JPWO2015118917A1 - 電気鉄道用回生インバータ装置 - Google Patents

Abstract

電気鉄道用回生インバータによる回生電力の消費は構内の電灯や動力電源に頼らざるを得なく、電車が発生する回生電力の数分の１しか消費できないものとなっている。回生インバータの直流側正負極に、それぞれ電車線と電力貯蔵装置の貯蔵媒体との接続を切替える切替スイッチを接続する。回生インバータの正極側に接続された切替スイッチは、貯蔵媒体への充電時では電車線側に、放電時には貯蔵媒体側に切替えるよう制御する。また、回生インバータの負極側に接続された切替スイッチは、充電時には回生インバータを介して貯蔵媒体への充電側端子に、放電時には電車線の負極側に切り替わるよう構成した。

Description

本発明は、電気鉄道用回生インバータ装置に係わり、特に電力貯蔵装置を電車線に接続して回生失効対策等を行うために設けられた電気鉄道用回生インバータ装置に関するものである。

電気鉄道の給電系統において、電車が回生状態となったとき付近に力行する電車が存在しないと回生エネルギーの行き場がなくなり回生失効となる場合がある。回生失効が発生すると回生エネルギーの有効利用ができなくなること等から、これを防ぐために給電系統に電気２重層キャパシタ（以下ＥＤＬＣという）を貯蔵媒体とする電力貯蔵装置を接続し、電車の制動によって上昇した電圧をＥＤＬＣで吸収し、電車の起動によって給電系統の電圧が降下したときＥＤＬＣに貯蔵されたエネルギーを放出することが特許文献１等によって公知となっている。

また、駅舎の照明等の負荷へ電力を供給する配電線路と電車線との間に回生用インバータを接続し、電力貯蔵装置に蓄えられたエネルギーを、回生用インバータを介して駅舎の照明等の一般の交流負荷へ供給することも特許文献２によって公知となっている。
日本国の公開特許である特開２０００−２３３６６９号公報 日本国の公開特許である特開２０１３−９５２６５号公報

電車の回生電力は大電力・短時間（数ＭＷ−数十秒）となるのが特徴であり、そのため、現在の電力貯蔵装置では１回の回生吸収で２０ＭＷ・ｓ程度のエネルギーを蓄えるだけのＥＤＬＣ容量を有している。蓄えられたエネルギーは、次の回生電力の発生までに放出（再利用）しないと、回生吸収機能が働かないことになる。つまり次の回生電力発生までに力行車両へ電力供給する必要があるが、力行車両がその近傍に存在しない場合、回生吸収機能は動作しないため回生車両が回生失効を起こす。

一方、電気鉄道用回生インバータは、蓄積されたエネルギーを変換して直接交流電源系統に供給できるため回生が連続して発生しても問題は生じないが、電力会社では逆送電を好まないことや回生電力の買収を行わない場合があり、回生電力の消費は変電所及び駅の電灯や動力電源の一般的な交流負荷に頼らざるを得なく、電車が発生する数ＭＷの回生電力の数分の１しか消費できないものとなっている。

本発明が目的とするとこは、ＥＤＬＣで吸収したエネルギーの利用を効率よく行うことを可能とした電気鉄道用回生インバータ装置を提供することにある。

本発明の１つの観点によれば、電気鉄道の電車線に回生インバータの直流側を接続し、回生インバータの交流側に連系変圧器を介して交流負荷を接続すると共に、回生インバータの直流側に電力貯蔵装置を接続して電車からの回生電力を電力貯蔵装置に蓄えるものにおいて、
前記回生インバータの直流側の正・負極に、それぞれ電車線と電力貯蔵装置の貯蔵媒体との接続切替えを行う切替スイッチを接続し、
回生インバータの正極側に接続された切替スイッチは、貯蔵媒体への充電時では電車線側に、放電時には貯蔵媒体側に切替えるよう構成し、
回生インバータの負極側に接続された切替スイッチは、充電時には回生インバータを介して貯蔵媒体への充電側端子に、放電時には電車線の負極側に切り替わるよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の他の観点によれば、回生インバータと連系変圧器の間に第１のスイッチを設け、且つ回生インバータと並列に接続される平滑コンデンサと直列に第２のスイッチを接続し、第１，第２のスイッチを、前記貯蔵媒体からの回生電力放電時にオン状態に制御することを特徴としたものである。

本発明の別の観点によれば、貯蔵媒体への充電は、前記放電時に比較して大電流・短時間で貯蔵処理を実行し、前記貯蔵媒体からの放電は、充電時と比較して小電力を比較的長時間に亘って放電処理するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の更に別の観点によれば、電車線のき電電圧が設定された充電開始設定電圧を上回った時点で電気鉄道用回生インバータはＤＣ−ＤＣの充電モードで前記貯蔵媒体への充電を開始し、
き電電圧が設定された充電終了設定電圧を下回った時点で充電動作を終了してＤＣ−ＡＣ放電モードに移行し、
放電モード時の放電動作はき電電圧が充電開始設定電圧を上回った時でも前記貯蔵媒体の放電末電圧となるまで放電を継続し、
放電動作終了後にＤＣ−ＤＣ充電モードに切替えるよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の他の観点によれば、電車線のき電電圧が設定された充電開始設定電圧を上回った時点で電気鉄道用回生インバータはＤＣ−ＤＣの充電モードで前記貯蔵媒体への充電を開始し、
き電電圧が設定された充電終了設定電圧を下回った時点で充電動作を終了してＤＣ−ＡＣ放電モードに移行し、
放電モード時の放電動作時に、き電電圧が充電開始設定電圧を上回った場合にＤＣ−ＤＣの充電モードに変更して充電動作で制御するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の実施形態を示す回生インバータ装置の構成図。 車両回生時の概略説明図。 車両回生終了時の概略説明図。

図１は、本発明の回生インバータ装置の構成図を示したもので、１は連系変圧器で駅舎等の構内に使用される一般の交流負荷と回生インバータ２間に設けられる。回生インバータ２の直流側は電車線に接続され、ＩＧＢＴなどの双方向のスイッチング素子などによって構成されてＤＣ−ＤＣ充電モードとＤＣ−ＡＣ放電モードでの変換制御が可能となっている。すなわち、ＤＣ−ＤＣ充電モードでは全スイッチング素子が同時に、若しくはＩＧＢＴが直列に接続された任意のアームが同時にチョッピング動作を行う。この充電時には、三相の全スイッチング素子を同時にチョッピング動作させることによって大電流での充電が可能となる。
また、ＤＣ−ＡＣ放電モードではＰＷＭによるインバータ動作が行われる。
なお、電車線には図示省略された直流変電所からの直流が電車に供給されている。

３，４は回生インバータ２と電車線間に設置された双投の切替スイッチで、切替スイッチ３，４は充電モード時にはそれぞれａ側接点に投入され、放電モード時にはそれぞれｂ側接点に投入される。５は貯蔵媒体をＥＤＬＣとした電力貯蔵装置で、その負極側は切替スイッチ４のｂ側接点と電車線の負極側間に接続され、また、正極側は切替スイッチ３のｂ側接点と切替スイッチ４のａ側接点に接続されている。

６はスイッチで、平滑用のコンデンサＣと直列に接続されて回生インバータ２と並列接続されている。７はスイッチで、このスイッチ７とスイッチ６は充電モード時にはそれぞれオフ状態となっており、放電モードでオン状態に制御される。なお、各スイッチ３，４及び６，７は電力用半導体素子、若しくは機械式のスイッチの何れでもよく、充電及び放電モード時には同期してオン・オフ制御される。

以上のように構成された本発明の回生インバータ装置の動作を説明する。
図２，図３は概略の動作態様を示したものである。図２は車両回生時の態様図で、回生インバータ装置のＤＣ−ＤＣ充電モードでは、切替スイッチ３，４はそれぞれａ側接点に投入されており、電車１０が発生した回生電力は切替スイッチ３のａ側接点→回生インバータ２のＩＧＢＴ→切替スイッチ４のａ側接点→ＥＤＬＣのルートで流れてＥＤＬＣに２０ＭＪ程度のエネルギーが貯蔵される。その際、ＥＤＬＣは２〜４ＭＷの電力で、数十秒〜１分程度の大電流・短時間で貯蔵処理が行われ、回生終了後はＤＣ−ＡＣ放電モードに切替られる。

図３は車両回生終了後の態様図で、回生インバータ装置はＤＣ−ＡＣ放電モードである。このとき、切替スイッチ３，４はそれぞれｂ側接点に切替られると同時に、スイッチ６，７も投入されてＥＤＬＣに蓄積されていたエネルギーは、ＥＤＬＣ→切替スイッチ３のｂ側接点→回生インバータ２→スイッチ７→連系変圧器１→一般の交流負荷１１へと供給される。この放電モードにおける回生インバータ装置では、１０〜２００ｋＷの比較的小電力を、１〜１０分に亘る比較的長時間で放電処理し、次回の回生電力発生に備える。
変電所や駅舎の交流負荷１１は比較的安定しているので、回生により蓄積されたＥＤＬＣのエネルギーは計画通り消費することができるので、力行車両に頼らなくても次々と回生電力の吸収が可能となる。

以下具体的な切替制御について説明する。
直流変電所からの電車線き電電圧をＤＣ１５００Ｖ（整流器無負荷電圧：ＤＣ
１６２０Ｖ）とし、充電開始設定電圧をＤＣ１６９０Ｖ、充電終了設定電圧をＤＣ１６２０Ｖする。また、ＥＤＬＣの使用電圧範囲を仮にＤＣ５００Ｖ（放電末電圧）〜ＤＣ１３００Ｖ（満充電電圧）と設定し、ＥＤＬＣは常時５００Ｖにて待機しているものとする。

（１）放電優先モードでの使用
き電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを上回った時点で、回生インバータ装置はＤＣ−ＤＣ充電モードでの充電動作を開始し、き電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを超えないように回生インバータ２のＩＧＢＴをチョッピング動作させることでＥＤＬＣへの充電電流を制御する。き電電圧が充電終了設定電圧ＤＣ１６２０Ｖを下回った時点で、充電動作を終了する。ただし、充電中にＥＤＬＣ電圧が満充電電圧ＤＣ１３００Ｖとなった場合には、その時点で充電動作を終了する。

充電動作終了後、装置は直ちにＤＣ−ＡＣモードに移行する。回生インバータ２の構成をインバータ用に組み替えた後、ＥＤＬＣに蓄えられたエネルギーを３相交流に変換し、スイッチ７、連系変圧器１を介して構内の低圧母線へ送電し交流の交流負荷１１によって消費される。

放電動作は、ＥＤＬＣ電圧が放電末電圧ＤＣ５００Ｖとなるまで継続し、ＤＣ５００Ｖにて放電動作を終了する。放電動作中にき電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを上回ってもそのまま放電を継続して充電動作への切り替えは行わない。放電動作終了後は次の充電動作に向け回生インバータ装置をＤＣ−ＤＣ充電モードに戻して待機状態となる。すなわち、放電優先モードでの制御が実行される。

（２）充電優先モードでの使用
き電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを上回った時点で、回生インバータ装置はＤＣ−ＤＣ充電動作を開始し、き電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを超えないように回生インバータ２のＩＧＢＴをチョッビング動作させることでＥＤＬＣへの充電電流を制御する。き電電圧が充電終了設定電圧ＤＣ１６２０Ｖを下回った時点で、充電動作を終了する。ただし、充電中にＥＤＬＣ電圧が満充電ＤＣ１３００Ｖとなった場合には、その時点で充電動作を終了する。

充電動作終了後、装置は直ちにＤＣ−ＡＣ放電モードに移行する。回生インバータ２の構成をインバータ用に組み替えた後、ＥＤＬＣに蓄えられたエネルギーを３相交流に変換して連系変圧器１を介して構内の低圧母線へ送電し交流の交流負荷１１によって消費される。

放電動作はＥＤＬＣ電圧が放電末電圧ＤＣ５００Ｖとなるまで継続し、ＤＣ５
００Ｖにて放電動作終了する。放電動作終了後は次の充電動作に向け回生インバータ装置をＤＣ−ＤＣ充電モードに戻して待機状態となる。
ただし、放電動作にき電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを上回った場合は、直ちに回生インバータ２の構成をＤＣ−ＤＣコンバータ用に組み替えて充電動作を開始し、回生電力をＥＤＬＣに充電する。すなわち、充電優先モードでの制御が実行される。

以上本発明によれば、放電優先モードでの制御、充電優先モードでの制御の何れの制御方式を実行しても、回生インバータがＤＣ−ＤＣ充電とＤＣ−ＡＣ放電の二役を行うことで、特許文献２のような電力貯蔵装置に昇圧チョッパなどのスイッチング素子を不要としているため、装置が縮小され、且つコスト低減が可能となるものである。また、周囲に力行する電車がいなくても、連続的に回生電力の吸収が可能となるので回生失効が防止できるものである。さらに、ＥＤＬＣで吸収したエネルギーは直ちに再利用ができるので、より効率のよい省エネ実現が可能となるものである。

本発明の１つの観点によれば、電気鉄道の電車線に回生インバータの直流側を接続し、回生インバータの交流側に連系変圧器を介して交流負荷を接続すると共に、回生インバータの直流側に電力貯蔵装置を接続して電車からの回生電力を電力貯蔵装置に蓄えるものにおいて、
前記回生インバータの直流側の正・負極に、それぞれ電車線と電力貯蔵装置の貯蔵媒体との接続切替えを行う切替スイッチを接続し、
回生インバータの正極側に接続された切替スイッチは、貯蔵媒体への充電時では電車線の正極側に、放電時には貯蔵媒体の一端側に切替えるよう構成し、
回生インバータの負極側に接続された切替スイッチは、充電時にはリアクトルを介して貯蔵媒体の一端に、放電時には貯蔵媒体の他端および電車線の負極側に切り替わるよう構成し、
前記回生インバータは、充電時にチョッピング動作が行われるように制御し、放電時にＰＷＭによるインバータ動作が行われるように制御し、
電車線に発生した回生電力の充電時には、電車線の正極側から、回生インバータの正極側に接続された切替スイッチ、回生インバータのスイッチング素子、回生インバータの負極側に接続された切替スイッチ、リアクトルおよび貯蔵媒体への充電ルートを形成し、
放電時には、貯蔵媒体から、回生インバータの正極側に接続された切替スイッチ、回生インバータのスイッチング素子、連系変圧器、交流負荷への放電ルートを形成することを特徴としたものである。

本発明の更に別の観点によれば、電車線のき電電圧が設定された充電開始設定電圧を上回った時点で前記回生インバータはＤＣ−ＤＣ充電モードで前記貯蔵媒体への充電を開始し、
き電電圧が設定された充電終了設定電圧を下回った時点で充電動作を終了してＤＣ−ＡＣ放電モードに移行し、
前記放電モード時の放電動作はき電電圧が充電開始設定電圧を上回った時でも前記貯蔵媒体の放電末電圧となるまで放電を継続し、
放電動作終了後にＤＣ−ＤＣ充電モードに切替えるよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の他の観点によれば、電車線のき電電圧が設定された充電開始設定電圧を上回った時点で前記回生インバータはＤＣ−ＤＣ充電モードで前記貯蔵媒体への充電を開始し、
き電電圧が設定された充電終了設定電圧を下回った時点で充電動作を終了してＤＣ−ＡＣ放電モードに移行し、
前記放電モード時の放電動作中に、き電電圧が充電開始設定電圧を上回った場合にＤＣ−ＤＣ充電モードに変更して充電動作で制御するよう構成したことを特徴としたものである。

図１は、本発明の回生インバータ装置の構成図を示したもので、１は連系変圧器であり、駅舎等の構内に使用される一般の交流負荷が接続される母線（後述する図２の３相低圧または６ｋＶ母線）と回生インバータ２との間に設けられる。回生インバータ２の直流側は電車線に接続され、ＩＧＢＴなどの双方向のスイッチング素子などによって構成されてＤＣ−ＤＣ充電モードとＤＣ−ＡＣ放電モードでの変換制御が可能となっている。すなわち、ＤＣ−ＤＣ充電モードでは全スイッチング素子が同時に、若しくはＩＧＢＴが直列に接続された任意のアームが同時にチョッピング動作を行う。この充電時には、三相の全スイッチング素子を同時にチョッピング動作させることによって大電流での充電が可能となる。
また、ＤＣ−ＡＣ放電モードではＰＷＭによるインバータ動作が行われる。
なお、電車線には図示省略された直流変電所からの直流が電車に供給されている。

３，４は回生インバータ２と電車線間に設置された双投の切替スイッチで、切替スイッチ３，４は充電モード時にはそれぞれａ側接点に投入され、放電モード時にはそれぞれｂ側接点に投入される。５はＥＤＬＣを貯蔵媒体とした電力貯蔵装置で、その負極側は切替スイッチ４のｂ側接点と電車線の負極側間に接続され、また正極側は、切替スイッチ３のｂ側接点と、一端が切替スイッチ４のａ側接点に接続されたチョッピング動作用のリアクトルＬ ₀ の他端とに接続されている。

以上のように構成された本発明の回生インバータ装置の動作を説明する。
図２，図３は概略の動作態様を示したものである。図２は車両回生時の態様図で、回生インバータ装置のＤＣ−ＤＣ充電モードでは、切替スイッチ３，４はそれぞれａ側接点に投入されており、電車１０が発生した回生電力は切替スイッチ３のａ側接点→回生インバータ２のＩＧＢＴ→切替スイッチ４のａ側接点→リアクトルＬ ₀ →電力貯蔵装置５のルートで流れて電力貯蔵装置５のＥＤＬＣに２０ＭＪ程度のエネルギーが貯蔵される。その際、ＥＤＬＣは２〜４ＭＷの電力で、数十秒〜１分程度の大電流・短時間で貯蔵処理が行われ、回生終了後はＤＣ−ＡＣ放電モードに切替られる。

図３は車両回生終了後の態様図で、回生インバータ装置はＤＣ−ＡＣ放電モードである。このとき、切替スイッチ３，４はそれぞれｂ側接点に切替られると同時に、スイッチ６，７も投入されて電力貯蔵装置５のＥＤＬＣに蓄積されていたエネルギーは、ＥＤＬＣ→切替スイッチ３のｂ側接点→回生インバータ２→スイッチ７→連系変圧器１→母線に接続された一般の交流負荷１１へと供給される。この放電モードにおける回生インバータ装置では、１０〜２００ｋＷの比較的小電力を、１〜１０分に亘る比較的長時間で放電処理し、次回の回生電力発生に備える。
変電所や駅舎の交流負荷１１は比較的安定しているので、回生により蓄積されたＥＤＬＣのエネルギーは計画通り消費することができるので、力行車両に頼らなくても次々と回生電力の吸収が可能となる。

以下具体的な切替制御について説明する。
直流変電所からの電車線き電電圧をＤＣ１５００Ｖ（整流器無負荷電圧：ＤＣ１６２０Ｖ）とし、充電開始設定電圧をＤＣ１６９０Ｖ、充電終了設定電圧をＤＣ１６２０Ｖとする。また、電力貯蔵装置５のＥＤＬＣの使用電圧範囲を仮にＤＣ５００Ｖ（放電末電圧）〜ＤＣ１３００Ｖ（満充電電圧）と設定し、ＥＤＬＣは常時５００Ｖにて待機しているものとする。

（１）放電優先モードでの使用
き電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを上回った時点で、回生インバータ装置はＤＣ−ＤＣ充電モードでの充電動作を開始し、き電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを超えないように回生インバータ２のＩＧＢＴをチョッピング動作させることで電力貯蔵装置５のＥＤＬＣへの充電電流を制御する。き電電圧が充電終了設定電圧ＤＣ１６２０Ｖを下回った時点で、充電動作を終了する。ただし、充電中にＥＤＬＣ電圧が満充電電圧ＤＣ１３００Ｖとなった場合には、その時点で充電動作を終了する。

充電動作終了後、装置は直ちにＤＣ−ＡＣモードに移行する。回生インバータ２の構成をインバータ用に組み替えた後、電力貯蔵装置５のＥＤＬＣに蓄えられたエネルギーを３相交流に変換し、スイッチ７、連系変圧器１を介して構内の低圧母線へ送電し交流の交流負荷１１によって消費される。

放電動作はＥＤＬＣ電圧が放電末電圧ＤＣ５００Ｖとなるまで継続し、ＤＣ５００Ｖにて放電動作終了する。放電動作終了後は次の充電動作に向け回生インバータ装置をＤＣ−ＤＣ充電モードに戻して待機状態となる。
ただし、放電動作中にき電電圧が充電開始設定電圧ＤＣ１６９０Ｖを上回った場合は、直ちに回生インバータ２の構成をＤＣ−ＤＣコンバータ用に組み替えて充電動作を開始し、回生電力をＥＤＬＣに充電する。すなわち、充電優先モードでの制御が実行される。

Claims (5)

1. 電気鉄道の電車線に回生インバータの直流側を接続し、回生インバータの交流側に連系変圧器を介して交流負荷を接続すると共に、回生インバータの直流側に電力貯蔵装置を接続して電車からの回生電力を電力貯蔵装置に蓄えるものにおいて、
   前記回生インバータの直流側の正・負極に、それぞれ電車線と電力貯蔵装置の貯蔵媒体との接続切替えを行う切替スイッチを接続し、
   回生インバータの正極側に接続された切替スイッチは、貯蔵媒体への充電時では電車線側に、放電時には貯蔵媒体側に切替えるよう構成し、
   回生インバータの負極側に接続された切替スイッチは、充電時には回生インバータを介して貯蔵媒体への充電側端子に、放電時には電車線の負極側に切り替わるよう構成したことを特徴とする電気鉄道用回生インバータ装置。
2. 前記回生インバータと連系変圧器の間に第１のスイッチを設け、且つ回生インバータと並列に接続される平滑コンデンサと直列に第２のスイッチを接続し、第１，第２のスイッチを、前記貯蔵媒体からの回生電力放電時にオン状態に制御するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の電気鉄道用回生インバータ装置。
3. 前記貯蔵媒体への充電は、前記放電時に比較して大電流・短時間で貯蔵処理を実行し、前記貯蔵媒体からの放電は、充電時と比較して小電力を比較的長時間に亘って放電処理するよう構成したことを特徴とした請求項１又は２記載の電気鉄道用回生インバータ装置。
4. 前記電車線のき電電圧が設定された充電開始設定電圧を上回った時点で電気鉄道用回生インバータはＤＣ−ＤＣの充電モードで前記貯蔵媒体への充電を開始し、
   き電電圧が設定された充電終了設定電圧を下回った時点で充電動作を終了してＤＣ−ＡＣ放電モードに移行し、
   放電モード時の放電動作はき電電圧が充電開始設定電圧を上回った時でも前記貯蔵媒体の放電末電圧となるまで放電を継続し、
   放電動作終了後にＤＣ−ＤＣ充電モードに切替えるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至３記載の何れか１項である電気鉄道用回生インバータ装置。
5. 前記電車線のき電電圧が設定された充電開始設定電圧を上回った時点で電気鉄道用回生インバータはＤＣ−ＤＣの充電モードで前記貯蔵媒体への充電を開始し、
   き電電圧が設定された充電終了設定電圧を下回った時点で充電動作を終了してＤＣ−ＡＣ放電モードに移行し、
   放電モード時の放電動作時に、き電電圧が充電開始設定電圧を上回った場合にＤＣ−ＤＣの充電モードに変更して充電動作で制御するよう構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項である電気鉄道用回生インバータ装置。

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