TW202043071A - 電力轉換控制裝置 - Google Patents

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清水俊匡
佐藤賢司
加藤宏和
結城和明
內田寿幸
森田政次
宮嶋宏樹
門田行生
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Abstract

提供在高的架空電纜電壓下可以進行穩定的系統之運用的電力轉換控制裝置。 實施形態的電力轉換控制裝置，係具備：有效電流指令限制部，藉由規定之有效電流上限值來限制有效電流指令初始值的最大值，並作為有效電流指令值予以輸出；交流電壓控制電路，依據電壓指令值與架空電纜電壓檢測值之差，算出為了使架空電纜電壓檢測值追隨電壓指令值的無效電流指令初始值；調整值算出部，算出無效電流指令初始值之中與有效電流指令值對應的比例之值亦即調整值；上限值設定部，以使有效電流指令值和無效電流上限值之合成值成為電力轉換裝置之輸入電流之最大值亦即輸入電流最大值以下的方式對無效電流上限值進行運算；及無效電流指令限制部，當調整值在無效電流上限值以下的情況下，以調整值作為無效電流指令值予以輸出，當調整值超出無效電流上限值的情況下以無效電流上限值作為無效電流指令值予以輸出。

Description

電力轉換控制裝置
本發明之實施形態關於電力轉換控制裝置。
以從架空電纜藉由集電弓集電交流電力加速行走而構成的電車，通常，搭載有對從架空電纜集電的交流電力適當地進行電力轉換而供給至行走用之馬達的電力轉換裝置。就裝置之輕量化或精緻化之觀點而言，作為控制該種電力轉換裝置的方法，通常採用以從集電弓輸入的交流電力之功率因數成為1的方式，亦即僅對電車內的有效電力進行集電的控制方法。
但是，如上述般以功率因數成為1的方式對電力轉換裝置進行控制時，伴隨著電車行走的有效電力之消費，受到對架空電纜供給交流電力的饋線電路之電源側之阻抗或饋線電路之阻抗等的影響而使架空電纜電壓變動。例如現行之新幹線電車這樣地，不依賴於從架空電纜輸入的交流電壓之值而以消費規定之有效電力的方式設計的電車中，伴隨著架空電纜電壓之下降電車所消費的電流增加，因此受到該影響架空電纜電壓進一步降低，有些情況下有可能無法獲得規定之推進力。
相對於此，已知提案有在電車內加速行走時不設定為功率因數1而以產生進相無效電力的方式對電力轉換裝置進行控制的技術。
但是，上述技術中，係將架空電纜電壓之維持所必要的進相無效電力，簡單相加於電車消費的有效電力而使電車用電力轉換裝置消費的技術。因為電力轉換裝置存在最大電流值，藉由流入進相無效電流，使有效電力被限制，結果，有可能無法獲得期待的電車之推進力。又，同一之饋線電路內多列電車在軌的情況下，各別之電車之進相無效電力消費競爭，有可能造成架空電纜電壓之不穩定現象。
又，提案有在對電車供給電力的交流饋電系統側，抑制該交流系統之電壓變動的電力轉換裝置。亦即，提案依據系統電壓自主性確定電力轉換裝置之有效電力與無效電力，藉由同時消費已確定的有效電力與無效電力，來抑制交流饋電系統之電壓變動的技術。
上述技術中，有效電流指令值係由進相無效電流指令值來確定。亦即，有效電流之供給量依賴於進相無效電流量而確定之構成。因此，無法自由決定電車之推進力之確保所必要的有效電流。亦即，在架空電纜電壓之維持與交換上，電車本身之有效電流無法自由決定，對於作為電車本來應發揮的性能有可能產生影響。因此將該技術適用於電車用之電力轉換裝置是困難的。
除上述技術以外，提案有確保電車所必要的有效電力之同時，將架空電纜電壓穩定地維持於適當位準的技術。亦即，示出有效電流指令值對應於負載即馬達之推進力而生成，相對地，無效電流指令值依存於有效電流指令值，而且對應於其大小而被確定。另外，示出對無效電流指令值設定上限，以有效電流指令值與無效電流指令值之(向量的)合成值不超出電力轉換裝置之電流最大值的方式限制上限。亦即，依據上述技術，不超出電力轉換裝置之電流最大，可以優先確定電車之推進所必要的有效電流指令值。
但是，例如有效電流指令值增加的情況下，若欲以電車推進力之維持作為優先，以有效電流指令值與無效電流指令值的合成值不超出電力轉換裝置之電流最大值的方式進行限制時，無效電流指令值減少。此處，電流最大值意指(有效電流與無效電流為正交之故)有效電流指令值與無效電流指令值之合成向量之長度。若因架空電纜電壓之變動或推進力指令之狀況致使有效電流指令值恆定性乃至過渡性增加至接近電流最大值，則基於無效電流指令值是由電流最大值與有效電流指令值之殘餘力向量(Residual Force Vector)算出，因此對應於有效電流指令值的增加而急速受到限制，會有減少至接近零之情況。因為該無效電流指令值之時間性急速的變化，引起架空電纜電壓之變動，有可能導致架空電纜電壓之不穩定現象或架空電纜電壓之過電壓・低電壓。結果，可以想定導致電車乃至變電設備之誤動作或保護動作引起的動作停止，阻害穩定的運轉。
本發明之實施形態係有鑑於上述事情而完成者，適合提供在高的架空電纜電壓下可以進行穩定的系統之運用的電力轉換控制裝置。
實施形態的電力轉換控制裝置，係搭載於從供給交流電力的架空電纜輸入前述交流電力而構成的電車，用於控制對從前述架空電纜輸入的前述交流電力進行電力轉換的電力轉換裝置者，前述電力轉換裝置構成為，依據從該電力轉換控制裝置輸入的有效電流指令值及無效電流指令值，消費對應於前述有效電流指令值的有效電流及對應於前述無效電流指令值的進相無效電流，該電力轉換控制裝置具備：有效電流指令值生成部，構成為與從前述電力轉換裝置應供給至負載的有效電力對應地生成前述有效電流指令初始值；有效電流指令限制部，以前述有效電流指令初始值作為輸入，藉由規定之有效電流上限值來限制前述有效電流指令初始值的最大值，並作為有效電流指令值予以輸出；架空電纜電壓檢測部，構成為對從前述架空電纜輸入的電壓亦即架空電纜電壓進行檢測；交流電壓控制電路，構成為依據前述架空電纜電壓之目標值亦即電壓指令值與前述架空電纜電壓檢測部所檢測出的前述架空電纜電壓亦即架空電纜電壓檢測值之差，算出為了使前述架空電纜電壓檢測值追隨前述電壓指令值的前述無效電流指令值的初始值亦即無效電流指令初始值；調整值算出部，構成為算出前述無效電流指令初始值之中與前述有效電流指令值生成部生成的前述有效電流指令值對應的比例之值亦即無效電流指令調整值；上限值設定部，構成為以前述有效電流指令值作為輸入，以使前述有效電流指令值和無效電流上限值之合成值成為前述電力轉換裝置之輸入電流之最大值亦即輸入電流最大值以下的方式對前述無效電流上限值進行運算；及無效電流指令限制部，構成為當前述無效電流指令調整值在前述無效電流上限值以下的情況下，以前述無效電流指令調整值作為前述無效電流指令值予以輸出，當前述無效電流指令調整值超出前述無效電流上限值的情況下以前述無效電流上限值作為前述無效電流指令值予以輸出；前述規定之有效電流上限值為，用於將前述無效電流上限值設為大於零且小於前述電力轉換裝置之輸入電流最大值的值。
依據上述構成，可以提供在高的架空電纜電壓下可以進行穩定的系統運用的電力轉換控制裝置。
[具體實施方式]
以下參照圖面詳細說明實施形態之電力轉換控制裝置。 實施形態的電力轉換控制裝置，係搭載於從供給交流電力的架空電纜輸入交流電力而構成的電車，用於控制對從架空電纜輸入的交流電力進行電力轉換的電力轉換裝置的電力轉換控制裝置。電力轉換裝置構成為，依據從該電力轉換控制裝置輸入的有效電流指令值及無效電流指令值，消費對應於有效電流指令值的有效電流及對應於無效電流指令值的進相無效電流。
圖1係表示包含一實施形態之電力轉換控制裝置的電車用主電路系統之一構成例之概略圖。
圖1所示電車用主電路系統10，係搭載於以從架空電纜100集電交流電力的方式而構成的電車。架空電纜100連接於未圖示之饋線電路，從該饋線電路被供給交流電力。
電車用主電路系統10具備：集電弓11、主變壓器12、轉換器13、逆變器14、馬達15、電力轉換控制裝置21、PWM電路22、及架空電纜電壓檢測部26。
又，搭載電車用主電路系統10的電車，可以是具有1個車輛的電車，亦可以是由多個車輛連結的編成。作為由多個車輛連結的編成而構成的情況下，構成圖1所示電車用主電路系統10的各構成要素，未必一定是全部搭載於相同的1個車輛。例如電力轉換控制裝置21可以搭載於與集電弓11所搭載的車輛不同之其他車輛。
集電弓11，係以從架空電纜100集電交流電力的周知之集電裝置。從架空電纜100集電的電壓，本實施形態中例如為交流25kV。
主變壓器12係與集電弓11中集電的交流電力降壓並供給至轉換器13。
主變壓器12具備一次繞線12a、二次繞線12b、三次繞線12c。一次繞線12a從集電弓11輸入交流電力。二次繞線12b將集電弓11之交流電壓降壓輸出至轉換器13。三次繞線12c係將來自集電弓11之交流電力降壓並供給至未圖示之補助電路系統。從主變壓器12之二次繞線12b輸出的交流電力(以下稱為二次輸出電力)之電壓值例如為交流1000V，從主變壓器12之三次繞線12c輸出的交流電力(以下稱為三次輸出電力)之電壓值例如為交流400V。當然，彼等各電壓值僅為一例。
轉換器13具備未圖示的多個開關元件，將從主變壓器12輸出的二次輸出電力轉換為直流電力並輸出。本實施形態之轉換器13係所謂PWM(Pulse Width Modulation)轉換器。本實施形態之轉換器13例如將主變壓器12之二次輸出電力之交流1000V轉換為直流3000V並輸出。彼等各電壓值亦僅為一例。
逆變器14，具備未圖示的多個開關元件，將從轉換器13輸出的直流電力轉換為三相交流電力並輸出至馬達15。本實施形態之逆變器14為所謂VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)逆變器。
馬達15，本實施形態中為三相感應電動機。馬達15係藉由三相交流電力的供給被旋轉驅動。馬達15被旋轉驅動時，該旋轉驅動力傳遞至未圖示之車輪，藉此電車行走。
架空電纜電壓檢測部26，係為了檢測藉由集電弓11從架空電纜100輸入的電壓(架空電纜電壓)之值而設置。架空電纜電壓檢測部26，係將與從主變壓器12之三次繞線12c輸出的三次輸出電力之電壓值對應的值，亦即表示架空電纜電壓之大小的架空電纜電壓檢測值Vtr輸出至電力轉換控制裝置21。
又，本實施形態之電力轉換控制裝置21，係將後述各種運算所使用的各值作為pu單位系之值處理。因此架空電纜電壓檢測部26構成為，作為架空電纜電壓檢測值Vtr而將以與架空電纜電壓之額定值對應的架空電纜電壓檢測值Vtr作為基準予以規格化的值即pu單位系之值予以輸出。又，從架空電纜電壓檢測部26輸出的架空電纜電壓檢測值Vtr本身非為pu單位系之值，而是在電力轉換控制裝置21內轉換為pu單位系之值之構成亦可。
在轉換器13與逆變器14之間設置有對來自轉換器13的輸出電壓進行檢測的轉換器電壓檢測部16。轉換器電壓檢測部16係將表示來自轉換器13的輸出電壓之值的轉換器輸出電壓檢測值Vcon輸出至電力轉換控制裝置21。又，轉換器電壓檢測部16構成為，作為轉換器輸出電壓檢測值Vcon而輸出針對轉換器之輸出電壓之額定值實施了規格化的值即pu單位系之值。或者，從轉換器電壓檢測部16輸出的轉換器輸出電壓檢測值Vcon本身非為pu單位系之值，而是在電力轉換控制裝置21內轉換為pu單位系之值之構成亦可。
電力轉換控制裝置21，係使用架空電纜電壓檢測部26檢測的架空電纜電壓檢測值Vtr及轉換器電壓檢測部16檢測的轉換器輸出電壓檢測值Vcon，算出表示應輸入轉換器13的(亦即轉換器13中應消費的)有效電流的有效電流指令值Pref、及表示轉換器13應消費的進相無效電流的無效電流指令值Qref，並輸出至PWM電路22。
PWM電路22，係依據從電力轉換控制裝置21輸入的有效電流指令值Pref及無效電流指令值Qref，以使與該有效電流指令值Pref對應的有效電流及與無效電流指令值Qref對應的進相無效電流輸入轉換器13的方式(亦即以在轉換器13中消費彼等有效電流及進相無效電流的方式)對轉換器13進行控制。
具體言之，藉由對轉換器13具有的多個開關元件之開啟・斷開之時序個別進行控制，而使轉換器13消費上述有效電流及進相無效電流。又，有效電流指令值Pref為與確定輸入轉換器13的有效電流相關的參數，無效電流指令值Qref為與確定輸入轉換器13進相無效電流相關的參數。
(2)電力轉換控制裝置之構成 接著，使用圖面說明本實施形態之電力轉換控制裝置21之構成。圖2係說明一實施形態之電力轉換控制裝置之一構成例之方塊圖。電力轉換控制裝置21具備：有效電流指令值生成部31、電壓指令值設定部32、加法器33、交流電壓控制電路34、輸出功率因數係數設定部35、乘法器(調整值算出部)36、上限值設定部37、限制器電路(無效電流指令限制部)38、及限制器電路(有效電流指令限制部)50。
又，藉由圖2所示電力轉換控制裝置21來實現的功能，例如可以構成為藉由電腦執行規定之控制程式來實現，或者功能之一部分或全部使用組合邏輯電路或類比電路等的硬體來實現的構成亦可。
有效電流指令值生成部31生成與電車所必要的有效電力亦即從轉換器13應供給至負載的有效電力對應的有效電流指令初始值Pr1[pu]。此處處理的有效電流指令初始值Pr1[pu]，係以轉換器13中確定的輸入電流之額定值亦即額定輸入電流值作為基準的規格化的值。
又，轉換器13之負載意指消費從轉換器13輸出的電力的負載整體。因此，轉換器13的負載至少包含逆變器14及馬達15。
又，以下之說明中，針對有效電流指令初始值Pr1[pu]省略單位記號[pu]之標記。又，後述的有效電流指令值Pref、電壓指令值Vref、電壓差分ΔV、無效電流指令初始值Qr1、無效電流指令調整值Qr2、上限值Qup、無效電流指令值Qref都以pu單位系處理，而針對彼等亦將單位記號[pu]之標記予以省略。
有效電流指令值生成部31，以可以對負載供給必要的有效電力的方式生成有效電流指令初始值Pr1，而將為了供給該有效電力所必要的有效電流輸入至轉換器13。
電車所必要的有效電力因負載之動作狀態而變動。負載之動作狀態可以藉由來自轉換器13的輸出電壓之值間接獲知。若應供給至負載的有效電力增加，則轉換器13的輸出電壓降低。反之，應供給的有效電力降低時，轉換器13的輸出電壓增加。因此本實施形態中，有效電流指令值生成部31，係依據從轉換器電壓檢測部16輸入的轉換器輸出電壓檢測值Vcon，使轉換器13的輸出電壓維持於恆定之額定值而進行規定之電壓恆定控制，藉此而生成有效電流指令初始值Pr1。具體言之，有效電流指令值生成部31，在轉換器輸出電壓檢測值Vcon變為越小時使有效電流指令初始值Pr1變大的方式生成有效電流指令初始值Pr1。
限制器電路50，係對從有效電流指令值生成部31輸入的有效電流指令初始值Pr1之最大值設定限制，作為最終的有效電流指令值Pref予以輸出。亦即，在輸入的有效電流指令初始值Pr1為上限值Pup以下的情況下，限制器電路50以有效電流指令初始值Pr1作為有效電流指令值Pref予以輸出，在有效電流指令初始值Pr1超出上限值Pup的情況下以上限值Pup作為有效電流指令值Pref予以輸出而構成。
限制器電路50中成為最大值使用的上限值Pup，可以是從電力轉換控制裝置21之外部輸入的值，亦可以是在電力轉換控制裝置21內可以設定的值。此處，將轉換器13之電流額定值設為1pu時，上限值Pup被設定為小於1之有意義的值。又，本實施形態中，上限值Pup之值例如設為0.95以下。
藉由該有效電流上限值Pup之設定，使後述無效電流上限值大於零且小於轉換器13輸入電流最大值。
電壓指令值設定部32，係針對作為架空電纜電壓檢測值Vtr的目標值之電壓指令值Vref[pu]進行設定。關於電壓指令值Vref具體上設定成為怎樣的值是可以適當地決定。例如以來自架空電纜100之架空電纜電壓維持於28kV的方式，將架空電纜電壓為28kV時之架空電纜電壓檢測值Vtr作為電壓指令值Vref進行設定亦可。
加法器33係算出電壓指令值設定部32中設定的電壓指令值Vref與架空電纜電壓檢測值Vtr之差即電壓差分ΔV。
交流電壓控制電路34，例如由比例積分電路或一次延遲電路等構成，以使電壓差分ΔV成為零的方式，亦即以使架空電纜電壓檢測值Vtr追隨電壓指令值Vref的方式算出無效電流指令值。又，雖未圖示，無效電流指令值限制於0[pu]至1[pu]之間。此處算出的無效電流指令值，並非最終輸出至PWM電路22者，終究只是考慮將電壓差分ΔV設為零而算出的值。因此與最終算出的無效電流指令值Qref區別而稱為無效電流指令初始值Qr1。
乘法器36，係將限制器電路50所輸出的有效電流指令值Pref、交流電壓控制電路34中算出的無效電流指令初始值Qr1、與輸出功率因數係數設定部35中設定的輸出功率因數係數ρ相乘。藉由該相乘算出藉由有效電流指令值Pref及輸出功率因數係數ρ對無效電流指令初始值Qr1調整後的無效電流指令調整值Qr2。
乘法器36的乘法運算之中，無效電流指令初始值Qr1與有效電流指令值Pref之相乘，係將交流電壓控制電路34中算出的無效電流指令初始值Qr1，調整成為與有效電流指令值Pref對應的比例之值的乘法運算。例如若有效電流指令值Pref為0.8[pu]的話，無效電流指令初始值Qr1藉由與有效電流指令值Pref之相乘而調整成為80%之值。
另一方面，乘法器36的乘法運算之中，無效電流指令初始值Qr1與輸出功率因數係數ρ之相乘，係將交流電壓控制電路34中算出的無效電流指令初始值Qr1對應於輸出功率因數設定值cosφ而進行調整的的相乘。亦即，以輸出功率因數設定值cosφ以上之功率因數之電力輸入至轉換器13而被轉換器13消費的方式對無效電流指令初始值Qr1進行調整的相乘。又，φ為功率因數角，對應於轉換器13中應消費的有效電力事先被設定，或者可以適當地設定變更。
輸出功率因數係數ρ係使用功率因數角φ以ρ=tanφ，亦即功率因數角φ之正切表示。亦即，功率因數角φ變小輸出功率因數設定值cosφ越接近1，輸出功率因數係數ρ變為越小，反之，功率因數角φ變大輸出功率因數設定值cosφ越接近0，輸出功率因數係數ρ變大。因此乘法器36中藉由無效電流指令初始值Qr1與輸出功率因數係數ρ之相乘，輸出功率因數設定值cosφ越接近1，無效電流指令初始值Qr1被調整成為更小的值。反之，輸出功率因數設定值cosφ越接近0，無效電流指令初始值Qr1被調整成為更大的值。
又，使用tanφ作為輸出功率因數係數ρ僅只是一例，亦可以使用與輸出功率因數設定值cosφ對應而可以適當對無效電流指令初始值Qr1調整的其他值作為輸出功率因數係數ρ。亦即，輸出功率因數係數ρ與輸出功率因數設定值cosφ對應地在0~1之間適當地設定亦可。
藉由乘法器36的乘法運算以有效電流指令值Pref對無效電流指令初始值Qr1進行調整的主要目的在於，使轉換器13中消費的進相無效電流之量，調整成為與本列車所必要的有效電力之大小對應的適當的量。藉由該調整，若必要的有效電力變大時亦將進相無效電流調整成為較大的值，若必要的有效電力變小則將進相無效電流調整成為較小的值。藉此，例如在同一饋電區間包含本列車的多列電車在軌且各列車具備本實施形態之電力轉換控制裝置21的情況下，按每一電車進行進相無效電流之適當調整，結果，可以抑制多列電車間之進相無效電流消費之競爭可以使架空電纜電壓穩定化。
另一方面，藉由乘法器36的乘法運算以輸出功率因數係數ρ來調整無效電流指令初始值Qr1的主要目的在於，不受有效電流之值的影響而可以確保輸出功率因數設定值cosφ以上之功率因數。
限制器電路38，係對乘法器36算出的無效電流指令調整值Qr2的最大值設定限制，並作為最終的無效電流指令值Qref予以輸出。具體言之為，若無效電流指令調整值Qr2為上限值Qup以下的情況下，直接將無效電流指令調整值Qr2作為無效電流指令值Qref予以輸出。另一方面，若無效電流指令調整值Qr2超出上限值Qup的情況下，以上限值Qup作為無效電流指令值Qref予以輸出。又，限制器電路38中使用的上限值Qup係藉由上限值設定部37進行設定。
上限值設定部37，係依據有效電流指令值Pref，有效電流指令值Pref越大時將上限值Qup設定成為小的值。更具體言之為，上限值設定部37藉由以下式(1)算出並設定上限值Qup。
Figure 02_image001
亦即，以轉換器13中消費限制器電路50所輸出的有效電流指令值Pref作為優先，不犠牲有效電力之消費量。另一方面，設定成為使輸入轉換器13的電流整體收斂於額定輸入電流值以下。亦即，以有效電流指令值Pref與無效電流指令值Qref之合成值(亦即向量合成值)收斂於額定輸入電流值以下的方式，設定對於無效電流指令值Qref的上限值Qup。因此進相無效電流被限制在轉換器13的額定輸入電流之中去掉有效電流指令值Pref的殘餘力範圍內。
限制器電路38依據上限值Qup動作，藉此，輸入轉換器13的電流整體可以抑制於額定輸入電流值以下。因此，在該額定輸入電流值以下之範圍內，以消費有效電流作為優先，進相無效電流充當殘餘力部分。
(3)作用・效果 電力轉換控制裝置21中，輸出至PWM電路22的有效電流指令值Pref及無效電流指令值Qref之中，針對無效電流指令值Qref係藉由交流電壓控制電路34中算出的無效電流指令初始值Qr1適當地進行調整或限制之後予以輸出。具體言之為，交流電壓控制電路34中算出的無效電流指令初始值Qr1藉由乘法器36被調整為與有效電流指令值Pref相應的值，而且被調整為與功率因數角φ相應的值。具體言之為，有效電流指令值Pref越小則無效電流指令初始值Qr1亦被調整為小的值。又，功率因數角φ越小(亦即輸出功率因數設定值cosφ越接近1)時無效電流指令初始值Qr1被調整為小的值。
藉由將無效電流指令初始值Qr1調整為與有效電流指令值Pref相應的值，可以抑制與同一之饋線電路內在軌的其他電車的進相無效電流消費之競爭之同時，從架空電纜100輸入的架空電纜電壓可以穩定地維持於該標準值(額定值)以上之值。因此可以抑制伴隨著電車行走的架空電纜電壓之下降，結果，饋電距離之延伸成為可能，饋電用變電所中的無效電力補償裝置或固定功率因數輸出電力轉換裝置等的設置可以省略，可以減低電車行走的設備之總成本。
又，藉由將無效電流指令初始值Qr1調整為與輸出功率因數設定值cosφ相應的值，則不論有效電流指令值Pref之大小，可以控制成為在轉換器13消費的電力中以有效電力為主體。
又，乘法器36中經由有效電流指令值Pref及輸出功率因數設定值cosφ調整後的無效電流指令調整值Qr2，進一步經由限制器電路38而作為無效電流指令值Qref輸出，因此最終輸出的無效電流指令值Qref之最大值亦被限制為上限值Qup。而且該上限值Qup係藉由前述之式(1)算出。因此可以實現在轉換器13的額定輸入電流值的範圍內以有效電力之消費為優先的控制。藉此，可以達成以下之雙方：亦即可以將轉換器13額定容量維持於與習知僅進行有效電力之消費(亦即控制為功率因數1)的轉換器同等之同時，可以穩定地維持架空電纜電壓於適當的位準，以及可以確保電車所必要的有效電力。
此處，例如藉由以有效電力之消費作為優先的控制中，不增大轉換器13的額定容量而可以獲得規定之推進力。又，例如即使在同一之饋線電路存在多列電車在軌時，進相無效電力之消費量之分擔可以由各別之電車自主性確定，可以實現穩定的架空電纜電壓之控制。
但是，定性上，為了在不限制有效電流最大值之情況下獲取流入無效電流的殘餘力，需要增大轉換器13的額定容量，事先確保進相無效電力消費部分之容量。結果，轉換器13的體格增大，重量變重，其之搭載空間之確保變為困難。假設，即使可以確保搭載轉換器13的的空間，伴隨著轉換器13的重量之變重導致電車之消費電力之增加。
此處，本實施形態之電力轉換控制裝置21中，針對輸出至PWM電路22的有效電流指令值Pref及無效電流指令值Qref之中的有效電流指令值Pref，係藉由限制器電路50限制其最大值。亦即，本實施形態中，有效電流指令值Pref相對於轉換器13的額定電流，成為減少有效電流的值。
圖3係說明一實施形態之電力轉換控制裝置之效果之圖。 該例中，將視在電流(apparent current)最大值(轉換器13的電流額定)設為1[pu]。又，以有效電流作為參數，以視在電流成為其最大值的方式算出無效電流限制值。此時，由有效電流與無效電流限制值之向量合成所構成的視在電流維持於1[pu]。又，圖3中示出例如在超前功率因數0.95中運用時，與有效電流相應而應流通的無效電流。
圖3所示例中，有效電流至1[pu]為止流通之情況下，有效電流越接近1[pu]時，無效電流限制值急速減少。例如有效電流小於0.95[pu]時，不存在限制值對無效電流的限制之影響。在有效電流成為0.95[pu]的時點，無效電流與無效電流限制值一致。又，有效電流為0.95[pu]時之無效電流值為0.31[pu]。隨著有效電流超出0.95[pu]而增加至1.00[pu]，無效電流從0.31[pu]急速限制為0.00[pu]。再者，相對於有效電流之變化，無效電流之急速變化在有效電力接近1[pu]時存在顯著產生的傾向。
如上述般，無效電流急速被限制時，因為對架空電纜電壓帶來大的影響的無效電流急速減少導致架空電纜電壓急速變動，另外，該變動影響到車輛之控制。結果，有可能造成架空電纜電壓之不穩定或因為過電壓・低電壓阻害了地上・車上機器之動作。
本實施形態之電力轉換控制裝置21中，藉由限制器電路50限制有效電流之最大值相對於視在電流之最大值。例如將視在電流之最大值設為1[pu]，將有效電流之最大值設定為限制於0.95[pu]。藉此，例如與被設限的有效電流之0.05[pu]相應地增大轉換器13的容量(大電流化)，藉此，可以流通0.31[pu]之無效電流。能夠流通的0.31[pu]之無效電流，成為遠大於視在電流之增大量0.05pu的值，藉由能夠流通該無效電流而可以消除架空電纜電壓之不穩定化或過電壓・低電壓之虞慮，可以實現穩定的運用。
圖4及圖5係表示模擬了饋電側電路及電車的模擬結果之一例的圖。圖4及圖5都是在饋電區間內6輛電車分別以不同的千米里程在軌的狀態下，6輛電車同時從9秒時點電車從滑行轉變為最大加速行走的條件中，進行了架空電纜電壓之有效值的模擬的結果之一例。
圖4中，作為比較對象而表示針對搭載了不具備圖2所示限制器電路50的電力轉換控制裝置的電車用主電路系統及饋電側電路之分析結果之例。亦即，該例中，在轉換器額定電流附近有效電流增加，導致無效電流急速被限制的結果，架空電纜電壓大幅變動。
圖5表示針對搭載了具備圖2所示限制器電路50的電力轉換控制裝置的電車用主電路系統10及饋電側電路之分析結果之例。又，該例中，圖2之限制器電路50之有效電流指令值上限值Pup=0.93[pu]。依據圖5所示模擬結果，依據本實施形態之電力轉換裝置，即使有效電流增加之情況下，亦保留能夠流通無效電流的餘地，因此確定架空電纜電壓呈穩定化。
如上述般，本實施形態之電力轉換控制裝置21，係具有意圖將有效電流之最大值設為小於視在電流最大值的手段，藉此作出能夠流通無效電流的容量，回避架空電纜電壓之不穩定化。
亦即，依據本實施形態，在不增大轉換器之容量的情況下，可以避免架空電纜電壓之降低，進一步回避架空電纜電壓之不穩定化，結果，可以提供在高的架空電纜電壓下可以進行穩定的系統之運用的電力轉換控制裝置。
亦即，藉由降低有效電流之最大值來確保流通無效電流的餘裕度，結果，在高的架空電纜電壓下可以實現穩定的運用，必要的有效電流降低，可以實現和習知系統同等的視在電流最大值的運用。換言之，可以獲得架空電纜電壓上升有效電流減低引起的視在電流減低之效果，確保流通無效電流的餘裕度之情況下，視在電流(轉換器容量)整體上為同等乃至可以減低。
接著，參照圖面詳細說明第2實施形態之電力轉換控制裝置。 又。以下之說明中，和上述第1實施形態同樣之構成附加同一符號並省略說明。
圖6係說明第2實施形態之電力轉換控制裝置之一構成例之方塊圖。 本實施形態之電力轉換控制裝置21中，除上述第1實施形態之電力轉換控制裝置21之限制器電路50以外，還具備低通濾波器(濾波器處理部)51的構成。亦即，本實施形態中，從有效電流指令值生成部31輸出的值係作為有效電流指令值Pref被輸入至PWM電路22。
低通濾波器51配置於設定無效電流之限制值的上限值設定部37之前段。亦即，有效電流指令值生成部31所輸出的有效電流指令值Pref被輸入至低通濾波器51，低通濾波器51中以使規定之頻率以下之帶域通過的方式進行濾波器處理之後，輸入至上限值設定部37。 本實施形態之電力轉換控制裝置21除上述點以外均和上述第1實施形態同樣。
亦即，本實施形態中，上限值設定部37中對無效電流之上限值進行設定時所使用的有效電流值，係經由低通濾波器51處理的值。因此例如有效電流急速增加而接近1[pu]時，藉由低通濾波器51之作用，不使無效電流之限制值急速減少。因此，依據本實施形態之電力轉換控制裝置21，可以抑制無效電流急速變化，可以回避架空電纜電壓之不穩定化。
又，本實施形態中，在電力轉換控制裝置21中為了抑制無效電流急速變化，會有超出視在電流最大值的電流瞬間流入轉換器13的情況。但是，該超出藉由低通濾波器51時間常數而減少者，不是恆定性超出視在電流最大值者。通常，隨著轉換器容量之增大轉換器之裝置亦大型化・重量化，因此需要增加冷卻能力。電力轉換控制裝置21具備低通濾波器51之目的係為了架空電纜電壓之穩定化，因此可以考慮其響應時間常數為1秒左右以內。在該短時間的時間區域即使超出轉換器13的視在電流最大值之情況下，亦無需考慮增加轉換器13的冷卻能力，可以回避轉換器13的裝置之大型化・重量化。
又，圖6所示例中，在無效電流之上限值設定部37之輸入端配置有低通濾波器51，但不限定於此，在對無效電流指令進行運算的任何部位之路徑配置低通濾波器51均可以獲得和本實施形態同樣之效果。 亦即，依據本實施形態，和上述第1實施形態同樣，可以提供在高的架空電纜電壓下可以進行穩定的系統之運用的電力轉換控制裝置。
接著，參照圖面對第3實施形態之電力轉換控制裝置詳細進行說明。 又。以下之說明中，和上述第1實施形態及第2實施形態同樣之構成附加同一符號並省略說明。
圖7係說明第3實施形態之電力轉換控制裝置之一構成例之方塊圖。 本實施形態之電力轉換控制裝置21，係針對上述第2實施形態之電力轉換控制裝置21，還具備上限設定部(第2上限值設定部)52、及限制器電路(第2無效電流指令限制部)53之構成。
上限設定部52，係以有效電流指令值Pref與限制設定值Y[pu]作為輸入，對無效電流指令值Qref之最大值進行限制。限制設定值Y，係表示電力轉換控制裝置21之切斷電流界限(短時間輸入電流最大值)的值，設定成為大於1[pu]。上限設定部52係以有效電流指令值Pref作為X，依據以下式(2)運算上限值Qup2。
Figure 02_image003
限制器電路53配置於限制器電路38之後段。本實施形態中，以從限制器電路38輸出的值作為第1無效電流指令值Qr3，輸入至限制器電路53。
於限制器電路53被輸入從限制器電路38輸出的第1無效電流指令值Qr3以及上限值Qup2。限制器電路53對應於上限值Qup2而對第1無效電流指令值Qr3最大值進行限制，作為無效電流指令值(第2無效電流指令值)Qref予以輸出。亦即，在輸入的第1無效電流指令值Qr3為上限值Qup2以下的情況下，限制器電路53以第1無效電流指令值Qr3作為無效電流指令值Qref予以輸出，在第1無效電流指令值Qr3超出上限值Qup2的情況下以上限值Qup2作為無效電流指令值Qref予以輸出而構成。
如上述第2實施形態中之說明，依據第2實施形態之電力轉換控制裝置21，超出視在電流最大值(轉換器額定電流)即1[pu]的電流瞬間流入轉換器13的可能性存在。如上述般，第2實施形態之電力轉換控制裝置21中，即使超出轉換器額定電流的電流流入轉換器13之情況下，是屬於瞬間者因此無需增大冷卻能力。另一方面，視在電流值超出轉換器13的切斷電流值(短時間輸入電流之最大值)時，轉換器13的動作停止，結果，車輛停止之可能性存在。
因此，本實施形態中，回避流入轉換器13的視在電流之值超出切斷電流界限值之情況。亦即，本實施形態中具有瞬間但有效作用的第2無效電流限制手段(限制器電路53)。限制器電路53中使用的限制設定Y[pu]係表示電力轉換部之切斷電流界限的值，設定成為大於1[pu]。因此，藉由透過限制器電路53輸出無效電流指令值Qref，瞬間情況下最大視在電流亦成為Y[pu]，視在電流不會超出切斷電流界限。
如上述般，本實施形態中，轉換器13中確保不論是瞬間(就切斷能力觀點而言)或是連續性(就冷卻觀點而言)流入可以被容許的電流。結果，可以實現不會造成轉換器13的裝置之大小或重量之增大，架空電纜電壓可以穩定維持，而且可以抑制架空電纜電壓之降低的電車用主電路系統。
亦即，依據本實施形態，和上述第1實施形態同樣，可以提供在高的架空電纜電壓下可以進行穩定的系統之運用的電力轉換控制裝置。
雖說明了本發明之幾個實施形態，但彼等實施形態僅為例示者，並未特別限定發明之範圍。彼等新規的實施形態可以其他各種形態實施，在不脫離發明之要旨範圍內可以進行各種省略、替換、變更。彼等實施形態或其變形亦包含於發明之範圍或要旨，並且包含於與申請專利範圍記載的發明及其均等的範圍。
21:電力轉換控制裝置 31:有效電流指令值生成部 32:電壓指令值設定部 33:加法器 34:交流電壓控制電路 35:輸出功率因數係數設定部 36:乘法器(調整值算出部) 37:上限值設定部 38:限制器電路(無效電流指令限制部) 50:限制器電路(有效電流指令限制部) Pr1:有效電流指令初始值 Pref:有效電流指令值 Vref:電壓指令值 ΔV:電壓差分 Qr1:無效電流指令初始值 Qr2:無效電流指令調整值 Qup:上限值 Qref:無效電流指令值 Vcon:轉換器輸出電壓檢測值 Pup:有效電流上限值 Vtr:架空電纜電壓檢測值
[圖1]圖1係表示包含一實施形態之電力轉換控制裝置的電車用主電路系統之一構成例之概略圖。 [圖2]圖2係說明第1實施形態之電力轉換控制裝置之一構成例之方塊圖。 [圖3]圖3係說明一實施形態之電力轉換控制裝置之效果之圖。 [圖4]圖4係表示模擬了饋電側電路及電車的模擬結果之一例的圖。 [圖5]圖5係表示模擬了饋電側電路及電車的模擬結果之一例的圖。 [圖6]圖6係說明第2實施形態之電力轉換控制裝置之一構成例之方塊圖。 [圖7]圖7係說明第3實施形態之電力轉換控制裝置之一構成例之方塊圖。
21:電力轉換控制裝置
31:有效電流指令值生成部
32:電壓指令值設定部
33:加法器
34:交流電壓控制電路
35:輸出功率因數係數設定部
36:乘法器(調整值算出部)
37:上限值設定部
38:限制器電路(無效電流指令限制部)
50:限制器電路(有效電流指令限制部)
Pr1:有效電流指令初始值
Pref:有效電流指令值
Pup:有效電流上限值
Qr1:無效電流指令初始值
Qr2:無效電流指令調整值
Qref:無效電流指令值
Qup:上限值
Vcon:轉換器輸出電壓檢測值
Vref:電壓指令值
Vtr:架空電纜電壓檢測值
△V:電壓差分
ρ:輸出功率因數係數

Claims (3)

  1. 一種電力轉換控制裝置，係搭載於從供給交流電力的架空電纜輸入前述交流電力而構成的電車，且用於控制對從前述架空電纜輸入的前述交流電力進行電力轉換的電力轉換裝置者， 前述電力轉換裝置構成為，依據從該電力轉換控制裝置輸入的有效電流指令值及無效電流指令值，消費對應於前述有效電流指令值的有效電流及對應於前述無效電流指令值的進相無效電流， 該電力轉換控制裝置具備： 有效電流指令值生成部，構成為與從前述電力轉換裝置應供給至負載的有效電力對應地生成前述有效電流指令初始值； 有效電流指令限制部，以前述有效電流指令初始值作為輸入，藉由規定之有效電流上限值來限制前述有效電流指令初始值的最大值，並作為有效電流指令值予以輸出； 架空電纜電壓檢測部，構成為對從前述架空電纜輸入的電壓即架空電纜電壓進行檢測； 交流電壓控制電路，構成為依據前述架空電纜電壓之目標值即電壓指令值與前述架空電纜電壓檢測部所檢測出的前述架空電纜電壓即架空電纜電壓檢測值之差，算出為了使前述架空電纜電壓檢測值追隨前述電壓指令值的前述無效電流指令值的初始值即無效電流指令初始值； 調整值算出部，構成為算出前述無效電流指令初始值之中與前述有效電流指令值對應的比例之值即無效電流指令調整值； 上限值設定部，構成為以前述有效電流指令值作為輸入，以使前述有效電流指令值和無效電流上限值之合成值成為前述電力轉換裝置之輸入電流之最大值即輸入電流最大值以下的方式對前述無效電流上限值進行運算；及 無效電流指令限制部，構成為當前述無效電流指令調整值在前述無效電流上限值以下的情況下，以前述無效電流指令調整值作為前述無效電流指令值予以輸出，當前述無效電流指令調整值超出前述無效電流上限值的情況下以前述無效電流上限值作為前述無效電流指令值予以輸出； 前述規定之有效電流上限值為，用於將前述無效電流上限值設為大於零且小於前述電力轉換裝置之輸入電流最大值的值。
  2. 一種電力轉換控制裝置，係搭載於從供給交流電力的架空電纜輸入前述交流電力而構成的電車，且用於控制對從前述架空電纜輸入的前述交流電力進行電力轉換的電力轉換裝置者， 前述電力轉換裝置構成為，依據從該電力轉換控制裝置輸入的有效電流指令值及無效電流指令值，消費對應於前述有效電流指令值的有效電流及對應於前述無效電流指令值的進相無效電流， 該電力轉換控制裝置具備： 有效電流指令值生成部，構成為與從前述電力轉換裝置應供給至負載的有效電力對應地生成前述有效電流指令初始值； 架空電纜電壓檢測部，構成為對從前述架空電纜輸入的電壓即架空電纜電壓進行檢測； 交流電壓控制電路，構成為依據前述架空電纜電壓之目標值即電壓指令值與前述架空電纜電壓檢測部所檢測出的前述架空電纜電壓即架空電纜電壓檢測值之差，算出為了使前述架空電纜電壓檢測值追隨前述電壓指令值的前述無效電流指令值的初始值即無效電流指令初始值； 調整值算出部，構成為算出前述無效電流指令初始值之中與前述有效電流指令值對應的比例之值即無效電流指令調整值； 濾波器處理部，以前述有效電流指令值作為輸入，使低域頻率通過； 上限值設定部，以前述濾波器處理部所輸出的前述有效電流指令值作為輸入，以使前述有效電流指令值和無效電流上限值之合成值成為前述電力轉換裝置之輸入電流之最大值即輸入電流最大值以下的方式對前述無效電流上限值進行運算；及 無效電流指令限制部，構成為當前述無效電流指令調整值在前述無效電流上限值以下的情況下，以前述無效電流指令調整值作為前述無效電流指令值予以輸出，當前述無效電流指令調整值超出前述無效電流上限值的情況下以前述無效電流上限值作為前述無效電流指令值予以輸出。
  3. 如請求項2之電力轉換控制裝置，其中 還具備： 第2上限值設定部，以使前述有效電流指令值與第2無效電流上限值之合成值成為前述電力轉換裝置之短時間輸入電流之最大值即短時間輸入電流最大值以下的方式，對前述第2無效電流上限值進行運算；及 第2無效電流指令限制部，對應於前述第2無效電流上限值來限制前述無效電流指令值的最大值。
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