JPWO2011021443A1 - 電気車推進用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

インバータ部３０から電力貯蔵部５０への電力回生、また電力貯蔵部５０からのインバータ部３０への電力供給を多用する用途に好適な電気車推進用電力変換装置を提供する。外部より電源電圧が入力され、所定の値の直流に変換して出力するコンバータ部１０と、コンバータ部１０の出力側に接続され、電動機４０を駆動するインバータ部３０と、コンバータ部１０の出力側に接続された電力貯蔵部５０と、を備え、コンバータ部１０に具備されるコンバータ制御部１４は、コンバータ部１０の電流指令を生成すると共に、この電流指令に基づいて電力貯蔵部５０の充放電電流を制御する。

Description

本発明は、電気車の推進制御に供される電気車推進用電力変換装置に関する。

一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用してインバータ等の電力変換装置で電動機を駆動して走行する構成としている。

また、電気車では、車両にブレーキをかけるときは、電動機を回生運転してブレーキ力を得る、いわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条等を介して、自車付近に存在する他の力行車両や車両の空調などの負荷へ供給され、そこで消費されることになる。

しかしながら、早朝、夜間や、列車の運行本数の少ない閑散線区では、自車付近に他の車両が存在しない（回生負荷が不足する）場合が発生し、回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されない場合が存在する。他の車両で消費される電力よりも自車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせたり、破損させたりする虞がある。

このため、架線電圧が上昇した場合、インバータ装置は、回生ブレーキを絞り込み、回生電力の発生を抑制する回生絞り込み制御を行う。この際、この回生絞り込み制御により回生ブレーキ力が減少するので、減少して不足したブレーキ力は、摩擦ブレーキで補う。

一方、摩擦ブレーキを使用することは、本来電力回生が可能である電気車の運動エネルギーの一部を熱として大気中に廃棄することに繋がるので、省エネ性の観点からの問題がある。

そこで、電気車に二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵素子を搭載し、必要に応じて回生電力を電力貯蔵素子に貯蔵することで、回生負荷が不足するケースでも安定な回生ブレーキを得るシステムが開発されている。なお、電力貯蔵素子に貯蔵した電力は、次に電気車が加速するときに使用することが可能であるので、省エネになる。

また、電力貯蔵素子を搭載した電気車が架線からの受電を行わない非電化区間を走行する場合は、電力貯蔵素子からの電力のみを使用して電動機を駆動して加速し、またブレーキ時に電動機が発生する回生電力は、すべて電力貯蔵素子へ貯蔵することになる。

特開２００５−２７８２６９号公報

ここで、上記特許文献１に開示された車両用駆動装置の構成は、架線に対して、電動機を駆動するインバータ部と、電力貯蔵装置を接続し、電力貯蔵素子への充電および電力貯蔵素子からの放電を制御するＤＣＤＣコンバータ部（以下、単に「コンバータ部」と略す）とを、並列接続した形態のものである。

この形態では、電力貯蔵素子とインバータ部との間にコンバータ部が介在するので、インバータ部から電力貯蔵素子への充放電を行うときに、コンバータ部において電力損失が発生する。このため、大容量の電力貯蔵素子を搭載し、インバータ部から電力貯蔵素子への電力回生、また電力貯蔵素子からのインバータ部への電力供給を多用する用途では、システム効率が悪くなる。

電力貯蔵素子とインバータ部との間にコンバータ部を介在させない構成として、入力が架線に接続されたコンバータ部の出力に電動機を駆動するインバータ部と電力貯蔵素子とを並列関係に接続した構成が考えられる。しかしながらこの形態ではコンバータ部が架線とインバータ部と電力貯蔵素子との間の電力フローを電気車の走行条件に応じて最適に制御する必要があり、コンバータ部の制御方法と構成に課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータ部から電力貯蔵素子への電力回生、また電力貯蔵素子からインバータ部への電力供給を多用する用途に好適な電気車推進用電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電気車推進用電力変換装置は、外部より電源電圧が入力され、所定の値の直流に変換して出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、負荷を駆動する第二の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続された電力貯蔵部と、前記第一の電力変換部を制御する第一の制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、コンバータ部と電力貯蔵部との間または、インバータ部と電力貯蔵部との間に、電力貯蔵部への充放電電流を制御する電力変換回路を設ける必要がなく、架線とインバータ部と電力貯蔵部との間の電力フローを電気車の走行条件に応じて最適に制御することを可能とするシステム効率のよい電気車推進用電力変換装置の提供が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１における電気車推進用電力変換装置の構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ回路の構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ回路の図２とは異なる構成例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部の構成例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態１における過充電抑制ゲイン生成部の構成例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態１における第一の電流指令調整部の構成例を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電気車推進用電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電気車推進用電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示すように、図示しない外部電源である変電所からの電力は、架線１から集電装置２を介して、第一の電力変換部であり、例えばＤＣＤＣコンバータであるコンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０からのリターン電流は、車輪３を経由してレール４に接続され、図示しない変電所の負側へ戻る。

コンバータ部１０は、直流／直流変換を行う主回路であるコンバータ回路１３と、第一の制御部であるコンバータ制御部１４とを具備する。なお、コンバータ回路１３は、双方向昇降圧チョッパ回路が好適である。また、コンバータ回路１３には、その入力側と出力側に電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなるフィルタ回路を含む場合が一般的である。

図２に、本発明の実施の形態１におけるコンバータ回路１３の構成例を示す。図２に示す形態は、コンバータ回路１３の一次側の電圧ＥＦＣＤと二次側の電圧ＢＥＳの大小関係がＥＦＣＤ＞ＢＥＳの関係である場合に適用が可能なコンバータ回路であり、入力側から、フィルタ回路を成すフィルタリアクトル１３１およびフィルタコンデンサ１３２と、スイッチング回路を成す一次側上アームスイッチング素子１３３Ａおよび一次側下アームスイッチング素子１３３Ｂと、このスイッチング回路の二次側に接続された平滑リアクトル１３４と、を備えて構成される。

図２のコンバータ回路１３では、一次側上アームスイッチング素子１３３Ａと、一次側下アームスイッチング素子１３３Ｂとを適切にオンオフ制御することで、一次側から二次側へと、または二次側から一次側へと、任意の方向に任意の大きさの電力を通過させることが可能である。

一方、図３に示す形態は、コンバータ回路１３の一次側の電圧ＥＦＣＤと二次側の電圧ＢＥＳの大小関係によらず適用が可能なコンバータ回路であり、入力側から、フィルタ回路を成すフィルタリアクトル１３１およびフィルタコンデンサ１３２と、一次側スイッチング回路を成す一次側上アームスイッチング素子１３３Ａおよび一次側下アームスイッチング素子１３３Ｂと、二次側スイッチング回路を成す二次側上アームスイッチング素子１３３Ｃおよび二次側下アームスイッチング素子１３３Ｄと、これら一次側スイッチング回路と二次側スイッチング回路とを接続する平滑リアクトル１３４と、二次側スイッチング回路の二次側に接続された平滑コンデンサ１３５と、を備えて構成される。

図３のコンバータ回路１３では、一次側上アームスイッチング素子１３３Ａと、一次側下アームスイッチング素子１３３Ｂと、二次側上アームスイッチング素子１３３Ｃと、二次側下アームスイッチング素子１３３Ｄとを、以下に述べるように適切にオンオフ制御することで、コンバータ回路１３を通過する電流あるいは電力を一次側から二次側へと、または二次側から一次側へと、任意の方向の任意の大きさ（ゼロを含む）の電流あるいは電力となるように制御が可能となる。

なお、本実施の形態１におけるコンバータ回路は、図２および図３に示した以外の回路構成でも構わない。たとえば、上記では、架線１が直流電源である場合を一例として説明をしたが、架線１が交流電源である場合、コンバータ回路としては、入力された交流電力を直流電力に双方向に変換可能な回路であるＰＷＭコンバータ回路が好適である。

図１に戻り、コンバータ部１０の出力は２系統に分岐しており、その一方には、第二の電力変換部であるインバータ部３０が接続される。インバータ部３０は、直流／交流変換を行う主回路であるインバータ回路３３と、第二の制御部であるインバータ制御部３４とを具備する。なお、インバータ回路は、電圧形ＰＷＭインバータ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので説明を割愛する。また、その入力側には電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなるフィルタ回路を含む場合が一般的である。

インバータ部３０の交流出力側には、電動機４０が接続される。電動機４０は複数台を並列に接続してもよい。電動機４０は、車輪３を駆動し、電気車を走行させる。電動機４０には、その回転速度を検出する回転検出器４１が設けられ、電動機４０の回転速度情報である速度ＶＥＬをコンバータ制御部１４へ入力する。なお、電動機４０の回転速度情報は、回転検出器４１で得ることに限定されるわけでなく、他の手段でもよい。

コンバータ部１０の出力の２系統のうちのもう一方には、二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵素子５１を直並列に接続してなる電力貯蔵部５０が接続される。電力貯蔵部５０の内部温度（あるいは電力貯蔵素子５１の温度）は、温度検出器５２で検出され、コンバータ制御部１４に入力される。

なお、図示はしていないが、インバータ部３０は、空調装置等の補機への電力供給を行う補助電源装置を含むものとしてもよい。この場合、後述の説明において、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１には、電動機４０を駆動するための力行消費電流あるいは回生電流の他、この補機における消費電流が含まれたものとなる。

また、図１では、コンバータ部１０、インバータ部３０および電力貯蔵部５０は、それぞれ１台ずつ接続した形態として説明しているが、それぞれを複数台備える構成であっても、本発明の展開が可能である。

コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０（コンバータ回路１３）の入力電圧ＥＳＤと、コンバータ回路１３の出力電圧ＢＥＳ（以降、必要に応じて「電力貯蔵部５０の電圧」と記す場合もある）と、入力電流ＩＳＤと、出力電流ＩＭＤと、第二の電力変換部であるインバータ部３０への出力電流ＩＭＢ１（以降、必要に応じて「インバータ部３０の入力電流」と記す場合もある）と、電動機４０の速度ＶＥＬと、電力貯蔵部５０からの電池温度ＢＴＭＰとが入力され、これらの信号に基づいてコンバータ回路１３の内部のスイッチング素子１３３Ａ〜１３３Ｄへの制御信号ＧＤを出力する。

なお、図１ではコンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤをコンバータ制御部１４に入力する構成としているが、コンバータ回路１３のフィルタコンデンサ１３２（図２および図３参照）の電圧ＥＦＣＤを入力する構成としてもよい。

コンバータ制御部１４は、入力が架線に接続されたコンバータ部１０の出力に電動機４０を駆動するインバータ部３０と電力貯蔵部５０とを並列関係に接続した構成において、コンバータ部１０が架線１とインバータ部３０と電力貯蔵部５０との間の電力フローを電気車の走行条件に応じて最適に制御するために重要となる部分であり、本実施の形態の要旨となる部分である。

なお、コンバータ制御部１４の更なる詳細構成は追って説明する。

インバータ制御部３４は、インバータ部３０の入力電圧ＥＳと、インバータ回路３３の出力電流ＩＭとを入力とし、インバータ回路３３の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩを出力する。

また、インバータ制御部３４は、後述する電動機４０がトルク指令どおりのトルクを発生するように、インバータ回路３３の出力電流と出力電圧を制御する。なお、その動作の詳細は、後述する。

架線１とインバータ部３０と電力貯蔵部５０との間の電力フローを電気車の走行条件に応じて最適に制御するために、コンバータ制御部１４およびインバータ制御部３４は、本実施の形態の要旨を成す、少なくとも以下の機能を実現する。

（Ａ）力行放電制御
インバータ部３０の力行電流を架線１から優先的に受電しつつ、所定の条件において電力貯蔵部５０からアシスト放電を実施する。
（Ｂ）回生充電制御
インバータ部３０の回生電流を電力貯蔵部５０の許容範囲内で電力貯蔵部５０へ遅延なく回生充電する。電力貯蔵部５０への回生が困難な分は架線１へ回生する。
（Ｃ）強制放電制御
任意の電流で電力貯蔵部５０の強制放電を行う。
（Ｄ）強制充電制御
任意の電流で電力貯蔵部５０の強制充電を行う。

以上の機能を実現するため、まず、コンバータ制御部１４は、以下の制御を実現可能とする。

（ａ）電動機４０の駆動状態（力行／回生）により生じるインバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の頻繁な変動に対する高い追従性を有した力行放電制御、回生充電制御、強制充電制御および強制放電制御
（ｂ）電力貯蔵部５０の電圧状態、温度状態および最大許容電流を考慮した制御
（ｃ）集電装置２の温度上昇抑制および架線１の回生負荷状態を考慮した制御
（ｄ）コンバータ部１０の最大許容電流を考慮した制御
（ｅ）架線１の電圧変動や、電力貯蔵素子５１の内部抵抗変化等により生じる電圧変動などの外乱に影響されず、且つ、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動に対する高速な制御

上記制御を実現可能とするため、コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０を通過する電流あるいは電力を、ゼロを含む任意の値で、尚且つ任意の方向に、瞬時値ベースでの高速な制御を通じて、電力貯蔵部５０の電流をゼロを含む任意の値で、尚且つ任意の方向に、瞬時値ベースでの高速な制御が可能となるように構成する。具体的には、以下のとおり構成する。

＜＜コンバータ制御部の構成説明＞＞
図４は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部の構成例を示す図である。コンバータ制御部１４は、速度ＶＥＬと、コンバータ部１０の出力電流であり、インバータ部３０の入力部の電流であるＩＭＢ１と、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳとを入力とし、第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３を生成する第一の電流指令生成部６０と、第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３とインバータ部３０の入力部の電流ＩＭＢ１との和をとり、信号ＩＤＲＥＦ１を生成する加算器９０と、速度ＶＥＬが入力され、信号ＩＳＤＲを生成する入力電流制限値設定部９１と、コンバータ部１０の入力電流ＩＳＤの大きさを演算し、信号ＩＳＤＡを出力する絶対値演算部９４と、信号ＩＳＤＲと信号ＩＳＤＡとの差を演算して出力する減算器９２と、減算器９２の出力の正値をカットして信号ＩＳＯＶを生成する正値カット部９３と、信号ＩＤＲＥＦ１と信号ＩＳＯＶとを入力とし、信号ＩＤＲＥＦ２を生成する第三の電流指令調整部１００と、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ（またはフィルタコンデンサ電圧ＥＦＣＤ）が入力され、ゲインＶＬＭＧを生成する入力電圧上昇抑制部１０２と、信号ＩＤＲＥＦ２を入力とし、信号ＶＬＭＧとの積をとり、信号ＩＤＲＥＦ３を生成する乗算器１０１と、信号ＩＤＲＥＦ３の大きさを制限して第一の電流指令であるＩＤＲＥＦを生成する電流指令制限部１０３と、第一の電流指令であるＩＤＲＥＦとコンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤとを入力とし、コンバータ回路１３へスイッチング信号ＧＤを出力する電流制御部１１０とを具備してなる。

なお、インバータ部３０の入力部の電流であるＩＭＢ１はそれを電流検出器で検出することが好ましいが、インバータ部３０の出力部の電流や電圧の状態量から演算して算出することも可能である。

次に、第一の電流指令生成部６０を構成する各部の動作について説明する。まず、力行アシスト量設定部６３には、速度ＶＥＬが入力される。力行アシスト量設定部６３は、入力された速度ＶＥＬに基づき、０〜１の値をとる力行アシストゲインＰＡＧを生成して出力する。

この力行アシスト量設定部６３では、例えば、速度ＶＥＬが所定値以上となった条件で、力行アシストゲインＰＡＧを０から０．５に切りかえる処理が行われ、電動機４０の力行電力の５０％を電力貯蔵部５０から、残り５０％を架線１から供給することができる。なお、動作の詳細は追って説明する。

なお、力行アシスト量設定部６３への入力は、図示した速度ＶＥＬ以外でもよく、例えば入力電圧や入力電力に関係する量であるコンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤや、コンバータ部１０の入力電力（ＥＳＤとＩＳＤの積）、インバータ部３０の入力電圧や入力電力でもよく、これらの入力に基づき、力行アシストゲインＰＡＧを生成することも可能である。

コンバータ部１０の出力電流ＩＭＢ１（インバータ部３０の入力部の電流と等しい）は、ＩＭＢ１が正のときはＩＭＢ１をそのまま出力し、ＩＭＢ１が負のときはゼロを出力する負値カット部６１に入力される。負値カット部６１の出力信号は、極性反転ゲイン６２を通して極性が反転され、信号ＩＭＢＰを生成する。

例えば、電動機４０が力行運転の場合は、ＩＭＢ１が正となるので、信号ＩＭＢＰはＩＭＢ１と等しい値となる。一方、電動機４０が回生運転の場合は、ＩＭＢ１が負となるので、信号ＩＭＢＰはゼロとなる。つまり、信号ＩＭＢＰは、電動機４０が力行運転の場合にのみ、出力信号ＩＭＢ１と大きさが等しく極性が逆の値として生成される。電動機４０が回生運転時の場合は信号ＩＭＢＰはゼロとなる。

信号ＩＭＢＰおよび力行アシストゲインＰＡＧは、乗算器６４で乗算され、信号ＩＰＡＳを生成する。信号ＩＰＡＳは、インバータ部３０の力行電流の一部を電力貯蔵部５０から放電させるための放電電流の指令である力行アシスト放電電流指令であり、電動機４０が力行運転時において、力行アシスト量設定部６３の設定に応じて、出力電流ＩＭＢ１に０〜１のゲインＰＡＧを掛けた値として算出される。図４に示す構成では、通常、信号ＩＰＡＳは負の値をとる。

また、コンバータ部１０の出力電流ＩＭＢ１は、ＩＭＢ１が負のときはＩＭＢ１をそのまま出力し、ＩＭＢ１が正のときはゼロを出力する正値カット部６５に入力される。正値カット部６５の出力信号は、極性反転ゲイン６６を通して極性が反転され、信号ＩＭＢＮを生成する。

例えば、電動機４０が力行運転の場合は、ＩＭＢ１が正となるので、信号ＩＭＢＮはゼロとなる。一方、電動機４０が回生運転の場合は、ＩＭＢ１が負となるので、信号ＩＭＢＮの大きさはＩＭＢ１と等しくなる。つまり、信号ＩＭＢＮは、電動機４０が回生運転の場合にのみ、出力信号ＩＭＢ１と大きさが等しく極性が逆の値として生成される。電動機４０が力行運転時の場合は信号ＩＭＢＮはゼロとなる。

次に、過充電抑制ゲイン生成部６７には電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが入力される。過充電抑制ゲイン生成部６７は、入力された電圧ＢＥＳに基づき、０〜１の値をとる過充電抑制ゲインＨＶＧを生成して出力する。

図５は、本発明の実施の形態１における過充電抑制ゲイン生成部６７の構成例を示す図である。

この過充電抑制ゲイン生成部６７では、電圧ＢＥＳが第一の設定値以下の場合は、ゲインＨＶＧは１とし、電圧ＢＥＳが第一の設定値を超過した場合、電圧ＢＥＳに応じてゲインＨＶＧを１から減少させ、電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値になった時点で、ゲインＨＶＧをゼロとする処理が行われる。

信号ＩＭＢＮおよび過充電抑制ゲインＨＶＧは、乗算器６８にて乗算され、信号ＩＲＥＧＲＥＦが生成される。なお、図４に示す構成では、通常、信号ＩＲＥＧＲＥＦは正の値をとる。

信号ＩＲＥＧＲＥＦは、インバータ部３０からの回生電流を電力貯蔵部５０へ充電するための充電電流の指令である回生充電電流指令であり、電動機４０の回生運転時に、上記で説明したとおり、インバータ部３０の入力部の電流ＩＭＢ１と電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳとに基づいて算出される。

このようにして、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが第一の設定値以下であるときは、インバータ部３０からの回生電流ＩＭＢ１と大きさの等しい信号ＩＲＥＧＲＥＦを生成し、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが第一の設定値以上となった時点で信号ＩＲＥＧＲＥＦの大きさを抑制し、電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値になった時点で、信号ＩＲＥＧＲＥＦをゼロとすることができる。このように構成することで、電力貯蔵部５０の充電量が増加して電圧ＢＥＳが所定値よりも大きくなった際に、電力貯蔵部５０への充電電流の指令である回生充電電流指令ＩＲＥＧＲＥＦの大きさを抑制し、電圧ＢＥＳが第二の設定値以上にならないように動作させることができる。このため、後述する電力貯蔵部５０が過充電とならないような第一の電流指令ＩＤＲＥＦを生成でき、電力貯蔵素子５１の劣化を抑制することができる。

信号ＩＰＡＳを強制放電電流設定部６０１に入力する。強制放電電流設定部６０１は、電力貯蔵部５０の電力をインバータ部３０の入力電流の状態（力行、回生）や力行アシスト放電の状態（実施、非実施）によらず、任意の電流値で強制的に放電させたい場合に実施する強制放電制御を実施するための構成要素である。強制放電電流設定部６０１は上限設定値が可変のリミッタであり、信号ＩＰＡＳと強制放電電流設定値である信号ＨＲＥＦとが入力され、信号ＩＰＡＳの上限が信号ＨＲＥＦ以上とならないように調整した信号ＩＰＡＳ１を生成して出力する。信号ＨＲＥＦは通常、負の値を設定する。例えば電力貯蔵部５０から少なくとも１００Ａを強制放電する場合は信号ＨＲＥＦを−１００とする。そうすれば信号ＩＰＡＳ１は−１００Ａ以上にはならないので、以下に順次説明するとおり、少なくとも１００Ａで放電することが可能となる。なお信号ＨＲＥＦをゼロに設定すれば、強制放電制御は行われない。

次に、信号ＩＲＥＧＲＥＦを強制充電電流設定部６０２に入力する。強制充電電流設定部６０２は、電力貯蔵部５０の電力をインバータ部３０の入力電流の状態（力行、回生）によらず、任意の電流値で強制的に充電させたい場合に実施する強制充電制御を実施するための構成要素である。

強制充電電流設定部６０２は、下限設定値が可変のリミッタであり、信号ＩＲＥＧＲＥＦと強制充電電流設定値である信号ＪＲＥＦとが入力され、信号ＩＲＥＧＲＥＦの下限が信号ＪＲＥＦ以下とならないように調整した信号ＩＲＥＧＲＥＦ１を生成して出力する。信号ＪＲＥＦは通常、正の値を設定する。例えば電力貯蔵部５０を少なくとも１００Ａで強制充電する場合は、信号ＪＲＥＦを＋１００とする。そうすれば信号ＩＲＥＧＲＥＦ１は＋１００Ａ以下にはならないので、以下に順次説明するとおり、少なくとも１００Ａで充電することが可能となる。なお信号ＪＲＥＦをゼロに設定すれば、強制充電制御は行われない。

信号ＩＰＡＳ１と信号ＩＲＥＧＲＥＦ１とは加算器６９にて加算され、信号ＩＢＲＥＦ１が生成される。この信号ＩＢＲＥＦ１は、電力貯蔵部５０の力行アシスト放電電流指令と回生充電電流指令とを合成した電力貯蔵部５０に対する充放電電流の指令である力行アシスト放電／回生充電電流指令である。

信号ＩＢＲＥＦ１は、第一の電流指令調整部７０に入力される。第一の電流指令調整部７０は、信号ＩＢＲＥＦ１を電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳに基づき調整した信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。

図６は、本発明の実施の形態１における第一の電流指令調整部７０の構成例を示す図である。図６に示すように、第一の電流指令調整部７０は、電圧ＢＥＳに基づいて信号ＨＶＧ１を出力する第二の過充電抑制ゲイン生成部７１Ａと、電圧ＢＥＳに基づいて信号ＬＶＧ１を出力する過放電抑制ゲイン生成部７１Ｂと、信号ＩＢＲＥＦ１が正であるとき（電力貯蔵部５０を充電する方向であるとき）にＨＶＧ１を出力し、それ以外のときは１を出力するスイッチ７２Ａと、信号ＩＢＲＥＦ１が負であるとき（電力貯蔵部５０を放電する方向であるとき）にＬＶＧ１を出力し、それ以外のときは１を出力するスイッチ７２Ｂと、信号ＨＶＧ１と信号ＬＶＧ１をそれぞれ信号ＩＢＲＥＦ１に乗算して信号ＩＢＲＥＦ２を生成する乗算器７３とからなる。

第一の電流指令調整部７０は、電力貯蔵部５０の過充電／過放電を抑制するための調整部であり、電力貯蔵部５０への電流指令である信号ＩＢＲＥＦ１が正（＝充電方向、回生充電）の場合には、電圧ＢＥＳが所定値を超えないように、入力された信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。

例えば、電圧ＢＥＳが充電電流の抑制を開始するための第五の設定値以下である場合は、信号ＨＶＧ１を１として、信号ＩＢＲＥＦ２を信号ＩＢＲＥＦ１と等しい値とし、電圧ＢＥＳが充電電流の抑制を開始するための第五の設定値以上である場合は、信号ＨＶＧ１を１から０の間の値として、信号ＩＢＲＥＦ２を、信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した値とする。電圧ＢＥＳが上限である第六の設定値に達した時点で、信号ＨＶＧ１を０として信号ＩＢＲＥＦ２をゼロとする。

また、電力貯蔵部５０への電流指令である信号ＩＢＲＥＦ１が負（＝放電方向、力行アシスト放電）の場合には、電圧ＢＥＳが所定値を下回らないように、入力された信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。

例えば、電圧ＢＥＳが放電電流の抑制を開始するための第七の設定値以上である場合は、信号ＩＢＲＥＦ２は信号ＩＢＲＥＦ１と等しい値とし、電圧ＢＥＳが放電電流の抑制を開始する第七の設定値以下である場合は、信号ＩＢＲＥＦ２は、信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した値とする。電圧ＢＥＳが下限である第八の設定値に達した時点で、信号ＩＢＲＥＦ２はゼロとする。

このようにして、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが上限値である第六の設定値を超えたり、下限値である第八の設定値を下回ったりしないように調整した充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。このように構成することで、電力貯蔵素子５１の過充電や過放電による劣化を抑制できる。

上記のように生成された信号ＩＢＲＥＦ２は、第二の電流指令調整部８０に入力される。第二の電流指令調整部８０は、信号ＩＢＲＥＦ２を電力貯蔵部５０の温度ＢＴＭＰに基づき調整した信号ＩＢＲＥＦ２１を生成する。

第二の電流指令調整部８０は、電力貯蔵部５０が所定の値よりも高温の場合に電力貯蔵部５０の充放電電流を低減し、また電力貯蔵部５０が所定の値よりも低温の場合には、特に充電電流を低減するようにする調整部であり、温度ＢＴＭＰに基づき入力された信号ＩＢＲＥＦ２の大きさを必要に応じて抑制した信号ＩＢＲＥＦ２１を生成する。このように構成することで、高温下、あるいは低温下での充放電電流を抑制できるので電力貯蔵素子５１の劣化を抑制できる。

信号ＩＢＲＥＦ２１は、電流指令制限部８１に入力される。電流指令制限部８１は、入力された信号ＩＢＲＥＦ２１の上限と下限を所定の値に制限し、第二の電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３を生成して出力するリミッタである。通常は上限値には電力貯蔵素子５１の許容充電電流最大値をセットし、下限値には電力貯蔵素子５１の許容放電電流最大値をセットする。このように構成することで、電力貯蔵部５０の最大許容電流を超えた充放電電流を電力貯蔵部５０に流すことを回避でき、電力貯蔵部５０の損傷を回避できる。また、充電電流の許容値、放電電流の許容値をそれぞれ個別に設定できる。

信号ＩＢＲＥＦ３は、第二の電流指令であり、上述した第一の電流指令調整部７０および第二の電流指令調整部８０により調整された、電力貯蔵部５０の最終的な充放電電流の指令である。

信号ＩＢＲＥＦ３とコンバータ部１０の出力電流ＩＭＢ１とは加算器９０にて加算され、信号ＩＤＲＥＦ１が生成される。

信号ＩＤＲＥＦ１は、第三の電流指令調整部１００に入力される。第三の電流指令調整部１００は、入力された信号ＩＳＯＶに基づいて信号ＩＤＲＥＦ１を調整した信号ＩＤＲＥＦ２を生成する。

次に、第三の電流指令調整部１００に入力される信号ＩＳＯＶについて説明する。

まず、速度ＶＥＬが入力電流制限値設定部９１に入力される。入力電流制限値設定部９１は、速度ＶＥＬに基づき、入力電流ＩＳＤの上限値である信号ＩＳＤＲを生成する。

次に、入力電流ＩＳＤが絶対値演算部９４に入力される。絶対値演算部９４は、入力電流ＩＳＤの大きさの信号である信号ＩＳＤＡを生成する。

次に、減算器９２にて、信号ＩＳＤＲから信号ＩＳＤＡを減算する処理が行われ、その差分値が正値カット部９３に入力される。正値カット部９３は、正の値をカットした信号として信号ＩＳＯＶを生成する。

これらの構成により、入力電流ＩＳＤの大きさが上限値である信号ＩＳＤＲを超過した時点で信号ＩＳＯＶが生成される。

第三の電流指令調整部１００は、信号ＩＳＯＶがゼロの場合は、入力された信号ＩＤＲＥＦ１をそのまま信号ＩＤＲＥＦ２として出力し、信号ＩＳＯＶがゼロではない負の値をとる場合、信号ＩＳＯＶに基づいて入力された信号ＩＤＲＥＦ１の大きさを低減した信号ＩＤＲＥＦ２を生成する。この構成により、コンバータ部１０の入力電流ＩＳＤの大きさが上限値ＩＳＤＲを超えないように調整した信号ＩＤＲＥＦ２を得ることができる。

なお、入力電流ＩＳＤの上限値である信号ＩＳＤＲは、例えば、速度ＶＥＬが所定の値より低い領域では低い値（図では２００Ａ）としておき、速度ＶＥＬが所定の値より高い領域では高い値（図では８００Ａ）としておくことが考えられる。このように設定すれば、電気車が停止時や低速走行時には入力電流ＩＳＤの大きさを低く制限し、電気車の速度が高い領域では入力電流ＩＳＤの大きさを大きくとることができる。このようにすれば、特に電気車が停止中や低速走行時に集電装置２の集電電流を抑えることができるので、集電装置２や、架線１と集電装置２との接触部における温度上昇を抑制することができる。

ここで、上記温度上昇について、補足説明を行う。電気車が停車中は、集電装置２と架線１との接触点が変化しないため、接触抵抗と入力電流ＩＳＤにより生じる損失で接触点が局所的に発熱することが考えられる。また、電気車が停車中は集電装置２と架線１との接触箇所が摺動しないため、接触点が汚損していて接触状態が悪い場合は、接触抵抗が大きいままとなり、発熱を助長することが考えられる。過度な発熱は、集電装置２や架線１を溶融する等の原因となる。一方、電気車が走行中のときは、集電装置２と架線１との接触点は摺動しながら移動するため、接触点が常に移動し、また摺動により接触点が清浄されるので、停車中のような問題は発生しない。

上記のように、停車中や低速走行時には入力電流ＩＳＤを低く設定できる構成とすることで、集電装置２と架線１との接触点の発熱を防止できる。

なお、図４に示した、入力電流制限値設定部９１と絶対値演算部９４と減算器９２と正値カット部９３とからなる入力電流制限部９５の構成は、上記の目的を実現できればこれ以外の構成としてもよいことは言うまでもない。

第三の電流指令調整部１００が生成した信号ＩＤＲＥＦ２は乗算器１０１に入力される。乗算器１０１では、信号ＩＤＲＥＦ２と信号ＶＬＭＧとが乗算され、信号ＩＤＲＥＦ３を生成する。信号ＩＤＲＥＦ３は電流指令制限部１０３に入力される。電流指令制限部１０３は、信号ＩＤＲＥＦ３の上限値と下限値の大きさをコンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤの許容最大電流以下となるように制限し、第一の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成する。この信号ＩＤＲＥＦは、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤの指令であるコンバータ出力電流指令である。この電流指令制限部１０３により、信号ＩＤＲＥＦをいかなる場合でもコンバータ回路１３の許容電流値以下とすることができるので、これに基づいて制御されたコンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤの大きさを許容電流値以下にすることができるので、コンバータ部１０を過電流で損傷することを回避できる。

次に、乗算器１０１に入力される信号ＶＬＭＧについて説明する。

信号ＶＬＭＧは、電動機４０が回生運転時、あるいは電力貯蔵部５０の電力を架線１へ強制放電中である場合に、架線１の回生負荷が不足した場合において、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ（またはフィルタコンデンサ１３２の電圧ＥＦＣＤ）が上昇するのを抑制するための入力電流上昇抑制ゲインである。具体的には、図示のようにコンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ（あるいはフィルタコンデンサ１３２の電圧ＥＦＣＤ）を入力電圧上昇抑制部１０２に入力する。

入力電圧上昇抑制部１０２は、電圧ＥＳＤ（あるいは電圧ＥＦＣＤ）が所定値（例えば図では１７５０Ｖ）以下である場合には、信号ＶＬＭＧを１とし、電圧ＥＳＤが所定値を超え、上限値（図では１８００Ｖ）に到達した時点で信号ＶＬＭＧをゼロとする。この処理により、電圧ＥＳＤが所定値（本例では１７５０Ｖ）以下である場合には、信号ＩＤＲＥＦ３と信号ＩＤＲＥＦ２とは等しくなる。一方、電圧ＥＳＤが上限値（本例では１８００Ｖ）に到達した時点で、信号ＩＤＲＥＦ３はゼロとなる。

一般的に、架線１の公称電圧が例えばＤＣ１５００Ｖである電気鉄道では、架線１の電圧が１７５０Ｖ〜１８００Ｖを上回らないようにする必要があるが、上述した構成により、電動機４０が回生運転時あるいは電力貯蔵部５０を強制放電する場合において、すなわちコンバータ部１０が出力側から入力側へ電力を流している場合において、架線１の回生負荷が不足した場合に、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤが所定の上限値を超えることがないように調整された信号ＩＤＲＥＦ３を得ることができる。これにより、回生負荷が不足した場合においてもコンバータ部１０が過電圧でトリップしたり、コンバータ部１０を損傷したりすることを回避できる。

以上のように、コンバータ部１０が過電圧でトリップしたり、コンバータ部１０を損傷したりすることを回避できる第一の電流指令であるコンバータ出力電流ＩＤＲＥＦを得ることができる。

コンバータ制御部１４の最終段では、信号ＩＤＲＥＦとコンバータ部１０の出力電流ＩＭＤとが電流制御部１１０に入力される。電流制御部１１０は、信号ＩＤＲＥＦとコンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤの偏差に基づいて、第一の電流指令ＩＤＲＥＦに出力電流ＩＭＤが一致するように比例積分制御を実施して、コンバータ部１０のスイッチング素子のオンオフ（ＰＷＭ）制御を行い、コンバータ回路１３のスイッチング素子のスイッチング信号ＧＤを生成する。

上記のように構成したコンバータ制御部１４によれば、電動機４０の力行運転時には、架線１からの電力と電力貯蔵部５０からの電力との配分を任意に設定してインバータ部３０に力行電力を供給することができ、電動機４０の回生運転時には、回生電力を電力貯蔵部５０に吸収充電させることが可能となる。

また、この際に、電力貯蔵部５０が過充電、過放電となることを回避し、また温度に応じた適切な充放電を行うことができる。

また、コンバータ部１０の入力電流ＩＳＤの上限を制限することができるので、集電装置２や、架線１と集電装置２との接触部の温度が上昇するのを抑制することができる。

＜＜インバータ制御部の構成説明＞＞
次に、インバータ制御部３４の構成を説明する。図７は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。

インバータ制御部３４は、インバータ部３０の入力電圧ＥＳが入力され、ＥＳに基づいてトルク絞込み量ＶＤＴを生成する回生トルク絞込み量設定部３５と、図示しない外部の制御部で生成された回生ブレーキトルクの要求値である要求トルクＰＴＲＳからトルク絞り込み量ＶＤＴを減算してトルク指令ＰＴＲとして出力する減算器３６と、トルク指令ＰＴＲに基づいて、電動機４０がトルク指令ＰＴＲどおりの回生トルクを発生するようにトルク制御を行うトルク制御部３７とを具備してなる。

回生トルク絞込み量設定部３５は、例えば電圧ＥＳが第三の設定値(図７の例では６５０Ｖ)以下の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴをゼロとする。この場合、要求トルクＰＴＲＳ＝トルク指令ＰＴＲとなる。電圧ＥＳが第三の設定値（同６５０Ｖ）以上の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させ、電圧ＥＳがさらに上昇して第四の設定値（同７００Ｖ）以上となった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴを要求トルクＰＴＲＳと等しくなるまで増加させ、トルク指令ＰＴＲをゼロとする処理が行われる。

上記のように構成したので、電動機４０が回生運転中であって、電力貯蔵部５０が回生電力により充電されている場合に、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが上限値である第四の設定値を超過しないように、電動機４０の回生トルクを絞り込むことで回生電力を抑制して、電力貯蔵部５０が過充電となることを回避できる。

なお、回生トルク絞込み量設定部３５における、回生トルクの絞込みを開始する第三の設定値は、過充電抑制ゲイン生成部６７で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第一の設定値あるいは第一の電流指令調整部７０で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第五の設定値よりも大きな値とするのが好ましい。

さらには、回生トルク絞込み量設定部３５における、回生トルクの絞込みを開始する第三の設定値は、過充電抑制ゲイン生成部６７で設定する電力貯蔵部５０への充電電流をほぼゼロに絞りきる第二の設定値あるいは第一の電流指令調整部７０で設定する電力貯蔵部５０への充電電流をほぼゼロに絞りきる第六の設定値よりも大きな値とするのが好ましい。

このようにすれば、電動機４０が回生運転中に、回生電流で電力貯蔵部５０を充電しているときに、電力貯蔵部５０の充電量が増加して電圧ＢＥＳが上昇し、第一の設定値あるいは第五の設定値を超過した場合に、まず、過充電抑制ゲイン生成部６７あるいは第一の電流指令調整部７０において電力貯蔵部５０への充電電流の指令である第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３の大きさが抑制され、電力貯蔵部５０への充電を抑制すると同時に、抑制された分に相当する回生電流はコンバータ部１０を介して架線１へ回生されるように動作するので、電力貯蔵部５０の充電量が高く回生電流の受け入れが十分にできない場合においても、電動機４０の回生電流が絞られることがなく、連続した安定した回生ブレーキが得られる。

さらに、電動機４０からの回生運転が継続して、電力貯蔵部５０の充電量がさらに増加して電圧ＢＥＳが第二の設定値あるいは第六の設定値まで到達した場合に、過充電抑制ゲイン生成部６７あるいは第一の電流指令調整部７０において電力貯蔵部５０への充電電流の指令である第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３の大きさをほぼゼロまで絞りきる動作が行われるので、電動機４０からの回生電流はすべてコンバータ部１０を介して架線１へ回生されるように動作することになり、電力貯蔵部５０の充電量をそれ以上増加させることがない。つまり過充電を抑制できる。なお、この場合においても、回生トルクの絞込みを開始する第三の設定値が第二の設定値あるいは第六の設定値よりも大きい値に設定されているので、電動機４０の回生電力が絞られることがなく、連続した安定した回生ブレーキが得られる。

この状態において、架線１の回生負荷の不足が生じた場合には、架線１の電圧ＥＳＤが増加するので、これに応じて信号ＶＬＭＧにより第一の電流指令ＩＤＲＥＦが絞られるので、コンバータ部１０は架線１への回生電流を抑制することができ、入力電圧の上昇を抑制することができる。このとき、架線１への回生電流が抑制された分だけ、電動機４０の回生電流は電力貯蔵部５０に流れ込むことになる。このため、電圧ＢＥＳはさらに上昇することになるので、回生トルク絞込み量設定部３５における、回生トルクの絞込みを開始する第三の設定値（過充電抑制ゲイン生成部６７で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第一の設定値あるいは第一の電流指令調整部７０で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第五の設定値よりも大きな値である）を超過した段階で、インバータ部３０により電動機４０の回生トルクが絞られる。電圧ＢＥＳが第四の設定値に到達した時点で回生トルクはゼロまで絞りきられるため、これ以上、電力貯蔵部５０が充電されることはない。したがって、電力貯蔵部５０の許容上限電圧を第四の設定値として設定すればよい。

このように動作するので、電力貯蔵部５０の充電状態が増加して電圧ＢＥＳが上限付近に達しても、架線１の回生負荷が十分にある場合は電動機４０の回生電力を架線１へ回生するように連続的に動作するので、架線１の回生負荷が不足しない限り電動機４０の回生ブレーキトルクが絞られることがない。したがって、回生ブレーキ時には、電力貯蔵部５０への回生充電を優先的に行い、尚且つ電力貯蔵部５０が過充電とならないように回生電流の過剰分を架線１へ回生可能とできるので、回生電力を最大限、電力貯蔵部５０へ回収可能とするとともに、電動機４０の回生ブレーキトルクの絞込みを最大限回避した連続的で安定した回生ブレーキが得られる。

なお、回生トルク絞込み量設定部３５、過充電抑制ゲイン生成部６７、第一の電流指令調整部７０のいずれも、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳに基づいて信号を生成する構成で説明したが、電力貯蔵部５０の充電状態を示す信号であれば、電圧ＢＥＳ以外でもよく、例えば電力貯蔵部５０のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；充電量）でもよい。

また、回生トルク絞込み量設定部３５と減算器３６とからなる回生絞込み処理の構成は、上記した機能、すなわちインバータ部３０の入力電圧の大きさに基づいて電動機４０の回生トルクの絞込み制御を実現できればよく、図７に示すもの以外でもかまわない。信号ＶＤＴを要求トルクＰＴＲＳに対する０〜１の値をとるゲインとしてもよいし、トルク指令の代わりに電動機４０のトルク分電流指令を絞り込む構成としてもよい。

次に、上述した構成の要点および効果を以下に示す。

インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１が回生方向の電流である場合は、この電流を電力貯蔵部５０へ優先的に流して回生充電を行うための信号ＩＭＢＮを生成し、この信号ＩＭＢＮと電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳとに基づいて電力貯蔵部５０の過充電を回避するための電流抑制処理を行った信号ＩＲＥＧＲＥＦを生成するように構成した。信号ＩＲＥＧＲＥＦは、回生充電制御を行うための電力貯蔵部５０の電流の基本的な目標値である。このように構成したため、インバータ部３０の回生電流を電力貯蔵部５０の許容範囲内で電力貯蔵部５０へ遅延なく回生充電する制御を実行できる。

次に、強制充電電流設定部６０２は、信号ＩＲＥＧＲＥＦの値に基づき、電力貯蔵部５０の充電電流の大きさの最低値が強制充電電流指令ＪＲＥＦ以上となるように処理した信号ＩＲＥＧＲＥＦ１を生成するように構成した。信号ＩＲＥＧＲＥＦ１は、回生充電制御と強制充電制御を行うための電力貯蔵部５０の電流の基本的な目標値である。このように構成したため、インバータ部３０の回生電流を電力貯蔵部５０の許容範囲内で電力貯蔵部へ優先的に遅延なく回生充電し、尚且つ任意の電流で電力貯蔵部５０の強制充電を行う制御を実行できる。

インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１が力行方向の電流である場合は、この電流を架線１から優先的に受電するための信号ＩＭＢＰを生成し、この信号ＩＭＢＰと信号ＰＡＧとから信号ＩＰＡＳを生成するように構成した。信号ＩＰＡＳは、力行放電制御を行うための電力貯蔵部５０の電流の基本的な目標値である。このように構成したため、インバータ部３０の力行電流を架線１から優先的に受電しつつ、任意の割合で電力貯蔵部５０からアシスト放電を実施することが可能な制御系を構築できる。

次に、強制放電電流設定部６０１は、信号ＩＰＡＳの値に基づき、電力貯蔵部５０の放電電流の大きさの最低値が強制放電電流指令ＨＲＥＦ以上となるように処理した信号ＩＰＡＳ１を生成するように構成した。信号ＩＰＡＳ１は、力行放電制御と強制放電制御を行うための電力貯蔵部５０の電流の基本的な目標値である。このように構成したため、インバータ部３０の力行電流を架線１から優先的に受電しつつ、任意の割合で電力貯蔵部５０からアシスト放電を実施すること、尚且つ任意の電流で電力貯蔵部５０の強制放電を行う制御を実行できる。

また、上記のように生成した信号ＩＲＥＧＲＥＦ１と信号ＩＰＡＳ１とから、電力貯蔵部５０の電流の基本的な目標値である信号ＩＢＲＥＦ１を生成するように構成した。信号ＩＢＲＥＦ１は、力行放電制御、回生充電制御、強制充電制御、強制放電制御の各機能を実現する電力貯蔵部５０の電流の基本的な目標値となる。このように、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢの瞬時値に基づいて信号ＩＢＲＥＦ１を生成するため、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の大きさと向きの変化に瞬時的に対応した信号ＩＢＲＥＦ１を生成できるので、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動に対する高い追従性を有した力行放電制御、回生充電制御、強制充電制御、強制放電制御を実現する制御を実行できる。

次に、信号ＩＢＲＥＦ１に基づいて電力貯蔵部５０の状態（電圧の状態、温度の状態）と、電力貯蔵素子５１の許容最大電流を考慮して、実際に電力貯蔵部５０が充放電可能な電流の瞬時値を決定し、最終的な電力貯蔵部５０の充放電電流の指令である第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３を生成するように構成した。このように構成したので、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動に対する高い追従性を有した力行放電制御、回生充電制御、強制充電制御、強制放電制御を実現し、尚且つ電力貯蔵部５０の電圧状態、温度状態、許容最大電流を考慮した制御を実行できる。

次に、第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３とインバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１とに基づいてコンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤの電流指令の基本となる信号ＩＤＲＥＦ１を生成するように構成した。信号ＩＤＲＥＦ１は、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動に対する高い追従性を有した力行放電制御、回生充電制御、強制充電制御、強制放電制御を実現し、尚且つ電力貯蔵部５０の電圧状態、温度状態、許容最大電流を考慮した制御を実行するために、コンバータ部１０が負担すべき電流の基本的な指令となる。このように構成したので、電力貯蔵部５０の電流を第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３に一致させるために必要なコンバータ部１０が負担する電流の瞬時値の指令が生成できる。

次に信号ＩＤＲＥＦ１に基づいて、集電装置２の温度上昇抑制、コンバータ部１０の入力電圧状態、コンバータ部１０の許容最大電流を考慮して、最終的にコンバータ部１０が負担する電流の指令である第一の電流指令ＩＤＲＥＦを生成するように構成した。第一の電流指令ＩＤＲＥＦは、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動に対する高い追従性を有した力行放電制御、回生充電制御、強制充電制御、強制放電制御を実現し、尚且つ電力貯蔵部５０の電圧状態、温度状態、定格最大電流を考慮した制御を実行し、尚且つ集電装置２の温度上昇とコンバータ部１０の入力電圧の上昇を抑制し、コンバータ部１０の電流を最大許容電流以下とするコンバータ部１０が負担すべき電流の電流指令となる。このように構成したので、電力貯蔵部５０の電流を第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３に一致させ、尚且つ集電装置２の温度上昇抑制、架線１の回生負荷状態、コンバータ部１０の最大許容電流を考慮したコンバータ部１０の電流の瞬時値の指令が生成できる。

次に第一の電流指令ＩＤＲＥＦとコンバータ部１０の出力電流ＩＭＤの偏差に基づいて、第一の電流指令ＩＤＲＥＦに出力電流ＩＭＤが一致するように、比例積分制御を実施してコンバータ部１０のスイッチング素子のオンオフ（ＰＷＭ）制御を行うように構成した。このように構成したので、架線１の電圧変化や電力貯蔵部５０の電圧変化等の外乱に影響されず、またインバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動があっても、コンバータ部１０の出力電流ＩＭＤを第一の電流指令ＩＤＲＥＦに高速に追従させるように制御できる。

コンバータ制御部１４を上記のように構成することで、以下の事項を同時に満たす制御機能が実現できる。

インバータ部３０の回生電流を電力貯蔵部５０の許容範囲内で電力貯蔵部５０へ優先的に遅延なく回生充電し、尚且つ任意の電流で電力貯蔵部５０の強制充電を行う制御を実行できる。

インバータ部３０の力行電流を架線１から優先的に受電しつつ、所定の条件において電力貯蔵部５０からアシスト放電を実施すること、尚且つ任意の電流で電力貯蔵部５０の強制放電を行う制御を実行できる。

インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動に対する高い追従性を有した力行放電制御、回生充電制御、強制充電制御、強制放電制御を実現する制御を実行でき、尚且つ電力貯蔵部５０の電圧状態、温度状態、最大許容電流を考慮した制御を実行できる。

集電装置２の温度上昇抑制、架線１の回生負荷状態を考慮してコンバータ部１０を制御することができる。また、コンバータ部１０の最大許容電流を考慮してコンバータ部１０を制御することができる。

架線１の電圧や電力貯蔵部５０の電圧変動の外乱に影響されず、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の変動に対して高速に制御することができる。

以上のとおり、コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０を通過する電流あるいは電力を、ゼロを含む任意の値で、尚且つ任意の方向の対応指令値に一致するように、瞬時値ベースでの高速な制御が可能となる。したがって、架線１とインバータ部３０と電力貯蔵部５０との間の電力フローを電気車の走行条件に応じて最適に制御することを可能とするシステム効率のよい電気車推進用電力変換装置の提供が可能となる。

なお、上記説明では、信号ＩＭＢ１、信号ＩＭＢＰ、信号ＩＰＡＳ、信号ＩＰＡＳ１、信号ＩＭＢＮ、信号ＩＲＥＧＲＥＦ、信号ＩＲＥＧＲＥＦ１、信号ＩＢＲＥＦ１、信号ＩＢＲＥＦ２、信号ＩＢＲＥＦ２１、信号ＩＢＲＥＦ３、信号ＩＤＲＥＦ１、信号ＩＤＲＥＦ２、信号ＩＤＲＥＦ３、信号ＩＤＲＥＦについて、それぞれ回路中の所定部分の電流、あるいは電流指令であるとして説明したが、これらの信号を当該部の電力あるいは電力指令に相当する量であるとして構成してもかまわない。電力が電流と電圧の積であることを利用すれば、電力に基づいた制御系に置き換えることは容易である。

つまり、信号ＩＭＢ１、信号ＩＭＢＰ、信号ＩＰＡＳ、信号ＩＰＡＳ１、信号ＩＭＢＮ、信号ＩＲＥＧＲＥＦ、信号ＩＲＥＧＲＥＦ１、信号ＩＢＲＥＦ１、信号ＩＢＲＥＦ２、信号ＩＢＲＥＦ２１、信号ＩＢＲＥＦ３、信号ＩＤＲＥＦ１、信号ＩＤＲＥＦ２、信号ＩＤＲＥＦ３、信号ＩＤＲＥＦに関するそれぞれの回路中の該当部分の電流、あるいは電流指令は、当該箇所の電力あるいは電力指令をも包括した意味である。

また、信号ＩＭＢ１はインバータ部３０の入力電流であるとして説明しているが、インバータ部３０を通過する電流あるいは電力に相当する量であれば、これ以外の信号を用いても構成が可能であることは言うまでもない。つまり、信号ＩＭＢ１は第二の電力変換部であるインバータ部３０を通過する電流あるいは電力を意味している。

このように、本明細書中における「電流」および「電流指令」なる用語を「電力」および「電力指令」をも包含する「電気量」および「電気量指令」と読み替えた場合には、「電流」および「電流指令」のみならず、「電力」および「電力指令」をも含む概念であることを意味する。

＜＜システムの動作の説明＞＞
次に、以上説明した構成における電気車推進用電力変換装置としての動作および効果について説明する。

＜＜電気車が力行加速する場合（力行放電制御）＞＞
電気車が力行加速する場合において、力行アシスト量設定部６３の出力信号ＰＡＧが０である場合は、第二の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３がゼロとなるので、第一の電流指令であり、コンバータ回路１３の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦはインバータ部３０の入力電流であるＩＭＢ１と等しくなる。電流制御部１１０は、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤが信号ＩＤＲＥＦと等しくなるように制御するので、電動機４０の力行電力はコンバータ部１０を介して全て架線１から供給される。このようにすることで、架線１から十分な電力を効率よく受電できるときは、電力貯蔵部５０の電力を消費することがないので、電力貯蔵部５０の充電量の低下を回避することが可能となる。

ここで、力行アシスト量設定部６３の出力信号ＰＡＧを０〜１の任意の値ｎとした場合は、第二の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３は、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１と極性が逆であり、大きさは入力電流ＩＭＢ１に前記任意の値ｎを乗算した値となる。このため、第一の電流指令であり、コンバータ回路１３の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦは、電流ＩＭＢ１から電力貯蔵部５０から供給する放電電流分である信号ＩＢＲＥＦ３の分を差し引いた値となる。電流制御部１１０は、コンバータ回路１３の出力電流を信号ＩＤＲＥＦと等しくなるように制御するので、電動機４０の力行電力のうち、ｎ×１００％は電力貯蔵部５０から供給され、残りの（１−ｎ）×１００％はコンバータ部１０を介して架線１から入力される。

このように、電動機４０に供給する力行電力を、電力貯蔵部５０と架線１から任意の割合で供給することができる。したがって、たとえば、電気車の速度が高く力行電流が大きい状態や、架線１の抵抗分が大きく架線１の電圧が低下した状態において、必要な力行電流の一部を電力貯蔵部５０からアシスト放電することが可能になる。こうすることで電気車の力行性能を維持しながら架線１から受電する電流を減らすことができるので、架線１の抵抗で生じる電力損失や、架線１の電圧降下を抑制することができる。

＜＜電気車が回生ブレーキで減速する場合（回生充電制御）＞＞
次に、電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわちインバータ部３０が、電動機４０を回生運転している場合について説明する。

電動機４０を回生運転しているとき、電動機４０からの回生電力は、インバータ部３０の出力側から入力側へ流れるので、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の極性は負となる。電力貯蔵部５０の充電量が低く、信号ＨＶＧが１である場合は、第二の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３は極性が正であり、大きさは信号ＩＭＢ１と同じ値となるので、第一の電流指令であり、コンバータ回路１３の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦはゼロとなる。電流制御部１１０は、コンバータ回路１３の出力電流を信号ＩＤＲＥＦと等しくなるようにゼロに制御するので、電動機４０の回生電力はすべて電力貯蔵部５０に充電される。電動機４０の回生電力を優先的に電力貯蔵部５０へ充電することで、架線１へ回生するときに生じる架線１での電力損失や、架線１の電圧の上昇を抑制できる。

また、回生ブレーキ時でインバータ部３０からの回生電流をすべて電力貯蔵部５０へ充電しているときに、電力貯蔵部５０の充電量が増加して電圧ＢＥＳが第一の設定値を超過した場合、信号ＩＲＥＧＲＥＦの大きさが抑制されて、第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３の大きさが抑制される。この抑制分と等しい大きさの第一の電流指令ＩＤＲＥＦが生成され、抑制分は架線１へ回生される。このため、電動機４０の回生トルクが絞り込まれることはなく、連続的な安定した回生ブレーキを得られる。

なお、図示はしていないが、第二の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３に任意にゲインｎ（ｎ＝０〜１）をかけることで、電動機４０の回生電力を、電力貯蔵部５０と架線１へ任意の割合で回生することができる。

また、架線１の回生負荷が不足した場合、入力電圧上昇抑制部１０２によりコンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤの上昇を抑制するように調整した第一の電流指令であり、コンバータ回路１３の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤを信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としたので、コンバータ部１０が過電圧検知してトリップしたり、架線１に繋がる機器を損傷したりするのを回避することができる。

＜＜電力貯蔵部５０を強制充電する場合（強制充電制御）＞＞
電気車が停車中（インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１＝０）において、電力貯蔵部５０を強制充電する場合を例として説明する。まず、強制充電電流指令である信号ＪＲＥＦ＝１００Ａと設定する。そうすると第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３＝１００Ａとなり、第一の電流指令ＩＤＲＥＦ＝１００Ａとなるので、コンバータ部１０は架線１から電力貯蔵部５０へ１００Ａで充電を行う。

次に、電気車が力行中（インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１＞０）で力行アシスト制御を実施していない場合（信号ＰＡＧ＝０）において、電力貯蔵部５０を強制充電する場合を例として説明する。上記と同じく、信号ＪＲＥＦ＝１００Ａと設定する。そうすると信号ＩＲＥＧＲＥＦ１＝１００Ａとなる。信号ＰＡＧ＝０なので、信号ＩＰＡＳ１＝０となる。したがって、第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３＝１００Ａとなる。第一の電流指令ＩＤＲＥＦは、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１とＩＢＲＥＦ３（＝１００Ａ）の合計となり、コンバータ部１０は架線１からインバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１とＩＢＲＥＦ３（＝１００Ａ）の合計電流を架線１から受電する。電力貯蔵部５０へは、インバータ部３０への電流ＩＭＢ１を差し引いた１００Ａで充電を行うことができる。

次に、電気車が回生中（インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１＜０）において、電力貯蔵部５０を強制充電する場合を例として説明する。まず、上記と同じく信号ＪＲＥＦ＝１００Ａと設定する。インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１が例えば−３００Ａであるとすると、信号ＩＲＥＧＲＥＦ＝３００Ａとなる。これは信号ＪＲＥＦ（＝１００Ａ）よりも大きいので、信号ＩＲＥＧＲＥＦ１＝３００Ａとなる。したがって第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３＝３００Ａとなる。第一の電流指令ＩＤＲＥＦは、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１（＝−３００Ａ）とＩＢＲＥＦ３（＝３００Ａ）の合計であるからゼロとなり、コンバータ部１０は架線１からは電流を取得せず、電力貯蔵部５０は、インバータ部３０からの回生電流のみで充電を行うことになる。

なお、これまでの説明からわかるとおり、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１が例えば−５０Ａなら、コンバータ部１０は信号ＪＲＥＦ（＝１００Ａ）との差分である５０Ａを架線１から取得して電力貯蔵部５０はインバータ部３０からの回生電流と架線１からの電流をあわせた１００Ａで充電を行うことになる。つまり、強制充電制御では、電力貯蔵部５０の充電電流の大きさを、少なくとも信号ＪＲＥＦで設定した値（＝１００Ａ）とすることができる。この強制充電制御は、たとえば、力行アシスト放電を多用する場合や、電気車を非電化区間を走行させる前等に、電力貯蔵部５０の充電量を増加させておきたい場合に有用である。

＜＜電力貯蔵部５０を強制放電する場合（強制放電制御）＞＞
電気車が停車中（インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１＝０）において、電力貯蔵部５０を強制放電する場合を例として説明する。まず、強制放電電流指令である信号ＨＲＥＦ＝−１００Ａと設定する。そうすると第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３＝−１００Ａとなり、第一の電流指令ＩＤＲＥＦ＝−１００Ａとなるので、コンバータ部１０は電力貯蔵部５０から架線１へ１００Ａで放電を行う。

次に、電気車が力行中（インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１＞０）で力行アシスト制御を実施していない場合（信号ＰＡＧ＝０）において、電力貯蔵部５０を強制放電する場合を例として説明する。上記と同じく、信号ＨＲＥＦ＝−１００Ａと設定する。インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１が例えば３００Ａであるとすると、信号ＩＰＡＳ＝−３００Ａとなる。このＩＰＡＳは信号ＨＲＥＦ（−１００Ａ）より小さいので、信号ＩＰＡＳ１＝−３００Ａとなる。したがって第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３＝−３００Ａとなる。第一の電流指令ＩＤＲＥＦは、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１（＝３００Ａ）とＩＢＲＥＦ３（＝−３００Ａ）の合計であるからゼロとなり、コンバータ部１０は架線１へは放電せず、電力貯蔵部５０は、インバータ部３０の力行電流（３００Ａ）で放電される。

なお、これまでの説明からわかるとおり、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１が例えば５０Ａなら、コンバータ部１０は信号ＨＲＥＦ（＝−１００Ａ）との差分である５０Ａを架線１へ放電し、電力貯蔵部５０はインバータ部３０への電流ＩＭＢ１と架線１への放電電流をあわせた１００Ａで放電を行うことになる。つまり、強制放電制御では、電力貯蔵部５０の放電電流の大きさを、少なくとも１００Ａとすることができる。この強制放電制御は、たとえば、電気車の運行が終了したとき等において、電力貯蔵部５０の充電量を低下させたい場合に有用である。

いずれの制御時においても、過充電抑制ゲイン生成部６７、第一の電流指令調整部７０により、運転中に電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値あるいは第六の設定値を超えたり、下限値である第八の設定値を下回ったりしないように調整した第一の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤを信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としているので、電力貯蔵素子５１の過充電や過放電による劣化を抑制できる。

また、過充電抑制ゲイン生成部６７、第一の電流指令調整部７０により、運転中に電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値を超えたり、下限値である第八の設定値を下回ったりしないように調整した第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３と、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１とに基づいて第一の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤを信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としているので、電力貯蔵部５０の充電量が高く十分に回生充電できない場合や、充電量が低く十分に放電ができない場合でも、インバータ部３０の力行電流あるいは回生電流のうちの電力貯蔵部５０で負担できない過不足分の電流を、連続的かつ瞬時的に架線１から受電あるいは架線１へ回生することができるので、インバータ部３０の力行あるいは、回生動作に影響を与えず電動機４０の運転状態に影響を与えない。

さらに、第二の電流指令調整部８０により、電力貯蔵部５０が所定値よりも高温の場合に電力貯蔵部５０の電流を低減し、また電力貯蔵部５０が所定値よりも低温の場合に、特に充電電流を低減するように調整した第一の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤを信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としているので、高温下、低温下での充放電による電力貯蔵素子５１の劣化を抑制できる。

また、第二の電流指令調整部８０により、電力貯蔵部５０が所定値よりも高温の場合に電力貯蔵部５０の電流を低減し、また電力貯蔵部５０が所定値よりも低温の場合に、特に充電電流を低減するように調整した第二の電流指令ＩＢＲＥＦ３と、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１とに基づいて第一の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤを信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としているので、電力貯蔵部５０の温度が適正な範囲外であり十分に充放電ができない場合でも、インバータ部３０の力行電流あるいは回生電流のうちの電力貯蔵部５０で負担できない過不足分の電流を、連続的かつ瞬時的に架線１から受電あるいは架線１へ回生することができるので、インバータ部３０の力行あるいは回生動作に影響を与えず電動機４０の運転状態に影響を与えない。

さらには、第三の電流指令調整部１００により、電気車が停止時や低速走行時には入力電流ＩＳＤの大きさを低く制限し、電気車の速度が高い領域において、入力電流ＩＳＤの大きさを大きくとることができる構成とし、特に、電気車が停止中や低速走行時に集電装置２の集電電流を抑えることができる構成としているので、集電装置２や、架線１と集電装置２の接触部の温度上昇の抑制が可能となる。

また、電力貯蔵部５０は、コンバータ部１０とインバータ部３０とに直結して配置し、コンバータ部１０のコンバータ制御部１４により電力貯蔵部５０の充放電電流指令を生成し、この充放電電流指令に基づいてコンバータ回路１３を通過する電流を制御する構成としたので、コンバータ部１０により電力貯蔵部５０の充放電電流を、ゼロを含む任意の大きさ、任意の方向の最適値に制御することが可能となる。その結果、コンバータ部１０と電力貯蔵部５０との間または、インバータ部３０と電力貯蔵部５０との間に、電力貯蔵部５０への充放電電流を制御する電力変換回路を設ける必要がなく、小型低コストのシステム構成が可能となる。

以上説明したように、架線からの電力をコンバータ部に入力し、このコンバータ部の出力側に負荷である電動機を駆動するインバータ部と、電力貯蔵素子とを並列に接続するとともに、コンバータ部には電力貯蔵素子への電流を、ゼロを含む任意の大きさ、任意の方向の最適値に制御できるコンバータ制御部を有した構成とすることで、インバータ部から電力貯蔵素子への回生、また電力貯蔵素子からのインバータ部への放電を多用する用途に好適な電気車推進用電力変換装置を構成することが可能となる。

なお、コンバータ部１０として、集電装置２から直流が入力され、直流を出力する形態で示したが、コンバータ部１０は交流が入力され、直流を出力する形態でもかまわない。このような構成は、架線１が交流である交流電化区間を走行する電気車の場合に好適である。この場合、コンバータ部１０はＰＷＭコンバータ回路を有して構成するのが好ましい。なお、ＰＷＭコンバータ回路は公知技術である。コンバータ制御部１４の構成としては、第一の電流指令である信号ＩＤＲＥＦに基づき、交流入力の電流を制御するコンバータ入力電流制御手段を付加すればよい。なおコンバータ入力電流制御手段についても、種々の構成が公知である。

以上の説明ではコンバータ部１０、インバータ部３０、電力貯蔵部５０はそれぞれ１組で構成した例で説明したが、たとえばコンバータ部１０、インバータ部３０、電力貯蔵部５０を複数台並列接続してシステムを拡張する場合においても、本発明の内容を適用することは容易である。

なお、上記実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる電気車推進用電力変換装置は、インバータ部から電力貯蔵部への電力回生、また電力貯蔵部からのインバータ部への電力供給を多用する用途に有用である。

１ 架線
２ 集電装置
３ 車輪
４ レール
１０ コンバータ部
１３ コンバータ回路
１３１ フィルタリアクトル
１３２ フィルタコンデンサ
１３３Ａ 一次側上アームスイッチング素子
１３３Ｂ 一次側下アームスイッチング素子
１３３Ｃ 二次側上アームスイッチング素子
１３３Ｄ 二次側下アームスイッチング素子
１３４ 平滑リアクトル
１３５ 平滑コンデンサ
１４ コンバータ制御部
３０ インバータ部
３３ インバータ回路
３４ インバータ制御部
３５ 回生トルク絞込み量設定部
３６，９２ 減算器
３７ トルク制御部
４０ 電動機
４１ 回転検出器
５０ 電力貯蔵部
５１ 電力貯蔵素子
５２ 温度検出器
６０ 第一の電流指令生成部
６１ 負値カット部
６２，６６ 極性反転ゲイン
６３ 力行アシスト量設定部
６４，６８，１０１ 乗算器
６５，９３ 正値カット部
６７ 過充電抑制ゲイン生成部
６９，９０ 加算器
６０１ 強制放電電流設定部
６０２ 強制充電電流設定部
７０ 第一の電流指令調整部
７１Ａ 第二の過充電抑制ゲイン生成部
７１Ｂ 過放電抑制ゲイン生成部
７２Ａ，７２Ｂ スイッチ
７３ 乗算器
８０ 第二の電流指令調整部
８１ 電流指令制限部
９１ 入力電流制限値設定部
９４ 絶対値演算部
９５ 入力電流制限部
１００ 第三の電流指令調整部
１０２ 入力電圧上昇抑制部
１０３ 電流指令制限部
１１０ 電流制御部

Claims (28)

1. 外部電源より入力された電圧を所望の直流に変換して出力し、出力側から前記外部電源側への電力回生が可能に構成された第一の電力変換部と、
   前記第一の電力変換部の出力側に接続され、負荷を駆動する第二の電力変換部と、
   前記第一の電力変換部の出力側に接続され、電力貯蔵素子を含む電力貯蔵部と、
   前記第一の電力変換部を通過する電流もしくは電力の指令である第一の電気量指令を生成すると共に、生成した第一の電気量指令に基づき、前記電力貯蔵部の電流もしくは電力を制御する第一の制御部と、
   を有したことを特徴とする電気車推進用電力変換装置。
2. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力に基づいて、前記第一の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
3. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力に基づいて、前記電力貯蔵部の電流もしくは電力の指令である第二の電気量指令を生成する第一の電気量指令生成部を有し、前記第二の電気量指令に基づいて、前記第一の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項２に記載の電気車推進用電力変換装置。
4. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力に基づいて、前記電力貯蔵部の電流もしくは電力の指令である第二の電気量指令を生成する第一の電気量指令生成部を有し、前記第二の電気量指令と、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力とに基づいて、前記第一の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項２に記載の電気車推進用電力変換装置。
5. 前記第一の制御部は、前記第一の電気量指令と、前記第一の電力変換部を通過する電流もしくは電力との偏差に基づいて、前記偏差を最小とする制御を前記第一の電力変換部に対して行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
6. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が力行方向の流れである場合には、前記電力貯蔵部の電流もしくは電力をほぼゼロに制御可能な前記第一の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
7. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が力行方向の流れである場合には、前記第二の電気量指令をほぼゼロとする制御を行う構成としたことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
8. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が力行方向の流れである場合には、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力のうち、前記外部電源から受電する分と、前記電力貯蔵部から供給する分とを任意の割合での配分を制御可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
9. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が力行方向の流れである場合には、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力のうちの任意の割合分に基づいて、前記第二の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
10. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れである場合には、前記電力貯蔵部の電流もしくは電力を前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力と同じ大きさに制御可能な前記第一の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
11. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れである場合には、前記第一の電力変換部を通過する電流もしくは電力をほぼゼロに制御可能な前記第一の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
12. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れである場合において、前記電力貯蔵部の充電状態を示す値に基づいて、前記第一の電力変換部を通過する電流もしくは電力を調整し、前記第二の電力変換部を通過する回生電流もしくは回生電力のうちの一部を前記外部電源へ回生する制御を行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
13. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れである場合において、前記電力貯蔵部の充電状態を示す値に基づいて、前記第二の電気量指令を調整し、前記第二の電気量指令と、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力とに基づいて、前記第一の電気量指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
14. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れであり、且つ、前記電力貯蔵部の充電状態を示す値が第一の設定値を超過する場合において、前記第二の電気量指令の大きさを減少させる制御を可能とする構成としたことを特徴とする請求項１３に記載の電気車推進用電力変換装置。
15. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れであり、且つ、前記電力貯蔵部の充電状態を示す値が第二の設定値を超過する場合において、前記第二の電気量指令の大きさをほぼゼロとする制御を可能とする構成としたことを特徴とする請求項１３に記載の電気車推進用電力変換装置。
16. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れであり、且つ、前記電力貯蔵部の充電状態を示す値が第一の設定値を超過する場合において、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力の一部を前記外部電源側へ回生可能に構成され、
    前記第二の電力変換部の制御部である第二の制御部は、前記電力貯蔵部の充電状態を示す値が、前記第一の設定値よりも大きな値に設定された第三の設定値を超過する場合において、電動機からの回生電流もしくは回生電力を減少可能に構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
17. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力が回生方向の流れであり、且つ、前記電力貯蔵部の充電状態を示す値が第二の設定値を超過する場合において、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力のすべてを前記外部電源側へ回生可能に構成され、
    前記第二の電力変換部の制御部である第二の制御部は、前記電力貯蔵部の充電状態を示す所定の値が、前記第二の設定値よりも大きな値に設定された第三の設定値を超過する場合において、前記電動機からの回生電流もしくは回生電力を減少可能に構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
18. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力の大きさによらず、別途定めた強制放電電流値に相当する電流もしくは電力を、前記電力貯蔵部から放電することを可能とする第一の電気量指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
19. 前記第一の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電流もしくは電力の大きさによらず、別途定めた強制充電電流値に相当する電流もしくは電力を、前記電力貯蔵部へ充電することを可能とする前記第一の電気量指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
20. 前記第一の電気量指令生成部は、前記電力貯蔵部の充電状態を示す信号が入力され、前記充電状態を示す信号に基づき前記第二の電気量指令の調整を行う第一の電気量指令調整部を有したことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
21. 前記充電状態を示す信号は、前記電力貯蔵部の電圧であることを特徴とする請求項２０に記載の電気車推進用電力変換装置。
22. 前記第一の電気量指令生成部は、前記電力貯蔵部の温度が入力され、前記電力貯蔵素子の温度に基づき、前記第二の電気量指令の調整を行う第二の電気量指令調整部を有したことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
23. 前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力電圧が入力され、前記入力電圧に基づいて前記第一の電気量指令の調整を行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
24. 前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力電圧が所定値以上の場合、前記入力電圧が前記所定値以下の場合よりも前記第一の電気量指令の大きさを減少させる構成としたことを特徴とする請求項２３に記載の電気車推進用電力変換装置。
25. 前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力電流もしくは入力電力が所定値以下となるように調整された第一の電気量指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
26. 前記第一の制御部は、電気車の速度に相当する速度情報がさらに入力され、
    電気車の車速が低い場合の前記所定値は、車速が高い場合の前記所定値よりも低い値であることを特徴とする請求項２５に記載の電気車推進用電力変換装置。
27. 前記第一の制御部は、前記電力貯蔵部の充電電流もしくは充電電力および放電電流もしくは放電電力の大きさを、それぞれ所定の制限値以下に制御可能に決定された前記第一の電気量指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
28. 前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の電流もしくは電力の大きさを、所定の制限値以下に制御可能に決定された前記第一の電気量指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。

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