JP4973139B2 - き電線電圧補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばスコット変圧器などの三相−単相変換変圧器（変形ウッドブリッジ結線変圧器も含む）を用いた交流電化鉄道システムにおけるき電線電圧補償装置に係り、スコット変圧器などのき電側の単相２座、例としてＭ座およびＴ座にそれぞれ単相インバータを設置し、このインバータ２台の直流側を接続してＭ座とＴ座間での有効電力融通を行って２座の有効電力を平衡化するのと同時に、Ｍ座およびＴ座各々の負荷の無効電力をインバータによって補償することにより、き電線の電圧補償を行う装置に関する。

交流電化鉄道システムでは、図３に示すように三相の交流電源を受電し、例えばスコット変圧器１（き電変圧器）により単相２座の交流電源へ変換し、き電線２_T，２_Mに各々き電するという構成となっている。

この場合、単相側の２座の電力が平衡している場合は三相側の電力も平衡し前記変圧器１の利用率が最高となる。且つ単相側の力率が１の場合、三相側の力率も１となり、受電インピーダンスや変圧器のインダクタンスＬ分による電圧降下が最小となるため、き電線２_T，２_Mの電圧降下が最小となる。

車両負荷の状態に関わらずこの状態を作りき電線の電圧降下を低減するために、従来では例えば下記特許文献１に記載のような、単相インバータを２台使用したき電線電圧補償装置が提案されている。

図４は交流電化鉄道システムに設けられた、特許文献１に記載の電圧補償装置の構成を示し、スコット変圧器１の２次側のＴ座に接続されたき電線２_TとＭ座に接続されたき電線２_Mの間には、電圧変動補償装置１０が接続されている。

この電圧変動補償装置１０は、一方の巻線が各々き電線２_Tおよび２_Mに各々接続されたインバータ用変圧器１１_T，１１_Mと、該変圧器１１_T，１１_Mの各他方の巻線に交流側が接続された単相インバータ１２_T，１２_Mと該インバータ１２_T，１２_Mの直流側に共通に接続された直流コンデンサ１３とを備えている。

図４において、Ｐ_MはＭ座有効電力、Ｐ_TはＴ座有効電力、Ｑ_MはＭ座無効電力、Ｑ_TはＴ座無効電力、を各々示しており、これら電力は図示省略の電圧検出器および電流検出器によって検出される。

この電圧変動補償装置１０は、有効電力の差（Ｐ_M−Ｐ_T）の１／２を負荷の少ない方から負荷の多い方へ２台の単相インバータ１２_T，１２_Mを介して融通する。

例えばＰ_M＞Ｐ_Tの場合、Ｔ座から１／２（Ｐ_M−Ｐ_T）を取り込み、Ｍ座へ放出する。

これによりＭ座の負荷はＰ_M−１／２（Ｐ_M−Ｐ_T）＝１／２（Ｐ_M＋Ｐ_T）となり、Ｔ座の負荷はＰ_T＋１／２（Ｐ_M−Ｐ_T）＝１／２（Ｐ_M＋Ｐ_T）となり平衡化される。

また電圧変動補償装置１０は、無効電力Ｑ_M、Ｑ_Tをそれぞれの座のインバータ１２_T，１２_Mで補償する。例えば負荷無効電力がＱ_Mあれば単相インバータ１２_Mで−Ｑ_Mを発生して無効電力をゼロにする。

このようにＭ座、Ｔ座の両座の有効電力を同じにし、無効電力をゼロ＝力率１にすることによりき電電圧の補償がなされる。

また、変電所によっては、図５に示すようにき電側に直列コンデンサ３_T，３_Mが設けられている場合がある。図５において図３と同一部分は同一符号をもって示している。図５（ｂ）は図５（ａ）のシステムの単相モデルでのインピーダンスを表す等価回路図であり、Ｌ₁は変電所や三相の送電線などの受電インピーダンス、Ｌ₂はき電変圧器１のインピーダンス、Ｃは直列コンデンサ３_T（３_M）のインピーダンスを各々示している。

一般にき電の送り出しインピーダンスは、三相の送電線インピーダンス、スコット変圧器などのき電用変圧器のインダクタンスＬ分が支配的となるので、このＬ分による電圧降下を補償するために前記直列コンデンサ３_T，３_Mが用いられる。

図５のシステムにおける、単相モデルでの各部の電圧、電流の様子を図６（ａ）の等価回路図に示す。

図６（ａ）において、Ｖｓは電源電圧、Ｖ_L1は受電インピーダンスＬ₁による電圧降下、Ｖ_L2はき電変圧器のインピーダンスＬ₂による電圧降下、Ｖｃは直列コンデンサＣ（３_T又は３_M）のインピーダンスによる電圧降下、Ｖ_Lは負荷（き電線）電圧、Ｉ_Lは負荷電流を各々示し、無効分のみとして単純化すると図６（ｂ）のベクトル図となる（尚Ｌ₂とＣのリアクタンスを等しいとしている）。

この図６からわかるように、負荷電圧Ｖ_Lは受電インピーダンスによる電圧降下Ｖ_L1の分だけ電源電圧Ｖｓよりも下がる（すなわち直列コンデンサ（３_T又は３_M）のインピーダンスによる電圧降下ＶｃによってＶ_L2が相殺されるためＶｃの分だけ負荷電圧Ｖ_Lの電圧降下が補償されている）。

尚前記のようにインダクタンスＬ分による電圧降下を補償するために直列コンデンサ（３_T，３_M）を用いることは、例えば下記特許文献２に記載されている。
特開平９−１６３６０７号公報 特開平８−２０７６２６号公報

一方、電化鉄道システムには、例えば図７（ａ）に示すようにき電区間の境界、すなわち隣の変電所との区切りやき電変圧器１のＭ座とＴ座の区切りにセクション４が各々設けられている。尚図７（ａ）において図５と同一部分は同一符号をもって示しているが直列コンデンサ３_T，３_Mは図示省略している。

このセクション４を車両が越える場合、一瞬無電圧となるため車両負荷電流（＝変圧器負荷）に図７（ｂ）に示すような突入電流が発生する。これは上下非対称の波形のため、直流成分を含んでおり、この突入電流が図８に示すように直列コンデンサ３_T，３_Mに流れると該直列コンデンサの端子間に直流電圧Ｖｄｃが発生する。図８において図４、図５と同一部分は同一符号をもって示している。

この直流電圧Ｖｄｃにより、前記の電圧変動補償装置１０のインバータ用変圧器１１_T，１１_M（交流電化鉄道は一般に高圧なため変圧器が必須となっている）が、影響を受け、変圧器の直流偏磁が発生する。

特に突入電流が大きい場合、直列コンデンサ３_T，３_Mに発生する直流電圧も大きくなるため前記変圧器１１_T，１１_Mの直流偏磁量も大きくなり、該変圧器１１_T，１１_Mの鉄心の飽和が発生すると単相インバータ１２_T，１２_Mが過電流を発生して停止してしまうことがある。

単相インバータ１２_T，１２_Mが停止すると電圧変動補償装置としての機能が停止するため、電圧低下が大きくなってしまい、電圧変動補償装置としての責務を果たせなくなってしまう。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、車両突入電流の直流成分により直列コンデンサに発生する直流電圧成分の影響を受けず、電圧補償装置の運転を常時継続することができるき電線電圧補償装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載のき電線電圧補償装置は、三相交流電力を単相２座の電力に変換するき電変圧器と、前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座と第１のき電線とを結ぶ電路に介挿された第１の直列コンデンサと、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座と前記第１のき電線とは異なる第２のき電線とを結ぶ電路に介挿された第２の直列コンデンサとを備えた交流電化鉄道システムのき電線電圧補償装置において、前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座および前記第１の直列コンデンサの共通接続点と、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座および前記第２の直列コンデンサの共通接続点との間に接続され、第１のインバータおよび第１のインバータ用変圧器と、第２のインバータおよび第２のインバータ用変圧器とを備え、前記第１のインバータと第２のインバータの直流側が接続され、前記き電変圧器の単相各座の無効電力の補償機能および単相２座間で有効電力を融通して平衡化するき電変圧器の三相平衡化機能を有して前記き電線の電圧補償を行う電圧補償装置を具備したことを特徴としている。

この電圧補償装置は、第１、第２の直列コンデンサよりもき電変圧器側に設けられているため、き電線負荷である車両の突入電流により前記直列コンデンサに発生する直流電圧成分の影響は受けない。このため第１、第２のインバータ用変圧器の直流偏磁の発生は防止され、該変圧器の鉄心飽和による過電流で前記インバータが停止することはなく、これによって電圧補償装置による電圧補償は中断することなく常時行われる。

上記構成の場合、電圧補償装置のインバータが無効電力を補償してしまうため、三相の送電線インピーダンスとき電変圧器のインピーダンスによる電圧降下がなくなり、直列コンデンサによる電圧補償分だけが残るためき電電圧が上昇してしまう問題が発生する。

すなわち、電圧補償装置からの補償電流によって電流が０Ａとなって、受電インピーダンスによる電圧降下とき電変圧器のインピーダンスによる電圧降下が０Ｖとなり、これによってき電線電圧（負荷電圧）は直列コンデンサのインピーダンスによる電圧降下の分だけ電源電圧（三相交流）よりも上昇してしまう。

そこで上記課題を解決するための請求項２に記載のき電線電圧補償装置は、前記電圧補償装置が、無効電力補償を行わず、受電側のき電変圧器および受電インピーダンスに負荷電流と同じ無効電力を流すことを特徴としている。

上記構成によれば、第１、第２の直列コンデンサのインピーダンスによる電圧補償分によってき電線電圧が上昇しすぎる事態には陥らない。

また上記課題を解決するための請求項３に記載のき電線電圧補償装置は、前記電圧補償装置の無効電力補償のゲインを、前記第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇分が許容範囲内となるように設定したことを特徴としている。

上記構成によれば、第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇分が許容範囲内に抑えられるとともに、無効電力補償効果も得られる。

（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、電圧補償装置が第１、第２の直列コンデンサよりもき電変圧器側に設けられているので、車両突入電流の直流成分により前記直列コンデンサに発生する直流電圧成分の影響は受けず、第１、第２のインバータ用変圧器の直流偏磁の影響が防止され、電圧補償装置の運転を常時継続することができる。
（２）また、請求項２、３に記載の発明によれば、第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇の悪影響を抑えることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は本実施形態例による交流電化鉄道システムの構成を示し、図４、図５と同一部分は同一符号をもって示している。図１において図４、図５と異なる点は、き電変圧器１の２次側のＴ座および直列コンデンサ３_Tの共通接続点５_Tと、Ｍ座および直列コンデンサ３_Mの共通接続点５_Mとの間に、前記電圧変動補償装置１０と同様にインバータ用変圧器１１_T，１１_M、単相インバータ１２_T，１２_Mおよび直流コンデンサ１３を有し、且つ図４で述べた無効電力の補償機能および有効電力の三相平衡化機能を有した電圧補償装置２０を接続したことにある。

更に電圧補償装置２０は、後述する、無効電力補償を行わず受電側のき電変圧器１および受電インピーダンスに負荷電流と同じ無効電力を供給する機能と、無効電力補償のゲインを、前記直列コンデンサ３_T，３_Mによる電圧上昇分が許容範囲内となるように設定する機能とを具備している。

図１のように、き電線２_T，２_Mに設置された直列コンデンサ３_T，３_Mよりもき電変圧器１側に電圧補償装置２０を設置しているので、車両の突入電流による直列コンデンサ３_T，３_Mに発生する直流電圧成分の影響を受けることがなくなるため、インバータ用変圧器１１_T，１１_Mの直流偏磁の発生を防止することが可能となる。

このため単相インバータ１２_T，１２_Mが前記変圧器１１_T，１１_Mの鉄心の飽和による過電流で停止することがなくなるため、電圧補償装置２０の補償効果が中断することがなくなり、常時電圧変動補償が可能となる。

図１のシステムにおける、単相モデルでの各部の電圧、電流の様子を図２（ａ）の等価回路図に示す。

図２（ａ）において、Ｖｓは電源電圧、Ｖ_L1は受電インピーダンスＬ₁による電圧降下、Ｖ_L2はき電変圧器のインピーダンスＬ₂による電圧降下、Ｖｃは直列コンデンサＣ（３_T又は３_M）のインピーダンスによる電圧降下、Ｖ_Lは負荷（き電線）電圧、Ｉ_Lは負荷電流、Ｉ_L´は電圧補償装置２０による補償電流を各々示し、無効分のみとして単純化すると図２（ｂ）のベクトル図となる。

この図２からわかるように、電圧補償装置２０からの補償電流Ｉ_L´によって電流が０Ａとなるため、受電インピーダンスＬ₁による電圧降下Ｖ_L1とき電変圧器のインピーダンスＬ₂による電圧降下Ｖ_L2が０Ｖとなり、これによって負荷電圧Ｖ_Lは直列コンデンサのインピーダンスによる電圧降下Ｖｃの分だけ電源電圧Ｖｓよりも上昇する。

この場合、直列コンデンサのインピーダンスによる電圧補償分が余分となり（受電側のインピーダンスの影響は電圧補償装置２０が低減するため）、き電電圧が上昇しすぎる場合が考えられるが、その場合は、
（１）電圧補償装置２０の無効電力補償をやめて、電圧補償装置２０より受電側のき電変圧器１および受電インピーダンスにも負荷電流Ｉ_Lと同じ無効電力を流して、直列コンデンサのインピーダンスによる電圧補償分と相殺する。
（２）電圧補償装置２０の無効電力補償のゲインを低減して、直列コンデンサ（３_T，３_M）による電圧上昇分を許容範囲に抑えると同時に無効電力補償効果もある程度の効果が得られるように設定する。

等の対応を実行する。

本発明の一実施形態例の交流電化鉄道システムの構成図。 本発明の一実施形態例の交流電化鉄道システムを表し、（ａ）は等価回路図、（ｂ）は電圧、電流ベクトル図。 従来の交流電化鉄道システムの一例を示す構成図。 従来の電圧変動補償装置の一例を示す構成図。 従来の交流電化鉄道システムの他の例を示す構成図。 従来の交流電化鉄道システムを表し、（ａ）は等価回路図、（ｂ）は電圧、電流ベクトル図。 従来の交流電化鉄道システムにおける突入電流を表し、（ａ）は説明図、（ｂ）は電流波形図。 従来の交流電化鉄道システムにおけるインバータ用変圧器の偏磁発生を説明するためのシステム構成図。

符号の説明

１…き電変圧器、２_T，２_M…き電線、３_T，３_M…直列コンデンサ、４…セクション、１１_T，１１_M…インバータ用変圧器、１２_T，１２_M…単相インバータ、１３…直流コンデンサ、２０…電圧補償装置。

Claims (3)

1. 三相交流電力を単相２座の電力に変換するき電変圧器と、前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座と第１のき電線とを結ぶ電路に介挿された第１の直列コンデンサと、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座と前記第１のき電線とは異なる第２のき電線とを結ぶ電路に介挿された第２の直列コンデンサとを備えた交流電化鉄道システムのき電線電圧補償装置において、
   前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座および前記第１の直列コンデンサの共通接続点と、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座および前記第２の直列コンデンサの共通接続点との間に接続され、第１のインバータおよび第１のインバータ用変圧器と、第２のインバータおよび第２のインバータ用変圧器とを備え、前記第１のインバータと第２のインバータの直流側が接続され、前記き電変圧器の単相各座の無効電力の補償機能および単相２座間で有効電力を融通して平衡化するき電変圧器の三相平衡化機能を有して前記き電線の電圧補償を行う電圧補償装置を具備したことを特徴とするき電線電圧補償装置。
2. 前記電圧補償装置は、無効電力補償を行わず、受電側のき電変圧器および受電インピーダンスに負荷電流と同じ無効電力を流すことを特徴とする請求項１に記載のき電線電圧補償装置。
3. 前記電圧補償装置の無効電力補償のゲインは、前記第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇分が許容範囲内となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のき電線電圧補償装置。

Images