１０ａ、１０ｂは、その直流側において直流コンデンサ２０からなる直流中間回路を介して互いに接続されている。電力変換器１０ａは、交流から直流又は直流から交流への電力変換を行うことで、交流側に接続された東京方ＡＴき電回路と直流側に接続された直流中間回路との間で双方向の電力授受を行うことができる。同じく、電力変換器１０ｂは、交流から直流又は直流から交流への電力変換を行うことで、交流側に接続された大阪方ＡＴき電回路と直流側に接続された直流中間回路との間で双方向の電力授受を行うことができる。このようにして、電力変換器１０ａ、１０ｂによって東京方ＡＴき電回路と大阪方ＡＴき電回路との間で有効電力の授受（即ち、有効電力の融通）を直流中間回路を介して行う。

また、電力変換器１０ａ、１０ｂは、ＰＷＭ制御を行うことによって、それぞれのＡＴき電回路に対して無効電力及び高調波電流の補償を独立して行うことができる。
電流測定器１５ａ、１５ｂは、東京方ＡＴき電回路及び大阪方ＡＴき電回路の末端に設置されたＡＴ１及びＡＴ２側からトロリ線上を列車負荷へ流れる電流（以下、「東京方／大阪方トロリ送出し電流」という。）をそれぞれ測定する。また、電流測定器１６ａ、１６ｂは、レールからＡＴ１及びＡＴ２へ流れる電流（以下、「東京方／大阪方ＡＴ吸上電流」という。）をそれぞれ測定する。また、電流測定器１７ａ、１７ｂは、ＡＴ１及びＡＴ２側からき電線へ流れる電流（以下、「東京方／大阪方き電線送出し電流」という。）をそれぞれ測定する。また、電流測定器１８ａ、１８ｂは、電力変換器１０ａ、１０ｂの交流側における入出力電流をそれぞれ測定する。また、電圧測定器１９ａ、１９ｂは、東京方ＡＴき電回路及び大阪方ＡＴき電回路の末端におけるトロリ線−き電線間き電電圧（以下、「東京方／大阪方き電末端電圧」という。）をそれぞれ測定する。

東京方検知回路１１ａは、東京方ＡＴき電回路側の電流測定器１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８ａ及び電圧測定器１９ａによる各種電流及び電圧の測定値に基づいて、東京方ＡＴき電回路側における有効電力成分、無効電力成分、高調波電流及びき電電圧等を検知して、電力融通装置１２及び制御指令演算回路１３ａへ出力する。また、大阪方検知回路１１ｂは、大阪方ＡＴき電回路側の電流測定器１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ及び電圧測定器１９ａによる各種電流及び電圧の測定値に基づいて、大阪方ＡＴき電回路側における有効電力成分、無効電力成分、高調波電流及びき電電圧等を検知して、電力融通装置１２及び制御指令演算回路１３ｂへ出力する。なお、この東京方検知回路１１ａ及び大阪方検知回路１１ｂの構成及び作動についての詳細な説明は後述する。

電力融通演算回路１２は、東京方検知回路１１ａ及び大阪方検知回路１１ｂから出力されてきたそれぞれのＡＴき電回路における有効電力成分に基づいて、東京方ＡＴき電回路と大阪方ＡＴき電回路との間での電力融通量を算出し、制御指令演算回路１３ａ、１３ｂへ出力する。

制御指令演算回路１３ａは、東京方検知回路１１ａ及び電力融通演算回路１２からの入力に基づいて、電力変換器１０ａによって有効電力の融通、無効電力及び高調波電流の補償を行うための制御指令を生成し、電力変換器制御回路１４ａへ出力する。

また、制御指令演算回路１３ｂは、大阪方検知回路１１ｂ及び電力融通演算回路１２からの出力に基づいて、電力変換器１０ｂによって有効電力の融通、無効電力及び高調波電流の補償を行うための制御指令を生成し、電力変換器制御回路１４ｂへ出力する。

電力変換器制御回路１４ａ、１４ｂは、制御指令演算回路１３ａ、１３ｂからそれぞれ出力されてきた制御指令に基づいて、電力変換器１０ａ、１０ｂのＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴのスイッチング制御を行う。

電力変換器１０ａ、１０ｂでは、電力変換器制御回路１４ａ、１４ｂからの制御により、有効電力融通、無効電力及び高調波電流の補償を行う。つまり、検出した有効電力成分の少ない方のＡＴき電回路に接続された電力変換器は、このＡＴき電回路から有効電力を取り込んで直流中間回路へ直流電力を供給し、検出した有効電力成分の多い方のＡＴき電回路に接続された電力変換器は、直流中間回路から直流電力を取り込んでこのＡＴき電回路へ有効電力を供給する。一方、無効電力及び高調波電流の補償は、電力変換器制御回路１４ａ、１４ｂの制御により、東京方ＡＴき電回路側及び大阪方ＡＴき電回路側それぞれ独立して電力変換器１０ａ、１０ｂによって行う。

以上、実施形態の電力融通装置１の概略構成について説明したが、本実施形態における電力融通装置１の構成と、特許請求の範囲に記載した構成との対応関係は次の通りである。即ち、本実施形態の電力融通装置１における電力変換器１０ａ、１０ｂがそれぞれ特許請求の範囲における第１、第２の電力変換器に相当する。また、東京方検知回路１１ａが第１の有効電力検知手段、第１の無効電力検知手段及び第１の高調波検知手段に相当し、大阪方検知回路１１ｂが第２の有効電力検知手段、第２の無効電力検知手段及び第２の高調波検知手段に相当する。また、電力融通演算回路１２が電力融通算出手段に相当する。また、制御指令演算回路１３ａ、１３ｂ及び電力変換器制御回路１４ａ、１４ｂが制御手段に相当する。

［有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流の検知についての説明］
以下、東京方検知回路１１ａ及び大阪方検知回路１１ｂにおいて、それぞれのＡＴき電回路における有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知する方法について、図２（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。なお、図２（ａ）〜（ｃ）は東京方検知回路１１ａの詳細な構成等を示す図であるが、大阪方検知回路１１ｂについても、東京方検知回路１１ａと同様の構成であるので、ここでは図示及び説明を省略する。

図２（ａ）は、東京方検知回路１１ａにおいて、電流測定器１６ａによる東京方ＡＴ吸上電流の測定値及び電圧測定器１９ａによる東京方き電末端電圧の測定値に基づいて、ＡＴ１によってレールから吸収される電力の有効電力成分及び無効電力成分を検知し、更に高調波電流を検知する構成を示す図である。

電流測定器１６ａによる東京方面ＡＴ吸上電流の測定値は、有効電力演算回路１１２ａ及び無効電力演算回路１１３ａへ入力される。一方、電圧測定器１９ａによる東京方き電末端電圧の測定値は、電圧同期回路１１１ａへ入力される。そして電圧同期回路１１１ａは、入力された東京方き電末端電圧の測定値に基づいて、有効電力成分及び無効電力成分の演算に必要な位相情報を含む同期電圧信号を生成し、これを有効電力演算回路１１２ａ及び無効電力演算回路１１３ａへ入力する。

有効電力演算回路１１２ａは、入力された東京方ＡＴ吸上電流の測定値及び同期電圧信号に基づいて有効電力成分を演算し、有効電力成分信号を電力融通演算回路１２及び高調波検知回路１１４ａへ入力する。一方、無効電力演算回路１１３ａは、入力された東京方ＡＴ吸上電流の測定値及び同期電圧信号に基づいて無効電力成分を演算し、無効電力成分信号を高調波検知回路１１４ａ及び無効電力検知回路１１５ａへ入力する。

電力融通演算回路１２では、東京方の有効電力演算回路１１２ａから入力された有効電力成分信号と、同じく大阪方の有効電力演算回路から入力された有効電力成分信号とに基づいて、東京方ＡＴき電回路と大阪方ＡＴき電回路との間での電力融通量を算出する。具体的には、有効電力成分が大きい方のＡＴき電回路における有効電力成分の所定比率（例えば、有効電力成分の１／３等）に相当する大きさの有効電力を、有効電力が小さいＡＴき電回路から大きいＡＴき電回路へ融通する電力融通量として算出する。

高調波検知回路１１４ａは、有効電力演算回路１１２ａ及び無効電力演算回路１１３ａから入力された有効電力成分信号及び無効電力成分信号から、ハイパスフィルタにより高調波成分を抽出することで高調波電流値を検知し、これを制御指令演算回路１３ａへ入力する。また、無効電力検知回路１１５はａ、無効電力演算回路１１３ａから入力された無効電力成分信号に基づく無効電力成分検知値を制御指令演算回路１３ａへ入力する。また、き電電圧検知回路１１６ａは、電圧同期回路１１１ａから入力された同期電圧信号に基づくき電電圧検知値を制御指令演算回路１３ａへ入力する。

制御指令演算回路１３ａは、電力融通演算回路１２、高調波検知回路１１４ａ、無効電力検知回路１１５ａ及びき電電圧検知回路１１６ａの各回路からの入力に基づき、電力変換器１０ａによって有効電力の融通、無効電力及び高調波電流の補償を行うための制御指令を生成する。

以降、上述の図１の説明において述べたように、制御指令演算回路１３ａ、１３ｂによって生成された制御指令に基づいて電力変換器１０ａ、１０ｂが制御されることによって、検出した有効電力成分の少ない方のＡＴき電回路から検出した有効電力成分の多い方のＡＴき電回路へ有効電力が供給されると共に、それぞれにＡＴき電回路において無効電力及び高調波電流の補償が行われる。

図２（ｂ）は、東京方検知回路１１ａにおいて、電流測定器１５ａによる東京方トロリ線送出し電流の測定値及び電圧測定器１９ａによる東京方き電末端電圧の測定値に基づいて、ＡＴ１及び電力変換器１０ａから列車負荷へ供給される電力の有効電力成分及び無効電力成分を検知し、更に高調波電流を検知する構成を示す図である。

図２（ｂ）に示す東京方検知回路１１ａの構成は、有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知するのに、電流測定器１５ａによる東京方トロリ線送出し電流の測定値を用いる点で、上述した図２（ａ）の構成と異なる。即ち、電流測定器１６ａによる東京方面ＡＴ吸上電流の測定値は、有効電力演算回路１１２ａ及び無効電力演算回路１１３ａへ入力される。以降、図２（ａ）の説明において上述したものと同様の処理が実行され、制御指令演算回路１３ａにおいて、電力変換器１０ａによって有効電力の融通、無効電力及び高調波電流の補償を行うための制御指令が生成される。

図２（ｃ）は、東京方検知回路１１ａにおいて、電流測定器１７ａによる東京方き電線送出し電流の測定値、電流測定器１８ａによる電力変換器１０ａの入出力電流の測定値及び電圧測定器１９ａによる東京方き電末端電圧の測定値に基づいて、ＡＴ１及び電力変換器１０ａから列車負荷へ供給される電力の有効電力成分及び無効電力成分を検知し、更に高調波電流を検知する構成を示す図である。

図２（ｃ）に示す東京方検知回路１１ａの構成は、有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知するのに、電流測定器１７ａによる東京方き電線送出し電流の測定値及び電流測定器１８ａによる電力変換器１０ａの入出力電流の測定値を用いる点で、上述した図２（ａ）、（ｂ）の構成と異なる。即ち、電流測定器１７ａによる東京方き電線送出し電流の測定値及び電流測定器１８ａによる電力変換器１０ａの入出力電流の測定値は、送出し電流検出回路１１７ａによって加算され、有効電力演算回路１１２ａ及び無効電力演算回路１１３ａへ入力される。以降、図２（ａ）の説明において上述したものと同様の処理が実行され、制御指令演算回路１３ａにおいて、電力変換器１０ａによって有効電力の融通、無効電力及び高調波電流の補償を行うための制御指令が生成される。

なお、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流の各検知方法については、何れか１つの検知方法を用いることにすれば、電流測定器を何れか１つ備えればよいので、その分設備が簡単になるという利点がある。一方、複数の検知方法を組み合わせて用いれば、より精度の高い検知方法を実現することができるという利点がある。

［有効電力融通の具体的な例についての説明］
以下、本実施形態の電力融通装置１による有効電力の融通の具体的な例について、図３〜図５に基づいて説明する。なお、図３〜図５において想定しているＡＴき電回路等の概要は以下の通りである。即ち、電力融通装置１は、電力系統がそれぞれ異なるＡ変電所及びＢ変電所からそれぞれ電力を供給される東京方ＡＴき電回路と大阪方ＡＴき電回路との末端においてき電系統を区分するためのき電区分所に設置されている。また、東京方ＡＴき電回路及び大阪方ＡＴき電回路には中間点にそれぞれ補助き電区分所が設けられており、各変電所、補助き電区分所及びき電区分所にはそれぞれＡＴが設置されている（き電区分所において東京方ＡＴき電回路末端に設置されているＡＴを特にＡＴ１と称す。）。また、それぞれのＡＴき電回路において、変電所、補助き電区分所及びき電区分所は１０ｋｍ間隔で設けられている。また、各変電所からのき電電圧は６０ｋＶであり、トロリ線−レール間電圧及びき電線−レール間電圧はそれぞれ３０ｋＶである。

なお、図３〜図５においては、理解を容易にするために、負荷電力は有効電力のみを考慮するものとし、負荷電力を電流の形で表している。そして、東京方ＡＴき電回路上に負荷電流８００Ａの力行走行をしている列車負荷が１台存在している場合を想定している。また、電力融通装置１によって各ＡＴき電回路間で融通される有効電力の大きさは、ＡＴき電回路末端のＡＴにおけるＡＴ吸上電流に基づいて検知した有効電力成分（即ち、上述の図２（ａ）の検知方法による有効電力成分に相当する。）の１／３の大きさになるように設定されている場合を想定している。

図３は、東京方ＡＴき電回路の末端のき電区分所と、補助き電区分所との中間点に列車負荷が存在する場合の電流分布を示す模式図である。
ＡＴき電回路においては、列車負荷の負荷電流は、その列車負荷の両隣にあるＡＴから吸上げられる（即ち、ＡＴ吸上電流）。列車負荷の両隣にあるＡＴによるＡＴ吸上電流の比率は、列車負荷の位置によって変化し、列車負荷がＡＴに近づくにつれてそのＡＴにおけるＡＴ吸上電流の比率が大きくなる。したがって、図３に示すように、ＡＴ同士のき電区分の中間点に列車負荷が存在する場合、き電区分所に設置されたＡＴ１におけるＡＴ吸上電流は、負荷電流の半分（即ち、４００Ａ）となる。したがって、電力融通装置１によって、このＡＴ吸上電流４００Ａ分に相当する有効電力（４００Ａ×３０ｋＶ＝１２ＭＷ）の１／３の有効電力（６７Ａ×６０ｋＶ＝約４ＭＷ）が大阪方ＡＴき電回路から取り込まれ、東京方ＡＴき電回路へ供給されている。この融通電力の大きさは、負荷全体の約１７％に相当する。

図４は、東京方ＡＴき電回路の末端のき電区分所の直近に列車負荷が存在する場合の電流分布を示す模式図である。
この場合、列車負荷がき電区分所に設置されたＡＴ１に近づくにつれてＡＴ吸上電流が大きくなり、その値は７２０Ａとなっている。したがって、電力融通装置１によって、このＡＴ吸上電流７２０Ａ分に相当する有効電力（７２０Ａ×３０ｋＶ＝２１．６ＭＷ）の１／３の有効電力（１２０Ａ×６０ｋＶ＝約７．２ＭＷ）が大阪方ＡＴき電回路から取り込まれ、東京方ＡＴき電回路へ供給されている。この融通電力の大きさは、負荷全体の約３０％に相当する。このように、本実施形態の電力融通装置１によれば、列車負荷がＡＴき電回路末端に近いほど、より大きな有効電力が融通される。

図５は、列車負荷が東京方ＡＴき電回路側のＡ変電所と、補助き電区分所との間に存在する場合の電流分布を示す模式図である。
この場合、列車負荷が東京方ＡＴき電回路の末端のき電区分所と、補助き電区分所との間に存在しないことから、き電区分所のＡＴ１にＡＴ吸上電流が流れていない。したがって、電力融通装置１による有効電力の融通は行われない。

［効果］
本実施形態の電力融通装置１によれば以下のような効果を奏する。即ち、東京方及び大阪方ＡＴき電回路において、その検知した有効電力成分に基づいて、東京方及び大阪方ＡＴき電回路の末端側から互いに電力を融通することができる。これにより、ＡＴき電回路末端における電圧降下を効果的に抑制することができる。また、ＡＴき電回路末端からの列車負荷への距離に応じて有効電力の融通量が調節されるので、き電回路における電力損失を低減することができ、より効果的な電力融通を行うことができる。

更に各ＡＴき電回路における無効電力補償を行うことで、ＡＴき電回路末端においてパンタ点電圧降下をより効果的に抑制することができる。また、ＡＴき電回路に流れる高調波電流を補償することにより、高調波電流による機器への悪影響や通信障害等を抑制することができる。

また、実際のＡＴき電回路を模したシミュレーションによる検証により、従来のように変電所において有効電力融通及び無効電力補償を行う場合と、本発明の電力融通装置１によってＡＴき電回路末端において有効電力融通及び無効電力補償を行う場合とを比較した結果、後者は電力融通装置の電力容量が前者よりも約２〜３割小さくても同等の電圧補償効果が得られることが確認された。更に、従来のようにＡＴき電回路末端無効電力の補償のみを行う場合と、本実施形態の電力融通装置１によってＡＴき電回路末端において有効電力融通及び無効電力補償を行う場合とを比較した結果、後者は電力融通装置の電力容量が前者よりも約２〜３割小さくても同等の電圧補償効果が得られることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り様々な態様にて実施することが可能である。例えば、上記実施形態では、電力変換器１０ａ、１０ｂとして、ＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴをスイッチング素子とする単相自励式電圧形の電力変換器を用いたが、スイッチング素子として、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧形半導体素子を用いてもよい。また、電力変換器１０ａ、１０ｂはＰＷＭ制御電圧形の電力変換器に限られるものではなく、補償対象とする高調波の周波数範囲によっては電流型の電力変換器を用いてもよい。

実施形態の電力融通装置１の概略構成を示すブロック図である。 東京方検知回路１１ａの詳細な構成等を示す図である。 東京方ＡＴき電回路の末端のき電区分所と、補助き電区分所との中間点に列車負荷が存在する場合の電流分布を示す模式図である。 東京方ＡＴき電回路の末端のき電区分所の直近に列車負荷が存在する場合の電流分布を示す模式図である。 列車負荷が東京方ＡＴき電回路側のＡ変電所と、補助き電区分所との間に存在する場合の電流分布を示す模式図である。 ＡＴき電回路末端から無効電力を補償する従来技術を示す模式図である。

符号の説明

１…電力融通装置、１０ａ、１０ｂ…電力変換器、１１ａ…東京方検知回路、１１ｂ…大阪方検知回路、１２…電力融通演算回路、１３ａ、１３ｂ…制御指令演算回路、１４ａ、１４ｂ…電力変換器制御回路、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ…電流測定器、１９ａ、１９ｂ…電圧測定器、２０…直流コンデンサ、１１１ａ…電圧同期回路、１１２ａ…有効電力演算回路、１１３ａ…無効電力演算回路、１１４ａ…高調波検知回路。１１５ａ…無効電力検知回路、１１６ａ…き電電圧検知回路

Claims (8)

1. 第１の単巻変圧器き電方式のき電回路（以下、「ＡＴき電回路」という。）におけるトロリ線及びき電線の末端に交流側が接続された第１の電力変換器と、
   前記第１のＡＴき電回路とは電力系統が異なる第２のＡＴき電回路におけるトロリ線及びき電線の末端に交流側が接続された第２の電力変換器とを備え、
   前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器とは、それぞれの直流側において互いに接続されており、
   更に、前記第１のＡＴき電回路末端に設置された単巻変圧器（以下、ＡＴ）によってレールから吸収される電力の有効成分、又は前記末端に設置されたＡＴと前記第１の電力変換器とから列車負荷へ供給される電力の有効成分（以下、これらを総称して「有効電力成分」ともいう。）の少なくとも何れかを検知する第１の有効電力検知手段と、
   前記第２のＡＴき電回路側における前記有効電力成分を検知する第２の有効電力検知手段と、
   前記第１及び第２の有効電力検知手段によってそれぞれ検知された有効電力成分に基づいて、前記第１及び第２のＡＴき電回路間における有効電力融通量を算出する電力融通算出手段と、
   前記電力融通算出手段によって算出された有効電力融通量に基づいて、前記第１及び第２のＡＴき電回路間で有効電力の融通を行うように前記第１及び第２の電力変換器を制御する制御手段とを備えること
   を特徴とする電力融通装置。
2. 請求項１に記載の電力融通装置において、
   前記第１の有効電力検知手段は、レールから前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴへ流れる電流の測定値に基づいて前記有効電力成分を検知し、
   前記第２の有効電力検知手段は、レールから前記第２のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴへ流れる電流の測定値に基づいて前記有効電力成分を検知すること
   を特徴とする電力融通装置。
3. 請求項１に記載の電力融通装置において、
   前記第１の有効電力検知手段は、前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ側からトロリ線上を列車負荷へ流れる電流の測定値に基づいて前記有効電力成分を検知し、
   前記第２の有効電力検知手段は、前記第２のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ側からトロリ線上を列車負荷へ流れる電流の測定値に基づいて前記有効電力成分を検知すること
   を特徴とする電力融通装置。
4. 請求項１に記載の電力融通装置において、
   前記第１の有効電力検知手段は、前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴからき電線へ流れる電流の測定値と、前記第１の電力変換器からの交流側入出力電流の測定値とに基づいて前記有効電力成分を検知し、
   前記第２の有効電力検知手段は、前記第２のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴからき電線へ流れる電流の測定値と、前記第２の電力変換器からの交流側入出力電流の測定値とに基づいて前記有効電力成分を検知すること
   を特徴とする電力融通装置。
5. 請求項１に記載の電力融通装置において、
   前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴによってレールから吸収される電力の無効成分、又は前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ及び前記第１の電力変換器から列車負荷へ供給される電力の無効成分（以下、これらを総称して「無効電力成分」ともいう。）を検知する第１の無効電力検知手段と、
   前記第２のＡＴき電回路における前記無効電力成分検知する第２の無効電力検知手段と、
   前記第１及び第２のＡＴき電回路に流れる高調波電流をそれぞれ検知する第１及び第２の高調波検知手段とを備え、
   前記制御手段は、前記第１及び第２の無効電力検知手段と第１及び第２の高調波検知手段とによってそれぞれ検知した無効電力成分及び高調波電流に基づいて、前記第１及び第２のＡＴき電回路へそれぞれ無効電力及び高調波電流を補償するように前記第１及び第２の電力変換器を制御すること
   を特徴とする電力融通装置。
6. 請求項５に記載の電力融通装置において、
   前記第１の有効電力検知手段、第１の無効電力検知手段及び第１の高調波検知手段は、レールから前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴへ流れる電流の測定値に基づいて、それぞれ前記有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知し、
   前記第２の有効電力検知手段、第２の無効電力検知手段及び第２の高調波検知手段は、レールから前記第２のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴへ流れる電流の測定値に基づいて、それぞれ前記有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知すること
   を特徴とする電力融通装置。
7. 請求項５に記載の電力融通装置において、
   前記第１の有効電力検知手段、第１の無効電力検知手段及び第１の高調波検知手段は、前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ側からトロリ線上を列車負荷へ流れる電流の測定値に基づいて、それぞれ前記有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知し、
   前記第２の有効電力検知手段、第２の無効電力検知手段及び第２の高調波検知手段は、前記第２のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴ側からトロリ線上を列車負荷へ流れる電流の測定値に基づいて、それぞれ前記有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知すること
   を特徴とする電力融通装置。
8. 請求項５に記載の電力融通装置において、
   前記第１の有効電力検知手段、第１の無効電力検知手段及び第１の高調波検知手段は、前記第１のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴからき電線へ流れる電流の測定値と、前記第１の電力変換器からの交流側入出力電流の測定値とに基づいて、それぞれ前記有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知し、
   前記第２の有効電力検知手段、第２の無効電力検知手段及び第２の高調波検知手段は、前記第２のＡＴき電回路末端に設置されたＡＴからき電線へ流れる電流の測定値と、前記第２の電力変換器からの交流側入出力電流の測定値とに基づいて、それぞれ前記有効電力成分、無効電力成分及び高調波電流を検知すること
   を特徴とする電力融通装置。

Images