JP6703913B2

JP6703913B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6703913B2
Application number: JP2016145543A
Authority: JP
Inventors: 哲生天野
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2036-07-25
Also published as: JP2018016108A

Description

本発明は、蓄電装置、特に直流電気車用の蓄電装置に関する。

直流電気車用の変電所の電力変換回路として、例えば変圧器とダイオード整流器を用いたものが知られている。ダイオード整流器を用いた変電所は、一般に変電所出力電流が増加するほど変電所送出電圧が低下し、一次関数で近似される電圧電流特性を有する。変電所の無負荷時送出電圧は、例えば変圧器の一次側タップ電圧の切替えによって調整可能である。

変電所の無負荷時送出電圧を高く設定するほど、変電所から電力供給を受ける電気車の力行時間を短くできる。つまり、変電所の無負荷時送出電圧を高く設定するほど、電気車の惰行時間を長くすることができ、必要な力行エネルギーを減少させることができる。しかし、変電所の無負荷時送出電圧を高く設定するほど回生電流が流れにくくなる。そのため、回生車と力行車との間で回生電力の融通（回生車から力行車への電力の供給）がし辛く、回生電力の有効利用が困難になることが知られている。一方、変電所の無負荷時送出電圧を低く設定するほど、回生電流が流れ易くなり、回生電力の融通がし易くなる。しかし、電気車の力行エネルギーが増加することが知られている。

また、直流電気車において、変電所の整流器と並列に蓄電装置を設置する技術が知られている。蓄電装置は、例えば回生車の回生電力吸収、変電所出力電流のピークカット、き電線の電圧降下抑制を目的に使用される。ここで、特許文献１には、蓄電装置を変電所または路線に沿って設置し、電気車の力行時の架線電圧を上昇させ、力行時間を低減することで惰行時間を拡大し、省エネ効果を高めることが例示されている。

特開２０１４−００４９１４号公報

しかしながら、特許文献１に示されるように、き電線とレール（帰線）との間に蓄電装置を接続する構成を採用する場合、変電所からの送出電圧を昇圧させるには、蓄電装置の出力電圧を整流器の出力電圧以上とする必要があった。ここで、整流器の出力電圧は一般に高圧であるため、蓄電装置の放電エネルギーが増大するという課題があった。

かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、放電エネルギーの増大を抑えつつ、変電所送出電圧を調整可能な蓄電装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る蓄電装置は、受電した交流電力を直流電力に変換して電気車に供給する変電所で用いられる蓄電装置であって、蓄電池と、前記直流電力を用いて前記蓄電池を充電する第１のチョッパ回路部と、前記蓄電池の電力を変換する第２のチョッパ回路部と、充放電制御部と、を備え、前記変電所は、第１の端子がき電線に電気的に接続され、第２の端子が開閉器を介して帰線に電気的に接続される整流器と、前記開閉器に並列に設けられ、前記第２のチョッパ回路部によって変換された前記蓄電池の電力によって充電されるコンデンサと、を備え、前記充放電制御部は、前記開閉器を導通状態または非導通状態にし、前記第１のチョッパ回路部および前記第２のチョッパ回路部の動作を制御する。

また、好ましくは、前記き電線は分岐点で複数に分岐して、複数の電気車に前記直流電力を供給でき、前記充放電制御部は、分岐した複数のき電線のそれぞれを流れる電流のうち少なくとも１つが電気車から前記分岐点に向かう場合に、前記開閉器を導通状態とする。

また、好ましくは、前記充放電制御部は、更に電気車から前記分岐点に向かう電流の大きさが第１の閾値以上である場合に、前記開閉器を導通状態とする。

また、好ましくは、前記充放電制御部は、分岐した複数のき電線を流れる電流が電気車から前記分岐点に向かわない場合に、前記開閉器を非導通状態として前記第２のチョッパ回路部を動作させる。

また、好ましくは、前記充放電制御部は、更に前記き電線を流れる電流の大きさが第２の閾値以上である場合に、前記開閉器を非導通状態として前記第２のチョッパ回路部を動作させる。

また、好ましくは、前記充放電制御部は、前記コンデンサの端子間に所定の電圧を生じさせるように、前記第２のチョッパ回路部の動作を制御する。

また、好ましくは、前記充放電制御部は、前記コンデンサの端子間に前記き電線を流れる電流の大きさに応じた電圧を生じさせるように、前記第２のチョッパ回路部の動作を制御する。

本発明によれば、放電エネルギーの増大を抑えつつ、変電所送出電圧を調整可能な蓄電装置を提供することができる。

一実施形態に係る蓄電装置を備える直流電気車用蓄電システムの構成を示す図である。充放電制御部の処理を示すフローチャートである。変電所送出電圧の昇圧について説明する図である。比較例の直流電気車用蓄電システムの構成を示す図である。比較例の直流電気車用蓄電システムの変電所の電圧電流特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

（直流電気車用蓄電システムの構成）
図１は、一実施形態に係る蓄電装置２０を備える直流電気車用蓄電システム１の構成を示す。直流電気車用蓄電システム１は、変電所２と、三相交流電源３と、き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄと、レール１２と、電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと、を備える。

き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、変電所２から、それぞれ電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに電力を供給するための電線である。き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、本発明の分岐した複数のき電線のそれぞれに対応する。

レール１２は、電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが走行するための走行路であり、接地されている。また、レール１２は本発明の帰線に対応する。

電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、本実施形態において電気鉄道である。電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、変電所２から電力を供給されて、レール１２の上を走行する。

変電所２は、変圧器４と、整流器５と、分岐点６と、き電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄと、開閉器８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、開閉器１０と、コンデンサ１１と、電圧センサ５０と、電流センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄと、蓄電装置２０と、を備える。また、変電所２は、き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを引き込んでいる。そのため、変電所２は、き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの一部を含む。

変電所２は、三相交流電源３から三相交流電力（以下、単に交流電力とする。）を受電して直流電圧に変換し、き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを介して電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに電力を供給できる。変電所２は、例えば電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの線路の近くに複数配置され得る。

変圧器４は、三相交流電源３からの交流電力を受電して電圧変換を行う。より具体的には、変圧器４は交流電力を降圧し、降圧した交流電力を整流器５に出力する。変圧器４は、例えば負荷時タップ切換用変圧器等の公知の装置を用いることができる。

整流器５は、変圧器４から出力された交流電力を受け取って交流直流変換を行う。整流器５は、例えばダイオードを用いるブリッジ整流器等の公知の回路で構成されていてもよい。整流器５は、直流電圧を供給する出力端子である第１の端子と第２の端子とを備える。第１の端子はき電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄに電気的に接続され、第２の端子は開閉器１０を介してレール１２（帰線）に電気的に接続される。

分岐点６は、整流器５の第１の端子と、き電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄと、を接続する。第１の端子に接続される１本のき電線は、分岐点６で複数（４本）のき電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに分岐している。ここで、き電線を流れる電流を変電所出力電流Ｉｏとする。整流器５の第１の端子から分岐点６に向かって（分岐点６からき電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに向かって）流れる場合を、変電所出力電流Ｉｏの正方向とする。ここで、本発明において単に「き電線」という場合には、分岐点６で複数に分岐される前の１本の「き電線」を指す場合がある。一方、本発明において「（分岐した）複数のき電線」という場合には、分岐点６で複数に分岐されたき電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ、または、き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが対応する。

き電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、分岐点６で分岐した複数（４本）のき電線である。き電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、それぞれ開閉器８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを介して、それぞれき電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄと電気的に接続される。

開閉器８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄはスイッチである。開閉器８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは、通常（電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが正常に運行している時）、導通状態である。開閉器８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは、例えば異常が発生して電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄへの電力供給を遮断する場合等に、非導通状態となり得る。なお、開閉器８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの導通状態、非導通状態は、蓄電装置２０の充放電制御部２４によって制御されてもよい。

電流センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄは、それぞれき電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを流れる電流を検出する装置である。き電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを流れる電流を、それぞれき電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄとする。例えば、電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄからの回生電流がゼロである場合には、き電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄの合計は変電所出力電流Ｉｏに等しい。

開閉器１０はスイッチである。開閉器１０は、整流器５の第２の端子と、レール１２（帰線）との間に設けられる。開閉器１０の導通状態または非導通状態は、蓄電装置２０の充放電制御部２４からの開閉指令Ｒ^＊によって制御される。制御の詳細については後述する。

コンデンサ１１は、開閉器１０に並列に設けられる。コンデンサ１１は、蓄電装置２０の第２のチョッパ回路部２２とも接続され、第２のチョッパ回路部２２によって変換された蓄電装置２０の蓄電池２３の電力によって充電される。

電圧センサ５０は、整流器５の第１の端子と第２の端子との間に接続されて、整流器５の直流出力電圧である整流器出力電圧Ｖｒを検出する。電圧センサ５０は、検出した整流器出力電圧Ｖｒを蓄電装置２０の充放電制御部２４に出力する。ここで、き電線とレール１２（帰線）との間の電圧を変電所送出電圧Ｖｏとする。変電所送出電圧Ｖｏは、電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに供給される電圧である。本実施形態においては、後述するように、変電所送出電圧Ｖｏを整流器出力電圧Ｖｒと異ならせることが可能である。

蓄電装置２０は、第１のチョッパ回路部２１と、第２のチョッパ回路部２２と、蓄電池２３と、充放電制御部２４と、を備える。

第１のチョッパ回路部２１は整流器５の第１の端子および第２の端子と接続される。また、第１のチョッパ回路部２１は蓄電池２３と接続される。第１のチョッパ回路部２１は、整流器５側の直流電力と蓄電池２３の直流電力とを相互に変換する。例えば、第１のチョッパ回路部２１は整流器５の直流電力を用いて蓄電池２３を充電してもよい。また、例えば、第１のチョッパ回路部２１は回生車からの回生電力を用いて蓄電池２３を充電してもよい。第１のチョッパ回路部２１としては、例えば、公知の双方向チョッパ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いることができる。

第２のチョッパ回路部２２は、開閉器１０およびコンデンサ１１と接続される。また、第２のチョッパ回路部２２は蓄電池２３と接続される。第２のチョッパ回路部２２は、蓄電池２３の直流電力を変換して、開閉器１０側（およびコンデンサ１１側）に直流電力を供給する。第２のチョッパ回路部２２としては、例えば、公知の双方向チョッパ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いることができる。

蓄電池２３は直流電力を蓄電する。本実施形態において、蓄電池２３の正極、負極は、それぞれ第１のチョッパ回路部２１の蓄電池２３側の正極、負極に接続される。また、蓄電池２３の正極、負極は、それぞれ第２のチョッパ回路部２２の蓄電池２３側の正極、負極にも接続される。蓄電池２３としては、例えば、公知のバッテリ、電気二重層キャパシタなどを用いることができる。また、蓄電池２３は、異なる種類の蓄電池の組み合わせで構成されていてもよい。

充放電制御部２４は、第１のチョッパ回路部２１および第２のチョッパ回路部２２の動作を制御する。充放電制御部２４は、充放電電流指令Ｉ^＊によって、第１のチョッパ回路部２１に入出力される蓄電池２３の充放電電流を制御する。充放電制御部２４は、例えば充放電電流指令Ｉ^＊を０とすることで、第１のチョッパ回路部２１の動作を停止させる（すなわち、蓄電池２３を充放電させない）ことができる。また、充放電制御部２４は、放電電圧指令Ｖ^＊によって、第２のチョッパ回路部２２が出力する電圧（開閉器１０およびコンデンサ１１の端子間電圧に対応）を制御する。充放電制御部２４は、例えば放電電圧指令Ｖ^＊を０とすることで、第２のチョッパ回路部２２の動作を停止させる（すなわち、開閉器１０側に電圧を出力させない）ことができる。また、充放電制御部２４は、開閉指令Ｒ^＊によって、開閉器１０の開閉状態（導通状態または非導通状態）を制御する。また、充放電制御部２４は、電圧センサ５０が検出した整流器出力電圧Ｖｒと、電流センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄのそれぞれが検出したき電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄと、蓄電池２３の充電量を示す充電量ＳＯＣと、を取得する。また、充放電制御部２４は、後述する第１の閾値Ｉｔｈ１および第２の閾値Ｉｔｈ２を取得してもよい。ここで、第１の閾値Ｉｔｈ１および第２の閾値Ｉｔｈ２は、例えば蓄電装置２０が備える記憶装置から読み出されてもよいし、蓄電装置２０の外部から指定されてもよい。充放電制御部２４は、第１の閾値Ｉｔｈ１および第２の閾値Ｉｔｈ２をアクセス可能な記憶装置から取得するが、記憶装置に記憶されていない場合または値の更新があった場合に記憶装置以外から取得するようにしてもよい。

（充放電制御部の処理）
図２は充放電制御部２４の処理を示すフローチャートである。以下、充放電制御部２４の処理について説明する。

まず、充放電制御部２４は、開閉指令Ｒ^＊によって開閉器１０を導通状態とする（ステップＳ１）。

充放電制御部２４は、第１のチョッパ回路部２１、第２のチョッパ回路部２２、および開閉器１０の制御に必要な検出値等を取得する（ステップＳ２）。本実施形態において、検出値等は、具体的には整流器出力電圧Ｖｒ、き電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ、充電量ＳＯＣである。また、充放電制御部２４は、検出値等として更に第１の閾値Ｉｔｈ１および第２の閾値Ｉｔｈ２を取得してもよい。ここで、第１の閾値Ｉｔｈ１は、回生車が存在するか否かの判定に用いられる電流閾値である。また、第２の閾値Ｉｔｈ２は、力行車に供給する変電所送出電圧Ｖｏの調整が必要か否かの判定に用いられる電流閾値である。

充放電制御部２４は、き電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄに基づいて、分岐した複数のき電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの少なくとも１つに負の電流（電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄから分岐点６に向かう電流）が流れているか否かを判定する（ステップＳ３）。充放電制御部２４は、負の電流が流れていると判定した場合にはステップＳ４に進み、そうでなければステップＳ５に進む。

充放電制御部２４は、ステップＳ３で負の電流が流れていると判定した場合（ステップＳ３のＹｅｓ）には、負の電流の大きさは第１の閾値Ｉｔｈ１以上か否かを判定する（ステップＳ４）。第１の閾値Ｉｔｈ１は、例えば電流センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄの検出誤差によって負の電流であると誤検出されることを回避するのに十分な大きさの値に設定される。本実施形態において、充放電制御部２４は、負の電流の大きさが第１の閾値Ｉｔｈ１以上の場合に（ステップＳ４のＹｅｓ）、力行車に対して電力回生可能な回生車が存在すると判定する。充放電制御部２４は、回生車が存在すると判定した場合にはステップＳ７に進み、そうでなければステップＳ５に進む。

充放電制御部２４は、ステップＳ３で負の電流が流れていないと判定した場合（ステップＳ３のＮｏ）、および、ステップＳ４で負の電流の大きさが第１の閾値Ｉｔｈ１未満の場合（ステップＳ４のＮｏ）には、き電線を流れる電流の大きさが第２の閾値Ｉｔｈ２以上か否かを判定する（ステップＳ５）。ここで、負の電流が流れていないとは、電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄから分岐点６に向かう電流がないことをいう。また、き電線を流れる電流の大きさとは、変電所２からの変電所出力電流Ｉｏの大きさである。充放電制御部２４は、き電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄの大きさを合計することにより、変電所出力電流Ｉｏの大きさを把握できる。そして、充放電制御部２４は、き電線を流れる電流の大きさが第２の閾値Ｉｔｈ２以上の場合に（ステップＳ５のＹｅｓ）、変電所２から電力供給すべき力行車が存在すると判定する。ここで、第２の閾値Ｉｔｈ２は、力行車が存在しない場合に充放電制御部２４が誤って力行車が存在すると誤判定することを回避するのに十分な大きさの値に設定される。例えば、第２の閾値Ｉｔｈ２は、電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのうちの少なくとも１台が力行運転する場合に、少なくとも流れると考えられる電流値の大きさに設定される。充放電制御部２４は、力行車が存在すると判定した場合にはステップＳ６に進み、そうでなければステップＳ７に進む。

充放電制御部２４は、力行車が存在すると判定した場合（ステップＳ５のＮｏ）には、ステップＳ６の制御を実行する。つまり、充放電制御部２４は開閉指令Ｒ^＊によって開閉器１０を非導通状態とする。また、充放電制御部２４は充放電電流指令Ｉ^＊を０として、第１のチョッパ回路部２１の動作を停止させる（すなわち、蓄電池２３を充放電させない）。また、充放電制御部２４は、整流器出力電圧Ｖｒと充電量ＳＯＣに基づいて、放電電圧指令Ｖ^＊を設定する（ステップＳ６）。ステップＳ６の制御によって、コンデンサ１１が充電されて端子間に電圧が生じる。変電所送出電圧Ｖｏは、整流器５の直流出力電圧である整流器出力電圧Ｖｒに、コンデンサ１１の端子間電圧（換言すると、開閉器１０の端子間電圧または第２のチョッパ回路部２２の出力電圧）を加算したものとなる。つまり、蓄電装置２０の充放電制御部２４は、ステップＳ６の制御によって、変電所送出電圧Ｖｏを昇圧することができる。ここで、充放電制御部２４は、放電電圧指令Ｖ^＊によって第２のチョッパ回路部２２の出力電圧を調整可能である。つまり、充放電制御部２４は、放電電圧指令Ｖ^＊を適切に設定することによって変電所送出電圧Ｖｏを所望の電圧値に昇圧可能である。

充放電制御部２４は、ステップＳ４で回生車が存在すると判定した場合（ステップＳ４のＹｅｓ）、および、ステップＳ５で力行車が存在すると判定しなかった場合（ステップＳ５のＮｏ）には、ステップＳ７の制御を実行する。つまり、充放電制御部２４は開閉指令Ｒ^＊によって開閉器１０を導通状態とする。また、充放電制御部２４は放電電圧指令Ｖ^＊を０として、第２のチョッパ回路部２２の動作を停止させる（すなわち、開閉器１０側に電圧を出力させない）。また、充放電制御部２４は、整流器出力電圧Ｖｒと充電量ＳＯＣに基づいて、充放電電流指令Ｉ^＊を設定する（ステップＳ７）。このとき、充放電制御部２４は、分岐した複数のき電線を回生電流が流れやすい状態にすることができる。また、充放電制御部２４は、充放電電流指令Ｉ^＊によって蓄電池２３を充放電させて変電所送出電圧Ｖｏを調整可能である。つまり、蓄電装置２０の充放電制御部２４は、ステップＳ７の制御によって、回生電流が流れやすい変電所送出電圧Ｖｏの電圧レベルを保つことができる。蓄電装置２０の充放電制御部２４は、例えば電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにおいて回生絞り込みが発生し、変電所送出電圧Ｖｏが上昇した場合に、蓄電池２３を充電させることで変電所送出電圧Ｖｏの急激な変動を回避することが可能である。

充放電制御部２４は、蓄電装置２０を停止する場合（ステップＳ８のＹｅｓ）には一連の処理を終了する。また、充放電制御部２４は、蓄電装置２０を停止しない場合（ステップＳ８のＮｏ）にはステップＳ２へ戻る（ステップＳ８のＮｏ）。

（変電所送出電圧の昇圧）
図３は、上記の充放電制御部２４のステップ６の制御に対応する変電所送出電圧Ｖｏの昇圧について説明する図である。

図３は、変電所２から電気車１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに供給される電力を示し、縦軸が供給電圧、横軸が供給電流（変電所出力電流Ｉｏ）を示す。縦軸のＶｏ０を初期値として一次関数で近似される電圧電流特性（以下、初期電圧電流特性という）は、昇圧を実行しない場合における変電所２からの供給電力を示す。充放電制御部２４がステップ６の制御を実行しない場合には、直流電気車用蓄電システム１の変電所２からの供給電力は初期電圧電流特性に従う。

一方、充放電制御部２４がステップ６の制御を実行した場合には、変電所送出電圧Ｖｏは第２のチョッパ回路部２２が出力する電圧の分だけ昇圧する。本実施形態において、第２のチョッパ回路部２２は変電所出力電流Ｉｏによらず所定の電圧を出力する。したがって、変電所２からの供給電力は、図３の縦軸のＶｏを初期値として一次関数で近似される電圧電流特性に従うように昇圧される。本実施形態においては、蓄電装置２０の充放電制御部２４がステップ６の制御を実行するか否かによって、変電所２からの供給電力が従う電圧電流特性を容易に切り替えることが可能である。

（比較例）
以上のように、本実施形態の蓄電装置２０について説明したが、図４および図５を参照して、比較例の蓄電装置９３を示しながら、本実施形態の蓄電装置２０の効果について説明する。なお、図４および図５では、図１〜図３と同じ要素には同じ符号を付して説明を省略する。

図４は、比較例の蓄電装置９３を備える直流電気車用蓄電システム９１の構成を示す。直流電気車用蓄電システム９１の変電所９２は、開閉器１０、コンデンサ１１および電流センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄを備えない。また、比較例の蓄電装置９３は、第２のチョッパ回路部２２を備えない。変電所９２では、変電所送出電圧Ｖｏと整流器出力電圧Ｖｒとは、蓄電池２３への充放電がなければ同じである。つまり、変電所９２からの供給電力は図５に示される電圧電流特性に従うと考えることができる。

比較例の蓄電装置９３を備える直流電気車用蓄電システム９１では、変電所出力電流Ｉｏの増加に伴い、変電所送出電圧Ｖｏは単調に減少する。回生電力の有効利用のために無負荷時送出電圧を低く設定したとすると、変電所９２の送出電圧を昇圧させる必要が生じた場合には、蓄電装置９３の蓄電池２３の放電によって変電所送出電圧Ｖｏを昇圧する必要がある。

しかし、変電所送出電圧Ｖｏを昇圧する場合、蓄電装置９３の出力電圧を整流器５の出力電圧以上とする必要があった。ここで、蓄電池２３の直流電圧が例えば６００［Ｖ］程度であるのに対して、電気鉄道に供給される整流器５の出力電圧は一般に１５００［Ｖ］程度である。そのため、蓄電装置９３は、第１のチョッパ回路部２１を用いて大きく昇圧する必要があり、放電エネルギーが増大するという課題が生じる。

一方、本実施形態に係る蓄電装置２０を備える直流電気車用蓄電システム１では、蓄電装置２０の充放電制御部２４がステップＳ６の制御を行うことで、変電所送出電圧Ｖｏを昇圧することができる。昇圧された変電所送出電圧Ｖｏは、整流器５の直流出力電圧である整流器出力電圧Ｖｒに、コンデンサ１１の端子間電圧を加算したものとなる。コンデンサ１１の端子間電圧は、例えば１００〜２００［Ｖ］程度である。このとき、蓄電装置２０は、蓄電池２３の６００［Ｖ］程度の直流電圧を第２のチョッパ回路部２２で変換してコンデンサ１１の端子間電圧を生成する。したがって、本実施形態に係る蓄電装置２０は、放電エネルギーの増大を抑えつつ、変電所送出電圧Ｖｏを適切な値に調整（昇圧）することができる。

また、本実施形態に係る蓄電装置２０では、変電所送出電圧Ｖｏの昇圧を必要な場合に容易に実行できる。つまり、充放電制御部２４が変電所出力電流Ｉｏの大きさが第２の閾値Ｉｔｈ２以上であると判定した場合に、直ちに変電所送出電圧Ｖｏを昇圧することが可能である（図２のステップＳ５およびＳ６）。そのため、変電所２の無負荷時送出電圧を低く設定することが可能である。

本発明を諸図面や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や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や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、上記の実施形態では、電流センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄによって、それぞれき電線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄに流れる電流を検出する。しかし、電流センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄがき電線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに流れる電流を検出してもよい。

また、例えば分岐点６におけるき電線の分岐の本数は４本に限られない。また、上記の実施形態において、整流器５は１つ（１バンク）であったが、複数であって並列バンクを構成してもよい。また、蓄電装置２０は、１つに限らず複数個が並列に接続していてもよい。

また、上記の実施形態において、開閉器１０および第２のチョッパ回路部２２は、整流器５の第２の端子とレール１２（帰線）との間に設けられているが、整流器５の第１の端子と分岐点６の間に設けられてもよい。

また、上記の実施形態において、変電所送出電圧Ｖｏの昇圧の大きさは、変電所出力電流Ｉｏの値によらず一定であった（図３参照）。しかし、変電所出力電流Ｉｏに応じて、昇圧の大きさ（コンデンサ１１の端子間電圧）を変化させてもよい。例えば、充放電制御部２４は、放電電圧指令Ｖ^＊を変電所出力電流Ｉｏの大きさに応じて変化させることによって、昇圧された変電所送出電圧Ｖｏが変電所出力電流Ｉｏによらずに一定の電圧（無負荷時送出電圧）になるようにしてもよい。

また、上記の実施形態において、充放電制御部２４は、第１の閾値Ｉｔｈ１との比較処理（ステップＳ４）および第２の閾値Ｉｔｈ２との比較処理（ステップＳ５）の少なくとも一方を省略してもよい。例えば、充放電制御部２４がステップＳ４およびステップＳ５を省略する場合には、充放電制御部２４は、ステップＳ３で負の電流が流れていると判定した場合にはステップＳ７の処理を実行し、そうでない場合には、ステップＳ６の処理を実行する。

１直流電気車用蓄電システム
２変電所
３三相交流電源
４変圧器
５整流器
６分岐点
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄき電線
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，１０開閉器
１１コンデンサ
１２レール（帰線）
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ電気車
２０蓄電装置
２１第１のチョッパ回路部
２２第２のチョッパ回路部
２３蓄電池
２４充放電制御部
５０電圧センサ
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ電流センサ

Claims

受電した交流電力を直流電力に変換して電気車に供給する変電所で用いられる蓄電装置であって、
蓄電池と、
前記直流電力を用いて前記蓄電池を充電する第１のチョッパ回路部と、
前記蓄電池の電力を変換する第２のチョッパ回路部と、
充放電制御部と、を備え、
前記変電所は、
第１の端子がき電線に電気的に接続され、第２の端子が開閉器を介して帰線に電気的に接続される整流器と、
前記開閉器に並列に設けられ、前記第２のチョッパ回路部によって変換された前記蓄電池の電力によって充電されるコンデンサと、を備え、
前記充放電制御部は、
前記開閉器を導通状態または非導通状態にし、前記第１のチョッパ回路部および前記第２のチョッパ回路部の動作を制御する、蓄電装置。
前記き電線は分岐点で複数に分岐して、複数の電気車に前記直流電力を供給でき、
前記充放電制御部は、分岐した複数のき電線のそれぞれを流れる電流のうち少なくとも１つが電気車から前記分岐点に向かう場合に、前記開閉器を導通状態とする、請求項１に記載の蓄電装置。
前記充放電制御部は、更に電気車から前記分岐点に向かう電流の大きさが第１の閾値以上である場合に、前記開閉器を導通状態とする、請求項２に記載の蓄電装置。
前記充放電制御部は、分岐した複数のき電線を流れる電流が電気車から前記分岐点に向かわない場合に、前記開閉器を非導通状態として前記第２のチョッパ回路部を動作させる、請求項２または３に記載の蓄電装置。
前記充放電制御部は、更に前記き電線を流れる電流の大きさが第２の閾値以上である場合に、前記開閉器を非導通状態として前記第２のチョッパ回路部を動作させる、請求項４に記載の蓄電装置。
前記充放電制御部は、前記コンデンサの端子間に所定の電圧を生じさせるように、前記第２のチョッパ回路部の動作を制御する、請求項４または５に記載の蓄電装置。
前記充放電制御部は、前記コンデンサの端子間に前記き電線を流れる電流の大きさに応じた電圧を生じさせるように、前記第２のチョッパ回路部の動作を制御する、請求項４または５に記載の蓄電装置。