JP5905166B2 - 電気車制御システムおよび電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気車制御システムおよび電力変換装置に関するものである。
一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用してインバータ装置等の電力変換装置で交流回転機(交流モーター)を駆動して走行する構成としている。車両にブレーキをかけるときは、交流回転機を回生運転してブレーキ力を得るいわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条等を介して、自列車付近に存在する他の力行列車などの負荷へ供給され、そこで消費されることになる。
しかしながら、早朝、夜間、列車の運行本数の少ない閑散線区などでは、自列車付近に他の列車が存在しない(回生負荷が不足する)場合が発生し、回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されない場合が存在する。他の列車で消費される電力よりも自列車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせたり破損させたりする恐れがある。
従って、電気車に搭載されるインバータ装置は、架線電圧(または架線電圧に相当する電圧、たとえば、インバータ装置の入力側のフィルタコンデンサ電圧)を電圧検出器で検出し、架線電圧等(架線電圧、フィルタコンデンサ電圧など)が上昇して所定値を超過した場合には回生ブレーキ力を減少させ、回生電力を低下させる制御を行い、電圧上昇を防いでいる。この場合、回生ブレーキだけでは不足するブレーキ力を他のブレーキ(空気ブレーキなど)を併用して補うが、他のブレーキでは電気ネルギーを熱エネルギーに変換して消費するため、電力の利用効率が低下する。よって、可能な限り回生ブレーキ力の使用割合を高めることが望ましい。
上記のような課題に対し、特許文献1に記載の発明では、回生電力を電力貯蔵装置に一旦貯蔵し、力行時や惰行時に負荷で消費させることにより回生電力の有効利用を実現している。
特開2006−325316号公報
しかしながら、特許文献1に記載の発明では、電力貯蔵装置などを新たに備える必要があり、コストアップが避けられないという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力貯蔵装置などの新たな機器を利用することなく回生電力の有効利用を実現可能な電気車制御システムおよび電力変換装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の電気車により編成された列車において、各電気車における電力消費量を制御する電気車制御システムであって、列車が力行する場合、架線から供給された電力を変換して交流回転機の駆動電力を生成し、列車が回生ブレーキを使用する場合、交流回転機で発電された回生電力を変換して架線に戻すとともに軽負荷回生状態か否かを判定する複数の電力変換装置と、少なくとも1台の電力変換装置が軽負荷回生状態の場合に動作モードを変更する複数の電力消費機器と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、コストアップを回避しつつ、回生電力の有効利用が可能な電気車制御システムを実現できる、という効果を奏する。
図1は、実施の形態1にかかる電気車制御システムが搭載された列車の編成の一例を示す図である。 図2は、電力変換装置の構成例を示す図である。 図3は、実施の形態1の軽負荷回生判別部の構成例を示す図である。 図4は、コンプレッサーの動作例を示すフローチャートである。 図5は、実施の形態1の電気車制御システムの動作例を示す図である。 図6は、実施の形態1の電気車制御システムの他の動作例を示す図である。 図7は、実施の形態2の軽負荷回生判別部の構成例を示す図である。
以下に、本発明にかかる電気車制御システムおよび電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかる電気車制御システムが搭載された列車の編成の一例を示す図である。図1に示した列車は、複数の車両1(車両11,12,13,14,…,1n)により構成されている。列車の走行時には、車両11および1nのうちの一方が先頭車両となり、他方が後尾車両となる。
編成の両端に位置している車両11および1nには、各種列車情報を管理する中央装置2が搭載されている。中間車両である車両12,13,…,1n-1には、それぞれ、端末装置3が搭載されている。中央装置2と端末装置3は車両間にわたって配設された基幹伝送路(車両間伝送路)6を介して互いに通信可能に接続されている。
図1に例示した列車において、車両12は、例えばVVVF(可変電圧可変周波数)インバータである電力変換装置(VVVF)4を備える。車両13および14は、電力変換装置4およびコンプレッサー(CP)5をそれぞれ備える。電力変換装置4は、列車が力行する場合には架線から供給された電力を交流回転機(図示せず)の駆動電力に変換する。また、列車を制動する場合には回生ブレーキとして動作する交流回転機で発電された電力を逆変換して架線に戻す。コンプレッサー5は、図示を省略した空気ブレーキおよび空気タンクとともに空気ブレーキシステムを構成し、空気タンクに貯留させる圧縮空気を生成する。なお、中央装置2や端末装置3には、図示を省略したその他の列車搭載機器、具体的には、ブレーキ装置、空調装置、照明装置、表示装置なども接続されている。中央装置2は、電力変換装置4やコンプレッサー5を含む各種列車搭載機器から情報を収集して管理するとともに、各種列車搭載機器に対して動作指示などを行う。収集する情報は、例えば、各機器の動作状態の情報である。動作指示では、例えば、空調装置に対して目標温度の変更を指示する。
図2は、電力変換装置4の構成例を示す図である。一例として、車両13に搭載された電力変換装置4を示している。他の車両に搭載された電力変換装置4の構成も同様である。図2では、電力変換装置4の動作に関連する他の機器も併せて記載している。
図2に示したように、電力変換装置4は、インバータ制御部41、インバータ42および電圧検出器43を含んで構成されている。インバータ42は複数のスイッチング素子により構成されている。図2に示した車両13には、電力変換装置4の他に、パンタグラフ10、フィルタリアクトル20、フィルタコンデンサ30、交流回転機50、補助電源(SIV)60およびコンプレッサー5が搭載されている。なお、図1に示した端末装置3については記載を省略している。
電力変換装置4は、列車が力行する場合には、パンタグラフ10を介して架線100から印加され、フィルタリアクトル20およびフィルタコンデンサ30で平滑化された直流電圧を変換して交流回転機50の駆動電力を生成する。具体的には、インバータ制御部41が、電圧検出器43で検出されたフィルタコンデンサ30の両端電圧(入力電圧に相当)に基づいて、インバータ42の各スイッチング素子を制御し、交流回転機50の駆動電力を生成させる。また、列車が制動する場合には、交流回転機50とともに回生ブレーキとして動作する。すなわち、電力変換装置4においては、インバータ制御部41が、発電機として動作する交流回転機50で発電された電力を架線100に回生する直流電圧に変換するよう、インバータ42の各スイッチング素子を制御する。このとき、インバータ制御部41は、架線100への回生電力を消費する負荷(他の列車など)が存在するか否かを判定し、負荷が存在しない(または少ない)状態である軽負荷回生状態と判断した場合、コンプレッサー5に対して、電力消費量を増加させるよう指示する信号を出力する。これにより、自列車内で消費する電力が増加するため、回生ブレーキのブレーキ力が低下するのを回避できるとともに回生電力を効率的に利用できる。なお、本明細書では、回生ブレーキ使用時に発電される全ての回生電力を他の列車等の負荷で消費しきれない状態のことを軽負荷回生状態と呼ぶ。軽負荷回生状態では電力の利用効率が低下するため、軽負荷回生状態となるのを回避できることが望ましい。インバータ制御部41は、軽負荷回生状態を検知した場合、自車両のコンプレッサー5に加えて、他の車両に搭載されているコンプレッサー5に対しても電力消費量を増加させるよう指示する信号を出力する。
インバータ制御部41は、例えば、図3に示した構成の軽負荷回生判別部411を備え、この軽負荷回生判別部411によって軽負荷回生状態を検知する。図3に示した軽負荷回生判別部411は、演算器411Aおよび411Bと、比較器411Cとにより構成されている。演算器411Aには、電圧検出器43で検出されたフィルタコンデンサ電圧と、回生ブレーキ力の絞り込みが必要となる電圧の下限値である絞り込み開始電圧とが入力され、演算器411Aは、フィルタコンデンサ電圧から絞込み開始電圧を減算する。演算器411Bは、演算器411Aでの演算結果(フィルタコンデンサ電圧と絞り込み開始電圧の差分)に対して係数k(>0)を乗算することにより回生トルク絞込み量を算出する。回生トルク絞込み量は、外部に出力されるとともに比較器411Cに入力される。比較器411Cは、回生トルク絞込み量と軽負荷判定値とを比較し、「回生トルク絞込み量>軽負荷判定値」の場合には軽負荷回生状態と判断する。判断結果は軽負荷回生状態信号として出力される。例えば、軽負荷回生状態の場合に軽負荷回生状態信号の出力をHレベル(ハイレベル)とする。この軽負荷回生状態信号は、図1に示す構成にて、コンプレッサー5などの他の電力消費機器へ伝送される。この信号は、接点による伝達や、伝送等を経由する。例えば、車両情報伝送装置としての端末装置が既設されている場合は、これを用いる事で、新たに構成機器を追加する必要が無い。軽負荷回生状態信号は、自車両および他の車両に搭載された電力消費機器に伝送される。
なお、インバータ制御部41は、回生トルク絞込み量に基づいてインバータ42を制御する。フィルタコンデンサ電圧が絞り込み開始電圧を超えると「0<回生トルク絞込み量」となり、インバータ制御部41は、インバータ42を制御して回生ブレーキ力を絞り込む(回生ブレーキ力を弱める)。「回生トルク絞込み量≦0」の場合、回生ブレーキ力の絞込みは行わない。
図2の説明に戻り、補助電源60は、パンタグラフ10を介して架線100から印加され、フィルタリアクトル20およびフィルタコンデンサ30で平滑化された直流電圧を変換してコンプレッサー5の駆動電力を生成する。なお、補助電源60から出力される電力は、コンプレッサー5以外の列車搭載機器(照明装置、空調装置、他)に対しても供給される。
コンプレッサー5は、図示を省略した空気ブレーキシステムの空気タンクに貯留されている空気の残量(空気圧)を監視し、空気の残量が所定のしきい値(第1のしきい値)以下になると(例えば残量が60%以下になると)、貯留させる圧縮空気の生成を開始する。圧縮空気の生成動作は、空気残量が第2のしきい値(ただし、第1のしきい値<第2のしきい値)に達すると終了する。また、コンプレッサー5には、自車両に搭載されている電力変換装置4および他の車両搭載されている電力変換装置4から、軽負荷回生状態信号が入力されている。コンプレッサー5は、複数の電力変換装置4からそれぞれ入力されている軽負荷回生状態信号のうち、少なくとも1が軽負荷回生状態を示している場合、消費電力の大きい動作モードに切り替える。例えば、圧縮空気の生成を開始するしきい値(第1のしきい値)を変更し、圧縮空気の生成開始タイミングを早める。すなわち、第1のしきい値をそれまでよりも高い値に変更する。第2のしきい値をより高い値に変更しても問題ない場合には、第1のしきい値に加えて第2のしきい値も高い値に変更して動作停止タイミングを遅らせるようにしてもよい。
図4は、コンプレッサー5の動作例を示すフローチャートである。コンプレッサー5は、圧縮動作(圧縮空気の生成動作)を実行していない状態において、軽負荷回生状態を検知した電力変換装置4の有無を確認する(ステップS11)。すなわち、列車内の各電力変換装置4からそれぞれ入力される軽負荷回生状態信号の中に軽負荷回生状態を示すものがあるかどうかを監視し、軽負荷回生状態を示すものがない場合(ステップS11:No)、空気残量を示す空気圧Pが第1の動作開始しきい値TH1A未満かどうかを確認する(ステップS12)。TH1A≦Pの場合(ステップS12:No)、ステップS11に戻って各軽負荷回生状態信号を確認する。P<TH1Aの場合(ステップS12:Yes)、圧縮動作を開始する(ステップS14)。これに対して、入力される複数の軽負荷回生状態信号の中に軽負荷回生状態を示すものがある場合(ステップS11:Yes)、空気圧Pが第2の動作開始しきい値TH1B未満かどうかを確認する(ステップS13)。ただし、TH1A<TH1Bとする。すなわち、軽負荷回生状態の電力変換装置4が存在する場合は、そうでない場合よりも高い動作開始しきい値(第2の動作開始しきい値)を使用する。TH1B≦Pの場合(ステップS13:No)、ステップS11に戻って各軽負荷回生状態信号を確認する。P<TH1Bの場合(ステップS13:Yes)、圧縮動作を開始する(ステップS14)。
コンプレッサー5は、ステップS14で圧縮動作を開始した後、空気圧Pが動作停止しきい値TH2を超えたかどうかを確認する(ステップS15)。P≦TH2の場合(ステップS15:No)、圧縮動作を継続する。TH2<Pの場合(ステップS15:Yes)、圧縮動作を停止し(ステップS16)、ステップS11に戻って軽負荷回生状態信号を確認する。
このように、コンプレッサー5は、軽負荷回生状態を検知した電力変換装置4が存在する場合には、通常時(軽負荷回生状態を検知した電力変換装置4が存在しない場合)よりも高いしきい値を使用して圧縮動作を開始するか否かを判断する。そのため、軽負荷回生状態を検知した電力変換装置4が存在する場合には、圧縮動作の開始タイミングが早まり、自車両内で消費する電力が増加する。
図5は、本実施の形態の電気車制御システムの動作例を示す図であり、図2に示したフィルタコンデンサ30の両端の電圧であるフィルタコンデンサ電圧、回生トルクパターン、軽負荷回生状態信号、電力消費機器の動作タイミングの時間軸上における相互関係を示している。回生電力を消費する負荷が少ない軽負荷状態においては、回生ブレーキ使用により回生電力が発生するとフィルタコンデンサ電圧が上昇する。そして、図5に示したように、フィルタコンデンサ電力が軽負荷回生動作開始電圧よりも大きくなると、回生トルクパターンを絞り込む。フィルタコンデンサ電圧が上昇して回生トルクパターンの絞込みが発生すると、インバータ制御部41が備えている軽負荷回生判別部411(図3参照)の動きによって、軽負荷回生状態信号を“H”とする。コンプレッサー5などの他の電力消費機器は、軽負荷回生状態信号が“H”となっている場合、消費電力が大きくなるよう、動作モードを変更する。例えば、コンプレッサー5は、図4を用いて説明したように、それまで使用していたものとは異なる動作開始しきい値、すなわち、それまでよりも早いタイミングで圧縮動作が開始となる動作開始しきい値を使用する。これにより、従来では稼動しなかった動作タイミングで稼動する。早いタイミングで動作を開始することにより、回生ブレーキによる電力エネルギーの一部は、コンプレッサー5などの電力消費機器で使用され、回生負荷が確保される事となる。その結果、フィルタコンデンサ電圧が低下し、これに伴って回生トルクパターンの絞込み量が低減する。
回生トルクパターンの絞込み量が低減すると、空気ブレーキの補足量が低下する事となり、結果として回生ブレーキの負担が増大し、車両全体で見て省エネ効果を高めることが可能となる。
また、空気ブレーキシステムのコンプレッサーのような機械動作を伴う機器は、動作開始指令を与えてから、実際の動作開始までに時間を要する。そのため、図6に示すように、軽負荷回生動作開始電圧よりも低い電圧として軽負荷予測電圧を設定しておき、フィルタコンデンサ電圧が軽負荷予測電圧よりも大きくなった時点で軽負荷回生状態信号を“H”とするようにしてもよい。これにより、実際の回生トルクパターンの絞込み開始の前に、軽負荷回生状態信号を出力することが可能となる。その結果、電力消費機器の動作タイミングを早める事が可能となり、回生トルクパターンの絞込み量をより少なくできるメリットがある。
このように、本実施の形態の電気車制御システムにおいて、電力変換装置4は、軽負荷判定状態を検知した場合、その旨を自列車内の電力消費機器へ通知し、電力消費機器における消費電力を増加させることとした。これにより、回生ブレーキ力の使用割合を高めることができ、回生電力の有効利用を実現できる。また、電力貯蔵装置などの新たな機器を必要としないのでコストアップを回避できる。また、電力変換装置4は、軽負荷回生状態であることを列車内の全ての電力消費機器へ通知するため、消費電力を増加できる状態の機器が自車両内に存在しない場合でも他の車両の機器で消費電力を増加できる可能性が高まる。例えば、自車両の空気タンクの空気残量が多く、コンプレッサーを駆動できない状態でも、他の車両の空気タンクの空気残量が少なければ、他の車両のコンプレッサーを駆動させて電力を消費させることができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、列車内に複数搭載されている電力変換装置4のそれぞれのインバータ制御部41が軽負荷回生状態信号を生成し、列車内の電力消費機器に対して出力することとした。また、各電力消費機器は、軽負荷回生状態を検知した電力変換装置4が存在する場合に、動作開始しきい値を変更するなどして消費電力を増加させることとした。
しかし、軽負荷回生状態か否かの判別を電力変換装置4が個別に行うのではなく、例えば、中央装置2が一括して行うようにしてもよい。この場合、中央装置2は、例えば、図7に示した構成の軽負荷回生判別部70を備え、軽負荷回生判別部70が軽負荷回生状態の電力変換装置4か否かの判別を行う。
本実施の形態の電気車制御システムにおける軽負荷回生状態判別動作を説明する。
本実施の形態の電気車制御システムにおいて、列車内の各電力変換装置4は、フィルタコンデンサ30の両端電圧の検出値をフィルタコンデンサ電圧として中央装置2へ通知する。中央装置2へ通知された各フィルタコンデンサ電圧は軽負荷回生判別部70へ入力される。軽負荷回生判別部70の複数の比較器70Aの各々は、入力されたフィルタコンデンサ電圧と軽負荷判定値を比較し、比較結果をOR演算器70Bへ出力する。具体的には、比較器70は、フィルタコンデンサ電圧が軽負荷判定値よりも大きい状態のとき“H”を出力し、そうでなければ“L”を出力する。OR演算器70Bは、各比較器70Aにおける比較結果をOR演算し、その結果を軽負荷回生状態信号として出力する。軽負荷回生状態信号はコンプレッサー5などの電力消費機器へ入力され、電力消費機器は、軽負荷回生状態信号が“H”の場合、すなわち、各電力変換装置4で検出されたフィルタコンデンサ電圧の中の1つ以上が軽負荷判定値よりも大きい場合、消費電力が増加するように動作する。
このように、本実施の形態においては、軽負荷回生状態か否かの判別を中央装置2で行うこととした。本実施の形態を適用した場合にも実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、判別用の回路を集約できるのでコストの上昇を抑えることができる。
各実施の形態では、空気ブレーキシステムの空気タンクへ貯蔵する圧縮空気を生成する動作をコンプレッサーに実行させて回生電力の消費量を増加させる場合について説明したが、コンプレッサーに代えて他の装置を動作させる、または、コンプレッサーに加えて他の装置も動作させるようにしても構わない。他の装置の一例としては空調装置が考えられる。空調装置を利用して回生電力の消費量を増加させることも可能、例えば、軽負荷回生状態が検知された時点で冷房が使用されていれば空調装置の設定温度(目標温度)を一時的に下げ、暖房が使用されていれば設定温度を一時的に上げるようにして電力消費量を増加させる。
以上のように、本発明にかかる電気車制御システムは、回生ブレーキを使用する電気車により編成された列車を運行させる鉄道システムに有用である。
1,12,13,14,… 車両、2 中央装置、3 端末装置、4 電力変換装置(VVVF)、5 コンプレッサー(CP)、10 パンタグラフ、20 フィルタリアクトル、30 フィルタコンデンサ、41 インバータ制御部、42 インバータ、43 電圧検出器、50 交流回転機、60 補助電源(SIV)、70,411 軽負荷回生判別部、100 架線、70B,411A,411B 演算器、70A,411C 比較器。

Claims (4)

  1. 複数の電気車により編成された列車において、各電気車における電力消費量を制御する電気車制御システムであって、
    列車が力行する場合、架線から供給された電力を変換して交流回転機の駆動電力を生成し、列車が回生ブレーキを使用する場合、交流回転機で発電された回生電力を変換して架線に戻す複数の電力変換装置と、
    前記電力変換装置の入力電圧が軽負荷回生動作開始電圧よりも低い電圧である軽負荷予測電圧よりも大きくなった時点で軽負荷回生状態信号を出力する軽負荷回生判別部と、
    前記軽負荷回生状態信号が出力された場合に動作モードを変更する複数の電力消費機器と、
    を備え
    前記電力消費機器は、空気ブレーキシステムの空気タンクに貯留されている空気の残量が所定のしきい値を下回ると空気タンクに貯留する圧縮空気を生成するコンプレッサーを含み、
    前記コンプレッサーは、前記軽負荷回生状態信号が出力された場合、前記しきい値を通常よりも高い値に変更する、
    ことを特徴とする電気車制御システム。
  2. 複数の電気車により編成された列車において、各電気車における電力消費量を制御する電気車制御システムであって、
    列車が力行する場合、架線から供給された電力を変換して交流回転機の駆動電力を生成し、列車が回生ブレーキを使用する場合、交流回転機で発電された回生電力を変換して架線に戻す複数の電力変換装置と、
    前記電力変換装置の入力電圧が軽負荷回生動作開始電圧よりも低い電圧である軽負荷予測電圧よりも大きくなった時点で軽負荷回生状態信号を出力する軽負荷回生判別部と、
    前記軽負荷回生状態信号が出力された場合に動作モードを変更する複数の電力消費機器と、
    を備え、
    前記電力消費機器は、空調装置を含み、
    前記空調装置は、前記軽負荷回生状態信号が出力された場合、冷房運転中であれば目標温度をそれまでよりも低い値に変更し、暖房運転中であれば目標温度をそれまでよりも高い値に変更する、
    ことを特徴とする電気車制御システム。
  3. 複数の電気車により編成された列車において、各電気車における電力消費量を制御する電気車制御システムであって、
    列車が力行する場合、架線から供給された電力を変換して交流回転機の駆動電力を生成し、列車が回生ブレーキを使用する場合、交流回転機で発電された回生電力を変換して架線に戻す複数の電力変換装置と、
    前記電力変換装置の入力電圧が軽負荷回生動作開始電圧よりも低い電圧である軽負荷予測電圧よりも大きくなった時点で軽負荷回生状態信号を出力する中央装置と、
    前記中央装置から前記軽負荷回生状態信号が出力された場合に動作モードを変更する複数の電力消費機器と、
    を備え
    前記電力消費機器は、空気ブレーキシステムの空気タンクに貯留されている空気の残量が所定のしきい値を下回ると空気タンクに貯留する圧縮空気を生成するコンプレッサーを含み、
    前記コンプレッサーは、前記中央装置から前記軽負荷回生状態信号が出力された場合、前記しきい値を通常よりも高い値に変更する、
    ことを特徴とする電気車制御システム。
  4. 複数の電気車により編成された列車において、各電気車における電力消費量を制御する電気車制御システムであって、
    列車が力行する場合、架線から供給された電力を変換して交流回転機の駆動電力を生成し、列車が回生ブレーキを使用する場合、交流回転機で発電された回生電力を変換して架線に戻す複数の電力変換装置と、
    前記電力変換装置の入力電圧が軽負荷回生動作開始電圧よりも低い電圧である軽負荷予測電圧よりも大きくなった時点で軽負荷回生状態信号を出力する中央装置と、
    前記中央装置から前記軽負荷回生状態信号が出力された場合に動作モードを変更する複数の電力消費機器と、
    を備え、
    前記電力消費機器は、空調装置を含み、
    前記空調装置は、前記中央装置から前記軽負荷回生状態信号が出力された場合、冷房運転中であれば目標温度をそれまでよりも低い値に変更し、暖房運転中であれば目標温度をそれまでよりも高い値に変更する、
    ことを特徴とする電気車制御システム。
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