JPWO2015019466A1

JPWO2015019466A1 - 駅舎補助電源装置

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Publication number: JPWO2015019466A1
Application number: JP2015530622A
Authority: JP
Inventors: 光志冨永; 松本　真一; 真一松本; 修司石倉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: DE112013007306T5; HK1220668A1; WO2015019466A1; AU2013397332B2; US10372101B2; JP6005291B2; CN105473376B; US20160161935A1; DE112013007306B4; AU2013397332A1; CN105473376A

Abstract

本発明は、架線電圧が所定のしきい値よりも高い場合に、架線から供給された電力を変換して駅舎内の負荷へ供給する電力を生成する駅舎補助電源装置であって、架線電圧の平均値を一定時間ごとに算出する第１の平均演算部３１と、前記一定時間内に複数回検出した架線電圧のうち、前記平均値である第１の平均値よりも大きい架線電圧の平均値を算出する第２の平均演算部３２と、架線電圧の１日あたりの平均値を算出する第３の平均演算部３３と、前記第２の平均演算部が算出した平均値である第２の平均値と前記第３の平均演算部が算出した平均値である第３の平均値のいずれか一方を選択して前記しきい値とする比較器３４と、を備える。

Description

本発明は、駅舎内の各種負荷に電力を供給する駅舎補助電源装置に関する。

近年の鉄道システムにおいては、回生ブレーキを搭載した電気車が普及している。しかし、電気車から架線（き電線）に戻された回生電力を消費する負荷としての他の電気車が少ない、または存在しない場合、回生失効となり回生ブレーキが使用できなくなる可能性がある。このような課題の対策として、電力貯蔵装置を備え、回生電力を消費する電気車が存在しない場合に回生電力で電力貯蔵装置を充電するシステムが提案されている（特許文献１）。このシステムでは、架線電圧（き電電圧）が充電開始電圧以上になると回生電力を変換して電力貯蔵装置を充電する動作を開始し、架線電圧が放電開始電圧以下になると電力貯蔵装置に蓄積された電力を変換して架線へ放電する動作を開始する。ただし、充電開始電圧を固定とした場合、早朝や深夜などの無負荷時に架線電圧が上昇して充電開始電圧に達する可能性があり、回生していないにも関わらず横流が流れてしまう。横流とは、電気車の回生電力ではなく変電所から供給される電力を消費する（電力貯蔵装置に充電する）ことをいう。特許文献１のシステムでは、架線電圧を一定時間監視して平均電圧を求め、その平均電圧より数ボルト高い電圧値を充電開始電圧に設定しているため、横流を防止することができる。

特許文献１のシステムでは余った回生電力（走行中の他の電気車で消費しきれない回生電力）を電力貯蔵装置に蓄積するようにしているが、余った回生電力を例えば駅舎内の各種負荷（照明装置、空調装置、エレベーター、など）で消費させる構成も考えられる。回生電力を駅舎内の負荷で消費させる構成の場合、電力貯蔵装置が不要となり、回生電力の有効利用をより低コストで実現できる。

特開２００６−１６８３９０号公報

特許文献１に記載された発明においては、架線電圧の平均値よりも高い電圧値を充電開始電圧（回生電力の消費を開始する電圧）に設定している。しかし、この特許文献１に記載された方法で回生電力の消費開始電圧を設定した場合、ラッシュ時間帯等、電気車間で回生電力を融通し、架線電圧が低下している状態でも、その融通している回生電力を電力貯蔵装置に蓄えたり駅舎内の負荷が消費したりすることがある。電気車間で回生電力を融通している状態では回生電力を電力貯蔵装置に蓄えたり駅舎内の負荷が消費したりしないようにするのが望ましい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回生電力を電気車間で融通しきれない状態の判別を高精度に行い、回生電力を駅舎内の負荷で消費する動作を的確なタイミングで開始することが可能な駅舎補助電源装置を得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に、本発明は、架線電圧が所定のしきい値よりも高い場合に、架線から供給された電力を変換して駅舎内の負荷へ供給する電力を生成する駅舎補助電源装置であって、架線電圧の平均値を一定時間ごとに算出する第１の平均演算部と、前記一定時間内に複数回検出した架線電圧のうち、前記平均値である第１の平均値よりも大きい架線電圧の平均値を算出する第２の平均演算部と、架線電圧の１日あたりの平均値を算出する第３の平均演算部と、前記第２の平均演算部が算出した平均値である第２の平均値と前記第３の平均演算部が算出した平均値である第３の平均値のいずれか一方を選択して前記しきい値として設定する選択部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、回生電力の効率的な利用を実現することができる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる駅舎補助電源装置を適用した鉄道システムの構成例を示す図である。図２は、制御装置の構成例を示す図である。図３は、動作開始電圧決定部の動作例を示すフローチャートである。図４は、架線電圧、第１の平均値、第２の平均値および第３の平均値の関係の一例を示す図である。図５は、架線電圧、第１の平均値、第２の平均値および第３の平均値の関係の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる駅舎補助電源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる駅舎補助電源装置を適用した鉄道システムの構成例を示す図である。図１に示したように、駅舎に備えられた駅舎補助電源装置１は、制御装置１１、インバータ１２および電圧センサ１３を備える。この駅舎補助電源装置１は、架線２００から供給された電力（例えばＤＣ１５００Ｖ）を変換して駅舎内の負荷３０２が使用する電力を生成できるように構成されている。ただし、変換動作を常に行うのではなく、鉄道システム内の各電気車で発電された回生電力を電気車間で消費しきれるかどうか（すなわち、回生ブレーキを使用して減速している電気車で発電された電力よりも他の電気車（力行中の電気車など）で消費される電力の方が大きいかどうか）を判別し、消費しきれない場合に変換動作を実施する。負荷３０２には、変電所１００で生成された電力（例えばＡＣ６６００Ｖ）を変圧器３０１が変換して得られた電力（例えばＡＣ２１０Ｖ）も供給されており、通常時は変圧器３０１から供給された電力を使用する。負荷３０２は、例えば、照明装置、空調装置、表示装置、エレベータやエスカレーターなどである。架線２００は変電所１００に接続され、例えばＤＣ１５００Ｖの電力を電気車２０１などに供給する。

駅舎補助電源装置１において、制御装置１１は、運用中の電気車（電気車２０１や図示を省略している他の電気車）で発電された回生電力を架線２００経由で受け取って負荷３０２への供給電力に変換する必要があるかどうかを架線電圧に基づいて判別し、必要と判断した場合にはインバータ１２を制御して電力変換動作を実行させる。インバータ１２は、スイッチング素子を含んで構成され、制御装置１１からの指示に従って各スイッチング素子をオン／オフさせることにより、架線２００から供給された電力を負荷３０２への供給電力に変換する。電圧センサ１３は、架線電圧を測定する。

図２は、制御装置１１の構成例を示す図である。制御装置１１は、インタフェース部２０、動作開始電圧決定部３０、記憶部４０、電圧指令演算部５０およびＰＷＭ信号生成部６０を備える。

インタフェース部２０は、電圧センサ１３から出力された架線電圧測定値（以下、単に「架線電圧」と記載する）を平均化してノイズ成分を除去する。動作開始電圧決定部３０は、電圧センサ１３で測定された架線電圧（ノイズ成分除去後の架線電圧）を平日、休日ダイヤ別の一定期間毎（例えば１時間帯毎）に平均化する第１の平均演算部３１と、第１の平均演算部３１で算出された架線電圧の平均値（第１の平均値）よりも高い電圧を抽出してそれらの平均値（第２の平均値）を算出する第２の平均演算部３２と、電圧センサ１３で測定され、ノイズ成分が除去された後の架線電圧を平日、休日ダイヤ別に１日単位で平均化する第３の平均演算部３３と、第２の平均値と第３の平均演算部３３で算出した平均値（第３の平均値）を比較し高い方の平均値を選択して出力する、選択部としての比較器３４と、を備え、電力変換動作の開始電圧（以下、「変換動作開始電圧」と記載する）を決定する。記憶部４０は、動作開始電圧決定部３０で算出された第１の平均値、第２の平均値、第３の平均値を記憶する。電圧指令演算部５０は、動作開始電圧決定部３０の比較器３４から出力された変換動作開始電圧とインタフェース部２０から出力された架線電圧に基づいて、電圧指令値を算出する。具体的には、架線電圧が変換動作開始電圧よりも大きい場合、電圧指令値を算出する。ＰＷＭ信号生成部６０は、電圧指令演算部５０から入力された電圧指令値に基づいて、インバータ１２を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する。なお、第３の平均演算部３２が算出した第３の平均値の代わりに、変電所１００の整流器の送込み電圧（変電所１００が架線２００へ出力する電圧）等の固定値を使用してもよい。

図３は、動作開始電圧決定部３０の動作例を示すフローチャートである。動作開始電圧決定部３０は、所定のタイミングで（例えば１分毎に）、電圧センサ１３から架線電圧を取得する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。架線電圧を取得した動作開始電圧決定部３０では、第１の平均値および第２の平均値の算出タイミングか否かを確認する（ステップＳ１３）。例えば、第１の平均値および第２の平均値を１時間ごとに算出するように設定されている場合、ステップＳ１３では、第１の平均値を前回算出してからの経過時間を確認し、１時間経過した場合には算出タイミングと判断する。毎時００分に算出タイミングと判断するなどしてもよい。

算出タイミングではない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、架線電圧を記憶部４０で保持している第１の平均値と比較する（ステップＳ１４）。架線電圧と比較する第１の平均値は、日時に応じた第１の平均値とする。例えば、第１の平均値および第２の平均値を１時間ごとに（毎時００分に）算出するように設定されている状態で、平日の午前６時１０分にステップＳ１４を実行するのであれば、平日の午前６時台における第１の平均値を架線電圧と比較する。架線電圧が第１の平均値よりも大きい場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、第２の平均値算出時に使用するデータとして架線電圧を記憶する（ステップＳ１５）。架線電圧が第１の平均値以下の場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、第２の平均値算出時に使用しないデータとして架線電圧を記憶する（ステップＳ１６）。架線電圧は、例えば記憶部４０の所定の領域に書き込んで記憶する。

ステップＳ１５またはＳ１６で架線電圧を記憶すると、次に、第３の平均値の算出タイミングか否かを確認する（ステップＳ１７）。第３の平均値は１日単位での架線電圧の平均化値のため、例えば、現在時刻が深夜１２時かどうかを確認し、深夜１２時であれば第３の平均値の算出タイミングと判断する。第３の平均値の算出タイミングの場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、過去２４時間の架線電圧の平均値を算出し、算出した平均値が平日（平日ダイヤで列車を運行させた日）に測定した架線電圧の平均値であれば平日における第３の平均値として、休日（休日ダイヤで列車を運行させた日）に測定した架線電圧の平均値であれば休日における第３の平均値として、記憶する（ステップＳ１８）。なお、それまで記憶していた第３の平均値は削除する。すなわち、平日における第３の平均値を算出した場合は、それまで記憶していた平日における第３の平均値を削除（上書き）し、休日における第３の平均値を算出した場合は、それまで記憶していた休日における第３の平均値を削除（上書き）する。一方、第３の平均値の算出タイミングではない場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、ステップＳ１１に戻って動作を継続する。ステップＳ１８を実行した場合もステップＳ１１に戻って動作を継続する。

これに対して、上記のステップＳ１３において第１の平均値および第２の平均値の算出タイミングと判断した場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、第１の平均値および第２の平均値を算出して記憶する（ステップＳ１９）。例えば、第１の平均値および第２の平均値を１時間ごとに算出するように設定されている場合、第１の平均値の算出処理では、最新の架線電圧および過去１時間以内の架線電圧、すなわち、ステップＳ１２で取得した架線電圧および過去１時間以内に実行したステップＳ１５およびＳ１６で記憶した各架線電圧の平均値を算出し、得られた平均値を第１の平均値とする。また、第２の平均値の算出処理では、最新の架線電圧と第１の平均値を比較し、最新の架線電圧が第１の平均値よりも大きい場合、最新の架線電圧、および、過去１時間以内の架線電圧のうち、第２の平均値算出時に使用するデータとして記憶した各架線電圧（すなわち、過去１時間以内に実行したステップＳ１５で記憶した架線電圧）の平均値を算出し、得られた平均値を第２の平均値とする。これに対して、最新の架線電圧が第１の平均値以下の場合、過去１時間以内の架線電圧のうち、第２の平均値算出時に使用するデータとして記憶した各架線電圧の平均値を算出し、得られた平均値を第２の平均値とする。算出した第１および第２の平均値が平日に測定した架線電圧の平均値であれば平日における第１および第２の平均値として、休日に測定した架線電圧の平均値であれば休日における第１および第２の平均値として、記憶部４０で記憶する。なお、それまで記憶していた第１および第２の平均値は削除する。例えば、平日の午前７時から８時までにおける第１の平均値および第２の平均値を算出した場合、それまで記憶していた平日の午前７時から８時までにおける第１の平均値および第２の平均値を削除（上書き）する。

第１および第２の平均値を算出した後は、変換動作開始電圧を決定（更新）する（ステップＳ２０）。具体的には、記憶している第２の平均値のうち、現在時刻に対応する第２の平均値を第３の平均値と比較し、大きい方が示す電圧を変換動作開始電圧に決定する。例えば、第１の平均値および第２の平均値を３０分ごとに算出するように設定されている状態で休日の午後８時に第１および第２の平均値を算出した後は、休日の午後８時〜午後８時３０分における第２の平均値（過去に算出した記憶していた第２の平均値）と休日における第３の平均値を比較し、第２の平均値の方が大きければ第２の平均値が示す電圧を、第３の平均値の方が大きければ第３の平均値が示す電圧を、変換動作開始電圧に決定する。

図４は、駅舎補助電源装置１が電気車の回生電力を吸収する際の架線電圧、第１の平均値、第２の平均値および第３の平均値の関係の一例を示す図である。図４の例では、回生電力を消費する電気車が少なく、架線電力が全体的に高い状態となっている。図４に示したように、回生ブレーキを使用している電気車で発電された回生電力を消費する電気車が少ない場合、駅舎補助電源１は、第２の平均値を変換動作開始電圧として使用し、この電圧よりも架線電圧が大きい状態のときに電力変換動作を実行して負荷３０２へ供給する電力を生成する（回生電力を消費する）。

図５は、電気車間の電力融通が優勢（回生ブレーキ使用により発生する回生電力よりも電気車が消費する電力の方が多い状態）で、架線電圧が低下している場合の架線電圧、第１の平均値、第２の平均値および第３の平均値の関係の一例を示す図である。図５に示したように、回生ブレーキを使用している電気車で発電された回生電力を消費する電気車が多い場合、架線電圧（平均値）が低下する。この場合、駅舎補助電源１は、第３の平均値を変換動作開始電圧として使用し、この電圧よりも架線電圧が大きい状態のときに電力変換動作を実行して負荷３０２へ供給する電力を生成する。図４と図５の比較から明らかなように、電気車間の電力融通が優勢（図５のケース）の場合、その時間帯の平均架線電圧（＝第１の平均値）と変換動作開始電圧の差が大きくなる。そのため、仮に、図４と図５のケースで同じように架線電圧が変動したとしても、駅舎補助電源装置１が変換動作を実行する頻度は図５のケースの方が低くなり、より多くの回生電力を電気車間で融通させることができる。

このように、本実施の形態の駅舎補助電源装置は、短期間（例えば１時間）ごとに、同期間における架線電圧の平均値（第１の平均値）を算出し、第１の平均値と架線電圧の平均値（１日単位の平均値）とに基づいて、架線電圧を駅舎内の負荷へ供給する電圧に変換する動作の開始しきい値を設定することとした。具体的には、前記短期間において第１の平均値を超えている架線電圧の平均値（第２の平均値）を算出し、第２の平均値と架線電圧の平均値のうち、大きい方の平均値をしきい値として使用することとした。これにより、回生電力の電気車間での融通状態に応じたしきい値の設定が可能となるので、駅舎補助電源装置は、回生電力を電気車間で融通しきれない状態の判別を高精度に行い、的確なタイミングで回生電力を消費することができる。この結果、横流を防止して回生電力の効率的な利用を実現できる。また、平日ダイヤの適用日と休日ダイヤの適用日とに分けて平均値を算出し、平均値に基づいてしきい値を設定することとしたので、回生電力を電気車間で融通しきれない状態の判別をより高精度に行うことができる。

以上のように、本発明は、電気車で発電された回生電力を駅舎内の負荷で使用する電力に変換する駅舎補助電源装置として有用である。

１駅舎補助電源装置、１１制御装置、１２インバータ、１３電圧センサ、２０インタフェース部、３０動作開始電圧決定部、３１第１の平均演算部、３２第２の平均演算部、３３第３の平均演算部、３４比較器、４０記憶部、５０電圧指令演算部、６０ＰＷＭ信号生成部、１００変電所、２００架線、２０１電気車、３０１変圧器、３０２負荷。

インタフェース部２０は、電圧センサ１３から出力された架線電圧測定値（以下、単に「架線電圧」と記載する）を平均化してノイズ成分を除去する。動作開始電圧決定部３０は、電圧センサ１３で測定された架線電圧（ノイズ成分除去後の架線電圧）を平日、休日ダイヤ別の一定期間毎（例えば１時間帯毎）に平均化する第１の平均演算部３１と、第１の平均演算部３１で算出された架線電圧の平均値（第１の平均値）よりも高い電圧を抽出してそれらの平均値（第２の平均値）を算出する第２の平均演算部３２と、電圧センサ１３で測定され、ノイズ成分が除去された後の架線電圧を平日、休日ダイヤ別に１日単位で平均化する第３の平均演算部３３と、第２の平均値と第３の平均演算部３３で算出した平均値（第３の平均値）を比較し高い方の平均値を選択して出力する、選択部としての比較器３４と、を備え、電力変換動作の開始電圧（以下、「変換動作開始電圧」と記載する）を決定する。記憶部４０は、動作開始電圧決定部３０で算出された第１の平均値、第２の平均値、第３の平均値を記憶する。電圧指令演算部５０は、動作開始電圧決定部３０の比較器３４から出力された変換動作開始電圧とインタフェース部２０から出力された架線電圧に基づいて、電圧指令値を算出する。具体的には、架線電圧が変換動作開始電圧よりも大きい場合、電圧指令値を算出する。ＰＷＭ信号生成部６０は、電圧指令演算部５０から入力された電圧指令値に基づいて、インバータ１２を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する。なお、第３の平均演算部３３が算出した第３の平均値の代わりに、変電所１００の整流器の送込み電圧（変電所１００が架線２００へ出力する電圧）等の固定値を使用してもよい。

図４は、駅舎補助電源装置１が電気車の回生電力を吸収する際の架線電圧、第１の平均値、第２の平均値および第３の平均値の関係の一例を示す図である。図４の例では、回生電力を消費する電気車が少なく、架線電力が全体的に高い状態となっている。図４に示したように、回生ブレーキを使用している電気車で発電された回生電力を消費する電気車が少ない場合、駅舎補助電源装置１は、第２の平均値を変換動作開始電圧として使用し、この電圧よりも架線電圧が大きい状態のときに電力変換動作を実行して負荷３０２へ供給する電力を生成する（回生電力を消費する）。

図５は、電気車間の電力融通が優勢（回生ブレーキ使用により発生する回生電力よりも電気車が消費する電力の方が多い状態）で、架線電圧が低下している場合の架線電圧、第１の平均値、第２の平均値および第３の平均値の関係の一例を示す図である。図５に示したように、回生ブレーキを使用している電気車で発電された回生電力を消費する電気車が多い場合、架線電圧（平均値）が低下する。この場合、駅舎補助電源装置１は、第３の平均値を変換動作開始電圧として使用し、この電圧よりも架線電圧が大きい状態のときに電力変換動作を実行して負荷３０２へ供給する電力を生成する。図４と図５の比較から明らかなように、電気車間の電力融通が優勢（図５のケース）の場合、その時間帯の平均架線電圧（＝第１の平均値）と変換動作開始電圧の差が大きくなる。そのため、仮に、図４と図５のケースで同じように架線電圧が変動したとしても、駅舎補助電源装置１が変換動作を実行する頻度は図５のケースの方が低くなり、より多くの回生電力を電気車間で融通させることができる。

Claims

架線電圧が所定のしきい値よりも高い場合に、架線から供給された電力を変換して駅舎内の負荷へ供給する電力を生成する駅舎補助電源装置であって、
架線電圧の平均値を一定時間ごとに算出する第１の平均演算部と、
前記一定時間内に複数回検出した架線電圧のうち、前記平均値である第１の平均値よりも大きい架線電圧の平均値を算出する第２の平均演算部と、
架線電圧の１日あたりの平均値を算出する第３の平均演算部と、
前記第２の平均演算部が算出した平均値である第２の平均値と前記第３の平均演算部が算出した平均値である第３の平均値のいずれか一方を選択して前記しきい値として設定する選択部と、
を備えることを特徴とする駅舎補助電源装置。
第１の平均演算部、前記第２の平均演算部および前記第３の平均演算部は、同じ種類のダイヤが適用されている日ごとの平均値をそれぞれ算出し、
前記選択部は、選択動作を実行する時点で適用されているダイヤに対応する第２の平均値または第３の平均値を選択することを特徴とする請求項１に記載の駅舎補助電源装置。
前記選択部は、前記第２の平均値と前記第３の平均値のうち、値が大きい方を前記しきい値として選択することを特徴とする請求項１に記載の駅舎補助電源装置。
前記第３の平均値に代えて、変電所から架線への出力電圧を使用することを特徴とする請求項１に記載の駅舎補助電源装置。
第１の平均演算部および前記第２の平均演算部は、同じ種類のダイヤが適用されている日ごとの平均値をそれぞれ算出し、
前記選択部は、選択動作を実行する時点で適用されているダイヤに対応する第２の平均値、または変電所から架線への出力電圧を選択することを特徴とする請求項４に記載の駅舎補助電源装置。
前記選択部は、前記第２の平均値と前記出力電圧のうち、値が大きい方を前記しきい値として選択することを特徴とする請求項４に記載の駅舎補助電源装置。