JP7436417B2 - 電力補償装置およびそれを備えた交流き電システム - Google Patents

Description

この発明は、電力補償装置およびそれを備えた交流き電システムに関し、特に、交流電気車に交流電力を供給するための架線に接続される電力補償装置およびそれを備えた交流き電システムに関する。

たとえば特許文献１（特開２０００－７１８２０号公報）には、交流電気車に交流電力を供給するための架線を備えた交流き電システムが開示されている。架線は、複数の切換セクションによって複数の副架線に分割されている。複数の切換セクションには、変電所と、き電区分所とが交互に配置されている。

各変電所は、電力系統の送電線から受けた三相交流電圧を二相交流電圧に変換する三相／二相変圧器と、交流電気車が走行している位置に従って、三相／二相変圧器から供給される二相交流電圧のうちのいずれか一方の交流電圧を対応する切換セクションに供給するセクション切換器とを含む。き電区分所は、交流電気車が走行している位置に従って、対応する２つの副架線のうちのいずれか一方の副架線を対応する切換セクションに接続するセクション切換器を含む。

また、たとえば特許文献２（特開２００４－３１４７０２号公報）には、変電所と架線を備えた交流き電システムが開示されている。変電所は、スコット結線変圧器および電力補償装置を含む。スコット結線変圧器は、送電線から受けた三相交流電圧を二相交流電圧に変換する。二相交流電圧のうちの一方の交流電圧は、そのまま架線に供給される。電力補償装置は、二相交流電圧のうちの他方の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を交流電圧に変換して架線に供給する。この交流き電システムでは、スコット結線変圧器および電力補償装置によって生成した単相交流電圧を架線に直接供給するので、変電所に対応する切換セクションを無くすことができる。

特開２０００－７１８２０号公報 特開２００４－３１４７０２号公報

ところで、電力系統の送電線から各変電所が受ける三相交流電圧の位相、振幅は系統インピーダンス、負荷の接続状況などに応じて変動するので、複数の変電所が受ける三相交流電圧間には位相、振幅のずれが発生する。このため、特許文献２の交流き電システムでは、複数の変電所の交流出力電圧間に位相、振幅のずれが発生し、架線から全ての切換セクションを無くすと、隣接する変電所間に過電流が流れるという問題がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、架線の切換セクションを無くし、かつ隣接する変電所間に過電流が流れることを防止することが可能な電力補償装置およびそれを備える交流き電システムを提供することである。

この発明に係る電力補償装置は、三相／二相変圧器から供給される二相交流電圧のうちの一方の交流電圧を受ける第１の交流端子と、交流電気車に交流電力を供給するための架線に接続される第２の交流端子と、第１の直流電圧を出力する直流電源と、第１の直流電圧を第１の交流電圧に変換して第１および第２の交流端子間に出力する第１の電力変換器とを備えたものである。第１の電力変換器は、第２の交流端子に現れる第２の交流電圧が参照交流電圧になるように第１の交流電圧を生成する。

この発明に係る電力補償装置では、三相／二相変圧器からの交流電圧を受ける第１の交流端子と、架線に接続される第２の交流端子と、第１の直流電圧を出力する直流電源と、第１の直流電圧を第１の交流電圧に変換して第１および第２の交流端子間に出力する第１の電力変換器とが設けられ、第１の電力変換器は、第２の交流端子に現れる第２の交流電圧が参照交流電圧になるように第１の交流電圧を生成する。したがって、複数の変電所の交流出力電圧の位相および振幅が一致するので、架線の切換セクションを無くし、かつ隣接する変電所間に過電流が流れることを防止することができる。

実施の形態１による交流き電システムの構成を示す回路ブロック図である。 実施の形態２による交流き電システムの要部を示す回路ブロック図である。 実施の形態３による交流き電システムの要部を示す回路ブロック図である。 実施の形態４による交流き電システムの要部を示す回路ブロック図である。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１による交流き電システムの構成を示す回路ブロック図である。図１において、この交流き電システムは、複数（図では２つ）の変電所１と、交流電気車３１に単相交流電力を供給するための架線１１とを備える。

複数の変電所１は、架線１１に沿って、所定間隔で設けられている。各変電所１は、商用交流電源３２から供給される三相交流電力を単相交流電力に変換して架線１１に供給する。商用交流電源３２は、電力系統の送電線である。交流電気車３１は、架線１１からパンタグラフを介して供給される単相交流電力によって駆動され、線路上を走行する。

変電所１は、スコット結線変圧器２、交流端子Ｔ１，Ｔ２、電流検出器ＣＤ１，ＣＤ２、変圧器３～５、ＡＣ／ＤＣ変換器６、ＤＣ／ＡＣ変換器７，８、および制御装置９を備える。変電所１のうちのスコット結線変圧器２以外の部分は、電力補償装置の一実施例を構成する。

スコット結線変圧器２は、Ｍ座変圧器２ａおよびＴ座変圧器２ｂを含む。変圧器２ａ，２ｂは、商用交流電源３２から供給される三相交流電圧をそれぞれ二相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖに変換する。交流電圧Ｖｕの位相は、交流電圧Ｖｖの位相よりも９０度進んでいる。スコット結線変圧器２は、三相／二相変圧器の一実施例を構成する。スコット結線変圧器２の代わりに変形ウッドブリッジ結線変圧器を用いても構わない。

交流端子Ｔ１（第１の交流端子）は、Ｍ座変圧器２ａから交流電圧Ｖｕを受ける。電流検出器ＣＤ１は、Ｍ座変圧器２ａと交流端子Ｔ１との間に流れる交流電流Ｉｕの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置９に与える。制御装置９は、交流電圧Ｖｕの瞬時値を検出し、その検出値と交流電流Ｉｕの検出値とに基づいて、Ｍ座変圧器２ａから出力される有効電力Ｐｕを求める。

交流端子Ｔ２（第２の交流端子）は、架線１１に接続される。変圧器３は、Ｔ座変圧器２ｂから交流電圧Ｖｖを受ける一次巻線３ａと、ＡＣ／ＤＣ変換器６に接続された二次巻線３ｂとを有し、Ｔ座変圧器２ｂとＡＣ／ＤＣ変換器６との間で交流電力を授受する。

ＡＣ／ＤＣ変換器６は、制御装置９によって制御され、Ｔ座変圧器２ｂから変圧器３を介して供給される交流電圧を直流電圧ＶＤＣに変換する。制御装置９は、直流電圧ＶＤＣを検出し、その検出値が参照直流電圧ＶＤＣｒになるようにＡＣ／ＤＣ変換器６を制御する。変圧器３およびＡＣ／ＤＣ変換器６は、直流電源（または第２の電力変換器）の一実施例を構成する。

ＤＣ／ＡＣ変換器７は、制御装置９によって制御され、ＡＣ／ＤＣ変換器６によって生成された直流電圧ＶＤＣを交流電圧に変換する。変圧器４は、ＤＣ／ＡＣ変換器７の交流出力電圧を受ける１次巻線４ａと、交流端子Ｔ１，Ｔ２間に接続された２次巻線４ｂとを含み、ＤＣ／ＡＣ変換器７と交流端子Ｔ１，Ｔ２との間で交流電力を授受する。

Ｍ座変圧器２ａから供給される交流電圧Ｖｕと、交流端子Ｔ１，Ｔ２間の交流電圧Ｖ１（第１の交流電圧）との和が交流端子Ｔ２に現れる交流電圧Ｖ２＝Ｖｕ＋Ｖ１となる。制御装置９は、交流電圧Ｖ２（第２の交流電圧）の瞬時値を検出し、その検出値が参照交流電圧Ｖ２ｒになるようにＤＣ／ＡＣ変換器７を制御する。参照交流電圧Ｖ２ｒは、所定の位相、所定の振幅、商用周波数を有し、正弦波状に変化する交流電圧である。ＤＣ／ＡＣ変換器７および変圧器４は、第１の電力変換器の一実施例を構成する。

ＤＣ／ＡＣ変換器８は、制御装置９によって制御され、ＡＣ／ＤＣ変換器６から供給される直流電力を交流電力に変換する。変圧器５は、ＤＣ／ＡＣ変換器８の交流出力電圧を受ける１次巻線５ａと、交流端子Ｔ２に接続された２次巻線５ｂとを含み、ＤＣ／ＡＣ変換器８と交流端子Ｔ２との間で交流電力を授受する。電流検出器ＣＤ２は、交流端子Ｔ２と架線１１との間に流れる交流電流Ｉ２の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置９に出力する。

制御装置９は、交流電圧Ｖ２の検出値と交流電流Ｉ２の検出値とに基づいて、対応する変電所１から架線１１に供給される有効電力Ｐを求め、その有効電力Ｐが上記有効電力Ｐｕの２倍になるように、ＤＣ／ＡＣ変換器７，８およびＡＣ／ＤＣ変換器６の各々を制御する。このとき、有効電力Ｐの２分の１の有効電力Ｐｕ＝Ｐ／２がＭ座変圧器２ａから供給され、残りの有効電力Ｐ／２がＴ座変圧器２ｂから供給される。また、制御装置９は、架線１１で発生する無効電力および高調波電流を補償するようにＤＣ／ＡＣ変換器７，８を制御する。

以上のように、この実施の形態１では、各変電所１の交流出力電圧Ｖ２が参照交流電圧Ｖ２ｒになるようにＡＣ／ＤＣ変換器７を制御するので、複数の変電所１の交流出力電圧Ｖ２の位相および振幅を一致させることができる。したがって、架線１１から切換セクションを無くし、かつ隣接する変電所１間に過電流が流れることを防止することができる。

また、変電所１から架線１１に供給される有効電力Ｐを求め、その有効電力Ｐが上記有効電力Ｐｕの２倍になるように、ＤＣ／ＡＣ変換器７，８およびＡＣ／ＤＣ変換器６の各々を制御する。このとき、有効電力Ｐの２分の１の有効電力Ｐｕ＝Ｐ／２がＭ座変圧器２ａから供給され、残りの有効電力Ｐ／２がＴ座変圧器２ｂから供給される。したがって、商用交流電源３２の三相交流電力に不均衡が発生することを防止することができる。

また、交流電気車３１で発生する無効電力および高調波電流をＤＣ／ＡＣ変換器７，８によって補償することができる。

なお、Ｔ座変圧器２ｂの交流出力電圧Ｖｖを交流端子Ｔ１に与え、Ｍ座変圧器２ａの交流出力電圧Ｖｕを変圧器３の１次巻線３ａに与えてもよい。ただし、この場合は、Ｔ座変圧器２ｂから供給される交流電圧Ｖｖと、交流端子Ｔ１，Ｔ２間の交流電圧Ｖ１との和が交流端子Ｔ２に現れる交流電圧Ｖ２＝Ｖｕ＋Ｖ１となる。制御装置９は、交流電圧Ｖ２が参照交流電圧Ｖ２ｒになるように、ＤＣ／ＡＣ変換器７を制御する。

［実施の形態２］
図２は、実施の形態２による交流き電システムの要部を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図２を参照して、この交流き電システムが図１の交流き電システムと異なる点は、変電所１が変電所１５で置換されている点である。変電所１５は、変電所１に変圧器１６およびＡＣ／ＤＣ変換器１７を追加し、制御装置９を制御装置９Ａで置換したものである。

変圧器１６は、Ｔ座変圧器２ｂからの交流電圧Ｖｖを受ける一次巻線１６ａと、ＡＣ／ＤＣ変換器１７に接続された二次巻線１６ｂとを有し、Ｔ座変圧器２ｂとＡＣ／ＤＣ変換器１７との間で交流電力を授受する。

ＡＣ／ＤＣ変換器１７は、制御装置９Ａによって制御され、Ｔ座変圧器２ｂから変圧器１６を介して供給される交流電圧を直流電圧ＶＤＣ１に変換する。制御装置９Ａは、直流電圧ＶＤＣ１を検出し、その検出値が参照直流電圧ＶＤＣｒになるようにＡＣ／ＤＣ変換器１７を制御する。変圧器１６およびＡＣ／ＤＣ変換器１７は、直流電源の一実施例を構成する。ＤＣ／ＡＣ変換器７は、ＡＣ／ＤＣ変換器１７から供給される直流電圧ＶＤＣ１を交流電圧に変換して変圧器４の１次巻線４ａに与える。

他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態２でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。

また、この実施の形態２では、ＤＣ／ＡＣ変換器７用の直流電圧ＶＤＣ１と、ＤＣ／ＡＣ変換器８用の直流電圧ＶＤＣとが別々に生成される。したがって、直流電圧ＶＤＣ１，ＶＤＣのうちのいずれか一方の直流電圧にリプル成分が発生した場合に、そのリプル成分が他方の直流電圧に伝搬したり、そのリプル成分によって共振現象が発生することを防止することができ、交流出力電圧Ｖ２の安定化を図ることができる。

［実施の形態３］
図３は、実施の形態３による交流き電システムの要部を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図３を参照して、この交流き電システムが図１の交流き電システムと異なる点は、変電所１が変電所２０で置換されている点である。変電所２０は、変電所１に直流電源２１を追加したものである。

直流電源２１は、ＤＣ／ＡＣ変換器７に直流電圧ＶＤＣ１を供給する。直流電源１６は、たとえばバッテリ、コンデンサ等である。ＤＣ／ＡＣ変換器７は、直流電源２１から供給される直流電圧ＶＤＣ１を交流電圧に変換して変圧器４の１次巻線４ａに与える。ＤＣ／ＡＣ変換器７は、主に無効電力を供給するので、直流電源２１の容量は小さい。ＡＣ／ＤＣ変換器６は、Ｔ座変圧器２ｂから変圧器３を介して供給される交流電圧を直流電圧ＶＤＣに変換してＤＣ／ＡＣ変換器８に供給する。

他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態３でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。

また、この実施の形態３では、ＤＣ／ＡＣ変換器７用の直流電圧ＶＤＣ１と、ＤＣ／ＡＣ変換器８用の直流電圧ＶＤＣとが別々に生成される。したがって、直流電圧ＶＤＣ１，ＶＤＣのうちのいずれか一方の直流電圧が変動した場合に、他方の直流電圧が変動することを防止することができ、交流出力電圧Ｖ２の安定化を図ることができる。

また、変圧器１６およびＤＣ／ＡＣ変換器１７を使用して直流電圧ＶＤＣ１を生成する実施の形態２と比べ、装置構成の簡単化、低コスト化を図ることができる。

［実施の形態４］
図４は、実施の形態４による交流き電システムの要部を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図４を参照して、この交流き電システムが図１の交流き電システムと異なる点は、変電所１が変電所２５で置換されている点である。

変電所２５は、変電所１からＤＣ／ＡＣ変換器８および変圧器５を除去し、制御装置９を制御装置９Ｂで置換したものである。換言すると、変電所２５のＤＣ／ＡＣ変換器７および変圧器４は、変電所１のＤＣ／ＡＣ変換器７，８および変圧器４，５の役割を果たす。

制御装置９Ｂは、直流電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＣｒになるようにＡＣ／ＤＣ変換器６を制御する。また、制御装置９Ｂは、交流電圧Ｖ２が参照交流電圧Ｖ２ｒになるように、ＤＣ／ＡＣ変換器７を制御する。

また、制御装置９Ｂは、交流電圧Ｖ２の検出値と交流電流Ｉ２の検出値とに基づいて、対応する変電所２５から架線１１に供給される有効電力Ｐを求め、その有効電力ＰがＭ座変圧器２ａの上記有効出力電力Ｐｕの２倍になるように、ＤＣ／ＡＣ変換器７およびＡＣ／ＤＣ変換器６の各々を制御する。このとき、有効電力Ｐの２分の１の有効電力Ｐｕ＝Ｐ／２がＭ座変圧器２ａから供給され、残りの有効電力Ｐ／２がＴ座変圧器２ｂから供給される。また、制御装置９Ｂは、架線１１で発生する無効電力および高調波電流を補償するようにＤＣ／ＡＣ変換器７を制御する。

他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態４でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。

また、この実施の形態４では、ＤＣ／ＡＣ変換器８および変圧器５を除去したので、装置の低コスト化、構成の簡単化を図ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１５，２０，２５ 変電所、２ スコット結線変圧器、２ａ Ｍ座変圧器、２ｂ Ｔ座変圧器、Ｔ１，Ｔ２ 交流端子、ＣＤ１，ＣＤ２ 電流検出器、３～５，１６ 変圧器、３ａ～５ａ，１６ａ １次巻線、３ｂ～５ｂ，１６ｂ ２次巻線、６，１７ ＡＣ／ＤＣ変換器、７，８ ＤＣ／ＡＣ変換器、９，９Ａ，９Ｂ 制御装置、１１ 架線、２１ 直流電源、３１ 交流電気車、３２ 商用交流電源。

Claims (7)

1. 三相／二相変圧器から供給される二相交流電圧のうちの一方の交流電圧を受ける第１の交流端子と、
   交流電気車に交流電力を供給するための架線に接続される第２の交流端子と、
   第１の直流電圧を出力する直流電源と、
   前記第１の直流電圧を第１の交流電圧に変換して前記第１および第２の交流端子間に出力する第１の電力変換器とを備え、
   前記第１の電力変換器は、前記第２の交流端子に現れる第２の交流電圧が参照交流電圧になるように前記第１の交流電圧を生成する、電力補償装置。
2. 前記第１の電力変換器は、
   前記第１の直流電圧を第３の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、
   前記第３の交流電圧を受ける１次巻線と、前記第１および第２の交流端子間に接続された２次巻線とを有する変圧器とを含み、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器は、前記第２の交流電圧が前記参照交流電圧になるように前記第３の交流電圧を生成する、請求項１に記載の電力補償装置。
3. 前記直流電源は、前記三相／二相変圧器から供給される二相交流電圧のうちの他方の交流電圧を前記第１の直流電圧に変換する第２の電力変換器を含む、請求項１または請求項２に記載の電力補償装置。
4. 前記第１の電力変換器は、前記電力補償装置から前記架線に供給される有効電力の２分の１の有効電力を出力する、請求項３に記載の電力補償装置。
5. 前記第２の電力変換器から供給される直流電力を交流電力に変換して前記第２の交流端子に出力する第３の電力変換器をさらに備え、
   前記第１および第３の電力変換器は、前記電力補償装置から前記架線に供給される有効電力の２分の１の有効電力を出力する、請求項３に記載の電力補償装置。
6. 前記三相／二相変圧器から供給される二相交流電圧のうちの他方の交流電圧を第２の直流電圧に変換する第２の電力変換器と、
   前記第２の電力変換器から供給される直流電力を交流電力に変換して前記第２の交流端子に出力する第３の電力変換器とをさらに備え、
   前記第１および第３の電力変換器は、前記電力補償装置から前記架線に供給される有効電力の２分の１の有効電力を出力する、請求項１または請求項２に記載の電力補償装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力補償装置と、
   商用交流電源から供給される三相交流電圧を前記二相交流電圧に変換して前記電力補償装置に供給する前記三相／二相変圧器と、
   前記電力補償装置の前記第２の交流端子に接続された前記架線とを備える、交流き電システム。
   

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