JP5525492B2

JP5525492B2 - 鉄道き電システム

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Publication number: JP5525492B2
Application number: JP2011159709A
Authority: JP
Inventors: 基也鈴木; 努宮内; 洋一杉田; 篤史小田; 俊晴菅原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: JP2013023074A

Description

この発明は、回生ブレーキにより発生した回生電力を利用する鉄道き電システムに関する。

従来、電気鉄道では回生ブレーキの利用が一般的である。回生ブレーキとは、車両がブレーキをかけたとき、モーターを発電機として作用させ、発生した電力（回生電力）を架線に戻し、他の車両の加速力として使用するものである。回生ブレーキによりエネルギーの再利用が可能となり、省エネ効果を高めることができる。

近年は、回生ブレーキにより発生した電力を、蓄電装置等の車両以外の設備に供給・蓄電することで、回生電力の有効活用が図られている。

また、電力変換装置を用いて、常時電力を使用している駅設備に回生電力を供給する回生電力吸収装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−６２４２７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている回生電力吸収装置は基準電圧を閾値として回生電力を吸収するため、電圧が閾値を上回る全ての駅で同時に回生電力が吸収される。したがって、変電所遠方に車両が位置し、車両と変電所の間に駅が複数存在する場合、車両の最寄り駅だけでなく、遠方の駅でも回生電力を吸収するため、送電時の損失が大きい、という技術上の問題がある。

そこで、車両が生じさせた回生電力を、最寄りの駅において、そして回生電力に余力があれば更に次の駅において、駅設備で消費することで、回生電力を効率良く利用する点で課題がある。
本発明の目的は、上記の課題を踏まえて、車両に近い駅を優先して回生電力を使用することで、送電ロス最小となるように、回生電力を複数の駅に配分する鉄道き電システムを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明による鉄道き電システムは、駅設備を備える複数の駅、当該複数の駅を通して敷設されたレール、当該レールに沿って配設されたき電線、前記き電線から電力供給を受けてレールを走行可能であり制動時に回生させた回生電力を前記き電線に戻す車両、及び少なくとも一つの前記駅に配設されていて前記回生電力を変換して前記駅設備に供給する電力変換装置を備える鉄道き電システムにおいて、前記電力変換装置は、入力側を前記き電線及び前記レールに接続し、出力側を前記駅設備に接続しており、前記駅の消費電力情報と前記車両の回生電力情報を入力とし、前記車両の回生電力と、前記駅の消費電力とを比較して、前記駅のうち、前記車両から近い駅に備わる前記電力変換装置を優先して、当該電力変換装置の出力電力を指令する監視制御装置を設けたことを特徴としている。

また、本発明による鉄道き電システムは、駅設備を備える複数の駅、当該複数の駅を通して敷設されたレール、当該レールに沿って配設されたき電線、前記き電線から電力供給を受けてレールを走行可能であり制動時に回生させた回生電力を前記き電線に戻す車両、少なくとも一つの前記駅に配設されていて前記回生電力を変換して前記駅設備に供給する電力変換装置、及び少なくとも一つの前記駅において配設されていて前記回生電力を吸収する蓄電装置を備える鉄道き電システムにおいて、前記電力変換装置は、入力側を前記き電線及び前記レールに接続し、出力側を前記駅設備に接続しており、前記蓄電装置は、前記き電線及び前記レールに接続しており、前記駅の消費電力情報と前記車両の回生電力情報と前記蓄電装置の充電量を入力とし、前記車両の回生電力と前記駅の消費電力と前記蓄電装置の充電可能電力を比較して、前記駅及び前記蓄電装置のうち、前記車両から近い駅に備わる前記電力変換装置及び前記蓄電装置を優先して、当該駅の前記電力変換装置の出力電力と、当該蓄電装置の充放電電力を指令する監視制御装置を設けたことを特徴としている。

本発明による鉄道き電システムによれば、き電線、レール、車両、駅及び電力変換装置を備えており、少なくとも一つの駅が電力変換装置、或いは更に蓄電装置を備えており、電力変換装置は入力側をき電線及びレールに接続し出力側を駅設備に接続しており、蓄電装置はき電線及び前記レールに接続しており、監視制御装置は、駅の消費電力情報を取り込み、車両の回生電力と前記駅の消費電力とを比較して、電力変換装置の出力電力、或いは蓄電装置の充放電電力を指令するので、駅において鉄道き電回路と駅設備とが電力変換装置によって接続されることになり、車両による回生電力が、最小の送電ロスで複数の駅に供給して利用が可能になり、車両の回生電力を効率よく活用することができる。

図１は、本発明の実施例１によるき電システムの構成図である。図２は、本発明の実施例１に係る監視制御装置の処理の一例である。図３は、本発明の実施例１の動作例を示すグラフである。図４は、本発明の実施例２によるき電システムの構成図である。図５は、本発明の実施例２に係る監視制御装置の処理の一例である。図６は、本発明の実施例２に係る充電特性の一例を示すグラフである。図７は、本発明の実施例２の動作例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明による鉄道き電システムの実施例について説明をする。

本発明による鉄道き電システムの実施例１を、き電システムの構成図である図１を用いて説明する。図１において、鉄道き電システムは、駅設備８，１１を備える第１駅７及び第２駅１０、これら第１駅７及び第２駅１０を通して敷設されたレール（軌道）２、レール２に沿って配設されたき電線１、き電線１から電力供給を受けてレール２を走行可能であり制動時に回生させた回生電力をき電線１に戻す車両３、並びに少なくとも一つの（例の場合、第１駅７及び第２駅１０）に配設されていて回生電力を変換して駅設備８，１１に供給する第１電力変換装置９及び第２電力変換装置１２を備えている。また、この鉄道き電システムは、き電線１に電力を供給する交流電源４、変圧器５及び配電系統６を備えており、更に、第１電力変換装置９及び第２電力変換装置１２を制御するため、後述する監視制御装置１３を備えている。

車両３は、き電線１から集電装置を通じて電力の供給を受けて、レール２上を走行可能である。交流電源４から変圧器５を介して配電系統６に電力が供給される。配電系統６は、第１駅７において、第１駅設備８及び第１電力変換装置９に接続されている。第１電力変換装置９はき電線１及びレール２に接続されている。同様に、配電系統６は、第２駅１０において、第２駅設備１１及び第２電力変換装置１２に接続されている。第２電力変換装置１２はき電線１及びレール２に接続されている。

ここで、第１電力変換装置９及び第２電力変換装置１２は、回生インバータ等の電力変換装置であり、直流から交流へ、又は直流から交流への電力変換を行う装置である。実施例１においては、第１電力変換装置９及び第２電力変換装置１２は、それぞれ、直流側にき電線１及びレール２が接続され、交流側に第１駅設備８、第２駅設備１１を含む配電系統６が接続される。

監視制御装置１３は、車両の回生電力情報１０１、第１駅設備８の第１消費電力情報１０２、及び第２駅設備１１の第２消費電力情報１０３を入力とし、第１電力変換装置９への第１出力電力指令１０４及び第２電力変換装置１２への第２出力電力指令１０５を出力とする。

実施例１における監視制御装置１３で行われる処理（監視制御）の例を図２を用いて説明する。
監視制御装置１３において、第１電力変換装置９への第１出力電力指令１０４は、車両３の回生電力１０１と、最寄りの駅である第１駅７の駅設備８の第１消費電力１０２との最小値とする。即ち、第１駅７の第１電力変換装置９に対しては、車両３の回生電力１０１よりも大きい電力量を指示する第１出力電力指令１０４が出されることはない。

また、監視制御装置１３において、第２駅１０の第２電力変換装置１２への第２出力電力指令１０５は、車両３の回生電力１０１と第１電力変換装置９への第１出力電力指令１０４との差分と、第２駅１０の第２消費電力１０３との最小値とする。即ち、第２駅１０の第２電力変換装置１２に対しては、上記差分値よりも大きな電力量を指示する第２出力電力指令１０５が出されることはない。
なお、駅の消費電力の総和が回生電力よりも小さい場合、駅で消費しきれない分は余剰回生電力となり、変電所に戻される。

図３に、実施例１の鉄道き電システムの挙動を示す。グラフ上に、車両３の回生電力、第１駅設備８の第１消費電力、第１電力変換装置９への第１出力電力指令、第２駅設備１１の第２消費電力、第２電力変換装置１２への第２出力電力指令を示している。

時刻ｔ１において、車両３が制動を開始すると、車両３の回生ブレーキにより回生電力１０１が立ち上がる。回生電力１０１の立ち上がりと共に、第１駅７の第１電力変換装置９の第１出力電力指令値１０４も立ち上がる。時刻ｔ２において、第１電力変換装置９の第１出力電力指令値１０４が第１駅設備８の第１消費電力１０２に一致すると、その後、回生電力１０１が更に増加しても、第１電力変換装置９の第１出力電力指令値１０４は、それらの最小値とされているので、第１駅設備８の第１消費電力値１０２に保たれる。

同時に、第２駅１０の第２電力変換装置１２の第２出力電力指令値１０５が立ち上がる。第２出力電力指令値１０５は、車両３の回生電力１０１と第１電力変換装置９への第１出力電力指令値１０４との差分と第２駅１０の第２消費電力値１０３との最小値とされているので、図示の例の場合、回生電力１０１の第１出力電力指令値１０４に対する余剰分（第２消費電力よりも小さい）として立ち上がる。なお、第１駅７の第１電力変換装置９への第１出力電力指令値１０４と第２駅１０の第２電力変換装置１２への第２出力電力指令値１０５の合計は、車両の回生電力１０１に等しくなる。

時刻ｔ３は回生電力１０１の立ち上がりが完了する時刻である。その後、時刻ｔ４において車両３の減速に伴い回生電力１０１が小さくなると、まず第２駅１０の第２電力変換装置１２への第２出力電力指令値１０５を低下させる。時刻ｔ５において、第２電力変換装置１２への第２出力電力指令値１０５が０になると、第１電力変換装置９への第１出力電力指令値１０４を低下させる。時刻ｔ６において車両３が停止し回生電力１０１が０になると、同時に第１電力変換装置９への第１出力電力指令値１０４も０となる。このように、車両３が回生ブレーキを使用している間、第１電力変換装置９への第１出力電力指令値１０４と第２電力変換装置１２への第２出力電力指令値１０５の合計は、車両３の回生電力１０１に等しくなることで、回生電力１０１が駅において過不足なく使用される。

次に、本発明による鉄道き電システムの実施例２を、図４を参照して説明する。実施例２は、実施例１の構成に対して、回生電力吸収手段として、第１駅７には第１蓄電装置１４が、また第２駅には第２蓄電装置１５が加えられている。監視制御装置１３は、実施例１の入出力に加えて、入力として第１蓄電装置１４の充電量である第１ＳＯＣ１０６と、第２蓄電装置１５の充電量である第２ＳＯＣ１０８を加え、出力として第１蓄電装置１４に対する第１充放電電力指令１０７と第２蓄電装置１５に対する第２充放電電力指令１０８とを加える。これにより、駅に設置された蓄電装置１４，１５を活用して余剰回生電力を充電することが可能となる。

実施例２における監視制御装置１３で行われる処理（監視制御）の例を図５を用いて説明する。
実施例１における監視制御装置１３との差異は、蓄電装置１４，１５の充電量（ＳＯＣ）を考慮して、蓄電装置１４，１５への充電電力指令を出力する点である。
監視制御装置１３は、車両３の回生電力情報１０１と最寄りの駅である第１駅７の駅設備８の第１消費電力情報１０２とに基づいて、車両３の回生電力１０１と第１駅７の駅設備８の第１消費電力値１０２との最小の値を第１電力変換装置９に第１出力電力指令１０４として出力する。
監視制御装置１３は、また、車両３の回生電力１０１と第１出力電力指令１０４での出力指令との差ｒｅｓ１と、第１蓄電装置１４の第１充電特性１１０に第１ＳＯＣ１０６を参照することで決まる第１充電電力上限１１１とのうち最小の値を第１充放電電力指令１０７として第１蓄電装置１４に出力する。

差ｒｅｓ１と第１充放電電力指令値１０７との差ｒｅｓ２と、第２消費電力値１０３のうち最小の値を、第２電力変換装置１２への第２出力電力指令１０５として出力する。
ｒｅｓ２と第２出力電力指令値１０５との差と、第２蓄電装置１５の第２充電特性１１２に第２ＳＯＣ１０８を参照することで決まる第２充電電力上限１１３とのうち最小の値を第２充放電電力指令１０９として第２蓄電装置１５に出力する。

実施例２での第１充電特性１１０及び第２充電特性１１２の例を図６に示す。第１充電特性１１０及び第２充電特性１１２は充電上限以上の充電率で、充電電力０となるような特性とすることで、蓄電装置の過充電を防止する。

図７に、実施例２の鉄道き電システムの挙動を示す。グラフ上に、車両３の回生電力、第１駅設備８の第１消費電力、第１電力変換装置９への第１出力電力指令、第１蓄電装置１４の充電電力、第２駅設備１１の第２消費電力、第２電力変換装置１２への第２出力電力指令、第２蓄電装置１５の充電電力を示している。

時刻ｔ１において、車両３が制動を開始すると、車両３の回生ブレーキにより回生電力１０１が立ち上がる。回生電力１０１の立ち上がりと共に、第１電力変換装置９への第１出力電力指令１０４も立ち上がる。時刻ｔ２において、第１電力変換装置９の第１出力電力指令値１０４が第１駅設備８の第１消費電力値に一致すると、その後、回生電力１０１が更に増加しても、第１電力変換装置９の第１出力電力指令値１０４は、それらの最小値とされているので、第１電力変換装置９の出力は第１消費電力値１０２に保たれる。同時に第１蓄電装置１４への第１充電電力指令１０７が立ち上がり、第１蓄電装置１４の充電が立ち上がる。第１電力変換装置９の出力と第１蓄電装置１４の充電電力の出力の合計は、車両３の回生電力１０１に等しくなる。時刻ｔ３が、回生電力１０１の立ち上がりが完了する時刻である。

時刻ｔ４になり第１蓄電装置１４の充電量が第１充電上限１１１に達すると、第１蓄電装置１４の充電電力は０になる。同時に第２電力変換装置１２への第２出力電力指令値と第２蓄電装置１５の充電電力が立ち上がり、第１電力変換装置９の第１出力電力指令値と、第２電力変換装置１２の第２出力電力指令値と、第２蓄電装置１５の充電電力の合計は、車両の回生電力１０１に等しくなる。

時刻ｔ５において、減速に伴い車両の回生電力１０１が小さくなると、まず、第２駅１０において、第２蓄電装置１５の第２充放電電力指令値１０９を低下させる。時刻ｔ６において、第２蓄電装置１５の充電電力が０になると、第２電力変換装置１２の第２出力電力指令値１０５を低下する。時刻ｔ７において、第２電力変換装置１２の第２出力電力指令値１０５が０になると、第１駅７において第１電力変換装置９の出力を低下させる。時刻ｔ８において車両３が停止し回生電力１０１が０になると、第１電力変換装置９の出力は０となる。以上のように、車両３が回生ブレーキを使用している最中、第１電力変換装置９の出力と第１蓄電装置１４の充電電力と第２電力変換装置１２の出力と第２蓄電装置１５の充電出力の合計は、車両の回生電力１０１に等しくなることで、回生電力が駅において過不足なく使用される。

上記実施例２は、同一き電区間内に駅が２つある場合について説明したが、駅が３つ以上ある場合においても同様に実施できる。

１：き電線２：レール
３：車両４：電源
５：変圧器６：配電系統
７：第１駅８：第１駅設備
９：第１電力変換装置
１０：第２駅１１：第２駅設備
１２：第２電力変換装置
１３：監視制御装置
１４：第１蓄電装置１５：第２蓄電装置
１０１：回生電力情報（その電力値）
１０２：第１消費電力情報（その電力値）
１０３：第２消費電力情報（その電力値）
１０４：第１出力電力指令（その指令値）
１０５：第２出力電力指令（その指令値）
１０６：第１ＳＯＣ
１０７：第１充放電電力指令（その指令値）
１０８：第２ＳＯＣ
１０９：第２充放電電力指令（その指令値）
１１０：第１充電特性
１１１：第１充電出力上限
１１２：第２充電特性
１１３：第１充電電力上限

Claims

駅設備を備える複数の駅、
当該複数の駅を通して敷設されたレール、
当該レールに沿って配設されたき電線、
前記き電線から電力供給を受けてレールを走行可能であり制動時に回生させた回生電力を前記き電線に戻す車両、及び
少なくとも一つの前記駅に配設されていて前記回生電力を変換して前記駅設備に供給する電力変換装置
を備える鉄道き電システムにおいて、
前記電力変換装置は、入力側を前記き電線及び前記レールに接続し、出力側を前記駅設備に接続しており、
前記駅の消費電力情報と前記車両の回生電力情報を入力とし、前記車両の回生電力と、前記駅の消費電力とを比較して、前記駅のうち、前記車両から近い駅に備わる前記電力変換装置を優先して、当該電力変換装置の出力電力を指令する監視制御装置を設けた
ことを特徴とする鉄道き電システム。
請求項１記載の鉄道き電システムにおいて、
前記監視制御装置は、入力される前記駅の前記消費電力情報として、同一き電区間に含まれる一つ又は複数の前記駅の前記消費電力情報を入力する
ことを特徴とする鉄道き電システム。
請求項２記載の鉄道き電システムにおいて、
前記監視制御装置は、前記車両の前記回生電力と前記駅の前記消費電力とを比較して、当該電力の電力値の小さい方を前記電力変換装置の出力電力として指令する
ことを特徴とする鉄道き電システム。
請求項１〜３のいずれか一項記載の鉄道き電システムにおいて、
前記監視制御装置は、最寄りの前記駅の前記電力変換装置の出力電力を指令し、前記回生電力に余りがある場合に、次に近い前記駅の前記電力変換装置の出力電力を指令する
ことを特徴とする鉄道き電システム。
駅設備を備える複数の駅、
当該複数の駅を通して敷設されたレール、
当該レールに沿って配設されたき電線、
前記き電線から電力供給を受けてレールを走行可能であり制動時に回生させた回生電力を前記き電線に戻す車両、
少なくとも一つの前記駅に配設されていて前記回生電力を変換して前記駅設備に供給する電力変換装置、及び
少なくとも一つの前記駅において配設されていて前記回生電力を吸収する蓄電装置
を備える鉄道き電システムにおいて、
前記電力変換装置は、入力側を前記き電線及び前記レールに接続し、出力側を前記駅設備に接続しており、
前記蓄電装置は、前記き電線及び前記レールに接続しており、
前記駅の消費電力情報と前記車両の回生電力情報と前記蓄電装置の充電量を入力とし、前記車両の回生電力と前記駅の消費電力と前記蓄電装置の充電可能電力を比較して、前記駅及び前記蓄電装置のうち、前記車両から近い駅に備わる前記電力変換装置及び前記蓄電装置を優先して、当該駅の前記電力変換装置の出力電力と、当該蓄電装置の充放電電力を指令する監視制御装置を設けた
ことを特徴とする鉄道き電システム。
請求項５記載の鉄道き電システムにおいて、
前記監視制御装置は、入力される前記駅の前記消費電力情報として、同一き電区間に含まれる一つ又は複数の前記駅の前記消費電力情報を入力する
ことを特徴とする鉄道き電システム。
請求項６に記載の鉄道き電システムにおいて、
前記監視制御装置は、前記車両の前記回生電力と前記駅の前記消費電力とを比較して、当該電力の電力値の小さい方を前記電力変換装置の出力電力として指令し、
前記車両の前記回生電力と前記電力変換装置の前記出力電力との差と、前記蓄電装置の前記充電量から前記蓄電装置の充電特性を考慮して求められた充電出力制限とを比較して、前記差と前記充電出力制限の小さい方を前記蓄電装置の充放電電力として指令する
ことを特徴とする鉄道き電システム。
請求項６または７のいずれか一項記載の鉄道き電システムにおいて、
前記監視制御装置は、最寄りの前記駅の前記電力変換装置の出力電力と前記蓄電装置の充放電電力とを指令し、前記回生電力に余りがある場合に、次に近い前記駅の前記電力変換装置の出力電力と前記蓄電装置の充放電電力とを指令する
ことを特徴とする鉄道き電システム。
請求項５の鉄道き電システムにおいて、
前記監視制御装置は、前記蓄電装置の前記充電量を、設定された充電量以下となるように充放電電力を制御する
ことを特徴とする鉄道き電システム。