JP5443078B2 - き電システム用の電力調整装置 - Google Patents
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Description
交流電力回線から受電する第1の変圧器と、
上記第1の変圧器に接続された第1の交流直流変換器と、
上記第1の変圧器に上記第1の交流直流変換器と直列に接続されたニッケル水素電池と
を含み、
上記ニッケル水素電池は、上記第1の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第1の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、上記ニッケル水素電池が積層型であり、上記ニッケル水素電池の導電剤に炭素を含むことを特徴とするき電システム用の電力調整装置である。即ち、交流直流変換器の高圧側母線と低圧側母線の間にコンデンサを接続しないで、ニッケル水素電池を接続したことを特徴とする。
更に、第2の交流直流変換器を含み、
上記第1の変圧器が、三相交流電圧を二相交流電圧に変換する変圧器であり、
上記第1の交流直流変換器が、上記第1の変圧器により生成される二相電圧のうちの一方を受電するき電線に接続され、
上記第2の交流直流変換器が、上記第1の変圧器により生成される二相電圧のうちの他方を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第1の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第1の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、
更に、上記第2の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第2の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴としてもよい。
更に、第2の交流直流変換器を含み、
上記第1の変圧器が、三相交流電圧を二相交流電圧に変換する変圧器であり、
上記第1の交流直流変換器が、上記第1の変圧器により生成される二相電圧のうちの一方を受電するき電線に接続され、
上記第2の交流直流変換器が、上記第1の変圧器により生成される二相電圧のうちの他方を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第1の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第1の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、
更に、上記第2の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第2の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴としてもよい。
上記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、上記正極集電体と上記負極集電体の間に配したセパレータと、上記正極集電体に接する正極セルと上記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の上記単位電池の正極集電体と他方の上記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられていることが、好ましい。
図1(1)は、本発明の第1の実施の形態に係る電力調整装置2の結線図であり、図1(2)は、本発明の第1の実施の形態に係る電力調整装置2のより詳細な結線図である。第1の実施の形態における電力調整装置2はSVCであり、交流き電用変電所のスコット結線変圧器3においてき電側に設置される電力補償装置(RPC)を構成する。R相、S相及びT相は、スコット結線変圧器3の三相側の入力を示す。M座とT座はスコット結線変圧器3により形成される二相を示す。第1の実施の形態におけるSVC2は、M座とT座の夫々のき電線4m、4tに接続されたインバータ(交流直流変換器)6m、6tと、2つのインバータ6m、6tの間に接続されたニッケル水素電池10とを含む。M座とT座の夫々のき電線4m、4tに供給される電力を動力源として、電車8m、8tが走行する。
「電圧計5mの電圧」<「電圧計5tの電圧」
となると、制御部9は、インバータ6m内蔵のスイッチ素子を制御して逆変換を行うことにより、交流電力をき電線4mに出力して、き電線4mの電圧の降下を抑制するように動作する。一方、制御部9は、インバータ6t内蔵のスイッチ素子を制御してき電線4tからの交流電力を直流電力に変換して、インバータ6mにより交流電力に逆変換された直流電力を補う。
また、き電線4mの電圧が上がり、
「電圧計5mの電圧」>「電圧計5tの電圧」
となると、制御部9は、インバータ6m内蔵のスイッチ素子を制御して変換を行うことにより、き電線4mからの交流電力を直流電力に変換して、き電線4mの電圧の上昇を緩和するように動作する。同時に、制御部9は、インバータ6t内蔵のスイッチ素子を制御してインバータ6mにより順変換された直流電力を交流電力に逆変換してき電線4tに出力する。
き電線4tにおいて電圧が下降又は上昇した場合も同様である。電圧計5mと電圧計5tの電圧比較において、適宜ヒステリシスを設けて頻繁な切替を防ぐこともできる。
このように電力調整装置2は、き電線4mの電圧とき電線4tの電圧との差を無くすように動作して有効電力の調整を行う。
(式1) C=ε×S/d
なお、εは誘電率、Sは平板電極の面積、dは平板電極間の距離である。ここで、S(平板電極面積)は、本実施の形態に係るニッケル水素電池においてはセパレータの面積と略同視できる。後述するニッケル水素電池を構成する多数の単位電池の各々は、プリーツ型セパレータを採用しており、積層タイプの電池となっている。このため、S(平板電極面積)は容易に大きくすることができて、その結果大きな静電容量を実現することが可能となった。
以下、第1の実施の形態に係る電力調整装置2に使用されるニッケル水素電池10について詳細に説明する。
図2及び図3は、上述の単位電池の第1の構成例を説明するための図である。
図4(1)は、一構成例の電池モジュールの横断面図である。図4(2)は、図4(1)の電池モジュールの一部斜視図であって、電池モジュールにおける伝熱板内の空気の流れ方向を示している(但し、図4(1)に示される絶縁板107、108が省略されている)。図5は、図4(1)(2)の電池モジュールに用いられている伝熱板の斜視図である。
本実施の形態で使用されるニッケル水素電池10、好ましくは積層タイプのニッケル水素電池の、起電力及び静電容量の具体的数値について検討する。本実施の形態に係る電力調整装置ではニッケル水素電池は様々に構成され得るが、例えば、単位電池30セルを含む電池モジュールを19個直列接続して形成される直列電池モジュールを、2列並列接続して構成される。ここで、単位電池の有する標準的な性能として、起電力1.25V、電池容量150Ah、及び、単位電池容量当たりの静電容量130F/Ahなどの数値を挙げることができる。
図1に示す電力調整装置は、三相交流受電するスコット結線変圧器においてき電側に設置されるSVCであるが、本発明の第1の実施の形態に係る電力調整装置は、単相交流を受電する変圧器に対しても設置することができる。図6(2)は、単相交流を受電する2つの変圧器23a、23bに接続する交流き電回路の従来例であり、図6(1)は、単相交流を受電する2つの変圧器23a、23bに接続する交流き電回路において、き電側に設置される第1の実施の形態に係る電力調整装置の結線図である。
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る電力調整装置202の結線図である。第2の実施の形態に係る電力調整装置202は、交流き電用変電所のスコット結線変圧器3において三相側に設置される三相SVCを構成する。R相、S相及びT相は、スコット結線変圧器3の三相側の入力を示す。M座とT座はスコット結線変圧器3により形成される二相を示す。第2の実施の形態に係るSVC202は、入力の三相の夫々に接続するインバータ6と、インバータ6に接続するニッケル水素電池10とを含む。
図8は、本発明の第3の実施の形態に係る電力調整装置402の結線図である。第3の実施の形態に係る電力調整装置402は、不平衡補償単相き電装置(SFC)を構成する。「不平衡補償単相き電装置(SFC)」は、スコット結線変圧器3のM座とT座を直接接続して形成される斜辺S座により単相き電する、不等辺スコット結線変圧器のM座とT座に各々インバータ6m、6tを設置し、それら2つのインバータ6m、6tを接続することにより構成される。
次に、本発明の応用例について説明する。図9(1)は、A変電所、B変電所、C変電所、及び、二つのき電区分所(SP)51、52を含む交流き電回路の模式図である。夫々の変電所には、従来のSVCである電力補償装置(RPC)2aが備わっているものとする。図9(2)は、図9(1)に示す交流き電回路内のB変電所にて、受電停止の障害が生じた場合の、A変電所、B変電所、C変電所、及び、二つのき電区分所(SP)51、52を含む交流き電回路の模式図である。図9(3)は、従来の電力補償装置(RPC)2aの結線図であり、変電所にて受電停止の障害が生じた場合の様子を示す。
Claims (7)
- 交流電力回線から受電する第1の変圧器と、
上記第1の変圧器に接続された第1の交流直流変換器と、
上記第1の変圧器に上記第1の交流直流変換器と直列に接続されたニッケル水素電池と
を含み、
上記ニッケル水素電池は、上記第1の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第1の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、
更に、上記ニッケル水素電池が積層型であり、
上記ニッケル水素電池の導電剤に炭素を含み、これにより電気二重層キャパシタとしても作用する
ことを特徴とする
き電システム用の電力調整装置。 - 上記第1の変圧器が、三相交流電圧を位相が90°異なる2つの二相交流電圧に変換する変圧器であることを特徴とする請求項1に記載のき電システム用の電力調整装置。
- 更に、第2の交流直流変換器を含み、
上記第1の変圧器が、三相交流電圧を二相交流電圧に変換する変圧器であり、
上記第1の交流直流変換器が、上記第1の変圧器により生成される二相電圧のうちの一方を受電するき電線に接続され、
上記第2の交流直流変換器が、上記第1の変圧器により生成される二相電圧のうちの他方を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第1の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第1の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、
更に、上記第2の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第2の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴とする
請求項1に記載のき電システム用の電力調整装置。 - 上記第1の変圧器と上記第1の交流直流変換器との間に設けられた第1のスイッチと、
上記第1の変圧器と上記第2の交流直流変換器との間に設けられた第2のスイッチと
を更に含むことを特徴とする請求項3に記載のき電システム用の電力調整装置。 - 更に、第2の変圧器と、第2の交流直流変換器とを含み、
上記第1の変圧器と上記第2の変圧器とが、夫々、単相交流電圧を受電する変圧器であり、
上記第1の交流直流変換器が、上記第1の変圧器により生成される交流電圧を受電するき電線に接続され、
上記第2の交流直流変換器が、上記第2の変圧器により生成される交流電圧を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第1の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第1の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、
更に、上記第2の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第2の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴とする
請求項1に記載のき電システム用の電力調整装置。 - 上記第1の変圧器と上記第1の交流直流変換器との間に設けられた第1のスイッチと、
上記第2の変圧器と上記第2の交流直流変換器との間に設けられた第2のスイッチと
を更に含むことを特徴とする請求項5に記載のき電システム用の電力調整装置。 - 上記ニッケル水素電池は、1つ以上の電池モジュールによって構成され、
上記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、上記正極集電体と上記負極集電体の間に配したセパレータと、上記正極集電体に接する正極セルと上記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の上記単位電池の正極集電体と他方の上記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられたことを特徴とする請求項1乃至6のうちのいずれか一つに記載のき電システム用の電力調整装置。
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