JP6539174B2

JP6539174B2 - 鉄道き電システム

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Publication number: JP6539174B2
Application number: JP2015187581A
Authority: JP
Inventors: 基也鈴木; 努宮内; 佐藤　裕; 裕佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP2017061234A

Description

本発明は、地上設置型回生電力貯蔵装置を備えた鉄道き電システムに関する。

近年の環境・エネルギー問題の深刻化により、省エネルギー化を実現する技術が重要視されている。鉄道の分野では、車両の運転に必要なエネルギーの削減策のひとつとしてブレーキ作動時に発生する回生電力の有効活用が注目されている。回生電力とは、車両に搭載されたモータの起電力によりブレーキ力を得た際に発電される電力である。回生電力を供給している車両を回生車両と呼ぶ。従来の摩擦ブレーキでは熱として捨てていた車両の運動エネルギーが、電力に変換することで利用可能となる。回生電力の活用方法は、非電化・直流電化・交流電化など車両の動力形態で異なり、本発明では直流電化を対象に述べる。

直流電化のき電システムでは、電力系統から受電した交流電力をダイオードによる整流装置で直流に変換して電力をき電線に供給し、車両が力行時にき電線から電力をとりこむことで走行している。回生電力は車両からき電線に供給され、他の力行中の車両（力行車両）が消費することで活用することができる。しかしながら、力行車両不在の場合、回生電力の供給先がなく、有効に活用することができない。なお、力行車両の消費する電力を力行電力と呼ぶ。

このような問題に対し、力行中の車両が不在の場合でも、回生電力の有効活用を可能とする地上設置型回生電力貯蔵装置が注目されている。地上設置型回生電力貯蔵装置は、き電線に蓄電装置を接続することで、回生電力を蓄電装置に充電し、力行電力が発生した際に充電した電力を放電する装置である。

従来の地上設置型回生電力貯蔵装置では、き電線に発生している負荷によって異なるき電線電圧の挙動を利用して、充放電を制御している。

車両が存在せずき電線に負荷がないときや回生電力と力行車両で消費される電力が等しい場合、整流装置出力電流はゼロであり、き電線電圧は負荷のない状態で整流装置が出力する無負荷電圧となる。

回生電力が力行車両で消費される電力を下回っている場合、電力系統からき電線へ整流装置出力電流が供給され、整流装置の内部抵抗により、き電線電圧は整流器出力電流に比例して無負荷電圧より低下する。

回生電力が力行車両で消費される電力を上回っている場合、き電線から電力系統への電流は流れないので整流装置出力電流はゼロであるが、き電線に電力供給源が存在することでき電線電圧は無負荷電圧より上昇する。

そこで、き電線電圧が無負荷電圧の設計値より高い所定の値(充電電圧)を上回ったら充電、無負荷電圧の設計値より低い所定の値(放電電圧)を下回ったら放電することで、回生電力の有効活用を図る電力貯蔵式回生電力吸収装置が特許文献１に示されている。この特許文献１には「本発明による電力貯蔵式回生電力吸収装置は、電力貯蔵装置と、該電力貯蔵装置からき電線への放電及びき電線から該電力貯蔵装置への充電を制御する電力変換器と、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより高いとき、それを電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓまで引き下げるように上記電力変換器を制御する充電時電圧制御系と、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより低いとき、それを電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃまで引き上げるように上記電力変換器を制御する放電時電圧制御系と、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上のとき、電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣを充電率指令値ＳＯＣｒｅｆに一致させるように上記電力変換器を制御する充電率制御系と、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上であり、更に、電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の絶対値が基準値Δ ＳＯＣ以内のとき上記電力変換器のスイッチングを停止させるサプレス制御系とを有する。」と記載されている。

特開２００６−６２４８９

しかしながら、電力系統の電源電圧の変動や系統インピーダンスの影響で、整流装置の電力系統に接続する側の電圧である一次電圧は変動し、連動してき電線へ出力する二次電圧も変動する。このため、実際の無負荷電圧は電力系統の影響を受けて時々刻々と変動する。

したがって特許文献１の電力貯蔵式回生電力吸収装置では、無負荷電圧が設計値よりも上昇すると、無負荷電圧と放電電圧の差が拡大することで、整流装置が力行電力が発生している状況でも蓄電装置が放電しなくなる。更に、無負荷電圧が充電電圧を上回ると継続的に整流装置からの出力が蓄電装置に充電され、蓄電池の充電率が上限に達することで回生電力を充電することができなくなる。

一方、無負荷電圧が設計値よりも低下し放電電圧を下回ると、力行電力が発生していない状況にもかかわらず放電してしまう。

以上のように、電力系統が与える無負荷電圧の変動が外乱となり、特許文献１の電力貯蔵式回生電力吸収装置では、力行と回生に応じた適切な充放電ができない場合があった。

本発明の課題は、無負荷電圧の変動に依らず力行電力が回生電力を上回っている場合に放電、回生電力が力行電力を上回っている場合に充電できるように充放電を制御することである。

上記課題を解決するために、本発明の代表的な鉄道き電システムは、車両と、車両に電力を供給するき電線と、電力系統から入力される電力を整流しき電線へ整流した電力を出力する整流装置と、き電線に接続された蓄電装置と、蓄電装置とき電線との間に流れる充放電電力を制御する制御装置を備えた鉄道き電システムにおいて、制御装置は、整流装置に入力される電力の電圧である一次電圧と整流装置から出力される電力の電圧である二次電圧に応じて充放電電力を制御することにより達成される。

無負荷電圧の変動に依らず力行電力が回生電力を上回っている場合に放電、回生電力が力行電力を上回っている場合に充電できるように充放電を制御できる。

本発明の実施例１による直流き電システムの構成図である本発明の実施例１に関わる電圧差検出手段の一例である。本発明の放電時の動作例である。本発明の実施例２による直流き電システムの構成図である。本発明の実施例２に関わる電圧差検出手段の一例である。本発明の実施例３による直流き電システムの構成図である。本発明の実施例３に関わる電圧差検出手段の一例である。

図１は、本発明の実施例１に関わるき電システムの構成を示す図である。

車両１０１と、車両１０１に電力を供給するき電線１０２と、き電線１０２に接続されている変電所１０３と地上設置型回生電力貯蔵装置１０４で構成されている。

変電所１０３は、電力系統１０５から受電した交流電力を直流電力に変換してき電線１０２に供給する整流装置１０６を備えている。

地上設置型回生電力貯蔵装置１０４は蓄電装置１０７と蓄電装置１０７の充放電電力を制御する制御装置１０８を備えている。制御装置１０８は、電圧差検出装置１０９が決定する整流装置電圧差１１０に基づき、整流装置電圧差１１０が閾値Ａを下回ったら蓄電装置１０７を放電、閾値Ｂを上回ったら蓄電装置１０７を充電させる。蓄電装置１０７の充放電のハンチングを避けるために、例えば、閾値Ａの絶対値、閾値Ｂの絶対値は電圧に発生するリプルよりも大きな値を使用する。電圧差検出装置１０９は、整流装置１０６の電力系統１０５に接続する側（一次側とする）に設置された第一の電圧計１１１が計測する一次電圧１１２と、整流装置１０６のき電線１０２に接続する側（二次側とする）に設置された第二の電圧計１１３が計測する二次電圧１１４から整流装置電圧差１１０を算出する。

図２は、本発明の実施例１に関わる電圧差検出装置１０９の処理を示す図である。

電圧差検出装置１０９では、一次電圧１１２を平均電圧算出器２０１により一次側平均電圧２０２として、交流一周期における一次電圧１１２の絶対値の平均値を算出する。算出された一次側平均電圧２０２と二次電圧１１４を差分器２０３に入力し整流装置電圧差１１０を決定する。

なお、電圧差検出装置１０９は、整流装置の内部抵抗に伴う電圧降下を測定できれば他の手段でもよい。例えば、交流一周期における一次電圧１１２のピーク値と、二次電圧１１４の差分を整流装置の内部抵抗に伴う電圧降下としてもよい。

図３は、本発明の実施例１の動作について示したものである。

整流装置は整流装置の内部抵抗に伴い、出力側に電流が流れると、その電流と整流装置の内部抵抗の積の分だけ、整流装置の出力側の電圧降下が発生する。従って、整流装置電圧差１１０と整流装置出力電流の関係は、無負荷電圧が変動しても装置固有の一定の特性を示す。

二次側に負荷がある場合（力行車両がいる場合）、整流装置が電流を出力し、その電流と内部抵抗の積に相当する電圧降下が整流装置電圧差にあらわれる。二次側に電源がある場合（回生車両がいる場合）、逆方向には電流が流れないため、電流０のまま整流装置電圧差が上昇する。

したがって、力行電力が回生電力を上回っていると、整流装置出力電流が増加し、整流装置電圧差が低下する。このとき、回生電力貯蔵装置は整流装置電圧差が閾値Ａを下回ると放電する。整流装置出力電流と整流装置電圧差の対応関係は電力系統に依らないため、閾値Ａを所定の整流装置出力電流に対応するように設定することで、整流装置出力電流が所定の値を越えたら確実に放電することができる。

回生電力が力行電力を上回っていると、電力系統に対しき電線が電力供給源となることで、整流装置電圧差が上昇する。このとき、回生電力貯蔵装置は整流装置電圧差が閾値Ｂを上回ると充電する。閾値Ｂを０より高い値に設定することで、回生電力の発生に対応して充電することができる。

以上のように、整流装置電圧差に対する整流装置出力電流の出力特性は無負荷電圧に依らない為、本発明の実施例１により無負荷電圧の変動に依らず力行電力が回生電力を上回っている場合に放電、回生電力が力行電力を上回っている場合に発生している場合に充電できるように充放電を制御できる。

図４は、本発明の実施例２に関わるき電システムの構成を示す図である。

電力系統１０５と整流装置１０６との間に変圧器４０１を備えているところが実施例１の形態とは異なる。

図５は、本発明の実施例２に関わる電圧差検出装置１０９の処理を示す図である。

一次側平均電圧２０２に定数５０１を乗じる乗算器５０２を備え、乗算器５０２の演算結果と二次電圧１１４から差分器２０３により整流装置電圧差１１０を算出する。定数５０１には、一次電圧と二次電圧の変換比率に対応する値を設定する。一次側の交流が単相の場合、定数５０１は変圧器４０１の巻数比の逆数である。また、一次側の交流が多相の場合、相数に応じた電圧の重畳を考慮し、一次側交流の相数ｐに対して数１で求められる乗数αを変圧器４０１の巻数比に掛けた値を定数５０１に設定することで、一次側の交流が多相の場合にも本発明を動作できる。
（数１）
α＝ｐsin（π/２ｐ）
これにより、変圧器やなどの変換装置により一次電圧と二次電圧に一定の変換比率が存在する場合にも、整流装置に発生する電圧差を検出することができる。

図６は、本発明の実施例３に関わるき電システムの構成を示す図である。

電圧差検出装置１０９には変圧器４０１から巻数比を示す値６０１を入力されているところが実施例２の形態とは異なる。巻数比を示す値６０１としては、変圧器４０１に巻数比を示す信号を出力させる。たとえば、変圧タップを切り替えるスイッチが巻数比に対応するので、そのスイッチの状態を示す信号（スイッチの位置に対応する電圧、スイッチの位置に対応する周期のパルス信号、スイッチの位置に対応する周期の正弦波信号など）を変圧器４０１に巻数比を示す値６０１として出力させる。この場合、変換比率算出器７０１は、入力された巻数比を示す値６０１を受け取り、変圧タップを切り替えるスイッチの状態を認識し、それに対応する巻数比を算出する。巻数比を示す値６０１としてはこれに限るものではなく、変圧器４０１の巻数比を識別できるものであればよい。

図７は、本発明の実施例３に関わる電圧差検出装置１０９の処理を示す図である。

定数５０１の代わりに、変換比率算出器７０１が出力する変換比率７０２を乗算器５０２に入力するところが実施例２の形態とは異なる。変換比率算出器７０１は、巻数比を示す値６０１を入力とし、それから求めた巻数比の逆数に数式１で求められる乗数αを掛けることで一次電圧と二次電圧の変換比率７０２を算出する。

これにより、変圧器巻数比の切替により一次電圧と二次電圧の変換比率が変更される場合にも、自動的に整流装置に発生する電圧差を検出することができる。

１０１：車両、１０２：き電線、１０３：変電所、１０４：地上設置型回生電力貯蔵装置、
１０５：電力系統、１０６：整流装置、１０７：蓄電装置、１０８：制御装置、
１０９：電圧差検出装置、１１０：整流装置電圧差、
１１１：第一の電圧計、１１２：一次電圧、
１１３：第二の電圧計、１１４：二次電圧、
２０１：平均電圧算出器、２０２：一次側平均電圧、２０３：差分器、
４０１：変圧器、
５０１：定数、５０２：乗算器、
６０１：巻数比を示す値、
７０１：変換比率算出器、７０２：変換比率

Claims

車両と、前記車両に電力を供給するき電線と、電力系統から入力される電力を整流し前記き電線へ整流した電力を出力する整流装置と、前記き電線に接続された蓄電装置と、前記蓄電装置と前記き電線との間に流れる充放電電力を制御する制御装置を備えた鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記整流装置に入力される電力の電圧である一次電圧と前記整流装置から出力される電力の電圧である二次電圧との差に応じて前記充放電電力を制御することを特徴とする鉄道き電システム。
請求項１の鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記二次電圧と前記一次電圧の差が第一の設定値を上回ったら前記蓄電装置を充電、第二の設定値を下回ったら前記蓄電装置を放電させることを特徴とする鉄道き電システム。
車両と、前記車両に電力を供給するき電線と、電力系統から入力される電力を整流し前記き電線へ整流した電力を出力する整流装置と、前記き電線に接続された蓄電装置と、前記蓄電装置と前記き電線との間に流れる充放電電力を制御する制御装置を備えた鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記整流装置に入力される電力の電圧である一次電圧と前記整流装置から出力される電力の電圧である二次電圧とに応じて前記充放電電力を制御し、
前記制御装置は、前記二次電圧と交流一周期における前記一次電圧の絶対値の平均値との差に応じて前記充放電電力を制御することを特徴とする鉄道き電システム。
請求項３の鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記二次電圧と、交流一周期における前記一次電圧の絶対値の平均値との差が第一の設定値を上回ったら前記蓄電装置を充電、第二の設定値を下回ったら前記蓄電装置を放電させることを特徴とする鉄道き電システム。
車両と、前記車両に電力を供給するき電線と、電力系統から入力される電力を整流し前記き電線へ整流した電力を出力する整流装置と、前記き電線に接続された蓄電装置と、前記蓄電装置と前記き電線との間に流れる充放電電力を制御する制御装置を備えた鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記整流装置に入力される電力の電圧である一次電圧と前記整流装置から出力される電力の電圧である二次電圧とに応じて前記充放電電力を制御し、
前記制御装置は、前記二次電圧と前記一次電圧に所定値を乗じた値の差に応じて前記充放電電力を制御することを特徴とする鉄道き電システム。
請求項５の鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記二次電圧と前記一次電圧に所定値を乗じた値の差が、第一の設定値を上回ったら前記蓄電装置を充電、第二の設定値を下回ったら前記蓄電装置を放電させることを特徴とする鉄道き電システム。
車両と、前記車両に電力を供給するき電線と、電力系統から入力される電力を整流し前記き電線へ整流した電力を出力する整流装置と、前記き電線に接続された蓄電装置と、前記蓄電装置と前記き電線との間に流れる充放電電力を制御する制御装置を備えた鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記整流装置に入力される電力の電圧である一次電圧と前記整流装置から出力される電力の電圧である二次電圧とに応じて前記充放電電力を制御し、
前記制御装置は、前記二次電圧と交流一周期における前記一次電圧の絶対値の平均値に所定値を乗じた値の差に応じて前記充放電電力を制御することを特徴とする鉄道き電システム。
請求項７の鉄道き電システムにおいて、前記制御装置は、前記二次電圧と前記一次電圧の絶対値に所定値を乗じた値の差が、第一の設定値を上回ったら前記蓄電装置を充電、第二の設定値を下回ったら前記蓄電装置を放電させることを特徴とする鉄道き電システム。