JP6933177B2 - 回生電力吸収装置 - Google Patents

Description

本発明は、回生電力吸収装置に関するものであって、例えば直流式電気鉄道等において発生し得る回生電力を吸収する技術に係るものである。

例えば、直流式電気鉄道等の直流電気車が回生制動運転すると、架線（直流電源母線）に回生電力が放出され、架線電圧が上昇することが考えられる。そして、架線電圧が上昇すると、回生制動を十分に発揮できなくなったり、電気車や架線において過電圧故障等の現象を引き起こすおそれが生じる。

そこで、近年においては、架線に回生電力吸収装置を接続し、回生電力を適宜吸収して架線電圧の上昇を抑制できる構成とすることにより、前述のような過電圧故障等の現象が起こらないようにすることが検討されている。

回生電力吸収装置は、例えば特許文献１に示すように、回生電力吸収部を、目的に応じて（発生し得る回生電力等に合わせて）、架線に対し複数個並列に接続した構成が挙げられる。回生電力吸収部においては、チョッパ回路（降圧チョッパ回路）および回生抵抗を直列に接続した直列回路を備えており、架線に放出された回生電力を、チョッパ回路の直流部に設けられた回生抵抗によって消費して、架線電圧の上昇を抑制できるように構成されている。

このような回生電力吸収装置は、例えば当該装置の一次側の入力電流（架線からの回生電流）を検出して監視する等により、当該装置におけるチョッパ回路を構成する半導体スイッチングデバイスや抵抗の仕様に応じて、過負荷や過電流などの電力制限を行い、装置を保護することが求められる。

特開２００９−２９２２３９号公報

前述のような入力電流は、例えば回生電力吸収装置の一次側に設置した電流検出器（ＣＴセンサ等）により検出することが可能である。しかしながら、例えば入力電流が比較的大きくなり得る場合には、電流検出器を回生電力吸収部毎に設置したり、当該電流検出器の定格を大きくしておく必要があり、回生電力吸収装置の大型化や複雑化を招くおそれがある。

本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであって、回生電力吸収装置を瞬時電力の観点から過負荷制限できるようにし、更に当該装置の小型化や簡略化に貢献可能な技術を提供することにある。

この発明の一態様は、チョッパ回路および回生抵抗を直列に接続した直列回路をそれぞれ有し、直流電源母線に対して並列に接続される複数個の回生電力吸収部と、直流電源母線からの入力電圧を検出する電圧検出器と、各チョッパ回路に設けられ、チョッパ出力電流を検出する電流検出器と、電圧検出器の入力電圧検出値と、入力電圧設定値と、の偏差に基づいてチョッパ回路１個当たりのチョッパ電流指令値を演算する指令値演算部と、指令値演算部から出力されたチョッパ電流指令値を、各チョッパ回路の指令上限値に基づいて制限する指令上限部と、指令上限部から出力されたチョッパ電流指令値と、電流検出器のチョッパ出力電流検出値と、の偏差に基づいて各チョッパ回路のデューティ比をそれぞれ導出するデューティ比演算部と、
各デューティ比に基づいて、各チョッパ回路のスイッチング素子のゲート信号をそれぞれ生成する信号生成部と、を備え、指令上限部は、各チョッパ回路において、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を推定し、当該推定値を指令上限値として設定することを特徴とするものである。

指令上限部は、電圧検出器の入力電圧検出値と、回生抵抗の抵抗値と、に基づいてチョッパ出力電流の推定値を推定するものであっても良い。また、指令上限部は、電圧検出器の入力電圧検出値と、デューティ比演算部のデューティ比と、に基づいてチョッパ出力電流の推定値を推定するものであっても良い。また、指令上限部は、第１推定値および第２推定値のうち小さい値を指令上限値とする上限値選択部を、備え、第１推定値は、電圧検出器の入力電圧検出値と、回生抵抗の抵抗値と、に基づいて導出されるチョッパ出力電流の推定値であり、第２推定値は、電圧検出器の入力電圧検出値と、デューティ比演算部のデューティ比と、に基づいて導出されるチョッパ出力電流の推定値であることとしても良い。

また、回生抵抗の温度を検出する温度検出器を、更に備え、回生抵抗の抵抗値は、温度検出器の温度検出値に対応した抵抗温度係数により補正された値であることとしても良い。

また、回生抵抗の抵抗値は、抵抗値許容差の範囲内における最大値であっても良い。また、回生抵抗の抵抗値は、抵抗値許容差の範囲内における最小値であっても良い。

以上示したように本発明によれば、回生電力吸収装置が過負荷状態にならないように抑制し、更に当該装置の小型化や簡略化に貢献可能となる。

本実施形態の回生電力吸収装置１を接続した回生制動システムＳを説明するための概略構成図。 本実施形態の回生電力吸収装置１を説明するための概略構成図。 チョッパ回路２の制御構成を説明するためのブロック図。 チョッパ回路２の制御構成を説明するためのブロック図（実施例２）。 チョッパ回路２の制御構成を説明するためのブロック図（実施例３）。 チョッパ回路２の制御構成を説明するためのブロック図（実施例４）。

本発明の実施形態における回生電力吸収装置は、例えば従来の装置（以下、単に従来装置と適宜称する）のように、当該装置の一次側の入力電流（架線からの回生電流）を検出して監視する等により当該装置を過負荷制限するような構成とは、全く異なるものである。

すなわち、本実施形態は、回生電力吸収装置の複数個のチョッパ回路それぞれのチョッパ電流指令値を、各チョッパ回路の指令上限値に基づいて制限する構成であって、各チョッパ回路において、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を推定し、当該推定値を指令上限値として設定することを特徴とするものである。

従来装置の場合、回生電力吸収装置の一次側に設置した電流検出器等により、当該装置の入力電流を検出することが可能であるものの、例えば入力電流が比較的大きくなり得る場合には、ＣＴセンサ等の電流検出器を回生電力吸収部毎に設置したり、当該電流検出器の定格を大きくしておく必要があり、回生電力吸収装置の大型化や複雑化を招くおそれがある。

一方、本実施形態のような構成によれば、従来装置のように当該装置の一次側の入力電流を検出して監視しなくても、当該装置を過負荷制限することが十分可能となる。また、入力電流を検出するための電流検出器等が不要となり、当該装置の小型化や簡略化に貢献することも可能となる。

瞬時電力上限値においては、回生電力吸収装置を過負荷制限するための上限値であって、当該装置の構成（例えば耐過負荷特性等）によって定められるものである。このような瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を推定し、当該推定値をチョッパ電流指令値の指令上限値として設定しておくことにより、当該装置は自動的に過負荷制限されることとなる。

本実施形態の回生電力吸収装置は、前述のように、回生電力吸収装置の各チョッパ回路のチョッパ電流指令値を指令上限値に基づいて制限する構成であって、各チョッパ回路において、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を当該指令上限値として設定する構成であれば、種々の分野（例えば電気車技術，き電線技術，回生技術，電力設備技術，制御技術等の分野）の技術常識を適宜適用して設計することが可能であり、その一例として以下に示すものが挙げられる。

≪本実施形態による回生電力吸収装置１の適用例≫
図１は、本実施形態の実施例である回生電力吸収装置（以下、単に装置と適宜称する）１を説明するためのものであって、当該装置１を直流式電気鉄道の架線Ｓ３に接続して回生制動システムＳを構成する場合の一例を示すものである。

図１に示す回生制動システムＳにおいては、交流電源ＤＣの出力電圧Ｖｓが、変圧器や整流器を有した変電所Ｓ２に供給され、その変電所Ｓ２が変圧と整流を実行できる構成となっている。この変電所Ｓ２から出力された直流電力は、架線Ｓ３および架線インピーダンスＳ４を介して直流電気車Ｓ５へ供給される。

直流電気車Ｓ５が力行運転中の場合には、交流電源ＤＣの電力が変電所Ｓ２から直流電気車Ｓ５へ供給される。直流電気車Ｓ５が回生制動中の場合には、当該回生制動により発生した回生電力が直流電気車Ｓ５から装置１へ吸収され、架線Ｓ３の電圧の上昇が抑制されることとなる。

装置１においては、回生電力吸収部（以下、単に吸収部と適宜称する）１０が架線Ｓ３に対してＮ個（Ｎは２以上の整数）並列に接続される構成（図１では便宜上、省略して１個接続した構成）であり、各吸収部１０には、チョッパ回路２および回生抵抗３を直列に接続した直列回路（以下、単に直列回路と適宜称する）が備えられる。

チョッパ回路２は、その入力電圧Ｖｄ１が設定値（設定電圧；後述の図３ではＶｄｒ）以上になったときに動作し、直流電気車Ｓ５が回生電力を発生している期間、チョッパ回路２の入力電圧Ｖｄ１が設定値となるように動作する。図１中のＶｄｓは、直流電気車Ｓ５の電圧を示すものである。前述のように発生した回生電力は、回生抵抗３により熱として吸収されることとなる。

≪装置１の構成例≫
装置１においては、前述のようにＮ個の吸収部１０それぞれに直列回路が備えられ、各直列回路のチョッパ回路２が適宜制御されて動作する構成であれば、種々の態様を適用することが可能であり、その一例として図２に示すような構成が挙げられる。なお、図１に示すものと同様のものには同一符号を付する等により、その詳細な説明を適宜省略する。-
図２に示す装置１は、架線Ｓ３に接続されて当該架線Ｓ３からの入力電圧が入力される直流入力端子Ｔ１，Ｔ２を備えており、当該直流入力端子Ｔ１，Ｔ２に対し、リアクトルＬ１を介してＮ個のチョッパユニット１１が並列に接続された構成となっている。

各チョッパユニット１１は、直流入力端子Ｔ１，Ｔ２側の接続端に並列に接続されたコンデンサＣと、スイッチング素子ＳＷと、環流ダイオードＤと、を有し、これらの二次側（出力側）に、電流平滑用のリアクトルＬ２と、チョッパ出力電流を検出する電流検出器１２と、を設けた構成となっている。

このように構成されたチョッパユニット１１のうちの環流ダイオードＤおよびスイッチング素子ＳＷと、リアクトルＬ１と、により、チョッパ回路２がそれぞれ構成されることとなる。また、各チョッパ回路２の二次側には個別に回生抵抗３が接続され、当該チョッパ回路２および回生抵抗３により吸収部１０がそれぞれ構成されることとなる。そして、吸収部１０が直流入力端子Ｔ１，Ｔ２に対して並列にＮ個接続されて、装置１が構成される。

なお、前述のように各チョッパ回路２に回生抵抗３を個別に設けるとともに、電流平滑用のリアクトルＬ２を設けたことにより、各チョッパ回路２を適宜電流制御することが可能となる。また、コンデンサＣとリアクトルＬ１とにより、ＬＣフィルタが構成される。

≪チョッパ回路２の制御構成例≫
装置１の各吸収部１０のチョッパ回路２においては、チョッパ電流指令値を所望の指令上限値に基づいて制限可能な構成であって、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を当該指令上限値として設定できる構成であれば、種々の態様を適用することが可能であり、その一例として図３に示すような構成が挙げられる。

図３において、チョッパ電流指令値演算部２１は、直流入力端子Ｔ１，Ｔ２間を例えば電圧検出器（図示省略）により検出して得た入力電圧検出値Ｖｄｄと、入力電圧設定値Ｖｄｒと、が入力され、各入力値の偏差に基づいて、チョッパ回路２の１個当りに流すべきチョッパ電流指令値が演算（例えば比例積分演算）される。

このチョッパ電流指令値は、指令上限部２２に入力され、当該指令上限部２２の指令上限値に基づいて制限される。指令上限部２２の指令上限値は、各チョッパ回路２それぞれにおいて設定されるものであって、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を、指令上限値として推定することにより導出できるものである。

デューティ比演算部２３では、指令上限部２２から出力されたチョッパ電流指令値と、電流検出器１２のチョッパ出力電流検出値と、の偏差に基づいてチョッパ回路２のデューティ比（通電率）を導出する。信号生成部２４では、デューティ比演算部２３で導出したデューティ比に基づいて、チョッパ回路２のスイッチング素子ＳＷのゲート信号を生成し、このゲート信号を各チョッパ回路２のスイッチング素子ＳＷのゲートに供給する。

なお、図３では便宜上、指令上限部２２，デューティ比演算部２３，信号生成部２４をそれぞれ１個のみ描写した構成となっているが、実際にはチョッパ回路２と同じ個数を有した構成とすることが挙げられる。すなわち、各チョッパ回路２それぞれにおいて、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を推定して、当該推定値を指令上限値として設定し、各々のデューティ比を導出してゲート信号を生成できるように構成される。

また、指令上限部２２の指令上限値は、種々の方法によって推定計算して導出することが可能であるが、その一例として、以下の実施例１〜４に基づく推定値によって導出することが挙げられる。

≪実施例１≫
指令上限部２２においては、下記式（１）を利用し、電圧検出器の入力電圧検出値Ｖｄｄと、回生抵抗３の抵抗値と、に基づいて、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を推定計算することが可能である。
（瞬時電力上限値）＝（回生抵抗の抵抗値）×（チョッパ出力電流の推定値）² …（１）
具体例として、入力電圧検出値Ｖｄｄが１０００Ｖ、回生抵抗３の抵抗値が１．０Ω、瞬時電力上限値が１０００ｋＷの場合、チョッパ出力電流の推定値（すなわち指令上限値）は１０００Ａとなる。

本実施例１のように導出したチョッパ出力電流の推定値を、指令上限部２２の指令上限値として適用することにより、装置１を過負荷制限することが十分可能となる。

なお、回生抵抗３の抵抗の大きさは、当該回生抵抗３の温度によって変動し、抵抗値許容差を有する。このため、チョッパ出力電流の推定値の推定計算には、例えば単に公称抵抗値を適用しても良いが、抵抗値許容差の範囲内における最大値を適用することが挙げられる。この抵抗値許容差の範囲内における最大値を適用した場合、当該抵抗値許容差の範囲内における最小値を適用した場合と比較して、より大きい推定値が導出されることとなり、装置１の有効利用に貢献できる可能がある。

≪実施例２≫
実施例１では、回生抵抗３の公称抵抗値等の固定値を推定計算に適用するものであるため、当該推定計算においては、回生抵抗３の温度による抵抗値変動が反映されていない。

そこで、本実施例２では、抵抗値変動を推定計算に反映させるために、回生抵抗３の温度を例えば温度検出器（例えば回生抵抗３周囲に設けた検出器；図示省略）により検出し、図４に示すように温度検出値を指令上限部２２において読み取るように構成する。そして、当該指令上限部２２における推定計算では、回生抵抗３の抵抗値において、温度検出値に対応した抵抗温度係数により補正（例えば公称抵抗値を抵抗値温度係数で割った値）した値を適用する。

この本実施例２によれば、実施例１と同様に、指令上限部２２の指令上限値の推定計算が可能であると共に、回生抵抗３の温度による抵抗値変動を反映することができ、推定精度の向上に貢献可能となる。

≪実施例３≫
実施例２では、回生抵抗３の温度を温度検出器等により検出するため、当該検出に係るタイムラグが生じ得る。

そこで、本実施例３では、図５に示すように、デューティ比演算部２３で導出したデューティ比を指令上限部２２において読み取るように構成する。そして、回生抵抗３の抵抗値を用いる代わりに、以下に示す原理に基づいてデューティ比を用い推定計算を行うこととする。

まず、チョッパ回路２の一次側および二次側においては、下記式（２）が成り立つ。
（一次側電圧）×（一次側電流）＝（二次側電圧）×（チョッパ出力電流）
＝（一次側電圧）×（デューティ比）×（チョッパ出力電流） …（２）
そして、式（２）に基づいて下記式（３）が導き出せる。

（一次側電流）＝（デューティ比）×（チョッパ出力電流） …（３）
したがって、指令上限部２２において式（３）を利用し、電圧検出器の入力電圧検出値Ｖｄｄと、デューティ比演算部２３のデューティ比と、に基づいて、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を推定計算できることが判る。

具体例として、入力電圧検出値Ｖｄｄが１０００Ｖ、回生抵抗３の抵抗値が１．０Ω、瞬時電力上限値が１０００ｋＷの場合、チョッパ出力電流の推定値（すなわち指令上限値）は１０００Ａ×（デューティ比）となる。

本実施例３によれば、実施例１，２と同様に、指令上限部２２の指令上限値の推定計算が可能であると共に、実施例２で発生し得るタイムラグを回避することができ、推定速度の向上に貢献可能となる。

≪実施例４≫
指令上限部２２においては、前述の実施例１〜３を適宜組み合わせることにより、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を求めることも可能である。

本実施例４では、例えば図６に示すように、指令上限部２２は、第１推定値および第２推定値のうち小さい値を指令上限値とする上限値選択部２２ａを備えた構成とする。

第１推定値は、電圧検出器の入力電圧検出値と、回生抵抗の抵抗値と、に基づいて導出されるチョッパ出力電流の推定値、すなわち実施例１または２によって求められる推定値とする。第２推定値は、電圧検出器の入力電圧検出値と、デューティ比演算部のデューティ比と、に基づいて導出されるチョッパ出力電流の推定値、すなわち実施例３によって求められる推定値とする。

本実施例４によれば、複数の方法によって推定計算された推定値のうち小さい値を指令上限値として適用するため、装置１の安全性や信頼性の向上に貢献可能となる。

なお、本実施例４において、第１推定値を実施例１により推定する場合（すなわち温度検出値を用いない場合）、回生抵抗３の公称抵抗値等の固定値を推定計算に適用することが挙げられるが、抵抗値許容差の範囲内における最小値を適用した場合、より小さい推定値が導出され易くなり、装置１の安全性や信頼性の向上により貢献できる可能がある。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変更等が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変更等が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…回生電力吸収装置
１０…回生電力吸収部
１１…チョッパユニット
１２…電流検出器
２…チョッパ回路
２１…チョッパ電流指令値演算部
２２…指令上限部
２２ａ…上限値選択部
２３…デューティ比演算部
２４…信号生成部
３…回生抵抗

Claims (7)

1. チョッパ回路および回生抵抗を直列に接続した直列回路をそれぞれ有し、直流電源母線に対して並列に接続される複数個の回生電力吸収部と、
   直流電源母線からの入力電圧を検出する電圧検出器と、
   各チョッパ回路に設けられ、チョッパ出力電流を検出する電流検出器と、
   電圧検出器の入力電圧検出値と、入力電圧設定値と、の偏差に基づいてチョッパ回路１個当たりのチョッパ電流指令値を演算する指令値演算部と、
   指令値演算部から出力されたチョッパ電流指令値を、各チョッパ回路の指令上限値に基づいて制限する指令上限部と、
   指令上限部から出力されたチョッパ電流指令値と、電流検出器のチョッパ出力電流検出値と、の偏差に基づいて各チョッパ回路のデューティ比をそれぞれ導出するデューティ比演算部と、
   各デューティ比に基づいて、各チョッパ回路のスイッチング素子のゲート信号をそれぞれ生成する信号生成部と、
   を備え、
   指令上限部は、各チョッパ回路において、瞬時電力上限値に対するチョッパ出力電流の推定値を推定し、当該推定値を指令上限値として設定することを特徴とする回生電力吸収装置。
2. 指令上限部は、電圧検出器の入力電圧検出値と、回生抵抗の抵抗値と、に基づいてチョッパ出力電流の推定値を推定することを特徴とする請求項１記載の回生電力吸収装置。
3. 指令上限部は、電圧検出器の入力電圧検出値と、デューティ比演算部のデューティ比と、に基づいてチョッパ出力電流の推定値を推定することを特徴とする請求項１記載の回生電力吸収装置。
4. 指令上限部は、第１推定値および第２推定値のうち小さい値を指令上限値とする上限値選択部を、備え、
   第１推定値は、電圧検出器の入力電圧検出値と、回生抵抗の抵抗値と、に基づいて導出されるチョッパ出力電流の推定値であり、
   第２推定値は、電圧検出器の入力電圧検出値と、デューティ比演算部のデューティ比と、に基づいて導出されるチョッパ出力電流の推定値であることを特徴とする請求項１記載の回生電力吸収装置。
5. 回生抵抗の温度を検出する温度検出器を、更に備え、
   回生抵抗の抵抗値は、温度検出器の温度検出値に対応した抵抗温度係数により補正された値であることを特徴とする請求項２または４記載の回生電力吸収装置。
6. 回生抵抗の抵抗値は、抵抗値許容差の範囲内における最大値であることを特徴とする請求項２記載の回生電力吸収装置。
7. 回生抵抗の抵抗値は、抵抗値許容差の範囲内における最小値であることを特徴とする請求項４記載の回生電力吸収装置。

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