JP6599788B2 - 蓄電装置および蓄電方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電装置および蓄電方法に関する。

電気鉄道で鉄道車両（いわゆる電車）に電気を送る方式の１つに、例えば直流饋電システムがある。この直流饋電システムを採用する鉄道では、回生失効や架線電圧降下対策のために直流饋電システムに、蓄電池（以下「蓄電素子」と称す）、電力変換器および制御装置を含む電気鉄道用の変電設備を接続し、蓄電素子を充放電することで列車回生率の向上や、架線電圧の安定化を図っている。

このような変電設備では、蓄電素子の充電状態（ＳＯＣ）を所定範囲内に安定化するための充放電制御が行われている。

ところで、変電設備は一度導入すると、例えば１０年以上といった長い年月をかけて運用されることがある。一方、蓄電素子は稼働年数が経過するにつれて劣化し、内部抵抗が増加することが知られている。

また経年変化だけでなく、周囲の環境温度の変化によっても蓄電素子の内部抵抗は大きく変化する。例えばリチウムイオン電池の例では、常温から低温への温度変化で内部抵抗が大きくなる傾向になることが知られている。

内部抵抗が大きい状況下で蓄電素子に大きな充電電流または放電電流を流すと、蓄電素子の電圧が許容範囲の上限または下限を超過することがある。

このような蓄電素子の過充電または過放電を保護するために変電設備には通常充放電を制御する制御装置の一つの機能として保護機能が設けられている。保護機能は蓄電素子が一定以上の過放電または過充電になる前に故障状態として検出し、蓄電素子の電圧に応じて蓄電素子に接続された電力変換器の充電電流または放電電流を絞り込む機能である。

特許第５３７７５３８号公報

しかしながら、蓄電素子の電圧が低下または上昇するにつれて制御装置が電力変換器に対して充放電電流を絞り込む制御を行う際に、制御装置の動きが遅い場合、絞り込み量の変動幅が大きくなり、電力変換器の出力が振動的に変化し、蓄電素子の電圧が安定しないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、充放電の安定化を図りつつ充放電電流の絞り込みを行うことで、蓄電素子を保護して変電設備の運用を継続することができる蓄電装置および蓄電方法を提供することにある。

実施形態の蓄電装置は、電力変換器、蓄電素子電圧検出部、記憶部、ホールド部、充放電制御部を備える。電力変換器は蓄電素子と架線の間に接続され、制御指令に応じて駆動し、蓄電素子から架線への放電または架線から蓄電素子へ充電を行うための電流または電力を生成する。蓄電素子電圧検出部は蓄電素子の電圧を検出する。記憶部には蓄電素子の電圧と電力変換器による電力変換を抑制するための絞込係数との関係を示す制御情報が記憶されている。ホールド部は既に保持している絞込係数または初期値と、蓄電素子の電圧を基に記憶部を参照して生成した絞込係数とのうちで小さい方の絞込係数を保持する。充放電制御部は蓄電素子の充電状態、架線から検出された架線電圧、およびホールド部に保持された絞込係数を基に、電力変換器に対して蓄電素子の充電または放電のための制御指令を出力する。

一つの実施の形態の電車給電システムの構成を示す図である。 電車給電システムの制御部の構成の第１実施形態を示す図である。 架線の電圧の変動に応じて蓄電素子の充放電制御を行う制御特性を示す図である。 架線の電圧と充電率との関係における放電特性を示す図である。 架線の電圧と充電率との関係における充電特性を示す図である。 蓄電素子の電圧に応じたゲインを生成するための絞込制御特性を示す図である。 電車給電システムの制御部の構成の第２実施形態を示す図である。 電車給電システムの制御部の構成の第３実施形態を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は実施形態の電車給電システム１０の構成を示す図である。
この電車給電システム１０は、鉄道やモノレールなどの交通機関における車両、例えば電車などに対して、変電所から、饋電回路を通じて直流の電力を給電する直流饋電方式の電車システムに適用される電力供給システムの一例である。

図１に示すように、実施形態の電車給電システム１０は、蓄電装置４と、変電所の変電設備５とを、饋電回路２を介して接続して構成されている。饋電回路２は架線２ａ（饋電線または電力線などともいう）とレール２ｂ（帰線または帰線路ともいう）を有する直流電源系統である。

変電設備５は、例えば５ｋｍごと、または鉄道やモノレールなどの駅毎に設置されている。図１に示すように、変電設備５は、交流遮断器１２、変圧器１３、常用の交流遮断器１４、整流器１５、直流遮断器１６を、饋電回路２（直流電源系統）と交流電源系統１１との間に接続している。

交流遮断器１２は、例えば商用電源である交流電源系統１１と変圧器１３との間を、電気的に接続または遮断する。上述した交流電源系統１１は、直流饋電のための交流系統の常用電源となる。

変圧器１３は、交流電源系統１１の電圧を饋電回路２用の電圧へ変圧する。交流遮断器１４は、変圧器１３と整流器１５との間を電気的に接続または遮断する。

整流器１５は、例えばダイオード整流器やＰＷＭコンバータなどであって、交流を直流に変換する交直変換器である。つまり整流器１５は、変圧器１３で変圧された交流電源系統１１の電力を直流に変換して、饋電回路２に供給するものである。

直流遮断器１６は、饋電回路２と整流器１５との間を、電気的に接続または遮断する。なお、このような変電設備５は、必ずしも同一の場所または筐体内に集約して配置されていなくてもよい。

電車１は、変電設備５の側から、饋電回路２を介して直流の電力の供給を受けて走行する。電車１は、モノレールで使用される車両、鉄道で使用される車両、電気自動車など、電気を駆動源として走行するあらゆる電気車が該当する。

レール２ｂは、架線２ａと対をなし帰線電流が流れる導体である。なおレール２ｂ以外の例えばゴム車輪などで走行する交通機関や一部の地下鉄などは、レール２ｂの代わりに帰線電流が流れる専用の導体が帰線路として設置される。

この例では、架線２ａとレール２ｂとで、饋電回路２を構成しているが、第三軌条方式や、第四軌条方式を採用する方式、また、架線でなくトロリ線のみで構成される方式であってもよい。

一方、蓄電装置４は、例えば３ｋｍ毎などに分散して配置されていると共に、変電設備５の位置とは距離を開けて設置されている。

図１に示すように、蓄電装置４は、饋電回路２（架線２ａとレール２ｂ）に接続されている。蓄電装置４は、直流遮断器４１、変換器４２、蓄電素子４３、充電状態検出部４４、直流電圧検出部４５、電圧検出部４６、記憶部４７および制御部５０を備える。記憶部４７はデータを読み出しおよび書き込み可能なランダムアクセスメモリなどにより実現される。記憶部４７には充放電テーブル４８および絞込テーブル４９が記憶されている。制御部５０はセントラルプロセッシングユニット（ＣＰＵ）により実現される。

直流遮断器４１は、変換器４２と、架線２ａとの間を電気的に接続または遮断する。変換器４２は、架線２ａと蓄電素子４３との間で電力の授受を行う。

変換器４２は、例えばスイッチング素子をゲート駆動する昇降圧チョッパ回路（buck-boost Converter）などから構成されており、架線２ａと蓄電素子４３との間で電圧を変換する。また変換器４２は、制御部５０により制御されて蓄電素子４３への電流を調整し充放電動作を行う。

すなわちこの変換器４２は、制御部５０から入力される制御指令Ｉｃに応じて駆動し、蓄電素子４３から架線２ａへの放電または架線２ａから蓄電素子４３へ充電を行うための電力を生成する電力変換器として機能する。

変換器４２は、変換器４２に適用される素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような自己消弧型の素子であり、この種の素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動することで、蓄電素子４３への充放電が行われる。

変換器４２は、蓄電素子４３が例えば蓄電素子やコンデンサであればＤＣ／ＤＣコンバータの機能を備えるものとなり、また、蓄電素子４３が例えばフライホイールであればＤＣ／ＡＣ変換を実現するインバータの機能を備えるものとして構成される。

蓄電素子４３は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池といった蓄電池や、電気二重コンデンサ、フライホイールなどのエネルギー蓄積素子である。蓄電素子４３は、架線２ａ（直流電源系統）からの電流で充電および架線２ａ（直流電源系統）への放電が可能なものである。

直流電圧検出部４５は、例えば、架線２ａの電圧（直流電圧）を、変換器４２を通じて検出して制御部５０に通知する。なお、制御部５０が充放電制御に用いる直流電圧は、この例の架線２ａの電圧の他、例えば架線２ａの電圧に対してＬＣフィルタなどを介して接続された検出器の電圧であってもよい。

充電状態検出部４４は、蓄電素子４３の充電状態を充電率ＳＯＣ［％］として検出する。充電状態検出部４４は蓄電素子４３の電圧から充電量を測定し、予め設定された変換テーブル（図示せず）により０〜１００％の範囲に割り振ることで充電率［％］に置換する。すなわち充電状態検出部４４は、蓄電素子４３の充電率ＳＯＣを検出する。

なお、ＳＯＣ以外に充電状態を表すＳＯＥ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ）を用いてもよい。ＳＯＥは現在の充電されているエネルギーを最大充電可能なエネルギーで割ったものであり、例えば蓄電素子のＳＯＣに代表されるＡｈで定義されるものとは異なるものである。

電圧検出部４６は、蓄電素子４３の電圧Ｖｂを検出する蓄電素子電圧検出部である。なお説明を分かり易くするために電圧検出部４６を設けたが、この電圧検出部４６を無くして充電状態検出部４４がＳＯＣと蓄電素子４３の電圧を制御部５０に出力するようにしてもよい。

記憶部４７には、充放電開始電圧（充電開始電圧Ｖｃｈａ_ｌｏｗ、放電開始電圧Ｖｄｉｓ_ｈｉｇｈ、充放電電流飽和電圧（充電電流飽和電圧Ｖｃｈａ_ｈｉｇｈ、放電電流飽和電圧Ｖｄｉｓ_ｌｏｗ）などの切替点（制御点）を決定するための蓄電素子４３の充電率ＳＯＣと架線電圧Ｖｂとの関係を示す放電特性（図４）および充電特性（図５）が記憶されている。

また記憶部４７には、上記各特性から切替点（制御点）を設定して充放電制御を行うための充放電制御特性３１（図３参照）が設定された充放電テーブル４８と、充放電動作を通常よりも制限（抑制）するための絞込制御特性３２（図６参照）が設定された絞込テーブル４９とが記憶されている。絞込制御特性３２は蓄電素子４３の電圧Ｖｂに応じてゲインｋを小さくして変換器出力を絞り込む（抑制する）ためのものである。

すなわち記憶部４７には蓄電素子４３の電圧と、変換器４２による電流または電力の生成（変換）を抑制するための絞込係数であるゲインｋとの関係を示す制御情報が記憶されている。

制御部５０は変換器４２に接続されている。またこの制御部５０には、架線２ａの架線電圧を検出する直流電圧検出部４５と、蓄電素子４３の充電率（ＳＯＣ）を検出する充電状態検出部４４が接続されている。

制御部５０は電圧検出部４６により検出された蓄電素子４３の電圧Ｖｂが所定範囲（図６の絞込制御特性３２の２．０１Ｖ〜２．４９Ｖの範囲）から逸脱した場合、電圧Ｖｂに応じてゲインｋを小さくして変換器出力を絞り込む機能を有する。

制御部５０は架線２ａから蓄電素子４３に対して入出力する充放電電流（出力電流）を決定し、決定した出力電流を発生するように変換器４２に制御指令Ｉｃを出力する。

制御部５０は記憶部４７の２つのテーブル（充放電テーブル４８、絞込テーブル４９）を参照して、検出された架線電圧Ｖｋ、蓄電素子４３の充電率ＳＯＣおよびゲインｋに基づき蓄電素子４３の充電または放電のための制御指令Ｉｃを生成し変換器４２に出力することで、変換器４２による蓄電素子４３の充放電動作を制御する。

具体的には、制御部５０は、検出される架線電圧Ｖｋおよび蓄電素子４３の充電率ＳＯＣを基に図４および図５の各特性から充放電テーブル４８の充放電制御特性３１を決定し、充放電制御特性３１から充電または放電する電流を決定し変換器出力指令Ｉｒｅｆを生成し、絞込テーブル４９を参照して蓄電素子４３の電圧Ｖｂからゲインｋを決定し、変換器出力指令Ｉｒｅｆとゲインｋをかけ算して制御指令Ｉｃを生成し、変換器４２に出力することで、蓄電素子４３の充放電電流（出力電流）を変化させる。

（第１実施形態）
図２に示すように、制御部５０は、受信部５１、充放電制御部５２、最小値ホールド部５３、リセット部５４を有する。

受信部５１は、電圧検出部４６より検出された蓄電素子４３の電圧Ｖｂを受信する。最小値ホールド部５３は、予め（既に）保持しているゲインｋまたはその初期値と、蓄電素子４３の電圧Ｖｂに応じて生成したゲインｋとのうち小さい値の方のゲインｋを保持する。

リセット部５４は、蓄電素子４３の劣化に起因しない絞込解除要因が検出された場合、最小値ホールド部５３によりホールドされている最小のゲインｋを初期値にリセットする。

充放電制御部５２は、蓄電素子４３の充電状態、架線２ａから検出された架線電圧Ｖｋ、および最小値ホールド部５３に保持されているゲインｋを基に、変換器４２に対して蓄電素子４３の充電または放電のための制御指令Ｉｃを出力する。

充放電制御部５２は、制御指令生成部５５、ゲイン生成部５６、かけ算器５７を有する。制御指令生成部５５は、蓄電素子４３の充電状態ＳＯＣと架線２ａから検出された架線電圧Ｖｋとを基に変換器４２の充放電電流生成動作を制御するための変換器出力指令（電流制御指令）Ｉｒｅｆを生成する。

ゲイン生成部５６は、蓄電素子４３の電圧Ｖｂが新たに検出される毎または所定のタイミングで、最小値ホールド部５３に既に保持されているゲインｋまたはその初期値と、蓄電素子４３の電圧Ｖｂに応じて記憶部４７の絞込テーブル４９から読み出したゲインｋとを比較し、いずれか小さい方のゲインｋを最小値ホールド部５３に保持する。

かけ算器５７は、制御指令生成部５５により生成された変換器出力指令Ｉｒｅｆと最小値ホールド部５３に保持されているゲインｋとをかけ算して生成した制御指令Ｉｃを変換器４２へ出力する。

ここで、図３を参照してこの充放電テーブル４８に設定されている充放電制御特性３１に基づく充放電制御の切替点の電圧設定（蓄電素子４３への充放電電流の入出力）について説明する。

図３に示すように、充放電制御特性３１は、横軸に架線電圧Ｖｋをとり、縦軸に蓄電素子４３の出力電流（放電電流と充電電流）をとり、架線電圧Ｖｋの変化に応じて蓄電素子４３への出力電流をどうか変化させるかといった変換器４２への充放電の制御特性（架線電圧と出力電流との関係）を示すものである。

切替点は、放電開始電圧Ｖｄｉｓ＿ｈｉｇｈ、放電電流飽和電圧Ｖｄｉｓ＿ｌｏｗ、充電開始電圧Ｖｃｈａ＿ｌｏｗ、充電電流飽和電圧Ｖｃｈａ＿ｈｉｇｈなどの４点がある。

この充放電制御特性３１では、架線電圧Ｖｋが既定値（グラフ横軸の中央部分）よりも低くなって放電開始電圧Ｖｄｉｓ＿ｈｉｇｈに達すると、蓄電素子４３からの放電電流（出力電流）を増大させ、放電電流飽和電圧Ｖｄｉｓ＿ｌｏｗに達すると、その後は放電電流が最大値のまま出力させる。

一方、架線電圧Ｖｋが既定値（グラフ横軸の中央部分）よりも高くなって充電開始電圧Ｖｃｈａ＿ｌｏｗに達すると、蓄電素子４３への充電電流を増大し、充電電流飽和電圧Ｖｃｈａ＿ｈｉｇｈに達すると、その後は充電電流が最大値のまま充電する。

続いて、図４、図５を参照して、蓄電素子４３の充電率ＳＯＣと架線電圧Ｖｋとの関係における放電特性および充電特性について説明する。

図４は架線電圧Ｖｋと充電率ＳＯＣに基づく放電特性の一例である。
図４に示すように、この例では、架線電圧Ｖｋが１３８０Ｖから１５００Ｖの範囲で放電特性（放電開始電圧Ｖｄｉｓ＿ｈｉｇｈ，放電電流飽和電圧Ｖｄｉｓ＿ｌｏｗ）が設定される。この場合、充電率ＳＯＣが低い範囲（図４の４０％以下）では、放電開始電圧Ｖｄｉｓ＿ｈｉｇｈを低くし、架線電圧Ｖｋが低くならない限りは放電を開始しないように設定する。

同様に、充電率ＳＯＣが低い範囲（図４の４０％以下）では、放電電流飽和電圧Ｖｄｉｓ＿ｌｏｗを低くし、低い架線電圧Ｖｋで最大放電電流が流れるように設定する。この結果、充電率ＳＯＣが低い範囲では、架線電圧Ｖｋが低くならない限り（１４５０Ｖ以下）は放電しないように設定する。

一方、充電率ＳＯＣが高い範囲（図４の８５％以上）では、放電開始電圧Ｖｄｉｓ＿ｈｉｇｈを高くし（１４５０Ｖ）、架線電圧Ｖｋが高い状態でも放電を開始するように切替点を設定する。同様に、充電率ＳＯＣが高い範囲（図４の８５％以上）では、放電電流飽和電圧Ｖｄｉｓ＿ｌｏｗを高くし、高い架線電圧（１５００Ｖ）で最大放電電流が流れように切替点を設定する。

図５は架線電圧Ｖｋと充電率ＳＯＣに基づく、充電特性の一例である。
図５に示すように、充電開始電圧Ｖｃｈａ＿ｌｏｗおよび充電電流飽和電圧Ｖｃｈａ＿ｈｉｇｈを充電率ＳＯＣが高くなるにつれて架線電圧Ｖｋに対する各切替点の設定値を高くし、逆に充電率ＳＯＣが低くなるにつれて各切替点の設定値が低くなる特性を設定する。

この結果、蓄電素子４３の充電率ＳＯＣが低い場合には架線電圧Ｖｋが低くても充電を開始し、充電率ＳＯＣが高い場合には架線電圧Ｖｋが高くならない限り充電を行わない。

この例では、充電率ＳＯＣの全範囲において、図５の放電開始電圧Ｖｄｉｓ＿ｈｉｇｈの最も高い値は１５００Ｖであり、図５の充電開始電圧Ｖｃｈａ＿ｌｏｗの最も低い値は１６２０Ｖである。

すなわち、本実施形態では、充電率ＳＯＣがどの範囲にあっても、少なくとも架線電圧Ｖｋが１５００Ｖ以上、１６２０Ｖ以下の範囲では充放電が行われない。上記図４に示した放電特性および図５に示した充電特性の変化幅を、図３の充放電制御特性３１に点線で示す。

続いて、図６を参照して、絞込テーブル４９に設定されている絞込制御特性３２について説明する。
図６に示すように、絞込テーブル４９には、絞込制御特性３２が記憶されている。絞込制御特性３２は、蓄電素子４３の電圧Ｖｂと絞込係数であるゲインｋとの関係を示す情報である。この例のような特性（曲線）の他、表形式で記憶しておいてもよい。

ゲインｋは蓄電素子４３が例えば経年劣化などで検出電圧が通常とは異なる値のときに充放電動作を抑制（制限）するためのものである。ゲインｋはかけ算器５７により変換器出力指令Ｉｒｅｆにかけ算される。ゲインｋは０から１．０の範囲で設定されるため、ゲインｋの数値が小さい場合はかけ算された制御指令Ｉｃも小さい値になる。

この例では蓄電素子４３の電圧が例えば２．０１Ｖから２．４９Ｖまでの範囲は、蓄電素子４３の電圧が適正範囲であり、変換器出力指令Ｉｒｅｆをそのままの値で制御指令Ｉｃとして変換器４２へ出力するように、ゲインｋが「１.０」とされている。

蓄電素子４３の電圧Ｖｂが２．０１Ｖから１．８５Ｖの範囲（低電圧帯）では、蓄電素子４３の電圧が通常よりも低く、通常であれば充電電流が過度に流される。このため、この低電圧帯では、経年劣化などで弱った蓄電素子４３に対する充電動作を抑制するように蓄電素子４３の電圧が低くなるにつれてゲインも低く出力されるように設定されている（方向Ａ１）。

蓄電素子４３の電圧Ｖｂが１．８５Ｖ以下の電圧帯は低電圧保護帯であり、このレベルにまで電圧が低下すると、ゲートブロックがかかり、充放電動作が行われない。

また蓄電素子４３の電圧Ｖｂが２．４９Ｖから２．６５Ｖの電圧帯（高電圧帯）では、蓄電素子４３の電圧が高すぎるため、放電電流が過度に流される恐れがある。この動作を抑制するため、この帯域では電圧が高くなるにつれてゲインｋが低く出力されるように設定されている（方向Ａ２）。

次に、この電車給電システム１０における蓄電素子４３への充放電動作を説明する。
まず、蓄電素子４３が例えば経年変化などで内部抵抗値が増加したときの放電動作（放電時に出力電力を絞る動作）を説明する。

まず、電圧検出部４６は蓄電素子４３の電圧を検出する。電圧検出部４６は例えば１００ｍｓｅｃ毎にサンプリングを行い、サンプリングした電圧を制御部５０に伝送する。

制御部５０では、伝送されてきた蓄電素子４３の電圧Ｖｂを受信部５１が受信すると、その電圧Ｖｂをゲイン生成部５６に渡す。

ゲイン生成部５６は受け取った蓄電素子４３の電圧Ｖｂを基にゲインｋを生成する。

詳細に説明すると、ゲイン生成部５６は絞込テーブル４９を参照して絞込制御特性３２から蓄電素子４３の電圧Ｖｂに応じたゲインｋを読み出す。

またゲイン生成部５６は最小値ホールド部５３に保持されている前回のホールド値（最小値のゲインまたは初期値）と今回生成したゲインとを比較して小さい方のゲインｋを選択し、最小値ホールド部５３に保持すると共に変換器４２へ出力する。

この際、ゲイン生成部５６は蓄電素子４３の電圧Ｖｂに応じて絞込テーブル４９の絞込制御特性３２を参照して「１．０」から「０」の間でゲインｋを生成する。

図６の絞込制御特性３２では、蓄電素子４３の電圧Ｖｂが例えば２．４９Ｖから２．６５Ｖの範囲（高電圧帯）では蓄電素子４３の電圧Ｖｂの上昇に応じて「１．０」から「０」の間でゲインｋを低くする方向Ａ２にゲインｋが生成される。

次のサンプリングタイミングで計測された蓄電素子４３の電圧を基に生成した新たなゲインと最小値ホールド部５３のホールド値とを比較した結果、新たなゲインがホールド値よりも低ければ、新たゲインを最小値ホールド部５３にホールドする。新たなゲインがホールド値よりも高ければ、最小値ホールド部５３の現在のホールド値をそのままホールドする。

かけ算器５７は、ゲイン生成部５６から出力されたゲインｋと、制御指令生成部５５から出力された変換器出力指令Ｉｒｅｆとを乗ずることで制御指令Ｉｃとし変換器４２へ出力する。この制御指令Ｉｃは一例として変換器４２の電流制御のための指令としたが、電力制御のための指令であってもよい。

続いて、蓄電素子４３の内部抵抗値が増加したときの充電動作（充電時に出力電力を絞る動作）を説明する。
電圧検出部４６では、蓄電素子４３の電圧Ｖｂを検出し制御部５０に伝送する。制御部５０では電圧検出部４６から受信された蓄電素子４３の電圧Ｖｂをゲイン生成部５６に出力する。

ゲイン生成部５６は入力された蓄電素子４３の電圧Ｖｂを基に絞込テーブル４９を参照して絞り込み用のゲインｋを生成する。

この際、放電時と異なるのは、蓄電素子４３の電圧Ｖｂの低下に伴いゲインｋが絞り込まれることである。ゲイン生成部５６は、蓄電素子４３の電圧Ｖｂの上昇に応じて絞込テーブル４９を参照し「１．０」から「０」の間でゲインｋを下げる方向でゲインｋを生成し、かけ算器５７に出力する。

一方、制御指令生成部５５は、放電時と同様に図３に示した充放電制御特性３１から変換器出力指令Ｉｒｅｆ（電流指令または電力指令）を生成し、かけ算器５７に出力する。

かけ算器５７は、入力された変換器出力指令Ｉｒｅｆとゲインｋを乗ずることで、絞り込まれた制御指令Ｉｃ（電流指令または電力指令）を生成する。なお、放電を正とするならば充電は負の指令になる。

以下、リセット部５４による最小値ホールド部５３のホールド値のリセット動作を説明する。ゲインｋは一度絞り込まれると、その値が最小値ホールド部５３によりホールドされるため、充放電電流が絞り込まれた状態が継続することになる。この充放電電流が絞り込まれた状態が継続することは、蓄電装置として不都合になる場合が考えられる。

例えば、内部抵抗増加の要因が蓄電素子４３の温度低下によるものである場合（温度変化）や充電率ＳＯＣが低下または上昇している場合（通常動作での充電率の変化）のように蓄電素子４３の劣化に起因しない要因である。

例えば、前者の温度変化に起因する場合は、温度が上昇したら内部抵抗は低下し、絞込み量を減らしてもよい状況になることが考えられる。

そこで、本実施形態では、最小値ホールド部５３に対してホールド値を解除するためのリセット部５４を設けている。

リセット部５４は、蓄電素子４３の劣化に起因しない要因を検出したとき、つまり最小値のホールドをリセットするための条件を満たしたときにリセット信号を最小値ホールド部５３に出力することで最小値のホールドを解除し、初期値とする。

最小値ホールドをリセットするための条件としては、例えばゲートブロックにより変換器４２の動作が停止した場合、蓄電素子４３の温度が予め設定した温度以上の上昇をした場合（蓄電素子４３の温度が予め設定された温度の閾値から逸脱した場合）、充電率ＳＯＣが適正な範囲内に戻った場合などが考えられる。ここでいう温度や充電率ＳＯＣの上昇や下降は差分値である。

例を挙げると、温度の場合は例えば３Ｋ（ケルビン）の温度上昇が検出された場合にリセット部５４はリセット信号を出力する。充電率ＳＯＣの場合は充電率ＳＯＣが例えば２％上昇または２％下降したときにリセット部５４はリセット信号を出力する、などの動作となる。

充電率ＳＯＣの上昇に伴うリセット動作は、充電率ＳＯＣが低いときに絞り込みが発生しているときに行うものである。充電率ＳＯＣの下降に伴うリセット動作は、充電率ＳＯＣが高いときに絞り込みが発生しているときに実施するものである。

充電率ＳＯＣが高いときに発生する絞り込みと低いときに発生する絞り込みは例えばある充電率ＳＯＣの閾値を境に行われる。

充電率ＳＯＣの閾値が例えば５０％とすると、リセット部５４はこの閾値の５０％を境に、５０%を超えていたらＳＯＣ２%下降したときにリセット信号を発生する。

またリセット部５４は閾値の５０%を下回っていたらＳＯＣ２%上昇したときにリセット信号を発生する。このリセット信号により最小値ホールド部５３のホールド値（ゲインの最小値）がリセット（解除）され、初期値「１．０」とされる。

このように内部抵抗増加の要因が解消されるケースでリセット信号を発生することで充放電電流の絞り込みを解除することができる。

その後、再度絞り込みが実施されたとしても、そのときには抵抗増加要因である温度が上がり、蓄電素子４３の内部抵抗値が小さくなっている。したがってゲインｋは高い値で出力されるため、変換器４２で発生される充放電電流（充放電出力）の絞り込み量が小さくなる。

また充電率ＳＯＣが一時的に減少（変化）し、蓄電素子４３の電圧Ｖｂが保護検出値（図６の例では１．８５Ｖ）以下にまで低下し、その後、蓄電素子４３の電圧Ｖｂが保護検出値に当たらないレベルまで回復（変化）すると、絞り込みが不要になる。

この場合は充放電出力の絞り込み量が減少し、不要な充放電電力の絞り込みが解消されることになり、充放電出力の大きさを回復することが可能になる。

すなわち、蓄電素子４３の劣化による変換器出力の絞り込みと、絞り込み要因が減少したことによる充放電出力の回復とを両立させることができる。

このようにこの第１実施形態によれば、蓄電素子４３の電圧を検出し、その検出電圧に応じた変換器４２の充放電電流の絞り込みを行った際に、絞り込み量を示すゲインｋをホールドすることで、蓄電素子４３の電圧の変動に伴う出力電流の変動（振動）を抑制することができる。また蓄電素子４３の劣化に起因しない要因を検出したときに一度ホールドしたゲインｋをリセットすることで、元の充放電動作に戻すことができる。

この結果、充放電の安定化を図りつつ充放電電流の絞り込みを行うことで、蓄電素子を保護して変電設備の運用を継続できる蓄電装置４および電車給電システム１０を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、図７を参照して第２実施形態を説明する。
図７に示すように、この第２実施形態は、蓄電素子４３の構成が、複数の蓄電素子４３が直列または並列に接続されたユニット構成の場合であって、充電時と放電時にそれぞれ別々の回路で制御指令（放電制御指令Ｉｃ１、充電制御指令Ｉｃ２）を生成し変換器４２を制御する例である。

この第２実施形態では、制御部５０に、複数の蓄電素子４３に接続された受信部５１ａ、放電制御部５２ａと充電制御部５２ｂをそれぞれ設ける他、制御指令生成部５５ａおよびスイッチ５９を一つ設ける。

制御指令生成部５５ａは、スイッチ５９を制御することで、放電時と放電時とで変換器出力指令Ｉｒｅｆを切り替えて該当するかけ算器（かけ算器５７ａまたは、かけ算器５７ｂのいずれか）へ出力する。

受信部５１ａは複数の蓄電素子４３から検出された複数の電圧Ｖｂのうち最小電圧Ｖｂｍｉｎを放電制御部５２ａに出力する。また受信部５１ａは複数の蓄電素子４３から検出された複数の電圧Ｖｂのうち最大電圧Ｖｂｍａｘを充電制御部５２ｂに出力する。

放電制御部５２ａは、ゲイン生成部５６ａ、最小値ホールド部５３ａ、リセット部５４ａ、かけ算器５７ａなどを有する。

ゲイン生成部５６ａは受信部５１ａより入力された蓄電素子４３の最小電圧Ｖｂｍｉｎに基づきゲインｋ１を生成する。

ゲイン生成部５６ａは生成した今回のゲインと最小値ホールド部５３ａにホールドされている前回のゲインとを比較し値の小さいゲインｋ１を最小値ホールド部５３ａにホールドすると共にかけ算器５７ａへ出力する。

リセット部５４ａは第１実施形態と同様に所定のリセット条件を満たした場合（蓄電素子４３の劣化に起因しない絞込解除要因が検出された場合）に最小値ホールド部５３ａのホールド値をリセットする。

かけ算器５７ａはゲイン生成部５６ａから出力されたゲインｋ１と制御指令生成部５５ａから出力された変換器出力指令Ｉｒｅｆとをかけ算し、放電制御指令Ｉｃ１を変換器４２へ出力する。

充電制御部５２ｂは、ゲイン生成部５６ｂ、最小値ホールド部５３ｂ、リセット部５４ｂ、かけ算器５７ｂなどを有する。

ゲイン生成部５６ｂは受信部５１ａより入力された蓄電素子４３の最大電圧Ｖｂｍａｘに基づきゲインを生成する。

ゲイン生成部５６ｂは生成した今回のゲインと最小値ホールド部５３ｂにホールドされている前回のゲインとを比較し値の小さいゲインｋ２を最小値ホールド部５３ｂにホールドすると共にかけ算器５７ｂへ出力する。

リセット部５４ｂは第１実施形態と同様に所定のリセット条件を満たした場合（蓄電素子４３の劣化に起因しない絞込解除要因が検出された場合）に最小値ホールド部５３ｂのホールド値をリセットする。

かけ算器５７ｂはゲイン生成部５６ｂから出力されたゲインｋ２と制御指令生成部５５ａから出力された変換器出力指令Ｉｒｅｆとをかけ算し、充電制御指令Ｉｃ２を変換器４２へ出力する。

この第２実施形態では、放電時に出力絞込用のゲインｋ１をゲイン生成部５６ａで生成し、充電時には、出力絞込用のゲインｋ２をゲイン生成部５６ｂで生成する。

すなわち、放電時と充電時でそれぞれ別個のゲインｋ１、ｋ２を生成し、生成したゲインｋ１、ｋ２を用いて放電制御または充電制御を行う。

この例では、放電時に生成したゲインｋ１を最小値ホールド部５３ａにホールドする。また充電時に生成したゲインｋ２を最小値ホールド部５３ｂにホールドする。すなわち放電時と充電時でそれぞれ別個のゲインｋ１、ｋ２をホールドする。

制御指令生成部５５ａは、蓄電素子４３の充電率ＳＯＣから放電か充電かを判定し、放電指令または充電指令を出力すると共に、どのゲインｋ１、ｋ２を用いてゲインを絞り込むかをスイッチ５９で選択するようにしている。

このようにこの第２実施形態によれば、放電制御部５２ａと充電制御部５２ｂとを設け、放電時の最小値のゲインと充電時の最小値のゲインとをそれぞれ別個にホールドしておくことで、蓄電素子４３の放電レベルと充電レベルの制御を別々に行うことができる。

（第３実施形態）
次に、図８を参照して第３実施形態を説明する。
図８に示すように、この第３実施形態は、第１実施形態と第２実施形態とを併せた例であり、放電時と充電時にそれぞれゲインを求めるものの最小値ホールド部５３に保持するゲインｋを一つにし、充放電電流の絞り込みを共通にする例である。

この第３実施形態では、ゲイン生成部５６は、蓄電素子４３の電圧低下による充電動作を抑制するためのゲイン（第１絞込係数）と、蓄電素子４３の電圧上昇による放電動作を抑制するためのゲイン（第２絞込係数）のうち小さい方のゲインを最小値ホールド部５３に保持する。

この第３実施形態の場合、放電時にゲイン生成部５６は受信部５１ａから入力された最小電圧Ｖｂｍｉｎを基に出力絞込用のゲインを生成する。また充電時にはゲイン生成部５６は受信部５１ａから入力された最大電圧Ｖｂｍａｘを基に出力絞込用のゲインを生成する。

ゲイン生成部５６は充電時と放電時にそれぞれ生成したゲインのうちのいずれか値の低い方のゲインを最小値ホールド部５３に保持すると共に、充放電共に共通のゲインｋをかけ算部５７に出力する。

かけ算部５７は、入力されたゲインｋと変換器出力指令Ｉｒｅｆをかけ算して制御指令Ｉｃを生成し変換器４２へ出力する。

この第３実施形態によれば、複数の蓄電素子４３から得られる複数の電圧Ｖｂのうち、放電時は電圧Ｖｂの最小値Ｖｂｍｉｎを用い、充電時は電圧Ｖｂの最大値Ｖｂｍａｘを用いて、充電および放電それぞれのゲインを求め、そのうち最小値のゲインをホールドし同じゲインを充放電制御に用いることで、変換器４２の電流を絞り込んで行く中で充放電による蓄電素子４３の電圧を一つの目標値に近づけてゆくことが可能になり、結果的に出力変動（振動）に進展する現象を抑制でき、安定的なゲインｋを設定することが可能になる。すなわち、放電時と充電時に用いるゲインの最小値を共通化することで、充放電のバランスを保つことができる。

なお、上記実施形態では、一例として、直流饋電用の蓄電装置４を例にして説明したが、交流系統に連系する蓄電装置や鉄道車両等に搭載する蓄電装置であっても本実施形態と同様の保護方法を適用可能であり、用途は実施形態のみに限定されるものではない。

上記実施形態では、充電状態ＳＯＣと架線電圧Ｖｋから生成した変換器出力指令Ｉｒｅｆとゲインｋをかけ算して制御指令Ｉｃを生成したが、絞込係数の生成のし方を変えることで、引き算で制御指令Ｉｃを生成してもよく、これ以外の方法で制御指令Ｉｃを出力してもよい。つまり充電状態ＳＯＣ、架線電圧Ｖｋ、およびゲインｋを基に制御指令Ｉｃを生成し出力すればよい。

また、上記実施形態以外の蓄電素子４３の劣化に起因しない絞込解除要因としては、蓄電素子４３の電圧Ｖｂの単位時間の変化が予め設定した変化幅を逸脱した場合であってもよく、また、変換器出力指令Ｉｒｅｆが０になった場合であってもよい。

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。

また上記実施形態に示した制御部５０の各構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらにネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで本発明を実現してもよい。

１…電車、２…饋電回路、２ａ…架線、２ｂ…レール、４…蓄電装置、５…変電設備、１０…電車給電システム、１１…交流電源系統、１２…交流遮断器、１３…変圧器、１４…交流遮断器、１５…整流器、１６…直流遮断器、４１…直流遮断器、４２…変換器、４３…蓄電素子、４４…充電状態検出部、４５…直流電圧検出部、４６…電圧検出部、４７…記憶部、４８…充放電テーブル、４９…絞込テーブル、５０…制御部、５１，５１ａ…受信部、５２…充放電制御部、５２ａ…放電制御部、５２ｂ…充電制御部、５３，５３ａ，５３ｂ…最小値ホールド部、５４，５４ａ，５４ｂ…リセット部、５５，５５ａ…制御指令生成部、５６，５６ａ，５６ｂ…ゲイン生成部、５７，５７ａ，５７ｂ…かけ算器、５９…スイッチ。

Claims (14)

1. 蓄電素子と架線の間に接続され、制御指令に応じて駆動し、前記蓄電素子から前記架線への放電または前記架線から前記蓄電素子へ充電を行うための電流または電力を生成する変換器と、
   前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電素子電圧検出部と、
   前記蓄電素子の電圧と前記変換器による電流または電力の生成を抑制するための絞込係数との関係を示す制御情報が記憶された記憶部と、
   既に保持している絞込係数または初期値と、前記蓄電素子の電圧を基に前記記憶部を参照して生成した絞込係数とのうちで小さい方の絞込係数を保持するホールド部と、
   前記蓄電素子の充電状態、前記架線から検出された架線電圧、および前記ホールド部に保持された絞込係数を基に、前記変換器に対して前記蓄電素子の充電または放電のための制御指令を出力する充放電制御部と
   を具備する蓄電装置。
2. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が検出された場合、前記ホールド部により保持されている絞込係数を前記初期値にリセットするリセット部をさらに具備する請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記充放電制御部は、
   前記蓄電素子の充電状態と前記架線から検出された架線電圧とを基に充放電のための出力指令を生成する制御指令生成部と、
   前記蓄電素子の電圧が新たに検出される毎に、前記ホールド部に既に保持されている絞込係数またはその初期値と前記蓄電素子の電圧に応じて前記記憶部から読み出した絞込係数のうち小さい方を前記ホールド部に保持する絞込係数生成部と、
   前記制御指令生成部により生成された出力指令と前記ホールド部に保持されている絞込係数とをかけ算して生成した制御指令を前記変換器へ出力するかけ算器と
   を具備する請求項１または２いずれか記載の蓄電装置。
4. 前記絞込係数生成部は、
   前記蓄電素子の電圧低下による充電動作を抑制するための第１絞込係数と、前記蓄電素子の電圧上昇による放電動作を抑制するための第２絞込係数のうち小さい方を前記ホールド部に保持する請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が、
   前記変換器の動作が停止された場合である請求項２項に記載の蓄電装置。
6. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が、
   前記蓄電素子の充電状態が予め設定された適正範囲内に戻った場合である請求項２に記載の蓄電装置。
7. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が、
   前記蓄電素子の温度が予め設定された温度の閾値から逸脱した場合である請求項２に記載の蓄電装置。
8. 蓄電素子と架線の間に接続された変換器が、充放電制御部からの制御指令に応じて、前記蓄電素子から前記架線への放電または前記架線から前記蓄電素子へ充電を行うための電流または電力を生成し、
   前記蓄電素子の電圧と前記変換器による電流または電力の生成を抑制するための絞込係数との関係を示す制御情報を記憶部に記憶し、
   既に保持している絞込係数または初期値と、前記蓄電素子の電圧を基に前記制御情報を参照して生成した絞込係数とのうちで小さい方の絞込係数をホールド部に保持し、
   前記蓄電素子の充電状態、前記架線から検出された架線電圧、および前記保持した絞込係数を基に、前記充放電制御部が前記変換器に対して前記蓄電素子の充放電制御を行う蓄電方法。
9. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が検出された場合、前記保持している絞込係数を前記初期値にリセットする請求項８記載の蓄電方法。
10. 前記蓄電素子の充電状態と前記架線から検出された架線電圧とを基に充放電のための出力指令を生成し、
    前記蓄電素子の電圧が新たに検出される毎に、前記ホールド部に既に保持されている絞込係数またはその初期値と前記蓄電素子の電圧に応じて前記制御情報から読み出した絞込係数のうち小さい方の絞込係数を保持し、
    前記生成した出力指令と前記保持している絞込係数とをかけ算して生成した制御指令を基に前記蓄電素子の充放電制御を行う請求項８または９いずれか記載の蓄電方法。
11. 前記蓄電素子の電圧低下による充電動作を抑制するための第１絞込係数と、前記蓄電素子の電圧上昇による放電動作を抑制するための第２絞込係数のうち小さい方を保持する請求項９乃至１０いずれか１項に記載の蓄電方法。
12. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が、
    前記変換器の動作が停止された場合である請求項９に記載の蓄電方法。
13. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が、
    前記蓄電素子の充電状態が予め設定された適正範囲内に戻った場合である請求項９に記載の蓄電方法。
14. 前記蓄電素子の劣化に起因しない絞込解除要因が、
    前記蓄電素子の温度が予め設定された温度の閾値から逸脱した場合である請求項９に記載の蓄電方法。

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