JP6253559B2

JP6253559B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6253559B2
Application number: JP2014199709A
Authority: JP
Inventors: 浩典河津; 岡松　茂俊; 茂俊岡松; 智道伊藤; 洋五十嵐; 正人手島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP2016068741A

Description

本発明は、き電線に使用される電力変換装置に係り、特にき電線の電源喪失時にき電線に電力供給するに好適な電力変換装置に関する。

東日本大震災を契機に、大規模停電時のインフラ機能喪失が社会的な関心事になっている。同様の大規模停電時の対策は、電鉄分野においても同様に求められる課題であり、具体的には電鉄用のき電線設備において電源を喪失したときに、き電線からの給電を受けて進行する列車を、非常時の停車位置から最寄駅まで搬送することが求められている。

然るにこの場合に、電源そのものを喪失しているために、これに代わり電車に給電する電源が必要になってくる。この場合の代替電源として、き電線における電車の停止時の回生電力を貯蔵し、電車の加速などの場面で電力を供給する電力貯蔵式回生電力吸収装置の応用が考えられる。

電力貯蔵式回生電力吸収装置について、例えば特許文献１には、電力貯蔵要素を用いてき電線電圧を安定化する装置が提案されている。

また電力貯蔵式回生電力吸収装置ではないが、一般的な用途の電力変換装置について、特許文献２には、電流を断続して通流率を制御するチョッパ装置を用いて初期充電する方法が示されている。

特許第４４３２６７５号公報特開２０１３−０２７０９５号公報

特許文献１の電力貯蔵式回生電力吸収装置は、き電線電圧の安定化には貢献し得る。然しながら、本発明で対策すべき電源喪失の場面では機能し得ないものである。

特許文献１の設備は、電源からダイオード整流器によりき電線電圧が保持されていることを前提としており、停電時には電力変換装置の入力回路に設けた平滑コンデンサが自然放電してしまう。この状態で運転開始のため電源を投入すると、平滑コンデンサ、ダイオードに過大な突入電流が流れ、平滑コンデンサ、ダイオードを損傷してしまう恐れがある。

特許文献２について、チョッパ装置を用いて初期充電するという思想は一考に値する。しかしながら特許文献２では初期充電のための設備を別途準備し、本来設備に付加する形でシステム構成しており、初期充電装置を含めたシステム全体が大型化することを避けられない。またチョッパ装置を用いる場合、変圧比が大きいためスイッチング素子に高い耐圧を持たせなくてはならない。そのため、スイッチング素子が大型化し、初期充電装置を含めたシステムが二重の意味で大型化してしまう。また、回路構成が複雑になってしまう。

以上のことから本発明の目的は、電源喪失時にき電線に電力を供給してき電線上の電車を最寄駅まで退避させることが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

以上のことから本発明においては、電源からダイオード整流器を介して直流電力をき電線に供給する設備に設けられ、き電線上の列車の加減速時の電力を供給し回収するための電力変換装置であって、当該電力変換装置は、逆並列ダイオードを備えたスイッチング素子による上下アームの両端に、き電線側の直流回路を接続し、スイッチング素子による上下アームの接続点と下アームの間に電力貯蔵装置側直流回路を接続するＤＣ/ＤＣ電力変換器と、き電線側の直流回路に並列設置された平滑コンデンサを備え、電力貯蔵装置側直流回路に電力貯蔵装置と昇圧リアクトルの直列回路を備え、電源の喪失状態において、電力貯蔵装置側直流回路を前記ＤＣ/ＤＣ電力変換器に接続して平滑コンデンサを充電し、次にき電線側の直流回路をき電線に接続して、スイッチング素子の点弧を開始することを特徴とする。

電源喪失時にき電線に電力を供給してき電線上の電車を最寄駅まで退避させることが可能となる。

本発明の電力変換装置が適用されるき電線給電設備の全体構成の一例を示す図。図１の各部電圧、各部コンタクタの開閉状態などを示す図。本発明の電力変換装置の初期充電処理手順を示す図。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。

本発明の電力変換装置が適用されるき電線給電設備の全体構成の一例を図１を用いて説明する。図１において、Ｇは電源、ＣＢは遮断器、Ｔｒは変圧器、Ｒｅはダイオード整流器であって、通常はこの流れによりき電線７とレール８の間に直流電力を供給し、電車１２はこの電力を受けて走行している。なお、本発明では電源を喪失している状態を想定しているので、遮断器ＣＢは開放状態にある。

本発明の電力変換装置である回生電力吸収装置２０は、き電線における電車の減速時の回生電力を貯蔵し、電車の加速などの場面で電力を供給する目的で、き電線の各所に適宜配置されている。図１に示す回生電力吸収装置２０は、電力貯蔵装置（リチウムなどの蓄電池）１、コンタクタ２と６、昇圧リアクトル３、ＤＣ/ＤＣ電力変換器４、平滑コンデンサ５、制御器１０、電圧検出器１１などで構成されている。

ＤＣ/ＤＣ電力変換器４は、逆並列ダイオードＤを備えたＭＯＳ半導体素子などのスイッチング素子Ｓｗで構成され、スイッチング素子Ｓｗによる上下アームの両端にき電線側直流回路ＤＣ１を接続し、スイッチング素子Ｓｗによる上下アームの接続点と下アームの間に電力貯蔵装置側直流回路ＤＣ２を接続している。なお昇圧リアクトル３と平滑コンデンサ５により平滑回路を構成している。

またＤＣ/ＤＣ電力変換器４は、制御器からの点弧信号Ｓ１を受けてスイッチング素子Ｓｗの点弧タイミングを制御されており、き電線側の電圧に対するＤＣ/ＤＣ電力変換器４の端子電圧を調整することにより、電力の方向を電車加速方向なら電力供給、電車減速方向なら電力回収のように定めている。

なお電源を喪失している状態ではコンタクタ２と６は開放状態にあり、ＤＣ/ＤＣ電力変換器４は非導通状態にあるが、電力貯蔵装置１にはき電線上の電車を最寄駅に退避させるに十分な電力が保持されているものとする。

また初期充電時に平滑コンデンサの電圧Ｖｃが電力貯蔵装置の電圧の約２倍となるため、(電圧Ｖｃの過電圧判定値)＞(電力貯蔵装置の電圧×２)となる電力貯蔵装置の構成とする。また、ＤＣ/ＤＣ電力変換器４の逆並列ダイオードＤは、初期充電時に回路に流れる電流以上の電流耐量があるものとする。

図２は、図１の各部電圧、各部コンタクタの開閉状態などを示している。上から（a）は平滑コンデンサ５の端子電圧、（ｂ）は初期充電電流、（ｃ）はコンタクタ２の開閉状態、（ｄ）はコンタクタ６の開閉状態、（e）はスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）のオン、オフ状態をそれぞれ示している。

図２（a）の平滑コンデンサ５の端子電圧Ｖｃにおいて、時刻ｔ１は電源喪失時刻を意味しており、これにより平滑コンデンサ５の端子電圧Ｖｃが低下し、時刻ｔ２の判定値１以下に低下したことをもってコンタクタ２、６がオフ状態となっている。またほぼ同時刻に（e）のスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）もオフ状態になっている。

なお電圧検出器１１は、平滑コンデンサ５の電圧Ｖｃを検出する。制御器１０は、平滑コンデンサ５の電圧Ｖｃと判定値の比較と、コンタクタ２と６のオン、オフ指令の出力を行う。

この状態から、本発明においては図３に示す手順での初期充電処理を行うことで、電車の退避運行を可能とする。図３は、本発明の電力変換装置の初期充電処理手順を示す図である。図３の処理は、図２の制御器１０からの指示を纏めたものである。

図３においてこの判断処理の最初の処理ステップＳ１０１では、停電の発生を検知する。つまり電源Ｇの喪失を、例えば遮断器ＣＢの開放、あるいは平滑コンデンサ５の端子電圧Ｖｃ低下などで検知する。この時刻が図２のｔ１に対応する。回生電力吸収装置２０が運転中に、ｔ１の時点において、停電が発生すると、停電発生後、平滑コンデンサ５の電圧Ｖｃの電圧が低下していく。ｔ２の時点で、制御器１０は電圧Ｖｃが判定値１以下であることを判定し、コンタクタ２及びコンタクタ６にオフ信号を与える。

次の処理ステップＳ１０２では、運転開始指令の有無を確認する。電圧低下を条件に直ちに次の初期充電処理に入ることも可能であるが、各列車における現況確認を経て、緊急退避処理であることを現場の各所に周知せしめた上で、総員合意の上での運転開始指令とすることが望ましい。この運転開始指令の出された時刻がｔ５である。

次の処理ステップＳ１０３では、運転開始が指令された状態で、さらにコンデンサ電圧Ｖｃが十分に低下（判定値２以下）していることを確認する。この確認時刻がｔ３である。

処理ステップＳ１０４では、ｔ３の時点で制御器１０は電圧Ｖｃが判定値２以下であることを判定すると、コンタクタ２にオン信号を与える。コンタクタ２がオンすると、電力貯蔵装置１―コンタクタ２―ＤＣ/ＤＣ電力変換器４の上側アームの逆並列ダイオードＤ―平滑コンデンサ５―電力貯蔵装置１に至る回路が形成されて、平滑コンデンサ５と昇圧リアクトル３のＬＣ共振により、平滑コンデンサ５の初期充電を行う。この初期充電電流が図２（ｂ）に示されており、回路形成された半波期間だけ、初期充電電流が流れる。

処理ステップＳ１０５では、初期充電の完了を検知する。この時刻がｔ４であり、処理ステップＳ１０６では制御器１０はコンタクタ６にオン信号を与え、処理ステップＳ１０７ではスイッチング素子ＳＷとして例えばＩＧＢＴに時刻ｔ６から点弧信号を与え、以降回生電力吸収装置２０を運転する。

このように、ＤＣ/ＤＣ電力変換器４のスイッチング素子Ｓｗにおける逆並列ダイオードＤを介して回路形成し、平滑コンデンサ５と昇圧リアクトル３によるＬＣ共振を用いれば、初充電装置の大型化、回路の複雑化を回避して、停電時にも平滑コンデンサの初期充電を行うことができる。これにより、き電線上の電車を最寄駅までの緊急避難を可能としている。

１…電力貯蔵装置
２、６…コンタクタ
３…昇圧リアクトル
４…ＤＣ/ＤＣ電力変換器
５…平滑コンデンサ
７…き電線
８…レール
１０…制御器
１１…電圧検出器

Claims

電源からダイオード整流器を介して直流電力をき電線に供給する設備に設けられ、き電線上の列車の加減速時の電力を供給し回収するための電力変換装置であって、
当該電力変換装置は、逆並列ダイオードを備えたスイッチング素子による上下アームの両端に、前記き電線側の直流回路を接続し、スイッチング素子による上下アームの接続点と下アームの間に電力貯蔵装置側直流回路を接続するＤＣ/ＤＣ電力変換器と、前記き電線側の直流回路に並列設置された平滑コンデンサを備え、前記電力貯蔵装置側直流回路に電力貯蔵装置と昇圧リアクトルの直列回路を備え、
前記電力貯蔵装置側直流回路は第１のコンタクタを介して前記ＤＣ/ＤＣ電力変換器に接続され、前記き電線側の直流回路は第２のコンタクタを介して前記き電線に接続されているとともに、
前記電源の喪失状態において、前記電力貯蔵装置側直流回路を前記ＤＣ/ＤＣ電力変換器に接続して前記平滑コンデンサを充電し、次に前記き電線側の直流回路をき電線に接続して、スイッチング素子の点弧を開始することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記電力貯蔵装置側直流回路を前記ＤＣ/ＤＣ電力変換器に接続するに際して、前記平滑コンデンサの端子電圧が所定値以下であることの確認を条件とすることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記電力貯蔵装置側直流回路を前記ＤＣ/ＤＣ電力変換器に接続するに際して、運転開始指令があることの確認を条件とすることを特徴とする電力変換装置。