JP6423741B2 - Power conversion device, power conversion device control method, and electric vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置、電力変換装置の制御方法および電気車に関する。 The present invention relates to a power conversion device, a control method for the power conversion device, and an electric vehicle.
電気鉄道車両(電気車)は一般に、変電所から送出された電力を、架線を介して集電(架線集電)する集電装置を備え、集電装置により集電された電力により運転される。また、架線集電に加えて、電化区間および非電化区間の両方の区間に対応するため、あるいは、変電所からの電力が不足した場合のアシスト電力や車両の電動機からの回生電力の吸収のために、蓄電池やキャパシタなどの蓄電素子を搭載した車両も検討されている。 An electric railway vehicle (electric vehicle) is generally equipped with a current collector that collects power sent from a substation via an overhead line (overhead current collection), and is operated by the power collected by the current collector. . In addition to overhead line current collection, to handle both electrified and non-electrified sections, or to absorb assist power when power from substations is insufficient and regenerative power from vehicle motors In addition, vehicles equipped with power storage elements such as storage batteries and capacitors are also being studied.
架線集電と蓄電素子とを併用する回路方式としては、種々の方式がある。例えば、非特許文献1には、架線と蓄電素子とが並列に接続された回路構成において、車両の駆動・制動用の主電動機を駆動するインバータや補助電源装置に入力電圧を供給する直流電圧回路(以下、中間回路と称する)と架線との間に電力変換装置を設ける方式(以下、方式1と称する)、また、中間回路と蓄電素子との間に電力変換装置を設ける方式(以下、方式2と称する)が記載されている。 There are various systems as a circuit system that uses the overhead line current collector and the storage element in combination. For example, Non-Patent Document 1 discloses a DC voltage circuit that supplies an input voltage to an inverter or an auxiliary power supply device that drives a main motor for driving / braking a vehicle in a circuit configuration in which an overhead wire and a storage element are connected in parallel. (Hereinafter, referred to as an intermediate circuit) and an overhead line and a power converter (hereinafter referred to as scheme 1), and a power converter that is provided between the intermediate circuit and a storage element (hereinafter referred to as scheme) 2).
また、非特許文献2には、複数の架線の電圧(架線電圧)に対応するために、集電装置と中間回路との間に電力変換装置を設けるとともに、中間回路と蓄電素子との間に、充放電電流を制御するための電力変換装置(充放電電力変換装置)を設ける方式が記載されている。 Further, in Non-Patent Document 2, a power conversion device is provided between the current collector and the intermediate circuit in order to cope with a plurality of overhead line voltages (overhead voltage), and between the intermediate circuit and the storage element. A method of providing a power converter (charge / discharge power converter) for controlling the charge / discharge current is described.
非特許文献1の方式1における、中間回路と架線との間に設けられた電力変換装置によれば、蓄電素子の充放電制御を行うことができない。また、非特許文献1の方式2における、中間回路と蓄電素子との間に設けられた電力変換装置によれば、複数の架線電圧の路線を走行する場合や、交流架線区間を走行する場合に対応することができない。 According to the power conversion device provided between the intermediate circuit and the overhead line in the system 1 of Non-Patent Document 1, charge / discharge control of the storage element cannot be performed. Moreover, according to the power conversion device provided between the intermediate circuit and the storage element in the method 2 of Non-Patent Document 1, when traveling on a plurality of overhead line routes or traveling on an AC overhead section I can't respond.
非特許文献2に記載されている方式によれば、集電装置と中間回路との間に電力変換装置を設けることで、複数の架線電圧の路線を走行する場合や、交流架線区間を走行する場合に対応可能となる。また、中間回路と蓄電素子との間に電力変換装置を設けることで、得電素子の充放電も可能となる。 According to the method described in Non-Patent Document 2, a power conversion device is provided between the current collector and the intermediate circuit, so that the vehicle travels on a plurality of overhead voltage lines or travels on an AC overhead wire section. It becomes possible to deal with cases. In addition, by providing a power conversion device between the intermediate circuit and the power storage element, it is possible to charge and discharge the power acquisition element.
しかしながら、電力変換装置は一般に、高コストであり、体積や重量も大きい。蓄電素子を搭載した車両では、蓄電素子の体積や重量が大きいために制約が大きく、また、非電化区間の走行エネルギーの節約のために、軽量化が要求される。 However, the power conversion device is generally expensive and has a large volume and weight. In a vehicle equipped with a power storage element, restrictions are large because the volume and weight of the power storage element are large, and weight reduction is required to save travel energy in a non-electrified section.
非特許文献2に記載の方式のように、電力変換装置を2つ搭載すると、コスト、重量、サイズの増加を招いてしまう。 If two power conversion devices are mounted as in the method described in Non-Patent Document 2, the cost, weight, and size increase.
本発明の目的は、上述した課題を解決し、架線集電と蓄電素子とを併用する電気車において、コスト、重量、サイズの増加を抑制しつつ、架線集電および蓄電素子の充放電制御を行うことができる電力変換装置、電力変換装置の制御方法および電気車を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and in an electric vehicle using both an overhead wire current collector and an electricity storage element, while suppressing an increase in cost, weight, and size, an overhead wire current collection and charge / discharge control of the electricity storage element are performed. An object of the present invention is to provide a power conversion device, a method for controlling the power conversion device, and an electric vehicle that can be performed.
上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、蓄電素子と、負荷と、前記蓄電素子および前記負荷に接続され、直流電圧を保持する中間回路とを備える電気車に搭載され、架線と前記中間回路との間に設けられ、前記架線の電圧を、前記架線の電圧とは異なる直流電圧に変換して前記中間回路に保持させる電力変換装置であって、前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御する制御部を有する。 In order to solve the above-described problem, a power conversion device according to the present invention is mounted on an electric vehicle that includes a power storage element, a load, and an intermediate circuit that is connected to the power storage element and the load and holds a DC voltage. And the intermediate circuit, and converts the voltage of the overhead line into a direct current voltage different from the voltage of the overhead line and holds it in the intermediate circuit, the power storage device and the intermediate circuit And a control unit that controls current or power input / output to / from the overhead line in response to a charge / discharge current command that indicates a current value of a charge / discharge current flowing between the power line and the overhead line.
また、本発明に係る電力変換装置において、前記電力変換装置は、前記架線との間で入出力される電流または電力に応じて、前記中間回路に保持させる電圧である中間回路電圧を制御可能であり、前記制御部は、前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致するような中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記中間回路電圧を制御することが好ましい。 Further, in the power conversion device according to the present invention, the power conversion device can control an intermediate circuit voltage, which is a voltage held in the intermediate circuit, according to a current or power input / output to / from the overhead wire. And the control unit generates an intermediate circuit voltage command indicating an intermediate circuit voltage such that the charge / discharge current matches the charge / discharge current command, and the intermediate circuit is generated according to the generated intermediate circuit voltage command. It is preferable to control the voltage.
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して、前記中間回路電圧指令を生成することが好ましい。 Further, in the power conversion device according to the present invention, the control unit receives the detection value of the charge / discharge current, and feedback controls a deviation between the input detection value of the charge / discharge current and the charge / discharge current command. It is preferable to amplify and generate the intermediate circuit voltage command.
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、前記中間回路電圧指令を生成することが好ましい。 Further, in the power conversion device according to the present invention, the control unit outputs the intermediate circuit voltage command based on a storage voltage of the storage element and a voltage drop due to a resistance component between the storage element and the intermediate circuit. It is preferable to produce.
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して第1の中間回路電圧指令を生成し、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、第2の中間回路電圧指令を生成し、前記生成した第1の中間回路電圧指令と第2の中間回路電圧指令とに応じて、前記中間回路電圧指令を生成することが好ましい。 Further, in the power conversion device according to the present invention, the control unit receives the detection value of the charge / discharge current, and feedback controls a deviation between the input detection value of the charge / discharge current and the charge / discharge current command. The first intermediate circuit voltage command is amplified to generate a second intermediate circuit voltage command based on the storage voltage of the power storage element and a voltage drop due to a resistance component between the power storage element and the intermediate circuit. Preferably, the intermediate circuit voltage command is generated according to the generated first intermediate circuit voltage command and the second intermediate circuit voltage command.
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記蓄電素子の充放電電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、前記架線との間で入出力される電力を指示する集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することが好ましい。 Further, in the power conversion device according to the present invention, the controller is input / output between the overhead line based on a charge / discharge power command for instructing a charge / discharge power of the power storage element and a load power by the load. It is preferable to generate a collected power command for instructing power to be generated and to control power input / output to / from the overhead line according to the generated collected power command.
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記架線と前記電力変換装置との間を流れる集電電流の検出値、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値が入力され、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値に基づき前記蓄電素子の充放電電力を算出し、前記集電電流の検出値および前記電力変換装置の前記架線側の電圧を指示する電圧指令に基づき前記架線との間で入出力される集電電力を算出し、前記算出した充放電電力および集電電力に基づき、前記負荷電力を推定することが好ましい。 Further, in the power conversion device according to the present invention, the control unit includes a detection value of a collected current flowing between the overhead line and the power conversion device, a storage voltage of the storage element, and a detection value of the charge / discharge current. The charge / discharge power of the power storage element is calculated based on the storage voltage of the power storage element and the detected value of the charge / discharge current, and the detected value of the collected current and the voltage on the overhead line side of the power converter are indicated Preferably, the collected power input / output from / to the overhead line is calculated based on the voltage command to be performed, and the load power is estimated based on the calculated charge / discharge power and collected power.
また、本発明に係る電力変換装置において、前記中間回路電圧と前記蓄電素子の蓄電電圧との差に応じて流れる前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致する中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御する第1の集電電力指令を生成し、前記蓄電素子に充放電する電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、第2の集電電力指令を生成し、前記生成した第1の集電電力指令と第2の集電電力指令とに応じて集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することが好ましい。 Further, in the power conversion device according to the present invention, the intermediate circuit that indicates the intermediate circuit voltage at which the charge / discharge current that flows according to the difference between the intermediate circuit voltage and the storage voltage of the storage element matches the charge / discharge current command Electric power that generates a voltage command, generates a first collected power command that controls electric power that is input to and output from the overhead line, and charges and discharges the storage element in accordance with the generated intermediate circuit voltage command A second collected power command is generated based on the charge / discharge power command instructing the load and the load power by the load, and according to the generated first collected power command and the second collected power command It is preferable to generate a collected power command and control power input / output to / from the overhead line in accordance with the generated collected power command.
また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置の制御方法は、蓄電素子と、負荷と、前記蓄電素子および前記負荷に接続され、直流電圧を保持する中間回路とを備える電気車に搭載され、架線と前記中間回路との間に設けられ、前記架線の電圧を、前記架線の電圧とは異なる直流電圧に変換して前記中間回路に保持させる電力変換装置の制御方法であって、前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御するステップを含む。 In order to solve the above problem, a method for controlling a power conversion device according to the present invention includes an electric storage device, a load, and an intermediate circuit that is connected to the electric storage device and the load and holds a DC voltage. A method for controlling a power conversion device, which is provided between the overhead line and the intermediate circuit, converts the voltage of the overhead line into a DC voltage different from the voltage of the overhead line and holds the DC voltage in the intermediate circuit. And a step of controlling a current or power input / output to / from the overhead line in response to a charge / discharge current command indicating a current value of a charge / discharge current flowing between the power storage element and the intermediate circuit.
また、上記課題を解決するため、本発明に係る電気車は、上述したいずれかの電力変換装置を搭載する。 Moreover, in order to solve the said subject, the electric vehicle which concerns on this invention mounts one of the power converter devices mentioned above.
本発明に係る電力変換装置、電力変換装置の制御方法および電気車によれば、コスト、重量、サイズの増加を抑制しつつ、架線集電および蓄電素子の充放電制御を行うことができる。 According to the power conversion device, the power conversion device control method, and the electric vehicle according to the present invention, it is possible to perform overhead wire current collection and charge / discharge control of the storage element while suppressing an increase in cost, weight, and size.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電気車1の構成を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electric vehicle 1 according to the first embodiment of the present invention.
図1に示す電気車1は、集電装置2と、電力変換装置3と、中間回路4と、リアクトル5と、蓄電素子6と、可変電圧可変周波数(VVVF)インバータ(以下、インバータと称する)7と、補助電源装置(SIV:静止型インバータ)8とを有する。
An electric vehicle 1 shown in FIG. 1 includes a current collector 2, a
集電装置2は、変電所および他の電気車(列車)との間で電力を授受するための電力供給媒体である架線10(直流架線あるいは交流架線)を介して、変電所および他の列車との間で電力を授受する。 The current collector 2 is connected to a substation and other trains via an overhead line 10 (a DC overhead line or an AC overhead line), which is a power supply medium for transferring power to and from the substation and other electric vehicles (trains). Send and receive power to and from.
電力変換装置3は、集電装置2と中間回路4との間に設けられている。電力変換装置3は、集電装置2を介して架線10から取得した架線電圧(直流電圧あるいは交流電圧)を、架線電圧とは異なる直流電圧に変換するコンバータ部(不図示)を有しており、変換後の直流電圧を中間回路4に保持させる。コンバータ部からのリターン電流は、電気車1の車輪11を経由してレール12に流れる。
The
なお、電力変換装置3は、集電装置2を介して架線10との間で入出力される電流または電力を制御することで、中間回路電圧Vcを制御することができる。そのため、電力変換装置3は、集電装置2との接続線と車輪11との接続線との間の電圧V(以下、架線10側の電圧Vと称することがある)を制御する電力変換回路34と、電力変換回路34の動作を制御する制御部30とを有する。制御部30の詳細については後述する。
The
中間回路4は、コンデンサ41を有している。コンデンサ41の正極と負極とはそれぞれ、電力変換装置3、蓄電素子6、インバータ7およびSIV8に接続されている。コンデンサ41により、電力変換装置3からの電圧(中間回路電圧Vc)が保持され、インバータ7とSIV8とに電力が供給される。また、中間回路4を介して、蓄電素子6の充放電が行われる。
The intermediate circuit 4 has a capacitor 41. The positive electrode and the negative electrode of the capacitor 41 are connected to the
リアクトル5は、一端がコンデンサ41の正極に接続され、他端が蓄電素子6に接続されている。リアクトル5は、中間回路4と蓄電素子6との間を流れる充放電電流Ibの不要成分を除去するフィルタとして動作する。
蓄電素子6は、蓄電池、キャパシタなどの充放電が可能な素子である。 The storage element 6 is an element that can be charged and discharged, such as a storage battery or a capacitor.
インバータ7は、中間回路4から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、電気車1の駆動・制動用の主電動機(不図示)に供給する。 The inverter 7 converts the DC voltage supplied from the intermediate circuit 4 into an AC voltage and supplies the AC voltage to a main motor (not shown) for driving and braking the electric vehicle 1.
SIV8は、中間回路4から供給された直流電圧を、電気車1内の蛍光灯、冷暖房装置、制御装置などのための電圧に変換して、供給する。 The SIV 8 converts the DC voltage supplied from the intermediate circuit 4 into a voltage for a fluorescent lamp, an air conditioner, a controller, etc. in the electric vehicle 1 and supplies the converted voltage.
図1に示す電気車1において、中間回路電圧Vcが蓄電素子6の蓄電電圧Vbよりも高い場合には、中間回路4から蓄電素子6に向かう方向(正方向)に充電電流Ibが流れ、蓄電素子6の充電が行われる。一方、中間回路電圧Vcが蓄電素子6の蓄電電圧Vbよりも低い場合には、蓄電素子6から中間回路4に向かう方向(負方向)に充電電流Ibが流れ、蓄電素子6の放電が行われる。すなわち、電力変換装置3により中間回路電圧Vcを制御することで、蓄電素子6の充放電を制御することができる。なお、通常、中間回路4は、一定の直流電圧をインバータ7やSIV8などの負荷に供給するために設けられる。本発明においては、蓄電素子6の充放電制御のために、中間回路電圧Vcを制御する。そのため、中間回路電圧Vcが変化することになるが、蓄電素子6の充放電制御による中間回路電圧Vcの変化は、インバータ7やSIV8の動作に影響を与えない程度の大きさである。
In the electric vehicle 1 shown in FIG. 1, when the intermediate circuit voltage V c is higher than the storage voltage V b of the power storage element 6, the charging current I b is applied in the direction (positive direction) from the intermediate circuit 4 toward the power storage element 6. As a result, the storage element 6 is charged. On the other hand, when the intermediate circuit voltage V c is lower than the storage voltage V b of the storage element 6, the charging current I b flows in the direction (negative direction) from the storage element 6 toward the intermediate circuit 4. Is done. That is, charging / discharging of the electrical storage element 6 can be controlled by controlling the intermediate circuit voltage V c with the
本実施形態においては、電力変換装置3(制御部30)は、充放電電流Ibの電流値を指示する充放電電流指令Ib *が入力され、充放電電流Ibが充放電電流指令Ib *に一致するように中間回路電圧Vcを制御する。 In the present embodiment, the power converter 3 (the control unit 30), the charge and discharge current charge and discharge current command to instruct the current value of Ib I b * is input, the charge and discharge current I b is the charge and discharge current command I b The intermediate circuit voltage V c is controlled so as to match * .
次に、制御部30の構成について説明する。
Next, the configuration of the
図2は、本実施形態に係る制御部30の構成を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the
図2に示す制御部30は、充放電電流制御器31と、中間回路電圧制御器32と、集電電流制御器33と、電力変換回路34とを有する。
The
制御部30には、充放電電流Ibの検出値と、中間回路電圧Vcの検出値と、集電装置2と電力変換装置3との間を流れる集電電流Ipの検出値と、充放電電流指令Ib *とが入力される。
The
充放電電流制御器31は、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との偏差を比例積分増幅(PI制御)し、中間回路電圧指令Vc *を生成する。PI制御では、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との差の比例増幅と積分増幅との和が中間回路電圧指令Vc *として出力される。そのため、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *とが一致した状態でも、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との差を比例増幅したものはゼロとなるが、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との差を積分増幅したものは、それまでに積分された値があるため、ゼロとはならない。そのため、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *とが一致した状態でも、中間回路電圧指令Vc *は値を持つことになる。
Discharge
中間回路電圧制御器32は、中間回路電圧指令Vc *と中間回路電圧Vcとの偏差を比例積分増幅し、集電電流Ipを指示する集電電流指令Ip *を生成する。
Intermediate
集電電流制御器33は、集電電流指令Ip *と集電電流Ipとの偏差を比例積分増幅し、架線10側の電圧Vを指示する電圧指令V*を生成する。
The collected
電力変換回路34は、電圧指令V*に従い、架線10側の電圧V、すなわち、架線10との間で入出力される電流または電力を制御する。
The
図2に示す制御部30によれば、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *とが一致するように架線10側の電圧Vが制御される。架線10側の電圧Vに応じた集電電流Ipが集電装置2と電力変換装置3との間に流れ、その結果、中間回路電圧Vcが変化する。そして、中間回路電圧Vcと蓄電素子6の蓄電電圧Vbとの差に応じた充放電電流Ibが流れ、蓄電素子6の充放電制御が行われる。
According to the
例えば、集電装置2から電力変換装置3に向かう方向に集電電流Ipが流れるように架線10側の電圧Vを制御すると、中間回路電圧Vcが上昇し、その結果、中間回路電圧Vcが蓄電素子6の蓄電電圧Vbよりも高くなると、中間回路4から蓄電素子6に向かう方向に充放電電流Ibが流れ、蓄電素子6の充電が行われる。一方、電力変換装置3から集電装置2に向かう方向に集電電流Ipが流れるように架線10側の電圧Vを制御すると、中間回路電圧Vcが低下し、その結果、中間回路電圧Vcが蓄電素子6の蓄電電圧Vbよりも低くなると、蓄電素子6から中間回路4に向かう方向に充放電電流Ibが流れ、蓄電素子6の放電が行われる。
For example, when the voltage V on the
このように本実施形態によれば、電力変換装置3は、架線10(集電装置2)と中間回路4との間に設けられ、蓄電素子6と中間回路4との間を流れる充放電電流Ibの電流値を指示する充放電電流指令Ib *に応じて、架線10との間で入出力される電流または電力を制御する。
As described above, according to the present embodiment, the
そのため、電力変換装置3は、架線電圧を変換して直流電圧を中間回路4に保持させるとともに、蓄電素子6の充放電制御を行うことができる。そのため、蓄電素子6の充放電制御を行うための電力変換装置を別途設ける必要が無いため、電気車のコスト、重量、サイズの増加を抑制することができる。
Therefore, the
なお、本実施形態においては、中間回路電圧制御器32が集電電流指令Ip *を生成する例、すなわち、電流制御を行う例を用いて説明したが、これに限られるものではない。中間回路電圧制御器32は、集電装置2と電力変換装置3との間で授受される集電電力を指示する集電電力指令を生成してもよい。この場合、集電電流制御器33は、集電電力指令と集電電力との偏差により、電圧指令V*を生成する。
In the present embodiment, the example in which the intermediate
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る制御部30aの構成を示すブロック図である。図3において、図2と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。本実施形態に係る制御部30aは、第1の実施形態に係る制御部30と比較して、中間回路電圧指令Vc *の生成方法が異なっている。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the
図3に示す制御部30aは、図2に示す制御部30と比較して、充放電電流制御器31を電圧降下演算器35に変更した点が異なる。
The
電圧降下演算器35は、中間回路4と蓄電素子6との間の抵抗成分による電圧降下を演算する。すなわち、電圧降下演算器35は、中間回路4と蓄電素子6との間の抵抗成分Rと充放電電流指令Ibとを乗算し、乗算結果を出力する。なお、中間回路4と蓄電素子6との間の抵抗成分Rは、例えば、予め求められている。
The
ここで、中間回路4と蓄電素子6との間の抵抗成分の値をRとすると、以下の式(1)が成り立つ。
Ib=(Vc−Vb)/R ・・・(1)
Here, when the value of the resistance component between the intermediate circuit 4 and the storage element 6 is R, the following expression (1) is established.
I b = (V c −V b ) / R (1)
式(1)より、蓄電電圧Vbおよび抵抗成分Rが分かれば、中間回路電圧指令Vc *を生成することができる。したがって、式(1)より中間回路電圧指令Vc *は充放電電流指令Ib *を用いて、下記の式(2)により生成することができる。
Vc *=R×Ib *+Vb ・・・(2)
If the storage voltage V b and the resistance component R are known from the equation (1), the intermediate circuit voltage command V c * can be generated. Therefore, the intermediate circuit voltage command V c * can be generated by the following formula (2) using the charge / discharge current command I b * from the formula (1).
V c * = R × I b * + V b (2)
したがって、図3に示すように、電圧降下演算器35の出力(中間回路4と蓄電素子6との間の抵抗成分と充放電電流指令Ibとの乗算値)と蓄電電圧Vbとの和により、中間回路電圧指令Vc *が生成される。 Therefore, as shown in FIG. 3, the sum of the output of the voltage drop calculator 35 (the multiplication value of the resistance component between the intermediate circuit 4 and the storage element 6 and the charge / discharge current command I b ) and the storage voltage V b. Thus, the intermediate circuit voltage command V c * is generated.
このように本実施形態によれば、制御部30aは、蓄電素子6の蓄電電圧Vbと、蓄電素子6と中間回路4との間の抵抗成分Rによる電圧降下とに基づき、中間回路電圧指令Vc *を生成する。
As described above, according to the present embodiment, the
第1の実施形態においては、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との偏差を比例積分増幅することで中間回路電圧指令Vc *を生成していた。この場合、中間回路電圧指令Vc *が収束するまでに時間を要していた。一方、本実施形態においては、該偏差の増幅が不要となるので、中間回路電圧指令Vc *の生成に要する時間を短縮することができる。 In the first embodiment, the intermediate circuit voltage command V c * is generated by proportional-integral amplification of the deviation between the charge / discharge current I b and the charge / discharge current command I b * . In this case, it takes time for the intermediate circuit voltage command V c * to converge. On the other hand, in the present embodiment, amplification of the deviation is not necessary, so that the time required for generating the intermediate circuit voltage command V c * can be shortened.
(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係る制御部30bの構成を示すブロック図である。図4において、図2,3と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。本実施形態に係る制御部30bは、第1の実施形態に係る制御部30における中間回路電圧指令Vcの生成方法と第2の実施形態に係る制御部30aによる中間回路電圧指令Vc *の生成方法とを組み合わせて、中間回路電圧指令Vc *を生成する。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the
図4に示す制御部30bは、図2に示す制御部30と比較して、電圧降下演算器35を追加した点が異なる。
The
上述したように、本実施形態に係る制御部30bは、第1の実施形態に係る制御部30における中間回路電圧指令Vcの生成方法と第2の実施形態に係る制御部30aによる中間回路電圧指令Vc *の生成方法とを組み合わせて、中間回路電圧指令Vc *を生成する。
As described above, the
すなわち、充放電電流制御器31は、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との偏差を比例積分増幅し、第1の中間回路電圧指令を生成する。また、電圧降下演算器35は、中間回路4と蓄電素子6との間の抵抗成分による電圧降下を演算する。そして、電圧降下演算器35の出力と蓄電電圧Vbとが加算されて、第2の中間電圧指令が生成される。
That is, the charge / discharge
本実施形態に係る制御部30bによれば、図3に示すように、充放電電流制御器31により生成された中間回路電圧指令(第1の中間回路電圧指令)と、電圧降下演算器35の出力と蓄電電圧Vbとの加算により生成された中間回路電圧指令(第2の中間回路電圧指令)とが加算されて、中間回路電圧指令Vc *が生成される。
According to the
このように本実施形態によれば、制御部30bは、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との偏差を増幅して生成した第1の中間回路電圧指令と、蓄電素子6の蓄電電圧Vbと、蓄電素子6と中間回路4との間の抵抗成分Rによる電圧降下とに基づき生成した第2の中間回路電圧指令とに応じて、中間回路電圧指令Vc *を生成する。
According to this embodiment, the
上述したように、第2の実施形態に係る中間回路電圧指令Vc *の生成方法によれば、中間回路電圧指令Vc *の生成に要する時間の短縮を図ることができる。しかし、蓄電電圧Vbの検出値や中間回路4と蓄電素子6との間の抵抗成分Rの値に誤差があると、充放電電流Ibに誤差が生じる。特に、抵抗成分Rは、損失低減のために小さいほどよく、微小な値であるため、正確な値の把握が難しく、制御性能に大きな影響を与える。 As described above, according to the intermediate circuit voltage command V c * generation method according to the second embodiment, it is possible to shorten the intermediate circuit voltage command V c * time required to generate the. However, if there is an error in the detected value of the storage voltage V b or the value of the resistance component R between the intermediate circuit 4 and the storage element 6, an error occurs in the charge / discharge current I b . In particular, the resistance component R is preferably as small as possible to reduce the loss, and is a minute value. Therefore, it is difficult to grasp an accurate value, which greatly affects the control performance.
そこで、本実施形態のように、第1の実施形態に係る中間回路電圧指令Vc *の生成方法と第2の実施形態に係る中間回路電圧指令Vc *の生成方法とを組み合わせることで、抵抗成分Rの値などの誤差により充放電電流Ibに誤差が生じた場合にも、充放電電流制御器31により生成される中間回路電圧指令(第1の中間回路電圧指令)により、その誤差を補正することができる。
Therefore, as in the present embodiment, by combining the method for generating the intermediate circuit voltage command V c * according to the first embodiment and the method for generating the intermediate circuit voltage command V c * according to the second embodiment, Even when an error occurs in the charge / discharge current I b due to an error such as the value of the resistance component R, the error is caused by the intermediate circuit voltage command (first intermediate circuit voltage command) generated by the charge / discharge
(第4の実施形態)
第1から第3の実施形態においては、中間回路電圧指令Vc *を用いて、蓄電素子6の充放電を制御していた。しかし、この場合、制御遅延が発生し、応答性に問題があった。本実施形態においては、集電装置2と電力変換装置3との間で入出力される電力を用いて、蓄電素子6の充放電を制御する。
(Fourth embodiment)
In the first to third embodiments, charging / discharging of the electric storage element 6 is controlled using the intermediate circuit voltage command V c * . However, in this case, a control delay occurs and there is a problem in responsiveness. In the present embodiment, charging / discharging of the storage element 6 is controlled using power input / output between the current collector 2 and the
図5は、本実施形態に係る制御部30cの構成を示すブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the
図5に示す制御部30cは、図2に示す制御部30と比較して、充放電電流制御器31および中間回路電圧制御器32を削除した点と、変換器36を追加した点とが異なる。
The
蓄電素子6により充放電される充放電電力Pbと負荷電力Plと架線10から集電される集電電力Ppとの間には、以下の関係が成立する。
Pp=Pl−Pb ・・・(3)
The following relationship is established between the charge / discharge power P b charged and discharged by the storage element 6, the load power P l, and the collected power P p collected from the
P p = P 1 −P b (3)
なお、負荷電力Plとは、インバータ7およびSIV8など、中間回路4に接続されている負荷の入出力電力の総和である。負荷電力Plは、インバータ7およびSIV8などの負荷と電力変換装置3との間の信号通信により、予め制御部30cにおいて把握されている。
Incidentally, the load power P l is an inverter 7 and SIV8, the sum of the input and output power of the load connected to the intermediate circuit 4. The load power P l is grasped in advance by the
充放電電力Pbは蓄電電圧Vbと充放電電流Ibとの積により求められる。したがって、図5に示すように、充放電電流指令Ib *と蓄電電圧Vbとの積により充放電電力指令Pb *を算出することができる。そして、式(3)より、負荷電力Plから充放電電力指令Pb *を減算することにより、集電電力指令Pp *を求めることができる。 Charge-discharge electric power P b is determined by the product of the power storage voltage V b and the discharge current I b. Therefore, as shown in FIG. 5, the charge / discharge power command P b * can be calculated from the product of the charge / discharge current command I b * and the stored voltage V b . From the formula (3), the collected power command P p * can be obtained by subtracting the charge / discharge power command P b * from the load power P l .
変換器36は、集電電流制御器33により生成された電圧指令V*と集電電力指令Pp *とに基づき、集電電流指令Ip *を生成する。そして、集電電流指令Ip *と集電電流Ipとの偏差が集電電流制御器33により比例積分増幅されて電圧指令V*が生成される。
The
このように本実施形態によれば、制御部30cは、蓄電素子6の充放電電力指令Pb *と、負荷電力Plとに基づき、集電電力指令Pp *を生成し、生成した集電電力指令Pp *に応じて、集電電力Ppを制御する。
As described above, according to the present embodiment, the
集電電力指令Pp *は充放電電力指令Pb *と負荷電力Plとに基づき生成されるため、高速に求めることができる。そのため、中間回路電圧指令Vc *を用いる場合と比べて、制御遅延の発生を抑制することができる。 Since the collected power command P p * is generated based on the charge / discharge power command P b * and the load power P l , it can be obtained at high speed. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of control delay compared to the case where the intermediate circuit voltage command V c * is used.
(第5の実施形態)
上述したように、第4の実施形態においては、負荷電力Plは、インバータ7およびSIV8などの負荷と電力変換装置3との間の信号通信により、予め制御部30cにおいて把握されていた。しかし、負荷と電力変換装置3との間の信号通信が困難な場合には、負荷電力Plを制御部30cが把握することが困難となる。
(Fifth embodiment)
As described above, in the fourth embodiment, the load power P l is the signal communication between the load and the
そこで、本実施形態に係る制御部は、図6に示す負荷電力Plを推定する負荷電力推定部を有している。 Therefore, the control unit according to the present embodiment includes a load power estimation unit that estimates the load power Pl shown in FIG.
図6に示す負荷電力推定部37は、フィルタ371を有している。
6 includes a
上述したように、負荷電力Plと充放電電力Pbと集電電力Ppとの間には、式(3)に示す関係がある。また、集電電力Ppは、電圧指令V*と集電電流Ipとの積である。また、充放電電力Pbは、蓄電電圧Vbと充放電電流Ibとの積である。 As described above, between the load power P l and the charge-discharge power P b and the collector power P p is related as shown in Equation (3). The collected power P p is a product of the voltage command V * and the collected current I p . Moreover, charge-discharge electric power P b is the product of the power storage voltage V b and the discharge current I b.
したがって、図6に示すように、負荷電力推定部37においては、電圧指令V*と集電電流Ipとが乗算される。また、蓄電電圧Vbと充放電電流Ibとが乗算される。そして、電圧指令V*と集電電流Ipとの乗算値と蓄電電圧Vbと充放電電流Ibとの乗算値とが加算され、フィルタ371に入力される。なお、中間回路4はコンデンサ41を有しているため、過渡応答により推定誤差が発生する。
Therefore, as shown in FIG. 6, the load
そこで、フィルタ371は、入力に対して高周波をカットすることで、過渡応答による誤差を低減する。フィルタ371の出力が、図5に示す負荷電力Plとされ、充放電電力指令Pb*との偏差が算出される。
Therefore, the
このように本実施形態によれば、制御部30cは、電圧指令V*と、集電電流Ipと、蓄電電圧Vbと、充放電電流Ibとに基づき、負荷電力Plを推定する。
According to this embodiment, the
そのため、電力変換装置3と負荷との信号通信が困難な場合にも負荷電力Plを推定し、この推定した負荷電力Plを用いて集電電流Ipの制御が可能となる。
Therefore, even when signal communication between the
(第6の実施形態)
上述した第4および第5の実施形態においては、負荷電力Plや変換器36の演算に誤差があると、充放電電流Ibに誤差が生じるという問題があった。そこで、本実施形態においては、第4あるいは第5の実施形態と、第1から第3の実施形態とを組み合わせることで、充放電電流Ibの誤差を抑制している。
(Sixth embodiment)
In the fourth and fifth embodiments described above, there is a problem that an error occurs in the charge / discharge current I b if there is an error in the load power Pl or the calculation of the
図7は、本発明の第6の実施形態に係る制御部30dの構成を示すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a
図7に示す制御部30dは、図5に示す制御部30cと比較して、充放電電流制御器31と中間回路電圧制御器32とが追加された点が異なる。すなわち、制御部30dは、図5に示す制御部30cと図1に示す制御部30とが組み合わされた構成である。
The
図7に示す制御部30dにおいては、充放電電流制御器31は、充放電電流Ibと充放電電流指令Ib *との偏差を比例積分増幅して中間回路電圧指令Vc *を生成する。中間回路電圧制御器32は、中間回路電圧指令Vc *と中間回路電圧Vcとの偏差を比例積分増幅して、第1の集電電力指令Ppfb *を生成する。なお、第1の実施形態においては、中間回路電圧制御器32は、集電電流指令Ip *を生成したが、上述したように、集電電力指令を生成してもよい。
In the
また、充放電電流指令Ib *と蓄電電圧Vbとが乗算され、充放電電力指令Pb *が生成される。さらに、負荷電力Plから充放電電力指令Pb *が減算されることで、第2の集電電力指令Ppff *が生成される。 Further, the charge / discharge current command I b * and the storage voltage V b are multiplied to generate a charge / discharge power command P b * . Further, the second collected power command P pff * is generated by subtracting the charge / discharge power command P b * from the load power P l .
そして、第1の集電電力指令Ppfb *と第2の集電電力指令Ppff *とが加算されて集電電力指令Pp *が生成され、変換器36に入力される。
Then, the first collected power command P pfb * and the second collected power command P pff * are added to generate a collected power command P p *, which is input to the
このように本実施形態によれば、制御部30dは、充放電電流Ibが充放電電流指令Ib *に一致する中間回路電圧Vcを指示する中間回路電圧指令Vc *を生成し、生成した中間回路電圧指令Vc *に応じて、第1の集電電力指令Ppfb *を生成する。また、制御部30dは、充放電電力指令Pb *と、負荷電力Plとに基づき、第2の集電電力指令Ppff *を生成する。そして、制御部30dは、生成した第1の集電電力指令Ppfb *と第2の集電電力指令Ppff *とに応じて集電電力指令Pp *を生成し、生成した集電電力指令Pp *に応じて、集電電力を制御する。
According to this embodiment, the
そのため、負荷電力Plや変換器36の演算に誤差が生じても、その誤差を第1の第1の集電電力指令Ppfb *により補正することができるので、充放電電流Ibに誤差が生じることを抑制することができる。
Therefore, even if an error in the calculation of the load power P l and
なお、本実施形態においては、図2に示す、第1の実施形態に係る制御部30と図5に示す、第4の実施形態に係る制御部30cとを組み合わせる例を用いて説明したが、これに限られるものではない。第1から第3の実施形態に係る制御部30,30a,30bと、第4または第5に係る制御部30cとを適宜、組み合わせてもよい。
In addition, in this embodiment, although demonstrated using the example which combines the
また、上述した実施形態においては、中間回路電圧指令Vc *、集電電流指令Ip、電圧指令V*などの生成に、比例積分(PI)増幅を用いる例を用いて説明したが、これに限られるものではない。比例積分増幅の代わりに、比例(P)増幅、比例積分微分(PID)増幅などのフィードバック制御を用いてもよい。 In the above-described embodiment, the intermediate circuit voltage command V c * , the collected current command I p , the voltage command V *, and the like have been described using an example in which proportional integration (PI) amplification is used. It is not limited to. Instead of proportional integral amplification, feedback control such as proportional (P) amplification, proportional integral derivative (PID) amplification, or the like may be used.
本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 Although the present invention has been described based on the drawings and embodiments, it should be noted that those skilled in the art can easily make various variations or modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations or modifications are included in the scope of the present invention. For example, functions included in each block or the like can be rearranged so that there is no logical contradiction, and a plurality of blocks can be combined into one or divided.
1 電気車
2 集電装置
3 電力変換装置
4 中間回路
5 リアクトル
6 蓄電素子
7 VVVFインバータ
8 SIV
10 架線
11 車輪
12 レール
30,30a,30b,30c,30d 制御部
31 充放電制御器
32 中間回路電圧制御器
33 集電電流制御器
34 電力変換回路
35 電圧降下演算器
36 変換器
37 負荷電力推定部
371 フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric vehicle 2
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御する制御部を有することを特徴とする電力変換装置。 The battery is mounted on an electric vehicle including a storage element, a load, and an intermediate circuit that is connected to the storage element and the load and holds a DC voltage, and is provided between the overhead line and the intermediate circuit. , A power conversion device for converting into a DC voltage different from the voltage of the overhead wire and holding it in the intermediate circuit,
A control unit that controls current or power input / output to / from the overhead line according to a charge / discharge current command that indicates a current value of a charge / discharge current flowing between the power storage element and the intermediate circuit; The power converter characterized by this.
前記電力変換装置は、前記架線との間で入出力される電流または電力に応じて、前記中間回路に保持させる電圧である中間回路電圧を制御可能であり、
前記制御部は、前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致するような中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記中間回路電圧を制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power converter is capable of controlling an intermediate circuit voltage, which is a voltage held in the intermediate circuit, according to a current or power input / output to / from the overhead line,
The control unit generates an intermediate circuit voltage command that instructs an intermediate circuit voltage such that the charge / discharge current matches the charge / discharge current command, and the intermediate circuit voltage is set according to the generated intermediate circuit voltage command. The power converter characterized by controlling.
前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して、前記中間回路電圧指令を生成することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
The control unit receives the charge / discharge current detection value, amplifies a deviation between the input charge / discharge current detection value and the charge / discharge current command by feedback control, and generates the intermediate circuit voltage command. The power converter characterized by doing.
前記制御部は、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、前記中間回路電圧指令を生成することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
The said control part produces | generates the said intermediate circuit voltage command based on the electrical storage voltage of the said electrical storage element, and the voltage drop by the resistance component between the said electrical storage element and the said intermediate circuit.
前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して第1の中間回路電圧指令を生成し、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、第2の中間回路電圧指令を生成し、前記生成した第1の中間回路電圧指令と第2の中間回路電圧指令とに応じて、前記中間回路電圧指令を生成することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
The control unit receives a detection value of the charge / discharge current, amplifies a deviation between the input detection value of the charge / discharge current and the charge / discharge current command by feedback control, and outputs a first intermediate circuit voltage command. Generating a second intermediate circuit voltage command based on a storage voltage of the storage element and a voltage drop due to a resistance component between the storage element and the intermediate circuit, and generating the generated first intermediate circuit A power conversion device that generates the intermediate circuit voltage command in accordance with a voltage command and a second intermediate circuit voltage command.
前記制御部は、前記蓄電素子の充放電電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、前記架線との間で入出力される電力を指示する集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The control unit generates a collected power command for instructing power input / output to / from the overhead line based on a charge / discharge power command for instructing charge / discharge power of the power storage element and load power by the load And the electric power converter characterized by controlling the electric power input / output between the said overhead wires according to this produced | generated collected electric power instruction | command.
前記制御部は、前記架線と前記電力変換装置との間を流れる集電電流の検出値、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値が入力され、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値に基づき前記蓄電素子の充放電電力を算出し、前記集電電流の検出値および前記電力変換装置の前記架線側の電圧を指示する電圧指令に基づき前記架線との間で入出力される集電電力を算出し、前記算出した充放電電力および集電電力に基づき、前記負荷電力を推定することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6, wherein
The control unit receives a detected value of a collected current flowing between the overhead wire and the power converter, a stored voltage of the power storage element, and a detected value of the charge / discharge current, and the stored voltage of the power storage element and the The charge / discharge power of the electricity storage element is calculated based on the detected value of the charge / discharge current, and between the overhead wire based on the voltage value indicating the detected value of the current collection current and the voltage on the overhead line side of the power converter. A power converter that calculates the collected power to be input / output and estimates the load power based on the calculated charge / discharge power and the collected power.
前記中間回路に保持させる電圧である中間回路電圧と前記蓄電素子の蓄電電圧との差に応じて流れる前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致する中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御する第1の集電電力指令を生成し、前記蓄電素子に充放電する電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、第2の集電電力指令を生成し、前記生成した第1の集電電力指令と第2の集電電力指令とに応じて集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
An intermediate circuit voltage command for indicating an intermediate circuit voltage at which the charging / discharging current flowing according to the difference between the intermediate circuit voltage, which is a voltage held in the intermediate circuit, and the storage voltage of the power storage element matches the charge / discharge current command, Generate a first current collection power command for controlling power input / output to / from the overhead line according to the generated intermediate circuit voltage command, and instruct the power to be charged / discharged to the storage element A second collected power command is generated based on the charge / discharge power command and load power by the load, and current collection is performed according to the generated first collected power command and second collected power command. A power conversion device that generates a power command and controls power input to and output from the overhead line in accordance with the generated collected power command.
間回路とを備える電気車に搭載され、架線と前記中間回路との間に設けられ、前記架線の
電圧を、前記架線の電圧とは異なる直流電圧に変換して前記中間回路に保持させる電力変
換装置の制御方法であって、
前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流
指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御するステップを含む
電力変換装置の制御方法。 Mounted in an electric vehicle including an electric storage element, a load, and an intermediate circuit connected to the electric storage element and the load and holding a DC voltage, provided between the overhead line and the intermediate circuit, the voltage of the overhead line is , A method for controlling a power converter for converting to a DC voltage different from the voltage of the overhead wire and holding it in the intermediate circuit,
Power conversion including a step of controlling current or power input / output to / from the overhead wire in response to a charge / discharge current command that indicates a current value of a charge / discharge current flowing between the power storage element and the intermediate circuit Control method of the device.
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