JP6543445B2 - き電システム - Google Patents

Description

本発明はき電システムに関する。

鉄道の省エネルギー化を実現する為、回生ブレーキの有効活用が注目されている。回生ブレーキは、列車に搭載されたモータの起電力により制動力を確保する減速手段で、従来の摩擦ブレーキでは熱として捨てていた列車の運動エネルギーを電力に変換することができる。回生ブレーキにより発生した電力（回生電力）は駆動用電力として再利用することができる。一般的な電気鉄道において回生電力は架線を介して、駆動中の他の列車へと供給される。

しかしながら、供給先となる駆動中の車両が不在となる場合は回生電力を活用することができない。このため、駆動車両が不在となる状況でも回生電力を有効に活用する技術が必要とされている。

このような課題に対する技術として特開２００９−６７２０５号公報（特許文献１）の電気鉄道き電システムがある。
この公報では，架線に設置した蓄電装置に対し回生電力を充電し、車両が駆動した際に放電することで駆動車両の有無に関わらず回生電力の有効活用を可能としている。

特開２００９−６７２０５号公報

しかしながら，特許文献１では，駆動中の車両が存在し、回生電力を車両間で融通することが可能な場合においても回生電力を充電する。この場合、蓄電池の充放電効率により蓄電装置を導入していない場合と比較して回生電力の利用効率が悪化するという問題がある。

本発明の課題は，発生した回生電力を駆動中の車両が使用可能な場合において、車両間での電力融通を優先し，駆動中の車両で消費しきれない回生電力分を蓄電池に充電することを可能にすることである。

上記課題を解決する為に、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、第一の電源と直流母線の各々と接続し、第一の電源から供給される電力を第一の車両に供給する第一のき電線と、第二の電源と直流母線の各々と接続し、第二の電源から供給される電力を第二の車両に供給する第二のき電線と、蓄電装置と、蓄電装置と直流母線の間に接続され、電力を変換する電力変換装置と、蓄電装置へ充放電指令を与える制御装置とを有するき電システムにおいて、直流母線と第一のき電線との間に接続される第一の電流観測手段と、直流母線と第二のき電線との間に接続される第二の電流観測手段とを有し、制御装置は、第一の電流観測手段で観測される第一の観測電流、第二の電流観測手段で観測される第二の観測電流、蓄電装置の充電量に基づいて充放電指令を与えることを特徴とする。

本発明により、異なるき電線間における融通可能な回生電力の利用効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施例１によるき電システムの構成図である。 本発明の実施例１に係る制御装置の一例である。 本発明の実施例１の動作の一例である。 本発明の実施例２によるき電システムの構成図である。 本発明の実施例２に係る制御装置の一例である。 本発明の実施例２の動作の一例である。 本発明の実施例３によるき電システムの構成図である。 本発明の実施例３に係る制御装置の一例である。 本発明の実施例４に係るき電システムの構成図である。 本発明の実施例４に係る動作の一例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施例１に係るき電システムの概要を示す図である。

本発明は、第一の車両１０１ａと、第二の車両１０１ｂと、第一のき電線１０２ａと、第二のき電線１０２ｂと、第一の電源１０３ａと、第二の電源１０３ｂと、送電系統１０４と、交流電源１０５と、電力変換器１０６と、蓄電装置１０７と、制御装置１０８と、直流母線１０９と、第一の電流観測手段１１０ａと、第二の電流観測手段１１０ｂから構成される。

第一のき電線１０２ａは第一の電源１０３ａと直流母線１０９に接続されており、第一のき電線１０２ａが設置された範囲を走行する第一の車両１０１ａに対し電力を供給する。

第二のき電線１０２ｂは第二の電源１０３ｂと直流母線１０９に接続されており、第二のき電線１０２ｂが設置された範囲を走行する第二の車両１０１ｂに対し電力を供給する。

送電系統１０４は第一の電源１０３ａと第二の電源１０３ｂと交流電源１０５に接続されており、第一の電源１０３ａと第二の電源１０３ｂに対して電力を供給する。

変換器１０６は蓄電装置１０７と直流母線１０９に接続されており，制御装置１０８からの充電電流指令１１２に従って、直流母線１０９から蓄電装置１０７に流れる充電電流を制御する。

制御装置１０８は、電流観測手段１１０ａの観測電流１１１ａと、電流観測手段１１０ｂの観測電流１１１ｂに基づいて、変換器１０６に対する充電電流指令１１２を決定する。

図２は制御装置１０８の処理の具体例を示すものである。
制御装置１０８は、待機状態２０１と電流加算状態２０２と電流減算状態２０３の３つの制御状態間の遷移により前記充電電流指令１１２を決定する。

前記待機状態２０１は前記充電電流指令１１２として０を出力する。

また、前記観測電流１１１ａの絶対値と前記観測電流１１１ｂの絶対値との和の時間変化が予め設定した値：α以上となる条件２０４により、前記電流加算状態２０２に遷移する。なお、αは０より大きな値を設定すればよい。

前記電流加算状態２０２は前記充電電流指令１１２を予め指定した量αだけ増やして出力する。

また、第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値との和の時間変化が０未満となる条件２０５で、前記電流減算状態２０３に遷移する。

前記電流減算状態２０３は前記充電電流指令１１２を予め指定した量βだけ減らして出力する。

また、前記観測電流１１１ａの絶対値と前記観測電流１１１ｂの絶対値との和の時間変化が０未満となる条件２０６で、前記電流加算状態２０２に遷移する。

また、充電電流指令１１２が０未満となる条件２０７で、前記待機状態２０１に遷移する。

図３は、実施例１による第一の車両１０１ａ、第二の車両１０１ｂ、制御装置１０８の動作の概要（状態遷移）示すものである。

図３（ａ）を用いて、充電電流指令１１２に対する第一の車両１０１ａの架線電流、第二の車両１０１ｂの架線電流、第一の観測電流１１１ａ、第二の観測電流１１１ｂの動作特性を説明する。

充電電流指令１１２が０の場合、第一の車両１０１ａの架線電流と第二の車両１０１ｂの架線電流が等しくなるように流れる。

充電電流指令１１２が増加すると、第一の車両１０１ａが供給可能な回生電流上限値まで第一の車両１０１ａの架線電流が増加する。

充電電流指令１１２と第二の車両１０１ｂの架線電流の和が第一の車両１０１ａの架線電流を上回るとそれ以上充電電流指令値１１２が増加しても第一の車両１０１ａの架線電流は第一の車両１０１ａの回生電流上限値で頭打ちとなる。この為、充電電流が充電する量が増加した分、車両１０１ａから車両１０１ｂに供給される電流が減少する。

以上の挙動に対し、回生中の第一の車両１０１ａから駆動中の第二の車両１０１ｂへ電流が供給される場合には、第一の観測電流１１１ａは車両１０１ａの架線電流に等しく、第二の観測電流は車両１０１ａから車両１０１ｂに供給された電流に等しい。従って、観測電流１１１ａの絶対値と観測電流１１１ｂの絶対値との和が最大となるｐ３を充電電流指令１１２の制御目標とすることで、最も回生電力の活用効率が向上する。

図３（ｂ）に制御装置１０８の動作を、制御の具体例である図２の処理の場合について示す。

時刻ｔ０において第一の車両１０１ａで回生電流が発生すると、第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値の電流増加状態により条件２０４が満たされる。それに伴い、制御状態が待機状態２０１から電流増加状態２０２に遷移し、充電電流指令１１２にαを加算し、図３（ａ）に示すｐ０からｐ１の状態に移動する。

時刻ｔ１において第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値の和が増加しており時間で微分した値は正となり条件２０５を満たさない。従って、電流増加状態が継続され充電電流指令１１２にαが加算され、ｐ１からｐ２の状態に遷移する。

時刻ｔ２、時刻ｔ３においても第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値の和が増加している為、条件２０５が満たされない。従って、充電電流指令１１２にαが加算され、ｐ２からｐ３、ｐ３からｐ４へと移動する。

時刻ｔ４において第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値の和が減少している為、条件２０５が満たされる。従って、電流増加状態２０２から電流減少状態２０３に遷移し、充電電流指令１１２にαが減算され、ｐ４からｐ３に移動する。

時刻ｔ５において第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値の和が減少している為、条件２０６を満たさない。従って、電流減算状態２０３が継続し、充電電流指令１１２にαが減算され、ｐ３からｐ２に移動する。

時刻ｔ６において第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値の和が増大している為、条件２０６が満たされる。それに伴い、制御状態が電流減算状態２０３から電流加算状態２０２に遷移し、充電電流指令１１２にαが加算され、ｐ２からｐ３に移動する。

時刻ｔ７において第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値の和が増大している為、条件２０５を満たさない、電流加算状態２０２が継続し、充電電流指令１１２にαが加算され、ｐ３らｐ４に遷移する。

以降ｔ４からｔ７を繰り返し、±αの範囲で充電電流指令１１２が回生電力を最も効率よく使用できる値に収束する。

一方、充電電流指令１１２の最適点は車両１０１ａの回生電流上限値と車両１０１ｂの架線電流の値の大小により変動するが、車両１０１ａおよび車両１０１ｂの電流の変動に対し、本制御の制御周期を十分小さくすることで最適点を追従する。また、車両１０１ａの回生電流が車両１０１ｂの架線電流を下回ると、充電電流指令１１２が負の領域になると条件２０７を満たし、待機状態２０１となる。

以上のように実施例１により、第一の車両１０１ａで発生した回生電力のうち第二の車両１０１ｂで消費されない余剰分のみの充電が可能となる。

図４は本発明の実施例２に係る鉄道き電システムの概要を示す図である。

実施例１の構成における前記制御装置１０８の代わりに充電電圧指令４０２を出力する制御装置４０１を備えることが実施例１の形態とは異なる。

実施例２における制御装置４０１の処理の具体例を図５を用いて説明する。

観測電流１１１ａの絶対値を算出する絶対値演算器５０１ａにより観測電流１１１ａの絶対値を算出する。同様に、観測電流１１１ｂの絶対値を算出する絶対値演算器５０１ｂにより観測電流１１１ｂの絶対値を算出する。加算器５０２により観測電流１１１ａの絶対値と観測電流１１１ｂの絶対値を算出する。微分器５０３により加算器５０２の出力を充電電圧指令４０２で微分する。増幅器５０４により微分器５０３の出力を増幅する。積分器５０５により増幅器５０４の出力を時間積分する。フィルタ５０６により積分器５０５の出力を平滑化し、充電電圧指令４０２として出力する。

実施例２による第一の車両１０１ａ、第二の車両１０１ｂ、制御装置４０１の動作の概要を図６に示す。

図６（ａ）を用いて、充電電圧指令４０２に対する第一の車両１０１ａの架線電流、第二の車両１０１ｂの架線電流、第一の観測電流１１１ａ、第二の観測電流１１１ｂの動作特性を説明する。

充電電圧指令４０２が第一の車両１０１ａの架線電圧Ｖ０より高い場合、第一の車両１０１ａから蓄電装置に向けて電流が流れない為、充電電流は０となる。
充電電圧指令４０２が第一の車両１０１ａの架線電圧Ｖ０より低い場合は電圧差により充電電流が流れる。充電電圧指令４０２を低くするにつれて充電電流は増大し、第一の車両１０１ａの架線電流が増加する。

但し、充電電圧指令４０２を低くすることで第二の車両１０１ｂの架線電圧が低下し、第二の電源の電圧を下回ると第二の電源が電流の供給を開始し、第一の車両１０１ａから第二の車両１０１ｂに供給される電流が減少する。
更に充電電圧指令４０２を低くすることで充電電流は増加するが、第一の車両１０１ａの架線電流の増加は第一の車両１０１ａの回生電流上限値で頭打ちとなる。第一の車両１０１ａの架線電流が頭打ちとなる充電電圧指令４０２の値Ｖ１より低い領域では、車両１０１ａから車両１０１ｂに供給される電流が増える分のみ充電電流が増加する為、回生電力の使用効率が悪化する。

以上の挙動に対し、回生中の第一の車両１０１ａから駆動中の第二の車両１０１ｂへ電流が供給される場合には、第一の観測電流１１１ａは車両１０１ａの架線電流に等しく、第二の観測電流は車両１０１ａから車両１０１ｂに供給された電流に等しい。従って、第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値との和が最大となるＶ１を充電電圧指令４０２の制御目標とすることで、最も回生電力の活用効率が向上する。

図６（ｂ）に制御装置４０１の動作を、制御の具体例である図５の処理の場合について示す。

時刻ｔ０において第一の車両１０１ａで回生電流が発生すると、第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値が上昇し、充電電圧指令４０２が変動を開始する。充電電圧指令４０２の変動に伴って、第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値が更に増加した場合は正のフィードバック、第一の観測電流１１１ａの絶対値と第二の観測電流１１１ｂの絶対値が減少した場合は負のフィードバックが働くことにより、第一の観測電流１１１ａと第二の観測電流ｂの和が最大となるＶ１に向けて充電電圧指令４０２が遷移する。充電電圧指令が最適点Ｖ１に達すると、増幅器５０４における増幅率に応じた周期でＶ１近傍を振動する。

充電電圧指令の最適点は第一の車両１０１ａの回生電流上限値と第二の車両１０１ｂの架線電流の値の大小により変動するが、第一の車両１０１ａおよび第二の車両１０１ｂの電流の変動に対し、本制御による振動周期を十分小さくするように増幅器５０４を設計することで最適点を追従する。

以上のように実施例２により、実施例１と同等の効果が期待できる。

図７は本発明の実施例３に係る鉄道き電システムの概要を示す図である。

実施例２の構成に加え、第三の車両１０１ｃと第四の車両１０１ｄと、第三のき電線１０２ｃと第四のき電線１０２ｄと、第三の電流観測手段１１０ｃと第四の電流観測手段１１０ｄと、制御装置７０１を備えることが実施例２の形態とは異なる。
前記第三のき電線１０２ｃは前記第一の電源１０３ａと前記直流母線１０９に接続されており、前記第三のき電線１０２ｃが設置された範囲を走行する前記第三の車両１０１ｃに対し電力を供給する。
前記第四のき電線１０２ｄは前記第二の電源１０３ｂと前記直流母線１０９に接続されており、前記第四のき電線１０２ｄが設置された範囲を走行する前記第四の車両１０１ｄに対し電力を供給する。
前記制御装置７０１は、前記第一の電流観測手段１１０ａの観測電流１１１ａと、前記第二の電流観測手段１１０ｂの観測電流１１１ｂと、前記第三の電流観測手段１１０ｃの観測電流１１１ｃと、前記第四の電流観測手段１１０ｄの観測電流１１１ｄに基づいて、前記変換器１０６に対する充電電圧指令４０２を決定する。
実施例３における制御装置７０１の処理の具体例を図８を用いて説明する。
観測電流１１１ａの絶対値を算出する絶対値演算器５０１ａにより観測電流１１１ａの絶対値を算出する。また、観測電流１１１ｂの絶対値を算出する絶対値演算器５０１ｂにより観測電流１１１ｂの絶対値を算出する。また、観測電流１１１ｃの絶対値を算出する絶対値演算器５０１ｃにより観測電流１１１ｃの絶対値を算出する。また、観測電流１１１ｄの絶対値を算出する絶対値演算器５０１ｄにより観測電流１１１ｄの絶対値を算出する。
加算器８０１により観測電流１１１ａの絶対値と観測電流１１１ｂの絶対値の和と観測電流１１１ｃの絶対値と観測電流１１１ｄの絶対値の和を算出する。微分器５０３により加算器５０２の出力を充電電圧指令４０２で微分する。増幅器５０４により微分器５０３の出力を増幅する。積分器５０５により増幅器５０４の出力を時間積分する。フィルタ５０６により積分器５０５の出力を平滑化し、充電電圧指令４０２として出力する。

実施例３により複線区間において実施例２と同様の効果を得ることができる。

図９は本発明の実施例４に係るき電システムの概要を示す図である。

実施例１の構成における前記制御装置１０８の代わりに制御装置１００３を備え、制御装置１００３は、直流母線１０９の電圧を観測する電圧観測手段１００１による観測電圧１００２を入力として加えたことが実施例１の形態とは異なる。

図１０は制御装置１００３の処理（状態遷移）の具体例を示すものである。制御装置１００３は、条件２０４の代わりに条件１１０１を、条件２０７の代わりに１１０２とし、さらに状態２０２から状態２０１へ遷移する条件１１０３を加えたことが実施例１の形態とは異なる。

条件１１０１は、観測電圧１００２があらかじめ与えられた値：Ｖ１を上回ったことを条件とする。Ｖ１としては、第一の電源１０３aまたは第二の電源１０３ｂが電力を供給する電圧より大きい値が望ましい。これにより、第一の電源１０３aおよび第二の電源１０３bの他に電力を供給する回生車両が出現したことを確実に検知できる。

条件１１０２は、観測電圧１００２があらかじめ与えられた値：Ｖ２を下回ったことを条件とする。また、条件１１０３は観測電圧１００２があらかじめ与えられた値：Ｖ３を下回ったことを条件とする。Ｖ２およびＶ３としては、第一の電源１０３aまたは第二の電源１０３ｂが電力を供給する電圧よりも小さい値が望ましい。これにより、第一の電源１０３aおよび第二の電源１０３bの他に電力を供給する回生を停止したことを確実に検知できる。

以上のように、制御装置が観測電圧を制御情報に加えて動作することで、回生車両の有無をより正確に検知することができる。これにより、充電動作の開始と停止をより適切に制御することで、無駄な充電を避けることができる。

上述したように、本発明では、蓄電手段を備えたき電システムにおいて、異なるき電線間で、特に一方に存在する車両１０１ａが回生中で、他方の車両１０１ｂが力行中であって、車両１０１ａから車両１０１ｂへの電力の融通を、蓄電手段を介さずに直接やり取りを行う分を増やすことで、回生電力の利用効率を向上させるものである。この際に、本発明では、異なるき電線間の各々電流情報を元に、蓄電手段を介さず直接融通可能な電力を算出する点がポイントである。

１０１ａ：第一の車両、１０１ｂ：第二の車両、１０２ａ：第一のき電線、１０２ｂ：第二のき電線、１０３ａ：第一の電源、１０３ｂ：第二の電源、１０４：送電系統、１０５：交流電源、１０６：電力変換器、１０７：蓄電装置、１０８：制御装置、１０９：直流母線、１１０ａ：第一の電流観測手段、１１０ｂ：第二の電流観測手段、１１１ａ：第一の観測電流、１１１ｂ：第二の観測電流、１１２：充電電流指令
２０１：待機状態、２０２：電流加算状態、２０３：電流減算状態、２０４：第一の遷移条件、２０５：第二の遷移条件、２０６：第三の遷移条件
４０１：制御装置、４０２：充電電圧指令
５０１ａ：第一の絶対値算出器、５０１ｂ：第二の絶対値算出器、５０２：加算器、５０３：微分器、５０４：増幅器、５０５：積分器、５０６：フィルタ
１０１ｃ：第三の車両、１０１ｄ：第四の車両、１０２ｃ：第三のき電線、１０２ｄ：第四のき電線、１１０ｃ：第三の電流観測手段、１１０ｄ：第四の電流観測手段、１１１ｃ：第三の観測電流、１１１ｄ：第四の観測電流、７０１：制御装置、
５０１ｃ：第三の絶対値算出器、５０１ｄ：第四の絶対値算出器、８０１：加算器

Claims (7)

1. 第一の電源と直流母線の各々と接続し、前記第一の電源から供給される電力を第一の車両に供給する第一のき電線と、
   第二の電源と前記直流母線の各々と接続し、前記第二の電源から供給される電力を第二の車両に供給する第二のき電線と、
   蓄電装置と、
   前記蓄電装置と前記直流母線の間に接続され、電力を変換する電力変換装置と、
   前記蓄電装置へ充電電流指令を与える制御装置とを有するき電システムにおいて、
   前記直流母線と前記第一のき電線との間に接続される第一の電流観測手段と、
   前記直流母線と前記第二のき電線との間に接続される第二の電流観測手段とを有し、
   前記制御装置は、前記第一の電流観測手段で観測される第一の観測電流、前記第二の電流観測手段で観測される第二の観測電流、前記蓄電装置の充電量に基づいて前記充電電流指令を与え、
   前記制御装置は、前記第一の観測電流の絶対値、及び前記第二の観測電流の絶対値の和に基づいて、前記充電電流指令を与えること
   を特徴とするき電システム。
2. 請求項１に記載のき電システムにおいて、
   前記制御装置は、前記蓄電装置へ流れる電流を停止する待機状態と、前記蓄電装置へと流れる電流を増やす電流加算状態と、前記蓄電装置へと流れる電流を減らす電流減算状態とを有し、
   前記和の時間変化に基づいて、前記制御装置の状態が遷移すること
   を特徴とするき電システム。
3. 請求項２に記載のき電システムにおいて、
   前記和の時間変化が負の場合、
   前記制御装置の状態が前記電流加算状態の場合は前記電流減算状態へと遷移し、
   前記制御装置の状態が前記電流減算状態の場合は前記電流加算状態へと遷移すること
   を特徴とするき電システム。
4. 請求項２または請求項３に記載のき電システムにおいて、
   前記制御装置の状態が前記待機状態で、かつ前記和の時間変化が所定値以上の場合、前記制御装置は前記電流加算状態へと遷移し、
   前記制御装置の状態が前記電流減算状態で、かつ前記和の時間変化が負の値の場合、前記制御装置は前記待機状態へと遷移すること
   を特徴とするき電システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のき電システムにおいて、
   前記第一のき電線の電圧が前記第二のき電線の電圧よりも高い場合、
   前記第一のき電線から前記第二のき電線へと流れる電流は、前記第一の車両の回生電流上限値、及び前記第二のき電線の電流値に基づいて定められること
   を特徴とするき電システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のき電システムにおいて、
   前記直流母線の電圧を観測する電圧観測手段を備え、
   前記制御装置は、前記第一の観測電流と前記第二の観測電流と前記電圧観測手段が観測した電圧値に基づいて、前記充電電流指令に代わり充電電圧指令を出力すること
   を特徴とするき電システム。
7. 請求項６に記載のき電システムにおいて、
   前記制御装置は前記第一の観測電流の絶対値及び前記第二の観測電流の絶対値との和を、前記充電電圧指令で微分し、更に時間で積算した値を前記充電電圧指令として出力すること
   を特徴とするき電システム。