(57)【要約】      （修正有）【課題】き電電圧の閾値を用いることなく、回生電力の発生を簡易な装置構成によって高精度で検出する直流き電方式の電気鉄道システムを提供する。【解決手段】直流き電電鉄システム１において、直流き電方式の電鉄用電力貯蔵装置２は、き電線７のき電電圧を計測するき電電圧検出器１１と、き電電圧に基づき回生電力の発生を判定してＰＷＭ制御器１３へ充電指令を出力する回生判定器１２と、回生判定器１２からの充電指令に基づきチョッパ主回路９を充電動作させて回生電力を蓄電デバイス１４に充電させるＰＷＭ制御器１３とを備える。この回生判定器１２は、き電電圧の平均値に対するリップル成分量に基づきリップル成分の含有比率を算出し、算出された前記含有成分量が閾値未満であれば回生電力の発生と判定する。【選択図】図１
2020040639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に直流電線により電力を供給して走行させ、
前記車両が回生ブレーキにより減速したときに発生する回生電力を、前記車両の走行に利用する電鉄システムの回生制御装置であって、
前記直流電線の電圧に対するリップル成分の含有比率の変化に応じて前記回生電力の発生を判定する回生判定器を備える
ことを特徴とする回生制御装置。
【請求項２】
前記回生判定器は、前記電圧の平均値に対するリップル成分量に基づきリップル成分の含有比率を算出し、
算出された前記含有比率が閾値未満であれば、前記回生電力の発生と判定することを特徴とする請求項１記載の回生制御装置。
【請求項３】
車両に直流電線により電力を供給して走行させ、
前記車両が回生ブレーキにより減速したときに発生する回生電力を、前記車両の走行に利用する電鉄システムの回生制御装置であって、
前記直流電線の電圧の時間的変化を監視し、該電圧の上昇が事前設定の期間を越えて継続すれば前記回生電力の発生を判定する回生判定器を備える
ことを特徴とする回生制御装置。
【請求項４】
前記回生判定器は、前記電圧の値を一定期間記憶するバッファを備え、
前記電圧の上昇期間を前記バッファに記憶した情報に基づき判定することを特徴とする請求項３記載の回生制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流き電方式の電気鉄道システム（以下、直流き電電鉄システムとする。）において、電鉄用電力貯蔵装置／電鉄用インバータ装置に使用される回生電力の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流き電電鉄システムの電鉄用電力貯蔵装置／電鉄用インバータ装置は、き電線の直流電圧（き電電圧）を監視し、き電電圧の閾値を越えた場合に回生電力の発生を検出して充電動作・電力変換動作を開始する。
【０００３】
ところが、き電電力は、き電線内を走行する電車の本数などによって、電車が回生電力を発生していないときでも変動する。そのため、設定された前記閾値が低い場合には電車が回生電力を発生していないにもかからず、回生電力の発生と判定されるおそれがある。その結果、前記電力貯蔵装置の充電動作や前記インバータ装置の電力変換動作が開始され、これにより不要な誤動作により無駄な電力消費が生じてしまう。
【０００４】
そこで特許文献１の電力貯蔵システムは、き電電圧の閾値に時間的要素を付加して朝夕の通勤時間帯などの時間毎に差異的に更新する対策を施している。また、特許文献２の電鉄用電力供給システムは、き電線内の電車の位置・速度を取得することで電車の力行・回生の状態を判定する対策を施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７４１８０
【特許文献２】特開２００９−６７２０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の電力貯蔵システムは、設置場所における電車の運行ダイヤに応じた閾値の設定が必要となる。したがって、運行ダイヤの乱れなどの要因が生じると閾値を適切に更新することができず、前述の誤動作の対策として不十分となってしまう。
【０００７】
また、特許文献２の電鉄用電力供給システムは、き電線内の電車の位置・速度などの状況をリアルタイムで取得するための通信手段が必要となるため、構成が複雑となり、コストの抑制が困難なおそれもある。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、き電電圧の閾値を用いることなく、回生電力の発生を簡易な構成によって高精度で検出することを解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明の一態様は、車両に直流電線により電力を供給して走行させ、
前記車両が回生ブレーキにより減速したときに発生する回生電力を、前記車両の走行に利用する電鉄システムの回生制御装置であって、
前記直流電線の電圧に対するリップル成分の含有比率の変化に応じて前記回生電力の発生を判定する回生判定器を備えることを特徴としている。
【００１０】
（２）本発明の他の態様は、車両に直流電線により電力を供給して走行させ、
前記車両が回生ブレーキにより減速したときに発生する回生電力を、前記車両の走行に利用する電鉄システムの回生制御装置であって、
前記直流電線の電圧の時間的変化を監視し、該電圧の上昇が事前設定の期間を越えて継続すれば前記回生電力の発生を判定する回生判定器を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、直流電線（き電線）の電圧閾値を用いることなく、回生電力の発生を簡易な構成によって高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る回生制御装置を直流き電方式の電鉄用電力貯蔵装置の回生制御に使用した概略図。
【図２】同  電鉄用回生インバータ装置の回生制御に使用した概略図。
【図３】き電電圧波形図。
【図４】図１および図２中のダイオード整流器の構成図。
【図５】実施例１に係る回生判定器の構成図。
【図６】全波整流時のき電電圧波形図。
【図７】系統電圧変動時（回生電力が発生していない場合）のき電電圧波形図。
【図８】回生電力発生開始の場合のき電電圧波形図。
【図９】実施例２の回生判定器の回生判定の状態を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る回生制御装置を説明する。この回生制御装置は、直流き電電鉄システムにおいて、電鉄用電力貯蔵装置／電鉄用回生インバータ装置の回生制御に使用されている。
【００１４】
まず、図１に基づき電鉄用電力貯蔵装置への使用例を説明する。図１中の直流き電電鉄システム１は、電力会社の系統（商用系統）４の交流電力をダイオード整流器５により整流して直流に変換し、き電線７・帰線８を通じて電車６に電力供給する。
【００１５】
また、電車６が回生ブレーキにより減速すると回生電力が発生し、発生した回生電力はき電線７などに戻される。ただし、近傍に負荷となる電車６が存在しない場合には電力回生できなくなるおそれがある（回生失効）。そこで、電鉄用電力貯蔵装置２は、チョッパ主回路９を充電動作させて、発生した回生電力をバッテリや電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）などの蓄電デバイス１４に貯蔵させる。
【００１６】
このとき電鉄用電力貯蔵装置２は、前記回生制御装置１０により蓄電デバイスへの回生電力の貯蔵を制御する。詳細を説明すれば前記回生制御装置１０は、き電線７・帰線８の直流電圧（き電電圧）を計測（検出）するき電電圧検出器１１と、き電電圧検出器１１の計測値に基づき回生電力の発生を判定してＰＷＭ制御器１３へ充電指令を出力する回生判定器１２とを備えている。この回生判定器１２の充電指令に応じてＰＷＭ制御器１３は、チョッパ主回路９を充電動作させて回生電力を蓄電デバイス１４に充電する。
【００１７】
つぎに図２に基づき電鉄用インバータ装置への使用例を説明する。図２中の電鉄用インバータ装置３は、電鉄用電力貯蔵装置２と同じく前記回生制御装置１０を備えている。ここでは回生判定器１２が回線電力の発生を判定すれば、ＰＷＭ制御器１３が回生インバータ２２のＰＷＭ制御を開始し、発生した直流の回生電力が交流に変換されて商用系統４に戻される。以下、実施例１，２に基づき回生判定器１２の回生電力発生の判定手法を説明する。
【００１８】
≪実施例１≫
実施例１の回生判定器１２は、き電電圧検出器１１の検出値と、き電電圧の閾値とを比較するのではなく、き電電圧に対する商用周波数リップル（Ｒｉｐｐｌｅ）成分の含有比率の変化を捉えて、回生電力の発生を判定する。
【００１９】
（１）基本的な考え方
図３は、き電電圧の波形を示している。ここで商用系統４の系統入力により電車６に電力供給している場合、３相交流の入力を図４のダイオード整流器５で全波整流する。
【００２０】
したがって、き電電圧は、図６に示すように、系統入力の商用周波数に応じたリップル成分（６相整流の場合は商用周波数の６倍，１２相整流の場合は商用周波数の１２倍）の重畳した波形を示す。
【００２１】
この実施例１では、き電電圧平均値に対するリップル成分の比（リップル成分含有比率）に着目する。ここで回生ブレーキの未使用時、即ちき電線７内に電車６が存在しない場合や電車が力行している場合などのリップル成分含有比率と、電車６が回生ブレーキを使用したときのリップル成分含有比率とを比較すれば、前者よりも後者が小さくなる。
【００２２】
すなわち、電車６が回生ブレーキを使用すると回生電力が発生し、直流電圧が上昇するが、リップル成分は変動しないため、き電電圧のリップル成分含有比率は低下する。そこで、実施例１の回生判定器１２は、き電電圧のリップル成分含有比率の低下を検出し、回生電力の発生を判定する。
【００２３】
（２）構成・動作
図５に基づき実施例１の回生判定器１２の構成を説明する。この回生判定器１２は、周波数解析部１６，周期移動平均処理部１７，系統成分抽出部１８，比率演算部１９，回生判定部２０を備える。この周波数解析部１６および周期移動平均処理部１７には、き電電圧検出器１１の計測情報（検出情報）、即ちき電電圧の計測値が入力される。
【００２４】
そして、周波数解析部１６は、ＤＦＴ（フーリエ変換）などの手法を用いて、き電電圧の周波数ごとの成分量を算出する。また、系統成分抽出部１８は、周波数解析部１６の算出した周波数毎の成分量のうち、前述したリップル成分の周波数の成分量（リップル成分量）を抽出する。
【００２５】
一方、周期移動平均処理部１７は、き電電圧に対し、き電電圧の一定周期の平均値（き電電圧平均値）を算出する。また、比率演算部１９は、系統成分抽出部１８の抽出値（リップル成分量）と、周期移動平均処理部１７の算出値（き電電圧平均値）とに基づきリップル成分含有比率を算出する。具体的にリップル成分含有比率は、「リップル成分含有比率＝リップル成分量／き電電圧平均値」により算出される。
【００２６】
さらに回生判定部２０は、比率演算部１９の算出したリップル成分含有比率と、事前に定められた回生判定閾値（リップル成分含有比率の閾値）とを比較し、リップル成分含有比率が回生判定閾値未満であれば、リップル成分含有比率の低下を検知し、回生電力の発生と判定する。
【００２７】
その結果、（Ａ）電鉄用回生貯蔵装置２の回生制御の場合にはＰＷＭ制御器１３に充電指令が出力され、蓄電デバイス１４の充電動作が開始される。（Ｂ）電鉄用インバータ装置３の回生制御の場合にはＰＷＭ制御器１３が回生インバータ２２のＰＷＭ制御を開始し、発生した直流の回生電力が交流に変換される。
【００２８】
このように実施例１の回生判定器１２によれば、き電電圧の閾値を用いることなく、回生電力の発生が判定（検出）されるため、電車６の運行本数や運行ダイヤの乱れなどの運転状態に影響されず、き電電圧の監視のみよって回生電力の発生を検出することが可能となる。
【００２９】
また、電車の位置・速度などの状況をリアルタイムで取得するための通信手段などを必要とすることもなく、回生電力の発生を簡易な装置構成によって高精度で検出でき、この点で回線電力の再利用の効率を向上させることができる。
【００３０】
≪実施例２≫
実施例２の回生判定器１２は、電車６が回生電力を発生したときの、き電電圧の時間的変化を捉えて、回生電力の発生を判定する。
【００３１】
図７および図８は、き電電圧の時間的変化を示している。まず、図７に基づき回生電力が発生していない場合のき電電圧の時間的変化を説明する。例えば商用系統４の系統入力から電車６に電力供給している場合などは、き電電圧は６ｆの成分が重畳された波形を示し、図７に示すように、商用系統４の系統電圧が変動するとやや上昇・下降する。
【００３２】
つぎに回生電力の発生時のき電電圧の時間的変化を説明する。すなわち、回生ブレーキの使用時には電車６のモータが発電機として動作し、電車６からき電線７に回生電力が供給される。その結果、き電電圧は、図８に示すように、急激に上昇し、系統電圧を上回ると６ｆ成分が少なくなり、さらに上昇を続ける。そこで、実施例２の回生判定器１２は、き電電圧の上昇・下降の傾向に着目して回生電力の発生を判定する。
【００３３】
図９に基づき回生判定器１２の回生判定方法を説明する。図９は、き電電圧の時間的変化を示し、同図中の各点は回生判定器１２に入力されたき電電圧検出器１１の計測値（き電電圧の電圧値）を示している。この回生判定器１２には、図９中の各点に示すように、き電電圧の計測値が一定の周期で入力されている。
【００３４】
また、回生判定器１２は、入力されたき電電圧の計測値を一定期間記憶するバッファを備え、き電電圧の時間的変化を監視する。このとき前記バッファの記憶情報（き電電圧の計測値）が事前に定められた期間を越えて上昇を続ければ、回生電力の発生を判定する。
【００３５】
例えば１周期（５０Ｈｚの場合は２０ｍｓ）の１／６（５０Ｈｚの場合は３．３ｍｓ）を越えて上昇を続ければ、回生電力の発生が判定される。一方、商用系統４の系統電圧の変動によるき電電圧の変動であれば、１／６周期間に電圧が上昇・下降を繰り返すため、回生電力の発生と判定されることはない。
【００３６】
これにより（Ａ）電鉄用回生貯蔵装置２の回生制御の場合にはＰＷＭ制御器１３の充電指令が出力され、（Ｂ）電鉄用インバータ装置３の回生制御の場合にはＰＷＭ制御器１３が回生インバータ２２のＰＷＭ制御を開始する。
【００３７】
その結果、実施例１と同様にき電電圧の閾値を用いることなく、回生電力の発生が検出でき、回生電力の発生を簡易な装置構成によって高精度で検出することが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載された範囲内で変形して実施することができる。例えば回生判定器１２の回生判定方法には、実施例１のリップル成分含有比率の低下と、実施例２のき電電圧の上昇とをミックスさせた方法を採用してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…直流き電電鉄システム
２…電鉄用電力貯蔵装置
３…電鉄用回生インバータ装置
４…商用電源
４ａ…系統
５…ダイオード整流器
６…電車
７…き電線（直流電線）
８…帰線
９…チョッパ主回路
１０…回生制御装置
１１…き電電圧検出器
１２…回生判定器
１３…ＰＷＭ制御器
１４…蓄電デバイス
２２…インバータ主回路
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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