TWI770019B - 電車用電力轉換控制裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之一實施形態的電車用電力轉換控制裝置係具有：有效電流指令值生成部；架空線電壓檢測部；初期值算出部；調整值算出部；上限值設定部；以及輸出限制部。輸出限制部係當由調整值算出部所算出的無效電流指令調整值為由上限值設定部所設定的上限值以下時，將無效電流指令調整值作為無效電流指令值輸出，當無效電流指令調整值超過上限值時，將上限值作為無效電流指令值輸出。

Description

電車用電力轉換控制裝置
本申請係揭示了有關於一種用以控制電力轉換裝置的技術，該電力轉換裝置係搭載於以藉由從架空線(oVerhead line)所集電的交流電力而被行駛用的馬達驅動的方式所構成的電車。
於以從架空線藉由集電弓(pantograph)集電交流電力而進行行駛的方式所構成的電車，一般而言係搭載用以有將從架空線集電的交流電力適切地電力轉換而向行駛用的馬達進行供給的電力轉換裝置。作為控制該種的電力轉換裝置的方法，從裝置的輕量化、緊湊化的觀點來看，一般係採用使從集電弓輸入的交流電力的功率成為1的方式亦即在電車內僅消費有效電力的方式進行控制。
但是，若以上述的使功率成為1的方式將電力轉換裝置予以控制，則有下述問題產生的可能性。亦即，隨著因電車行駛所致使的有效電力的消費，因於架空線供給交流電力的給電電路的電源側的阻抗、給電電路的阻抗等的影 響而將使架空線電壓降低或變動。尤其，例如如現行的新幹線電車般，以無關於從架空線輸入的交流電壓的值地消費預定有效電力的方式所設計的電車中，由於隨著架空線電壓的降低而將使於電車消費的電流増加，故將因其影響而使架空線電壓更降低，視情況亦有無法獲得預定之推進力的可能性。
作為對於起因於電車的功率1控制而生的上述問題的對策，有藉由於給電用的變電所設置無效電力補償裝置、固定功率輸出電力轉換裝置等而將架空線電壓維持於標準電壓以上的方法。但該方法係為了各裝置的設置而需要龐大的費用、及廣大的設置空間的確保。
相對於此，於下述專利文獻1記載有在電車內中，於運行時以不成為功率1而會發生進相無效電力之方式的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency；可變電壓可變頻率)轉換裝置予以控制的技術。
另外，於下述專利文獻2記載有在朝車輛供給電力的交流系統側中抑制其交流系統的電壓變動的電力轉換裝置。亦即，在專利文獻2記載有將有效電力消費量與無效電力消費量根據交流系統電壓而自律地決定，藉由於交流系統連接將所決定的有效電力、無效電力同時地消費的電力轉換裝置，而抑制交流系統的電壓變動的技術。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2000-156902號公報。
專利文獻2：日本專利第4568111號公報。
如專利文獻1所記載的技術所言，藉由使電車用電力轉換裝置消費進相無效電力而將架空線電壓維持於適切的電位在原理上是可能的。但是，於專利文獻1所記載的技術係將架空線電壓的維持所需要的進相無效電力單純地加算於電車所消費的有效電力而使電車用電力轉換裝置消費的技術。
因此，由於電車用電力轉換裝置的額定電流受限，因進相無效電流的加算使得電車所需要的有效電力受到限制，最為結果存有無法獲得所期望的推進力的可能性。另外，當在同一給電電路內有複數個電車在線時，各自的電車的電車用電力轉換裝置的進相無效電力消費將競爭，由此有導致架空線電壓的不穩定現象之虞。
另一方面，將記載於專利文獻2的技術採用於電車內的電力轉換裝置一事自身仍為可行，藉此可抑制架空線電壓的變動。但是，專利文獻2所記載的技術係有效電流指 令值為由進相無效電流指令值所決定。亦即，為有效電流的供給量係依存於進相無效電流指令值而決定的構成。因此，無法自由決定確保電車的推進力需要的有效電流。亦即，以架空線電壓的維持作為交換而成為無法自由決定電車自身的有效電流，存有對於作為電車本来應發揮之性能產生影響的可能性。因此，專利文獻2的技術無法適用於電車用的電力轉換裝置。
本發明的1個局面係期望確保電車需要的有效電力，並且可將架空線電壓穩定地維持於適切的電位。
本發明之1個實施形態的電車用電力轉換控制裝置係搭載於以從被供給有交流電力的架空線輸入交流電力的方式所構成的電車，用以控制對從架空線輸入的交流電力進行電力轉換的電力轉換裝置。電力轉換裝置係構成為根據從該電車用電力轉換控制裝置所輸入的有效電流指令值及無效電流指令值，而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。
該電車用電力轉換控制裝置係具有：有效電流指令值生成部；架空線電壓檢測部；初期值算出部；調整值算出部；上限值設定部；以及輸出限制部。
有效電流指令值生成部係構成為：對應於應從電力轉 換裝置向負載供給的有效電力而生成有效電流指令值。
架空線電壓檢測部構成為檢測屬於從架空線所輸入的電壓的架空線電壓。
初期值算出部構成為：根據為架空線電壓的目標值的電壓指令值與由架空線電壓檢測部所檢測的架空線電壓的架空線電壓檢測值的差，算出屬於為了使架空線電壓檢測值追隨於電壓指令值的無效電流指令值之初期值的無效電流指令初期值。
調整值算出部構成為：算出將由初期值算出部所算出的無效電流指令初期值調整為已因應由有效電流指令值生成部所生成的有效電流指令值之比例的值的無效電流指令調整值。
上限值設定部構成為：根據前述有效電流指令值生成部所生成的前述有效電流指令值，以使前述有效電流指令值越大則前述無效電流指令值的上限值越小的方式設定前述無效電流指令值的前述上限值。
輸出限制部構成為：當由前述調整值算出部所算出的前述無效電流指令調整值為由前述上限值設定部所設定的前述上限值以下時，將前述無效電流指令調整值作為前述無效電流指令值輸出，當前述無效電流指令調整值超過前 述上限值時，將前述上限值作為前述無效電流指令值輸出。
如上所述所構成的電車用電力轉換控制裝置中，有效電流指令值係對應於應向負載供給的有效電力而生成，相對於此，無效電流指令值係依存於有效電流指令值而被決定。具體而言，並非將根據電壓指令值與架空線電壓檢測值的差而算出的無效電流指令初期值100%原封不動地作為無效電流指令值輸出，而是藉由調整值算出部調整為對應於有效電流指令值之比例的值。亦即，無效電流指令初期值係對應於有效電流指令值而被調整為0至100%的量，且被作為無效電流指令調整值而輸出。此外，以有效電流指令值越大則上述比例亦變得越大，且相反地有效電流指令值越小則上述比例亦變得越小的方式調整無效電流指令初期值。亦即，被調整為與該電車所需要的有效電力配合的量的無效電流指令調整值。
更且，對於無效電流指令調整值設定上限值，若無效電流指令調整值為上限值以下則原封不動地作為無效電流指令值輸出，而在無效電流指令調整值超過上限值的情形則將上限值作為無效電流指令值輸出。亦即，終究以可將所需要的有效電力向負載供給一事為優先，最終地輸出的無效電流指令值係最大亦被限制於上限值。
因此，依據上述構成的電車用電力轉換控制裝置，可 確保電車所需要的有效電力，並且可將架空線電壓穩定地維持於適切的電位。
此外，在此所謂的電車係不僅限於1個車輛而亦包含有連結了複數車輛之1個編成的概念。另外，電力轉換裝置所致使的電力轉換係例如亦可為從交流電力向交流電力轉換，或亦可為從交流電力向直流電力的轉換。
10:電車用主電路系統
11:集電弓
12:主變壓器
12a:一次捲線
12b:二次捲線
12c:三次捲線
13:轉換器
14:反相器
15:馬達
16:轉換器電壓檢測部
21、50、60、70:電力轉換控制裝置
22:PWM電路
26:架空線電壓檢測部
27:位置偵測部
31:有效電流指令值生成部
32:電壓指令值設定部
33:加算器
34:交流電壓控制電路
35:輸出功率係數設定部
36:乘算器
37:上限值設定部
38:限制器電路
51:切換電路
52:切換控制部
61:乘算器
62:低電壓檢測電路
100:架空線
Pref:有效電流指令值
Qref:無效電流指令值
Vtr:檢測值
Vcon:轉換器輸出電壓檢測值
Vref:電壓指令值
ρ:輸出功率係數
Qup:上限值
△V:電壓差分
Qr1:無效電流指令初期值
Qr2:無效電流指令調整值
Qr3:限制器輸出值
Sp:位置偵測信號
圖1為顯示實施形態的電車用主電路系統之概略構成的說明圖。
圖2為顯示第1實施形態的電力轉換控制裝置的概略構成的方塊圖。
圖3為顯示第2實施形態的電力轉換控制裝置的概略構成的方塊圖。
圖4為顯示第3實施形態的電力轉換控制裝置的概略構成的方塊圖。
圖5為顯示第4實施形態的電力轉換控制裝置的概略構成的方塊圖。
以下，針對本發明的例示實施形態一邊參照圖面一邊說明。
(第1實施形態)
(1)電車用主電路系統之概要
如圖1所示的電車用主電路系統10係搭載於構成為從架空線100集電交流電力之方式的電車。架空線100係連接於未圖示的給電電路，從其給電電路供給交流電力。
如圖1所示，電車用主電路系統10係具有：集電弓11；主變壓器12；轉換器(converter)13；反相器(inverter)14；馬達15；電力轉換控制裝置21；PWM(pulse width modulation；脈衝寬度調變)電路22；架空線電壓檢測部26；以及位置偵測部27。
此外，搭載有電車用主電路系統10的電車亦可具有1個車輛亦可具有連結的複數車輛。當具有連結的複數車輛時，如圖1所示的包含於電車用主電路系統10的全部構成要素並不需要搭載於同一個車輛。例如，亦可在與搭載有集電弓11的車輛不同的其他車輛搭載電力轉換控制裝置21。
集電弓11係為了從架空線100集電交流電力的習知的集電裝置。從架空線100集電的電壓係在本實施形態中為例如交流25kV。
主變壓器12係將於集電弓11所集電的交流電力降壓且向轉換器13進行供給。主變壓器12係具有：一次捲線12a，被輸入來自集電弓11之交流電力；二次捲線12b，用以將來自集電弓11的交流電力降壓且向轉換器13輸出； 以及三次捲線12c，用以將來自集電弓11的交流電力降壓且向未圖示的輔助電路系統進行供給。從主變壓器12的二次捲線12b輸出的交流電力(以下，亦稱二次輸出電力)的電壓值係例如交流1000V，從主變壓器12的三次捲線12c輸出的交流電力(以下，亦稱三次輸出電力)的電壓值係例如交流400V。當然，上述各電壓值僅為其中一例。
轉換器13係將從主變壓器12輸出的二次輸出電力轉換為直流電力且輸出。本實施形態的轉換器13係所謂PWM轉換器。本實施形態的轉換器13係例如將主變壓器12的二次輸出電力的交流1000V轉換為直流2000V且輸出。上述各電壓值亦僅為其中一例。
反相器14係將從轉換器13輸出的直流電力轉換為三相交流電力且對於馬達15輸出。本實施形態的反相器14係所謂VVVF反相器。馬達15在本實施形態中為三相感應電動機，藉由被供給三相交流電力而進行旋轉驅動。當馬達15被旋轉驅動後，前述馬達之旋轉驅動力則傳達至未圖示的車輪，藉此使電車行駛。
架空線電壓檢測部26係為了檢測架空線電壓的值而設置，該架空線電壓係藉由集電弓11而從架空線100輸入的電壓。架空線電壓檢測部26係將與從主變壓器12的三次捲線12c輸出的三次輸出電力的電壓值對應之值，亦即 表示架空線電壓的大小的架空線電壓檢測值Vtr(以下，簡稱為檢測值Vtr)對於電力轉換控制裝置21輸出。
此外，本實施形態的電力轉換控制裝置21係將於後述的各種演算所使用的各值作為Pu(Per Unit；單位)單位系統的值而運用。因此，架空線電壓檢測部26係構成為以下方式：將以對應於架空線電壓的額定值的檢測值Vtr作為基準而規格化後的值，亦即Pu單位系統的值作為架空線電壓檢測值Vtr而輸出。此外，亦可為從架空線電壓檢測部26輸出的檢測值Vtr本身並非Pu單位系統的值，而是在電力轉換控制裝置21內變換為Pu單位系統的值。
位置偵測部27係偵測電車所行駛之位置且將表示所偵測到的位置之位置偵測信號Sp對於電力轉換控制裝置21輸出。此外，位置偵測信號Sp係在本第1實施形態的電力轉換控制裝置21中未被使用，其係被使用於後述的第2實施形態及第4實施形態中。
於轉換器13與反相器14之間係設有將來自轉換器13的輸出電壓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的輸出電壓的值的轉換器輸出電壓檢測值Vcon(以下，亦簡稱檢測值Vcon)對於電力轉換控制裝置21輸出。
此外，轉換器電壓檢測部16係構成為以下方式：將對於轉換器之輸出電壓的額定值規格化後的值，亦即Pu單位系統的值作為檢測值Vcon而輸出。或是，從轉換器電壓檢測部16輸出的檢測值Vcon本身亦可並非Pu單位系統的值，而是在電力轉換控制裝置21內變換成Pu單位系統的值。
電力轉換控制裝置21係使用由架空線電壓檢測部26所檢測的檢測值Vtr及由轉換器電壓檢測部16所檢測的檢測值Vcon，將表示應輸入轉換器13(亦即應在轉換器13消費)的有效電流的有效電流指令值Pref(以下，亦簡稱指令值Pref)及表示應於轉換器13消費的進相無效電流的無效電流指令值Qref(以下，亦簡稱指令值Qref)算出，對於PWM電路22輸出。
PWM電路22係以根據從電力轉換控制裝置21輸入的指令值Pref及指令值Qref將該指令值Pref所對應之有效電流及指令值Qref所對應之進相無效電流輸入轉換器13的方式(亦即使該等有效電流及進相無效電流在轉換器13消費的方式)將轉換器13予以控制。
具體而言，藉由將轉換器13所具有的複數個切換(switching)元件的導通時序(on timing)及關斷(off)時序個別控制，即可於轉換器13將上述有效電流及進相無效電流消 費。此外，指令值Pref係決定輸入轉換器13的有效電流的參數，換言之即決定由轉換器13所消費的有效電力的參數，指令值Qref係決定輸入轉換器13的進相無效電流的參數，換言之即決定由轉換器13所消費的進相無效電流的參數。
(2)電力轉換控制裝置的構成
接著，針對本實施形態的電力轉換控制裝置21的構成使用圖2進行說明。如圖2所示，電力轉換控制裝置21係具有：有效電流指令值生成部31；電壓指令值設定部32；加算器33；交流電壓控制電路34；輸出功率係數設定部35；乘算器36；上限值設定部37；以及限制器電路38。
此外，如圖2所示的藉由電力轉換控制裝置21所實現的機能係例如亦可藉由以電腦(computer)執行預定的控制程式而實現，其機能的一部分或全部亦可藉由使用組合了邏輯電路、類比電路等的硬體而實現。
有效電流指令值生成部31係生成與電車所需要的有效電力(亦即應從轉換器13向負載供給的有效電力)對應的指令值Pref[Pu]。在此所運用的指令值Pref[Pu]係將額定輸入電流值作為基準而規格化後的值，該額定輸入電流值為轉換器13中所規定的輸入電流的額定值。
此外，所謂轉換器13的負載係意指消費從轉換器13輸出的電力的負載全體。因此，於轉換器13的負載係至少含有反相器14及馬達15。
此外，於以下的說明中對於指令值Pref[Pu]係省略單位記號[Pu]的表記。另外，後述的電壓指令值Vref(以下，亦簡稱指令值Vref)、後述的電壓差分△V、後述的無效電流指令初期值Qr1(以下，亦簡稱初期值Qr1)、後述的無效電流指令調整值Qr2(以下，亦簡稱調整值Qr2)、後述的上限值QuP、上述的指令值Qref雖亦皆以Pu單位系統進行運用，但該等亦省略單位記號[Pu]的表記。
有效電流指令值生成部31係以可向負載供給所需要的有效電力的方式，生成用以將供給該有效電力所需要的有效電流輸入轉換器13的指令值Pref。
電車所需要的有效電力係隨負載的動作狀態而變動。負載的動作狀態係可藉由來自轉換器13的輸出電壓的值而間接地知道。若應向負載供給的有效電力増加，則轉換器13的輸出電壓降低。相反地，若應供給的有效電力降低，則轉換器13的輸出電壓増加。
因此，本實施形態中，有效電流指令值生成部31係基於從轉換器電壓檢測部16輸入的檢測值Vcon，而進行用 以將轉換器13的輸出電壓維持為一定之額定值的預定電壓一定控制，藉此生成指令值Pref。具體而言，以檢測值Vcon變得越小則指令值Pref變得越大的方式生成指令值Pref。
此外，於電車中，運轉士所操作的檔速(notch)越提高則應對於馬達15供給的電力越増大。亦即，亦可視為電車所需要的有效電力係等價地依存於檔速。因此，有效電流指令值生成部31亦可以例如因應檔速的狀態而生成指令值Pref的方式所構成。具體而言，有效電流指令值生成部31亦可構成為以檔速越提高則越使指令值Pref變大的方式生成指令值Pref。
電壓指令值設定部32係設定指令值Vref[Pu]作為對應於檢測值Vtr的目標值。關於作為指令值Vref具體而言應設定何值亦可適切地決定。例如，以使來自架空線100的架空線電壓維持於28kV的方式，將架空線電壓為28kV時的檢測值Vtr作為指令值Vref而設定亦可。
加算器33係算出上述電壓差分△V，上述電壓差分△V為以電壓指令值設定部32所設定的指令值Vref與檢測值Vtr的差。
交流電壓控制電路34係例如具有比例積分電路或一次延遲電路等等，以使電壓差分△V成為零的方式(亦即檢 測值Vtr追隨指令值Vref)算出無效電流指令值。在此所算出的無效電流指令值並非最終的對於PWM電路22輸出的值，而是僅考慮使電壓差分△V成為零而算出的值。因此，在此所算出的無效電流指令值係為了與最終算出的指令值Qref有所區別而稱為上述的初期值Qr1。
乘算器36係將以有效電流指令值生成部31所生成的指令值Pref、以交流電壓控制電路34所算出的初期值Qr1輸出功率與係數設定部35所設定的輸出功率係數ρ(以下，亦簡稱為係數ρ)乘算。藉由該乘算，算出初期值Qr1被指令值Pref及係數ρ調整後的上述調整值Qr2。
於以乘算器36所致使的乘算之中，初期值Qr1與指令值Pref的乘算係為了將以交流電壓控制電路34所算出的初期值Qr1調整對應於指令值Pref之比例的值的乘算。例如若指令值Pref為0.8[Pu]，則初期值Qr1係藉由與指令值Pref的乘算而被調整為80%的值。
另一方面，乘算器36所致使的乘算之中，初期值Qr1與係數ρ的乘算係為了將以交流電壓控制電路34所算出的初期值Qr1對應於輸出功率設定值cos φ(以下，亦簡稱為設定值cos φ)而進行調整的乘算。亦即，係為了將初期值Qr1調整為使設定值cos φ以上的功率的電力輸入轉換器13且於轉換器13被消費的乘算。此外，φ為功率角係 對應於應在轉換器13消費的有效電力而預先設定，且亦可適切地變更設定。
係數ρ係使用功率角φ而表示為ρ=tan φ，亦即功率角φ的正切。亦即，功率角φ越小，設定值cos φ越接近1，則係數ρ變得越小；相反地，功率角φ變大，設定值cos φ越接近0，則係數ρ變大。
因此，乘算器36中，藉由將初期值Qr1與係數ρ乘算，而成為設定值cos φ越接近1則初期值Qr1被調整為越小的值。相反地，若設定值cos φ越接近0則初期值Qr1被調整為越大的值。
此外，使用tan φ作為係數ρ僅為一例亦可使用可對應於設定值cos φ而將初期值Qr1適切地調整的其他的值作為係數ρ。亦即，係數ρ亦可對應於設定值cos φ而在0至1之間適切地設定。
藉由乘算器36所致使的乘算而將初期值Qr1以指令值Pref調整的主要目的是為了將在轉換器13消費的進相無效電流的量調整為符合自車真正需要的有效電力的大小的適切的量。藉由該調整，需要的有效電力越大則對應的進相無效電流也會被調整為大的值，需要的有效電力越小則對應的進相無效電流也會被調整成越小的值。藉此，例如在 相同給電區間有包含自車在內的複數電車在線，且各車具有本實施形態的電力轉換控制裝置21的情形中，每台電車個別的進相無效電流會被適切地調整，結果，可抑制複數電車間進相無效電流消費的競爭而可使架空線電壓穩定化。
另一方面，藉由乘算器36所致使的乘算而將初期值Qr1以係數ρ進行調整的主要目的於轉換器13中僅在於使有效電力的消費成為優先。更具體而言，係在於即使架空線電壓降低且輸入轉換器13的有效電流降低亦仍使轉換器13的消費電流不會非必要地增大。進行使用了係數ρ的調整，以成為可與有效電流的值無關地確保設定值cos φ以上的功率。
限制器電路38係將以乘算器36所算出的調整值Qr2其最大值加上限制而作為最終的指令值Qref輸出。具體而言，當調整值Qr2為上限值QuP以下時係將調整值Qr2作為指令值Qref輸出。另一方面，當調整值Qr2超過上限值QuP時係將上限值QuP作為指令值Qref輸出。
上限值QuP係由上限值設定部37所設定。上限值設定部37係根據指令值Pref而以指令值Pref越大則成為越小的值的方式設定上限值QuP。更具體而言，上限值設定部37係根據下述式(1)而算出上限值QuP且設定。
QuP=√(1-Pref2)‧‧‧(1)
亦即，以有效電流指令值生成部31所生成的指令值Pref原封不動地在轉換器13消費一事為優先，而不犧牲有效電力的消費量。另一方面，使輸入轉換器13的電流全體被壓在額定輸入電流值以下。亦即，使指令值Pref與指令值Qref的合成值(亦即向量合成值)壓在額定輸入電流值以下的方式設定對於指令值Qref的上限值QuP。因此，關於進相無效電流，轉換器13的額定輸入電流之中除了指令值Pref以外被限制於餘裕範圍內。
藉由根據上限值QuP而使限制器電路38動作，可將對轉換器13輸入的電流全體抑制在額定輸入電流值以下。然後，在該額定輸入電流值以下的範圍內，有效電流係優先地被消費，於餘裕部分則以進相無效電流補上。
(3)第1實施形態的功效
依據以上所說明的第1實施形態，可獲得以下功效。
亦即，第1實施形態的電力轉換控制裝置21中，有效電流指令值生成部31所生成的指令值Pref係並未特別受到限制地被輸出。
另一方面，指令值Qref則是將以交流電壓控制電路34所算出的初期值Qr1經過適切地調整或限制後輸出。具體而言，交流電壓控制電路34所算出的初期值Qr1係藉由乘 算器36而被調整為配合指令值Pref的值且被調整為配合功率角φ的值。具體而言，指令值Pref越小則初期值Qr1也會被調整為越小的值。另外，功率角φ越小(亦即設定值cos φ越接近1)則初期值Qr1被調整為越小的值。
藉由初期值Qr1被調整為配合指令值Pref的值，而可抑制與同一個給電電路內在線的其他的電車間的進相無效電流消費的競爭，並且可將從架空線100輸入的架空線電壓穩定地維持於其標準值(額定值)以上的值。因此，可抑制隨電車行駛而生的架空線電壓的降低，其結果便成為可延伸給電距離，且亦成為可省略給電用變電所的無效電力補償裝置或固定功率輸出電力轉換裝置等的設置，而可減低為了使電車所需的設備的整體成本。
另外，藉由初期值Qr1被調整為配合設定值cos φ的值，而成為可以與指令值Pref的大小無關地用在轉換器13被消費的電力中係以有效電力作為主體的方式進行控制。
另外，在乘算器36中被指令值Pref及設定值cos φ調整後的調整值Qr2更進一步經由限制器電路38而作為指令值Qref而輸出，藉此，最終地輸出的指令值Qref即使到達最大也會被上限值QuP所限制。
而且其上限值QuP係由前述式(1)所算出。因此，可實 現在轉換器13的額定輸入電流值的範圍內以有效電力的消費為優先的控制。藉此，可使兼顧以下兩者成為可能：將轉換器13的額定容量維持為與以往的僅進行有效電力之消費(亦即控制在功率1)的轉換器同等並且將架空線電壓穩定地維持於適切的電位；以及確保電車需要的有效電力。
在此，針對第1實施形態的功效進行補充說明。就第1實施形態的電力轉換控制裝置21的一個主要特徴係藉由進行以有效電力的消費為優先的控制，而可不增大轉換器13的額定容量地獲得預定之推進力。另外，就另一個主要特徴而言，係即使在同一個給電電路中有複數個電車在線的情形中，亦可使進相無效電力的消費量的分担由各自的電車自律地決定，而可穩定地控制架空線電壓。
作為對於使有效電力的消費優先的控制的代替技術，例如，可考慮藉由增大轉換器13的額定容量預先確保進相無效電力消費分之容量的技術。但是，若採用該種技術，則轉換器13的重量變重，且其搭載空間的確保也會變得困難而導致實現困難。而即使實現，亦可推想將導致隨著重量増加而生的電車的消費電力的増加。
另外，作為對於同一給電電路內的複數個電車的進相無效電力消費的分担的決定方法的代替技術，例如可考慮 計測各個電車的消費電力，將該等傳送至1處控制所，於該控制所決定各個電車的進相無效電力消費量的分担，且由控制所對於各個電車予以指令的方法。但該技術係需要控制所與各個電車之間的傳送手段，因傳送延遲而使電壓的控制成為不穩定的可能性高等，故可推想在成本、電壓控制穩定性之面上來看實現困難。
由上述可知，為了於轉換器13使進相無效電力消費，在不損及電車需要的推進力的情形下穩定地控制架空線電壓，可以說於第1實施形態所說明的控制方法非常地有效。藉由採用於第1實施形態所說明的控制方法，則可使架空線電壓穩定化並且使消費有效電力成為優先，藉此可減輕電車的消費電流。其結果，成為可謀求主變壓器12的輕量、緊湊化以及減低給電系統全體的電力損失及電車的省能源化。
此外，轉換器13係相當於本發明的電力轉換裝置的一例，電力轉換控制裝置21係相當於本發明的電車用電力轉換控制裝置的一例。交流電壓控制電路34係相當於本發明的初期值算出部的一例。乘算器36係相當於本發明的調整值算出部的一例。限制器電路38係相當於本發明的輸出限制部的一例。
(第2實施形態)
由於第2實施形態係基本的構成與第1實施形態相同，故對於與第1實施形態共通的構成係省略其說明，而以相異點為中心進行說明。此外，與第1實施形態的相同的元件符號係表示同一個構成，可參照先前的說明。
如圖3所示的第2實施形態的電力轉換控制裝置50係相對於圖2所示的第1實施形態的電力轉換控制裝置21更具有切換電路51及切換控制部52。
切換電路51係用以切換將從限制器電路38輸出的值作為指令值Qref而原封不動地輸出或輸出0的電路。此外，從限制器電路38輸出的值於以下亦稱為限制器輸出值Qr3。
切換電路51係依據來自切換控制部52的切換指令，將應輸出的指令值Qref切換為來自限制器電路38的限制器輸出值Qr3或0。
作為一例，切換控制部52係根據從位置偵測部27輸入的位置偵測信號Sp而控制切換電路51。切換控制部52係構成為因應自車的行駛位置而決定是否應使指令值Qref成為0而控制切換電路51的方式。
切換控制部52係根據所輸入的位置偵測信號Sp，在自車現在存在於應使指令值Qref為0(亦即不應消費進相無效電流)的位置時對於切換電路51輸出0作為指令值 Qref。另一方面，根據輸入的位置偵測信號Sp，在自車現在未存在於應使指令值Qref為0(亦即不應消費進相無效電流)的位置時係對於切換電路51輸出限制器輸出值Qr3作為指令值Qref。
就採用因應自車的位置而使指令值Qref為0之技術的背景而言，可考慮以下事項。亦即，架空線電壓的變動或降低不見得經常會在行駛中發生，視行駛位置、其他狀況等亦有成為充分地適切的架空線電壓的情形。於該種場合的電車中亦可不消費進相無效電流地以功率1運轉。
另外，行駛中何處附近的位置係架空線電壓容易降低，以及相反地在何處附近的位置係架空線電壓為穩定等資訊係某種程度上可預先知道的。例如，在給電電路的電源側的電力供給能力本身弱的情形係從該給電電路接收電力供給的行駛區間中及於全體的有架空線電壓容易降低的情形，故可推想將進相無效電流消費的方式較佳。另外，離給電電路的電源的距離越長則損失變得越大，而有輸入於電車的架空線電壓降低的可能性，於該情形中亦可推想將進相無效電流消費的方式較佳。此外例如，在自車存在於給電用變電所設置有無效電力補償裝置而可確保充分的架空線電壓的給電區間的情形中，在電車側消費進相無效電力的需要性低，故自然使指令值Qref為0的方式較佳。
因此，本第2實施形態中，係採用因應自車位置，當存在於架空線電壓易降低的位置時則將限制器輸出值Qr3作為指令值Qref輸出，當存在於架空線電壓降低之虞低且消費進相無效電流的需要性低的情形中則將0作為指令值Qref輸出。
此外，位置偵測信號Sp雖亦可為僅含有表示自車位置的資訊的信號，但亦可為含有表示自車位置是否為應將0作為指令值Qref輸出之位置的資訊的信號。然後，於位置偵測信號Sp本身含有表示應將限制器輸出值Qr3及0之中的何者作為指令值Qref輸出的資訊的情形中，亦可構成為省略切換控制部52，將位置偵測信號Sp往切換電路51輸入，且使切換電路51根據位置偵測信號Sp而將限制器輸出值Qr或0輸出的方式。
依據該種方式所構成的第2實施形態的電力轉換控制裝置50，不僅可獲得第1實施形態的功效，亦可獲得以下的功效。亦即，由於係因應是否有在轉換器13消費進相無效電力的需要而切換指令值Qref為限制器輸出值Qr3或0，故可對應狀況地將進相無效電流的消費量適切地控制。尤其，本第2實施形態中係可因應自車位置，於存在於應消費進相無效電流之位置的情形中係消費進相無效電流，而在存在於不需要消費進相無效電流或其需要性低的位置時則使進相無效電流成為0。因此，成為可進行與自車位 置所對應之適切的進相無效電力的控制。
此外，切換電路51及切換控制部52係相當於本發明的輸出切換部(尤其是第1輸出切換部)之一例，位置偵測信號Sp係相當於本發明的切換資訊之一例。
(第3實施形態)
由於第3實施形態中係基本的構成與第1實施形態相同，故對於與第1實施形態共通的構成省略說明，而以相異點為中心進行說明。此外，與第1實施形態相同的元件符號係表示同一個構成，可參照先前的說明。
圖4所示的第3實施形態的電力轉換控制裝置60係相對於圖2所示的第1實施形態的電力轉換控制裝置21更具有輸出乘算器61及低電壓檢測電路62。該等輸出乘算器61及低電壓檢測電路62係為了在架空線電壓成為異常的低電壓狀態時強制地使指令值Qref成為0而設置。
亦即，在自車所在線的給電電路中，例如於因發生接地故障或短路故障而使該給電電路停電的狀況發生時，於該種狀況中並沒有進行於自車中積極地將進相無效電流消費的控制之需要，更應該使該種控制停止。在此，本實施形態係監視架空線電壓，於檢測到正常時不會發生的低電壓時係強制地使指令值Qref成為0，藉此而抑制在給電電 路停電時不需要的進相無效電流的消費。
低電壓檢測電路62係對應於檢測值Vtr而將1或0的信號對於輸出乘算器61輸出。低電壓檢測電路62係為了於架空線電壓的值偏離正常的範圍而成為低值時將其檢測而設。具體而言，對於檢測值Vtr係設定有閾值，低電壓檢測電路62係於檢測值Vtr為閾值以上的情形輸出1，於檢測值Vtr為未滿閾值時則輸出0。關於應使閾值為何值亦可對應於架空線電壓的額定值、正常範圍、應判斷為異常的範圍等而適切地決定。本實施形態中係作為一例而將閾值設定為0.6[Pu]。亦即，低電壓檢測電路62係構成為當架空線電壓成為未滿額定值(例如28kV)的0.6倍之16.8kV時將0輸出的方式。
輸出乘算器61係將從限制器電路38輸出的限制器輸出值Qr3與從低電壓檢測電路62輸出的1或0乘算，將其乘算結果作為指令值Qref而輸出。當從低電壓檢測電路62輸入1時，亦即檢測值Vtr為0.6[Pu]以上且架空線電壓為正常範圍時則限制器輸出值Qr3被作為指令值Qref輸出。另一方面，當從低電壓檢測電路62輸入0時，亦即檢測值Vtr未滿0.6[Pu]且架空線電壓為異常的低電壓狀態時則指令值Qref被強制地設動為0。
依據由該種方式所構成的第3實施形態的電力轉換控 制裝置60，則不僅可獲得第1實施形態的功效亦可獲得以下功效。亦即，當架空線電壓為異常低之狀態時指令值Qref會被強制地設定為0，故可抑制在給電電路停電時的不必要的進相無效電流的消費。
此外，低電壓檢測電路62係相當於本發明的架空線電壓判斷部的一例。輸出乘算器61係相當於本發明的輸出切換部(尤其是第2輸出切換部)的一例。
(第4實施形態)
圖5所示的本第4實施形態的電力轉換控制裝置70中係組合有圖3所示的第2實施形態的電力轉換控制裝置50之構成與圖4所示的第3實施形態的電力轉換控制裝置60之構成。亦即，對於圖3所示的第2實施形態的電力轉換控制裝置50更設置有圖4所示的第3實施形態的電力轉換控制裝置60的輸出乘算器61及低電壓檢測電路62。
如圖5所示，輸出乘算器61係設置於限制器電路38的後段。而且，於輸出乘算器61的後段設置有切換電路51。此外，輸出乘算器61與切換電路51的前後位置亦可交換。依據以該方式所構成的第4實施形態的電力轉換控制裝置70，則可獲得第2實施形態之作用功效及第3實施形態之作用功效的兩者。
(其他的實施形態)
以上，雖針對用以實施本發明的形態進行說明，但本發明不被限定於上述實施形態亦可以種種變形實施。
(1)本發明的控制對象係不限定於上述的實施形態之轉換器13。對於用以下方式所構成的電力轉換控制裝置可適用本發明，該電力轉換控制裝置係將對於從供給有交流電力的架空線輸入的交流電力進行轉換的各種電力轉換裝置作為控制對象。
關於控制對象的電力轉換裝置的電力轉換的內容並無特別限定，其不限於上述的轉換器13般將交流電力轉換為直流電力亦可將輸入的交流電力轉換為其他形態的交流電力(例如頻率數或電壓不同的交流電力)。
另外，電力轉換裝置以PWM驅動的方式所構成亦僅為一例。本發明可適用的電力轉換控制裝置係用以控制電力轉換裝置，該電力轉換控制裝置係以可依循指令值Pref及指令值Qref進行動作的任何電力轉換裝置作為控制對象。
(2)第2實施形態中，切換電路51亦可構成為係根據與自車位置不同的其他資訊等而進行切換動作。例如，亦可為可藉由電車的運轉士之判斷而由運轉士自身使切換電 路51直接或間接地動作。更具體而言，亦可為於運轉席附近設置用以使切換電路51動作的開關，運轉士可藉由操作該開關而使切換電路51與該開關的操作內容對應地動作。
另外，亦可構成為切換電路51係根據架空線電壓而在架空線電壓被充分地維持的情形使指令值Qref切換為0的的方式。例如，亦可構成為切換電路51係於架空線電壓為額定值以上或較額定值高預定量值以上的情形中將0作為指令值Qref輸出的方式。
(3)對於上限值設定部37，雖在上述各實施形態中說明為上限值QuP為以上述式(1)算出，但上限值QuP亦可以其他的方法算出。亦即，只要能確保指令值Pref所對應之有效電流，則要將進相無效電流具體而言係限制在最大為何種程度係可適切地決定。例如，亦可對於上述式(1)更乘以未滿1的預定係數，而將進相無效電流適切地抑制。
(4)上述各實施形態係構成為使用對於基準值規格化後的值(亦即Pu單位系統的值)進行各種控制演算的方式，但如該種方式地對於Pu單位系統的值進行控制演算一事並非必需。
(5)除此之外，亦可將上述各實施形態的1個構成要素所具有的機能分散為複數個構成要素，或將複數個構成要 素所具有的機能統合為1個構成要素。另外，上述各實施形態之構成的至少一部分亦可置換為具有相同機能的習知構成。另外，亦可省略上述各實施形態之構成的一部分。另外，亦可將上述各實施形態之構成的至少一部分對於其他的實施形態之構成附加或置換。此外，在僅被申請專利範圍所記載的文字所特定的技術思想中所包含的任何態樣皆為本發明的實施形態。
(6)除了上述的電力轉換控制裝置之外，亦可藉由以該電力轉換控制裝置作為構成要素的系統、用以使電腦作為該電力轉換控制裝置而機能的程式、記錄有該程式的媒體、於該電力轉換控制裝置中所使用的控制方法等種種形態實現本發明。
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‧‧‧加算器
34‧‧‧交流電壓控制電路
35‧‧‧輸出功率係數設定部
36‧‧‧乘算器
37‧‧‧上限值設定部
38‧‧‧限制器電路
Pref‧‧‧有效電流指令值
Qref‧‧‧無效電流指令值
Vtr‧‧‧檢測值
Vcon‧‧‧轉換器輸出電壓檢測值
Vref‧‧‧電壓指令值
ρ‧‧‧輸出功率係數
Qup‧‧‧上限值
△V‧‧‧電壓差分
Qr1‧‧‧無效電流指令初期值
Qr2‧‧‧無效電流指令調整值

Claims (10)

  1. 一種電車用電力轉換控制裝置，搭載於以從被供給有交流電力的架空線輸入前述交流電力的方式所構成的電車，用以控制對從前述架空線輸入的前述交流電力進行電力轉換的電力轉換裝置；前述電力轉換裝置係構成為根據從該電車用電力轉換控制裝置所輸入的有效電流指令值及無效電流指令值，消耗已因應前述有效電流指令值的有效電流及已因應前述無效電流指令值的相位超前無效電流；該電車用電力轉換控制裝置係具有：有效電流指令值生成部，構成為：因應應從前述電力轉換裝置向負載供給的有效電力生成前述有效電流指令值；架空線電壓檢測部，構成為檢測屬於從前述架空線所輸入的電壓的架空線電壓；初期值算出部，構成為：根據為前述架空線電壓的目標值的電壓指令值與由前述架空線電壓檢測部所檢測的前述架空線電壓的架空線電壓檢測值的差，算出屬於為了使前述架空線電壓檢測值追隨於前述電壓指令值的前述無效電流指令值之初期值的無效電流指令初期值；調整值算出部，構成為：算出將由前述初期值算出部所算出的前述無效電流指令初期值調整為已因應由前述有效電流指令值生成部所生成的前述有效電流指令值之比例的值的無效電流指令調整值； 上限值設定部，構成為：根據前述有效電流指令值生成部所生成的前述有效電流指令值，以該有效電流指令值越大則前述無效電流指令值的上限值越小的方式設定前述無效電流指令值的前述上限值；以及輸出限制部，構成為：當由前述調整值算出部所算出的前述無效電流指令調整值為由前述上限值設定部所設定的前述上限值以下時，將前述無效電流指令調整值作為前述無效電流指令值輸出，當前述無效電流指令調整值超過前述上限值時，將前述上限值作為前述無效電流指令值輸出。
  2. 如請求項1所記載的電車用電力轉換控制裝置，其中前述上限值設定部係構成為：以前述有效電流指令值生成部所生成的前述有效電流指令值與前述無效電流指令值的合成值成為屬於前述電力轉換裝置的輸入電流的額定值的額定輸入電流值以下的方式，設定對於前述無效電流指令值的前述上限值。
  3. 如請求項1或2所記載的電車用電力轉換控制裝置，其中前述調整值算出部係構成為：對於由前述初期值算出部所算出的前述無效電流指令初期值之中的已因應前述有效電流指令值生成部所生成的前述有效電流指令值之比例的值，進一步根據對於應以前述電力轉換裝置消耗的電力的功率預先設定的輸出功率設定值，以前述輸出功率設定值越大則前述無效電流指令調整值越小的方式 算出前述無效電流指令調整值，以使該輸出功率設定值以上的功率的電力輸入至前述電力轉換裝置。
  4. 如請求項3所記載的電車用電力轉換控制裝置，其中前述有效電流指令值生成部係構成為：將前述有效電流指令值生成為相對於為前述電力轉換裝置的輸入電流的額定值之額定輸入電流值而規格化的值；前述初期值算出部係構成為：將前述無效電流指令初期值生成為相對於前述額定輸入電流值而規格化的值；前述調整值算出部係構成為：將由前述初期值算出部所算出的前述無效電流指令初期值、由前述有效電流指令值生成部所生成的前述有效電流指令值以及由前述輸出功率設定值所定的輸出功率係數乘算而算出前述無效電流指令調整值。
  5. 如請求項4所記載的電車用電力轉換控制裝置，其中前述輸出功率係數係對應於前述功率的功率角的正切。
  6. 如請求項1所記載的電車用電力轉換控制裝置，具有輸出切換部，係構成為：將從該電車用電力轉換控制裝置所輸出的前述無效電流指令值切換為來自前述輸出限制部的前述無效電流指令值及零之任一方。
  7. 如請求項6所記載的電車用電力轉換控制裝置，其中前述輸出切換部係構成為：被輸入有用以直接或間接地顯示應輸出來自前述輸出限制部的前述無效電流指令值及零之中的任一者作為從該電車用電力轉換控制裝置所 輸出的前述無效電流指令值的切換資訊，並依據該輸入的切換資訊而進行前述切換。
  8. 如請求項7所記載的電車用電力轉換控制裝置，其中前述輸出切換部係構成為：作為前述切換資訊，被輸入有用以顯示前述電車所行駛之位置的資訊或用以顯示該位置是否為應將零作為前述無效電流指令值而輸出之位置的資訊。
  9. 如請求項6至8中任一項所記載的電車用電力轉換控制裝置，係具有：架空線電壓判斷部，係構成為：判斷由前述架空線電壓檢測部所檢測的前述架空線電壓檢測值是否為預定之臨限值以下；前述輸出切換部係構成為：被輸入有用以顯示由前述架空線電壓判斷部所致使的前述判斷之結果的資訊作為前述切換資訊，並根據該輸入的資訊，在藉由前述架空線電壓判斷部判斷前述架空線電壓檢測值為前述臨限值以下時將零作為前述無效電流指令值輸出。
  10. 如請求項6至8中任一項所記載的電車用電力轉換控制裝置，係具有：架空線電壓判斷部，係構成為：判斷由前述架空線電壓檢測部所檢測的前述架空線電壓檢測值是否為預定之臨限值以下；且更進一步具有：第2輸出切換部，係構成為：將前述輸出切換部作為第1輸出切換部時與前述第1輸出切換部分開設置，且在藉由前述架空線電壓判斷部判斷前述架空線電壓檢測值為前述臨限值以下時，不論來自於 前述輸出限制部的前述無效電流指令值之值為何皆將零作為前述無效電流指令值輸出。
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