JP4572840B2

JP4572840B2 - 直流電力貯蔵装置

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Inventors: 正上村
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Description

本発明は、直流電気鉄道の外線に並列に接続され、電気車の力行運転時に電力を供給および回生運転時の電力を吸収する直流電力貯蔵装置に係り、特に外線の電圧降下対策、電気車の回生電力吸収対策および電気車の回生失効防止対策のための電力貯蔵媒体の充放電制御方式に関する。

直流き電系統において、閑散線区の変電所は、その間隔が比較的長い距離を有して設備される。このため、変電所から遠隔した地点に位置する電気車では、その起動時など、大きな電流が流れるときに外線の電圧降下が大きくなり、パンタ点の電圧が規定値よりも低くなってしまうことが予測される。この電圧降下を補償するため、電源送り出し変電所（ＤＣＶＲ）を設置したり、電気車側でノッチ抑制を行っている。

また、閑散線区では、電気車が回生運転状態にあるときに、この回生エネルギーを他の電気車で力行電力として吸収する機会が少ないため、電気車側で回生失効（電気制動不能）となり易い。また、閑散地区でなくとも、電気車が回生運転状態のときに他の電気車が力行状態を終了した場合には、負荷の急激な減少による回生失効が起こる。

この回生失効では、電気車側は回生動作を中止し、電気ブレーキから機械ブレーキに制動切り替えを行うが、切り替え操作の移行時間による制動遅れが生じる。この制動遅れにより、電気車の定点停止の失敗、機械ブレーキを急制動することで、車輪とブレーキシューの磨耗増による寿命短縮などの問題が残る。この回生失効防止のための回生電力吸収対策としては以下の方式のものがある。

（１）インバータ装置による交流電源への電力回生方式
図４の（ａ）に示すように、電気車１が回生する直流電力を、外線側を直流電源とするインバータ装置２とインバータ用変圧器３によって電圧と周波数を制御した交流電力に変換し、交流電源側に回生する。

この方式の場合、回生電力を吸収する交流負荷が必要であること、及び変圧器、交流遮断器、インバータ装置、直流遮断器等が必要であり、装置全体が高コストになる。

（２）チョッパによる回生抵抗装置への電力回生方式
図４の（ｂ）に示すように、電気車１が回生する直流電力を、チョッパ装置４によって電圧制御した直流電力に変換し、これを回生抵抗装置５で熱として吸収させる。

この方式の場合、回生電力の全てを抵抗装置によって熱吸収させるため、回生電力は有効利用されないことや、大型の抵抗装置が必要になる。また、抵抗装置に発生する熱量の放散処理のための換気設備や放熱設備が必要であり、チョッパ等を含めると比較的高価な設備になる。

（３）直流電力貯蔵装置を利用した電力回生方式
図４の（ｃ）に示すように、整流器６の直流側に、昇降圧チョッパ７と直流電力蓄積装置８からなる直流電力貯蔵装置を設備し、電気車１の回生運転によって外線電圧がその定格電圧範囲の上限を超えた場合は、チョッパ７により外線電圧を降圧制御し、外線からチョッパ７を通して直流電力蓄積装置８の充電電流として回生電力を吸収させる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

この方式は、電気車の力行運転によって外線の定格電圧範囲の下限を下回った場合は、チョッパ７により外線電圧を昇圧制御し、直流電力蓄積装置８からチョッパ７を通して外線側に電力供給を行うことで電圧降下対策にも利用できる。また、交流電源側からみた負荷の平準化を図ることもできる。

図５は、直流電力貯蔵装置の主回路構成を示す。昇降圧チョッパ７は、外線から流れ込む充電電流を制御できる向きに一端を外線に接続した半導体スイッチＳＷ１および該半導体スイッチＳＷ１と逆並列接続したダイオードＤ１からなる高圧側アームと、前記半導体スイッチＳＷ１と電流を制御できる向きが同じで且つ半導体スイッチＳＷ１の他端と直列接続した半導体スイッチＳＷ２および該半導体スイッチＳＷ２と逆並列接続したダイオードＤ２からなる低圧側アームと、前記半導体スイッチＳＷ１の他端に一端を接続して他端を電気二重層キャパシタＥＤＬＣに接続したリアクトルＬとからなる。

この構成において、図６に示すように、電気車１の回生動作で外線電圧が定格電圧範囲の上限を超えたときに、昇降圧チョッパにより外線電圧を降圧する制御を行う。すなわち、スイッチＳＷ１をスイッチング動作させ、そのオン期間には外線からＳＷ１→Ｌを通してＥＤＬＣに充電電流を流し、そのオフ期間にはリアクトルＬからＥＤＬＣ→Ｄ２を通した循環電流でＥＤＬＣに充電電流を流し、回生電力をＥＤＬＣの充電電力として回生する。

また、図６に示すように、電気車１の力行動作で外線電圧が定格電圧範囲の下限を下回ったときに、昇降圧チョッパにより外線電圧を昇圧する制御を行う。すなわち、スイッチＳＷ２をチョッパ動作させ、そのオン期間にはＥＤＬＣからＬ→ＳＷ２を通してＥＤＬＣに短絡電流を流してリアクトルＬに電磁エネルギーとして蓄積し、そのオフ期間にはＥＤＬＣからリアクトルＬ→Ｄ１の経路で外線に放電電流を流し、外線の電圧降下を抑制する。

なお、直流電力蓄積装置８には、電気二重層キャパシタのほかに蓄電池が使用される。この蓄電池を用いる場合は、長時間のエネルギー蓄積および蓄積量に優れるが、急速充放電特性で劣り、立ち上がりの速い回生電力等の充電に遅れが生じることや、電気車の始動・加速時等の負荷急変に追従した放電に遅れが生じ、外線電圧の急変や回生失効を招く恐れがある。一方、電気二重層キャパシタを用いる場合は、急速充放電性能に優れ、電気車からの回生電力吸収や、負荷急変に応動できる。
特開２０００−２３３６６９特開２００１−２６０７１８

（第１の課題）
電気二重層キャパシタと昇降圧チョッパで構成する直流電力貯蔵装置を利用して、外線の電圧降下抑制を図る場合、図５の構成では、電気二重層キャパシタの端子電圧（待機電圧）を外線電圧の定格電圧範囲の下限電圧よりも低い値としておき、電気二重層キャパシタからリアクトルＬ→ダイオードＤ１の経路による外線側への放電を防止する。また、外線の電圧降下発生に際して、電気二重層キャパシタから供給できる電力量（蓄積電力量）の最大化を図るため、電気二重層キャパシタの端子電圧を外線電圧の定格電圧範囲の下限電圧に近い値まで高めておく。

例えば、１５００Ｖ系統では、外線電圧が１２００Ｖ（外線電圧の定格電圧範囲の下限）以下で電気二重層キャパシタから電力供給する場合、電気二重層キャパシタの端子電圧（待機電圧）を１２００Ｖ以下とし、この電気二重層キャパシタから昇降圧チョッパによる昇圧制御で外線電圧の電圧降下を抑制する。

上記のように、図５の構成では、電気二重層キャパシタの端子電圧は、外線電圧の定格電圧範囲の下限電圧よりも低くするため、電気二重層キャパシタの蓄積電力量が制限される。この蓄積電力量を高めるには、電気二重層キャパシタの並列台数を多くすると共に昇降圧チョッパの可制御電流容量を高めることが考えられるが、これでは直流電力貯蔵装置の大型化およびコスト高を招く。

（第２の課題）
直流電力貯蔵装置を利用して電圧降下抑制と回生電力吸収を行う場合、特許文献１、特許文献２では、外線電圧が低下したときに昇降圧チョッパにより電気二重層キャパシタＥＤＬＣ端子電圧を昇圧制御して電圧降下を抑制し、外線電圧が上昇したときに昇降圧チョッパにより外線電圧を降圧制御して回生電力を吸収する。この場合、電圧降下対策と回生電力吸収対策の両方に対応可能にするためには、電気二重層キャパシタの端子電圧（待機電圧）は、電圧降下抑制のための放電動作時と回生電力吸収のための充電動作時とで同じ電圧範囲にされるが、電圧降下対策時には電気二重層キャパシタの端子電圧が高い満充電の方がより多くの電圧降下を抑制でき、回生電力吸収時には電気二重層キャパシタの端子電圧が低い充電電力量が少ない方がより多くの回生電力を吸収できる。これらから、同じ電圧範囲で供給する放電電力量と吸収する充電電力量とを利用するため、電圧降下対策と回生電力吸収対策の両機能を同時に対応可能な電力量は前記満充電時の電力量や最低充電時の電力量に比べて少なくなり、両機能を同時に満足できない。

このため、電圧降下対策と回生電力吸収対策の両機能に対応可能にした充放電電力量を確保するには、上記の第１の課題と同様に、電気二重層キャパシタの並列台数を多くすると共に昇降圧チョッパの可制御電流容量を高めることになり、直流電力貯蔵装置の大型化およびコスト高になる。

なお、充放電電力量を高めるため、電圧降下対策用として端子電圧（待機電圧）を低くした直流電力貯蔵装置と、回生電力吸収対策用として端子電圧を高くした直流電力貯蔵装置との２台の装置構成とすることも考えられるが、これでは設備の大型化およびコスト高の課題を解消できるものでない。

（第３の課題）
直流電力貯蔵装置を利用して回生電力の吸収を行う場合、特許文献１、特許文献２では電気二重層キャパシタなどの電力貯蔵媒体が満充電の場合、回生電力の吸収ができず、電気車が回生運転を行うと回生失効が起こる。このため、回生電力吸収用抵抗装置の設置が必要になってしまう。また、力行運転する電気車があらわれるまで電力貯蔵媒体は満充電のままであるため、電気車の回生運転が連続した場合には連続して回生失効が起こってしまう。

本発明の目的は、直流電力貯蔵装置の大型化およびコスト高を招くことなく、従来装置と比べて外線への供給電力量と吸収電力量との和を増やし、より多くの外線の電圧降下抑制、電気車の回生電力吸収との対応を可能にするとともに、電気車の回生失効防止を可能にした直流電力貯蔵装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、電気二重層キャパシタなどの電力貯蔵媒体と外線との間に昇降圧チョッパなどの直流／直流変換装置を設けた直流電力貯蔵装置とし、無負荷時には外線の定格電圧範囲の上限電圧を越える整流器無負荷電圧まで外線電圧が上昇するので、前記上限電圧を越えたときに、直流／直流変換装置の導通制御で外線と電力貯蔵媒体の間を導通させることで、電力貯蔵媒体の端子電圧を整流器無負荷電圧まで充電し、
回生電力吸収対策には外線電圧（昇降圧チョッパと外線とを接続する端子の電圧、以下同じ）が上限電圧を越えたときに、直流／直流変換装置の導通制御で外線と電力貯蔵媒体の間を導通させ、回生運転の電気車からの回生電力を電力貯蔵媒体の充電電力として吸収させると共に、回生運転を行う電気車のパンタ点電圧の上昇には、電気車がもつ回生電流絞り込み機能を利用して電気車の回生失効を防止し、
電圧降下対策には外線電圧が下限電圧を下回ったときに電力貯蔵媒体の端子電圧を降圧制御または昇圧制御を行い、電力貯蔵媒体から外線に放電させることで外線電圧をその下限電圧に保持するもので、以下の構成を特徴とする。

（１）電力貯蔵媒体と直流電気鉄道の外線との間に直流／直流変換装置を設けた直流電力貯蔵装置であって、
前記直流／直流変換装置は、
外線電圧が外線の定格電圧範囲の上限電圧を越えたとき、外線と前記電力貯蔵媒体との間を導通することで該電力貯蔵媒体を充放電し、外線電圧が前記上限電圧を下回ったとき、前記電力貯蔵媒体から外線への放電経路を遮断する回生電力制御手段と、
外線電圧が外線の定格電圧範囲の下限電圧を下回り、且つ前記電力貯蔵媒体の端子電圧が前記外線電圧より高いとき、該電力貯蔵媒体の端子電圧を降圧させながら該電力貯蔵媒体から外線側に放電し、外線電圧が前記下限電圧を下回り、且つ前記電力貯蔵媒体の端子電圧が前記外線電圧より低いとき、該電力貯蔵媒体の端子電圧を昇圧させながら該電力貯蔵媒体から外線側に放電する電圧降下抑制手段と、
を備えたことを特徴とする。

（２）前記回生電力吸収手段は、電気車からの回生電力の吸収によって前記上限電圧を越え、前記電力貯蔵媒体と外線との導通で外線電圧が上昇したとき、電気車がもつ回生電流絞り込み機能による回生電流絞り込み動作との協働によって、前記電力貯蔵媒体の端子電圧を該端子電圧の最大電圧以下に抑制することを特徴とする。

（３）前記直流／直流変換装置は、外線の無負荷時には、外線と前記電力貯蔵媒体との間を導通し、該電力貯蔵媒体の端子電圧を整流器の無負荷電圧まで充電することを特徴とする。

（４）前記直流／直流変換装置は、外線が前記下限電圧以上で前記電力貯蔵媒体の端子電圧が外線の上限電圧以下のとき、前記端子電圧が外線電圧より低い場合には外線電圧を降圧させながら外線側から該電力貯蔵媒体に充電し、前記端子電圧が外線電圧より高い場合には外線電圧を昇圧させながら外線側から該電力貯蔵媒体に充電する手段を備えたことを特徴とする。

（５）前記直流／直流変換装置は、前記電力貯蔵媒体の端子電圧が外線電圧よりも高い場合、該電力貯蔵媒体から外線側への放電電流を制御または遮断する放電制御スイッチを備えたことを特徴とする。

（６）前記直流／直流変換装置の主回路は、
外線から流れ込む充電電流を制御できる向きに一端を外線に接続した半導体スイッチＳＷ１および該半導体スイッチＳＷ１と逆並列接続したダイオードＤ１からなる高圧側アームと、前記半導体スイッチＳＷ１と電流を制御できる向きが同じで且つ半導体スイッチＳＷ１の他端と直列接続した半導体スイッチＳＷ２および該半導体スイッチＳＷ２と逆並列接続したダイオードＤ２からなる低圧側アームと、前記半導体スイッチＳＷ１の他端に一端を接続したリアクトルＬとからなる昇降圧チョッパと、
前記リアクトルＬの他端と前記電力貯蔵媒体との間に接続し、該電力貯蔵媒体からの放電電流を制御できる向きの半導体スイッチＳＷ３および該半導体スイッチＳＷ３と逆並列接続したダイオードＤ３からなる放電制御スイッチと、
を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、外線電圧が定格電圧範囲の上限電圧を越えたときは回生電力を吸収し、外線電圧が定格電圧範囲の下限電圧を下回ったときは電圧降下を抑制することができる。

しかも、従来装置に比べて、電気二重層キャパシタは広い電圧範囲で充放電を可能としたため、従来装置の満充電と同等以上の電気二重層キャパシタの電力蓄積量としながらも回生電力の吸収が可能であるため、電圧降下対策と回生電力吸収対策の両機能を満足しつつ、かつ電気二重層キャパシタの端子電圧が整流器の無負荷電圧以上となった場合には力行車両が存在しなくとも、外線全体の電圧平衡を取りながら電気二重層キャパシタの端子電圧は自然低下し、さらに回生運転を行う電気車が連続して電気二重層キャパシタの端子電圧が上昇し続けた場合でも電気車の電流絞り込み制御により回生失効が起こらない。

また、直流電力貯蔵装置の大型化およびコスト高を招くことなく、電圧降下抑制のために供給できる電力量を大幅に高めることができる。

図１は、本発明の実施形態を示す回路構成図であり、主回路構成が図５と異なる部分は、リアクトルＬの他端と前記電力貯蔵媒体との間に接続し、該電力貯蔵媒体からの放電電流を制御できる向きの半導体スイッチＳＷ３および該半導体スイッチＳＷ３と逆並列接続したダイオードＤ３からなる放電制御スイッチ９を設けた点にある。

制御装置１０は、昇降圧チョッパ７の昇降圧制御機能に加えて、放電制御スイッチ９のスイッチングおよび導通／遮断制御機能を設け、各種電圧条件設定と電圧検出信号の監視の基に、以下の制御手段を設ける。

なお、本実施形態の説明と図面は、き電変電所の整流器の直流側、電力貯蔵装置のき電線出力側、き電線、架線およびトロリ線を総称して外線と呼称して説明する。

（ａ）電気二重層キャパシタは、その充電電圧上限を、電気車からの回生電力によって外線に発生すると想定される最大電圧以上のものを使用し、外線の無負荷時には外線の定格電圧範囲の上限を超える整流器の無負荷電圧まで充電されている。

（ｂ）回生電力吸収対策と回生失効防止対策は、外線電圧が定格電圧範囲の上限電圧を越えたとき、外線と前記電気二重層キャパシタとの間を導通させるために、スイッチＳＷ１とＳＷ３をオン（導通）制御し、回生電力を電気二重層キャパシタへの充電電力として吸収させ、この電力吸収によって外線電圧の急激な電圧上昇による電気車の回生失効を防止すると共に、電気二重層キャパシタへの充電によって吸収した回生電力を電気二重層キャパシタから力行運転を行う電気車への放電によって回生電力を有効利用できるようにする。

この電力吸収による外線電圧の上昇が継続し、さらに外線電圧が上昇した場合には、電気車がもつ回生電流絞り込み機能による回生電流絞り込み動作との協働によって、電気二重層キャパシタの端子電圧と外線電圧がその最大電圧を超えないように協調されると共に、この状態においても電気車の回生電流絞り込み制御によって回生失効を起こさないようにする。

（ｃ）電圧降下対策は、外線電圧が定格電圧範囲の下限電圧を下回ったとき、外線電圧より電気二重層キャパシタの端子電圧が高い場合には、放電制御スイッチ９の半導体スイッチＳＷ３をスイッチング動作させ、前記電気二重層キャパシタの端子電圧を降圧制御して電気二重層キャパシタから外線側に放電させ、この放電によって外線電圧をその定格電圧範囲の下限電圧以上に保持する。さらに、この放電で電気二重層キャパシタの端子電圧が外線電圧よりも低くなったときに半導体スイッチＳＷ３をオン（導通）制御および昇降圧チョッパ７の半導体スイッチＳＷ２をスイッチング動作に切り替えて、前記電気二重層キャパシタの端子電圧を昇圧制御して放電を継続させ、外線電圧をその定格電圧範囲の下限電圧以上に保持する。

なお、電気車による回生電流の絞り込みは、既存の電気車に装備されるものであり、電気車のパンタ点電圧を監視し、この電圧が規定値以上のときにはそれに応じて回生電流を１００％から０％に絞り込むことにより、過剰にパンタ点電圧が上昇するのを防止する。一般的には、ＤＣ１５００Ｖ系の電気車では、図２に示すように、パンタ点電圧がＤＣ１６００Ｖ以下では絞り率１.０（絞り量０％）、ＤＣ１８００Ｖ以上で絞り率０（絞り量１００％）とし、１６００Ｖ〜１８００Ｖの間は電圧に比例して直線的に絞り率を０に向けて下げ、回生電流を抑制する。この回生電流の絞り込みによる余剰の制動エネルギーは機械ブレーキにより吸収される。

以下、電圧降下対策、回生電力吸収対策および回生失効防止対策のための制御動作を１５００Ｖ系統に適用した場合の具体例を詳細に説明する。

（１）き電系統の運転条件
外線の定格電圧範囲をＤＣ１６００Ｖ（上限）〜１２００Ｖ（下限）とし、整流器６の無負荷電圧をＤＣ１６２０Ｖとする。電気二重層キャパシタＥＤＬＣの充電最大電圧をＤＣ１８００Ｖとする。

（２）無負荷時
制御装置１０は、外線電圧が１６００Ｖ以上で昇降圧チョッパ７の半導体スイッチＳＷ１をオン（導通）制御し、電気二重層キャパシタＥＤＬＣが１６００Ｖ未満の場合、き電変電所の整流器６から電気二重層キャパシタＥＤＬＣを充電し、その充電電圧は整流器６の無負荷電圧の１６２０Ｖまで充電される。

（３）通常負荷時
制御装置１０は、電気車が力行運転されて外線電圧が整流器無負荷電圧の１６２０Ｖより低下した場合、整流器６からの給電と並列に、電気二重層キャパシタＥＤＬＣからの電力供給を外線電圧と電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧が平衡状態なので放電制御スイッチ９のオン（導通）制御で行う。ただし、外線電圧が１６００Ｖを下回る時点（ただし、１２００Ｖ以上）で放電制御スイッチ９をオフ制御し、外線の定格電圧範囲内では整流器６のみから力行電力を供給する。

（４）回生電力吸収対策と回生失効防止対策
図３に示すように、電気車からの回生電力によって外線電圧が上昇し、外線電圧がその定格電圧範囲の上限となる１６００Ｖを越えたとき（時刻ｔ１）、制御装置１０は昇降圧チョッパ７の半導体スイッチＳＷ１のオン（導通）制御と半導体スイッチＳＷ３のオン制御を行う。このとき、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧も１６００Ｖであるため、半導体スイッチＳＷ１のオン制御により外線側から電気二重層キャパシタＥＤＬＣへ充電電流を流し、その充電で回生電力を吸収する。

このとき、電気車の回生電力で電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧が上昇すると共に、電気車のパンタ点電圧も上昇し、このパンタ点電圧の上昇に伴って電気車の電流絞り込み機能により回生電流も減少する。また、電気車の回生運転が終了したとき（外線電圧の上昇が終了し、整流器無負荷電圧の１６２０Ｖに向け電圧が下がったとき、図３の波形Ａ）に、今度は半導体スイッチＳＷ３のオン制御によって、外線が周囲の区間の外線電圧と電圧平衡を保とうとするため、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧が自然低下し、その後無負荷であれば整流器無負荷電圧の１６２０Ｖに落ち着く。前記上限電圧を越えているときに、力行運転する電気車が存在する場合には、整流器無負荷電圧までは電気二重層キャパシタＥＤＬＣから電気車への電力供給となり、無負荷電圧以下では整流器と電気二重層キャパシタＥＤＬＣが並列に電気車への電力供給を行い、外線電圧は力行運転する電気車によって上限電圧以下に落ち着く（図３の波形Ｂ）。

また、電気二重層キャパシタの端子電圧が外線の定格電圧上限（１６００Ｖ）以下になったときは半導体スイッチＳＷ３のオフ（遮断）制御によって電気二重層キャパシタＥＤＬＣからの放電を停止し、電気車には整流器６からの電力供給のみになる。

電気車の回生動作が継続し、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧が最大電圧１８００Ｖに達したとき（時刻ｔ２）、電気車からの回生電流は電流絞り込み動作によって零になり、外線電圧も定格電圧上限（１６００Ｖ）を越えて一時的に１８００Ｖになるが、回生電流が零であるためそれ以上の電圧上昇はなく、回生失効を防止する。

したがって、回生電力吸収対策および回生失効防止対策では、外線電圧は一時的に定格電圧上限（１６００Ｖ）を越えることもあるが最終的には整流器無負荷電圧または定格電圧上限以下に落ち着き、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧は１６００Ｖ〜１８００Ｖの範囲に制御される。

（５）電圧降下対策
図３に示すように、電気車が力行運転し、外線電圧が定格電圧範囲の下限（１２００Ｖ）を下回ったとき（時刻ｔ３）、制御装置１０は、半導体スイッチＳＷ３をスイッチング制御することで、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧を降圧制御して電気二重層キャパシタＥＤＬＣからリアクトルＬおよびダイオードＤ１を通して放電を開始し、整流器６側からの電力供給と協働して電圧降下を抑制する。この電圧降下抑制で、外線電圧が下限１２００Ｖ以上に戻ったとき（時刻ｔ４：図３の波形Ｃ）、制御装置１０は半導体スイッチＳＷ３をオフ制御して電気二重層キャパシタＥＤＬＣからの放電を停止させ、昇降圧チョッパを昇圧制御に切り替えて電気二重層キャパシタＥＤＬＣを充電し（図３の波形Ｃ’）、１６００Ｖまでの充電で制御を停止する。

また、外線電圧が下限電圧１２００Ｖ以上に戻らず、電圧降下抑制の継続で、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧が外線電圧よりも低くなったとき（時刻ｔ５）、制御装置１０は半導体スイッチＳＷ３をオン（導通）制御に、昇降圧チョッパ７の半導体スイッチＳＷ２をスイッチング動作に切り替え、前記端子電圧を昇圧制御することで放電を継続させ、整流器６側からの電力供給と協働して、外線電圧の電圧降下抑制を行う。この放電で、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧は下限電圧（１２００Ｖ）以下に低下していく。この電圧降下抑制で、外線電圧が下限１２００Ｖ以上に戻ったとき（時刻ｔ６：図３の波形Ｄ）、制御装置１０は、昇降圧チョッパ７の降圧制御で電気二重層キャパシタＥＤＬＣを充電し（図３の波形Ｄ’）、１６００Ｖまでの充電で降圧制御を停止する。

また、外線の電圧降下が継続し、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの放電でその端子電圧が最低電圧５００Ｖにまで達したとき（時刻ｔ７）、制御装置１０は昇降圧チョッパの制御を停止する。電気車の力行運転が終了し（時刻ｔ８）、外線電圧が１２００Ｖ以上に戻ったとき（時刻ｔ９：図３の波形Ｅ）、電気二重層キャパシタＥＤＬＣを充電する（図３の波形Ｅ’）。

したがって、電気二重層キャパシタＥＤＬＣの端子電圧は５００Ｖ〜１６００Ｖの範囲に制御される。

すなわち、電気二重層キャパシタＥＤＬＣは、電圧降下対策時に、従来装置に比べて、広い電圧範囲（５００Ｖ〜１６００Ｖ）で充放電が可能となり、電気二重層キャパシタＥＤＬＣが従来装置のそれと同じ容量（並列台数を多くすることなく）であっても電圧降下抑制のために供給できる電力量を大幅に高めることができる。

なお、実施形態では、昇降圧チョッパと放電制御スイッチで直流／直流変換装置を構成する場合で説明したが、電気二重層キャパシタＥＤＬＣと外線との間の電力の充放電を可能にした、他の充放電回路構成にした直流／直流変換装置を使用して同等の作用効果を得ることができる。

また、実施形態では、外線の無負荷時および通常負荷時に、電気二重層キャパシタの端子電圧を外線の定格電圧範囲の上限電圧近くになるよう充放電制御しておく場合を示したが、電気二重層キャパシタの端子電圧を外線の定格電圧範囲の下限電圧と上限電圧の範囲内に充放電しておくことでもよい。

例えば、電気二重層キャパシタの端子電圧を下限電圧と上限電圧の中間値としておき、この状態から電圧降下対策と回生電力吸収対策の両機能を満足しつつ、かつ電気二重層キャパシタの端子電圧が整流器の無負荷電圧以上となった場合には力行車両が存在しなくとも、外線全体の電圧平衡を取りながら電気二重層キャパシタの端子電圧を自然低下させ、さらに回生電気車が連続して電気二重層キャパシタが上昇し続けた場合には電気車の電流絞り制御により回生失効を起こさないようにする。

また、実施形態では、電力貯蔵媒体として電気二重層キャパシタを使用する場合を示したが、ハイブリッドキャパシタ、大容量キャパシタ、蓄電池を使用しても、同等の作用効果を得ることができる。さらに、半導体スイッチを任意の電圧で制御する例を示したが、この任意の電圧に不感帯を設けることで、半導体スイッチのチャタリングを防止できることは勿論のことである。

本発明の実施形態を示す直流電力貯蔵装置の回路構成図。電気車の回生電流絞り込み特性の例を示す図。実施形態における電気車の回生失効防止と電圧低下抑制の動作波形図。従来の電力回生方式を示す図。従来の直流電力貯蔵装置の主回路構成図。電気車の回生失効防止と電圧低下抑制の動作波形図。

符号の説明

１電気車
６整流器
７昇降圧チョッパ
８電気二重層キャパシタ
９放電制御スイッチ
ＳＷ１〜ＳＷ３半導体スイッチ
Ｄ１〜Ｄ３ダイオード
Ｌリアクトル

Claims

電力貯蔵媒体と直流電気鉄道の外線との間に直流／直流変換装置を設けた直流電力貯蔵装置であって、
前記直流／直流変換装置は、
外線電圧が外線の定格電圧範囲の上限電圧を越えたとき、外線と前記電力貯蔵媒体との間を導通することで該電力貯蔵媒体を充放電し、外線電圧が前記上限電圧を下回ったとき、前記電力貯蔵媒体から外線への放電経路を遮断する回生電力制御手段と、
外線電圧が外線の定格電圧範囲の下限電圧を下回り、且つ前記電力貯蔵媒体の端子電圧が前記外線電圧より高いとき、該電力貯蔵媒体の端子電圧を降圧させながら該電力貯蔵媒体から外線側に放電し、外線電圧が前記下限電圧を下回り、且つ前記電力貯蔵媒体の端子電圧が前記外線電圧より低いとき、該電力貯蔵媒体の端子電圧を昇圧させながら該電力貯蔵媒体から外線側に放電する電圧降下抑制手段と、
を備えたことを特徴とする直流電力貯蔵装置。
前記回生電力吸収手段は、電気車からの回生電力の吸収によって前記上限電圧を越え、前記電力貯蔵媒体と外線との導通で外線電圧が上昇したとき、電気車がもつ回生電流絞り込み機能による回生電流絞り込み動作との協働によって、前記電力貯蔵媒体の端子電圧を該端子電圧の最大電圧以下に抑制することを特徴とする請求項１に記載の直流電力貯蔵装置。
前記直流／直流変換装置は、外線の無負荷時には、外線と前記電力貯蔵媒体との間を導通し、該電力貯蔵媒体の端子電圧を整流器の無負荷電圧まで充電することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電力貯蔵装置。
前記直流／直流変換装置は、外線が前記下限電圧以上で前記電力貯蔵媒体の端子電圧が外線の上限電圧以下のとき、前記端子電圧が外線電圧より低い場合には外線電圧を降圧させながら外線側から該電力貯蔵媒体に充電し、前記端子電圧が外線電圧より高い場合には外線電圧を昇圧させながら外線側から該電力貯蔵媒体に充電する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３記載の直流電力貯蔵装置。
前記直流／直流変換装置は、前記電力貯蔵媒体の端子電圧が外線電圧よりも高い場合、該電力貯蔵媒体から外線側への放電電流を制御または遮断する放電制御スイッチを備えたことを特徴とする請求項１乃至４記載の直流電力貯蔵装置。
前記直流／直流変換装置の主回路は、
外線から流れ込む充電電流を制御できる向きに一端を外線に接続した半導体スイッチＳＷ１および該半導体スイッチＳＷ１と逆並列接続したダイオードＤ１からなる高圧側アームと、前記半導体スイッチＳＷ１と電流を制御できる向きが同じで且つ半導体スイッチＳＷ１の他端と直列接続した半導体スイッチＳＷ２および該半導体スイッチＳＷ２と逆並列接続したダイオードＤ２からなる低圧側アームと、前記半導体スイッチＳＷ１の他端に一端を接続したリアクトルＬとからなる昇降圧チョッパと、
前記リアクトルＬの他端と前記電力貯蔵媒体との間に接続し、該電力貯蔵媒体からの放電電流を制御できる向きの半導体スイッチＳＷ３および該半導体スイッチＳＷ３と逆並列接続したダイオードＤ３からなる放電制御スイッチと、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至５記載の直流電力貯蔵装置。