JP6342082B2

JP6342082B2 - 駅舎補助電源装置

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Publication number: JP6342082B2
Application number: JP2017536147A
Authority: JP
Inventors: 俊明竹岡; 松本　真一; 真一松本; 修司石倉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2035-08-27
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Description

本発明は、駅舎の電気設備に電力を供給する駅舎補助電源装置に関するものである。

近年の鉄道システムでは、回生ブレーキを搭載した電気車が普及している。しかしながら、電気車から交流架線に戻された回生電力を消費する負荷としての他の電気車が少ないまたは存在しない場合、余剰となった回生電力を、変電所を通じて電力会社に返すことになり、有効活用できない。また、直流架線では、回生失効となって回生ブレーキを使用できない可能性がある。

前述の課題に対して、特許文献１では、回生電力を消費する電気車が存在しない場合に、回生電力で電力貯蔵装置を充電するシステムが開示されている。このシステムでは、き電電圧である架線電圧が充電開始電圧以上になると回生電力を直流電力に変換して電力貯蔵装置を充電し、架線電圧が放電開始電圧以下になると電力貯蔵装置に蓄積された電力を架線へ放電する。ここで、充電開始電圧が固定の場合、早朝または深夜などの無負荷時に架線電圧が上昇して充電開始電圧に達すると、電気車の回生電力ではなく変電所から供給される電力を電力貯蔵装置に充電することによる横流が発生する可能性がある。特許文献１のシステムでは、横流を回避するため、架線電圧を一定時間監視して平均電圧を求め、架線電圧の平均電圧より数ボルト高い電圧値を充電開始電圧に設定している。

また、上記の課題に対して、特許文献２では、変電所に設置された整流器の出力電圧には周波数成分であるリップル成分が有り、電気車の回生電圧にはリップル成分が無いことを利用し、リップル成分が無くなるときの架線電圧がリップルピーク電圧と同値と判断して無負荷電圧を推定し、推定された無負荷電圧に基づいて回生開始電圧を定期的に設定するシステムが開示されている。

特開２００６−１６８３９０号公報特開２０１４−１２９００１号公報

しかしながら、特許文献１の技術によれば、ラッシュ時間帯など電気車間で回生電力を融通して架線電圧が低下している状態でも、融通している回生電力を電力貯蔵装置に蓄える、または駅舎内の負荷で消費する可能性がある。電気車間で回生電力を融通している状態では、回生電力を電力貯蔵装置に蓄えず、また、駅舎内の負荷で消費しないことが望ましい。また、特許文献２の技術は、変電所に設置された整流器のリップル成分を利用しているものであり、交流架線方式には適用できない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、交流架線方式において回生電力を効率的に利用可能な駅舎補助電源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、本発明の駅舎補助電源装置は、電気車と接続する交流架線と交流架線に交流電力を供給する変電所との間の電力の流れの向きを示す潮流方向の情報である第１の信号に基づいて、交流架線側の第１の交流電力を負荷で使用可能な第２の交流電力に変換するか否かを決定する動作開始決定部を備える。また、駅舎補助電源装置は、動作開始決定部の決定に応じて電圧指令値を算出する電圧指令値算出部を備える。また、駅舎補助電源装置は、電圧指令値に基づいて、第１の交流電力を第２の交流電力に変換する際に駆動する電力変換回路への制御信号を生成して出力する制御信号生成部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、交流架線方式において回生電力を効率的に利用できる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる駅舎補助電源装置を含む鉄道システムの構成例を示す図実施の形態１にかかる制御装置の構成例を示す図実施の形態１にかかる制御装置の構成例を示す図実施の形態１にかかる駅舎補助電源装置における交流電力の変換動作を示すフローチャート実施の形態１にかかる電力潮流検出部の動作を示すフローチャート実施の形態１にかかる制御装置のインタフェース部の動作を示すフローチャート実施の形態１にかかる制御装置の動作開始決定部の動作を示すフローチャート実施の形態１にかかる制御装置の電圧指令値算出部の動作を示すフローチャート実施の形態１にかかる制御装置のＰＷＭ信号生成部の動作を示すフローチャート実施の形態１にかかる駅舎補助電源装置の制御装置のハードウェア構成の例を示す図実施の形態１にかかる駅舎補助電源装置の制御装置のハードウェア構成の例を示す図実施の形態２にかかる駅舎補助電源装置を含む鉄道システムの構成例を示す図実施の形態２にかかる電力潮流検出装置および制御装置の構成例を示す図実施の形態２にかかる制御装置の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる駅舎補助電源装置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、本発明の実施の形態１にかかる駅舎補助電源装置１を含む鉄道システム５０の構成例を示す図である。鉄道システム５０は、電気車２０１，２０２と、電気車２０１，２０２に交流電力を供給する交流架線２００と、交流架線２００に交流電力を供給する変電所１００と、駅舎補助電源装置１を備える駅舎３００と、駅舎３００に交流電力を供給する変電所１１０と、を備える。鉄道システム５０は、交流架線方式の鉄道システムである。

電気車２０１は、回生ブレーキを搭載した電気車である。電気車２０１は、変電所１００から交流架線２００経由で供給された、例えば、ＡＣ（Alternating Current）２０ｋＶの交流電力を使用して走行する。また、電気車２０１は、回生ブレーキを使用して回生電力が発電された場合、発電された回生電力を交流架線２００へ出力する。なお、電気車２０２は、電気車２０１と同様の構成とする。

交流架線２００は、変電所１００と接続しており、変電所１００から供給されたＡＣ２０ｋＶの交流電力を電気車２０１，２０２などへ供給する。また、交流架線２００は、電気車２０１，２０２で発電された回生電力を、他の電気車、駅舎３００、または変電所１００などに供給する。図１では、交流架線２００が、電気車２０１で発電された回生電力を、電気車２０２、駅舎３００、または変電所１００に供給する例を示している。なお、交流架線２００は、電気車２０２で発電された回生電力を、電気車２０１、駅舎３００、または変電所１００に供給することも可能である。交流架線２００の交流電力は、図１ではＡＣ２０ｋＶとしているが一例であり、ＡＣ２５ｋＶなどであってもよい。

変電所１００には、変圧器１０１および電力潮流検出部１６が設置されている。変圧器１０１は、発電所または上位の変電所から供給された交流電力を、図１の例ではＡＣ２０ｋＶに変圧し、変圧後のＡＣ２０ｋＶの交流電力を交流架線２００へ供給する。なお、変電所１００では、電気車２０１，２０２で発電された回生電力が交流架線２００へ出力された場合、交流架線２００から回生電力による交流電力が流れてくることがある。

電力潮流検出部１６は、変電所１００における電力の潮流方向、すなわち、交流架線２００と変電所１００との間の交流電力の流れる向きを検出する。潮流方向は、交流架線２００と変電所１００との間の交流電力の流れる向きのことであり、ここでは、変圧器１０１で変圧された交流電力が交流架線２００へ供給される場合の交流電力の流れを順方向、交流架線２００から回生電力が変電所１００に流れてくる場合の交流電力の流れを逆方向とする。電力潮流検出部１６は、検出した電力の潮流方向の情報を、駅舎３００が備える駅舎補助電源装置１へ出力する。電力潮流検出部１６は、例えば、電力計の場合、変電所１００から交流架線２００へ交流電力を供給している順方向の状態では測定した電力値を正の値として駅舎補助電源装置１へ出力し、交流架線２００から回生電力が変電所１００に送られてくる逆方向の状態では測定した電力値を負の値として駅舎補助電源装置１へ出力する。

電力潮流検出部１６の構成について、電力計は一例であってこれに限定されるものではない。例えば、電力潮流検出部１６について、電圧センサおよび電流センサで構成し、電圧センサで計測された電圧値および電流センサで計測された電流値の情報を駅舎補助電源装置１へ出力してもよい。この場合、駅舎補助電源装置１では、後述する制御装置１１のインタフェース部２０または動作開始決定部２１において、電圧センサで計測された電圧値および電流センサで計測された電流値を用いて、演算により電力値の情報を得ることができる。以降の説明では、電力潮流検出部１６が電力計の場合を想定して説明する。なお、電力潮流検出部１６は、図１では変電所１００内に設置されているが一例であり、変電所１００の変圧器１０１と交流架線２００の間であれば、変電所１００の外部にあってもよい。

変電所１１０は、変圧器１１１を備える。変圧器１１１は、発電所または上位の変電所から供給された交流電力を、図１の例ではＡＣ６６００Ｖに変圧し、変圧後のＡＣ６６００Ｖの交流電力を駅舎３００へ供給する。

駅舎３００は、変圧器３０１と、負荷３０２と、駅舎補助電源装置１と、を備える。変圧器３０１は、変電所１１０で生成されたＡＣ６６００Ｖの交流電力を、例えば、ＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換する。変圧器３０１は、変換後のＡＣ２１０Ｖの交流電力を負荷３０２へ供給する。負荷３０２は、駅舎３００に設置された照明装置、空調装置、表示装置、エレベータ、およびエスカレーターなどの電気設備である。負荷３０２は、後述するように、駅舎補助電源装置１からＡＣ２１０Ｖの交流電力の供給を受けることも可能であるが、通常時は変圧器３０１から供給されたＡＣ２１０Ｖの交流電力を使用する。

駅舎補助電源装置１は、交流架線２００から供給されたＡＣ２０ｋＶの交流電力を変換し、駅舎３００の負荷３０２が使用可能なＡＣ２１０Ｖの交流電力を生成できるように構成されている。ただし、駅舎補助電源装置１は、交流電力の変換動作を常に行うのではなく、鉄道システム５０内の各電気車で発電された回生電力を電気車間で消費しきれるか否かを判定し、消費しきれない場合に変換動作を実施する。すなわち、駅舎補助電源装置１は、回生ブレーキを使用して減速している電気車で発電された電力の方が、他の力行中の電気車などで消費される電力よりも大きい場合に、変換動作を実施する。鉄道システム５０では、駅舎補助電源装置１の制御により、図１に示す横流、すなわち変電所１００からのＡＣ２０ｋＶの交流電力を駅舎３００で消費することを回避することができる。

駅舎補助電源装置１は、制御装置１１と、変圧器１２と、コンバータ１３と、インバータ１４と、電圧検出部１５と、を備える。

制御装置１１は、変電所１００に設置された電力潮流検出部１６から取得した潮流方向の情報に基づいて、運用中の電気車、図１の例では電気車２０１，２０２で発電された回生電力を交流架線２００経由で受け取って負荷３０２への供給電力に変換する必要があるかどうか判断する。制御装置１１は、必要と判断した場合、交流架線２００から供給されたＡＣ２０ｋＶの交流電力を変圧器１２で変圧した後、電圧検出部１５で検出された負荷３０２側の交流電力の電圧値の情報を用いて、コンバータ１３およびインバータ１４の駆動を制御して交流電力の変換動作を実施させる。

変圧器１２は、交流架線２００から供給されたＡＣ２０ｋＶの交流電力を、コンバータ１３で扱うことが可能な大きさの交流電力に変圧する。

コンバータ１３およびインバータ１４は、スイッチング素子を含んで構成され、制御装置１１からの制御信号であるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に従って各スイッチング素子をオン、オフさせることにより、交流架線２００側のＡＣ２０ｋＶの交流電力を、負荷３０２への供給電力であるＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換する。コンバータ１３については、スイッチング素子を使用せずにダイオードで構成してもよい。コンバータ１３およびインバータ１４をまとめて電力変換回路と称することがある。

電圧検出部１５は、インバータ１４からの出力電圧の電圧値であって、負荷３０２側の交流電力の電圧値を検出する。

図１では電力潮流検出部１６は変電所１００内に設置されているが、電力潮流検出部１６から出力される電力の潮流方向の情報は、変電所１００ではなく駅舎補助電源装置１で必要な情報である。そのため、設置場所が離れているが、電力潮流検出部１６を含めて駅舎補助電源装置１としてもよい。

制御装置１１の詳細な構成について説明する。図２および図３は、実施の形態１にかかる制御装置１１の構成例を示す図である。また、図２は、実施の形態１において電力潮流検出部１６を含む場合の駅舎補助電源装置１の構成を示し、図３は、実施の形態１において電力潮流検出部１６を含まない場合の駅舎補助電源装置１の構成を示している。制御装置１１は、インタフェース部２０と、動作開始決定部２１と、電圧指令値算出部２２と、ＰＷＭ信号生成部２３と、を備える。

インタフェース部２０は、電力潮流検出部１６から入力された電力の潮流方向の情報を、後段の動作開始決定部２１において処理することが可能な第１の信号に変換する信号変換部である。インタフェース部２０は、例えば、電力潮流検出部１６が電力計の場合、電力潮流検出部１６から入力された電力の潮流方向を示す情報である電力値をＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換する。インタフェース部２０は、電力潮流検出部１６から入力されたアナログ信号による電力値を、後段の動作開始決定部２１において処理することが可能なデジタル信号による電力値の信号である第１の信号に変換する。

具体的に、インタフェース部２０は、電力潮流検出部１６から入力された潮流方向の情報、電力潮流検出部１６が電力計の場合であれば電力計で測定された電力値をＡ／Ｄ変換し、後段の動作開始決定部２１で扱うことが可能な−１０Ｖから＋１０Ｖの範囲の電圧を示すデジタル信号に変換する。または、インタフェース部２０は、電力潮流検出部１６が電力計の場合であれば電力計で測定された電力値をＡ／Ｄ変換し、後段の動作開始決定部２１で扱うことが可能な「０」および「１」からなるデジタル信号に変換する。

動作開始決定部２１は、インタフェース部２０でデジタル信号に変換された潮流方向の情報である第１の信号に基づいて、交流架線２００のＡＣ２０ｋＶの交流電力である第１の交流電力を、負荷３０２が使用可能なＡＣ２１０Ｖの交流電力である第２の交流電力に変換するか否かを決定する。

動作開始決定部２１は、例えば、電力潮流検出部１６が電力計であって入力された第１の信号が逆方向の流れを示す負の値の場合、交流電力の流れが交流架線２００から変電所１００への方向、すなわち逆方向であると判定する。この場合、動作開始決定部２１は、電気車で発電された回生電力が他の電気車で消費しきれていないため変電所１００へ流れ込んでいると判定し、電気車で発電された交流架線２００の回生電力を駅舎３００の負荷３０２で消費するため、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換することを決定する。

一方、動作開始決定部２１は、例えば、電力潮流検出部１６が電力計であって入力された第１の信号が順方向の流れを示す正の値の場合、交流電力の流れが変電所１００から交流架線２００への方向、すなわち順方向であると判定する。この場合、動作開始決定部２１は、電気車２０１で発電された回生電力が電気車２０２で消費しきれていると判定し、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換しないことを決定する。

動作開始決定部２１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換すると決定した場合、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換することを示す信号である第２の信号として、例えば値が「１」の信号を生成して後段の電圧指令値算出部２２へ出力する。動作開始決定部２１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換しないと決定した場合、例えば値が「０」の信号を生成して後段の電圧指令値算出部２２へ出力する。なお、値が「１」および「０」の信号は一例であって、後段の電圧指令値算出部２２において動作開始決定部２１の決定内容が判別できれば、「１」および「０」以外の信号パターンを用いてもよい。

または、動作開始決定部２１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換すると決定した場合、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換することを示す信号である第２の信号を生成して後段の電圧指令値算出部２２へ出力し、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換しないと決定した場合は後段の電圧指令値算出部２２へ第２の信号を出力しなくてもよい。

電圧指令値算出部２２は、動作開始決定部２１から第２の信号が入力された場合、電圧検出部１５で検出された負荷３０２側のＡＣ２１０Ｖの交流電力の電圧値に予め設定された駅舎補助電源装置１で吸収する電力値を加え、ＰＷＭ信号生成部２３における設定電圧である電圧指令値を算出する。電圧指令値算出部２２は、算出した電圧指令値をＰＷＭ信号生成部２３へ出力する。

ＰＷＭ信号生成部２３は、電圧指令値算出部２２から入力された電圧指令値に基づいて、コンバータ１３の駆動を制御する制御信号であるＰＷＭ信号を生成し、インバータ１４の駆動を制御する制御信号であるＰＷＭ信号を生成する制御信号生成部である。ＰＷＭ信号生成部２３は、例えば、コンバータ１３が上アームおよび下アームのスイッチング素子を有する２相構成の場合、２相分の４つのスイッチング素子の駆動を制御する４つのＰＷＭ信号ＣＧＵ，ＣＧＶ，ＣＧＸ，ＣＧＹを生成する。また、ＰＷＭ信号生成部２３は、例えば、インバータ１４が上アームおよび下アームのスイッチング素子を有する３相構成の場合、３相分の６つのスイッチング素子の駆動を制御する６つのＰＷＭ信号ＩＧＵ，ＩＧＶ，ＩＧＷ，ＩＧＸ，ＩＧＹ，ＩＧＺを生成する。ＰＷＭ信号生成部２３は、生成したコンバータ１３用の４つのＰＷＭ信号ＣＧＵ，ＣＧＶ，ＣＧＸ，ＣＧＹをコンバータ１３へ出力し、生成したインバータ１４用の６つのＰＷＭ信号ＩＧＵ，ＩＧＶ，ＩＧＷ，ＩＧＸ，ＩＧＹ，ＩＧＺをインバータ１４へ出力する。なお、前述のようにコンバータ１３がスイッチング素子を使用せずにダイオードで構成されている場合、ＰＷＭ信号生成部２３は、インバータ１４用のＰＷＭ信号のみ生成して出力し、コンバータ１３用のＰＷＭ信号は生成しないこととする。

制御装置１１において、電圧指令値算出部２２は、動作開始決定部２１から交流架線２００側のＡＣ２０ｋＶの交流電力を負荷３０２側のＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換することを示す第２の信号が入力されない場合、電圧検出部１５で検出された電圧に一致した電圧指令値を算出し、ＰＷＭ信号生成部２３へ出力する。このように、電圧指令値算出部２２は、第２の信号に応じた電圧指令値を算出する。

つづいて、駅舎補助電源装置１において、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換する処理について説明する。図４は、実施の形態１にかかる駅舎補助電源装置１における交流電力の変換動作を示すフローチャートである。ここでは、図１に示すように、電気車２０１で回生電力が発電された場合の駅舎補助電源装置１の処理について説明する。

まず、電力潮流検出部１６は、変電所１００と交流架線２００との間の電力の潮流方向を検出し、潮流方向の情報を制御装置１１へ出力する（ステップＳ１）。図４のステップＳ１における電力潮流検出部１６の詳細な動作について説明する。図５は、実施の形態１にかかる電力潮流検出部１６の動作を示すフローチャートである。電力潮流検出部１６は、周期的に、例えば２０ｍｓ毎に変電所１００と交流架線２００との間の電力の潮流方向を検出しており、電力の潮流方向を検出するタイミングになるまでは待機し（ステップＳ１１：Ｎｏ）、電力の潮流方向を検出するタイミングになると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、電力の潮流方向を検出する（ステップＳ１２）。電力潮流検出部１６は、潮流方向の情報を制御装置１１へ出力する（ステップＳ１３）。なお、電力潮流検出部１６において２０ｍｓ毎に変電所１００と交流架線２００との間の電力の潮流方向を検出するのは一例であって、検出する間隔は２０ｍｓに限定されるものではない。

図４のフローチャートに戻って、制御装置１１では、電力潮流検出部１６から潮流方向の情報が入力されると、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換するか否かを決定する（ステップＳ２）。図４のステップＳ２における制御装置１１の詳細な動作について説明する。図６は、実施の形態１にかかる制御装置１１のインタフェース部２０の動作を示すフローチャートである。インタフェース部２０は、電力潮流検出部１６から潮流方向の情報が入力されると（ステップＳ２１）、潮流方向の情報を、後段の動作開始決定部２１で扱うことが可能な信号である第１の信号に変換する（ステップＳ２２）。インタフェース部２０は、変換後の第１の信号を動作開始決定部２１へ出力する（ステップＳ２３）。

図７は、実施の形態１にかかる制御装置１１の動作開始決定部２１の動作を示すフローチャートである。動作開始決定部２１は、インタフェース部２０からデジタル信号に変換された潮流方向の情報である第１の信号が入力されると（ステップＳ３１）、第１の信号に基づいて、交流架線２００と変電所１００との間の電力の向きを判定する（ステップＳ３２）。動作開始決定部２１は、例えば、電力潮流検出部１６が電力計の場合、潮流方向の情報が変換された第１の信号が正の値であれば電力の流れは順方向、すなわち、図１の例では電気車２０１で発電された回生電力は他の電気車２０２で消費しきれているため、変電所１００から交流架線２００へ交流電力が供給されていると判定する（ステップＳ３３：Ｎｏ）。一方、動作開始決定部２１は、例えば、電力潮流検出部１６が電力計の場合、潮流方向の情報が変換された第１の信号が負の値であれば電力の流れは逆方向、すなわち、図１の例では電気車２０１で発電された回生電力は他の電気車２０２で消費しきれていないため、交流架線２００から変電所１００へ回生電力が流れていると判定する（ステップＳ３３：Ｙｅｓ）。

動作開始決定部２１は、交流架線２００から変電所１００へ回生電力が流れていると判定した場合（ステップＳ３３：Ｙｅｓ）、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換することを決定する（ステップＳ３４）。動作開始決定部２１は、交流電力の変換を行うことを示す第２の信号を生成し（ステップＳ３５）、生成した第２の信号を電圧指令値算出部２２へ出力する（ステップＳ３６）。

動作開始決定部２１は、変電所１００から交流架線２００へ交流電力が供給されていると判定した場合（ステップＳ３３：Ｎｏ）、さらに、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換中か否かを確認する（ステップＳ３７）。動作開始決定部２１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換中の場合（ステップＳ３７：Ｙｅｓ）、交流架線２００側の交流電力から負荷３０２側の交流電力への変換を停止することを決定する（ステップＳ３８）。動作開始決定部２１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換していたときは、第２の信号の生成および出力を停止する（ステップＳ３９）。動作開始決定部２１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換していない場合（ステップＳ３７：Ｎｏ）、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換しないことを決定する（ステップＳ４０）。この場合、動作開始決定部２１は、第２の信号を生成しない。

図４のフローチャートに戻って、制御装置１１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換することを決定した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換する動作を実施して（ステップＳ３）、ステップＳ１の処理に戻る。一方、制御装置１１は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換しないことを決定した場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換する動作を実施せずに（ステップＳ４）、ステップＳ１の処理に戻る。具体的に、図７に示す動作開始決定部２１の動作において、ステップＳ３３：Ｙｅｓの場合が図４に示すステップＳ２：Ｙｅｓの流れに相当し、ステップＳ３３：Ｎｏの場合が図４に示すステップＳ２：Ｎｏの流れに相当する。

図４のステップＳ３における制御装置１１の詳細な動作について説明する。図８は、実施の形態１にかかる制御装置１１の電圧指令値算出部２２の動作を示すフローチャートである。電圧指令値算出部２２は、電圧検出部１５から負荷３０２側の交流電力の電圧値の情報を取得する（ステップＳ４１）。電圧指令値算出部２２は、動作開始決定部２１から第２の信号が入力されない場合（ステップＳ４２：Ｎｏ）、電圧検出部１５から取得した負荷３０２側の交流電力の電圧値に一致した電圧指令値を算出する（ステップＳ４３）。電圧指令値算出部２２は、動作開始決定部２１から第２の信号が入力された場合（ステップＳ４２：Ｙｅｓ）、電圧検出部１５から取得した負荷３０２側の交流電力の電圧値に予め設定された駅舎補助電源装置１で吸収する電力値を加えてＰＷＭ信号生成部２３に対する電圧指令値を算出する（ステップＳ４４）。電圧指令値算出部２２は、ステップＳ４３またはステップＳ４４において電圧指令値を算出後、算出した電圧指令値をＰＷＭ信号生成部２３へ出力する（ステップＳ４５）。

図９は、実施の形態１にかかる制御装置１１のＰＷＭ信号生成部２３の動作を示すフローチャートである。ＰＷＭ信号生成部２３は、電圧指令値算出部２２から電圧指令値が入力されると（ステップＳ５１）、電圧指令値に基づいて、コンバータ１３の駆動を制御するＰＷＭ信号を生成し、インバータ１４の駆動を制御するＰＷＭ信号を生成する（ステップＳ５２）。そして、ＰＷＭ信号生成部２３は、生成したコンバータ１３用のＰＷＭ信号をコンバータ１３へ出力し、生成したインバータ１４用のＰＷＭ信号をインバータ１４へ出力する（ステップＳ５３）。

以上の動作によって、駅舎補助電源装置１は、交流架線２００から変電所１００に交流電力が流れている、すなわち、電気車で発電された回生電力が交流架線２００から変電所１００に流れている場合、交流架線２００側のＡＣ２０ｋＶの交流電力を負荷３０２側のＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換し、電気車で発電された回生電力を駅舎３００の負荷３０２で消費する。

また、駅舎補助電源装置１は、変電所１００から交流架線２００に交流電力が流れている、すなわち、電気車で発電された回生電力が交流架線２００から変電所１００に流れていない場合、交流架線２００側のＡＣ２０ｋＶの交流電力を負荷３０２側のＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換する処理を実施しない。

また、駅舎補助電源装置１は、交流架線２００側のＡＣ２０ｋＶの交流電力を負荷３０２側のＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換中に、交流架線２００と変電所１００との間の交流電力の流れが変電所１００から交流架線２００の向きに変わった場合、交流架線２００側のＡＣ２０ｋＶの交流電力を負荷３０２側のＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換する処理を停止する。

つづいて、駅舎補助電源装置１の構成について説明する。駅舎補助電源装置１において、変圧器１２は変圧回路、コンバータ１３は交流直流変換回路、インバータ１４は直流交流変換回路、電圧検出部１５は電圧計によって実現される。また、電力潮流検出部１６を駅舎補助電源装置１に含めた場合において、電力潮流検出部１６は、例えば、電力計によって実現される。以降の説明では、駅舎補助電源装置１の構成のうち、制御装置１１の部分について説明する。

図１０および図１１は、実施の形態１にかかる駅舎補助電源装置１の制御装置１１のハードウェア構成の例を示す図である。駅舎補助電源装置１の制御装置１１におけるインタフェース部２０、動作開始決定部２１、電圧指令値算出部２２、およびＰＷＭ信号生成部２３の各機能は、処理回路９１により実現される。すなわち、駅舎補助電源装置１の制御装置１１は、潮流方向の情報を第１の信号に変換し、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換するか否かを決定し、電圧指令値を算出し、コンバータ１３およびインバータ１４の駆動を制御するためのＰＷＭ信号を生成するための処理装置を備える。処理回路９１は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリ９３に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）９２およびメモリ９３であってもよい。ＣＰＵ９２は、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであってもよい。

処理回路９１が専用のハードウェアである場合、処理回路９１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。インタフェース部２０、動作開始決定部２１、電圧指令値算出部２２、およびＰＷＭ信号生成部２３の各部の機能それぞれを処理回路９１で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路９１で実現してもよい。

処理回路９１がＣＰＵ９２およびメモリ９３の場合、インタフェース部２０、動作開始決定部２１、電圧指令値算出部２２、およびＰＷＭ信号生成部２３の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９３に格納される。処理回路９１では、メモリ９３に記憶されたプログラムをＣＰＵ９２が読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、駅舎補助電源装置１の制御装置１１は、処理回路９１により実行されるときに、潮流方向の情報を第１の信号に変換するステップ、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換するか否かを決定するステップ、電圧指令値を算出するステップ、コンバータ１３およびインバータ１４の駆動を制御するためのＰＷＭ信号を生成するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９３を備える。また、これらのプログラムは、インタフェース部２０、動作開始決定部２１、電圧指令値算出部２２、およびＰＷＭ信号生成部２３の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ９３とは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically EPROM）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などが該当する。

なお、インタフェース部２０、動作開始決定部２１、電圧指令値算出部２２、およびＰＷＭ信号生成部２３の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、インタフェース部２０および動作開始決定部２１については専用のハードウェアとしての処理回路９１でその機能を実現し、電圧指令値算出部２２およびＰＷＭ信号生成部２３については処理回路９１においてＣＰＵ９２がメモリ９３に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。

このように、処理回路９１は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。なお、インタフェース部２０については、前述の構成に限定されず、Ａ／Ｄ変換回路によって実現してもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、交流架線方式の鉄道システム５０において、駅舎補助電源装置１は、交流架線２００と変電所１００との間の交流電力の潮流方向の情報に基づいて、交流架線２００から変電所１００へ交流電力が流れている場合は、電気車で発生した回生電力が他の電気車で消費しきれずに変電所１００へ流れ込んでいると判定し、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換する。また、駅舎補助電源装置１は、変電所１００から交流架線２００へ交流電力が流れている場合は、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換しないこととした。これにより、駅舎補助電源装置１では、電気車で発電された回生電力が他の電気車で使用されている場合は交流電力の変換を実施せず、電気車で発電された回生電力が他の電気車で消費しきれていない場合は交流電力の変換を実施することにより、駅舎３００の負荷３０２において、電気車で発電された回生電力を効率的に利用することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、制御装置１１が、電力潮流検出部１６から潮流方向の情報を取得して、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換するか否かを決定し、変換することを決定した場合に、交流電力の変換処理を実施した。実施の形態２では、交流架線２００側の交流電力を負荷３０２側の交流電力に変換するか否かを決定するまでの処理を駅舎の外部で行う場合について説明する。実施の形態１と異なる部分について説明する。

図１２は、本発明の実施の形態２にかかる駅舎補助電源装置１ａを含む鉄道システム５０ａの構成例を示す図である。鉄道システム５０ａは、図１に示す実施の形態１の鉄道システム５０に対して、駅舎３００および変電所１００に換えて、駅舎３００ａおよび変電所１００ａを備えている。

変電所１００ａには、図１に示す実施の形態１の変電所１００に対して、電力潮流検出部１６に換えて、電力潮流検出装置１７が設置されている。図１３は、実施の形態２にかかる電力潮流検出装置１７および制御装置１１ａの構成例を示す図である。電力潮流検出装置１７は、電力潮流検出部１６と、インタフェース部２０と、動作開始決定部２１と、を備える。電力潮流検出部１６、インタフェース部２０、および動作開始決定部２１の各部は、実施の形態１と同様の動作を行う。電力潮流検出装置１７は、電気車と接続する交流架線２００と交流架線２００に交流電力を供給する変電所１００ａとの間の電力の流れの向きを示す潮流方向を検出する。また、電力潮流検出装置１７は、潮流方向の情報を第１の信号に変換する。また、電力潮流検出装置１７は、第１の信号に基づいて、交流架線２００側の第１の交流電力を負荷３０２で使用可能な第２の交流電力に変換するか否かを決定し、変換することを決定した場合は第２の信号を生成して出力する。

図１２では電力潮流検出装置１７は変電所１００ａ内に設置されているが、電力潮流検出装置１７から出力される第２の信号は、変電所１００ａではなく駅舎補助電源装置１ａで必要な信号である。そのため、設置場所が離れているが、電力潮流検出装置１７を含めて駅舎補助電源装置１ａとしてもよい。図１４は、実施の形態２にかかる制御装置１１ａの構成例を示す図である。実施の形態１の図２および図３と同様、図１３は、実施の形態２において電力潮流検出装置１７を含む場合の駅舎補助電源装置１ａの構成を示し、図１４は、実施の形態２において電力潮流検出装置１７を含まない場合の駅舎補助電源装置１ａの構成を示している。

駅舎３００ａは、図１に示す実施の形態１の駅舎３００に対して、制御装置１１に換えて、制御装置１１ａを備える。図１３および図１４に示すように、制御装置１１ａは、電圧指令値算出部２２およびＰＷＭ信号生成部２３を備える。電圧指令値算出部２２およびＰＷＭ信号生成部２３の各部は、実施の形態１と同様の動作を行う。

このように、実施の形態１の鉄道システム５０と実施の形態２の鉄道システム５０ａとの違いは、インタフェース部２０および動作開始決定部２１の配置が、駅舎側から変電所側に変更されたのみである。

実施の形態２の駅舎補助電源装置１ａにおいて、交流架線２００のＡＣ２０ｋＶの交流電力をＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換する処理および各部の処理は、実施の形態１で説明した図４から図９のフローチャートと同様である。そのため、駅舎補助電源装置１ａにおいて、交流架線２００のＡＣ２０ｋＶの交流電力をＡＣ２１０Ｖの交流電力に変換する処理の説明は省略する。実施の形態２では、図４に示すステップＳ２の処理が、駅舎３００ａ側ではなく変電所１００ａ側で行われている。

また、図１３に示す電力潮流検出装置１７のうちインタフェース部２０および動作開始決定部２１の部分、および図１３および図１４に示す制御装置１１ａの電圧指令値算出部２２およびＰＷＭ信号生成部２３について、図１０および図１１に示すハードウェア構成の例により実現される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、実施の形態１において制御装置１１に備えていたインタフェース部２０および動作開始決定部２１を、変電所１００ａの電力潮流検出装置１７に備えることとした。この場合においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明は、電気車で発電された回生電力を駅舎内の負荷で使用する電力に変換する駅舎補助電源装置として有用である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１ａ駅舎補助電源装置、１１，１１ａ制御装置、１２，１０１，１１１，３０１変圧器、１３コンバータ、１４インバータ、１５電圧検出部、１６電力潮流検出部、１７電力潮流検出装置、２０インタフェース部、２１動作開始決定部、２２電圧指令値算出部、２３ＰＷＭ信号生成部、５０，５０ａ鉄道システム、１００，１００ａ，１１０変電所、２００交流架線、２０１，２０２電気車、３００，３００ａ駅舎、３０２負荷。

Claims

電気車と接続する交流架線と前記交流架線に交流電力を供給する変電所との間の電力の流れの向きを示す潮流方向の情報である第１の信号に基づいて、前記交流架線側の第１の交流電力を負荷で使用可能な第２の交流電力に変換するか否かを決定する動作開始決定部と、
前記動作開始決定部の決定に応じて電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
前記電圧指令値に基づいて、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換する電力変換回路への制御信号を生成して出力する制御信号生成部と、
を備えることを特徴とする駅舎補助電源装置。
前記動作開始決定部は、前記第１の信号に基づいて、前記潮流方向の情報が前記交流架線から前記変電所へ交流電力が流れていることを示している場合、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換することを決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の駅舎補助電源装置。
前記動作開始決定部は、前記第１の信号に基づいて、前記潮流方向の情報が前記変電所から前記交流架線へ交流電力が流れていることを示している場合、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換しないことを決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の駅舎補助電源装置。
前記動作開始決定部は、前記第１の信号に基づいて、前記潮流方向の情報が前記変電所から前記交流架線へ交流電力が流れていることを示している場合、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換しないことを決定し、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換していたときは前記第１の交流電力から前記第２の交流電力への変換を停止する、
ことを特徴とする請求項２に記載の駅舎補助電源装置。
前記電圧指令値算出部は、前記負荷側の交流電力の電圧値に基づいて前記電圧指令値を算出する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の駅舎補助電源装置。
前記電圧指令値算出部は、前記動作開始決定部が前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換することを決定した場合、前記電圧指令値として、前記負荷側の交流電力の電圧値に自駅舎補助電源装置で吸収する電力値を加えた値とする、
ことを特徴とする請求項５に記載の駅舎補助電源装置。
前記電圧指令値算出部は、前記動作開始決定部が前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換しないことを決定した場合、前記電圧指令値として、前記負荷側の交流電力の電圧値とする、
ことを特徴とする請求項５または６に記載の駅舎補助電源装置。
前記交流架線と前記変電所との間の電力の流れの向きである潮流方向を検出し、前記潮流方向の情報を出力する電力潮流方向検出部、
を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の駅舎補助電源装置。
電気車と接続する交流架線と前記交流架線に交流電力を供給する変電所との間の電力の流れの向きを示す潮流方向を検出し、潮流方向の情報をデジタル信号である第１の信号に変換し、前記第１の信号に基づいて、前記交流架線側の第１の交流電力を負荷で使用可能な第２の交流電力に変換するか否かを決定し、変換することを決定した場合は第２の信号を生成して出力する電力潮流方向検出装置からの前記第２の信号に応じて電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
前記電圧指令値に基づいて、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換する電力変換回路への制御信号を生成して出力する制御信号生成部と、
を備えることを特徴とする駅舎補助電源装置。
前記電力潮流方向検出装置を備え、前記電力潮流方向検出装置は、
前記交流架線と前記変電所との間の電力の流れの向きを示す潮流方向を検出し、前記潮流方向の情報を出力する電力潮流方向検出部と、
前記潮流方向の情報をデジタル信号である前記第１の信号に変換する信号変換部と、
前記第１の信号に基づいて、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換するか否かを決定し、変換することを決定した場合は前記第２の信号を生成して出力する動作開始決定部と、
を備えることを特徴とする請求項９に記載の駅舎補助電源装置。
前記動作開始決定部は、前記第１の信号に基づいて、前記潮流方向の情報が前記交流架線から前記変電所へ交流電力が流れていることを示している場合、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換することを決定し、前記第２の信号を生成して出力する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の駅舎補助電源装置。
前記動作開始決定部は、前記第１の信号に基づいて、前記潮流方向の情報が前記変電所から前記交流架線へ交流電力が流れていることを示している場合、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換しないことを決定し、前記第２の信号を生成しない、
ことを特徴とする請求項１０に記載の駅舎補助電源装置。
前記動作開始決定部は、前記第１の信号に基づいて、前記潮流方向の情報が前記変電所から前記交流架線へ交流電力が流れていることを示している場合、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換しないことを決定し、前記第１の交流電力を前記第２の交流電力に変換しているときは前記第２の信号の生成および出力を停止する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の駅舎補助電源装置。
前記電圧指令値算出部は、前記負荷側の交流電力の電圧値に基づいて前記電圧指令値を算出する、
ことを特徴とする請求項９から１３のいずれか１項に記載の駅舎補助電源装置。
前記電圧指令値算出部は、前記第２の信号が入力された場合、前記電圧指令値として、前記負荷側の交流電力の電圧値に自駅舎補助電源装置で吸収する電力値を加えた値とする、
ことを特徴とする請求項１４に記載の駅舎補助電源装置。
前記電圧指令値算出部は、前記第２の信号が入力されない場合、前記電圧指令値として、前記負荷側の交流電力の電圧値とする、
ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の駅舎補助電源装置。