JP6293467B2 - 直流電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、直流電気鉄道の電力供給システムに関する。

直流電気鉄道の電力供給システムである直流き電システムは、負荷変動が激しく、架線電圧変動が大きい特性を有している。

大きな架線電圧変動は、送電線と整流器の間に設けられた変圧器のインダクタンス成分による整流器の出力電圧変動やき電回路内の架線のインピーダンスによる電圧降下によって発生する。これに対応するため現在の直流き電システムでは、ラッシュ時の負荷が大きい時間帯に整流器設備を追加投入して、整流器の送り出し電圧が低下することを防いでいる。また、近年では低電圧変動率の整流器を設置することにより、同様の送り出し電圧低下を抑制することが行われている。

一般に鉄道車両の消費電力量は比較的小さく、ピーク電力が大きい特性を有している。これは、力行時に大きなパワーを消費し、惰行中は小さな走行抵抗で走行することで消費電力量が小さいことに起因している。ピーク電力が大きい分、架線を流れる電流、整流器の出力する電流は大きく電圧降下も大きくなる。電圧降下を一定値、例えばＤＣ１５００Ｖのき電システムで列車のパンタ点電圧を９００Ｖ以上に保つために、整流器設備は定格出力が大きくならざるをえず、き電システム内の平均消費電力とくらべ大きな定格出力を持つことになる。

また、１日の中でも列車の密度はラッシュ時・閑散時で大きく変化するため、ラッシュ時でも架線電圧降下が所定値以内に収まるよう過負荷時投入用の設備を用意しなければならない。また、変換器（整流器あるいはＰＷＭコンバータ）が故障した際に備え、待機二重系の設備、すなわち予備の変換器を設置する場合もある。

また、シリコン整流器によって構成される一般的な直流き電システムは、整流器は交流系統へ電力が逆潮流出来ないという問題もあり、列車が回生出来なくなる回生失効の要因ともされている。

実施形態は、これらの整流器設備の大量化、回生失効が発生する問題を同時に解決することを課題としている。

一実施形態に係る直流電力供給システムは、き電線に接続され、交流を直流に変換する複数の電力変換装置と、前記複数の電力変換装置の間に設置され、前記き電線に接続される複数の蓄電装置とを具備する。前記複数の蓄電装置は、前記複数の電力変換装置の内、最寄りの電力変換装置までの距離が遠い蓄電装置ほど、充電しやすい特性を有する。

第１実施形態に係る蓄電装置を含む直流き電システムの全体構成を示す図である。 蓄電装置の構成を表す図である。 蓄電装置の充放電制御方法を表す図である。 （ａ）は図３の屈折点ａ〜ｆ各点のＳＯＣ−Ｖ特性を代表して表す図、（ｂ）は屈折点ｃのＳＯＣ−Ｖ特性を表す図、（ｃ）は屈折点ｄのＳＯＣ−Ｖ特性を表す図である。 ＳＯＣ−Ｖ特性の変更による充電のしやすさの変更を表す図である。 フローティング充放電制御を有する充放電方式を表す図である。 フローティング充放電制御におけるＳＯＣ−Ｖ特性を表す図である。 片送りき電区間の蓄電装置配置を表す図である。 複数のき電区間に分散配置された蓄電装置を表す図である。

以下、直流電力供給システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、直流電力供給システムの第１実施形態として、複数の蓄電装置を含む直流き電システムの全体構成を示す。

先ず、き電システムは送電線１の交流電力を電力変換装置２ａ、２ｂが変換してき電線３に対して直流電力を供給する。電力変換装置２ａ、２ｂの直流側は、き電線３および共通アースラインとしてのレール（図示されず）を介して並列接続される。電力変換装置２は例えばダイオード整流器あるいはＰＷＭコンバータであり、変電所として設置される。き電線３の定格電圧は、例えばＤＣ６００Ｖ、ＤＣ７５０Ｖ、ＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖであり、その近辺の電圧で電圧変動が起きる。

電力変換器２ａと２ｂの間に、蓄電装置４ａ〜４ｃが設置され、き電線に接続されている。蓄電装置４ａ〜４ｃは、き電線３およびレールを介して並列接続される。この蓄電装置４は例えば、図２に示すように蓄電素子６及び電力変換器７を含み、蓄電素子６は電力変換器７を介してき電線３と電力を送受する。電力変換器７は昇降圧チョッパであり、蓄電素子６は例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、または電気二重層キャパシタである。なお、蓄電装置４の端子電圧が架線電圧と同程度である場合、蓄電素子６を電力変換器８を通さずに、限流リアクトル及び高速度遮断器などを通してき電線に直結する構成としても良い。

蓄電装置４ａ〜４ｃには、制御部５ａ〜５ｃがそれぞれ設けられている。制御部５は、蓄電装置のＳＯＣ(state of charge)を計測し、架線電圧およびＳＯＣ等に基づいて、蓄電装置４の充放電を制御する。

ここで蓄電装置４の最寄り電力変換装置２との位置関係が図１のように、蓄電装置４ａ４ｃ、４ｂの順に近かい場合、蓄電装置４ｂが最も充電しやすく、ついで蓄電装置４ｃ、４ａが充電しやすくなるように、蓄電装置の充放電が制御部５ａ〜５ｃにより制御される。ここで充電しやすくすることは、単位時間あたりの充電電力量を大きくすることを指す。

最寄りの電力変換装置２までの距離が遠いほど、そこで電車により電力が消費された時の架線電圧は、架線の電気抵抗による電圧降下により低くなり、架線により無駄に電力が消費されてしまう。そこで、最寄りの電力変換装置までの距離が遠い電力変換装置ほど、充電しやすくなるように設定しておけば、電力変換装置は常に十分な電力を保持することが可能となる。つまり電力変換装置は常に適切なＳＯＣを維持し放電可能な状態となる。この結果電力変換装置は、電車が電力を消費する際の架線電圧の降下を十分な放電により補うことができる。

この充電のしやすさは、蓄電装置の充電制御方法や構成によって異なる。例えば、蓄電装置の充放電制御が、図３に示されるＶ−Ｉ特性と、図４に示されるＳＯＣ−Ｖ特性によって制御される方式について説明する。

蓄電装置の充放電電流は、図３に示される特性すなわち、架線電圧に対する出力電流で決まる。制御部５は架線電圧を参照しながら、蓄電装置４の充放電特性が図３のようになるように、蓄電装置４の電力変換器７を制御する。

ただし、この図３に示されるＶ−Ｉ特性は、図４に示されるＳＯＣ−Ｖ特性によって変化する。図４（ａ）に示されるＳＯＣ−Ｖ特性は、図３の特性上の各屈折点ａ−ｆに対応、すなわち屈折点ａ〜ｆ各点のＳＯＣ−Ｖ特性を代表して表している。また図４（ａ）の特性は、制御部５において各屈折点ａ−ｆについて設定される特性である（ａとｂ、ｆとｅは同値のＳＯＣ−Ｖ特性を持たせ共通化しても良い）。

例えば図３の屈折点ｃのＳＯＣ−Ｖ特性を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）は図３において架線電圧が徐々に低下し、蓄電装置が放電を開始する電圧を示している。制御部５は図４（ｂ）のように設定された特性に従って蓄電装置４のＳＯＣに応じて、放電開始電圧を制御する。

架線の定格電圧が１５００Ｖ（図３横軸原点が１５００Ｖ）の場合、ＳＯＣが例えば５０％で設定電圧（放電開始架線電圧）が１４００Ｖと設定され、この状態を図３の点ｃとする。図４（ｂ）のように、この設定電圧はＳＯＣが増加した場合は上昇し、定格電圧の１５００Ｖに近づくので放電しやくなる。このとき図３において点ｃは右に移動されている。点ｃが右に移動されることで変更された特性に従って、制御部５は蓄電装置４の放電を制御する。逆にＳＯＣが５０％から減少した場合、設定電圧は低下し、より低い電圧で放電を開始することになるので、放電し難くなる。このとき図３において点ｃは左に移動されている。このように放電開始電圧をＳＯＣに応じて制御することで、ＳＯＣはほぼ一定の例えば５０％に制御される。

また、例えば図３の屈折点ｄのＳＯＣ−Ｖ特性を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）は図３において架線電圧が徐々に上昇し、蓄電装置が充電を開始する電圧を示している。制御部５は図４（ｃ）のように設定された特性に従って蓄電装置４のＳＯＣに応じて、充電開始電圧を制御する。

上記同様に例えば架線の定格電圧が１５００Ｖ（図３横軸原点が１５００Ｖ）の場合、ＳＯＣが例えば５０％で設定電圧（放電開始架線電圧）が１６２０Ｖに設定され、この状態を図３の点ｄとする。図４（ｃ）のように、この設定電圧はＳＯＣが増加した場合は上昇し、定格電圧の１５００Ｖから遠ざかるので充電し難くなる。このとき図３において点ｄは右に移動されている。点ｄが右に移動されることで変更された特性に従って、制御部５は蓄電装置４の充電を制御する。逆にＳＯＣが５０％から減少した場合、設定電圧は低下し、より低い電圧で充電を開始することになるので、充電しやすくなる。このとき図３において点ｃは左に移動されている。このように充電開始電圧を制御することで、ＳＯＣはほぼ一定の例えば５０％に制御される。

このように、図４（ａ）に示すような設定は、図３に示される特性すなわち各屈折点の設定電圧が、蓄電装置のＳＯＣに基づいて決定されることを表している。

ここで前述したように、蓄電装置を充電しやすくするには、図３の屈折点ｄ，ｅの設定電圧を低く設定、つまり左に移動すればよい。屈折点ｄ，ｅの設定電圧を左に移動することで、より低い架線電圧で充電が行われるようになり、充電しやすくなる。

また、図４（ａ）に示されるＳＯＣ−Ｖ特性において、より高いＳＯＣにおいて、より低い架線電圧でも充電できるように、屈折点ｄおよびｅそれぞれのＳＯＣ−Ｖ特性を図５（ａ）のように変更することで、蓄電装置を充電しやすくできる。図５（ｂ）は例として屈折点ｄの場合を示す図である。この場合は、ＳＯＣ−Ｖ特性をＳＯＣが大きい側（右側）に２０％移動して特性の設定を変更した例を示す。変更前は例えばＳＯＣが６０％のときに１６５０Ｖに設定されていた充電開始電圧が、変更後は同じＳＯＣ６０％でも、充電開始電圧が１５９０Ｖの低い電圧に設定変更されている。

このように本実施形態では、屈折点ｄおよびｅそれぞれのＳＯＣ−Ｖ特性を、図４（ａ）の特性から図５（ａ）のようにＳＯＣが大きい側（右側）に移動（設定変更）する。これにより蓄電装置は、より高いＳＯＣ及びより低い架線電圧で充電が行われるで、充電しやすくなる。図５（ａ）のように屈折点ｄおよびｅのＳＯＣ−Ｖ特性を右側に移動すると、ＳＯＣが同一の条件で、図３における線ｄｅが架線電圧の低い側（左側）に移動することになる。すなわち制御部５は、図５（ａ）のように設定変更された屈折点ｄおよびｅのＳＯＣ−Ｖ特性に基づいて、図３のＶ−Ｉ特性を変更(線ｄｅを左側に移動)し、蓄電装置の充放電を制御、すなわち充電しやすくする。

次に、前述の方式とは別に、フローティング充放電制御を用いる方式について説明する。

図３の制御では、屈折点ｃから屈折点ｄの間、すなわち放電開始点から充電開始点までは充放電電流が０であったが、フローティング充放電制御では図６のように、蓄電装置のＳＯＣに応じて常に充電電流あるいは放電電流を流し、ＳＯＣを一定に保つように制御を行う。すなわち、ＳＯＣが目標値（例えば５０％）より小さければ充電電流を屈折点ｃから屈折点ｄの間で流し、ＳＯＣが目標値より大きければ放電電流を屈折点ｃから屈折点ｄの間で流す。このとき流すＳＯＣ調整用の充放電電流を浮動充電電流Ｉｆという。負の浮動充電電流Ｉｆは放電電流を示す。

蓄電装置４が出力する電流は、前述の方式と同一で架線電圧に基づき、き電線へ充放電する電流を決定する方式であるが、特性中央部にフローティング充放電制御部ｇを設けている。フローティング充放電制御は、蓄電装置４のＳＯＣ状態に応じて、浮動充電電流（調整充放電電流）Ｉｆを流しＳＯＣを安定化しようとするものである。例えば図７のような特性である。

図７において、太い実線で示す特性ｈは初期特性であって、例えばＳＯＣが５０％で図３のように屈折点ｃｄ間において浮動充電電流Ｉｆが０で、ＳＯＣが小さくなるにつれ屈折点ｃｄ間で流す浮動充電電流Ｉｆを大きくし（図６において線ｃｄを上方に移動し）、ＳＯＣが５０％より大きくなるにつれ、浮動充電電流Ｉｆを小さくする（図６において線ｃｄを下方に移動、つまり放電電流を大きくする）特性である。尚、このようなフローティング充放電制御の特性は、制御部５が蓄電装置４を制御することにより実現される特性である。

この初期特性ｈに対して、蓄電装置４を充電しやすい特性とするには、特性ｈを特性ｉ又は特性ｊのように設定変更する。特性ｉの場合、制御部５は、より小さいＳＯＣ領域から充電するように、つまり初期特性ｈに対して同じＳＯＣでも浮動充電電流Ｉｆが大きくなるように蓄電装置４を制御する。又は、特性ｊのように制御部５は、浮動充電電流Ｉｆの最大値が大きくなるように蓄電装置４を制御する。

以上のように、充電電力量を積極的に増やすことによって、蓄電装置を積極的に放電し、電力変換装置２から遠い位置に設置された蓄電池の充電状態を安定したまま架線電圧低下を補償することが出来る。

また、電力変換器２がダイオード整流器であって、直流き電システム内の負荷状態が軽負荷である場合、列車の回生が効かなくなる回生失効が発生する可能性がある。回生失効が発生すると、列車の運動エネルギーは車輪のブレーキシュウやブレーキ用抵抗器で熱として捨てられてしまい省エネルギーでない。

本発明が適用されることで、き電システム全体として従来より小さい容量の蓄電装置で、架線電圧降下を補償し、列車の回生電力を吸収可能として省エネルギーに寄与することが可能になる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態を図８に従って説明する。

図８は第２実施形態に係る直流き電システムの全体構成を示す。図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明は割愛する。６はき電線から電力供給を受けるとともに制動時に回生電力をき電線に供給する電車である。

図８に示すき電区間は、一端に電力変換装置２が接続され、他端が開放されている片送りき電区間である。このような片送りき電の場合についても、蓄電装置４は最寄りの電力変換装置２までの距離が遠い程、充電しやすい特性とする。すなわち充電しやすさの順は蓄電装置４ｂそして蓄電装置４ａとする。尚、この充電しやすさの順は、制御部５ａ、５ｂのＳＯＣ−Ｖ特性等の設定により決定される。このように充電のしやすさを設定することで、架線電圧降下を補償し第１実施形態と同様の効果を得ることが出来る。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態を図９に従って説明する。

図９は第３実施形態に係る直流き電システムの全体構成を示す。図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明は割愛する。

図９のき電システムでは、電力変換装置２ａから電力変換装置２ｂの間のき電区間に蓄電装置４ａ、４ｂが設置され、電力変換装置２ｂから電力変換装置２ｃの間のき電区間に蓄電装置４ｃが設置されている。

電力変換装置２ａ〜２ｂ、電力変換装置２ｂ〜２ｃのそれぞれのき電区間に設置される蓄電装置４は、本実施形態でも最寄りの電力変換装置２までの距離が遠い程充電しやすい特性とする。すなわち、電力変換装置２ａ〜２ｂ間では蓄電装置４ｂが最寄りの電力変換装置２ｂに最も近く、ついで電力変換装置４ａが電力変換装置２ａに近いので、充電のしやすさは蓄電装置４ａ、４ｂの順とする。蓄電装置４ｃについては、電力変換装置２ｂ〜２ｃの間で蓄電装置４ｃのみが設置されているので、このき電区間における蓄電装置の充電のしやすさの順位付けはない。

ここで、電力変換装置２ｂがこのき電系統から離脱した場合について説明する。例えば整流器設備の故障で電力変換装置２ｂがき電系統から離脱した場合、蓄電装置４ａ〜４ｃは電力変換装置２ａ、２ｃの間のき電区間に存在することになる。この様な場合における蓄電装置の充電のしやすさは、最寄りの電力変換装置までの距離が最も遠い蓄電装置４ｂを最も充電しやすくし、次に電力変換装置２ａまでの距離が遠い蓄電装置４ａ、そして最後に蓄電装置４ｃの順で充電しやすくする。すなわち、制御部５ａ〜５ｃのＳＯＣ−Ｖ特性等の特性を、制御部５ｂ、５ａ、５ｃの順に充電しやすい特性に設定する。

このように電力変換装置の系統連係状況に応じて蓄電装置の充電のしやすさを変えれば、複数の電力変換装置のうち１つがき電系統から離脱したとしても、第１実施形態と同様の効果が得られ、列車のパンタ点電圧降下を効果的に補償することが出来る。これにより、整流器設備の故障に備えて従来必要とされていた変電所の予備機の台数を減らしたり、予備機の容量を減らすことが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…送電線、２ａ，２ｂ…電力変換装置、３…き電線、４ａ〜４ｃ…蓄電装置、５ａ〜５ｃ…制御部、６…蓄電素子、７…電力変換器。

Claims (6)

1. き電線に接続され、交流を直流に変換する複数の電力変換装置と、
   前記複数の電力変換装置の間に設置され、前記き電線に接続される複数の蓄電装置と、を具備し、
   前記複数の蓄電装置は、
   前記複数の電力変換装置の内、最寄りの電力変換装置までの距離が遠い蓄電装置ほど、充電しやすい特性を有することを特徴とする直流電力供給システム。
2. 前記複数の電力変換装置は、
   交流を直流に変換する第１の電力変換装置と、
   交流を直流に変換し、き電線を介して前記第１の電力変換装置と、共に直流側で接続される第２の電力変換装置であり、
   前記複数の蓄電装置は、
   前記第１及び第２の電力変換装置の間に設置されて、前記き電線に接続され、
   前記第１および第２の電力変換装置の内、最寄りの電力変換装置までの距離が遠い蓄電装置ほど、充電しやすい特性を有することを特徴とする請求項１に記載の直流電力供給システム。
3. 前記複数の電力変換装置は、
   交流を直流に変換する第１の電力変換装置と、
   交流を直流に変換し、き電線を介して前記第１の電力変換装置と、共に直流側で接続される第２の電力変換装置と、
   交流を直流に変換し、き電線を介して前記第２の電力変換装置と、共に直流側で接続される第３の電力変換装置であり、
   前記複数の蓄電装置は、
   前記第１及び第２の電力変換装置の間、または前記第２及び第３の電力変換装置の間に設置されて、前記き電線に接続され、
   前記第１乃至第３の電力変換装置の内、最寄りの電力変換装置までの距離が遠い蓄電装置ほど、充電しやすい特性を有し、
   前記第１乃至第３の電力変換装置のうちいずれかの電力変換装置が直流電力供給システムから離脱した場合、蓄電装置の充電のしやすさが、離脱していない電力変換装置間の蓄電装置の配置に応じて再設定されることを特徴とする請求項１に記載の直流電力供給システム。
4. 前記蓄電装置の充放電は、架線電圧に応じて充電電流及び放電電流が決定され、
   前記蓄電装置は、充電開始電圧を引き下げることにより、充電しやすい特性に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直流電力供給システム。
5. 前記充電開始電圧とＳＯＣとの関係を示すＳＯＣ−Ｖ特性が設定され、該ＳＯＣ−Ｖ特性の設定を変更することにより、前記充電開始電圧が変更されることを特徴とする請求項４記載の直流電力供給システム。
6. 前記蓄電装置の充放電は、架線電圧に応じて充電電流及び放電電流が決定されると共に、前記蓄電装置のＳＯＣに応じて該ＳＯＣ調整用の浮動充電電流を流すフローティング充放電制御が行われ、
   前記充電しやすい特性は、前記浮動充電電流の最大電流を大きくすることで達成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直流電力供給システム。

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