JP6407775B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電装置に関する。

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、架線の電圧変動が大きいと言われている。近年、このような直流電気鉄道にも、走行中の車両が減速（制動）する際に、モータを発電機として機能させて、発電した電力（回生電力）をき電側に戻す回生車の導入が進められている。

このようなき電側に戻された回生電力は、これを吸収（使用）する負荷、例えば加速している車両などが周辺に存在しなければならない。そのような負荷が無い場合には、回生車は回生失効に陥ることなる。

一方、直流き電システムは、交流の電力系統からダイオード整流器を用いて直流電源を作ることから、このような回生電力を交流の電力系統に戻すには回生インバータを設置しなければならない。

また、回生インバータを設置しても回生インバータが回生する電力を消費する負荷が交流電源系統に存在しなければ、上流の送電網（電力会社の電力系統）に逆潮流することになり、鉄道事業者に購買電力量低減の効果が得られない。

一方、車両の回生電力を吸収するために、直流き電システム内に蓄電設備を設置する場合がある。この場合、回生車の余剰回生電力を蓄電設備にて吸収することが可能であり、また、蓄電設備に蓄積したエネルギーを放電することで、き電用変電所の入力エネルギーを低減することが可能となる。また、蓄電設備を設置することで、架線電圧の変動を抑制することも可能になる。

一方で、蓄電設備に用いる蓄電池と架線との間に電圧変換用の変換器を接続する必要がある。

蓄電池と架線との間に電圧変換用の変換器を用いる従来の技術としては、例えばき電線に対して蓄電素子の電圧を昇圧して連系する昇降圧チョッパ回路で蓄電池を充放電する技術がある。この技術では、変換器の出力と、き電線に流れる電力とが等しくなり、蓄電設備の定格出力相当の昇降圧チョッパ回路を有する変換器が必要になる。

またこの技術では、蓄電池の電圧を架線の電圧の変動最低値よりも低く設定しなければ、架線の電圧が下がった場合に昇圧チョッパ回路の還流ダイオードを通じて架線に無制御な電流が流れてしまうという問題がある。

このため、蓄電池の電圧を架線の電圧の変動の最下限値より低い電圧になるように設定しなければならず、変換器として大きな電流定格が要求される。またこの技術では、リアクトルから騒音が発生し、装置もしくは装置を設置する建屋に騒音対策を施す必要がある。

これに対して、変換器に対して直列に変換器を挿入しその変換器が負担するバイアス電圧分を一定電圧にして制御する技術がある。この技術の場合、直列補償用の変換器が負荷を分担するため、一つ一つの変換器を小型化にできる。

特開２００１−２８７５７２号公報

しかしながら、上記した従来の技術では、一定電圧を出力する直列補償用の変換器の他に、架線の電圧が定格を超える電圧値にまで上昇した場合、電圧を抑制するための電流制御回路を蓄電池に直列に接続して設けることになるため、結果的に２つの電力変換器が必要となり設備が大きくなる。

またこの技術の場合、蓄電池がコンデンサに対して直列に接続される構成のため、蓄電池の電位がレールの電位から上昇し、接地との短絡防止のため蓄電池側の絶縁を強化しなければならず、安全性の確保がむずかしい。

本発明が解決しようとする課題は、負荷変動や架線の電圧変動に対応しつつ安全性を向上すると共に蓄電設備の制御性を向上することができる蓄電装置を提供することにある。

実施形態の蓄電装置は、蓄電素子、可変電圧源、連系リアクトル、電流検出器、制御回路を備える。蓄電素子は第１の極および第２の極を有する直流電線路に接続され、直流電線路への充放電が可能である。可変電圧源は直流電線路の第１の極と蓄電素子の正極との間に直列に接続され、直流電線路と蓄電素子との差分の範囲の直流電圧を発生可能である。連系リアクトルは直流電線路の第１の極と可変電圧源との間に接続されている。電流検出器は連系リアクトルに流れる電流を検出する。制御回路は電流検出器により検出される電流を用いて、回路全体の出力電圧と前記蓄電素子の出力電圧との差分を調整するように可変電圧源を駆動制御する。

第１実施形態の蓄電装置の構成を示す図である。 第２実施形態の蓄電装置の構成を示す図である。 第３実施形態の蓄電装置の構成を示す図である。 第４実施形態の蓄電装置の構成を示す図である。 半導体遮断器の構成例を示す図である。 蓄電装置の制御回路の第１の構成例（第５実施形態）を示す図である。 蓄電装置の制御回路の第２の構成例（第５実施形態）を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１を参照して一つの実施の形態の蓄電装置を説明する。
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送電線として架線とレールと電車などの車両（図示せず）で直流電線路１を構成している。この直流電線路１において、架線は正極側電位の電線路であり、第１の極としての正極１ａである。レールは負極側電位の電線路であり、第２の極としての負極１ｂである。

この直流電線路１にはダイオード整流器と回生可能な車両（回生車）が接続されている。回生車を車両負荷ともいう。

図１に示すように、この実施形態の蓄電装置２は、蓄電素子１０、可変電圧源９、連系リアクトル４、電流検出器２４、制御回路２５等を有する。

蓄電素子１０は直流電線路１への充放電が可能であり定電圧源に近い特性を有する蓄電池、いわゆるバッテリである。蓄電素子１０は畜電池の他に、例えば大きな静電容量を有するコンデンサであってもよい。

可変電圧源９は直流電線路１の正極１ａと蓄電素子１０の正極との間に直列に接続されている。可変電圧源９は例えば外部の交流電圧を直流電圧に変換して電圧を発生させる交直変換器、つまりインバータ回路である。この可変電圧源９は直流電線路１と蓄電素子１０との差分の範囲の直流電圧を発生可能な小型な回路構成のものである。

連系リアクトル４は直流電線路１の正極１ａと可変電圧源９との間の回路に接続されている。電流検出器２４は連系リアクトル４と可変電圧源９との間の回路に接続されている。電流検出器２４は連系リアクトル４に流れる電流を検出する。

制御回路２５は電流検出器２４により検出される電流を用いて回路全体の出力電圧（直流電線路１の正極１ａと負極１ｂ間の電圧）と蓄電素子１０の出力電圧との差分を調整し所望の電流を蓄電装置２が出力できるように可変電圧源９を駆動制御する。制御回路２５は蓄電素子１０の電圧よりも可変電圧源９の出力電圧が小さくなるように可変電圧源９を駆動制御する。

ここで駆動制御とは可変電圧源９を制御して可変電圧源９が発生する電圧を変化させることである。可変電圧源９は正負両方の電圧を発生することが可能である。なお可変電圧源９の詳細構成については次の実施形態以降で説明する。

制御回路２５は直流電線路１の電圧が蓄電素子１０の電圧より大きくなったときに、負の電圧を発生するよう可変電圧源９を駆動制御する。また制御回路２５は蓄電素子１０の電圧よりも可変電圧源９の出力電圧が小さくなるように可変電圧源９を駆動制御する。

この第１実施形態では、直流電線路１に負荷変動や電圧変動が生じた場合、その変動分が電流検出器２４により電流として検出されるので、制御回路２５は電流検出器２４により検出される電流に応じて直流電線路１と蓄電素子１０の出力電圧との差分を調整するように可変電圧源９を駆動制御して可変電圧源９に変動分（過不足分）の電圧を発生させるので、直流電線路１への電力供給を安定して行うことができる。

このように第１実施形態によれば、直流電線路１と蓄電素子１０との差分の範囲の直流電圧を発生可能な小型な可変電圧源９を蓄電装置２に実装し、制御回路２５がその差分の範囲の直流電圧を発生するよう可変電圧源９を駆動制御することで、直流き電システムの架線の電圧変動や負荷変動に対応しつつ可変電圧源９を含む蓄電装置２全体を小型化し蓄電装置の設備導入コストを低減しつつ蓄電設備の制御性を向上することができる。

すなわち、上記のような蓄電装置２を構成することで、連系リアクトル４の電流を電流指令に合わせて制御することが可能となり、そのときの可変電圧源９が発生する電力は出力点電圧と蓄電素子１０の出力電圧との差分だけでよいため可変電圧源９の電力容量を小さくできる。

（第２実施形態）
以下、図２〜図５を参照して上記第１実施形態を具現化した第２乃至第６実施形態を説明する。まず図２を参照して第２実施形態を説明する。なおこの第２実施形態以降において、第１実施形態と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。
図２に示すように、第２実施形態は、第１の遮断器３、半導体遮断器５、電圧検出器６、可変電圧源９、接触器１１、第２の遮断器１２、ヒューズ１３、第１の電圧検出器２０、状態検出部としての蓄電素子状態検出部２２、ダイオード２３などを有する。

第１の遮断器３は直流電線路１と蓄電素子１０との間に接続されており、制御回路２５が第１の遮断器３を開放制御することにより直流電線路１と蓄電素子１０を分離する。電圧検出器６はこの蓄電装置２の出力端電圧を検出する。第１の電圧検出器２０は直流電線路１側の電圧を検出する。

第２の遮断器１２は蓄電素子１０と可変電圧源９との間の回路に接続されている。ヒューズ１３は第２の遮断器１２と蓄電素子１０との間に接続されている。なおヒューズ１３を設けることは必須ではないが、回路の安全性をより高める上で設けることが好ましい。

接触器１１は蓄電素子１０の負極に接続されている。この接触器１１を設けることは必須ではないが上記ヒューズ１３と同様に設けることが好ましい。

蓄電素子状態検出部２２は蓄電素子１０の状態（充電率（ＳＯＣ）、温度など）を検出する。制御回路２５はこの蓄電素子状態検出部２２により検出された蓄電素子１０のＳＯＣや温度の状態に応じて可変電圧源９を駆動制御する。

具体的には蓄電素子１０のＳＯＣや温度の状態が予め設定された所定の閾値（通常駆動時のレベル）よりも高い場合、ＳＯＣや温度を低くする方向に可変電圧源９の発生電圧を抑制する（絞り込む）。第１の電圧検出器２０は直流電線路１の電圧（正極１ａと負極１ｂ間の電圧）を検出する。

ダイオード２３は連系リアクトル４と可変電圧源９との間の回路にカソード端を接続し蓄電素子１０の負極側の回路にアノード端を接続している。つまりダイオード２３は蓄電素子１０の極間に設置されている。

このダイオード２３を蓄電素子１０の極間に設置することにより第３の回路２１にあるコンデンサの電圧の上昇を抑制することができ、地絡時に過電圧から回路を保護することができる。この他、例えばダイオード２３とこのダイオード２３に直列に接続された抵抗素子を接続してもよい。

電圧検出器６は第１の遮断器３と蓄電素子１０との間に接続され、第１の遮断器３と蓄電素子１０との間の蓄電素子１０側の電圧を検出する。

半導体遮断器５は直流電線路１の正極１ａと可変電圧源９との間に接続されており、制御回路２５からの制御により、正方向（順方向）および／または逆方向に電流を流し、かつ電流の流れを遮断することが可能である。つまりこの半導体遮断器５は電流を正逆のいずれか一方向のみに流す状態と双方向に流す状態と、双方向に電流を流さない遮断状態の３つの状態に切り替えることが可能である。

可変電圧源９は第１の電流検出部１７、第２の電圧検出器８、直流電線路１の正極側に接続される複数の第１の回路１４、蓄電素子１０と並列に接続された複数の第２の回路１６、変圧器１５などを備える。

この可変電圧源９は蓄電素子１０に対し直列に接続されており、制御回路２５はこの可変電圧源９が出力する電圧を可変制御することで、直流電線路１の側へ流す電流を制御する。

それぞれの第１の回路１４には変圧器１５と接続される第３の回路２１が複数並列に接続して設けられている。第３の回路２１はスイッチング素子とコンデンサとリアクトル１８などを有する。

この第３の回路２１は単相フルブリッジ回路であり、例えばＩＧＢＴ素子などが用いられている。ブリッジ回路を構成する素子は、ＩＧＢＴ素子に限定されるものではなく例えばＭＯＳＦＥＴであってもよい。

この第３の回路２１はリアクトル１８を介して変圧器１５に接続されている。この第３の回路２１の構成は第２の回路１６と同じである。第３の回路２１の直流電線路１側の回路には負の電圧を発生可能なフルブリッジ回路が設けられている。

ここで、第１の遮断器３と可変電圧源９との間に連系リアクトル４を接続することで電流突進率を下げ第１の遮断器３の遮断を容易にすることができる。また、連系リアクトル４は第３の回路２１内および第２の回路１６内のコンデンサとＬＣフィルタ回路を構成することで高調波を抑制する。

第２の電圧検出器８は蓄電素子１０が出力する電圧を検出する。制御回路２５は第２の電圧検出器８により検出される蓄電素子１０の出力電圧が予め設定または指定された所定の充放電電圧の閾値に達するように可変電圧源９の発生電圧を変化させて蓄電素子１０の充放電を制御する。制御回路２５は第２の電圧検出器８により検出された蓄電素子１０の電圧よりも可変電圧源９の出力電圧が小さくなるように可変電圧源９を駆動制御する。

第１の電流検出部１７は蓄電素子１０に流れる電流を検出する。制御回路２５はこの第１の電流検出部１７により検出された電流に応じて可変電圧源９の出力電圧を調整し、電流を制御する。

蓄電素子１０から多くの電流が流れたときに、第１の電流検出部１７で電流を検出し、制御回路２５が電流を抑制するように可変電圧源９を駆動制御することで、ヒューズ１３が溶断したり、第２の遮断器１２が開放してしまうことを防ぐことができ、蓄電装置２全体として定常的に安定動作することができる。

また蓄電素子状態検出部２２で検出された蓄電素子１０の温度やＳＯＣを制御回路２５が用いて蓄電素子１０に流れる電流を抑制するように可変電圧源９の出力電圧を可変する。
具体的には制御回路２５は検出された蓄電素子１０の状態（例えば温度）が所定の閾値を超えた場合、可変電圧源９の発生電圧を絞り込むよう駆動制御する。

また制御回路２５は蓄電素子状態検出部２２により検出された蓄電素子１０のＳＯＣに応じて可変電圧源９を駆動制御する。具体的には制御回路２５は検出された蓄電素子１０のＳＯＣが所定の閾値（例えば９０％）を超えた場合、可変電圧源９の発生電圧を絞り込むよう駆動制御する。

これによりＳＯＣの管理値および蓄電素子１０の温度に応じて電流を絞り込むことができ、蓄電素子１０を過温度（過熱）から保護することができる。

一方、連系リアクトル４のインダクタンスと蓄電素子１０の容量によっては直流電線路１で短絡が発生する場合がある。

この場合、第１の遮断器３が過電流を検出できず事故電流を遮断できない事象が生じることがわかった。このため第２の電流検出器２４で直流電線路１に流れる電流の時間変化率を検出し遮断器３をトリップさせることで遮断させるようにしている。

また、半導体遮断器５を設置しこの半導体遮断器５が接続されている回路に流れる電流を遮断してもよい。半導体遮断器５の方が高速に遮断することが可能なため事故電流を抑制することができる。

可変電圧源９が接続される直流電線路１側の正極側と蓄電素子１０の負極側との間にコンデンサ１９を設置しそのコンデンサ１９から流れる電流によって第１の遮断器３に流れる短絡電流を増やし第１の遮断器３を過電流により自動遮断させてもよい。

また、第１の電圧検出器２０および第２の電圧検出器８で検出した電圧を基に過電圧保護を行う上で、半導体遮断器５で、回路に流れる電流を遮断することができる。さらにこの半導体遮断器５の動作後に第１の遮断器３や第２の遮断器１２といった機械式の遮断器を開閉することで、電流を遮断することなく遮断動作することができるため接触器１１の電極接点が荒れ難くなるというメリットもある。

また、可変電圧源９のスイッチング動作が常時行われると、可変電圧源９の損失が増大するため、充放電が不要なときは可変電圧源９のスイッチング動作を停止する必要がある。

しかしながら、図２の構成で可変電圧源９の動作を停止させた場合、蓄電素子１０が直流電線路１に直結する構成となり、蓄電素子１０に流れる電流を制御することができなくなる。

この第２実施形態では、蓄電素子１０の電圧よりも直流電線路１の電圧が低くなったときに、制御回路２５は、蓄電素子１０に直列接続された可変電圧源９に対して負の電圧を発生させるよう制御するので、従来の昇圧チョッパ回路では昇圧チョッパの還流ダイオードを通じて直流電線路１に電流が無制御で流れてしまう問題があったが、この第２実施形態では可変電圧源９に負電圧を発生させることで直流電線路１に流れる電流を制御できるようになる。

無制御状態で電流が流れることは、蓄電素子１０に流れる電流が制御できないことと同義であり、前述したのと同じく蓄電素子１０に繋がるヒューズ１３の溶断や第２の遮断器１２のトリップを抑制することが可能である。

従来の蓄電設備でこのような無制御状態を防ぐためには、蓄電素子１０の電圧を直流電線路１で発生しうる最低電圧よりも低く設定しなければならず、蓄電素子１０は低電圧にせざるをえなかった。このため直流電線路１に対して放電するために大電流の昇圧回路が必要となり、結果として直流電線路１の電圧が高い定常的な状況での充放電も当然要求されることから高圧大電流の回路が必要となり装置が大型化していた。

そこで、この第２実施形態では、高い電圧を有する蓄電素子１０を用いて充放電することで充放電回路を小型化できる。このとき、可変電圧源９を小型化するために蓄電素子１０の電圧よりも低い電圧を可変電圧源９が出力するように蓄電素子１０の電圧と可変電圧源９の出力電圧との比を設定することが望ましい。

この第２実施形態では、半導体遮断器５を設置しているため、制御回路２５は、半導体遮断器５をオフすることで、直流電線路１側と可変電圧源９を切り離し電流の流れを遮断すると同時に、可変電圧源９の駆動を停止するよう可変電圧源９を駆動制御することで、可変電圧源９のスイッチング動作を停止させる。

可変電圧源９のスイッチング動作を停止させる条件としては電流と電圧がある。制御回路２５は電流検出器１７により検出される蓄電素子１０が出力する電流の検出値が所定範囲内になったとき、または電流検出器２４により検出される蓄電素子１０が直流電線路１に出力する電流が所定範囲内になったとき、もしくは電圧検出器８により検出される蓄電素子１０の電圧が所定範囲内になったとき、可変電圧源９の駆動を停止させる。

また、可変電圧源９には、負荷状態検出部２８が設けられている。負荷状態検出部２８は、可変電圧源９を構成する素子の温度や可変電圧源９が出力する電流・電圧をモニタして、その負荷状態（稼働状態）を判断する。この負荷状態に関する情報は制御回路２５に対して出力される。制御回路２５は予め決められた負荷状態の閾値に応じて、可変電圧源９から出力される電圧を変化させるように駆動制御を行う。

制御回路２５は電流検出器１７、２４により検出される電流の時間変化率が所定値を超えたときに、半導体遮断器５および遮断器３のうち少なくとも一つをオフする。

また、半導体遮断器５は、例えば図５に示すように、２つの半導体スイッチ（半導体スイッチ５１と半導体スイッチ５２）を対向接続して一方向、双方向、遮断の３つに電流を制御する機能を構成し、制御回路２５が蓄電素子１０の充電電流・放電電流の方向に応じて、動作させる素子を切り替えるようにしている。

この場合、例えば充電時には半導体スイッチ５２をオンし、半導体スイッチ５１をオフする。逆に放電時には半導体スイッチ５１をオンし半導体スイッチ５２をオフする。このような動作を半導体スイッチ５１、５２にさせることで、例えば充電時は半導体遮断器５よりも可変電圧源９側の電圧、すなわち蓄電素子１０の電圧に可変電圧源９の電圧が加算された電圧よりも直流電線路１の電圧が高ければ、蓄電素子１０に充電電流が流れる。

また、直流電線路１の電圧が低くなれば半導体スイッチ５１のダイオードで逆阻止され、充電電流が流れなくなる。

同様に放電時は、制御回路２５は可変電圧源９の駆動制御により蓄電素子１０側の電圧を直流電線路１よりも高くし蓄電素子１０に蓄積されたエネルギーを直流電線路１に放出する。この際、制御回路２５により半導体スイッチ５１がオンされ、半導体スイッチ５２がオフされる。これにより蓄電装置２からの電流が直流電線路１に流れる。

逆に直流電線路１の電圧が蓄電装置２の電圧よりも高くなれば半導体スイッチ５２のダイオードに阻止され、放電電流が流れなくなる。このようにして充放電の制御に半導体遮断器５を用いる。

一方、直流電線路１の短絡が発生したときに、第３の回路２１にあるコンデンサの電圧が上昇し過電圧が発生することがある。過電圧が発生した場合、素子破壊などを引き起こしその後の再起動による運転継続が不可能になる。

このため、本実施形態では、ダイオード２３を設置することで第３の回路２１にあるコンデンサの電圧の上昇を抑制することで第３の回路２１に低耐圧のスイッチング素子を適用することが可能になり、可変電圧源９のスイッチング損失を低減し、またスイッチング周波数をあげて変圧器１５を小型化することも可能になる。また、高周波スイッチングにより騒音を抑制することも可能になる。

なおダイオード２３に対して直列に抵抗器などの負荷を接続する回路構成とし、連系リアクトル４に溜まったエネルギーを抵抗器で消費するよう構成してもよい。

またこの回路構成では、可変電圧源９のスイッチング素子としてＩＧＢＴ素子やＭＯＳＦＥＴを適用可能であるが、低損失化および絶縁トランスを小型化するためにＳｉＣデバイスを用いてもよい。

ＳｉＣデバイスを適用する場合、大電流を流せる大きな面積のＳｉＣ素子（チップ）を実装したモジュールを採用すると、ＳｉＣ素子そのものの歩留まりが悪くモジュールとして高価になる。

このため、面積の小さく歩留まりの高いＳｉＣ素子、すなわち電流容量の小さいＳｉＣモジュールを複数並列に接続して電流容量を確保することで、安価でかつ従来のＩＧＢＴ素子を用いた昇圧チョッパ回路と比べて小型な可変電圧源９を実現することができる。

ここで、制御回路２５の制御機能について説明する。
制御回路２５は蓄電素子１０の状態（蓄電素子の温度、ＳＯＣ)と直流電線路１の電圧に基づいて可変電圧源９に充放電の指令を出力し、可変電圧源９の電圧制御・電流制御を行う。

制御回路２５は蓄電素子１０の状態、例えばＳＯＣに応じて蓄電素子１０が出力すべき電圧指令を与える。この電圧指令は例えば放電と充電で異なる電圧指令を同時に与え続けてもよい。なお直流電線路１の電圧と蓄電素子１０のＳＯＣに基づいて蓄電素子１０の出力すべき電流もしくは電力を制御回路２５が制御してもよい。

なお、この図２の例では、可変電圧源９の外部に制御回路２５を設置したが、可変電圧源９の内部に設置してもよく、制御回路２５の機能を充放電指令部と変換器制御部とに分け、充放電指令部を可変電圧源９の外部に設置し変換器制御部を可変電圧源９の内部に設置してもよい。

また制御回路２５から蓄電素子１０の電流を絞り込む絞込み制御指令を与えてもよい。これは例えば蓄電素子１０の温度が所定範囲を超えて上昇したり、また低温になったときに蓄電素子１０に流れる電流を抑制するための絞込み信号である。これにより蓄電素子１０を過度に劣化させることなく使用することが可能になる。

また、出力する電流または電力もしくは蓄電素子１０の出力する電圧が所定範囲内の大きさになったときに可変電圧源９の駆動（スイッチング動作）を停止させて可変電圧源９の損失を抑制することで、別途設ける冷却器（図示せず）を放熱能力の低いものにして小型化を図ることが可能になる。

なお、本実施形態における第２の回路１６、第３の回路２１および変圧器１５で構成された回路は、公知の技術であるリアクトルＬとコンデンサＣとで構成されるＬＣ共振回路を用いて構成してもよい。

このようにこの第２実施形態によれば、蓄電素子１０の電圧に加算される可変電圧源９の出力電圧分（直流電線路１の電圧と蓄電素子１０の電圧との差分の電圧）のみを可変電圧源９が発電（充放電電力を出力）すればよく、定格の小さい可変電圧源９を用いることができ、一般的な昇圧チョッパ方式と比較して小型化された充放電回路を構成することができる。

すなわち蓄電素子１０の充放電に必要とされる例えばインバータなどの可変電圧源９を小型化すると同時に蓄電素子１０の騒音を低減し、直流き電側の地絡事故後も蓄電電源設備として必要な運転継続性を持たせることができる。

この結果、小型な蓄電装置を導入することで負荷変動や架線の電圧変動に対応しつつ安全性の向上と共に蓄電設備の制御性を向上することができる。

（第３実施形態）
図３を参照して第３実施形態を説明する。第３実施形態は直流電線路１の負極側電位が対地電圧よりも低い場合に対応するための構成である。具体的には、図３に示す回路の中で直流電線路１の負極側の電線路１ｂの電位が対地電位よりも低い場合である。

図３に示すように、第３実施形態は、コンデンサ１９、電圧検出器３０、第３の遮断器３１、分圧抵抗３２、リアクトル３４を備える。

コンデンサ１９はダイオード２３と同様に蓄電素子１０の極間に設置される。コンデンサ１９は連系リアクトル４と可変電圧源９との間の回路に一端を、蓄電素子１０の負極側の回路に他端を接続している。また蓄電素子１０の極間にコンデンサ１９を接続し連系リアクトル４とＬＣフィルタを構成して高調波を抑制している。

特に、第２の回路１６が蓄電素子１０側に対して発生させる高調波がヒューズ１３に流れ、ヒューズ１３を劣化させる可能性がある。このため、この第３実施形態のようにＬＣフィルタを構成して高調波電流を抑制することでヒューズ１３の溶断を防ぐことができる。

通常、高調波電流が流れる場合、ヒューズ１３の断線防止、ヒューズ１３の寿命を延ばすため定格の大きなヒューズ１３を用いる必要があるが、上記のようにＬＣフィルタを構成して高調波を抑制することで、定格の低いヒューズ１３を用いることができるので、装置の小型化および低コスト化に寄与することができる。

電圧検出器３０は、直流電線路１の正極１ａと負極１ｂとの間に２つ設けられており、互いの電圧検出器３０の間に接地点３０ａが設けられている。なお電圧検出器３０は接地点３０ａからそれぞれの極の電位を検出するものであるが、接地せずに直流電線路１の正極と負極の間の電位を直接計測してもよい。

分圧抵抗３２は蓄電装置２の出力電圧を分圧し、その分圧点３２ａを接地している。第３の遮断器３１は直流電線路１の負極側に接続される。リアクトル３４は直流電線路１の負極側と蓄電素子１０の負極側との間の回路に接続されている。このリアクトル３４は正極側に設置されている連系リアクトル４と同じものである。

この第３実施形態では、直流電線路１の負極側電位が対地電圧よりも低い場合に、分圧抵抗３２により分圧された電圧を電圧検出器３０が検出して制御回路２５に通知し、制御回路２５が第３の遮断器３１を制御し直流電線路１の負極側の回路を遮断するので、過電流が流れたときに回路を正常に遮断することができる。

制御回路２５は電流検出器１７、２４により検出される電流の時間変化率が所定値を超えたときに、第３の遮断器３１をオフする。

この第３実施形態によれば、直流電線路１の負極側電位が対地電圧よりも低い場合に半導体遮断器を用いずに対応することができる。

なお、本実施形態における第２の回路１６、第３の回路２１および変圧器１５で構成された回路は、公知の技術であるリアクトルＬとコンデンサＣとで構成されるＬＣ共振回路を用いて構成してもよい。

（第４実施形態）
図４を参照して第４実施形態を説明する。第４実施形態は第２の電源２６を備える。第２の電源２６は第３の回路２１と変圧器１５を介して接続されている。この場合、第２の電源２６から可変電圧源９へ電力を供給することで、可変電圧源９が直流電線路１側に入出力する電力を発生するようにしている。

この第３の回路２１は三相インバータ回路であり変圧器１５および第２の電源２６も三相のものである。このように単相でなく三相を用いることで第３の回路２１内にあるコンデンサのリップルを抑制することができ、これによりコンデンサの容量を低減しつつ可変電圧源９が直流電線路１側に出力可能な直流電圧を増やすことができ、小型な回路を実現することができる。

また、この例に用いる第３の回路２１は、逆変換可能な回路であり、直流電線路１からの蓄電装置２への回生電力として、蓄電装置２への入力電力に交流電源への回生電力が加算されることから回生最大能力を増やすことができる。これにより、回生電力の大きさで装置定格が決まる用途では、装置の小型化に寄与することができる。

この第４実施形態によれば、直流電圧を発生する可変電圧源９に供給する電源を、外部の第２の電源２６から三相交流でとることにより、回生電力の大きさで装置定格が決まる用途では、装置の小型化に寄与することができる。

（第５実施形態）
図１に示した蓄電装置２の回路構成では、制御回路２５は電流検知器２４により検知された電流に応じて可変電圧源９を駆動制御したが、電流以外の要素も考慮し可変電圧源９を駆動制御してもよい。以下にその例を説明する。

第１の例の制御回路２５は、図６に示すように、引き算器４１と比例積分制御器４２（以下「ＰＩ制御器４２と称す」）とを有する。

引き算器４１は上位システム（図示せず）などから入力される電流指令Ｓ１と電流検知器２４により検知された検出電流Ｓ２との差分をとって電流偏差信号Ｓ３をＰＩ４２へ出力する。

なお上位システムから制御回路２５に入力されるのは電流指令Ｓ１ではなく、電力指令の場合もあるがこの場合は電力指令を出力点の電圧を除算することで電流指令Ｓ１に変換する。

ＰＩ制御器４２は入力された電流偏差信号Ｓ３を用いて可変電圧指令Ｓ４を生成し可変電圧源９へ出力する。なおここでは比例積分制御器４２を用いたが、比例積分微分制御器（ＰＩＤ制御器）を用いてもよい。

第２の例の制御回路２５は、図７に示すように、引き算器４１と比例制御器４３（以下「Ｐ制御器４３と称す」）と加算器４４と引き算器４５とを有する。

引き算器４１は上位システム（図示せず）などから入力される電流指令Ｓ１と電流検知器２４により検知された検出電流Ｓ２との差分をとって電流偏差信号Ｓ３をＰ制御器４３へ出力する。

Ｐ制御器４３は入力された電流偏差信号Ｓ３に対して予め設定されたゲインを乗じて電流偏差信号Ｓ５を生成し加算器４４へ出力する。

加算器４４は入力された電流偏差信号Ｓ５と電圧検出器６により検出された蓄電装置２全体としての出力電圧（以下「出力点電圧Ｖ１」と称す）とを加算して第１の信号Ｓ６を生成し引き算器４５へ出力する。

引き算器４５は入力された第１の信号Ｓ６と第２の電圧検出器８により検出された蓄電素子１０の出力電圧Ｖ２との差分をとって可変電圧指令Ｓ４を生成し可変電圧源９へ出力する。

この第５実施形態によれば、上記のように制御回路２５を構成することで、連系リアクトル４に流れる電流だけでなく、上位システムからの電流指令Ｓ１や出力点電圧Ｖ１および蓄電素子１０の出力電圧Ｖ２を考慮して可変電圧源９を駆動制御するようになり、より高精度に可変電圧源９を制御することが可能になる。また初期動作の際に生じる回路出力の不安定さを解消することができる。

なおこの第５実施形態のような制御回路２５の構成は第１実施形態だけでなく、他の第２乃至第４実施形態にも適用可能である。

（第６実施形態）
図１から図４に示した各実施形態では、直流電線路１を例えば直流電気鉄道のき電線とレールと想定したが、直流電気鉄道の直流電線路１は、このような構成だけとは限らず、帰線電流がレールを流れるのでなくレールとは別に帰線専用レールを設け、帰線専用レールに帰線電流が流れる場合もある。この他、直流電線路１は例えば太陽光発電の素子が複数並列に接続された直流母線である場合もあり、直流電線路１はこれらの線路を含むものである。

図１から図４に記載した各実施形態は蓄電素子１０の負極が直流電線路１の負極１ｂ側に接続された例であったが、蓄電素子１０の正極側が直流電線路１の正極側に接続され、可変電圧源９の負極側が直流電線路１の負極側に接続されていてもよい。

この場合、可変電圧源９に用いる素子の端子・対地間の耐圧を小さくすることができる。また、素子の端子・対地間の耐圧が耐えられない場合、素子を冷却するための冷却フィン毎に絶縁し対地から電位を浮かす必要があるが、可変電圧源９の側の電位を対地電位に近づけることで冷却フィンを浮かす必要がなくなり、冷却フィンを含む可変電圧源９として小型化することができる。

この第６実施形態によれば、蓄電素子１０の正極側を直流電線路１の正極側に接続し、可変電圧源９の負極側を直流電線路１の負極側に接続することで、可変電圧源９に用いる素子の端子・対地間の耐圧を小さくすることができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、蓄電素子１０を直流電線路１と連系するための設備を小型化・低騒音化すると共に、直流電線路１の地絡発生後も運転を継続することができる蓄電装置２を実現することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。
なお、メガソーラー等の太陽光発電システムの直流送電路に、上述した蓄電装置を設置（接続）して利用するようにしてもよい。

１…直流電線路、１ａ…正極、１ｂ…負極、１ｂ…電線路、２…蓄電装置、３…第１の遮断器、４…連系リアクトル、５…半導体遮断器、６…電圧検出器、８…第２の電圧検出器、９…可変電圧源、１０…蓄電素子、１１…接触器、１２…第２の遮断器、１３…ヒューズ、１４…第１の回路、１５…変圧器、１６…第２の回路、１７…電流検出部、１７…コンデンサ、１８…リアクトル、１９…コンデンサ、２０…電圧検出器、２１…第３の回路、２２…蓄電素子状態検出部、２３…ダイオード、２４…第２の電流検出器、２５…制御回路、２６…第２の電源、３０…第１の電圧検出器、３０ａ…接地点、３１…第３の遮断器、３２…分圧抵抗、３４…リアクトル、４１…引き算器、４２…比例積分制御器（ＰＩ制御器）、４３…比例制御器（Ｐ制御器）、４４…加算器、４５…引き算器、５１、５２…半導体スイッチ。

Claims (20)

1. 第１の極および第２の極を有する直流電線路に接続され、前記直流電線路への充放電が可能な蓄電素子と、
   前記直流電線路の第１の極と前記蓄電素子の正極との間に直列に接続され、前記直流電線路と前記蓄電素子との差分の範囲の直流電圧を発生可能な可変電圧源と、
   前記直流電線路の第１の極と前記可変電圧源との間に接続された連系リアクトルと、
   前記連系リアクトルに流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器により検出される電流を用いて、回路全体の出力電圧と前記蓄電素子の出力電圧との差分を調整するように前記可変電圧源を駆動制御する制御回路と
   を具備する蓄電装置。
2. 前記可変電圧源の負荷状態を監視する負荷状態検出部を有し、
   前記制御回路は、
   前記負荷状態検出部により検出された前記可変電圧源の負荷状態に応じて前記可変電圧源を駆動制御する請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記制御回路は、
   前記蓄電素子に流れる電流が一定値以下になるように前記可変電圧源を駆動制御する請求項１または請求項２いずれか記載の蓄電装置。
4. 前記制御回路は、
   前記直流電線路の電圧が前記蓄電素子の電圧より大きくなったときに、負の電圧を発生するよう前記可変電圧源を駆動制御する請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の蓄電装置。
5. 前記制御回路は、
   前記蓄電素子の電圧よりも前記可変電圧源の出力電圧が小さくなるように前記可変電圧源を駆動制御する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の蓄電装置。
6. 前記制御回路は、
   検出された前記蓄電素子の状態が所定の閾値を超えた場合、前記蓄電素子に流れる電流を抑制するよう前記可変電圧源を駆動制御する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の蓄電装置。
7. 前記制御回路は、
   上位システムから電力指令を受けとり、この電力指令に基づいた駆動制御により前記可変電圧源の発生電圧を変化させて前記蓄電素子の充放電を制御する請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の蓄電装置。
8. 前記制御回路は、
   前記蓄電素子の状態と前記直流電線路の電圧に基づき前記可変電圧源に充放電指令を出力し、前記蓄電素子と前記可変電圧源による電圧が前記充放電指令に一致するように制御する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の蓄電装置。
9. 前記制御回路は、
   前記可変電圧源が、前記蓄電素子を電源として前記直流電線路に電力を供給するように駆動制御する請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の蓄電装置。
10. 前記制御回路は、
    前記直流電線路の電圧に応じて放電・充電を行うとともに、検出された前記蓄電素子の充電率に応じて、蓄電装置が充電を開始する前記直流電線路の電圧閾値、放電を開始する前記直流電線路の電圧閾値を変化させる請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の蓄電装置。
11. 前記制御回路は、
    前記電流検出器により検出される前記蓄電素子が出力する電流の検出値が所定範囲内になったとき、または前記電流検出器により検出される前記蓄電素子と前記可変電圧源が直流電線路に出力する電流が所定範囲内になったとき、もしくは前記蓄電素子の電圧が所定範囲内になったとき、前記可変電圧源の駆動を停止する請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の蓄電装置。
12. 前記制御回路は、
    検出された前記蓄電素子の温度に応じて前記可変電圧源を駆動制御する請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の蓄電装置。
13. 前記可変電圧源にＩＧＢＴ素子またはＭＯＳＦＥＴを用いた請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の蓄電装置。
14. 前記直流電線路の第２の極と前記蓄電素子の負極との間に接続された遮断器を備える請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
15. 前記直流電線路の第１の極と前記可変電圧源との間に接続され、前記制御回路からの制御により、正方向または逆方向に電流を流し、かつ電流の流れを遮断することが可能な半導体遮断器を具備する請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の蓄電装置。
16. 前記制御回路は、
    前記半導体遮断器をオフすると前記可変電圧源の駆動を停止するよう前記可変電圧源を駆動制御する請求項１５記載の蓄電装置。
17. 前記制御回路は、
    前記回路全体の出力電圧が所定の閾値を超えたとき、前記半導体遮断器をオフする請求項１５または請求項１６に記載の蓄電装置。
18. 前記制御回路は、
    前記電流検出器により検出される電流の時間変化率が所定値を超えたときに、前記半導体遮断器をオフする請求項１５乃至請求項１７のいずれか１項に記載の蓄電装置。
19. 前記連系リアクトルと前記可変電圧源との間の回路にカソード端を接続し前記蓄電素子の負極側の回路にアノード端を接続したダイオード、または前記ダイオードとこのダイオードに直列に接続された抵抗器とを具備する請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の蓄電装置。
20. 前記連系リアクトルと前記可変電圧源との間の回路に一端を、前記蓄電素子の負極側の回路に他端を接続したコンデンサを備える請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の蓄電装置。

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