JP5563615B2

JP5563615B2 - 鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法

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Publication number: JP5563615B2
Application number: JP2012084025A
Authority: JP
Inventors: 恩圭李; 泰▲ソク▼ 金; 景敏權
Original assignee: 株式会社宇進産電
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: KR101224570B1; CN103166216A; EP2604467A2; CN103166216B; JP2013123359A; US20130147441A1

Description

本発明は、鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法に関し、より具体的には、変電所の電圧変動、運行パターンによる電圧変動、時間帯別電圧変動による架線電圧の変動による最適のトラッキングを自動に行うようにすることによって、エネルギー貯蔵効率を極大化することが可能な、鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法に関するものである。

周知のように、世界的に気候変化の結果は、環境破壊の危機と原油高を招き、同時に資源枯渇の危機に直面させ、石油エネルギーの枯渇と環境汚染が加速化されることによって、地球温暖化を防止するための京都議定書が発効されて、ＣＯ_２排出を抑制するための新再生エネルギーおよび開発が至急な課題として急浮上している。

このような実情の下、技術開発の方向は、例えば、風力や、潮力、太陽光、水力などの自然エネルギーを利用した新再生エネルギー開発に集中しているが、既存のエネルギー発生や貯蔵システムにおいて損失として処理されるエネルギーシステムや装置を改善して、損失率を最小化する方向でも活発に開発が行われている。

最近、電車の制動方式としては、例えば、エネルギーを節約するために回生制動方式、すなわち、加速された電車が停車のために減速する場合、電車の運動エネルギーをまた電気エネルギーとして回収する方式が採択されている。このような回生制動方式は全体システムの電力消耗量を減少できるだけでなく、機械的制動による騒音問題およびブレーキシューの摩耗を防止できるなどの長所を有し、採用範囲が順次拡大している。

しかしながら、加速された電車が走行中に停車するために回生制動方式で減速する場合、電動機は発電機として動作して発電制動を行うため、瞬間的に大きい電圧（回生電力）が発生する。このような回生電力は、架線に瞬間的に大きい電圧を印加して架線電圧を変動させてシステムを不安定にするだけでなく、後行電車がその電圧を収容できない場合、架線電圧の変動要因として作用して、後行車両故障の原因となりうる。

回生エネルギーを効率的に活用するためには、エネルギー貯蔵システムの充電・放電レベル値が重要な要素として作用するが、電車変電所出力電圧変動および車両運行に応じた架線電圧の変動によって、システムを効率的に活用し難い実情である。

より詳細に図１を参照して、従来の直流電車変電所の架線変動について調べる。

直流電車変電所の給電システムに備えられた変転設備は、例えば、２５００ｋＷ１２ｐｕｌｓｅ整流器で構成されており、２５００ｋＷ１２ｐｕｌｓｅ整流器は、交流電源を直流電源に変換する機能を有する。下記表１は、変転設備の整流器正格の一例を示している。

同図面を参照して直流変電所の架線変動を調べると、直流地下鉄給電システムにおいて変圧器と整流器を介した架線電源は、韓電電源の変動によって決定される。韓電（韓国電力公社）からの供給電源の変動は３[％]まで許容され、実際測定結果整流器後段の架線電圧は、一定のパターンがなく１６２５［Ｖ］を基準に１６１２〜１６４０［Ｖ］の範囲まで変動されることを確認した。

図１は、列車運行時にＤＣＰＴ（Direct Current Potential Transformer）を利用して整流器後端の母線を測定した結果であり、測定ラインが厚く維持される輪郭を見ると架線が列車の運行と関係なく揺れている様子が確認できる。ここで鋭く示された測定電圧は、列車の逆行と回生時に現れる電圧である。

一般に使っているエネルギー貯蔵システムは、架線の電圧が一定であることを前提に架線電圧より一定電圧以上上昇または下降した際に、エネルギー貯蔵システムを充電または放電するように設定される。しかし、変転設備の容量が増大することによって逆行時に発生する架線電圧の電圧降下が非常に小さい現実ではエネルギー貯蔵装置の放電を開始する電圧を一定電圧に設定することが非常に難しくなる。

また、他の問題として、このような逆行時に発生する電圧降下が１５［Ｖ］以下であるのに対して、架線の電圧は３０［Ｖ］以上の変動幅を有するようになって実際エネルギー貯蔵装置の充電・放電がスムーズにできないこともありうる。このような理由から架線電圧の変動に伴ったエネルギー貯蔵装置の充放電開始電圧および維持電圧を変動させなければならない必要がある。しかし、架線電圧の変動はある時間や列車の運行パターンによる一定のパターンを有していないため、架線電圧の変動をトラッキングすることは非常に困難である実情がある。

架線電圧は、単に変電所の電圧変動や運行パターンの変化による変動以外に時間により変動したりもするが、架線電源は韓電配電ラインから２２．９[ｋＶ]の電源の供給を受けて、１２相変圧器と整流器を経て供給される。このとき、受電される２２．９[ｋＶ]は３［％］の変動幅を有して供給され、これは変電所のＤＣ架線電源に影響を与えるようになる。このような理由から架線電源の変動に対して適切に補償を行う必要がある。図２は、大田（テジョン）都市鉄道１号線デドン変電所において実際測定したデータを時間帯別に正規化した結果である。図２で示したように架線電源は概略１６１０[Ｖ]から１６３０[Ｖ]まで可変されることが確認できる。

これは、同様に、エネルギー貯蔵システムの効率を上げるために架線電圧の変動をトラッキングすることが非常に難しくする要素として作用される。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、変電所の電圧変動、運行パターンによる電圧変動、時間帯別電圧変動などによる架線電圧の変動に応じた最適のトラッキングを自動に行うことによって、エネルギー貯蔵効率を極大化することが可能な、新規かつ改良された鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、鉄道車両のエネルギー貯蔵装置が駆動開始される第１過程と、スーパーキャパシターの初期充電が完了して電力モードが作動する第２過程と、充電モードまたは放電モードの中のいずれか一つのモードが選択される第３過程と、電力充電モードまたは放電モードが開始されるか、または、エネルギー貯蔵装置の作動が停止する第４過程と、充電モードと放電モードとのスイッチング条件が満たされるか否かを判断する第５過程と、充電モードと放電モードとのスイッチング条件が満たされる場合に、モードを変更する第６過程と、充電モードと放電モードとのスイッチング条件が満たされない場合に、電圧維持または自動チューニング条件になるか否かを判断する第７過程と、電圧維持または自動チューニング処理を行う第８過程と、を有する、鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法が提供される。

また、上記第３過程は、給電電圧が充電開始電圧より小さいか、または、給電電圧が充電開始電圧より大きい場合に、エネルギー貯蔵装置の作動を停止させる過程と、給電電圧が充電開始電圧より大きいか否かを判断する過程と、給電電圧が充電開始電圧より大きい場合に、電力モード充電を開始する過程と、給電電圧が放電開始電圧より大きいか否かを判断する過程と、給電電圧が放電開始電圧より大きい場合に、電力モード放電を開始する過程と、を有し、いずれか一つのモードが選択されてもよい。

また、上記第４過程は、スーパーキャパシターの充電電圧または放電電圧が、充電制限電圧または放電制限電圧より大きくなるか否かを判断する過程と、スーパーキャパシターの充電電圧または放電電圧が、充電制限電圧または放電制限電圧より大きくなる場合に、システム充電またはシステム放電を遮断する過程と、を有してもよい。

また、上記第５過程は、充電モード時における放電開始作動時間が１０秒より大きい場合に、放電モードに変換し、放電モード時における充電開始作動時間が１０秒より小さい場合に、充電モードに変換してもよい。

上記第７過程は、充電モード時における実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より大きいか同じかを判断する過程と、放電モード時における実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より小さいか同じかを判断する過程と、を有してもよい。

また、上記第８過程は、充電モード時における実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より大きいか同じ場合に、実際放電開始作動電圧を自動レベル放電制限電圧に設定する過程と、実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より小さい場合に、放電開始電圧をレベルアップするように更新する過程と、放電モード時における実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より小さいか同じ場合に、実際充電開始作動電圧を自動レベル充電制限電圧に設定する過程と、実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より大きい場合に、放電開始電圧をレベルダウンするように更新する過程と、を有してもよい。

本発明によれば、変電所の電圧変動、運行パターンによる電圧変動、時間帯別電圧変動などによる架線電圧の変動に応じた最適のトラッキングを自動に行うことによって、エネルギー貯蔵効率を極大化することができる。

また、本発明に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法は、直流都市鉄道の回生エネルギーを効率的に使って架線電圧の安定化を具現できる双方向ＤＣ−ＤＣコンバーターで最適のエネルギー節減量効果を得ることができ、新再生エネルギーを主要エネルギー源として使うスマートグリッドまたはマイクログリッドに適用するエネルギー貯蔵システムに本アルゴリズムを適用および応用して、新再生エネルギー源である風力発電および太陽光発電の不安定な電源をリアルタイムで追従して、エネルギーを充電および放電することによってエネルギー効率を極大化できる長所がある。

従来のエネルギー貯蔵システム基盤において架線電圧変動状態を示した図である。従来のエネルギー貯蔵システム基盤において時間による架線電圧変動状態を示した図である。本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵装置の構成を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムに適用された電力モード制御機の簡略化した構成図である。本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング状態を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング未適用時における過放電状態を示した動作試験図である。本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング未適用時における過充電状態を示した動作試験図である。本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニングを適用した状態を示す試験図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図３は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵装置の構成を示す回路図である。

図３を参照すると、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法は、変電所の電圧変動、運行パターンによる電圧変動、時間帯別電圧変動による架線電圧の変動に応じた最適のトラッキングを自動に行うようにすることで、エネルギー貯蔵効率を極大化した鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法である。以下、電気二重層キャパシター（ＥＤＬＣ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＤｕａｌＬａｙｅｒＣａｐａｃｉｔｏｒ）は、「ＥＤＬＣ」と称する。

本発明の好ましい実施形態による構成は、例えば、充電部１０と、フィルター部２０と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバーター３０と、ＤＣ／ＤＣフィルター４０と、貯蔵部５０と、制御部６０と、電流検出部７０と、電圧検出部８０とからなる。

ＤＣ−ＤＣコンバーター３０は、基本的に内部で高周波数（例えば、数十［ｋＨｚ］〜数百［ｋＨｚ］）で発振させて、昇圧、降圧させる装置であるため、内部からトランジスターやＦＥＴ（Field Effect Transistor）などによって発生する高周波ノイズが入力および出力電源線を通して出ることを防ぐためにフィルターが必要となる。

本実施形態においては、フィルター部２０が直列連結されたインダクター２１と、並列連結されたキャパシター２２とからなるが、フィルター部２０は、高周波ノイズを取り除くためのものであって、例えば他の等価回路などに代替することができる。

フィルター部２０は、高周波ノイズの通過を遮断する役割を果たすが、本実施形態に係るフィルター部２０には、例えば、キャパシターが含まれる。ここで、小容量のキャパシターは、充電までかかる時間が短いため、さほど大きい問題にはならないが、大容量のキャパシターの場合、充電がある程度進められ電流量が減少する前までには短絡されていることと同様の状態となるため、過電流の危険が存在する。このような過電流は周辺システムに大きい問題を起こす可能性があるため、保護回路を備えなければならない。このような保護回路の役割を果たすのが充電部１０である。

充電スイッチ１３がＯｆｆ状態になると、充電部１０の抵抗１５によって過電流が流れることが防止される。キャパシター２２が十分充電された後に充電スイッチ１３がＯｎ状態にされる。

充電部１０のインピーダンス１１は、回路のインピーダンスマッチングをするためのものであって、例えば、必要に応じて選択可能である。遮断スイッチ１２は、高速遮断機５とは別にシステム内部で電力を遮断するためのものである。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバーター３０は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ)制御によって、第１トランジスター３１と第２トランジスター３２とをスイッチングしながら双方向にＤＣ電圧を特定のＤＣ電圧に変換させる。第１トランジスター３１と第２トランジスター３２とには、キャパシター３３、３４が並列にさらに備えられて、トランジスターのＯｎ／Ｏｆｆ動作が高速（例えば、数十［ｋＨｚ］〜数百［ｋＨｚ］）で起きる場合に発生する電流スパイク上昇を抑制する。制御信号によって、第２トランジスターがＯｆｆになって、第１トランジスター３１がＯｎ状態にスイッチングされると、ＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔｅｒとして作動し、第１トランジスターがＯｆｆになって第２トランジスター３２がＯｎ状態にスイッチングされると、ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒとして作動するが、このときに双方向電力流れを制御するためには、例えば、第１トランジスターと第２トランジスターとを１８０度位相差をつけて制御することが好ましい。この場合、主スイッチングの役割は、例えば第２トランジスターが果たす。

ＤＣ／ＤＣフィルター４０について説明する。フィルター部２０で説明したように高周波ノイズが周囲の装置に流れ込んで、種々の問題を起こすことを防止するためにＤＣ／ＤＣフィルター４０が設けられる。本実施形態においては、ＤＣ／ＤＣフィルター４０がインダクター４１を備える構成を示しているが、同じ機能をする他の回路に代替することができる。

貯蔵部５０を説明する。貯蔵部５０は、例えば、複数のＥＤＬＣ５３を並列連結して構成され、双方向ＤＣ／ＤＣコンバーター３０を介して伝達された回生電力を貯蔵する。このとき、キャパシターの容量により貯蔵時間が決定される。

一方、スイッチ５１と抵抗５２とは、キャパシターに貯蔵された電力を、例えば人為的に消耗させるための部分である。

種々の検出装置を説明する。電流検出部７０は、フィルター部２０に流入する電流を測定して後述する制御部６０に出力し、電圧検出部８０は、フィルター部２０のキャパシター２２の両端の電圧、すなわち、架線１の電圧を検出して制御部６０に出力する。スーパーキャパシターモニター部９０は、貯蔵部５０のＥＤＬＣ５３の電圧および充電量などを測定して制御部６０に出力する。

制御部６０について説明する。制御部６０は、例えば、マイクロプロセッサーまたは通常のコンピュータシステムで構成することができる。

国内の都市鉄道、地下鉄および軽電鉄において、車両に提供される基準電圧は、多くの場合１５００［Ｖ］または７５０［Ｖ］である。回生電力を貯蔵する基準電圧は、印加電圧より大きく設定され、回生電力をまた架線に供給する基準電圧は、印加電圧より小さく設定される。例えば、印加電圧１５００［Ｖ］、回生電力貯蔵基準電圧は印加電圧より大きい１８００［Ｖ］、そして回生電力供給基準電圧は印加電圧より小さい１０００［Ｖ］に設定した場合、制御部６０の構成を説明すると以下の通りである。

制御部６０は、電圧検出部８０から架線の電圧の入力を受けて、架線１電圧が１８００［Ｖ］以上になる場合、充電モードに転換するために第１トランジスター３１をＯｎ状態にスイッチングさせるための制御信号を出力する。このとき、双方向ＤＣ／ＤＣコンバーターは、ＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔｅｒとして作動する。

また、架線電圧が１０００［Ｖ］以下に落ちる場合には、制御部６０は、第１トランジスターをＯｆｆ状態、第２トランジスターをＯｎ状態に制御する信号を出力する。このとき、双方向ＤＣ／ＤＣコンバーターは、ＢｏｏｓｔＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔｅｒとして作動する。

本実施形態の場合、制御部６０は、例えば、ＰＷＭ（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式で制御信号を出力して、第１トランジスター３１および第２トランジスター３２を制御する。ＰＷＭ制御については、公示の方法であるため、詳細な説明を省略する。

一方、スーパーキャパシターモニター部９０が、貯蔵部５０が緩衝状態であることを出力した場合には、架線電圧が１８００［Ｖ］（貯蔵基準電圧）以上になっても、充電モードに転換せず、スーパーキャパシターモニター部９０によって測定された貯蔵部５０の電圧が１０００［Ｖ］（供給基準電圧）以下の場合には、電力供給モードに転換しない。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムの制御部６０は、例えば、初期スーパーキャパシターの定電流のための初期充電制御機と初期充電完了後、列車の逆行、制動時に発生する回生エネルギーを利用して架線電源を安定化させるための電力制御機１１０で構成され、各制御機の構造はＰＩ−ＰＩの２重ループ制御機として設計される。

初期充電制御機は、初期スーパーキャパシターを充電するための制御機であり、例えば、スーパーキャパシターが完全放電されたときにｄＶ／ｄｔ成分による突入電流を防止するためのソフトスタート制御機と、定電流制御のための電流制御機と、電流制御機の出力値に応じてデューティー比を制御するための電圧制御機とで構成される。

図４は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムに適用された電力モード制御機の簡略化した構成図である。電力モード時において内部ループの電流制御機１２０は、例えば、初期充電モードの時とは異なり内部ループに位置して、外部ループの電力制御機１１０の折点周波数より早い折点周波数を有するようになる。

電力モードにおいて、外部ループの電力制御機１１０は、ＤＣリンク端の電力を制御するもので、ＤＣリンク端のインピーダンスは、例えば追従値と実際の値とが常に同一になり、結局これによってエラー値を補償する結果と同様に計算される。

電力制御機１１０において、システム伝達関数は、例えば下記の数式１に示す関係によって、例えば下記の数式２に示すように計算される。

・・・（数式１）
・・・（数式２）

以下、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムの機能と動作を添付図を参照して詳細に説明する。

図５は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング状態を示すフローチャートである。

まず、エネルギー貯蔵システムの構成および制御機設計は、一般に架線の電源が一定環境であるという仮定から出発して設計が行われたが、実際には国内だけでなく世界的にこのように理想的な環境の架線状態は存在しない。つまり、充電と放電を行う際に、必ず考慮しなければならない事項として、架線の変動幅およびそれに伴う充電と放電の開始、維持電圧の変動が必然的に発生する。

好ましいエネルギー貯蔵システムは、変電所整流器出力電圧の流動を綿密に分析して、システム充電時に変電所電源として充電されてはいけず、放電開始電圧をあまり高く選定して常時放電体系に選定してもいけない。したがって、エネルギー貯蔵システムの充電・放電開始電圧を固定すると、変電所電源の変動および列車運行によりスーパーキャパシターは充電量に比べて放電量が多くなったり放電量に比べて充電量が多くなって、過充電、過放電状態に留まるようになるため、エネルギー節減率は低下せざるを得ない。

これは、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニングが必要な根拠であり、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムの自動チューニング方法は、エネルギー貯蔵システムの充電・放電開始電圧を固定しない状態で常時モニターリングして、その変動値を反映して各種電圧が連動するように制御する方法である。

さらに詳細には、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムは、架線の給電が開始されて、スーパーキャパシターが初期充電を完了した状態で電力モードが作動すると、充電・放電開始電圧と給電電圧を比較して充電・放電開始電圧を段階別に上昇または下降させて充電と放電を開始するようにする。

より詳細には、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムにおける信号流れを説明すると、鉄道車両のエネルギー貯蔵装置が駆動開始される第１過程を経て、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵装置はスーパーキャパシターの初期充電が完了して電力モードが作動する第２過程と、充電モードまたは放電モード中いずれか一つのモードが選択される第３過程と、電力充電モードまたは放電モードが開始されるかまたはエネルギー貯蔵装置の作動が停止する第４過程と、充電モードと放電モードのスイッチング条件が満たされるか否かを判断する第５過程と、充電モードと放電モードのスイッチング条件が満たされる場合に、各進行モードを変更する第６過程と、充電モードと放電モードのスイッチング条件が満たされない場合に、電圧維持または自動チューニング条件になるか否かを判断する第７過程と、電圧維持または自動チューニング処理を行う第８過程とからなる。

このとき、第３過程は、給電電圧が充電開始電圧より小さいかまたは給電電圧が充電開始電圧より大きい場合に、エネルギー貯蔵装置の作動を停止させる過程（ＳＴ−４）と、給電電圧が充電開始電圧より大きいか否かを判断する過程（ＳＴ−５）と、給電電圧が充電開始電圧より大きい場合に、電力モード充電を開始する過程（ＳＴ−７）と、給電電圧が放電開始電圧より小さいか否かを判断する過程（ＳＴ−６）と、給電電圧が放電開始電圧より小さい場合に、電力モード放電を開始する過程（ＳＴ−１４）とからなって、いすれか一つのモードが選択される過程である。

また、第４過程は、スーパーキャパシターの充電または放電電圧が、充電または放電制限電圧より大きくなるか否かを判断する過程（ＳＴ−８、１５）と、スーパーキャパシターの充電または放電電圧が、充電または放電制限電圧より大きくなる場合に、システム充電やシステム放電を遮断する過程（ＳＴ−９、１６）とがさらに含まれる。

一方、第５過程は、充電モード時に放電開始作動時間が１０秒より大きい場合に、放電モードに変換し、放電モード時充電開始作動時間が１０秒より小さい場合に、充電モードに変換する過程である。

また、第７過程は、充電モード時において実際放電開始電圧（実際の放電開始電圧）が自動レベル放電制限電圧より大きいか同じかを判断する過程（ＳＴ−１１）と、放電モード時において実際充電開始電圧（実際の充電開始電圧）が自動レベル充電制限電圧より小さいか同じかを判断する過程（ＳＴ−１８）とを有する。

また、第８過程は、充電モード時において実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より大きいか同じ場合に、実際放電開始作動電圧を自動レベル放電制限電圧に設定する過程（ＳＴ−１３）と、実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より小さければ放電開始電圧をレベルアップするように更新する過程（ＳＴ−１２）と、放電モード時において実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より小さいか同じ場合に、実際充電開始作動電圧を自動レベル充電制限電圧に設定する過程（ＳＴ−２０）と、実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より大きければ放電開始電圧をレベルダウンするように更新する過程（ＳＴ−１９）とを有する。

結果的には、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムは、自動チューニングアルゴリズムを適用して、充電・放電の回数を増加させて、エネルギー貯蔵システムの効率を極大化することができる。

−自動チューニング技法適用前充放電アルゴリズム
自動チューニング技法適用前充放電アルゴリズムでは、無負荷時に架線電源が１６２５[Ｖ]に一定であるとの仮定下、充放電開始電圧、維持電圧、リセット電圧を固定値に設定した。設定値は、架線電源を測定して車両が逆行時に回生時架線電源を測定して、平均的に充放電をスムーズに行える値に設定した。設定値は以下の値によって決定される。

〔充電時〕
充電開始電圧：（無負荷時架線電源＋３０）［Ｖ］＝１６５５［Ｖ］
充電リセット電圧：（無負荷時架線電源＋１５）［Ｖ］＝１６４０［Ｖ］
充電維持電圧：（無負荷時架線電源＋２０）［Ｖ］＝１６４５［Ｖ］
〔放電時〕
放電開始電圧：（無負荷時架線電源−９）［Ｖ］＝１６１６［Ｖ］
放電リセット電圧：（無負荷時架線電源−０）［Ｖ］＝１６２５［Ｖ］
放電維持電圧：（無負荷時架線電源−５）［Ｖ］＝１６２０［Ｖ］

−自動チューニング技法適用時アルゴリズム
自動チューニング技法アルゴリズムでは、充放電時におけるセッティング値の計算は、自動チューニング技法適用前と同じアルゴリズムを使うが、無負荷時架線電源を探して変動適用する方法にその差がある。しかしながら、車両運行時間帯に無負荷時電源をプロセッサーが自ら探して認識することは非常に困難である。現在適用された自動チューニング技法で無負荷時に電源を探す方法では、例えば、初期無負荷時電源を１６２５［Ｖ］に定義して、エネルギー貯蔵装置が過充電状態で一定時間放電を行うことができなければ無負荷時電源を２０［ｓ］に４［Ｖ］ずつ増加させて少ない逆行エネルギーに対しも放電を行えるようにし、同様に過放電状態では一定時間充電を行うことができなければ２０［ｓ］に５［Ｖ］ずつ減少させて少ない回生でも充電を行うようにした。仮に、無負荷時電源が非常に高く設定されたりあるいは非常に低く設定されると過放電状態でも過充電状態になり、設定値は充放電を行う間に無負荷時架線の電源を探すようになる。

実際に、試験で無負荷時電源を探すために充放電を最大２回チューニング作業で推定することを確認した。また、自動チューニング技法適用後、充放電回数が一日平均約６００回程度増加し、同一電流制限値を適用した場合、スーパーキャパシターで供給する電力が約１．５倍以上増加することを確認した。

〔充電時〕
充電開始電圧：（無負荷時架線電源＋３０）［Ｖ］＝１６５５［Ｖ］
充電リセット電圧：（無負荷時架線電源＋１５）［Ｖ］＝１６４０［Ｖ］
充電維持電圧：（無負荷時架線電源＋２０）［Ｖ］＝１６４５［Ｖ］
放電時
放電開始電圧：（無負荷時架線電源−９）［Ｖ］＝１６１６［Ｖ］
放電リセット電圧：（無負荷時架線電源−０）［Ｖ］＝１６２５［Ｖ］
放電維持電圧：（無負荷時架線電源−５）［Ｖ］＝１６２０［Ｖ］

下記に示す表２は、本発明の実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの充電・放電条件およびスーパーキャパシターの充電・放電制限容量の一例を示しており、スーパーキャパシターに流せる電流は２００［Ａ］に制限したものである。

図６は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング未適用時の過放電状態を示した動作試験図である。

図６を参照すると、自動レベルチューニング未適用時にエネルギー貯蔵システムの充電・放電波形で架線電圧が全体的に低く、スーパーキャパシター側では過放電領域で動作するようになる。拡大した波形から分かるようにスーパーキャパシターの過放電レベル（４５０［Ｖ］）に到達後から架線電圧が放電開始電圧の１６１５［Ｖ］となっても放電を行うことができずにいる。これは、架線電圧のＮｏｒｍａｌ電圧が低くなった状態で動作している時に起こる。

図７は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング未適用時に過充電状態を示した動作試験図である。

図７を参照すると、自動レベルチューニング未適用時エネルギー貯蔵システムの充電・放電波形で架線電圧が全体的に高く、スーパーキャパシター側では過充電領域で動作するようになる。拡大した波形から分かるように、架線電圧が充電開始電圧の１６６０［Ｖ］以上になる瞬間充電が始まる。

しかし、架線のＮｏｒｍａｌ電圧が高まった状態であるため。スーパーキャパシターの過充電レベル（１０５０［Ｖ］）に到達後から車両の逆行時にも架線電圧が放電開始電圧の１６１５［Ｖ］以下にならず放電することができない現象が生じる。したがって、車両運行および変電所出力変動に応じた架線電圧が、放電開始電圧以下になる前までは回生電力が発生してもこれを充電できないことが分かる。

図８は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニングを適用した状態を示す試験図である。

図８を参照すると、図８は、充電・放電自動レベルチューニング制御アルゴリズムを適用した波形である。拡大した波形からわかるように車両運行および変電所出力変動によりスーパーキャパシターの過放電状態で一定時間充電動作が行われない場合、架線のＮｏｒｍａｌ電圧が低くなったと判断して、充電開始電圧を段階別に上昇させて充電を開始するようになる。

また、過充電状態で一定時間放電動作が行われない場合、架線のＮｏｒｍａｌ電圧が高まったと判断して、放電開始電圧を段階別に上昇させて放電を開始するようになる。

本発明の実施形態に係る鉄道車両のエネルギー貯蔵システムは、電車運行時に発生する回生エネルギーリサイクルを介して、原油高時代に都市鉄道運営機関の電力費節減を向上して、電車変電所設備および架線電源の安定化、ピーク電力の低減およびＣＯ_２排出ガス低減などの効果が期待できるシステムである。

本発明の実施形態では、直流都市鉄道の回生エネルギーを効率的に使って、架線電圧の安定化を具現できる双方向ＤＣ−ＤＣコンバーターで最適のエネルギー節減量効果が得られる充電・放電ＡｕｔｏＬｅｖｅｌＴｕｎｉｎｇアルゴリズムを提案し、実際の直流都市鉄道システムの大田（テジョン）都市鉄道１号線変転システムに適用して提案された技法の性能は、試験を介してその効果を分析して立証された。

また、新再生エネルギーを主要エネルギー源として使うスマートグリッドまたはマイクログリッドに適用するエネルギー貯蔵システムに、本アルゴリズムを適用および応用して、新再生エネルギー源である風力発電および太陽光発電の不安定な電源をリアルタイムで追従して、エネルギーを充電および放電することによってエネルギー効率を極大化できると期待される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０充電部
２０フィルター部
３０双方向ＤＣ／ＤＣコンバーター
４０ＤＣ／ＤＣフィルター
５０貯蔵部
６０制御部
７０電流検出部
８０電圧検出部
９０スーパーキャパシターモニターリング部

Claims

鉄道車両のエネルギー貯蔵装置が駆動開始される第１過程と、
スーパーキャパシターの初期充電が完了して電力モードが作動する第２過程と、
充電モードまたは放電モードの中のいずれか一つのモードが選択され、電力充電モードまたは放電モードが開始される第３過程と、
前記スーパーキャパシターの充電電圧または放電電圧と、充電制限電圧または放電制限電圧との比較結果に基づいて、エネルギー貯蔵装置の作動が停止する第４過程と、
充電モードと放電モードとのスイッチング条件が満たされるか否かを判断する第５過程と、
充電モードと放電モードとのスイッチング条件が満たされる場合に、モードを変更する第６過程と、
充電モードと放電モードとのスイッチング条件が満たされない場合に、充電モード時における、前記第４過程において前記エネルギー貯蔵装置の作動が停止したときの実際の電圧である実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より大きいか同じかを判断し、放電モード時における、前記第４過程において前記エネルギー貯蔵装置の作動が停止したときの実際の電圧である実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より小さいか同じかを判断する第７過程と、
充電モード時における前記実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より大きいか同じ場合に、前記実際放電開始電圧を自動レベル放電制限電圧に設定し、前記実際放電開始電圧が自動レベル放電制限電圧より小さい場合に、放電開始電圧をレベルアップするように更新し、放電モード時における前記実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より小さいか同じ場合に、前記実際充電開始電圧を自動レベル充電制限電圧に設定し、前記実際充電開始電圧が自動レベル充電制限電圧より大きい場合に、放電開始電圧をレベルダウンするように更新する第８過程と、
を有することを特徴とする、鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法。
前記第３過程は、
給電電圧が充電開始電圧より小さく、かつ、給電電圧が放電開始電圧より大きい場合に、エネルギー貯蔵装置の作動を停止させる過程と、
給電電圧が充電開始電圧より大きいか否かを判断する過程と、
給電電圧が充電開始電圧より大きい場合に、電力モード充電を開始する過程と、
給電電圧が放電開始電圧より大きいか否かを判断する過程と、
給電電圧が放電開始電圧より小さい場合に、電力モード放電を開始する過程と、
を有し、
いずれか一つのモードが選択されることを特徴とする、請求項１に記載の鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法。
前記第４過程は、
スーパーキャパシターの充電電圧または放電電圧が、充電制限電圧または放電制限電圧より大きくなるか否かを判断する過程と、
スーパーキャパシターの充電電圧または放電電圧が、充電制限電圧または放電制限電圧より大きくなる場合に、システム充電またはシステム放電を遮断する過程と、
を有することを特徴とする、請求項１に記載の鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法。
前記第５過程は、
充電モード時における、前記第４過程において前記エネルギー貯蔵装置の作動が停止してからの時間である放電開始作動時間が、１０秒より大きい場合に、放電モードに変換し、
放電モード時における、前記第４過程において前記エネルギー貯蔵装置の作動が停止してからの時間である充電開始作動時間が、１０秒より大きい場合に、充電モードに変換することを特徴とする、請求項１に記載の鉄道車両のエネルギー貯蔵システム基盤自動チューニング方法。