JP6841627B2

JP6841627B2 - 補助電源装置

Info

Publication number: JP6841627B2
Application number: JP2016184839A
Authority: JP
Inventors: 英児野村
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JP2018050406A

Description

本発明は、蓄電装置に充電可能な、鉄道車両用の補助電源装置に関するものである。

近年の鉄道車両では、制動時に電動機を発電機として動作させることにより運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、得られた回生電力を電車線（架線）に戻して他の力行中の車両に再利用させる回生ブレーキ制御が広く用いられている。ただし、回生電力を吸収する力行車両が存在しない場合には回生失効してしまう。そこで、回生ブレーキにより得られる回生電力の電車線への回生が断たれた時に、回生電力を蓄電装置で吸収する技術が注目されている。

例えば、特許文献１には、鉄道車両において、インバータ装置に接続された電車線と並列に蓄電装置を接続し、回生電力を蓄電装置で吸収する技術が開示されている。

また特許文献２には、鉄道車両において、電車線に接続された蓄電装置の出力に補助電源装置（ＳＩＶ）を接続し、回生電力を有効活用する技術が開示されている。

特開２００８−２２８４５１号公報特開２０１５−２０４６６５号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の鉄道車両は、既存のシステムに新たに蓄電装置を追加しているため、機器の増加及びシステム全体の大型化という問題があった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置を用い、システム全体の大型化を防ぎながら、走行制御装置の回生ブレーキ動作時における回生電力を吸収することが可能な補助電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源装置は、電車線から供給された入力電力を運転指令器が出力する運転指令に基づいて変換して走行制御を行う走行制御装置に並列に接続され、前記入力電力を変換して蓄電装置に充電可能な補助電源装置であって、出力電圧指令を、前記走行制御装置が力行制御を行っている場合には定格電圧から最小電圧に変更し、前記走行制御装置が制動制御を行っている場合には前記定格電圧から最大電圧に変更する電圧指令決定部と、前記出力電圧指令に基づいて、前記入力電力を変換する電力変換器と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る補助電源装置において、前記電車線間の電圧が印加されるコンデンサを備え、前記電圧指令決定部は、前記コンデンサに印加された電圧に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする。

さらに、本発明に係る補助電源装置において、前記走行制御装置は、前記電車線から供給された入力電力を示す走行制御装置電力値を出力し、前記電圧指令決定部は、前記走行制御装置電力値に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする。

さらに、本発明に係る補助電源装置において、前記電圧指令決定部は、前記運転指令器が出力する運転指令に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする。

本発明によれば、既存システムとは別途接続した蓄電システムを使用せずに、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置の蓄電電圧を可変とすることで、装置全体の大型化を防ぎながら、走行制御装置の回生ブレーキ動作時に、回生電力を吸収しつつ、回生失効を防止することができる。

また、走行制御装置の力行動作時に、電車線から流入する電力を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る補助電源装置の構成例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る補助電源装置の動作例を示すタイムチャートである。本発明の第２の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る補助電源装置の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る補助電源装置の動作例を示すタイムチャートである。本発明の第３の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る補助電源装置の構成例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る補助電源装置の動作例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。図１に示す鉄道車両用蓄電システム１は、電車線（架線）１０と、集電装置２０と、走行制御装置（主制御装置）３０と、モータ（主電動機）４０と、補助電源装置５０と、蓄電装置６０と、運転指令器７０とを備える。

集電装置２０は、電車線１０から電力を取得し、走行制御装置３０及び補助電源装置５０に出力する。

運転指令器７０は、運転指令として力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢを走行制御装置３０に出力する。

走行制御装置３０は、電車線１０から集電装置２０を介して供給された入力電力を、運転指令器７０が出力する力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢに基づいて変換し、モータ４０を駆動することにより走行制御を行う。例えば、走行制御装置３０は、集電装置２０から入力された直流電力を、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）制御を行って交流電力に変換する。

補助電源装置５０は、走行制御装置３０と並列に接続され、電車線１０から集電装置２０を介して供給された入力電力を変換し、補助電源装置５０の出力側に接続された蓄電装置６０に充電する。

図２は、補助電源装置５０の構成例を示す図である。補助電源装置５０は、電力変換器５１と、電圧指令決定部５２と、コンデンサ５３と、電圧センサ（電圧検出部）５４とを備える。

コンデンサ５３は、補助電源装置５０の入力側に配置され、集電装置２０を介して電車線間の電圧が印加される。

電圧センサ５４は、コンデンサ５３に印加された電圧を検出し、検出したコンデンサ電圧Ｖｃを電圧指令決定部５２に出力する。

電圧指令決定部５２は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を、走行制御装置３０が力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置３０が制動（回生ブレーキ）制御を行っている場合には定格電圧よりも大きな値に決定し、電力変換器５１に出力する。第１の実施形態では、電圧指令決定部５２は、電圧センサ５４により検出されたコンデンサ電圧Ｖｃに基づいて走行制御装置３０が力行制御又は制動制御を行っていることを判断する。

電力変換器５１は、電圧指令決定部５２により決定された出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊に基づいて、電車線１０から供給された入力電力を変換し、蓄電装置６０に充電する。

次に、電圧指令決定部５２の動作に関して説明する。図３は、電圧指令決定部５２の動作例を示すタイムチャートである。

走行制御装置３０が運転指令器７０の指令を受けて力行動作又は回生ブレーキ動作を行った時、コンデンサ５３に印加されるコンデンサ電圧Ｖｃは変化する。力行動作時は電圧が低下し、回生ブレーキ動作時は電圧が上昇することが一般的である。また、力行動作時は電車線１０から電力が流入し、回生ブレーキ動作時は電車線１０へ電力が流出することが一般的である。

電圧指令決定部５２は、コンデンサ電圧Ｖ_ｃと、力行判別電圧Ｖ_ｃＰ及びブレーキ判別電圧Ｖ_ｃＢとの比較により、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を決定する。

コンデンサ電圧Ｖ_ｃが式（１）の条件を満たす時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに決定する。

[数１]
Ｖ_ｃＰ≦Ｖ_ｃ≦Ｖ_ｃＢ（１）

コンデンサ電圧Ｖ_ｃが式（２）の条件を満たす時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を最小電圧指令Ｖ_ｐに決定する。

[数２]
Ｖ_ｃ＜Ｖ_ｃＰ（２）

コンデンサ電圧Ｖ_ｃが式（３）の条件を満たす時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を最大電圧指令Ｖ_ｂに決定する。

[数３]
Ｖ_ｃＢ＜Ｖ_ｃ（３）

電圧指令決定部５２は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を変更する時、図３に示すように徐々に変化させてもよい。また、式（１）〜（３）に表される力行判別電圧Ｖ_ｃＰ及びブレーキ判別電圧Ｖ_ｃＢにヒステリシスを設けてもよい。

出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊が、最大電圧指令Ｖ_ｂから定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに変化する過程時と、定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐから最小電圧指令Ｖ_ｐに変化する過程時には、集電装置２０から補助電源装置５０に入力する電力は減少する。

一方、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊が、最小電圧指令Ｖ_ｐから定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに変化する過程時と、定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐから最大電圧指令Ｖ_ｂに変化する過程時には、集電装置２０から補助電源装置５０に入力する電力は増加する。

このように、補助電源装置５０は、コンデンサ印加電圧Ｖ_ｃに基づいて、走行制御装置３０が力行制御又は制動制御を行っていることを判断し、走行制御装置３０が力行制御を行っている場合には出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置３０が制動制御を行っている場合には出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧よりも大きな値に決定する。このため、走行制御装置３０が力行動作を開始した時に補助電源装置５０の入力電力を下げることができ、その結果、集電装置２０（すなわち、電車線）から流入する電力を減らすことができる。また、走行制御装置３０が回生ブレーキ動作を開始した時に補助電源装置５０の入力電力を上げることができ、その結果、走行制御装置３０の回生電力を吸収し、電車線１０に関する影響を抑制することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。鉄道車両用蓄電システム２は、電車線（架線）１０と、集電装置２０と、走行制御装置（主制御装置）３０Ａと、モータ（主電動機）４０と、補助電源装置５０Ａと、蓄電装置６０と、運転指令器７０とを備える。鉄道車両用蓄電システム２は、第１の実施形態に係る鉄道車両用蓄電システム１と比較して、走行制御装置３０に代えて走行制御装置３０Ａを備え、補助電源装置５０に代えて補助電源装置５０Ａを備える点が相違する。

走行制御装置３０Ａは、走行制御装置３０と同様に、電車線１０から集電装置２０を介して供給された入力電力を、運転指令器７０が出力する力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢに基づいて変換し、モータ４０を駆動することにより走行制御を行う。走行制御装置３０Ａは、電車線から供給された入力電力を示す走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗを補助電源装置５０Ａに出力する点が走行制御装置３０と相違する。

補助電源装置５０Ａは、走行制御装置３０Ａから走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗを入力する機能を有する点が、補助電源装置５０と異なる。

図５は、補助電源装置５０Ａの構成例を示す図である。図２と比較して、電圧指令決定部５２に代えて電圧指令決定部５２Ａを備える点が相違する。

電圧指令決定部５２Ａは、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を、走行制御装置３０Ａが力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置３０Ａが制動（回生ブレーキ）制御を行っている場合には定格電圧よりも大きな値に決定し、電力変換器５１に出力する。第２の実施形態では、電圧指令決定部５２Ａは、走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗに基づいて走行制御装置３０Ａが力行制御又は制動制御を行っていることを判断する。

電力変換器５１は、電圧指令決定部５２Ａにより決定された出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊に基づいて、電車線１０から供給された入力電力を変換し、蓄電装置６０に充電する。

次に、電圧指令決定部５２Ａの動作に関して説明する。図６は、電圧指令決定部５２Ａの動作例を示すタイムチャートである。

走行制御装置３０Ａが運転指令器７０の指令を受けて力行又は回生ブレーキ動作を行った時、走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗは変化する。力行動作時は電力が正の値で増加し、すなわち電車線１０から電力が流入する。回生ブレーキ動作時は電力が負の値で増加し、すなわち電車線１０へ電力が流出する。

電圧指令決定部５２Ａは、走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗと、力行判別電力Ｐ_ｏｗＰ及びブレーキ判別電力Ｐ_ｏｗＢとの比較により、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を決定する。

走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗが式（４）の条件を満たす時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに決定する。

[数４]
Ｐ_ｏｗＢ≦Ｐ_ｏｗ≦Ｐ_ｏｗＰ（４）

走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗが式（５）の条件を満たす時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を最小電圧指令Ｖ_ｐに決定する。

[数５]
Ｐ_ｏｗＰ＜Ｐ_ｏｗ（５）

走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗが式（６）の条件を満たす時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を最大電圧指令Ｖ_ｂに決定する。

[数６]
Ｐ_ｏｗ＜Ｐ_ｏｗＢ（６）

電圧指令決定部５２Ａは、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を変更する時、図６に示すように徐々に変化させてもよい。また、式（４）〜（６）に表される力行判別電力Ｐ_ｏｗＰ及びブレーキ判別電力Ｐ_ｏｗＢにヒステリシスを設けてもよい。

出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊が、最大電圧指令Ｖ_ｂから定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに変化する過程時と、定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐから最小電圧指令Ｖ_ｐに変化する過程時には、集電装置２０から補助電源装置５０Ａに入力する電力は減少する。

一方、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊が、最小電圧指令Ｖ_ｐから定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに変化する過程時と、定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐから最大電圧指令Ｖ_ｂに変化する過程時には、集電装置２０から補助電源装置５０Ａに入力する電力は増加する。

このように、補助電源装置５０Ａは、走行制御装置電力値Ｐ_ｏｗに基づいて、走行制御装置３０Ａが力行制御又は制動制御を行っていることを判断し、走行制御装置３０Ａが力行制御を行っている場合には出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置３０Ａが制動制御を行っている場合には出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧よりも大きな値に決定する。このため、走行制御装置３０Ａが力行動作を開始した時に補助電源装置５０Ａの入力電力を下げることができ、その結果、集電装置２０（すなわち、電車線）から流入する電力を減らすことができる。また、走行制御装置３０Ａが回生ブレーキ動作を開始した時に補助電源装置５０Ａの入力電力を上げることができ、その結果、走行制御装置３０Ａの回生電力を吸収し、電車線１０に関する影響を抑制することが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図７は、第３の実施形態に係る補助電源装置を備える鉄道車両用蓄電システムの概略構成を示す図である。鉄道車両用蓄電システム３は、電車線（架線）１０と、集電装置２０と、走行制御装置（主制御装置）３０と、モータ（主電動機）４０と、補助電源装置５０Ｂと、蓄電装置６０と、運転指令器７０とを備える。鉄道車両用蓄電システム３は、第１の実施形態に係る鉄道車両用蓄電システム１と比較して、補助電源装置５０に代えて補助電源装置５０Ｂを備える点が相違する。

運転指令器７０は、運転指令として力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢを走行制御装置３０及び補助電源装置５０Ｂに出力する。

補助電源装置５０Ｂは、運転指令器７０が出力する力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢを入力する機能を有する点が、補助電源装置５０と異なる。

図８は、補助電源装置５０Ｂの構成例を示す図である。図２と比較して、電圧指令決定部５２に代えて電圧指令決定部５２Ｂを備える点が相違する。

電圧指令決定部５２Ｂは、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を、走行制御装置３０が力行制御を行っている場合には定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置３０が制動（回生ブレーキ）制御を行っている場合には定格電圧よりも大きな値に決定し、電力変換器５１に出力する。第３の実施形態では、電圧指令決定部５２Ｂは、運転指令器７０が出力する力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢに基づいて走行制御装置３０が力行制御又は制動制御を行っていることを判断する。

電力変換器５１は、電圧指令決定部５２Ｂにより決定された出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊に基づいて、電車線１０から供給された入力電力を変換し、蓄電装置６０に充電する。

次に、電圧指令決定部５２Ｂの動作に関して説明する。図９は、電圧指令決定部５２Ｂの動作例を示すタイムチャートである。

走行制御装置３０が運転指令器７０の指令を受けて力行又は回生ブレーキ動作を行った時、走行制御装置３０が変換する電力は変化する。力行動作時は電力が正の値で増加し、すなわち電車線１０から電力が流入する。回生ブレーキ動作時は電力が負の値で増加し、すなわち電車線１０へ電力が流出する。

電圧指令決定部５２Ｂは、力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢに基づき、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を決定する。

力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢが共に加圧されていない時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊は定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐを出力する。

力行指令ＰＰが加圧されている時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊は最小電圧指令Ｖ_ｐを出力する。

ブレーキ指令ＢＢが加圧されている時は、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊は最大電圧指令Ｖ_ｂを出力する。

電圧指令決定部５２Ｂは、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を変更する時、図９に示すように徐々に変化させてもよい。

出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊が、最大電圧指令Ｖ_ｂから定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに変化する過程時と、定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐから最小電圧指令Ｖ_ｐに変化する過程時には、集電装置２０から補助電源装置５０Ｂに入力する電力は減少する。

一方、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊が、最小電圧指令Ｖ_ｐから定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐに変化する過程時と、定格電圧指令Ｖ_ｔｙｐから最大電圧指令Ｖ_ｂに変化する過程時には、集電装置２０から補助電源装置５０Ｂに入力する電力は増加する。

このように、補助電源装置５０Ｂは、力行指令ＰＰ及びブレーキ指令ＢＢに基づいて、走行制御装置３０が力行制御又は制動制御を行っていることを判断し、走行制御装置３０が力行制御を行っている場合には出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧よりも小さな値に決定し、走行制御装置３０が制動制御を行っている場合には出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ ^＊を定格電圧よりも大きな値に決定する。このため、走行制御装置３０が力行動作を開始した時に補助電源装置５０Ｂの入力電力を下げることができ、その結果、集電装置２０（すなわち、電車線）から流入する電力を減らすことができる。また、走行制御装置３０が回生ブレーキ動作を開始した時に補助電源装置５０Ｂの入力電力を上げることができ、その結果、走行制御装置３０の回生電力を吸収し、電車線１０に関する影響を抑制することが可能となる。

以上のように、本願発明によれば、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置の蓄電電圧を可変にすることで、装置全体の大型化を防ぎながら、走行制御装置の回生ブレーキ動作時における回生電力を吸収でき、かつ走行制御装置の力行動作時に電車線から流入する電力も低減することができる。

上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

本発明は、鉄道車両用蓄電システムにおいて、補助電源装置に一般的に接続されている蓄電装置のみで、走行制御装置の回生ブレーキ動作時の回生電力を吸収でき、かつ走行制御装置の力行動作時の電車線から流入する電力も低減できるため、鉄道車両用の補助電源装置に有用である。

１，２，３鉄道車両用蓄電システム
１０電車線（架線）
２０集電装置
３０，３０Ａ走行制御装置（主制御装置）
４０モータ（主電動機）
５０，５０Ａ，５０Ｂ補助電源装置
５１電力変換器
５２，５２Ａ，５２Ｂ電圧指令決定部
５３コンデンサ
５４電圧センサ
６０蓄電装置
７０運転指令器

Claims

電車線から供給された入力電力を運転指令器が出力する運転指令に基づいて変換して走行制御を行う走行制御装置に並列に接続され、前記入力電力を変換して蓄電装置に充電可能な補助電源装置であって、
出力電圧指令を、前記走行制御装置が力行制御を行っている場合には定格電圧から最小電圧に変更し、前記走行制御装置が制動制御を行っている場合には前記定格電圧から最大電圧に変更する電圧指令決定部と、
前記出力電圧指令に基づいて、前記入力電力を変換する電力変換器と、
を備えることを特徴とする補助電源装置。
電車線間の電圧が印加されるコンデンサを備え、
前記電圧指令決定部は、前記コンデンサに印加された電圧に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする、請求項１に記載の補助電源装置。
前記走行制御装置は、前記電車線から供給された入力電力を示す走行制御装置電力値を出力し、
前記電圧指令決定部は、前記走行制御装置電力値に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする、請求項１に記載の補助電源装置。
前記電圧指令決定部は、前記運転指令器が出力する運転指令に基づいて、前記走行制御装置が力行制御又は制動制御を行っていることを判断することを特徴とする、請求項１に記載の補助電源装置。