JP5947176B2 - 電気車用電源システム及び電力供給制御方法 - Google Patents
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Description
架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及びバッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリ(例えば、図1のバッテリ60A)の出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システム(例えば、図1の電源システム1A)であって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部(例えば、図1の主回路側コンバータ31A)及び第1インバータ部(例えば、図1のインバータ32A)を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路(例えば、図1の主変換回路30A)と、
前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部(例えば、図1の補機側コンバータ41A)及び第2インバータ部(例えば、図1の静止形インバータ42A)を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路(例えば、図1の補機用変換回路40A)と、
制御装置(例えば、図1の制御部70A)と、
を備え、
前記バッテリは、前記主変換回路の直流リンク部に接続され、
前記制御装置は、
前記第1コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記第1コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第2コンバータ部に印加するように前記第1コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システムである。
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記主変換回路の直流リンク部に接続されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記第1コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記第1コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第2コンバータ部に印加するように前記第1コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法を構成しても良い。
前記制御装置は、電気車の停止時に、前記架線からの交流電力をもとに前記第1コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる急速充電制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及びバッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリ(例えば、図10のバッテリ60B)の出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システム(例えば、図10の電源システム1B)であって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部(例えば、図10の主回路側コンバータ31B)及び第1インバータ部(例えば、図10のインバータ32B)を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路(例えば、図10の主変換回路30B)と、
前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部(例えば、図10の補機側コンバータ41B)及び第2インバータ部(例えば、図10の静止形インバータ42B)を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路(例えば、図10の補機用変換回路40B)と、
制御装置(例えば、図10の制御部70B)と、
を備え、
前記バッテリは、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続され、
前記制御装置は、
前記第2コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記第2コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるように前記第2コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システムである。
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記第2コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記第2コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるように前記第2コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法を構成しても良い。
前記制御装置は、電気車の停止時に、前記架線からの交流電力をもとに前記第2コンバータ部に、補機への供給電力に加えて、前記バッテリへの充電電力を供給させる急速充電制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
前記バッテリは、前記架線モード時に前記直流リンク部に供給されている電力で充電可能に構成されている、
電気車用電源システムを構成しても良い。
前記バッテリと前記直流リンク部とを接続する遮断器(例えば、図1,図10の高速度遮断器BHB)を更に備え、
前記架線モード切替手段は、前記架線モードへの切り替えに際して、前記遮断器を開放することで前記架線からの交流電力をもとに走行する純架線モードとし、前記遮断器を投入することで前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行するハイブリッド架線モードとし、
前記バッテリモード切替手段は、前記遮断器を投入して前記バッテリモードに切り替える、
記載の電気車用電源システムを構成しても良い。
<構成>
図1は、第1実施形態における電源システム1Aの回路構成図である。図1によれば、電源システム1Aは、真空遮断器VCBと、主変圧器20と、主変換回路30Aと、補機用変換回路40Aと、バッテリ60Aと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、制御部70Aとを備えて構成される。
電源システム1Aにおける走行モードを説明する。走行モードには、「架線モード」及び「バッテリモード」の2種類がある。
架線モードは、架線から供給される交流電力(単相20000V)、或いは、架線からの交流電力及びバッテリの出力電力の両方によって主電動機4を駆動して走行するモードである。
バッテリモードは、バッテリ60Aの蓄積電力によって主電動機4を駆動して走行するモードである。
続いて、架線の供給電力によってバッテリ60Aを急速充電する場合を説明する。この急速充電は、例えば所定の充電駅(充電可能な駅)の停車中に行われる。
次に、これらの走行モードの切り替えの際の制御手順を説明する。この制御は、制御部70Aによってなされる。
図5は、停車中から架線モードで起動する際の制御手順である。但し、停車中であるため、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、高速度遮断器BHBは、開放されている。そして、主回路側コンバータ31A、及び、補機側コンバータ41Aは、ともに動作停止している。
図6は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32Aを停止させる(ステップB1)。次いで、架線モードにおいてバッテリ60Aが併用されているか否か(ハイブリッド架線モードであるか純架線モードであるか)を判断し、併用されていない純架線モードであるならば(ステップB3:NO)、主回路側コンバータ31Aを、変調率制御によって、出力電圧がバッテリ電圧に等しい「直流1500V」となるように、動作変更させる(ステップB5)。そして、高速度遮断器BHBを投入する(ステップB7)。これにより、バッテリ60Aから放電される直流電圧(1500V)が、主変換回路30Aの直流リンク部に供給される。また、架線モードがバッテリ60Aを併用しているハイブリッド架線モードであるならば(ステップB3:YES)、ステップB5,B7をスキップする。
図7は、バッテリモードから架線モードへ切り替える場合の制御手順である。まず、インバータ32Aを停止させる(ステップC1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させた後(ステップC3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップC5)。そして、主回路側コンバータ31Aを、変調率制御によって、出力電圧が「直流1500V」となるように、位相同期整流動作に変更する(ステップC7)。
図8は、バッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、停車中であるため、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、高速度遮断器BHBは、開放されている。そして、主回路側コンバータ31A、及び、補機側コンバータ41A、インバータ32Aは、ともに動作停止している。
図9は、停車中にバッテリ60Aを急速充電する際の制御手順である。但し、直前の走行モードが「バッテリモード」であるとする。すなわち、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、高速度遮断器BHBは投入されている。そして、主回路側コンバータ31Aは、CVCFインバータ動作し、補機側コンバータ41Aは、位相同期整流動作している。
このように、第1実施形態の電源システム1Aは、主電動機に駆動電力を供給する主変換回路30Aと、補機に電力を供給する補機用変換回路40Aとを備えるとともに、主変換回路30Aの直流リンク部(主回路側コンバータ31Aとインバータ32Aとの間)に、高速度遮断器BHBを介してバッテリ60Aが接続されて構成される。これにより、架線からの供給電力(交流電力)のみ、或いは、架線の供給電力及びバッテリ60Aの出力電力の両方によって主電動機4を駆動して走行する架線モードと、バッテリ60Aの蓄電電力(直流電力)のみによって主電動機4を駆動して走行するバッテリモードとの切り替えが可能となる。架線モードでは、交流区間を走行する電気車の架線・バッテリハイブリッド化が実現される。
なお、第1実施形態において、バッテリ60Aを、定格電圧が「1800V」のバッテリで構成しても良い。この場合、高速度遮断器BHBの投入/開放、すなわち、バッテリ60Aが主変換回路30Aの直流リンク部に接続されているか否かに関わらず、主回路側コンバータ31Aを位相同期整流動作させるときの出力端(二次側)の出力電圧を、「1800V」、すなわちバッテリ60Aの定格電圧とすることができる。
次に、第2実施形態を説明する。第2実施形態は、上述の第1実施形態において、バッテリを補機用変換回路の直流リンク部に接続構成とした実施形態である。なお、以下の説明において、上述の第1実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
図10は、第2実施形態における電源システム1Bの回路構成図である。図10によれば、電源システム1Bは、真空遮断器VCBと、主変圧器20と、主変換回路30Bと、補機用変換回路40Bと、バッテリ60Bと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、制御部70Bとを備えて構成される。
電源システム1Bにおける走行モードを説明する。
図11は、架線モードにおける電源システム1Bの電力供給動作を示す図である。架線モードでは、パンタグラフ2が上昇して架線に接触し、真空遮断器VCBが投入されている。また、高速度遮断器BHBは開放されている。そして、主回路側コンバータ31B及び補機側コンバータ41Bは、ともに位相同期整流動作をするように制御されている。
図12は、バッテリモードにおける電源システム1Bの電力供給動作を示す図である。バッテリモードでは、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、高速度遮断器BHBは、投入されている。そして、主回路側コンバータ31Bは、位相同期整流動作するように制御され、補機側コンバータ41Bは、CVCFインバータ動作するように制御されている。
図13は、急速充電の際の電源システム1Bの電力供給動作を示す図である。急速充電の際には、停車中であるため、インバータ32Bは停止している。パンタグラフ2が上昇して架線に接触し、真空遮断器VCBが投入されている。また、高速度遮断器BHBは、投入されている。そして、主回路側コンバータ31B、及び、補機側コンバータ41Bは、ともに、位相同期整流動作をするように制御されている。
次に、第2実施形態における走行モードの切り替えの際の制御手順を説明する。この制御は、制御部70Bによってなされる。
図14は、停車中から架線モードで起動する際の制御手順である。但し、停車中であるため、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、高速度遮断器BHBは、開放されている。そして、主回路側コンバータ31B、及び、補機側コンバータ41Bは、ともに動作停止している。
図15は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32Bを停止させる(ステップB1)。次いで、高速度遮断器BHBを投入する(ステップG3)。続いて、補機側コンバータ41Bを、CVCF制御によるインバータ動作に変更させる(ステップG5)。そして、真空遮断器VCBを開放させた後(ステップB11)、パンタグラフ2を下降させる(ステップB13)。その後、インバータ32Bを起動(再起動)させる(ステップB15)。架線モードからバッテリモードへの切り替えは、このように行われる。
図16は、バッテリモードから架線モードへ切り替える場合の制御手順である。まず、インバータ32Bを停止させる(ステップC1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させた後(ステップC3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップC5)。そして、補機側コンバータ41Bを、変調率制御によって、出力電圧が「750V」となるように、位相同期整流動作に変更する(ステップH7)。続いて、高速度遮断器BHBを開放した後(ステップH9)、インバータ32Bを起動(再起動)する(ステップC15)。バッテリモードから架線モードへの切り替えは、このように行われる。
図17は、バッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、停車中であるため、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、高速度遮断器BHBは、開放されている。そして、主回路側コンバータ31B、及び、補機側コンバータ41B、インバータ32Bは、ともに動作停止している。
図18は、停車中にバッテリ60Bを急速充電する際の制御手順である。但し、直前の走行モードが「バッテリモード」であるとする。すなわち、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、高速度遮断器BHBは投入されている。そして、主回路側コンバータ31Bは、インバータ動作し、補機側コンバータ41Bは、コンバータ動作している。
このように、第2実施形態の電源システム1Bは、主変換回路30Bと、補機用変換回路40Bとを備えるとともに、補機用変換回路40Bの直流リンク部(補機側コンバータ41Bと静止形インバータ42Bとの間)に、高速度遮断器BHBを介してバッテリ60Bが接続されて構成される。これにより、架線からの供給電力(交流電力)のみ、或いは、架線の供給電力及びバッテリ60Bの出力電力の両方によって主電動機4を駆動して走行する架線モードと、バッテリ60Bの放電電力(直流電力)のみによって主電動機4を駆動して走行するバッテリモードとの切り替えが可能となる。交流区間を走行する電気車の架線・バッテリハイブリッド化が実現される。
本実施形態の電源システム1A,1Bを交流電気車に搭載することで、交流電気車の架線・バッテリハイブリッド化が可能となる。これにより、様々な作用効果が奏される。
VCB 真空遮断器
20 主変圧器、21 一次巻線、22 二次巻線、23 三次巻線
30A,30B 主変換回路
31A,31B 主回路側コンバータ、32A,32B インバータ
40A,40B 補機用変換回路
41A,41B 補機側コンバータ、42A,42B 静止形インバータ(SIV)
60A,60B バッテリ、BHB 高速度遮断器、L リアクトル
70A,70B 制御部
2 パンタグラフ、3 車輪、4 主電動機
Claims (7)
- 架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及びバッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システムであって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、
前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路と、
前記バッテリと前記主変換回路の直流リンク部とを接続する遮断器と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記第1コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替える架線モード切替手段であって、前記架線モードへの切り替えに際して、前記遮断器を開放することで前記架線からの交流電力をもとに走行する純架線モードとし、前記遮断器を投入することで前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行するハイブリッド架線モードとする架線モード切替手段と、
前記遮断器を投入するとともに、前記第1コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第2コンバータ部に印加するように前記第1コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システム。 - 前記制御装置は、電気車の停止時に、前記架線からの交流電力をもとに前記第1コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる急速充電制御手段を有する、
請求項1に記載の電気車用電源システム。 - 架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及びバッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システムであって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、
前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路と、
前記バッテリと前記補機用変換回路の直流リンク部とを接続する遮断器と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記第2コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替える架線モード切替手段であって、前記架線モードへの切り替えに際して、前記遮断器を開放することで前記架線からの交流電力をもとに走行する純架線モードとし、前記遮断器を投入することで前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行するハイブリッド架線モードとする架線モード切替手段と、
前記遮断器を投入するとともに、前記第2コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるように前記第2コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システム。 - 前記制御装置は、電気車の停止時に、前記架線からの交流電力をもとに前記第2コンバータ部に、補機への供給電力に加えて、前記バッテリへの充電電力を供給させる急速充電制御手段を有する、
請求項3に記載の電気車用電源システム。 - 前記バッテリは、前記架線モード時に前記直流リンク部に供給されている電力で充電可能に構成されている、
請求項1〜4の何れか一項に記載の電気車用電源システム。 - 主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、遮断器を介して前記主変換回路の直流リンク部に接続されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記第1コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記遮断器を投入するとともに、前記第1コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第2コンバータ部に印加するように前記第1コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含み、
前記架線モードに切り替えるステップは、前記架線モードへの切り替えに際して、前記遮断器を開放することで前記架線からの交流電力をもとに走行する純架線モードとし、前記遮断器を投入することで前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行するハイブリッド架線モードとするステップである、
電力供給制御方法。 - 主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続された第2コンバータ部及び第2インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、遮断器を介して前記補機用変換回路の直流リンク部に接続されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力、或いは、前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記第2コンバータ部を位相同期整流動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記遮断器を投入するとともに、前記第2コンバータ部の一次側の発生電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるように前記第2コンバータ部をCVCFインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含み、
前記架線モードに切り替えるステップは、前記架線モードへの切り替えに際して、前記遮断器を開放することで前記架線からの交流電力をもとに走行する純架線モードとし、前記遮断器を投入することで前記架線からの交流電力及び前記バッテリの出力電力の両方をもとに走行するハイブリッド架線モードとするステップである、
電力供給制御方法。
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