KR101715444B1

KR101715444B1 - 축전 장치와 그 설치 및 운용 방법

Info

Publication number: KR101715444B1
Application number: KR1020137022217A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 노기; 료 다카기; 고지 오오츠지; 미츠히코 마츠이; 사토시 고이즈미
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2017-03-10
Also published as: WO2012111679A1; US9312717B2; KR20130120522A; CN103347733A; JP5377538B2; BR112013020595A2; US20140070770A1; HK1189198A1; CN103347733B; EP2676834B1; EP2676834A4; BR112013020595B1; JP2012166646A; EP2676834A1

Abstract

본 발명은 축전 소자에 대한 빈번한 충방전을 억제하여, 에너지 절약화와 수명 장기화를 도모한다. 송전선(1)의 전력을 송전선측 전력 변환 장치(2)가 변환하고, 궤전선(3)에 대하여 직류 전력을 공급한다. 궤전선(3)에 축전 소자(4)를, 전력 변환 장치(5)를 통해서 접속한다. 출력 전류 제어부(6)에는 궤전선(3)의 가선 전압을 검출하는 가선 전압 검출부(7)와, 축전 소자(4)의 충전율 SOC를 검출하는 충전율 검출부(8)를 접속한다. 출력 전류 제어부(6)에 검출된 가선 전압 및 충전율에 기초하여, 충방전 개시 전압과 충방전 전류 포화 전압을 결정하는 제어 테이블(9)을 접속한다. 이 제어 테이블(9)에 데이터 입출력부(10)를 설치한다. 출력 전류 제어부(6)는 충전율이 높아짐에 따라, 높은 가선 전압으로도 축전 소자가 방전하기 쉽고, 낮은 가선 전압으로는 축전 소자에 충전하기 어려워지도록 제어한다. 출력 전류 제어부(6)는 충전율이 낮아짐에 따라, 낮은 가선 전압으로도 방전하기 어렵고, 낮은 가선 전압으로도 충전하기 쉽도록 제어한다.

Description

축전 장치와 그 설치 및 운용 방법{BATTERY DEVICE AND METHOD FOR INSTALLING AND OPERATING SAME}

본 발명의 실시 형태는, 예를 들어 직류 전기 철도의 전력 공급원으로서 사용되는 축전 장치와 그 설치 및 운용 방법에 관한 것이다.

직류 전기 철도의 전력 공급 시스템으로서, 종래부터 직류 궤전(饋電) 시스템이 알려져 있다. 이 직류 궤전 시스템은, 철도 차량의 발진(start) 및 정지에 수반되는 부하 변동이 격렬하여, 가선 전압(架線電壓) 변동이 큰 특성으로 되어 있다.

또한, 교류 전원 계통으로부터는 다이오드 정류기 등의 전력 변환 장치를 사용해서 직류를 만드는 것이 일반적이기 때문에, 철도 차량의 감속시에 행해지는 교류 전원 계통으로의 전원 회생은, 회생 인버터를 설치하지 않으면 실시할 수 없다. 그로 인해, 회생 인버터가 존재하지 않는 경우에는, 철도 차량으로부터의 회생 전류를 흡수하는 충분한 부하가 철도 차량의 주변에 존재하지 않으면, 효과적인 회생을 행할 수 없다.

한편, 회생 인버터를 설치해도 인버터가 회생하는 전력을 소비하는 부하가 계통에 없으면, 회생 전력은 전력 회사의 송배전 계통으로 역조류하게 되고, 철도 사업자는 구매 전력량 저감의 효과를 얻지 못한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 궤전 시스템 내에 차량의 회생 전력을 흡수하는 축전 장치를 설치하는 경우가 있다. 이 축전 장치는, 철도 차량의 회생 전력을 흡수하면서, 또한 축적한 에너지를 방전하는 것이 가능하다. 이 축전 장치의 설치에 의해, 궤전용 변전소의 입력 에너지를 저감하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 축전 장치는 가선 전압의 변동을 억제하는 기능도 갖는다. 이러한 축전 시스템의 선행 기술로서는, 예를 들어 이하와 같은 것이 있다.

일본 특허 공개 제2006-62489호 공보

특허문헌 1의 기술은 축전 장치에 사용되는 축전 소자의 충전율 SOC나 가선 전압에 따라, 축전 장치의 충방전을 제어한다. 예를 들어, 도 11에 도시한 바와 같이, 방전 개시 전압 Vc와 충전 개시 전압 Vd 사이에 조정 충전을 행하기 위한 플로팅 제어 모드를 설치하는 경우가 있었다.

이 종래 기술에서는 가선 전압 V가 높아지면, 충전 개시 전압 Vd로부터 충전 전류 포화 전압 Ve까지는 충전 전류를 증가시켜, 충전 전류 포화 전압 Ve로부터 충전 최대 전압 Vf에 도달할 때까지는 최대 충전 전류 Ic에 의해, 궤전선(饋電線)으로부터 축전 소자 SOC로의 충전을 행한다. 한편, 가선 전압 V가 낮아지면, 방전 개시 전압 Vc로부터 방전 전류 포화 전압 Vb까지는 방전 전류를 증가시키고, 방전 전류 포화 전압 Vb로부터 방전 최대 전압 Va에 도달할 때까지는 최대 방전 전류 Io에 의해 축전 소자 SOC으로부터 궤전선으로의 방전을 행한다.

이 경우, 충전율 SOC가 설정값일 경우에는, 도 11의 그래프의 방전 개시 전압 Vc 내지 충전 개시 전압 Vd의 가선 전압에 있어서, 충방전 전류는 흐르지 않는다. 그러나, 플로팅 제어 모드를 설치한 종래 기술에서는, 충전율 SOC가 설정값보다도 높은 경우에는, 통상은 충방전 전류가 흐르지 않고 있는 방전 개시 전압 Vc 내지 충전 개시 전압 Vd의 가선 전압이어도, 플로팅 전류 If를 방전 방향으로 흐르게 한다(출력 전류 I가 커진다). 반대로, 충전율 SOC가 설정값보다도 낮은 경우에는, 통상은 충방전 전류가 흐르지 않고 있는 방전 개시 전압 Vc 내지 충전 개시 전압 Vd의 가선 전압이어도, 플로팅 전류 If를 충전 방향으로 흐르게 한다. 이에 의해, 충전율을 일정한 값으로 유지하도록, 충방전 전류를 제어하고 있다.

이러한 종래 기술은, 궤전선이 경부하 상태인 전압일 때 목표로 하는 충전율이 되도록 조정 충방전을 행하는 방법이다. 이에 의해, 축전 소자의 충전율을 임의의 값으로 유지하는 것이 가능한데, 경부하 시에 정류기로부터의 전류를 한번 축전 소자에 모으고, 그것을 재방전하는 것이므로, 충방전 손실이 발생하고, 에너지 절약에 반한다는 문제가 있었다. 또한, 플로팅 제어를 행하는 결과, 통상적으로 충방전을 행하지 않는 방전 개시 전압 Vc 내지 충전 개시 전압 Vd여도 충방전을 행하기 위해서 축전 소자의 충방전 사이클이 증가하고, RMS 전류의 증가, 축전 소자의 온도 상승, 충방전 사이클 에너지의 증가로 이어지며, 소자의 수명이 저하되었다.

그 한편, 고출력의 축전 장치를 실현하기 위해서, 축전 소자를 다직렬, 또한 다병렬하는 것이 행해지고 있지만, 다수의 소자를 접속한 경우에는 장치 신뢰성의 저하가 문제가 된다. 복수의 소자를 다직렬하는 경우, 기본적으로는 각 소자의 충전율을 감시하기 위한 기판이 필요해지고, 각 소자를 다직렬 또한 다병렬화하면 이 감시 기판의 개수도 증가하여, 시스템 전체의 신뢰성의 저하로 이어진다. 또한, 많은 소자나 감시 기판을 사용하는 것은, 장치 비용의 증가로도 이어진다.

또한, 축전 장치에 사용되는 축전 소자는, 열에 약한 것 외에 충방전 심도를 깊게 취함으로써 수명이 저하된다는 과제도 있다. 열에 약하다는 점은 전자 회로 기판도 마찬가지여서, 발열이 기판의 수명에 큰 영향을 주고, 신뢰성 저하의 요인도 된다.

이러한 문제점은 엘리베이터의 구동계에 대한 배전 시스템, 태양광 발전(PV) 장치의 충방전 시스템 등, 직류 전기 철도의 궤전 시스템 이외의 직류 배전 시스템에도 마찬가지로 존재한다.

본 발명의 실시 형태는, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것이다. 즉, 본 발명의 실시 형태는 신뢰성 및 용장성의 향상이 가능하고,궤전 시스템의 수명 장기화와 에너지 절약화가 양립 가능한 축전 장치를 실현하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 형태는, 예를 들어 다음과 같은 구성을 구비하고 있다.

(1) 전력 변환기를 통해서 직류 전원에 접속된 축전 소자.

(2) 상기 전력 변환기에 접속되어, 직류 전원에 대한 축전 소자의 충방전 전류를 제어하는 출력 전류 제어부.

(3) 상기 출력 전류 제어부에는 직류 전원의 전압을 검출하는 전압 검출부와, 축전 소자의 충전율을 검출하는 충전율 검출부와, 상기 전압 검출부와 충전율 검출부에 의해 검출된 직류 전원의 전압 및 축전 소자의 충전율에 기초하여, 축전 소자의 충전 개시 전압, 방전 개시 전압, 충전 전류 포화 전압 및 방전 전류 포화 전압 중 적어도 하나를 결정하기 위한 충방전 특성이 설정된 제어 테이블이 접속되어 있다.

(4) 상기 제어 테이블에 설정된 충방전 특성은,

축전 소자의 충전율이 높은 경우에 있어서의 상기 충전 개시 전압, 방전 개시 전압, 충전 전류 포화 전압 및 방전 전류 포화 전압 중 적어도 하나의 전압이, 축전 소자의 충전율이 낮은 경우에 있어서의 상기 충전 개시 전압, 방전 개시 전압, 충전 전류 포화 전압 및 방전 전류 포화 전압 중 적어도 하나의 전압보다도 높은 값으로 설정되어 있다.

도 1은 제1 실시 형태를 도시하는 블록도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 가선 전압과 출력 전류의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 방전 특성을 도시하는 그래프이다.
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 충전 특성을 도시하는 그래프이다.
도 5는 제2 실시 형태를 도시하는 블록도이다.
도 6은 제2 실시 형태의 변형예를 도시하는 블록도이다.
도 7은 각 실시 형태에 있어서의 축전 소자의 접속 구성을 도시하는 배선도이다.
도 8은 제3 실시 형태에 있어서의 입출력 전류의 제한 특성을 도시하는 그래프이다.
도 9는 제4 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 설치 위치와 충방전 제어 특성과의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 10은 제5 실시 형태에 있어서의 축전 장치의 설치 위치와 축전 장치의 용량의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11은 플로팅 제어 모드를 갖는 종래 기술의 가선 전압과 출력 전류의 관계를 도시하는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

A. 제1 실시 형태

(제1 실시 형태의 구성)

이하, 본 발명의 제1 실시 형태를 도 1을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 실시예에 의한 축전 장치를 포함하는 궤전 시스템의 전체 구성을 도시한다. 본 실시 형태의 궤전 시스템은, 송전선(1)의 전력을 송전선측 전력 변환 장치(2)가 변환하고, 궤전선(3)에 대하여 직류 전력을 공급한다. 이 경우, 직류 전원이 되는 궤전선(3)의 정격 전압은, 송전선측의 전력 변환 장치(2)가 연속 운전 가능한 전류를 출력하고 있을 때의 전압이다. 이 송전선(1)측의 전력 변환 장치(2)는, 예를 들어 다이오드 정류기나 PWM 컨버터이다. 궤전선(3)의 전압은, 예를 들어 DC600V, 750V, 1500V, DC3000V이고, 그 부근의 전압에서 전압 변동이 일어난다.

궤전선(3)에는 축전용 축전 소자(4)가 축전 소자측의 전력 변환 장치(5)를 통해서 접속되어 있다. 축전 소자(4)는, 예를 들어 리튬 이온 전지나 니켈 수소 전지 등의 축전지이다. 또한, 축전 소자(4)로서, 전기 이중층 캐패시터도 사용할 수 있다. 축전 소자측의 전력 변환 장치(5)는, 예를 들어 스위칭 소자를 게이트 구동하는 승강압 초퍼(booster/step-down chopper) 회로이고, 축전 소자(4)에 대한 충방전 전류를 임의로 제어하는 것이 가능하다. 이 전력 변환 장치(5)에 사용되는 소자는 IGBT와 같은 자기 소호형(self-turn-off) 소자이고, PWM 구동됨으로써, 축전 소자(4)에 대한 충방전 전류를 제어한다. 이 전력 변환 장치(5)를 궤전선에 대하여 복수 접속하고, 축전 소자(4)를 다중화하여 운전해도 좋다.

축전 소자측의 전력 변환 장치(5)가 궤전선(3)으로부터 축전 소자(4)에 대하여 입출력하는 충방전 전류(Output Current)는, 전력 변환 장치(5)에 설치된 출력 전류 제어부(6)에 의해 결정된다. 이 출력 전류 제어부(6)에는 궤전선(3)의 가선 전압(Line_Voltage)을 검출하는 가선 전압 검출부(7)와, 축전 소자(4)의 충전율 SOC를 검출하는 충전율 검출부(8)가 접속되어 있다.

또한, 출력 전류 제어부(6)에는 가선 전압 검출부(7)와 충전율 검출부(8)에 의해 검출된 가선 전압 및 충전율에 기초하여, 축전 소자(4)의 충방전 동작, 즉 충방전 개시 전압(charge_th_low, discharg_th_high)과 충방전 전류 포화 전압(charge_th_high, discharg_th_low)을 결정하는 제어 테이블(9)이 접속되어 있다. 이 제어 테이블(9)에는 제어 테이블(9)에 기억하는 각종 값을 유저가 설정하면서, 또한 설정값이나 입출력 전류, 기타 데이터를 확인하기 위한 데이터 입출력부(10)가 설치되어 있다.

출력 전류 제어부(6)는 검출된 가선 전압(LineVoltage)과 충전율 SOC와, 제어 테이블(9)에 설정되어 있는 충방전 특성에 따라, 축전 소자측의 전력 변환 장치(5)의 충방전 전류(Output Current)를 변화시킨다. 이하, 이 제어 테이블(9)에 설정되어 있는 충방전 특성을, 도 2 내지 도 4에 의해 설명한다.

도 2는 횡축의 가선 전압(Line_Voltage)과 종축의 축전 소자(4)의 출력 전류(Output Current)의 관계를 도시하는 것이다. 즉, 가선 전압이 기정값(그래프 횡축의 중앙 부분)보다도 낮아져서 방전 개시 전압(discharg_th_high)에 도달하면, 축전 소자(4)로부터의 출력 전류가 증대하고, 방전 전류 포화 전압(discharg_th_low)에 도달하면 그 후에는 방전 전류가 최대값인 채로 출력된다. 한편, 가선 전압이 기정값(그래프 횡축의 중앙 부분)보다도 높아져서 충전 개시 전압(charg_th_low)에 도달하면, 축전 소자(4)로의 충전 전류가 증대하고, 충전 전류 포화 전압(charg_th_high)에 도달하면 그 후에는 충전 전류가 최대값인 채로 충전이 이루어진다.

도 3은 가선 전압(Line_Voltage)과 충전율 SOC에 기초하는 방전 특성의 일례다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 가선 전압이 1380V부터 1500V의 범위에서 방전 특성(discharg_th_high, discharg_th_low)이 설정된다. 그 경우, 충전율이 낮은 범위(도면의 40％ 이하)에서는 방전 개시 전압(discharg_th_high)을 낮추고, 가선 전압이 낮아지지 않는 한, 방전을 개시하지 않도록 설정한다. 마찬가지로, 충전율이 낮은 범위(도면의 40％ 이하)에서는 방전 전류 포화 전압(discharg_th_low)을 낮추고, 낮은 가선 전압으로 최대 방전 전류가 흐르도록 설정한다. 그 결과, 충전율이 낮은 범위에서는 가선 전압이 낮아지지 않는 한(1450V 이하), 방전하지 않도록 설정한다.

한편, 충전율이 높은 범위(도면의 85％ 이상)에서는 방전 개시 전압(discharg_th_high)을 높이고(1450V), 가선 전압이 높은 상태에서도 방전을 개시하도록 설정한다. 마찬가지로, 충전율이 높은 범위(도면의 85％ 이상)에서는 방전 전류 포화 전압(discharg_th_low)을 높이고, 높은 가선 전압(1500V)으로 최대 방전 전류가 흐르도록 설정한다.

도 4는 가선 전압(Line_Voltage)과 충전율 SOC에 기초하는, 방전 특성의 일례다. 도 4에 도시한 바와 같이, 충전 개시 전압(charge_th_low) 및 충전 전류 포화 전압(charge_th_high)을 충전율이 높아짐에 따라 가선 전압에 대한 설정값을 높이고, 반대로 충전율이 낮아짐에 따라 설정값이 낮아지는 특성을 설정한다. 그 결과, 축전 소자(4)의 충전율이 낮은 경우에는 가선 전압이 낮아도 충전을 개시하고, 충전율이 높은 경우에는, 가선 전압이 높아지지 않은 한, 충전을 행하지 않는다.

본 실시 형태에서는 충전율의 전 범위에서, 도 3의 방전 개시 전압(discharge_th_high)의 가장 높은 값은 1500V이고, 도 4의 충전 개시 전압(charge_th_low)의 가장 낮은 값은 1620V다. 즉, 본 실시 형태에서는 충전율이 어느 범위에 있더라도, 적어도 가선 전압이 1500V와 1620V의 범위에서는 충방전이 행해지는 일이 없다.

상기와 같은 도 3 및 도 4에 도시하는 본 실시 형태의 충방전 특성을, 도 2의 그래프에 점선으로 나타낸다. 이 점선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태에서는 축전 소자의 충전율 SOC가 변화한 경우에, 도 11의 종래 기술과 같이 방전 개시 전압(discharge_th_high) 내지 충전 개시 전압(charge_th_low) 부분에 플로팅 전류 If를 흐르게 하는 것이 아니다. 본 실시 형태에서는 충전율에 따라, 방전 개시 전압(discharge_th_high)과 충전 개시 전압(charge_th_low) 중 적어도 한쪽을 변화시키는 것이다. 이에 의해, 출력 전류 제어부(6)는 도 3 또는 도 4의 제어 테이블을 참조하여, 가선 전압이 방전 개시 전압(discharge_th_high) 내지 방전 개시 전압(charge_th_low)에 있을 경우에는 충방전 동작을 정지하고, 가선 전압이 정격 전압보다도 미리 설정한 고전압 혹은 저전압의 범위에서, 충전율 SOC와 가선 전압에 따른 적절한 충방전 동작을 행할 수 있다.

(제1 실시 형태의 작용 효과)

이와 같이 본 실시 형태에서는 충전율이 높아짐에 따라 높은 가선 전압으로도 방전하기 쉬워지는 특성으로 추이되고, 낮은 가선 전압은 충전하기 어려워지는 특성이 된다. 반대로, 충전율이 낮아짐에 따라, 낮은 가선 전압으로도 방전하기 어려워지는 특성으로 추이되고, 낮은 가선 전압으로도 충전하기 쉬워지는 특성으로 추이된다.

그 결과, 본 실시 형태에 따르면, 플로팅 전류 제어와 같은 본래 충방전을 행할 필요가 없는 영역에서의 충방전 동작이 불필요하게 되고, 축전 소자에 대한 빈번한 충방전이 억제되어, 에너지 절약화와 수명 장기화를 도모할 수 있다. 즉, 종래 기술의 플로팅 제어와 같은 조정 충방전을 행하지 않는 점에서, 불필요한 충방전 사이클 에너지를 발생시키지 않고, 축전 소자의 수명을 보존할 수 있다.

또한, 회생 실효(失效)하고 있을 가능성이 높은 전압 영역(예를 들어, 궤전선의 가선 전압의 정격이 DC 1500V에서는 1650V 내지 1800V의 영역)으로부터 우선적으로 충전하고, 궤전 전압이 낮아지는 곳에서 집중적으로 방전함으로써, 잉여 회생 전력의 흡수와, 궤전 시스템 내의 궤전 손실(궤전선이나 귀선 전류가 흐르는 레일에서 발생하는 손실)을 억제하는 것이 가능하게 된다.

(제1 실시 형태의 변형예)

상기와 같은 제1 실시 형태는 다음과 같은 변형예를 갖는다.

(1) 본 실시 형태에 있어서, 충전 개시 전압(charge_th_low)과 방전 개시 전압(discharge_th_high)의 양쪽을 충전율에 따라 반드시 변화시킬 필요는 없으며, 어느 한쪽을 고정 값으로 유지하여, 충전 개시 전압(charge_th_low) 또는 방전 개시 전압(discharge_th_high) 중 한쪽을 충전율에 따라 변화시켜도 마찬가지의 효과가 얻어진다.

(2) 충전 전류 포화 전압(charge_th_high)이나 충전 개시 전압(charge_th_low)의 설정값을, 충전율 SOC에 관계없이 변전소의 무부하 송출 전압 이하로 설정하면, 경부하 상태의 변전소로부터 충전할 수도 있다. 이것은 회생 전력량이 극단적으로 적은 노선의 경우에 유효하고, 궤전 시스템이 경부하 상태로 되어 있을 때 충전해 둘 수 있다.

(3) 상기 (2)와는 반대로, 회생 전력을 기대할 수 있는 시스템에서는 이 값을 변전소의 무부하 송출 전압 이상으로 설정하면, 회생 전력의 충전만으로 충전율을 조정할 수 있다. 이렇게 하면, 열차로부터의 회생 전력이 존재하지 않음에도 불구하고, 변전소의 궤전 전압을 축전 소자에 충전하거나 재방전하는 것이 방지되어, 궤전 효율의 악화를 방지할 수 있다.

(4) 방전 전류 포화 전압(discharge_th_low)과 방전 개시 전압(discharge_th_high)을 궤전선 정격 전압 이하(예를 들어 DC 1500V의 궤전 시스템이라면 1500V)에서 동작하도록 설정해 두면, 정말로 가선 전압 강하가 커지는 상황에서 집중적으로 방전하고, 가선 전압의 강하를 보상하여, 궤전 손실을 삭감할 수도 있다.

(5) 에너지를 절약하기 위해서 충방전하지 않는 가선 전압간(방전 개시 전압(discharge_th_high) 내지 방전 개시 전압(charge_th_low))에서 축전 소자(4)측의 전력 변환 장치(5)의 손실을 저감시키기 위해서, 전력 변환 장치(5)를 구성하는 승강압 초퍼 회로의 게이트 차단을 행해도 좋다.

B. 제2 실시 형태

도 5는 본 발명의 제2 실시 형태를 도시하는 것이다. 이 제2 실시 형태에서는, 축전 소자(4)에 대하여 제2 전원(11)을 접속한다. 제2 전원(11)으로서는, 예를 들어 태양광이나 풍력, 수력 발전 등의 발전기를 사용할 수 있다. 제2 전원(11)은 직류 전원과 교류 전원 중 어느 것이든 사용 가능하고, 직류 전원의 경우에는 그 출력 전력을 직접 축전 소자(4)에 입력한다. 제2 전원이 교류 전원인 경우에는, 그 출력을 정류해서 얻어지는 직류 전력을 축전 소자(4)에 공급한다.

축전 소자(4)에 제2 전원(11)으로부터 전력을 공급하는 경우, 상기 제1 실시 형태에 있는 바와 같이, 검출부(7, 8)가 검출한 충전율 SOC와 가선 전압 및 제어 테이블(9)의 설정값에 따라, 출력 전류 제어부(6)가 궤전선(3)으로부터의 충방전 특성을 조정한다. 즉, 축전 소자(4)에 제2 전원(11)을 직접 접속한 결과, 축전 소자(4)의 충전율은 제2 전원(11)의 전력에 의해 시시각각 변화한다. 도 5의 실시 형태에서는 출력 전류 제어부(6)가 시시각각 변화하는 충전율과, 마찬가지로 변화하는 가선 전압의 양쪽을 참조하여, 충방전 제어를 행하는 것이 가능하기 때문에, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다. 특히, 제2 전원(11)으로부터의 전력을 궤전 전압 보상에 사용할 수 있기 때문에, 궤전 손실을 더욱 삭감하고 에너지 절약 효과를 더욱 높이는 것이 가능하게 된다.

제2 실시 형태에 있어서, 제2 전원(11)을 축전 소자(4)에 직접 접속하지 않고, 도 6에 도시한 바와 같이, 축전 소자(4)가 접속되는 직류 궤전선(3)에 대하여, 축전 소자(4)의 부근에서 접속하는 것도 가능하다. 이 경우, 제2 전원(11)은 궤전선(3)에 접속된 회생 차량과 동일한 기능을 수행하게 되고, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다.

C. 제3 실시 형태

상기 각 실시 형태에 있어서, 축전 소자(4)를 복수의 축전 소자로부터 구성할 수 있다. 구체적으로는 도 7에 도시한 바와 같이, 다수의 직렬한 축전 소자(4)(이하, 축전 소자 모듈이라고 함)를 복수열, 병렬 접속함으로써 구성한다. 이 경우, 각 축전 소자 모듈을, 각 축전 소자 모듈마다 개방용 접촉기(4a)에 의해 개방 가능한 구성으로 해도 좋다. 단, 복수의 축전 소자 모듈 중, 몇개의 모듈이 개방된 것인지를 검출하기 위해서, 도 1에 도시한 바와 같이, 출력 전류 제어 장치(6)에 검출부(12)를 접속하고, 검출한 모듈의 수에 따라, 출력 전류 제어 장치(6)가 축전 소자용 전력 변환 장치(5)에 공급되는 충방전 전류를 제한한다.

구체적으로는 개방되기 전에 접속되어 있었던 축전 소자 모듈의 병렬 수로 개방 후의 축전 소자 모듈의 병렬 수를 나눈 값을, 출력 전류 제어부(6)에서 생성하는 출력 전류 명령에 곱함으로써 출력 전류를 제한한다. 이에 의해, 모듈을 구성하는 각 축전 소자의 온도를 상승시키지 않고, 계속 사용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 축전 모듈의 개방 수에 따른 출력 전류 명령을 미리 제어 테이블(9) 내에 데이터 베이스로서 유지해 두고, 축전 모듈의 개방 수에 따라 데이터 베이스를 참조하여, 출력 최대 전류를 결정해도 좋다.

출력 전류 제어 장치(6)에 의한 전력 변환 장치(5)의 출력 전류 명령에 대해서는, 축전 소자(4)의 RMS(실효값) 전류나 전력 변환 장치(5)의 RMS 전류, 축전 소자(4)로 검출되는 온도에 따라, 출력 전류 제어부로 제한해도 좋다. 예를 들어, 상기한 RMS 전류에 대해서는 시간대마다 RMS 전류의 적분 주기를 설정해 산출한다. 기본적으로는 궤전선에 접속되는 회생 차량은 그 열차 운행 시각표에 주기성이 있는 점에서, 그 열차 운행 시각표 주기를 적분 기간으로 하는 RMS 전류로서 계산할 수 있다.

이 경우, 출력 전류 제어 장치(6)에, 도 1에 도시한 바와 같이 축전 소자(4) 또는 전력 변환 장치(5)의 RMS 전류 검출부(13)를 설치하고, 검출한 RMS 전류가 미리 설정해 둔 기정값에 가까워짐에 따라, 축전 소자(4)의 충방전 전류를 제한하는 특성을 제어 테이블(9)에 설정한다. 구체적으로는 도 8의 점선으로 나타내는 바와 같이, 방전 정지 전압(Low_limiter), 방전 전류 포화 전압(discharge_th_low), 충전 개시 전압(charge_th_low), 충전 전류 포화 전압(charge_th_high) 및 충전 정지 전압(high_limiter)을 제한하는 특성을 제어 테이블(9)에 설정한다.

이 RMS 전류에 의한 전류 리미트 특성은, 축전 소자 온도나 외기온(外氣溫)에 따라 변화시켜도 좋다. 즉, 도 8의 특성은 축전 소자 온도나 외기온마다 상이하므로, 온도마다 상이한 충방전 특성을 설정할 수 있다. 이것들에 의해, 축전지 온도나 외기온이 상승해도, 축전 소자의 수명을 손상시키는 일이 없다.

D. 제4 실시 형태

본 발명에 의한 축전 장치는 임의의 장소에 설치하는 것이 가능하다. 그러나, 도 9에 도시하는 제4 실시 형태에 있어서는, 궤전용 변전소에 가까운 축전 장치일수록, 방전 전류 포화 전압(discharge_th_low) 또는 방전 개시 전압(discharge_th_high)을 가선 전압축 상의 높은 값으로 설정한다. 즉, 도 9는 정격 DC 1500V의 궤전 시스템의 예이고, 궤전 변전소(14a, 14b)에 가까운 지점의 축전 장치에서는 방전 전류 포화 전압(discharge_th_low) 또는 방전 개시 전압(discharge_th_high)을 1590V로 설정한다. 이에 반해, 궤전 변전소(14a, 14b)로부터 이격된 지점에 설치하는 축전 장치에서는 방전 전류 포화 전압(discharge_th_low) 또는 방전 개시 전압(discharge_th_high)을 1500V로 설정한다.

그 결과, 궤전선(3)에 있어서의 궤전 변전소로부터 이격된 궤전 전압의 강하가 큰 장소일수록, 축전 장치로부터 궤전선(3)에 대한 방전 전류 포화 전압 또는 방전 개시 전압을 낮추어, 궤전선(3)의 전압 강하를 보상할 수 있다.

E. 제5 실시 형태

도 10에 도시하는 제5 실시 형태는 궤전 변전소(14a, 14b)로부터 먼 장소에 설치하는 축전 장치일수록 대용량화한 것이다. 이러한 제5 실시 형태에 따르면, 궤전 전류가 흐름으로써 발생하는 궤전 손실을 삭감할 수 있고, 에너지 절약 효과를 증대할 수 있게 된다. 이 경우, 축전 장치를 대용량화하는 수단으로서는 변전소로부터 멀어짐에 따라, 축전 장치의 병렬 운전 수를 증가시킴으로써 그 용량을 증강한다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 각 축전 장치를 역에 설치해도 좋고, 그 때에는 열차의 정차 횟수가 많아지는 역일수록 대용량의 축전 장치를 설치함으로써, 큰에너지 절약 효과를 얻을 수 있다. 반대로, 정차 횟수가 적은 역에 대용량·고출력의 축전 장치를 설치해도, 먼 곳의 열차의 회생 전력을 많이 흡수해버려, 궤전선 손실의 증가에 의해 에너지 절약 효과가 손상되게 된다. 따라서, 정차 횟수가 많은 역일수록 대용량·고출력의 축전 장치를 설치함으로써 궤전 손실의 저감 효과가 증대하여, 궤전 시스템의 효과적인 에너지 절약화를 실현할 수 있다.

F. 다른 실시 형태

또한, 상기의 실시 형태는, 본 명세서에 있어서 일례로서 제시한 것으로서, 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하는 것이 아니다. 즉, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 범위를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략이나 치환, 변경을 행하는 것이 가능하다. 이들의 실시 형태나 그 변형예는, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

특히, 상기 각 실시 형태는 직류 전원으로서 회생 차량이 접속된 궤전선을 사용했지만, 본 발명은 엘리베이터의 구동계에 대한 배전 시스템, 태양광 발전(PV) 장치의 충방전 시스템 등, 직류 전기 철도의 궤전 시스템 이외의 직류 배전 시스템에도 적용 가능하다.

1: 송전선
2: 송전선측 전력 변환 장치
3: 궤전선
4: 축전 소자
4a: 개방용 접촉기
5: 축전 소자측 전력 변환 장치
6: 출력 전류 제어부
7: 가선 전압 검출부
8: 충전율 검출부
9: 제어 테이블
10: 데이터 입출력부
11: 제2 전원
12: 개방용 접촉기의 검출부
13: RMS 전류 검출부
14a, 14b: 궤전 변전소

Claims

축전 장치로서,
전력 변환기를 통해서 직류 전원에 접속된 축전 소자와,
상기 전력 변환기에 접속되어, 상기 직류 전원에 대한 상기 축전 소자의 충방전 전류를 제어하는 출력 전류 제어부를 구비하고,
상기 출력 전류 제어부에는, 상기 직류 전원의 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 축전 소자의 충전율을 검출하는 충전율 검출부와, 상기 전압 검출부와 상기 충전율 검출부에 의해 검출된 상기 직류 전원의 전압 및 상기 축전 소자의 충전율에 기초하여, 상기 축전 소자의 충전 개시 전압, 방전 개시 전압, 충전 전류 포화 전압 및 방전 전류 포화 전압 중 적어도 하나를 결정하기 위한 충방전 특성이 설정된 제어 테이블이 접속되고,
상기 제어 테이블에 설정된 충방전 특성은,
상기 충전 개시 전압, 상기 방전 개시 전압, 상기 충전 전류 포화 전압 및 상기 방전 전류 포화 전압 중 적어도 하나의 전압이, 상기 축전 소자의 충전율이 높은 경우에, 그 충전율이 낮은 경우보다도 높은 값으로 설정되고,
상기 출력 전류 제어부는, 상기 제어 테이블을 참조하여, 상기 직류 전원의 전압의 값이, 상기 방전 개시 전압을 초과하고 또한 상기 충전 개시 전압 미만인 경우에는, 충전율이 어느 범위에 있어서도 충방전 동작을 정지하는 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제1항에 있어서, 상기 직류 전원의 전원 전압은 교류를 직류로 변환하는 전력 변환기에 의해 공급되고,
상기 직류 전원의 무부하 송출 전압은, 상기 교류 전압이 변동됨으로써 변화하는 것으로서,
상기 제어 테이블에 설정된 충방전 특성이 축전 소자에 충전 동작을 행할 때의 상기 직류 전원의 직류 전압이, 상기 교류 전압 변동에 따라 변화하는 상기 직류 전원의 전압보다도 높게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제2항에 있어서, 상기 직류 전원의 정격 전압은 상기 직류 전원의 전압원인 전력 변환 장치가 연속 운전 가능한 전류를 출력하고 있을 때의 직류 전원 전압인 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제1항에 있어서, 상기 축전 소자에 접속된 전력 변환기는 복수의 전력 변환기를 병렬 접속해서 구성되는 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축전 소자에 접속된 전력 변환기는 스위칭 소자를 게이트 구동함으로써 동작하는 전력 변환기이고,
상기 직류 전원의 전압이 무부하 송출 전압보다도 낮은 상태에서, 또한 상기 직류 전원의 정격 전압보다도 높은 상태에 있어서 게이트 드라이브를 정지하는 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제1항에 있어서, 상기 축전 소자 또는 상기 직류 전원 중 적어도 하나에, 제2 전원이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제1항 내지 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직류 전원이 변전소 및 회생 차량에 접속된 궤전선(饋電線)인 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제1항 내지 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축전 소자를 복수개 직렬로 접속한 축전 소자 직렬 모듈이 복수열 병렬로 접속되고,
복수열 병렬로 접속된 각 축전 소자 직렬 모듈과 전력 변환기 사이에 개방용 접촉기가 설치되고,
상기 출력 전류 제어부에, 개방된 축전 소자 직렬 모듈의 수를 검출하는 개방용 접촉기 검출부가 설치되고,
상기 출력 전류 제어부는 이 개방용 접촉기 검출부에서 검출된 축전 소자 직렬 모듈 수에 따라 충방전 전류를 제한하는 것임을 특징으로 하는 축전 장치.
제1항 내지 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 전류 제어부에, 축전 소자의 온도, RMS 전류, 외기온(外氣溫) 중 적어도 하나를 검출하는 검출부가 설치되고,
상기 출력 전류 제어부는 이 검출부로부터의 축전 소자의 온도, RMS 전류, 외기온 중 적어도 하나의 값에 따라 충방전 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 축전 장치.
제2항에 기재된 축전 장치를 복수개 설치해서 운용하는 축전 장치의 설치 및 운용 방법으로서,
축전 장치의 위치가 상기 교류를 직류로 변환하는 전력 변환기에 가까울수록, 축전 소자를 충방전하는 상기 전력 변환기의 방전 시의 직류 전원측 전압이 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 축전 장치의 설치 및 운용 방법.
제2항에 기재된 축전 장치를 복수개 설치해서 운용하는 축전 장치의 설치 및 운용 방법으로서,
축전 장치의 위치가 상기 교류를 직류로 변환하는 전력 변환기로부터 멀수록, 축전 장치의 출력이 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 축전 장치의 설치 및 운용 방법.
제2항에 기재된 축전 장치를, 회생 차량이 정지하는 복수의 역에 설치해서 운용하는 축전 장치의 설치 및 운용 방법으로서,
역에 설치되는 축전 장치는 열차가 정차하는 횟수가 많은 역일수록 축전 장치의 용량이 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 축전 장치의 설치 및 운용 방법.