JP6716482B2 - コンバータ制御装置及びコンバータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンバータとインバータとの間の直流中間回路に蓄電池を接続して備えた交流区間を走行可能な電気車におけるコンバータの制御装置等に関する。

交流区間を走行可能な電気車において、コンバータとインバータとの間の直流中間回路（直流ステージとも呼ばれる）に蓄電池を充放電可能に接続して、電気の融通を制御する技術が研究・開発されている。例えば、特許文献１に記載された、架線からの交流電力と、バッテリ（蓄電池）の出力とを併用するハイブリッド架線モードがこの技術に該当する。

直流中間回路に蓄電池を接続することで、力行時に必要な電力を蓄電池が補助したり、回生電力を蓄電池が蓄電する等して、環境負荷の低減やランニングコストを抑制することが可能となる。

特開２０１４−６４３９７号公報

上述した電気車においては、直流中間回路の電圧（以下「直流ステージ電圧」と呼称する）が低下し、コンバータが過変調運転（過変調モードとも呼ばれる）となった際に、コンバータの交流側電流の波形歪みが悪化し、帰線電流の高調波が大きく現れる場合がある。この帰線電流高調波を抑制する技術として、電車線に無効電力を注入する方式が考えられるが、電流実効値が増大するため、き電系への影響や、トロリ線の温度上昇に配慮する必要がある。そのため、無効電力注入方式以外の方式で帰線電流高調波を抑制する技術が望まれる。

本発明は、帰線電流高調波を抑制するための新たな技術を提供するために考案されたものであり、より具体的には、コンバータの交流側電流の波形歪みの悪化を軽減することを目的として考案されたものである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、
コンバータ（例えば図１のコンバータ４０）と、主電動機（例えば図１の主電動機Ｍ）を駆動制御するインバータ（例えば図１のインバータ５０）と、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に充放電可能に接続された蓄電池（例えば図１の蓄電池６０）とを具備する交流区間を走行する電気車（例えば図１の電気車１）において、前記コンバータの電力変換動作を制御するための交流側電圧指令値を交流側電流検出値を用いて生成して前記コンバータを制御するコンバータ制御装置（例えば図１，２のコンバータ制御装置３０）であって、
前記直流中間回路の電圧（以下「直流ステージ電圧」という）の、前記交流側電圧指令値に基づく所定の電圧に対する不足量である欠損電圧を算出する欠損電圧算出部（例えば図２の欠損電圧算出部３４）と、
前記コンバータの電力変換において前記欠損電圧分による交流側電流である欠損電流を算出する欠損電流算出部（例えば図２の欠損電流算出部３８）と、
前記コンバータの交流側電流を検出した前記交流側電流検出値を、前記欠損電流分差し引く交流側電流調整部（例えば図２の交流側電流調整部３９）と、
を備え、前記交流側電流調整部により前記欠損電流分差し引かれた前記交流側電流検出値を用いて前記交流側電圧指令値を生成するコンバータ制御装置である。

また、他の発明として、
コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に充放電可能に接続された蓄電池とを具備する交流区間を走行する電気車において、前記コンバータの電力変換動作を制御するための交流側電圧指令値を交流側電流検出値を用いて生成して前記コンバータを制御するためのコンバータ制御方法であって、
前記直流中間回路の電圧（以下「直流ステージ電圧」という）の、前記交流側電圧指令値に基づく所定の電圧に対する不足量である欠損電圧を算出することと、
前記コンバータの電力変換において前記欠損電圧分による交流側電流である欠損電流を算出することと、
前記コンバータの交流側電流を検出した前記交流側電流検出値を、前記欠損電流分差し引くことと、
前記欠損電流分差し引かれた前記交流側電流検出値を用いて前記交流側電圧指令値を生成することと、
を含むコンバータ制御方法を構成することとしてもよい。

この第１の発明等によれば、コンバータを制御するための指令値である交流側電圧指令値に基づく所定の電圧に対して、直流ステージ電圧が不足する状態となった場合、その不足量である欠損電圧が算出され、この欠損電圧に対応する欠損電流が、交流側電流の検出値から差し引かれる。そして、差し引かれた後の交流側電流（欠損がない仮想的な電流）を用いて、交流側電圧指令値が生成され、コンバータが制御される。結果、直流ステージ電圧の不足を許容した状態での制御となり、コンバータが過変調運転となって交流側電流に波形歪みが生じた場合であっても、電流制御系の過剰な応答を防止することによって、その波形歪みの悪化を軽減させることが可能となる。また、交流側電流の波形歪みの悪化を軽減させることができるため、帰線電流高調波を抑制することができる。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記直流ステージ電圧が前記所定の電圧に対して不足しない場合には、前記欠損電圧算出部が前記欠損電圧をゼロとして算出する、
コンバータ制御装置である。

この第２の発明によれば、直流ステージ電圧が不足しない場合には、交流側電流の検出値が低減される（差し引かれる）ことがない。したがって、過変調運転をしているか否かといったコンバータの運転制御モードに応じて、欠損電圧の算出や欠損電流の差し引きの実行有無を選択制御する必要はない。すなわち、コンバータの運転制御モードに関わらず、欠損電圧の算出や欠損電流の差し引きを継続的に実行した状態にしておくことが可能となり、制御が簡便化する。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記欠損電流算出部が、主変圧器の諸元に基づいて、前記コンバータによる前記欠損電圧分によって生じる前記コンバータの交流側電流を算出することで、前記欠損電流を算出する、
第１又は第２の発明のコンバータ制御装置である。

この第３の発明によれば、主変圧器の諸元に基づくことで、直流側電圧である欠損電圧分によって生じる交流側電流を欠損電流として算出することができる。

電気車を構成する主要部の回路構成を示す図。 コンバータ制御装置の演算ブロック（機能ブロック）の構成を示す図。 欠損電圧算出部の演算ブロック（機能ブロック）の構成を示す図。 過変調運転時の回路動作をシミュレーションした結果の波形を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。尚、以下では、本発明を交流電気車に適用した実施形態を例に挙げて説明するが、交流区間を走行可能な電気車であれば本発明を適用可能であるため、以下説明する実施形態を交直流電気車に適用することも可能である。また、説明を簡単にするために、コンバータを順方向運転する場合（架線からの交流電力を直流電力に変換する場合）について説明するが、逆方向運転する場合（例えば回生電力や蓄電池出力電力を架線に戻すために直流電力を交流電力に変換する場合）に対して本実施形態を適用することも勿論可能である。

図１は、本実施形態の電気車１を構成する主要部の回路構成を示す図である。電気車１は、主変圧器２０と、コンバータ制御装置３０と、コンバータ４０と、インバータ５０と、不図示のインバータ制御装置と、蓄電池６０と、主電動機Ｍとを備える。

主変圧器２０は、架線ＣＴから交流電力を受電するパンタグラフＰと、レールＲに接触して帰線電流を流す役割を担う車輪Ｗとの間に位置し、パンタグラフＰで受電した架線電力を変圧してコンバータ４０へ出力する。出力となる主変圧器２０の二次電圧はコンバータ４０の交流側電圧となり、主変圧器２０の二次電流はコンバータ４０の交流側電流ｉ_cとなる。

一次巻線２１と二次巻線２２との巻線比や、抵抗、インダクタンス等の主変圧器２０の諸元は予め定められており、主変圧器２０全体の等価回路を表すモデル式として、主変圧器モデル３８１（図２参照）に設定されている。

コンバータ４０は、本実施形態においてはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータとする。コンバータ制御装置３０から入力されるゲートパルス信号ＰＳに基づいてゲートをＯＮ／ＯＦＦするＰＷＭ動作によって電力変換動作を実行する。コンバータ４０の運転モードとしては、矩形波運転モードと、過変調運転モードとが少なくとも含まれ、直流ステージ電圧ｖ_dcが所定電圧以下となる低電圧状態となった場合に過変調運転モードが採用される。ゲートパルス信号ＰＳは運転モードに応じた信号であり、コンバータ制御装置３０によって生成される。すなわち、コンバータ制御装置３０においてコンバータ４０の運転モードが選択されて、選択された運転モードに応じたゲートパルス信号ＰＳが生成・出力される。

コンバータ４０とインバータ５０との間は、直流電圧の回路部分であり、直流ステージなどとも呼ばれるが、本実施形態では直流中間回路と呼称する。また、この直流中間回路の電圧を、直流ステージ電圧ｖ_dcと呼称する。コンバータ４０の順方向運転によって直流側に出力される電圧が直流ステージ電圧ｖ_dcであり、この直流ステージ電圧ｖ_dcがインバータ５０の入力となる。

インバータ５０は、力行時に直流ステージ電圧ｖ_dcを交流電圧に変換して主電動機Ｍに供給することで、主電動機Ｍを駆動制御する。図１では、インバータ５０と主電動機Ｍとの対応関係を１対１として示しているが、１台のインバータ５０でＮ台（Ｎ≧１）の主電動機Ｍを駆動制御する構成としてもよいことは勿論である。
また、回生ブレーキ時には、インバータ５０は、主電動機Ｍで発生した回生電力を直流ステージ電圧ｖ_dcに変換して、直流中間回路に出力する。
インバータ５０の動作制御は、不図示のインバータ制御装置によって行われる。

蓄電池６０は、直流中間回路に充放電可能に接続された二次電池である。種類は問わず、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、大容量キャパシタ等の何れの二次電池も採用することができる。蓄電池６０の端子にかかる入出力電圧（以下「蓄電池電圧」という）が、直流ステージ電圧ｖ_dcより高ければ放電動作を行って直流中間回路に電力を供給し、低ければ充電動作を行う。なお、蓄電池６０を直流中間回路に接続するか切り離すかを制御する装置を設けることとしてもよい。

コンバータ制御装置３０は、コンバータ４０の電力変換動作を司る制御装置であり、電気車１の運転台からの動作指令に基づいて電力変換動作を開始する。コンバータ制御装置３０は電子回路を備えて構成された一種のコンピュータ装置である。コンバータ制御装置３０の演算制御は、その一部または全てをプログラムによる演算処理によってソフトウェア的に実現することとしてもよいし、その一部または全てをＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路で実現することとしてもよい。

コンバータ制御装置３０の演算ブロック（機能ブロック）の構成を図２に示す。コンバータ制御装置３０は、演算部３１と、欠損電圧算出部３４と、欠損電流算出部３８と、交流側電流調整部３９とを有して構成される。

演算部３１には、直流ステージ電圧ｖ_dcや交流側電流ｉ_c、架線電圧、蓄電池電流（蓄電池６０の端子にかかる入出力電流）等の検出値が入力され、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}を生成するとともに、コンバータ４０のゲートをＯＮ／ＯＦＦさせるゲートパルス信号ＰＳを生成・出力する。

なお、コンバータ制御装置３０には、直流ステージ電圧ｖ_dcや交流側電流ｉ_c、架線電圧、蓄電池電流等が直接印加・入力されるわけではなく、これらの値を検出する電圧センサや電流センサ等による検出値が入力される。説明の便宜上、以下では検出値であることを特段断らないが、コンバータ制御装置３０に入力されるこれらの電圧や電流は検出値である。電気車１には、これらの値を検出する電圧センサや電流センサ等が適宜設けられている。

演算部３１は、少なくとも交流側電流ｉ_cを用いて交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}を生成する電流制御系演算部３２と、生成された交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に基づいてゲートパルス信号ＰＳを生成するパルス信号生成部３３とを有する。交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}の生成に係る演算処理は、従来の演算処理を採用することができる。

パルス信号生成部３３は、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}を所与の三角波パルスと比較することでＰＷＭとなるゲートパルス信号ＰＳを生成する。また、パルス信号生成部３３は、直流ステージ電圧ｖ_dcが所定電圧以下となる低電圧状態となった場合には、コンバータ４０を過変調運転（過変調ＰＷＭ制御とも呼ばれる）させるようにゲートパルス信号ＰＳを生成する。

欠損電圧算出部３４は、直流ステージ電圧ｖ_dcの、「交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に基づく所定の電圧」に対する不足量である欠損電圧ｖ_csを算出する。欠損電圧ｖ_csがゼロでない値として算出される時には、コンバータが過変調運転されている状態である。

「交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に基づく所定の電圧」は、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}としてもよいし、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に一定値を加えた或いは減算した電圧や、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に一定割合増加或いは減少させた電圧としてもよい。
本実施形態では、説明の簡便化のため、「交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に基づく所定の電圧」を交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}として説明する。

図３に、欠損電圧算出部３４の演算ブロックの構成を示す。欠損電圧算出部３４は、第１の演算器３５と、第２の演算器３６とを有する。第１の演算器３５は、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に正比例する参照値ｖ_ctを算出する演算器である。但し、参照値ｖ_ctは、上限値が直流ステージ電圧ｖ_dcの符号を正とした値とされ、下限値が直流ステージ電圧ｖ_dcの符号を負とした値とされる。第２の演算器３６は、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}から参照値ｖ_ctを減算する演算器である。第２の演算器３６による演算結果が欠損電圧ｖ_csとされる。

欠損電圧算出部３４の動作についてより具体的に説明する。仮に、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}が直流ステージ電圧ｖ_dcで定められる限界値に達していなければ、第１の演算器３５において交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}の値が参照値ｖ_ctとされるため、第２の演算器３６における演算結果はゼロとなり、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に対する直流ステージ電圧ｖ_dcの不足分はゼロとして欠損電圧ｖ_csが算出されて出力される。他方、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}が直流ステージ電圧ｖ_dcで定められる限界値に達している場合には、第１の演算器３５において直流ステージ電圧ｖ_dcの値が参照値ｖ_ctとされるため、第２の演算器３６において、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に対する直流ステージ電圧ｖ_dcの不足分の電圧が欠損電圧ｖ_csとして算出されて出力される。

なお、もしも「交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に基づく所定の電圧」を、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に一定値またはデッドタイム誤差補償値を加えた或いは減算した電圧とするならば、図３の演算ブロックにおいて、欠損電圧算出部３４の入力段において第１の演算器３５および第２の演算器３６の前に、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}に一定値またはデッドタイム誤差補償値を加える或いは減算して補正する演算器を挿入すればよい。

図２に戻り、欠損電流算出部３８は、コンバータ４０の電力変換において欠損電圧ｖ_cs分の交流側電流となる欠損電流ｉ_csを算出する。欠損電流算出部３８は、主変圧器２０の諸元に基づく、主変圧器２０の等価回路を示す関数式を主変圧器モデル３８１として記憶しており、主変圧器２０の諸元すなわち主変圧器モデル３８１に基づいて、コンバータ４０が欠損電圧ｖ_cs分によって生じるコンバータ４０の交流側電流を、欠損電流ｉ_csとして算出する。

交流側電流調整部３９は、交流側電流ｉ_cを、欠損電流ｉ_cs分差し引くことで交流側電流ｉ_cを調整して、電流制御系演算部３２に出力する。説明の便宜上、調整後の交流側電流ｉ_cを第２の交流側電流ｉ_c2と呼称する。

これにより、電流制御系演算部３２は、欠損電流ｉ_csが差し引かれた第２の交流側電流ｉ_c2を用いて交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}を生成する状態となる。換言すると、実際の交流側電流ｉ_cから欠損電流ｉ_csを差し引いて電流制御系演算部３２に入力することで、電流制御系演算部３２を、欠損電流ｉ_csを許容させた状態とする。第２の交流側電流ｉ_c2は、欠損成分を含まない仮想的な電流である。電流制御系演算部３２をいわばだました状態ということもできる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
図４は、コンバータ４０が過変調運転をした際の電気車１の主回路動作を回路シミュレーションした結果の波形を示す図であり、上から順に、（１）コンバータの交流側電圧（主変圧器二次電圧）、（２）交流側電流ｉ_c、（３）直流ステージ電圧ｖ_dc、（４）交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}、の波形を示す。また、横軸が時間経過を示しており、時刻ｔ_a前が本実施形態の制御を適用する前、時刻ｔ_a後が本実施形態の制御を適用した後である。

図４（１）のコンバータの交流側電圧（主変圧器二次電圧）は、本実施形態の制御を適用する前後を通じて同じ正弦波波形となっている。

また、図４（３）の直流ステージ電圧ｖ_dcも、回路シミュレーションの開始直後と、本実施形態の制御を適用した直後とにおいて安定動作となるまで一時的に波形が乱れたが、本実施形態の制御を適用する前後の安定期においては、一定の電圧変動範囲内に電圧振動が収まったほぼ同じ波形となっている。すなわち、本実施形態の制御を適用する前後において、過変調運転の条件は同じであったといえる。

着目すべきは、図４（２）の交流側電流ｉ_cと、図４（４）の交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}とである。
まず、本実施形態による制御を適用したことで、電流制御系演算部３２は、欠損電流ｉ_csを許容した状態となる。すなわち、実際の交流側電流ｉ_cではなく、欠損電流ｉ_csを差し引いた第２の交流側電流ｉ_c2を用いて、交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}を生成している状態となる。このため、図４（２）に示す交流側電流ｉ_cの振幅は、本実施形態による制御を適用する前後においてほぼ同じであるが、図４（４）に示す交流側電圧指令値ｖ_{c_ref}の振幅は、本実施形態による制御を適用する前後において大きく異なっている。

次に、図４（２）の交流側電流ｉ_cであるが、本実施形態による制御を適用する前は、波形の歪みが大きく、滑らかな振動波形とは言い難い。極大値や極小値の他に極値が見られることから、次数の高い高調波の含有率が大きい。この状態は、コンバータ４０が歪んだ電流に対して過剰に振動的な制御動作をしている状態にあると考えられる。

これに対して、本実施形態による制御を適用した後は、適用する前と比べて明らかに波形の歪みが小さく、滑らかな形状に近づいている。また、極大値や極小値以外に他の極値がはっきりとは現れていないことから、次数の高い高調波の含有率が低減された状態にあると言える。

ゆえに、本実施形態の制御を適用したことで、コンバータ４０の過変調運転時に生じる交流側電流の波形歪みの悪化を効果的に軽減することができる。また、交流側電流の波形歪みの悪化を軽減することは、帰線電流高調波の抑制に繋がるため、本実施形態によれば、帰線電流高調波を抑制することが可能となる。

以上、本発明を適用した実施形態の一例を説明したが、本発明の適用が可能な形態は上述した実施形態に限られものではないことは勿論である。

２０ 主変圧器
３０ コンバータ制御装置
３１ 演算部
３４ 欠損電圧算出部
３８ 欠損電流算出部
３９ 交流側電流調整部
４０ コンバータ
５０ インバータ
６０ 蓄電池
Ｍ 主電動機

Claims (4)

1. コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に充放電可能に接続された蓄電池とを具備する交流区間を走行する電気車において、前記コンバータの電力変換動作を制御するための交流側電圧指令値を交流側電流検出値を用いて生成して前記コンバータを制御するコンバータ制御装置であって、
   前記直流中間回路の電圧（以下「直流ステージ電圧」という）の、前記交流側電圧指令値に基づく所定の電圧に対する不足量である欠損電圧を算出する欠損電圧算出部と、
   前記コンバータの電力変換において前記欠損電圧分による交流側電流である欠損電流を算出する欠損電流算出部と、
   前記コンバータの交流側電流を検出した前記交流側電流検出値を、前記欠損電流分差し引く交流側電流調整部と、
   を備え、前記交流側電流調整部により前記欠損電流分差し引かれた前記交流側電流検出値を用いて前記交流側電圧指令値を生成するコンバータ制御装置。
2. 前記直流ステージ電圧が前記所定の電圧に対して不足しない場合には、前記欠損電圧算出部が前記欠損電圧をゼロとして算出する、
   請求項１に記載のコンバータ制御装置。
3. 前記欠損電流算出部は、主変圧器の諸元に基づいて、前記コンバータによる前記欠損電圧分によって生じる前記コンバータの交流側電流を算出することで、前記欠損電流を算出する、
   請求項１又は２に記載のコンバータ制御装置。
4. コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に充放電可能に接続された蓄電池とを具備する交流区間を走行する電気車において、前記コンバータの電力変換動作を制御するための交流側電圧指令値を交流側電流検出値を用いて生成して前記コンバータを制御するためのコンバータ制御方法であって、
   前記直流中間回路の電圧（以下「直流ステージ電圧」という）の、前記交流側電圧指令値に基づく所定の電圧に対する不足量である欠損電圧を算出することと、
   前記コンバータの電力変換において前記欠損電圧分による交流側電流である欠損電流を算出することと、
   前記コンバータの交流側電流を検出した前記交流側電流検出値を、前記欠損電流分差し引くことと、
   前記欠損電流分差し引かれた前記交流側電流検出値を用いて前記交流側電圧指令値を生成することと、
   を含むコンバータ制御方法。