JP6121626B2 - 相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両補助給電システム、特に相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システム、および該制御システムを使用する給電制御方法に関する。

補助インバータは、モータ電車ユニットの動力ユニットのうちの１つであり、安定した３相ＡＣおよび単相ＡＣ給電を提供する役割を果たし、モータ電車ユニットの空調コンプレッサ、換気装置、エアコンプレッサ、電気ヒータ、充電セットなどに電力を供給する。現在、モータ電車ユニットの補助インバータは、インバータ給電による個別の給電、相互接続ラインがない場合の並列給電、相互接続ラインがある場合の並列給電という３つの給電モードを有する。インバータ給電による個別給電の給電モードは、単純な配線と、大単位容量と、１つのユニットの故障時に、隣接ユニットが接触器により給電を切り換える必要があるための低信頼性とを特徴とする。

相互接続ラインがない場合の並列給電の給電モードは、発電機同期化で使用される制御手法が参照のために使用されることと、ドループ法が使用されることと、各モジュールがモジュール自体の出力電力のみを検出し、出力電力が有効電力と無効電力に分解された後、特定のアルゴリズムに従いモジュールの出力電圧と周波数を調節して電流分配を実行するが、電流分配効果は不十分であり、低出力並列負荷がより大きな円形電流を生成することを特徴とする。

相互接続ラインがある場合の並列給電の給電モードは、各種出力モジュールが並列接続され、各種モジュールが相互接続ラインを用いて情報交換し、システムの平均電力または出力電流を把握し、各種モジュールが共有参照信号を収集および追跡して並列制御を実行することを特徴とする。この方法は電流分配効果を大幅に向上させ、モータ電車ユニットの補助給電システムの信頼性および冗長性を高めることができる。しかしながら、より多くの並列ラインと不安定な長距離伝送信号のため、相互接続ラインのある場合の既存の並列給電システムは制御エラーや並列接続故障を招きやすい。光起電グリッド接続システムや風力統合システムと比較して、マイクログリッド並列制御システムは低出力並列負荷下でより大きな円形電流を有する。

本発明は、構造が単純であり、伝送信号が安定しており、より少ない相互接続ラインを用いて安定した信頼性の高い給電を実行することができる、相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムを提供することを目的とする。

本発明の技術的解決策は以下の通りである。相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムは、複数の３相インバータモジュールを含む。複数の３相インバータモジュールは相互に並列接続する。３相インバータモジュールのうち任意の２相回路は、接続ラインモジュールを用いて、３相インバータモジュールに隣接する別の３相インバータモジュールの対応する２相回路と別個に並列接続する。接続ラインモジュールは制御システムに接続される。３相インバータモジュールもそれぞれ制御システムに接続される。３相インバータモジュールの３相ラインにはすべてスイッチが設けられる。接続ラインモジュールは特定の位相回路の両端と並列接続する変流器を含み、変流器は電圧抵抗と並列接続し、電流センサと直列接続し、任意の２つの隣接する接続ラインモジュールは並列接続し、変流器は制御システムと接続する。

相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムを制御する方法は以下のステップを含む。
（１）変流器が、３相インバータモジュールの位相回路電流の調節を終了し、大電流を、信号が制御システムによって使用されやすい小電流となるように調節する。
（２）電流センサが電流の位相と振幅を含む３相インバータモジュールの電流を収集し、制御システムに収集結果を送信する。
（３）制御システムが、収集された電流値を収集し、任意の２つの隣接する３相インバータモジュールの同じ位相回路の電流値の位相と振幅を、２つの隣接する３相インバータモジュールの電流の位相と振幅が不均等である場合に比較し、位相差と振幅差を算出し、２つの隣接する３相インバータモジュールの電流の位相と振幅が均等になるまで算出結果に従って自動で電流を分配するために２つのインバータモジュールを制御し、２つの隣接する３相インバータモジュールの２つの並列位相回路に関して上記と同一の動作を実行する。

好ましくは、制御システムは３相インバータモジュールをそれぞれ自動的に監視し、スイッチにより制御して、特定の３相インバータモジュールの故障時にインバータを給電システムから切断する。

本発明は以下の利点を備える。
（１）本発明ではより少ない相互接続ラインが使用され、３相インバータモジュールの任意の２相が並列接続することにより、３相回路の任意の２相の電流の均衡を図ることによって安定した給電が達成され、システム信頼性が大幅に向上する。
（２）本発明は複数の３相インバータモジュールの並列運転を実行し、１セットの３相インバータモジュールにたとえば過電圧、過電流、または短絡などの異常があるとき、それが有効に認識され、対応する手段を講じることができ、故障モジュールが並列システムを出て、冗長モジュールが正常に電力を供給し続けることによって、モータ電車ユニットの補助変換器ネットワークの安全かつ信頼性が高い円滑な運転を確保して、システムの運転信頼性を高める。
（３）マルチパスグリッド接続システムの位相構造は、車両容量に応じてインバータモジュールの負荷量を柔軟に増減させることができ、グリッド接続モジュールのすべての単独ユニットが同一であり、モジュールの互換性が高まる。
（４）本発明の制御システムは、制御システムの安定性にとって有利な高い干渉防止能力を備えた回路電流信号を使用する。不均衡な電流の瞬時値が監視され、その不均衡な電流の調節速度が速められて、補助変換器グリッド接続システムの安定度が向上することによって、マイクログリッド低出力負荷がより大きな並列円形電流を生成するという問題が解決される。

本発明の概略構造図である。 本発明で３相インバータモジュール１が３相インバータモジュール２と並列接続する前のＵ相出力の電圧オシログラムである。 本発明で３相インバータモジュール１が３相インバータモジュール２と並列接続する前のＵ相出力の電流波形を示す図である。 本発明で３相インバータモジュール１が３相インバータモジュール２と並列接続した後のＵ相出力の電圧および電流波形を示す図である。

実施形態１
図１に示すように、相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムは複数の３相インバータモジュールを含み、各３相インバータモジュールは直列接続されるインバータ、変圧器、ＬＣフィルタを含む。複数の３相インバータモジュールは相互に並列接続しており、複数の３相インバータモジュールはそれぞれ制御システムに接続され、３相インバータモジュールのＵ相回路は、３相インバータモジュールに隣接する別の３相インバータモジュールのＵ相回路と並列接続し、３相インバータモジュールのＶ相回路も別の３相インバータモジュールのＶ相回路と並列接続する。類推により、並列給電システムの複数の３相インバータモジュールはすべて同一の構造を有する。

位相回路は接続ラインモジュールによって別の位相回路に接続される。接続ラインモジュールは、制御システムに接続される変流器１を含む。変流器１は電圧変換の役割を果たし、位相回路の大電流を小電流に変更する。変流器１は特定の位相回路の両端と並列接続し、変流器１は電圧抵抗２と並列接続し、電流センサ３と直列接続し、任意の２つの隣接する接続ラインモジュールは並列接続する。任意の３相インバータモジュールの３相ラインにスイッチが設けられる。

相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムを制御する方法は以下のステップを含む。
（１）変流器が、３相インバータモジュールの位相回路電流の調節を終了し、大電流を、信号が制御システムによって使用されやすい小電流となるように調節する。
（２）電流センサが電流の位相と振幅を含む３相インバータモジュールの電流を収集し、制御システムに収集結果を送信する。
（３）制御システムが、収集された電流値を収集し、任意の２つの隣接する３相インバータモジュールの同じ位相回路の電流値の位相と振幅を、２つの隣接する３相インバータモジュールの電流の位相と振幅が不均等である場合に比較し、位相差と振幅差を算出し、２つの隣接する３相インバータモジュールの電流の位相と振幅が均等になるまで算出結果に従って自動で電流を分配するために２つのインバータモジュールを制御し、２つの隣接するインバータモジュールの２つの並列位相回路に関して上記と同一の動作を実行する。

制御システムは３相インバータモジュールのそれぞれを自動的に監視し、スイッチによる制御して、特定の３相インバータモジュールの故障時にインバータを給電システムから切断する。

システムが作動すると、位相回路の大電流が変流器によって小電流に変更される。接続ラインモジュール上の電流センサは、回路上の位相方向と振幅値の不均衡な電流を収集する。２つの独立する閉ループ制御システムが、Ｕ相回路の並列構造とＶ相回路の並列構造とによってそれぞれ確立される。２つの隣接する３相インバータモジュールのＵ相回路の電流が不均衡である場合、制御システムは２つのＵ相回路を制御して、２相回路の電流分配を実行するために電流を調節する。同様に、電流分配は、任意の２つの隣接する３相インバータモジュールのＵ相とＶ相とでもこのように実行される。電流分配が３相インバータモジュールの任意の２相で実行される場合、第３の位相は自動的に電流分配を実行し、最終的に、給電システム全体の各種３相インバータモジュールがモータ電車ユニットシステム全体に安定的に電力を供給する。

３相インバータモジュール１と３相インバータモジュール２とを例として選ぶことによって、図２〜４は２つの３相インバータモジュールのＵ相電圧とＵ相電流間の波形を比較する。図２に示すように、３相インバータモジュール１が３相インバータモジュール２と並列接続する前、３相インバータモジュール１のＵ相電圧４と３相インバータモジュール２のＵ相電圧５間に特定の位相差および振幅差が存在する。図３に示すように、３相インバータモジュール１が３相インバータモジュール２と並列接続する前、３相インバータモジュール１のＵ相電流６と３相インバータモジュール２のＵ相電流間に特定の位相差と振幅差が存在する。図４に示すように、３相インバータモジュール１が３相インバータモジュール２と並列接続した後、２つのインバータモジュールのＵ相電圧９とＵ相電流８の回路図は一致する。すなわち位相差または振幅差は存在せず、制御システムは優れた電流分配効果を有する。

実施形態２
実施形態１と異なり、実施形態２では、３相インバータモジュールのＵ位相回路が、３相インバータと隣接する別の３相インバータモジュールのＵ相回路と並列接続し、同様に３相インバータモジュールのＷ相回路と別の３相インバータモジュールのＷ相回路も並列接続する。類推により、並列給電システムの複数の３相インバータモジュールはすべて同一の構造を有する。動作原理も同一である。

実施形態３
実施形態１および実施形態２と異なり、実施形態３では、３相インバータモジュールのＶ相回路が、３相インバータと隣接する別の３相インバータモジュールのＶ相回路と並列接続し、同様に３相インバータモジュールのＷ相回路と別の３相インバータモジュールのＷ相回路も並列接続する。類推により、並列給電システムの複数の３相インバータモジュールはすべて同一の構造を有する。動作原理も同一である。

Claims (2)

1. 相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムの制御方法であって、
   相互に並列接続する複数の３相インバータモジュールを備え、３相インバータモジュールの任意の２相回路が接続ラインモジュールを使用することによって前記３相インバータモジュールに隣接する３相インバータモジュールの対応する２相回路と個別に並列接続し、前記接続ラインモジュールが制御システムに接続され、前記３相インバータモジュールのそれぞれも前記制御システムに接続され、前記３相インバータモジュールのそれぞれの前記３相ラインすべてにスイッチが設けられ、
   前記接続ラインモジュールが特定の位相回路の両端と並列接続する変流器を備え、前記変流器が電圧抵抗と並列接続し、電流センサと直列接続し、任意の２つの隣接する接続ラインモジュールが並列接続し、前記変流器が前記制御システムに接続され、
   さらに、前記制御方法は、以下のステップ：
   （１）前記変流器が、大電流を、信号が前記制御システムによって使用されやすい小電流になるように調節するステップと、
   （２）電流センサが電流の位相と振幅を含む前記３相インバータモジュールの電流を収集し、前記制御システムに収集結果を送信するステップと、
   （３）前記制御システムが、前記収集された電流値を収集し、任意の２つの隣接する３相インバータモジュールの同じ位相回路の電流値の位相と振幅を、前記２つの隣接する３相インバータモジュールの電流の位相と振幅が不均等である場合に比較し、位相差と振幅差を算出し、前記２つの隣接する３相インバータモジュールの電流の位相と振幅が均等になるまで算出結果に従って自動で電流を分配するために前記２つのインバータモジュールを制御し、２つの隣接する３相インバータモジュールの２つの並列位相回路に関して上記と同一の動作を実行するステップと、
   を含む制御方法。
2. 前記制御システムが前記３相インバータモジュールのそれぞれを自動的に監視し、スイッチにより制御して、特定の３相インバータモジュールの故障時に前記インバータを給電システムから切断する、請求項１による相互接続ラインがある場合のモータ電車ユニットの補助変換器用の並列給電制御システムの制御方法。