(57)【要約】【課題】回生ブレーキにより得られた回生電力を遠方で走行する電気車へ効率よく供給し、かつ直流き電線と高圧直流き電線との間を流れる循環電流の発生を抑制し、回生電力を有効活用することにより、エネルギー利用の効率を向上させる高電圧直流き電システムを提供する。【解決手段】本発明の高電圧直流き電システムは、直流き電電圧が供給され、当該直流き電電圧により電気車に対して直流電力を供給する直流き電線と、直流き電線と並行に配設され、直流き電線の直流き電電圧以上の直流き電高電圧の高電圧直流き電線と、直流き電線と前記高電圧直流き電線との間に間隔を置いて介挿され、直流き電線及び高電圧直流き電線間において電力を融通する電力変換装置とを備え、電力変換装置が、直流き電線の直流き電電圧の変化に対応して、高電圧直流き電線の直流き電高電圧を増減する制御を行なう。【選択図】図１
2020040455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流き電電圧が供給され、当該直流き電電圧により電気車に対して直流電力を供給する直流き電線と、
前記直流き電線と並行に配設され、前記直流き電線の直流き電電圧以上の直流き電高電圧の高電圧直流き電線と、
前記直流き電線と前記高電圧直流き電線との間に間隔を置いて介挿され、前記直流き電線及び前記高電圧直流き電線間において電力を融通する電力変換装置と
を備え、
前記電力変換装置が、前記直流き電線の直流き電電圧の変化に対応して、前記高電圧直流き電線の直流き電高電圧を増減する制御を行なう
ことを特徴とする高電圧直流き電システム。
【請求項２】
前記電力変換装置が、
前記直流き電電圧と前記直流き電高電圧とが所定の比率となるように、当該直流き電電圧に応じて前記直流き電高電圧を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の高電圧直流き電システム。
【請求項３】
前記電力変換装置が、
前記直流き電電圧が標準値である場合、当該直流き電電圧と前記直流き電高電圧とが前記所定の比率となるよう調整を行ない、前記直流き電電圧が当該直流き電電圧の標準値に対して増減した場合、前記直流き電高電圧を前記所定の比率の場合より大きく、または小さく増減させる調整を行なう
ことを特徴とする請求項２に記載の高電圧直流き電システム。
【請求項４】
前記電力変換装置が、
前記直流き電電圧を前記直流き電線に供給する変電所に配置される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高電圧直流き電システム。
【請求項５】
前記電力変換装置が、
前記変電所と、当該変電所と隣り合う異なる他の変電所との中間に配置される
ことを特徴とする請求項４に記載の高電圧直流き電システム。
【請求項６】
直流き電電圧が供給され、当該直流き電電圧により電気車に対して直流電力を供給する直流き電線と、前記直流き電線と並行に配設され、前記直流き電線の直流き電電圧以上の直流き電高電圧の高電圧直流き電線とを備える高電圧直流き電システムに用いられる電力変換装置であり、
前記直流き電線と前記高電圧直流き電線との間に介挿され、前記直流き電線及び前記高電圧直流き電線間において電力を融通する際、前記直流き電線の直流き電電圧の変化に対応して、前記高電圧直流き電線の直流き電高電圧を増減する制御を行なう
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
電力変換装置が、直流き電電圧が供給され、当該直流き電電圧により電気車に対して直流電力を供給する直流き電線と、前記直流き電線と並行に配設され、前記直流き電線の直流き電電圧以上の直流き電高電圧の高電圧直流き電線との間に間隔を置いて介挿されており、
前記電力変換装置が、前記直流き電線及び前記高電圧直流き電線間において電力を融通する際、前記直流き電線の直流き電電圧の変化に対応して、前記高電圧直流き電線の直流き電高電圧を増減する制御を行なう
ことを特徴とする高電圧直流き電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧直流き電システム、電力変換装置及び高電圧直流き電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走行する電気車に必要な電力を供給するき電方式としては、交流き電方式と直流き電方式（例えば、特許文献１参照）とがある。
直流き電方式は、交流き電方式と比較して相対的に低電圧のシステムであり、特に電気車においては車載の変圧器や整流器が不要、かつ絶縁が容易であることから、交流き電方式に比較して短距離で高密度の路線に適している。
一方、高密度の路線で低電圧により必要な電力を供給するように運用するため、大電流のシステムとなる。このため、直流き電線やレールの電気抵抗によるジュール損（直流き電損失）が大きく、直流き電線における電圧降下が大きくなる。
【０００３】
この電圧降下によって、負荷電流が極めて大きい高密度運転の路線においては、電気車の走行する位置が変電所から離れていると、直流き電線の直流き電電圧が大幅に低下してしまう場合がある。この直流き電線の直流き電電圧の低下により、電気車の走行に支障を与えないように、電気車に対して必要な電圧により電力を供給するため、交流き電方式に比較して、変電所などの地上設備が多くの地点に必要となる。
電圧降下やジュール損の軽減には、現状の直流き電電圧を高圧化する、例えば１５００Ｖ以下である直流き電電圧を３０００Ｖ以上に高圧化（高電圧直流き電化）することが有効である。
【０００４】
しかし、直流き電電圧の高圧化に際し、電気車及び電気車に電力を供給する地上設備の各々を高圧化に対応させるためのコスト発生、あるいは現状の直流き電電圧から高圧化した直流き電電圧の切替が必要となり、簡単には高圧化を行なうことができない。
このため、直流き電線及びレール間における直流き電電圧を変えず、直流き電線に加えて高電圧直流き電線を設けて、電力変換装置により、高電圧直流き電線と直流き電線とにおける電圧の変換を行い、上述した直流き電電圧の高圧化を、電気車を従来の直流き電電圧のままの高電圧直流き電方式で実現する構成もある（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−８８２８９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】"New three-wire supply systems for DC electric railways"，Philippe Ladoux，Jean Marc Blaquiere，Herve Caron，Diego Iannuzzi，Marino Coppola，IET Electrical Systems in Transportation，Volume: 5, Issue: 3，2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した高電圧直流き電方式には、一般的な直流き電方式と同様に、回生ブレーキで生じる回生電力が遠方を走行する電気車に十分に活用されない問題がある。
さらに、高電圧直流き電方式は、上述した問題に加えて、高電圧直流き電線を設けたことにより、直流き電線と高電圧直流き電線との間を流れる循環電流が発生し、電力変換装置における損失が発生し、回生電力を有効に活用することができない問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたもので、回生ブレーキにより得られた回生電力を遠方で走行する電気車へ効率よく供給し、かつ直流き電線と高電圧直流き電線との間を流れる循環電流の発生を抑制し、回生電力を有効活用することにより、エネルギー利用の効率を向上させる高電圧直流き電システム、電力変換装置及び高電圧直流き電方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の高電圧直流き電システムは、直流き電電圧が供給され、当該直流き電電圧により電気車に対して直流電力を供給する直流き電線と、前記直流き電線と並行に配設され、前記直流き電線の直流き電電圧以上の直流き電高電圧の高電圧直流き電線と、前記直流き電線と前記高電圧直流き電線との間に間隔を置いて介挿され、前記直流き電線及び前記高電圧直流き電線間において電力を融通する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置が、前記直流き電線の直流き電電圧の変化に対応して、前記高電圧直流き電線の直流き電高電圧を増減する制御を行なうことを特徴とする。
【００１０】
本発明の高電圧直流き電システムは、前記電力変換装置が、前記直流き電電圧と前記直流き電高電圧とが所定の比率となるように、当該直流き電電圧に応じて前記直流き電高電圧を調整することを特徴とする。
【００１１】
本発明の高電圧直流き電システムは、前記電力変換装置が、前記直流き電電圧が標準値である場合、当該直流き電電圧と前記直流き電高電圧とが前記所定の比率となるよう調整を行ない、前記直流き電電圧が当該直流き電電圧の標準値に対して増減した場合、前記直流き電高電圧を前記所定の比率の場合より大きく、または小さく増減させる調整を行なうことを特徴とする 。
【００１２】
本発明の高電圧直流き電システムは、前記電力変換装置が、前記直流き電電圧を前記直流き電線に供給する変電所に配置されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の高電圧直流き電システムは、前記電力変換装置が、前記変電所と、当該変電所と隣り合う異なる他の変電所との中間に配置されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の電力変換装置は、直流き電電圧が供給され、当該直流き電電圧により電気車に対して直流電力を供給する直流き電線と、前記直流き電線と並行に配設され、前記直流き電線の直流き電電圧以上の直流き電高電圧の高電圧直流き電線とを備える高電圧直流き電システムに用いられる電力変換装置であり、前記直流き電線と前記高電圧直流き電線との間に介挿され、前記直流き電線及び前記高電圧直流き電線間において電力を融通する際、前記直流き電線の直流き電電圧の変化に対応して、前記高電圧直流き電線の直流き電高電圧を増減する制御を行なうことを特徴とする。
【００１５】
本発明の高電圧直流き電方法は、電力変換装置が、直流き電電圧が供給され、当該直流き電電圧により電気車に対して直流電力を供給する直流き電線と、前記直流き電線と並行に配設され、前記直流き電線の直流き電電圧以上の直流き電高電圧の高電圧直流き電線との間に間隔を置いて介挿されており、
前記電力変換装置が、前記直流き電線及び前記高電圧直流き電線間において電力を融通する際、前記直流き電線の直流き電電圧の変化に対応して、前記高電圧直流き電線の直流き電高電圧を増減する制御を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、回生ブレーキにより得られた回生電力を遠方で走行する電気車へ効率よく供給し、かつ直流き電線と高電圧直流き電線との間を流れる循環電流の発生を抑制し、回生電力を有効活用することにより、エネルギー利用の効率を向上させる高電圧直流き電システム、電力変換装置及び高電圧直流き電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態による高電圧直流き電システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態における高電圧直流き電システムによる回生電力の伝搬メカニズムを説明する概念図である。
【図３】本実施形態における高電圧直流き電システムによる直流電力の伝搬メカニズムを説明する概念図である。
【図４】従来の直流き電システムにおける回生電力の電気車への供給処理のシミュレーションの結果を説明する概念図である。
【図５】第１の実施形態による高電圧直流き電システムにおける回生電力の電気車への供給処理のシミュレーションの結果を説明する概念図である。
【図６】本実施形態における電力変換装置の制御による直流き電電圧ＶTと直流き電高電圧ＶFとの対応関係を示す図である。
【図７】第２の実施形態による高電圧直流き電システムにおける回生電力の電気車への供給処理のシミュレーションの結果を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態による高電圧直流き電システムを図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による高電圧直流き電システムの構成例を示すブロック図である。
高電圧直流き電システムにおける電車線は、高電圧直流き電線Ｆ、直流き電線Ｔ及びレールＲに代表される電力送電線で構成されている。
直流き電線Ｔは、レールＲ上を走行する電気車１０１及び電気車１０２などに対して、駆動するための直流電力を供給する。
高電圧直流き電線Ｆは、直流き電線Ｔと並行に配設され、直流き電線Ｔの直流き電電圧ＶT以上の電圧である直流き電高電圧ＶFで直流電力を伝搬させる電線である。
【００１９】
電力変換装置１１＿１、１１＿２及び１１＿３の各々は、直流−直流電力変換装置であり、直流き電線Ｔと高電圧直流き電線Ｆとの間で電力の融通を行なう。以下、電力変換装置１１＿１、１１＿２及び１１＿３の各々を総称する際、電力変換装置１１と示す。
ここで、電力変換装置１１は、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆに対して直流電力を供給（融通）する際、直流き電電圧ＶTを直流き電高電圧ＶFに昇圧して供給する。
一方、電力変換装置１１は、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに対して直流電力を供給する際、直流き電高電圧ＶFを直流き電電圧ＶTに降圧して供給する。
【００２０】
本実施形態においては、変電所２０１＿１及び２０１＿２の各々が、直流き電線Ｔに対して直流電力（例えば、標準値として直流電圧１５００Ｖ）を供給している。以下、変電所を総称する場合、変電所２０１と示す。ここで、変電所２０１は、自身の備える整流器により、発電所から供給される交流電力を、上記直流き電電圧ＶTの直流電力に変換して、直流き電線Ｔに対して出力する。
【００２１】
電力変換装置１１は、高電圧直流き電線Ｆに対して、直流き電線Ｔの直流電力を、直流き電電圧ＶT以上の直流き電高電圧ＶF（例えば、直流き電電圧ＶTが標準値１５００Ｖの場合、標準値として直流電圧６０００Ｖ）に昇圧して供給する。すなわち、電力変換装置１１は、直流き電高電圧ＶFと直流き電電圧ＶTとの比が、所定の比率ｎ：１となるように、図１を一例とした場合に所定の比率として４：１となるように、直流き電線Ｔ及び高電圧直流き電線Ｆの間で直流電力を融通する処理を行なう。
【００２２】
これにより、電力変換装置１１は、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに対し、また直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆに対し、直流き電線Ｔにおける直流き電電圧ＶTの変化に対応し、直流き電高電圧ＶF及び直流き電電圧ＶTの各々を、ｎ：１の比率となるように電圧を増減する制御を行なう。
また、電力変換装置１１の各々は、例えば、変電所毎に併設され、あるいは隣り合う変電所の中間において所定の距離を置いて複数配置されている。
【００２３】
一般的に、直流き電方式は、運用する電気車が交流き電方式に比較して低コストであり、通勤路線などの短距離・高密度輸送を主とする路線に適している。
しかしながら、直流き電方式は、交流き電方式と比較して負荷電流が大きくなり、直流き電線Ｔ及びレールＲの抵抗によるジュール損（いわゆる直流き電損失）や、直流き電線Ｔにおける直流き電電圧ＶTの電圧降下が大きくなる問題がある。
このため、本実施形態に用いられる高電圧直流き電線Ｆは、直流き電線Ｔと並列に配設され、直流き電電圧ＶTを高電圧化した直流き電高電圧ＶFにより、直流電力を伝搬させることにより、上述したジュール損や電圧降下を改善するために設けられている。
【００２４】
また、図１において、電気車１０１が回生ブレーキによる回生電力を生成し、生成した回生電力を直流き電線Ｔに逆潮流した場合、一般的な直流き電方式であると、直流き電線Ｔを伝搬して、他の力行している電気車１０２に対して回生電力が供給される。
このため、電気車１０２が電気車１０１の近傍を走行していれば、電気車１０１の生成した回生電力が有効に利用される。
【００２５】
しかしながら、一般的な直流き電方式の場合、電気車１０１の許容電圧（耐圧）の制限によって、回生電力の出力電圧は所定の電圧までに制限される。一方、電気車１０２が走行するために必要な直流き電電圧ＶTにも下限値が存在するため、電気車１０１の地点から電気車１０２の地点の直流き電電圧ＶTの差は一定以上に大きくできない。しかしながら、回生電流が直流き電線Ｔを流れると、直流き電線Ｔの抵抗によって、回生電流の大きさに比例した電圧降下が発生するため、電気車１０１が電気車１０２と離れている場合、回生電流の大きさは大きく制限される。このため、直流き電電圧ＶTが電圧降下している直流き電線Ｔを力行している電気車１０２に対して回生電力が十分に供給されず、電気車１０１が回生ブレーキを用いることで、回生電力として生成できるはずの電気エネルギーのほとんどが、電気車１０１における機械ブレーキの熱として消費されてしまう。すなわち、本来生成できるはずの回生電力の一部しか有効に利用することができないことが省エネルギーの観点から問題とされている。
【００２６】
そのため、本実施形態においては、電力変換装置１１＿３が、回生電力により電圧が上昇した直流き電線Ｔの直流き電電圧ＶTを直流き電高電圧ＶFに昇圧して、回生電力の一部を高電圧直流き電線Ｆに対して供給し、この回生電力を高電圧直流き電線Ｆを伝搬させる。そして、電力変換装置１１＿２が、高電圧直流き電線Ｆを伝搬した回生電力を、直流き電電圧ＶTに降圧して電気車１０２に対して供給する。
【００２７】
このため、本実施形態の高電圧直流き電システムにおいては、電気車１０１が発生した回生電力が、直流き電線Ｔ及び高電圧直流き電線Ｆの各々を伝搬して電気車１０２に供給される。
この結果、電気車１０２が電気車１０１と離れている場合においても、上述した高電圧直流き電線Ｆを介して回生電力を伝搬させることにより、直流き電損による回生電力が消費されることを抑制し、省エネルギーの観点から回生電力を有効に利用することができる。
【００２８】
図２は、本実施形態における高電圧直流き電システムによる回生電力の伝搬メカニズムを説明する概念図である。
図２においては、電気車１０１が回生ブレーキをかけ、電気車１０２が力行している場合を示している。
電気車１０１が回生ブレーキを掛けたことにより、地点Ｐ１＿１の電圧が上昇して、直流き電電圧ＶT１となるため、電力変換装置１１＿１が直流き電電圧ＶT１のｎ倍の電圧となるように、直流き電電圧ＶTの直流き電電圧ＶT１を昇圧して、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆに対して電力を供給する。これにより、地点Ｐ１＿２が直流き電高電圧ＶF1となる。
【００２９】
電気車１０２が変電所２０１＿２近傍にいるため、電気車１０２が消費する直流電力により、地点Ｐ２＿１の直流き電電圧ＶT２が低下する。
このため、電力変換装置１１＿２は、直流き電電圧ＶT２の低下に対応させ、自身が接続されている地点Ｐ２＿２における直流き電高電圧ＶF２の電圧を降圧し、直流き電高電圧ＶF２と直流き電電圧ＶT２との比率を、ｎ：１に保つように、直流き電高電圧ＶF２の調整を行なう。
【００３０】
また、地点Ｐ２＿１における直流き電電圧ＶT２が低下するため、この地点Ｐ２＿１に隣接する地点Ｐ３＿１の直流き電電圧ＶT３も、地点Ｐ３＿１と地点Ｐ２＿１との間の直流き電線Ｔの抵抗に対応して低下する。
このため、電力変換装置１１＿３は、直流き電電圧ＶT３の低下に対応させ、自身が接続されている地点Ｐ３＿２における直流き電高電圧ＶF３の電圧を降圧し、直流き電高電圧ＶF２と直流き電電圧ＶT２との比率を、ｎ：１に保つように、直流き電高電圧ＶF２の調整を行なう。
【００３１】
この結果、直流き電電圧ＶT１、ＶT３及びＶT２の各々の関係は、ＶT２＜ＶT３＜ＶT１となる。これにより、電気車１０１が生成した回生電力の一部が直流き電線Ｔを伝搬して、電気車１０２に対して供給される。
また、直流き電高電圧ＶF１、ＶF３及びＶF２の各々の関係も、ＶF２＜ＶF３＜ＶF１となる。これにより、電気車１０１が生成した回生電力の残りが高電圧直流き電線Ｆを伝搬して、電気車１０２に対して供給される。
【００３２】
上述したように、電力変換装置１１＿１、１１＿３及び１１＿２の各々が、直流き電電圧ＶT１、ＶT３、ＶT２のそれぞれのｎ倍となるように、直流き電高電圧ＶF１、ＶF３、ＶF２に直流電力を供給する。
このため、隣接する地点Ｐ１＿１、Ｐ３＿１及びＰ２＿１の各々の直流き電電圧がＶT２＜ＶT３＜ＶT１の関係となり、同様に、隣接する地点Ｐ１＿２、Ｐ３＿２及びＰ２＿２の各々の直流き電高電圧がＶF２＜ＶF３＜ＶF１となるため、循環電流が流れることなく、直流電流が電気車１０１から電気車１０２に流れて、電気車１０１の生成した回線電力が電気車１０２に対して有効に供給される。
【００３３】
特に、地点Ｐ１＿２から地点Ｐ３＿２を介して地点Ｐ２＿２へは、高電圧直流き電線Ｆを介して、直流電力を供給するため、電流が小さくなり、電圧降下や直流き電損失が小さいため、直流き電線Ｔにおける伝搬に比較して、電気車１０１からより多くの直流電力を電気車１０２に対して供給することができる。
地点Ｐ２＿２において、電力変換装置１１＿２は、地点Ｐ２＿２における直流き電高電圧ＶF２が、地点Ｐ２＿１における直流き電電圧ＶT２のｎ倍の電圧となるように、直流き電高電圧ＶF２を降圧して、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに対して直流電力を供給する。
【００３４】
同様に、地点Ｐ２＿１における直流き電電圧ＶT２が低下するため、この地点Ｐ２＿１に隣接する地点Ｐ４＿１の直流き電電圧ＶT４も、地点Ｐ４＿１と地点Ｐ２＿１との間の直流き電線Ｔの抵抗に対応して低下する。
このため、電力変換装置１１＿４は、直流き電電圧ＶT４の低下に対応させ、自身が接続されている地点Ｐ４＿２における直流き電高電圧ＶF４の電圧を降圧し、直流き電高電圧ＶF４と直流き電電圧ＶT４との比率を、ｎ：１に保つように、直流き電高電圧ＶF４の調整を行なう。
【００３５】
この結果、直流き電電圧ＶT５、ＶT４及びＶT２の各々の関係は、ＶT２＜ＶT４＜ＶT５となる。これにより、変電所２０１＿３が出力する直流電力の一部が直流き電線Ｔを伝搬して、電気車１０２に対して供給される。
また、直流き電高電圧ＶF５、ＶF４及びＶF２の各々の関係も、ＶF２＜ＶF４＜ＶF５となる。これにより、変電所２０１＿３が出力する直流電力の残りが高電圧直流き電線Ｆを伝搬して、電気車１０２に対して供給される。
【００３６】
上述したように、電力変換装置１１＿５、１１＿４及び１１＿２の各々が、直流き電電圧ＶT５、ＶT４、ＶT２のそれぞれのｎ倍となるように、直流き電高電圧ＶF５、ＶF４、ＶF２に直流電力を供給する。
このため、隣接する地点Ｐ５＿１、Ｐ４＿１及びＰ２＿１の各々の直流き電電圧がＶT２＜ＶT４＜ＶT５の関係（電圧の勾配）となり、同様に、隣接する地点Ｐ５＿２、Ｐ４＿２及びＰ２＿２の各々の直流き電高電圧がＶF２＜ＶF４＜ＶF５の関係（電圧の勾配）となるため、循環電流が流れることなく、直流電流が電気車１０１から電気車１０２に流れて、変電所２０１＿３が出力する直流電力が電気車１０２に対して有効に供給される。
【００３７】
また、図２においては、電気車１０２が変電所２０１＿２近傍に位置しているため、変電所２０１＿２からも電力が供給されている。
一般的な直流き電方式の場合、変電所２０１＿２が電気車１０２に直流電力を供給してしまうため、直流き電電圧ＶT３が回生電力の伝搬を抑制することになる。
【００３８】
しかしながら、本実施形態の場合、直流き電線Ｔのみでなく、高電圧直流き電線Ｆによっても、回生ブレーキを掛けた電気車１０１の発生した回生電力を、力行している電気車１０２に対して伝搬する。
このため、本実施形態によれば、変電所２０１＿２の直流き電電圧ＶT３により、回生電力の伝搬が制限されることを抑制し、電気車１０１の発生した回生電力を電気車１０２に対して有効に利用させることができる。
【００３９】
上述したように、本実施形態においては、電力変換装置１１が直流き電線Ｔの直流き電電圧ＶTに応じて、高電圧直流き電線Ｆの直流き電高電圧ＶFを調整して、直流き電高電圧ＶFが、直流き電電圧ＶTのｎ倍の電圧とする（１：ｎの比率とする）制御を行なう。
すなわち、電力変換装置１１は、直流き電電圧ＶTと直流き電高電圧ＶFとの比率において、直流き電電圧ＶTが直流き電高電圧ＶFに対して１／ｎより高い電圧の場合、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆに対して直流電力を供給する。
そして、電力変換装置１１は、直流き電高電圧ＶFと直流き電電圧ＶTとの比率をｎ：１とする制御を行う。
【００４０】
一方、電力変換装置１１は、直流き電電圧ＶTと直流き電高電圧ＶFとの比率において、直流き電電圧ＶTが直流き電高電圧ＶFに対して１／ｎより低い電圧の場合、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに対して直流電力を供給する。
すなわち、電力変換装置１１は、直流き電高電圧ＶFと直流き電電圧ＶTとの比率をｎ：１とする制御を行う。
【００４１】
図３は、本実施形態における高電圧直流き電システムによる直流電力の伝搬メカニズムを説明する概念図である。
図３における直流き電線Ｔ、高電圧直流き電線Ｆ、変電所２０１＿１、２０１＿２、２０１＿３及び電力変換装置１１の各々の構成は同様であるが、電気車１０２の近傍には、他の電気車が走行してない。
したがって、図２の場合のように、他の電気車（例えば、電気車１０１）からの回生電力が、電気車１０２に対して供給されることはない。
【００４２】
この場合、図２において説明した変電所２０１＿３からの電気車１０２への直流電力の供給と同様に、変電所２０１＿１及び変電所２０１＿３の各々から、電気車１０２に対する直流電力の供給が行われる。
すなわち、地点Ｐ１＿１及びＰ１＿２の間、地点Ｐ２＿１及びＰ２＿２の間、地点３＿１及びＰ３＿２の間、地点Ｐ４＿１及びＰ４＿２の間、地点５４＿１及びＰ５＿２の間の各々において、電力変換装置１１＿１、１１＿２，１１＿３、１１＿４、１１＿５それぞれが、直流き電高電圧ＶFと直流き電電圧ＶTとの比率をｎ：１とする制御を行う。
【００４３】
この結果、地点Ｐ＿１及び地点Ｐ２＿１の各々の直流き電電圧ＶTの変化が、地点Ｐ＿１及、Ｐ２＿１それぞれの直流き電電圧ＶTに反映され、地点Ｐ１＿２から地点Ｐ２＿２における直流き電電圧ＶT（Ｐ１＿２）＞直流き電電圧ＶT（Ｐ２＿２）の電圧の勾配が形成され、変電所２０１＿１及び変電所２０１＿３の各々から、この勾配に対応して電気車１０２に電流が流れることにより直流電力の供給が行われる（図２においても、電圧の勾配による電流の供給のアルゴリズムについては同様である）。
【００４４】
図４は、従来の直流き電システムにおける回生電力の電気車への供給処理のシミュレーションの結果を説明する概念図である。図４においては、直流き電システムが直流き電線Ｔ及びレールＲの各々で構成されている。このシミュレーションにおいて、レールＲの抵抗は０．０１７Ω／ｋｍ（５０ｋｇＮレール）であり、直流き電線Ｔの抵抗は０．０２４Ω／ｋｍ（Ａl（アルミニウム）：５１０ｍｍ２×２、シンプルカテナリ電車線：トロリ線Ｃu（銅）１１０ｍｍ２を含む）である。変電所における整流器の等価内部抵抗は０．０４５Ω（容量３０００ｋＷ、電圧変動率６％）である。
【００４５】
図４（ａ）においては、１０ｋｍの距離間隔で変電所２０１＿１、２０１＿２及び２０１＿３の各々が配置されている。電気車１０２は、変電所２０１＿１から、変電所２０１＿２寄りに２ｋｍの位置を力行している。
そして、電気車１０１は、変電所２０１＿３から、変電所２０１＿２寄りに２ｋｍの位置において回生ブレーキを掛けている。
ここで、電気車１０１は回生ブレーキを掛けることにより、３０００Ａの回生電力を生成する能力がある。また、電気車１０２は、力行により、３０００Ａの負荷電流を消費している。
【００４６】
このとき、シミュレーションの結果として、電気車１０２が消費する負荷電流である３０００Ａの内訳は、２１７８Ａが変電所２０１＿１から供給され、１５６Ａが変電所２０１＿２から供給されている。このため、電気車１０１が発生することが可能な回生電流３０００Ａのうち、６６７Ａのみが電気車１０２へ供給される。隣接する変電所２０１＿１と、電気車１０２及び電気車１０１の各々の間にある変電所２０１＿２とからそれぞれ供給される直流電流により、電気車１０１が本来発生することが可能な回生電流に対して、実際に供給される電流が大きく制限され、回生電力が有効に利用されないことがわかる。本来、回生電力に変換されるはずであった電気車１０１の運動エネルギーは、回生ブレーキではなく、機械ブレーキの熱の形で消費されることで、電気車１０１の機械ブレーキに所定のブレーキ力が発生する。
【００４７】
図４（ｂ）においては、５ｋｍの距離間隔で変電所２０１＿１、２０１＿４、２０１＿２、２０１＿５及び２０１＿３の各々が配置されている。電気車１０２は、変電所２０１＿１から、変電所２０１＿４寄りに２ｋｍの位置を力行している。
そして、電気車１０１は、変電所２０１＿３から、変電所２０１＿５寄りに２ｋｍの位置において回生ブレーキを掛けている。
ここで、電気車１０１は回生ブレーキを掛けることにより、図４（ａ）の場合と同様に、３０００Ａの回生電流を生成する能力がある。また、電気車１０２は、力行により、３０００Ａの負荷電流を消費している。
【００４８】
このとき、シミュレーションの結果として、電気車１０２が消費する負荷電流である３０００Ａの内訳は、１６３４Ａが変電所２０１＿１から供給され、８８０Ａが変電所２０１＿４から供給されている。
ここで、電気車１０１が発生する回生電流３０００Ａのうち、４８６Ａのみが電気車１０２へ供給される。
これにより、隣接する変電所２０１＿１と、電気車１０２及び電気車１０１の各々の間にある変電所２０１＿４とからそれぞれ供給される直流電力により、図４（ａ）の場合と同様に、電気車１０１が発生する回生電力が有効に利用されないことがわかる。
【００４９】
図５は、本実施形態による高電圧直流き電システムにおける回生電力の電気車への供給処理のシミュレーションの結果を説明する概念図である。図５においては、直流き電システムが直流き電線Ｔ及びレールＲの各々で構成されている。
この図５のシミュレーションにおいて、レールＲの抵抗は０．０１７Ω／ｋｍ（５０ｋｇＮレール）であり、直流き電線Ｔの抵抗は０．０２４Ω／ｋｍ（Ａl（アルミニウム）：５１０ｍｍ２×２、シンプルカテナリ電車線：トロリ線Ｃu（銅）１１０ｍｍ２を含む）である。変電所における整流器の等価内部抵抗は０．０４５Ω（容量３０００ｋＷ、電圧変動率６％）である。また、高電圧直流き電線Ｆの抵抗は、０．０９７Ω／ｋｍ（Ａl：３００ｍｍ２）である。
【００５０】
図５においては、１０ｋｍの距離間隔で変電所２０１＿１、２０１＿２及び２０１＿３の各々が配置されている。また、５ｋｍの距離間隔で電力変換装置１１＿１、１１＿３、１１＿２、１１＿４及び１１＿５の各々が配置されている。このうち、電力変換装置１１＿１、１１＿２及び１１＿５の各々は、変電所２０１＿１、２０１＿２、３０１＿３それぞれの近傍に設けられている。
【００５１】
電気車１０２は、図４の場合と同様に、変電所２０１＿１から、変電所２０１＿２寄りに２ｋｍの位置を力行している。
そして、電気車１０１は、変電所２０１＿３から、変電所２０１＿２寄りに２ｋｍの位置において回生ブレーキを掛けている。
ここで、電気車１０１は回生ブレーキを掛けることにより、３０００Ａの回生電流を生成する能力がある。また、電気車１０２は、力行により、３０００Ａの負荷電流を消費している。
【００５２】
このとき、シミュレーションの結果として、電気車１０２が消費する負荷電流である３０００Ａの内訳は、１４１０Ａが変電所２０１＿１から供給され、１６８７Ａが電気車１０１の発生する回線電力から供給されている。ここで、電気車１０２は、力行のための直流電力が変電所２０１＿２からは供給されていない。
このため、電気車１０１が発生することが可能な回生電流３０００Ａのうち、１６８７Ａが電気車１０２へ供給されるため、回生可能な電流の５６％以上が有効に利用されていることがわかる。
【００５３】
また、本実施形態においては、上述したように、電気車１０２に供給される回生電力が、直流き電線Ｔのみでなく、高電圧直流き電線Ｆによっても伝搬される。
このため、本実施形態によれば、直流き電線Ｔのみで回生電力を力行する電気車１０２に対して伝搬する構成に比較して、変電所２０１＿１及び２０１＿２の各々が出力する直流電力の直流き電電圧ＶTが電気車１０１の発生する回生電力の電気車１０２への伝搬に与える制限を低減させる。
【００５４】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態による高電圧直流き電システムを図面を参照して説明する。第２の実施形態の構成は、図１の本発明の第１の実施形態による高電圧直流き電システムの構成と同様である。以下、第１の実施形態と異なる動作のみを説明する。
第２の実施形態において第１の実施形態と異なる点は、電力変換装置１１の直流き電電圧ＶT及び直流き電高電圧ＶFの各々の比率の制御が異なる。
【００５５】
図６は、本実施形態における電力変換装置の制御による直流き電電圧ＶTと直流き電高電圧ＶFとの対応関係を示す図である。横軸が直流き電電圧ＶTを示し、縦軸が直流き電高電圧ＶFを示している。
本実施形態においては、電力変換装置１１が、直流き電高電圧ＶF及び直流き電電圧ＶTの各々が、以下に示す（１）式の関係となるように制御を行う。
ＶF＝ｎ・Ａ・ＶT＋ｎ・Ｖ0・（１−Ａ）          …（１）
【００５６】
上記（１）式において、ｎは第１の実施形態において説明した、直流き電高電圧ＶF及び直流き電電圧ＶTの各々の比率（ｎ：１）を示している。Ａは、例えば実験やシミュレーションなどにより求めた所定の係数であり、Ａ≧１である。Ｖ0は、直流き電電圧ＶTの標準値（例えば、直流き電線Ｔが１５００Ｖで設定されていれば、１５００Ｖ）である。
上記（１）式を用いることにより、直流き電線Ｔにおける直流き電電圧ＶTの変化を増幅した（より大きくした）電圧である直流き電高電圧ＶFとして、高電圧直流き電線Ｆに対して伝搬させることができ、より高電圧直流き電線Ｆにおける直流き電高電圧ＶFの変化の伝搬の効率を向上させることができる。
【００５７】
図６において、実線Ｌ１は、上記（１）式によるＡ＞１の場合における直流き電電圧ＶTに対応した直流き電高電圧ＶFの変化を示している。一方、破線Ｌ２は、（１）式においてＡが「１」の場合、すなわち、第１の実施形態における、ＶF：ＶT＝ｎ：１の関係（ＶF＝ｎ・ＶT）を示している。Ａ＝１（破線Ｌ２）の場合について、第１の実施形態において説明したため、以下、Ａ＞１（実線Ｌ１）の場合について説明する。
実線Ｌ１は、直流き電電圧ＶTが標準値Ｖ0（例えば、１５００Ｖ）であり、直流き電高電圧ＶFがｎ・Ｖ0（例えば、６０００Ｖ）である座標点を通り、傾きがｎ・Ａである線である。
【００５８】
図６における実線Ｌ１と破線Ｌ２とを比較すると分かるように、第１の実施形態における比率ｎ：１に比較して、直流き電電圧ＶTの変化に対する直流き電高電圧ＶFの変化の比率がｎ・Ａ：１となり、実線Ｌ１の変化率が破線Ｌ２より大きくなっている。
すなわち、本実施形態における電力変換装置１１は、直流き電電圧ＶTが標準値Ｖ0の場合に、直流き電高電圧ＶFと直流き電電圧ＶTとの比率をｎ：１とし、直流き電高電圧ＶFをｎ・ＶT（すなわち、ｎ・Ｖ0）とする。
一方、電力変換装置１１は、直流き電電圧ＶTが標準値Ｖ0でない（ＶT≠Ｖ0）場合に、（１）式に直流き電電圧ＶTを代入して直流き電高電圧ＶFを算出することで直流き電高電圧ＶFを求める。これにより、（ＶT≠Ｖ0）場合、直流き電高電圧ＶFは、直流き電電圧ＶTとの比率が、｛ｎ・（Ａ＋Ｖ0・（１−Ａ）／ＶT）｝：１となるように、電力変換装置１１により制御される。
【００５９】
上述した本実施形態によれば、直流き電高電圧ＶFと直流き電電圧ＶTとの対応関係を示す直線が直流き電電圧ＶTの標準値Ｖ0を通る（１）式に基づき、直流き電電圧ＶTに対応して直流き電高電圧ＶFを制御するため、第１の実施形態に比較して、直流き電電圧ＶTの変化に対して、直流き電高電圧ＶFをより大きく変化させることができる。
【００６０】
これにより、本実施形態によれば、回生電力が発生した地点における直流き電高電圧ＶFの変化の感度が大きくなることで、高電圧直流き電線Ｆにおいて回線電力が発生した電気車と力行している電気車との間の直流き電高電圧ＶFの勾配を大きくすることができ、第１の実施形態に比較して、より多くの回生電力を高電圧直流き電線Ｆに振り分けられるようになる。
【００６１】
一方、本実施形態においては、電気車の運行状況及び高電圧直流き電線Ｆにおける直流き電高電圧ＶFに対応させて、０≦Ａ＜１として係数Ａを設定することも行なえ、回生電力が発生した地点における直流き電高電圧ＶFの変化の感度を小さくさせることができる。これにより、本実施形態によれば、高電圧直流き電線Ｆにおいて、回線電力が発生した電気車と力行している電気車との間の直流き電高電圧ＶFの勾配を小さくすることができ、第１の実施形態に比較して、より少ない回生電力を高電圧直流き電線Ｆに振り分ける制御も行なうことが可能である。
【００６２】
また、第１の実施形態においては、直流き電線と高電圧直流き電線の電流配分はそれぞれの抵抗の比とｎの値に支配されている。しかしながら、これらの変数は絶縁設計やき電線類を支持する支持物の耐重量設計の制限により自由に決定することができない。
本実施形態によれば、上記絶縁設計やき電線類を支持する支持物の耐重量設計の制約に制限されることなく、直流き電線と高電圧直流き電線との各々に対しての電流配分を任意に調整することができる。
【００６３】
図７は、本実施形態による高電圧直流き電システムにおける回生電力の電気車への供給処理のシミュレーションの結果を説明する概念図である。図７においては、高電圧直流き電システムが高電圧直流き電線Ｆ、直流き電線Ｔ及びレールＲの各々で構成されている。このシミュレーションにおいて、レールＲの抵抗は０．０１７Ω／ｋｍ（５０ｋｇＮレール）であり、直流き電線Ｔの抵抗は０．０２４Ω／ｋｍ（Ａl（アルミニウム）：５１０ｍｍ２×２）である。変電所における整流器の等価内部抵抗は０．０４５Ω（容量３０００ｋＷ、電圧変動率６％）である。また、高電圧直流き電線Ｆの抵抗は、０．０９７Ω／ｋｍ（Ａl：３００ｍｍ２×２）である。
【００６４】
図７においては、１０ｋｍの距離間隔で変電所２０１＿１、２０１＿２及び２０１＿３の各々が配置されている。また、５ｋｍの距離間隔で電力変換装置１１＿１、１１＿３、１１＿２、１１＿４及び１１＿５の各々が配置されている。このうち、電力変換装置１１＿１、１１＿２及び１１＿５の各々は、変電所２０１＿１、２０１＿２、３０１＿３それぞれの近傍に設けられている。
【００６５】
電気車１０２は、図４の場合と同様に、変電所２０１＿１から、変電所２０１＿２寄りに２ｋｍの位置を力行している。
そして、電気車１０１は、変電所２０１＿３から、変電所２０１＿２寄りに２ｋｍの位置において回生ブレーキを掛けている。
ここで、電気車１０１は回生ブレーキを掛けることにより、３０００Ａの回生電流を生成する能力がある。また、電気車１０２は、力行により、３０００Ａの負荷電流を消費している。
【００６６】
このとき、シミュレーションの結果として、電気車１０２が消費する負荷電流である３０００Ａの内訳は、１１１７Ａが変電所２０１＿１から供給され、３０Ａが変電所２０１＿２から供給され、２０９２Ａが電気車１０１の発生する回線電流から供給されている。
【００６７】
このため、電気車１０１が発生する回生電流３０００Ａのうち、２０９２Ａが電気車１０２へ供給されるため、回生可能な電流の約７０％以上が有効に利用されていることがわかる。また、本実施形態においては、電気車１０２に供給される回生電力が高電圧直流き電線Ｆにより伝搬されるため、直流き電線Ｔのみで回生電力を伝搬する構成に比較して、変電所２０１＿１が電気車１０１の発生する回生電力の伝搬に与える制限を、第１の実施形態に比較してより低減させている。
【符号の説明】
【００６８】
１１，１１＿１，１１＿２，１１＿３…電力変換装置
１０１，１０２…電気車
２０１＿１，２０１＿２，２−１＿３…変電所
Ｆ…高電圧直流き電線
Ｒ…レール
Ｔ…直流き電線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020040455.tif 000008
【図７】
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