JP6829094B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電源システムに関する。

鉄道車両の回路に交流電力を供給する電源装置であって、一編成あたりに複数搭載されている電源装置を含むシステムがある。このシステムに含まれる電源装置は、機器の容量増大や故障時の冗長性のため、並列接続されて同期運転がなされる。しかしながら、この種のシステムでは、過電流が生じた場合に、過電流を適切に抑制することができない場合があった。

特開２００６−１７４５７３号公報

本発明が解決しようとする課題は、過電流をより適切に抑制することができる電源システムを提供することである。

実施形態の電源システムは、鉄道車両に搭載される。電源システムは、互いに同期して運転する複数の電源装置を含む。前記複数の電源装置のそれぞれは、電力変換部と、電流検出部と、遮断器と、制御部とを持つ。電力変換部は、直流電力を交流電力に変換して、共通の電力線に出力する。電流検出部は、前記電力変換部により出力された交流電力の電流値を検出する。遮断器は、負荷と前記電力変換部との間に設けられ、遮断設定値以上の電流が供給された場合に、前記負荷と前記電力変換部とを導通状態から遮断状態に制御する。制御部は、前記複数の電源装置の運転状況に基づいて、前記電力変換部が出力する出力電流に対する設定値を変更する。制御部は、前記設定値を第１設定値に変更した後、前記電流検出部により検出された電流値が、前記第１設定値以上であり、且つ前記設定値よりも大きい前記遮断設定値未満であり前記遮断器が遮断状態に遷移せず前記負荷に供給される電力を遮断させることができなかったと判定した場合、前記第１設定値を、更に前記第１設定値よりも大きな第２設定値に変更する。

複数の電源装置を含む電源システム１の機能構成を示す図。 電源装置１０−３が故障した際の概念図。 第２の実施形態により実行される処理を示すシーケンス図。 リリース設定値および電流を上限値以下に制御する時間変更について説明するための図。

以下、実施形態の電源システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、複数の電源装置を含む電源システム１の機能構成を示す図である。電源システム１は、例えば、鉄道車両に搭載される。図示する例は、一つの編成に３台の電源装置１０が設けられている。電源システム１は、例えば、複数の電源装置１０−１、１０−２および１０−３を備える。また、電源装置１０−１〜１０−３は、通信線を介して、車両情報システム４０と接続される。以下、電源装置１０−１〜１０−３を区別しない場合は、単に「電源装置１０」と称する。また、図１において電源装置１０に含まれる機能構成に対して、電源装置１０のハイフンの後に付与された符号と同様の符号が付与されているが、以下の説明において区別しない場合はハイフンおよび符号を省略して説明する。

電源装置１０は、例えば、電力変換部１２と、電力変換部１２の入力側に接続された集電装置１４と、電力変換部１２に接続された接地部１６と、電流検出部１８と、制御部２０と、電力変換部１２の出力側に接続された出力側電力線２２とを備える。出力側電力線２２の他方（電力変換部１２に接続された側とは反対側）には母線３０が接続されている。また、母線３０は、各負荷に接続された電力線と接続されている。負荷とは、鉄道車両に搭載された機器であって、例えばコンプレッサーや空調機器、照明等である。母線３０は、「共通の電力線」の一例である。

電力変換部１２は、集電装置１４から入力された直流電力を三相交流電力に変換する。電力変換部１２は、変換した三相交流電力を出力側電力線２２に供給する。出力側電力線２２に供給された三相交流電力は、出力側電力線２２に接続された母線３０を介して負荷に供給される。

集電装置１４は、架線Ｐから入力された直流電力を、電力変換部１２に供給する。接地部１６は、例えば、電力変換部１２および不図示の鉄道車両の車輪等に接地される。鉄道車両や電力変換部１２から流れてきた電流は接地部１６および車輪を介して線路に流れる。電流検出部１８は、電力変換部１２により出力された交流電力の電流値を検出する。

制御部２０は、自装置の運転状態を制御する。また、制御部２０は、並列同期運転を行うように自装置を制御する。並列同期運転が開始される場合、複数の電源装置１０のうち、所定の電源装置１０が起動して運転を開始し、起動した電源装置１０により出力された三相交流電力が母線３０に供給される。起動していない他の電源装置１０は、母線３０に供給された三相交流電力の電圧および位相の情報を取得し、取得した情報に基づいて順次起動する。他の電源装置１０は、最初に起動した電源装置１０により出力された電圧および位相に同期する電圧および位相の三相交流電力を母線３０に出力する。このように複数の電源装置１０は、並列同期運転を行う。並列同期運転において、１台の電源装置１０に異常や故障が生じた場合、他の２台の電源装置１０によって１台の電源装置１０により出力される電力が補われる。

また、制御部２０は、例えば、電流リリース制御を実行する。電流リリース制御とは、予め設定されたリリース設定値（設定値）と電流検出部１８により検出された電流値とに基づいて、負荷に供給される電力を遮断させる制御である。制御部２０は、リリース設定値と電流検出部１８により検出された電流値とを比較して、検出された電流値がリリース設定値を超えた場合、電流リリース制御を実行する。また、リリース設定値は、並列同期運転を行っている電源装置１０の台数に基づいて変更される（後述）。

母線３０に接続された負荷には、例えば、不図示の負荷用遮断器が設けられている。負荷用遮断器は、遮断設定値以上の電流が供給された場合、電路を導通状態から遮断状態にすることで負荷に供給する電力を遮断する。電源装置１０に含まれる不図示の記憶装置には、遮断設定値や、負荷の仕様、負荷の数、出力側電力線２２の仕様、母線３０の仕様、電源システム１に含まれる回路等に応じた基準となる（並列同期運転しない場合の）リリース設定値が記憶されている。

例えば、負荷において地絡や短絡などが生じた場合、電源装置１０から負荷に過電流が流れてしまう。これにより、電流検出部１８により検出された電流値が、予め設定されたリリース設定値を超える。この場合、制御部２０は、設定された時間の間、負荷に供給される電流を、リリース設定値を超え且つ上限値以下に制御する。上限値とは、出力側電力線２２や母線３０、負荷、電源システム１に含まれる回路に過度の負荷を与えない程度の値であって、例えばリリース設定値にｅｘ値を加算した値である。このｅｘ値は、例えば、出力側電力線２２や母線３０、負荷の仕様に基づいて、実験やシミュレーションなどによって導出された値である。

また、遮断設定値は、リリース設定値を超えた値と上限値との間に含まれる値である。設定された時間は、負荷用遮断器が導通状態から遮断状態に変化するのに必要な時間（負荷に供給される電力を遮断させるように制御する時間）である。上記のように、設定された時間の間、負荷に供給される電流がリリース設定値を超え、且つ上限値以下に制御されることにより、負荷用遮断器が導通状態から遮断状態に制御される。このように電流リリース制御が行われる。

また、制御部２０は、設定された時間の間、負荷に供給される電流がリリース設定値を超え、且つ上限値以下に制御した後に、自装置から負荷に過電流が流れる状態が所定時間以上継続している場合、自装置の電力の出力を停止する。

車両情報システム（情報処理装置）４０は、複数の電源装置１０と通信し、複数の電源装置１０の運転状況を取得し、取得した運転状況を複数の電源装置１０に送信する。これにより電源装置１０の制御部２０は、車両情報システム４０により送信された運転状況を取得する。

以下、本実施形態の制御部２０により実行される制御について詳細に説明する。制御部２０は、複数の電源装置１０の運転状況に基づいてリリース設定値を変更する。複数の電源装置１０の運転状況とは、電源装置１０が稼働しているか否かであり、より具体的には、互いに同期して運転している電源装置１０の数である。

制御部２０は、複数の電源装置１０のうち運転している電源装置１０の数により、リリース設定値を変更する。リリース設定値は、運転している電源装置１０の数が多いほど、小さな値が設定される。

制御部２０は、Ｎ台の電源装置１０が並列同期運転している場合、リリース設定値を並列同期運転しない場合における１台の電源装置１０における（基準となる）リリース設定値の１／Ｎ倍に変更する（「Ｎ」は、一以上の自然数である）。例えば、電源システム１において、１台の電源装置１０が運転している場合、リリース設定値が６００［Ａ］に設定されているものとする。制御部２０は、電源システム１において、３台のすべての電源装置１０が並列同期運転している場合、リリース設定値を２００［Ａ］に設定する。また、制御部２０は、電源システム１において、３台のうち２台の電源装置１０が並列同期運転している場合、リリース設定値を３００［Ａ］に設定する。

例えば、３台のすべての電源装置１０が並列同期運転しているときに、電源装置１０−１の近くに接続された負荷が地絡した場合に電流検出部１８−１により２００［Ａ］を超える電流値が検出されたものとする。この場合、制御部２０−１は、電流リリース制御を実行する。電流リリース制御によっても、負荷用遮断器が遮断されず、電流検出部１８−１の検出値が２００［Ａ］を超えている場合、制御部２０は、自装置からの電力の出力を停止させる。このとき、並列同期運転している電源装置１０の数は２台となるため、電源装置１０−２および１０−３におけるリリース設定値は、３００［Ａ］（６００／２）となる。

上記の状態において、更に、電源装置１０−２の電流検出部１８−２により３００［Ａ］を超える電流値が検出された場合、制御部２０−２は、電流リリース制御を実行する。この電流リリース制御によっても、負荷用遮断器が遮断されず、電流検出部１８−２の検出値が３００［Ａ］を超えている場合、電源装置１０は運転を停止する。そして、運転している電源装置１０の数は１台となるため、電源装置１０におけるリリース設定値は、基準となるリリース設定値である６００［Ａ］（６００／１）となる。

なお、Ｎ台の電源装置１０が並列同期運転している場合、リリース設定値を１台の電源装置１０の１／Ｎ倍に変更することに代えて、予め設定された台数とリリース設定値との関係が規定されたテーブルを参照して、並列同期運転している電源装置１０の数に基づいて、リリース設定値が変更されてもよい。また、並列同期運転している電源装置１０の数が１台減るごとに増加するリリース設定値の値、または並列同期運転している電源装置１０の数が１台増えるごとに低下するリリース設定値の値が予め設定されていてもよい。

また、一度停止した電源装置１０が再度運転を開始した場合、リリース設定値は、再度運転を開始した電源装置１０を含む並列同期運転している電源装置１０の数に基づいて変更される。

このように、リリース設定値が変更されることにより、運転している電源装置１０の数が変更した場合であっても、並列同期運転していない（１台の電源装置１０が運転している）場合と同等の電源システム１全体を加味した電流リリース制御を実行させることができ、電源システム１に接続された回路や負荷等に設けられた回路を保護することができる。

例えば、Ｎ台で並列同期運転を行う電源装置において、リリース設定値を上記のような変更を行わないとき、実際の電源システムにおいて生じる状態に則していないため、過電流を適切に抑制することができない場合があった。例えば、１台の電源装置におけるリリース設定値α（Ａｒｍｓ）、設定時間β（秒）持続、の電流リリース制御をＮ台の並列同期運転を行う電源装置に適用すると、電源システムの回路に流れる電流はα×Ｎ（Ａｒｍｓ）、最大β（秒）持続することとなり、回路の配線許容電流を超え、配線の焦損を引き起こしてしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態の電源システム１は、並列同期運転する際の電流リリース制御において、リリース設定値をα／Ｎに変更することにより、リリース設定値を実際のシステムに則して最適化することができる。

以上説明した第１の実施形態によれば、制御部２０が、互いに同期して運転している電源装置の数に基づいて、リリース設定値を変更することによって、地絡配線の焦損を防止してリリース制御を実現することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、電源装置１０に異常や故障が生じた場合の処理について説明する。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図２は、電源装置１０−３が故障した際の概念図である。図示するように、電源システム１に含まれる電源装置１０が並列同期運転している状態において電源装置１０−３が故障した場合、制御部２０は、車両情報システム４０から電源装置１０−３が故障等により停止したことを示す情報を取得し、取得した情報に基づいて、リリース設定値を変更する。制御部２０は、電源装置１０の数を「ｎ」とし、電力の出力を停止している電源装置１０の数を「Ｍ」とした場合、リリース設定値を１台の場合の１／（ｎ−Ｍ）倍に変更する。（ｎ−Ｍ）の数は、並列同期運転中の電源装置１０の数「Ｎ」に相当する。

図３は、第２の実施形態により実行される処理を示すシーケンス図である。なお、図３では、複数の電源装置１０のうち、車両情報システム４０と１台の電源装置１０とにより実行される処理について説明するが、本処理と同様の処理は、並列して、電源システム１に含まれる他の電源装置１０と、車両情報システム４０とによって実行される。

まず、電源装置１０は、自装置の運転状況を判定し（ステップＳ１００）、判定した自装置の運転状況を車両情報システム４０に送信する（ステップＳ１０２）。

次に、車両情報システム４０は、電源装置１０から送信された情報を取得し、取得した情報に基づいて算出した並列同期運転で運転中の電源装置１０の台数を示す情報を電源装置１０に送信する（ステップＳ２００）。なお、電源装置１０と車両情報システム４０との間で送受信される情報は、電源装置１０の電力の出力を行っていることを示す情報または電源装置１０が電力の出力を停止していることを示す情報のうち一方の情報であってもよいし、双方の情報であってもよい。例えば、電源装置１０が電力の出力を行っていることを示す情報のみが送受信される場合、電源システム１は、電力の出力を示す情報を送信していない電源装置１０は電力の出力を停止していると推定する。そして、車両情報システム４０は、電力の出力を行っていることを示す情報を送信した電源装置１０の数を集計する。

また、電源システム１は、電源装置１０の運転状態を示す情報を他の電源装置１０に送信してもよい。この場合、電源装置１０は、自装置とは異なる他の電源装置１０の運転状態を示す情報に基づいて、並列同期運転で運転中の電源装置１０の台数を算出する。

次に、電源装置１０の制御部２０は、並列同期運転で運転中の電源装置１０の台数を取得し（ステップＳ１０４）、並列同期運転で運転中の電源装置１０の台数が前回取得した台数から変化したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。前回取得した台数から変化していない場合、本処理の１ルーチンの処理は終了する。前回取得した台数から変化した場合、制御部２０は、リリース設定値を１／Ｎ倍に変更する（ステップＳ１０８）。これにより、本フローチャートの１ルーチンの処理は終了する。

上述した処理により、並列同期運転で運転中の電源装置１０の台数が取得した台数から変化した場合であっても、過電流をより適切に抑制することができる。

以上説明した第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果と同様の効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について説明する。第１の実施形態では、電流リリース制御によって、負荷用遮断器が遮断状態に制御されなかった場合、自装置を停止させるものとした。これに対して、第３の実施形態では、電流リリース制御によって、負荷用遮断器が遮断状態に制御されなかった場合、リリース設定値および電流を上限値以下に制御する時間を変更する。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図４は、リリース設定値および電流を上限値以下に制御する時間変更について説明するための図である。縦軸は電流値を示し、横軸は時間を示している。制御部２０は、電源装置１０の運転状況に基づいて、リリース設定値を第１リリース設定値Ｔｈ１（第１設定値）に変更した後、負荷用遮断器を遮断させることができなかったと判定した場合、第１リリース設定値Ｔｈ１を、更に第１リリース設定値Ｔｈ１よりも大きい第２リリース設定値（第２設定値）Ｔｈ２に変更する。制御部２０は、例えば、電流リリース制御に実行した後、継続的に電流検出部１８の検出値が第１リリース設定値Ｔｈ１を超えている場合、負荷用遮断器を遮断させることができなかったと判定する。

また、制御部２０は、第１リリース設定値（第１設定値）Ｔｈ１を、第２リリース設定値Ｔｈ２に変更した場合、第２リリース設定値Ｔｈ２における負荷に供給される電力を遮断させるように制御する時間を、第１リリース設定値Ｔｈ１における負荷に供給される電力を遮断させるように制御する時間（図４、ｄ１）よりも短い時間（図４、ｄ２）にする。

例えば、制御部２０は、リリース設定値をＬ倍に変更した場合、負荷に供給される電力を遮断させるように制御する時間（持続時間）を１／Ｌ倍にする。これにより、リリース設定値が変更された場合であっても、リリース設定値と持続時間とを乗算した値は変化しない。例えば、回路に供給される電流と、電流が回路に流れる時間とを乗算した値が増大する程、回路を消耗させるものと考えると、上記のようにリリース設定値がＬ倍に変更されたとき、持続時間が１／Ｌ倍に変更されることによって、リリース設定値が変更された場合であっても電源システム１における回路の消耗度合が上昇することが抑制される。

また、制御部２０は、所定回数リリース設定値を変更した後、負荷に供給される電力を遮断させることができなかったと判定した場合、自装置における電力の出力を停止させてもよい。

以上説明した第３の実施形態によれば、制御部２０は、リリース設定値を第１リリース設定値に変更した後、負荷用遮断器を遮断させることができず、負荷に供給される電力を遮断させることができなかったと判定した場合、第１リリース設定値を、更に第１リリース設定値よりも大きい第２リリース設定値に変更する。また、制御部２０は、第２リリース設定値における負荷に供給される電力を遮断させるように制御する時間を、第１リリース設定値における電力を遮断させるように制御する時間よりも短くすることにより、負荷用遮断器を遮断して負荷に供給される電力を遮断させやすくすると共に、電源システム１の回路の消耗を抑制することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、鉄道車両に搭載され、互いに同期して運転する複数の電源装置を含む電源システム１であって、複数の電源装置１０のそれぞれは、直流電力を交流電力に変換して、共通の電力線に出力する電力変換部１２と、電力変換部１２により出力された交流電力の電流値を検出する電流検出部１８と、予め設定された設定値と電流検出部１８により検出された電流値とに基づいて、負荷に供給される電力を遮断させる制御部２０であって、複数の電源装置１０の運転状況に基づいて、設定値を変更する制御部２０とを持つことにより、過電流をより適切に抑制することができる電源システムを提供することである。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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同様に、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ものである。

１…電源システム、１０…電源装置、１２…電力変換部、１８…電流検出部、２０…制御部、４０…車両情報システム

Claims (8)

1. 鉄道車両に搭載され、互いに同期して運転する複数の電源装置を含む電源システムであって、
   前記複数の電源装置のそれぞれは、
   直流電力を交流電力に変換して、共通の電力線に出力する電力変換部と、
   前記電力変換部により出力された交流電力の電流値を検出する電流検出部と、
   負荷と前記電力変換部との間に設けられ、遮断設定値以上の電流が供給された場合に、前記負荷と前記電力変換部とを導通状態から遮断状態に制御する遮断器と、
   前記複数の電源装置の運転状況に基づいて、前記電力変換部が出力する出力電流に対する設定値を変更する制御部であって、
   前記設定値を第１設定値に変更した後、前記電流検出部により検出された電流値が、前記第１設定値以上であり、且つ前記第１設定値よりも大きい前記遮断設定値未満であり前記遮断器が遮断状態に遷移せず前記負荷に供給される電力を遮断させることができなかったと判定した場合、前記第１設定値を、更に前記第１設定値よりも大きな第２設定値に変更する、制御部と、
   を備える電源システム。
2. 前記制御部は、前記第１設定値を、前記第２設定値に変更した場合、前記第２設定値における負荷に供給される電力を遮断させるように制御する時間を、前記第１設定値における電力を遮断させるように制御する時間よりも短くする、
   請求項１記載の電源システム。
3. 前記運転の状況とは、前記電源装置が稼働しているか否かである、
   請求項１または請求項２記載の電源システム。
4. 前記運転の状況とは、互いに同期して運転している前記電源装置の数である、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の電源システム。
5. 前記制御部は、前記複数の電源装置のうち運転している電源装置の数が減少した場合、前記設定値を、大きな値に変更する、
   請求項１から４のうちいずれか１項に記載の電源システム。
6. 前記制御部は、前記複数の電源装置のうち運転している電源装置の数が増加した場合、前記設定値を、小さな値に変更する、
   請求項１から５のうちいずれか１項に記載の電源システム。
7. 前記電源システムは、前記複数の電源装置と通信し、前記複数の電源装置の運転状況を取得し、取得した運転状況を前記複数の電源装置に送信する情報処理装置を、更に備え、
   前記制御部は、前記情報処理装置により送信された運転状況に基づいて、前記設定値を変更する、
   請求項１から６のうちいずれか１項に記載の電源システム。
8. 前記制御部は、前記電源装置の運転状況に基づいて、前記設定値を変更した後、前記負荷に供給される電力を遮断させることができなかったと判定した場合、自装置における電力の出力を停止させる、
   請求項１から６のうちいずれか１項に記載の電源システム。

Images