(57)【要約】 【課題】  高い架線電圧で安定したシステムの運用が可能な電力変換制御装置を提供する。【解決手段】  実施形態による電力変換制御装置は、所定の有効電流上限値により有効電流指令初期値の最大値を制限して有効電流指令値として出力する有効電流指令制限部と、電圧指令値と架線電圧検出値との差に基づき、架線電圧検出値を電圧指令値に追従させるための無効電流指令初期値を算出する交流電圧制御回路と、無効電流指令初期値のうち有効電流指令値に応じた割合の値である調整値を算出する調整値算出部と、有効電流指令値と無効電流上限値との合成値を電力変換装置の入力電流の最大値である入力電流最大値以下となるように無効電流上限値を演算する上限値設定部と、調整値が無効電流上限値以下である場合は、調整値を無効電流指令値として出力し、調整値が無効電流上限値を超えている場合は無効電流上限値を無効電流指令値として出力する無効電流指令制限部と、を備える。【選択図】図２
2020124034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力が供給される架線から前記交流電力が入力されるように構成された電車に搭載され、前記架線から入力された前記交流電力に対する電力変換を行う電力変換装置を制御する電力変換制御装置であって、
前記電力変換装置は、当該電力変換制御装置から入力される有効電流指令値及び無効電流指令値に基づき、前記有効電流指令値に応じた有効電流及び前記無効電流指令値に応じた進相無効電流を消費するように構成され、
当該電力変換制御装置は、
前記電力変換装置から負荷へ供給すべき有効電力に応じて有効電流指令初期値を生成するように構成された有効電流指令値生成部と、
前記有効電流指令初期値を入力とし、所定の有効電流上限値により前記有効電流指令初期値の最大値を制限し、前記有効電流指令値として出力する有効電流指令制限部と、
前記架線から入力される電圧である架線電圧を検出するように構成された架線電圧検出部と、
前記架線電圧の目標値である電圧指令値と前記架線電圧検出部により検出された前記架線電圧である架線電圧検出値との差に基づき、前記架線電圧検出値を前記電圧指令値に追従させるための前記無効電流指令値の初期値である無効電流指令初期値を算出するように構成された交流電圧制御回路と、
前記無効電流指令初期値のうち前記有効電流指令値に応じた割合の値である無効電流指令調整値を算出するように構成された調整値算出部と、
前記有効電流指令値を入力として、前記有効電流指令値と無効電流上限値との合成値を前記電力変換装置の入力電流の最大値である入力電流最大値以下となるように前記無効電流上限値を演算する上限値設定部と、
前記無効電流指令調整値が前記無効電流上限値以下である場合は、前記無効電流指令調整値を前記無効電流指令値として出力し、前記無効電流指令調整値が前記無効電流上限値を超えている場合は前記無効電流上限値を前記無効電流指令値として出力するように構成された無効電流指令制限部と、を備え、
前記所定の有効電流上限値は、前記無効電流上限値をゼロより大きく前記電力変換装置の入力電流最大値未満とする値である、電力変換制御装置。
【請求項２】
交流電力が供給される架線から前記交流電力が入力されるように構成された電車に搭載され、前記架線から入力された前記交流電力に対する電力変換を行う電力変換装置を制御する電力変換制御装置であって、
前記電力変換装置は、当該電力変換制御装置から入力される有効電流指令値及び無効電流指令値に基づき、前記有効電流指令値に応じた有効電流及び前記無効電流指令値に応じた進相無効電流を消費するように構成され、
当該電力変換制御装置は、
前記電力変換装置から負荷へ供給すべき有効電力に応じて前記有効電流指令値を生成するように構成された有効電流指令値生成部と、
前記架線から入力される電圧である架線電圧を検出するように構成された架線電圧検出部と、
前記架線電圧の目標値である電圧指令値と前記架線電圧検出部により検出された前記架線電圧である架線電圧検出値との差に基づき、前記架線電圧検出値を前記電圧指令値に追従させるための前記無効電流指令値の初期値である無効電流指令初期値を算出するように構成された交流電圧制御回路と、
前記無効電流指令初期値のうち前記有効電流指令値に応じた割合の値である無効電流指令調整値を算出するように構成された調整値算出部と、
前記有効電流指令値を入力として、低域周波数を通過させるフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部から出力された前記有効電流指令値を入力として、前記有効電流指令値と無効電流上限値との合成値を前記電力変換装置の入力電流の最大値である入力電流最大値以下となるように前記無効電流上限値を演算する上限値設定部と、
前記無効電流指令調整値が前記無効電流上限値以下である場合は、前記無効電流指令調整値を前記無効電流指令値として出力し、前記無効電流指令調整値が前記無効電流上限値を超えている場合は前記無効電流上限値を前記無効電流指令値として出力するように構成された無効電流指令制限部と、を備える電力変換制御装置。
【請求項３】
前記有効電流指令値と第２無効電流上限値との合成値を前記電力変換装置の短時間入力電流の最大値である短時間入力電流最大値以下となるように、前記第２無効電流上限値を演算する第２上限値設定部と、
前記第２無効電流上限値に応じて、前記無効電流指令値の最大値を制限する第２無効電流指令制限部と、を備えた請求項２記載の電力変換制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
架線からパンタグラフによって交流電力を集電して走行するように構成された電車には、一般に、架線から集電した交流電力を適宜電力変換して走行用のモータへ供給するための電力変換装置が搭載されている。この種の電力変換装置を制御する方法として、装置の軽量化やコンパクト化の観点から、パンタグラフから入力される交流電力の力率が１となるように、すなわち電車内における有効電力のみ集電するように制御する方法が一般的となっている。
【０００３】
しかし、上記のように力率が１となるように電力変換装置を制御すると、電車走行による有効電力の消費に伴い、架線に交流電力を供給するき電回路の電源側のインピーダンスやき電回路のインピーダンスなどの影響によって架線電圧が変動する。例えば、現行の新幹線電車のように、架線から入力される交流電圧の値にかかわらず所定の有効電力を消費するよう設計されている電車においては、架線電圧の降下に伴って電車に消費される電流が増加するため、その影響によって架線電圧がより低下し、場合によっては所定の推進力を得られなくなる可能性があった。
【０００４】
これに対して、従来、電車内において力行時には力率１とはせずに進相無効電力が発生するように電力変換装置を制御する技術が提案されている。
【０００５】
しかしながら、上記技術では、架線電圧の維持に必要な進相無効電力を、電車が消費する有効電力に単純に加算して電車用電力変換装置に消費させる技術である。電力変換装置には最大電流値があることから、進相無効電流を流すことにより、有効電力が制限されてしまい、結果として、所望な電車の推進力が得られなくなる可能性がある。また、同一のき電回路内に複数の電車が在線している場合、それぞれの電車の進相無効電力消費が競合し、架線電圧の不安定現象を招くおそれがある。
【０００６】
また、電車へ電力を供給する交流き電系統側において、その交流系統の電圧変動を抑制する電力変換装置が提案されている。即ち、電力変換装置の有効電力と無効電力とを、系統電圧に基づいて自律的に決定し、決定した有効電力と無効電力とを同時に消費させることにより、交流き電系統の電圧変動を抑制する技術が提案されている。
【０００７】
上記技術では、有効電流指令値が進相無効電流指令値によって決定される。つまり、有効電流の供給量が進相無効電流量に依存して決定される構成である。このため、電車の推進力の確保に必要な有効電流が自由に決められない。つまり、架線電圧の維持と引き換えに、電車自身の有効電流が自由に決められなくなり、電車として本来発揮すべき性能に影響が生じる可能性がある。そのため、この技術を電車用の電力変換装置に適用することは困難である。
【０００８】
上記技術のほか、電車に必要な有効電力を確保しつつ、架線電圧を適切レベルに安定的に維持させるようにする技術が提案されている。すなわち、有効電流指令値は負荷であるモータの推進力に応じて生成されるのに対して、無効電流指令値は、有効電流指令値に依存して、かつその大小に応じて決定されることが示されている。更に、無効電流指令値には上限が設定されており、有効電流指令値と無効電流指令値との（ベクトル的）合成値は、電力変換装置の電流最大値を超えないように上限が制限されることが示されている。  すなわち、上記の技術によれば、電力変換装置の電流最大を超えず、電車の推進に必要な有効電流指令値を優先して決定することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１７−１８８９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、例えば有効電流指令値が増加した場合、電車推進力の維持を優先し、有効電流指令値と無効電流指令値の合成値が電力変換装置の電流最大値を超えないように制限するため、無効電流指令値が減少する。ここに、電流最大値とは、（有効電流と無効電流が直交するため）有効電流指令値と無効電流指令値との合成ベクトルの長さである。架線電圧の変動や推進力指令の状況で定常的ないし過渡的に有効電流指令値が電流最大値近傍まで増加すると、無効電流指令値は、電流最大値と有効電流指令値とのベクトル的な余力と算出されるために、有効電流指令値の増加に応じて急峻に制限を受けて、零近傍まで減少する場合がある。この無効電流指令値の時間的に急峻な変化により、架線電圧の変動を引き起こし、架線電圧の不安定現象や架線電圧の過電圧・低電圧を招く恐れがある。この結果、電車ないし変電設備の誤動作や保護動作による動作停止を招き、安定した運行を阻害することが想定される。
【００１１】
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みてなされたものであって、高い架線電圧で安定したシステムの運用が可能な電力変換制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態による電力変換制御装置は、交流電力が供給される架線から前記交流電力が入力されるように構成された電車に搭載され、前記架線から入力された前記交流電力に対する電力変換を行う電力変換装置を制御する電力変換制御装置であって、前記電力変換装置は、当該電力変換制御装置から入力される有効電流指令値及び無効電流指令値に基づき、前記有効電流指令値に応じた有効電流及び前記無効電流指令値に応じた進相無効電流を消費するように構成され、当該電力変換制御装置は、前記電力変換装置から負荷へ供給すべき有効電力に応じて前記有効電流指令初期値を生成するように構成された有効電流指令値生成部と、前記有効電流指令初期値を入力とし、所定の有効電流上限値により前記有効電流指令初期値の最大値を制限し、有効電流指令値として出力する有効電流指令制限部と、前記架線から入力される電圧である架線電圧を検出するように構成された架線電圧検出部と、前記架線電圧の目標値である電圧指令値と前記架線電圧検出部により検出された前記架線電圧である架線電圧検出値との差に基づき、前記架線電圧検出値を前記電圧指令値に追従させるための前記無効電流指令値の初期値である無効電流指令初期値を算出するように構成された交流電圧制御回路と、前記無効電流指令初期値のうち前記有効電流指令値生成部により生成された前記有効電流指令値に応じた割合の値である無効電流指令調整値を算出するように構成された調整値算出部と、前記有効電流指令値を入力として、前記有効電流指令値と無効電流上限値との合成値を前記電力変換装置の入力電流の最大値である入力電流最大値以下となるように前記無効電流上限値を演算する上限値設定部と、前記無効電流指令調整値が前記無効電流上限値以下である場合は、前記無効電流指令調整値を前記無効電流指令値として出力し、前記無効電流指令調整値が前記無効電流上限値を超えている場合は前記無効電流上限値を前記無効電流指令値として出力するように構成された無効電流指令制限部と、を備え、前記所定の有効電流上限値は、前記無効電流上限値をゼロより大きく前記電力変換装置の入力電流最大値未満とする値である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、一実施形態の電力変換制御装置を含む電車用主回路システムの一構成例を概略的に示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態の電力変換制御装置の一構成例を説明するためのブロック図である。
【図３】図３は、一実施形態の電力変換制御装置の効果を説明するための図である。
【図４】図４は、き電側回路および電車を模擬したシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図５】図５は、き電側回路および電車を模擬したシミュレーション結果の一例を
【図６】図６は、第２実施形態の電力変換制御装置の一構成例を説明するためのブロック図である。
【図７】図７は、第３実施形態の電力変換制御装置の一構成例を説明するためのブロック図である。示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態の電力変換制御装置について図面を参照して詳細に説明する。
実施形態による電力変換制御装置は、交流電力が供給される架線から交流電力が入力されるように構成された電車に搭載され、架線から入力された交流電力に対する電力変換を行う電力変換装置を制御する電力変換制御装置である。電力変換装置は、当該電力変換制御装置から入力される有効電流指令値及び無効電流指令値に基づき、有効電流指令値に応じた有効電流及び無効電流指令値に応じた進相無効電流を消費するように構成される。
【００１５】
図１は、一実施形態の電力変換制御装置を含む電車用主回路システムの一構成例を概略的に示す図である。
図１に示す電車用主回路システム１０は、架線１００から交流電力を集電するように構成された電車に搭載される。架線１００は、不図示のき電回路に接続され、そのき電回路から交流電力が供給されている。  
【００１６】
電車用主回路システム１０は、パンタグラフ１１と、主変圧器１２と、コンバータ１３と、インバータ１４と、モータ１５と、電力変換制御装置２１と、ＰＷＭ回路２２と、架線電圧検出部２６と、を備える。  
なお、電車用主回路システム１０が搭載される電車は、１つの車両を有する電車であってもよいし、複数の車両が連結された編成であってもよい。複数の車両が連結された編成として構成されている場合、図１に示す電車用主回路システム１０を構成する各構成要素は、必ずしも全て同じ１つの車両に搭載されている必要はない。例えば、パンタグラフ１１が搭載されている車両とは別の車両に電力変換制御装置２１が搭載されていてもよい。
【００１７】
パンタグラフ１１は、架線１００から交流電力を集電するための周知の集電装置である。架線１００から集電される電圧は、本実施形態では例えば交流２５ｋＶである。
主変圧器１２は、パンタグラフ１１にて集電した交流電力を降圧してコンバータ１３へ供給する。  
【００１８】
主変圧器１２は、一次巻線１２ａと、二次巻線１２ｂと、三次巻線１２ｃとを備える。一次巻線１２ａにはパンタグラフ１１から交流電力が入力される。二次巻線１２ｂは、パンタグラフ１１からの交流電圧を降圧してコンバータ１３へ出力する。三次巻線１２ｃは、パンタグラフ１１からの交流電力を降圧して不図示の補助回路システムへ供給する。主変圧器１２の二次巻線１２ｂから出力される交流電力（以下、二次出力電力ともいう）の電圧値は、例えば交流１０００Ｖであり、主変圧器１２の三次巻線１２ｃから出力される交流電力（以下、三次出力電力ともいう）の電圧値は、例えば交流４００Ｖである。もちろん、これら各電圧値はあくまでも一例である。  
【００１９】
コンバータ１３は、図示しない複数のスイッチング素子を備え、主変圧器１２から出力される二次出力電力を直流電力に変換して出力する。本実施形態のコンバータ１３は、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータである。本実施形態のコンバータ１３は、例えば、主変圧器１２の二次出力電力の交流１０００Ｖを、直流３０００Ｖに変換して出力する。これら各電圧値も、あくまでも一例である。
【００２０】
インバータ１４は、図示しない複数のスイッチング素子を備え、コンバータ１３から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、モータ１５へ出力する。本実施形態のインバータ１４は、いわゆるＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータである。
【００２１】
モータ１５は、本実施形態では三相誘導電動機である。モータ１５は、三相交流電力が供給されることにより回転駆動する。モータ１５が回転駆動されると、その回転駆動力が不図示の車輪に伝達され、これにより電車が走行する。
【００２２】
架線電圧検出部２６は、パンタグラフ１１によって架線１００から入力される電圧（架線電圧）の値を検出するために設けられている。架線電圧検出部２６は、主変圧器１２の三次巻線１２ｃから出力される三次出力電力の電圧値に応じた値、即ち架線電圧の大きさを示す架線電圧検出値Ｖｔｒを、電力変換制御装置２１へ出力する。  
なお、本実施形態の電力変換制御装置２１は、後述する各種演算に用いる各値をｐｕ単位系の値として扱っている。そのため、架線電圧検出部２６は、架線電圧検出値Ｖｔｒとして、架線電圧の定格値に対応した架線電圧検出値Ｖｔｒを基準とした規格化された値、即ちｐｕ単位系の値を出力するように構成されている。なお、架線電圧検出部２６から出力される架線電圧検出値Ｖｔｒ自体はｐｕ単位系の値ではなく、電力変換制御装置２１内でｐｕ単位系の値に変換する構成であってもよい。  
【００２３】
コンバータ１３とインバータ１４との間には、コンバータ１３からの出力電圧を検出するコンバータ電圧検出部１６が設けられている。コンバータ電圧検出部１６は、コンバータ１３からの出力電圧の値を示すコンバータ出力電圧検出値Ｖｃｏｎを電力変換制御装置２１へ出力する。なお、コンバータ電圧検出部１６は、コンバータ出力電圧検出値Ｖｃｏｎとして、コンバータの出力電圧の定格値に対する規格化された値、即ちｐｕ単位系の値を出力するように構成されている。或いは、コンバータ電圧検出部１６から出力されるコンバータ出力電圧検出値Ｖｃｏｎ自体はｐｕ単位系の値ではなく、電力変換制御装置２１内でｐｕ単位系の値に変換する構成であってもよい。
【００２４】
電力変換制御装置２１は、架線電圧検出部２６により検出された架線電圧検出値Ｖｔｒ、及びコンバータ電圧検出部１６により検出されたコンバータ出力電圧検出値Ｖｃｏｎを用いて、コンバータ１３に入力させるべき（即ちコンバータ１３で消費させるべき）有効電流を示す有効電流指令値Ｐｒｅｆ、及びコンバータ１３に消費させるべき進相無効電流を示す無効電流指令値Ｑｒｅｆを算出して、ＰＷＭ回路２２へ出力する。
【００２５】
ＰＷＭ回路２２は、電力変換制御装置２１から入力される有効電流指令値Ｐｒｅｆ及び無効電流指令値Ｑｒｅｆに基づき、その有効電流指令値Ｐｒｅｆに応じた有効電流及び無効電流指令値Ｑｒｅｆに応じた進相無効電流がコンバータ１３に入力されるように（即ちそれら有効電流及び進相無効電流がコンバータ１３で消費されるように）、コンバータ１３を制御する。
【００２６】
具体的には、コンバータ１３が有する複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングを個別に制御することにより、コンバータ１３に、上記有効電流及び進相無効電流を消費させる。なお、有効電流指令値Ｐｒｅｆは、コンバータ１３に入力される有効電流を決定付けるパラメータ、無効電流指令値Ｑｒｅｆは、コンバータ１３に入力される進相無効電流を決定付けるパラメータである。
【００２７】
（２）電力変換制御装置の構成  
次に、本実施形態の電力変換制御装置２１の構成について、図面を用いて説明する。
図２は、一実施形態の電力変換制御装置の一構成例を説明するためのブロック図である。電力変換制御装置２１は、有効電流指令値生成部３１と、電圧指令値設定部３２と、加算器３３と、交流電圧制御回路３４と、出力力率係数設定部３５と、乗算器（調整値算出部）３６と、上限値設定部３７と、リミッタ回路（無効電流指令制限部）３８と、リミッタ回路（有効電流指令制限部）５０と、を備える。
【００２８】
なお、図２に示す電力変換制御装置２１によって実現される機能は、例えばコンピュータが所定の制御プログラムを実行することによって実現される構成であってもよいし、機能の一部又は全部が、論理回路やアナログ回路等を組み合わせたハードウェアを用いて実現される構成であってもよい。  
【００２９】
有効電流指令値生成部３１は、電車が必要とする有効電力、即ちコンバータ１３から負荷へ供給すべき有効電力に応じた、有効電流指令初期値Ｐｒ１［ｐｕ］を生成する。ここで扱う有効電流指令初期値Ｐｒ１［ｐｕ］は、コンバータ１３において定められている入力電流の定格値である定格入力電流値を基準とした、規格化された値である。  
【００３０】
なお、コンバータ１３の負荷とは、コンバータ１３から出力される電力が消費される負荷全体を意味する。よって、コンバータ１３の負荷には、少なくとも、インバータ１４及びモータ１５が含まれる。  
【００３１】
なお、以下の説明では、有効電流指令初期値Ｐｒ１［ｐｕ］について、単位記号［ｐｕ］の表記を省略する。また、後述する、有効電流指令値Ｐｒｅｆ、電圧指令値Ｖｒｅｆ、電圧差分ΔＶ、無効電流指令初期値Ｑｒ１、無効電流指令調整値Ｑｒ２、上限値Ｑｕｐ、無効電流指令値Ｑｒｅｆも、いずれもｐｕ単位系で扱われるが、これらについても単位記号［ｐｕ］の表記を省略する。  
【００３２】
有効電流指令値生成部３１は、必要とする有効電力を負荷へ供給できるよう、その有効電力供給のために必要な有効電流をコンバータ１３に入力させるための有効電流指令初期値Ｐｒ１を生成する。  
【００３３】
電車が必要とする有効電力は、負荷の動作状態によって変動する。負荷の動作状態は、コンバータ１３からの出力電圧の値によって間接的に知ることができる。負荷へ供給すべき有効電力が増加すると、コンバータ１３の出力電圧が低下する。逆に、供給すべき有効電力が低下すると、コンバータ１３の出力電圧が増加する。そのため、本実施形態では、有効電流指令値生成部３１は、コンバータ電圧検出部１６から入力されるコンバータ出力電圧検出値Ｖｃｏｎに基づき、コンバータ１３の出力電圧を一定の定格値に維持させるための所定の電圧一定制御を行うことにより、有効電流指令初期値Ｐｒ１を生成する。具体的に、有効電流指令値生成部３１は、コンバータ出力電圧検出値Ｖｃｏｎが小さくなるほど有効電流指令初期値Ｐｒ１が大きくなるように、有効電流指令初期値Ｐｒ１を生成する。  
【００３４】
リミッタ回路５０は、有効電流指令値生成部３１から入力された有効電流指令初期値Ｐｒ１の最大値に制限をかけて、最終的な有効電流指令値Ｐｒｅｆとして出力する。すなわち、リミッタ回路５０は、入力された有効電流指令初期値Ｐｒ１が上限値Ｐｕｐ以下である場合は、有効電流指令初期値Ｐｒ１を有効電流指令値Ｐｒｅｆとして出力し、有効電流指令初期値Ｐｒ１が上限値Ｐｕｐを超えている場合は上限値Ｐｕｐを有効電流指令値Ｐｒｅｆとして出力するように構成されている。
【００３５】
リミッタ回路５０において最大値として用いられる上限値Ｐｕｐは、電力変換制御装置２１の外部から入力される値であってもよく、電力変換制御装置２１内にて設定可能な値であってもよい。ここで、コンバータ１３の電流定格値を１ｐｕとしたとき、上限値Ｐｕｐは１未満の有意な値に設定される。なお、本実施形態では、上限値Ｐｕｐの値は、例えば０．９５以下とする。
この有効電流上限値Ｐｕｐの設定により、後述する無効電流上限値をゼロより大きく、かつ、コンバータ１３の入力電流最大値未満となる。
【００３６】
電圧指令値設定部３２は、架線電圧検出値Ｖｔｒに対する目標値としての電圧指令値Ｖｒｅｆ［ｐｕ］が設定される。電圧指令値Ｖｒｅｆとして具体的にどのような値を設定するかについては適宜決めてもよい。例えば、架線１００からの架線電圧が２８ｋＶに維持されるよう、架線電圧が２８ｋＶのときの架線電圧検出値Ｖｔｒを電圧指令値Ｖｒｅｆとして設定してもよい。  
【００３７】
加算器３３は、電圧指令値設定部３２で設定された電圧指令値Ｖｒｅｆと架線電圧検出値Ｖｔｒとの差である電圧差分ΔＶを算出する。  
交流電圧制御回路３４は、例えば、比例積分回路あるいは一次遅れ回路等などで構成されており、電圧差分ΔＶがゼロとなるよう、すなわち架線電圧検出値Ｖｔｒが電圧指令値Ｖｒｅｆに追従するように、無効電流指令値を算出する。なお、不図示だが無効電流指令値は０［ｐｕ］から１［ｐｕ］の間に制限されている。ここで算出される無効電流指令値は、最終的にＰＷＭ回路２２に出力されるものではなく、あくまでも、電圧差分ΔＶをゼロにすることを考慮して算出された値である。そのため、最終的に算出される無効電流指令値Ｑｒｅｆと区別して、無効電流指令初期値Ｑｒ１という。  
【００３８】
乗算器３６は、リミッタ回路５０から出力された有効電流指令値Ｐｒｅｆと、交流電圧制御回路３４で算出された無効電流指令初期値Ｑｒ１と、出力力率係数設定部３５で設定されている出力力率係数ρとを乗算する。この乗算により、無効電流指令初期値Ｑｒ１が有効電流指令値Ｐｒｅｆ及び出力力率係数ρによって調整された無効電流指令調整値Ｑｒ２が算出される。  
【００３９】
乗算器３６による乗算のうち、無効電流指令初期値Ｑｒ１と有効電流指令値Ｐｒｅｆとの乗算は、交流電圧制御回路３４で算出された無効電流指令初期値Ｑｒ１を、有効電流指令値Ｐｒｅｆに応じた割合の値に調整するための乗算である。例えば有効電流指令値Ｐｒｅｆが０．８［ｐｕ］であれば、無効電流指令初期値Ｑｒ１は、有効電流指令値Ｐｒｅｆとの乗算によって８０％の値に調整されることになる。  
【００４０】
一方、乗算器３６による乗算のうち、無効電流指令初期値Ｑｒ１と出力力率係数ρとの乗算は、交流電圧制御回路３４で算出された無効電流指令初期値Ｑｒ１を、出力力率設定値ｃｏｓφに応じて調整するための乗算である。つまり、出力力率設定値ｃｏｓφ以上の力率の電力がコンバータ１３に入力されてコンバータ１３で消費されるように無効電流指令初期値Ｑｒ１を調整するための乗算である。なお、φは力率角であり、コンバータ１３で消費させるべき有効電力に応じて予め設定されており、また適宜設定変更することも可能である。  
【００４１】
出力力率係数ρは、力率角φを用いて、ρ＝ｔａｎφ、即ち力率角φの正接で表される。つまり、力率角φが小さくなって出力力率設定値ｃｏｓφが１に近付くほど、出力力率係数ρは小さくなり、逆に、力率角φが大きくなって出力力率設定値ｃｏｓφが０に近付くほど、出力力率係数ρは大きくなる。そのため、乗算器３６において無効電流指令初期値Ｑｒ１と出力力率係数ρとが乗算されることにより、出力力率設定値ｃｏｓφが１に近いほど、無効電流指令初期値Ｑｒ１はより小さい値に調整されることになる。逆に、出力力率設定値ｃｏｓφが０に近いほど、無効電流指令初期値Ｑｒ１はより大きな値に調整されることになる。  
【００４２】
なお、出力力率係数ρとしてｔａｎφを用いているのはあくまでも一例であり、出力力率設定値ｃｏｓφに応じて無効電流指令初期値Ｑｒ１を適切に調整可能な他の値を出力力率係数ρとして用いてもよい。つまり、出力力率係数ρは、出力力率設定値ｃｏｓφに応じ、０〜１の間で適宜設定するようにしてもよい。  
【００４３】
乗算器３６による乗算によって無効電流指令初期値Ｑｒ１を有効電流指令値Ｐｒｅｆで調整する主目的は、コンバータ１３で消費される進相無効電流の量を、自車が必要としている有効電力の大きさに見合った適切な量に調整することにある。この調整により、必要な有効電力が大きければその分進相無効電流も大きい値に調整され、必要な有効電力が小さければその分進相無効電流も小さい値に調整される。これにより、例えば同じき電区間に自車を含む複数の電車が在線していて各車が本実施形態の電力変換制御装置２１を備えている場合、電車毎に進相無効電流が適切に調整され、その結果、複数の電車間の進相無効電流消費の競合を抑制して架線電圧を安定化させることができる。  
【００４４】
一方、乗算器３６による乗算によって無効電流指令初期値Ｑｒ１を出力力率係数ρで調整する主目的は、有効電流の値にかかわらず出力力率設定値ｃｏｓφ以上の力率を確保できるようにすることにある。
【００４５】
リミッタ回路３８は、乗算器３６で算出された無効電流指令調整値Ｑｒ２を、その最大値に制限をかけて、最終的な無効電流指令値Ｑｒｅｆとして出力する。具体的に、無効電流指令調整値Ｑｒ２が上限値Ｑｕｐ以下である場合は、無効電流指令調整値Ｑｒ２をそのまま無効電流指令値Ｑｒｅｆとして出力する。一方、無効電流指令調整値Ｑｒ２が上限値Ｑｕｐを超えている場合は、上限値Ｑｕｐを無効電流指令値Ｑｒｅｆとして出力する。なお、リミッタ回路３８にて用いられる上限値Ｑｕｐは、上限値設定部３７により設定される。
【００４６】
上限値設定部３７は、有効電流指令値Ｐｒｅｆに基づき、有効電流指令値Ｐｒｅｆが大きいほど小さい値となるように上限値Ｑｕｐを設定する。より具体的に、上限値設定部３７は、下記式（１）により上限値Ｑｕｐを算出し設定する。  
Ｑｕｐ＝√（１−Ｐｒｅｆ２）    ・・・（１）  
つまり、リミッタ回路５０から出力された有効電流指令値Ｐｒｅｆをそのままコンバータ１３で消費させることを優先させ、有効電力の消費量は犠牲にしないようにする。一方、コンバータ１３に入力される電流全体は定格入力電流値以下に収まるようにする。つまり、有効電流指令値Ｐｒｅｆと無効電流指令値Ｑｒｅｆとの合成値（即ちベクトル合成値）が定格入力電流値以下に収まるように、無効電流指令値Ｑｒｅｆに対する上限値Ｑｕｐが設定される。そのため、進相無効電流については、コンバータ１３の定格入力電流のうち有効電流指令値Ｐｒｅｆを除く余力範囲内に制限される。  
【００４７】
上限値Ｑｕｐに基づいてリミッタ回路３８が動作することで、コンバータ１３に入力される電流全体を定格入力電流値以下に抑えることができる。そして、その定格入力電流値以下の範囲内で、有効電流については優先して消費され、余力部分に進相無効電流が充てられる。  
【００４８】
（３）作用・効果
電力変換制御装置２１では、ＰＷＭ回路２２へ出力する有効電流指令値Ｐｒｅｆ及び無効電流指令値Ｑｒｅｆのうち、無効電流指令値Ｑｒｅｆについて、交流電圧制御回路３４で算出された無効電流指令初期値Ｑｒ１が適宜調整或いは制限を経て出力される。具体的に、交流電圧制御回路３４で算出された無効電流指令初期値Ｑｒ１が、乗算器３６によって、有効電流指令値Ｐｒｅｆに見合った値に調整され、且つ力率角φに見合った値に調整される。具体的に、有効電流指令値Ｐｒｅｆが小さいほど無効電流指令初期値Ｑｒ１も小さい値に調整される。また、力率角φが小さいほど（つまり出力力率設定値ｃｏｓφが１に近いほど）無効電流指令初期値Ｑｒ１は小さい値に調整される。  
【００４９】
無効電流指令初期値Ｑｒ１が有効電流指令値Ｐｒｅｆに見合った値に調整されることにより、同一のき電回路内に在線している他の電車と進相無効電流消費の競合を抑えつつ、架線１００から入力される架線電圧をその標準値（定格値）以上の値に安定的に維持させることができる。そのため、電車走行に伴う架線電圧の降下を抑えることができ、その結果、き電距離の延伸が可能となり、き電用変電所における無効電力補償装置あるいは固定力率出力電力変換装置等の設置を省略することも可能となって、電車を走行させるための設備のトータルコストを低減することができる。  
【００５０】
また、無効電流指令初期値Ｑｒ１が出力力率設定値ｃｏｓφに見合った値に調整されることにより、有効電流指令値Ｐｒｅｆの大きさにかかわらず、コンバータ１３で消費される電力において有効電力が主体となるように制御することが可能となる。  
【００５１】
また、乗算器３６において有効電流指令値Ｐｒｅｆ及び出力力率設定値ｃｏｓφによって調整された無効電流指令調整値Ｑｒ２が、さらにリミッタ回路３８を経て無効電流指令値Ｑｒｅｆとして出力されることで、最終的に出力される無効電流指令値Ｑｒｅｆが、最大でも上限値Ｑｕｐに制限される。しかもその上限値Ｑｕｐは、前述の式（１）により算出される。そのため、コンバータ１３の定格入力電流値の範囲内で、有効電力の消費を優先した制御が実現される。これにより、コンバータ１３の定格容量を、従来の有効電力の消費のみを行う（即ち力率１に制御される）コンバータと同等に維持しつつ、架線電圧を適切なレベルに安定的に維持させること、及び電車に必要な有効電力を確保すること、の双方が可能となる。  
【００５２】
ここで、例えば、有効電力の消費を優先する制御とすることで、コンバータ１３の定格容量を大きくせずに所定の推進力を得られること、がある。また、例えば同一のき電回路に複数の電車が在線しているときであっても、進相無効電力の消費量の分担をそれぞれの電車が自律的に決定し、安定した架線電圧の制御が実現される。
【００５３】
しかしながら、定性的には、有効電流最大値を制限することなく無効電流を流す余力をとるためには、コンバータ１３の定格容量を大きくして、あらかじめ進相無効電力消費分の容量を確保しておく必要がある。その結果、コンバータ１３の体格が増大し、重量が重くなり、またその搭載スペースの確保が困難になる可能性がある。仮に、コンバータ１３を搭載するスペースを確保できたとしても、コンバータ１３の重量が重くなることに伴って電車の消費電力の増加を招くこととなる。
【００５４】
そこで、本実施形態の電力変換制御装置２１では、ＰＷＭ回路２２へ出力する有効電流指令値Ｐｒｅｆ及び無効電流指令値Ｑｒｅｆのうち、有効電流指令値Ｐｒｅｆについて、リミッタ回路５０にて最大値を制限した値としている。すなわち、本実施形態では、有効電流指令値Ｐｒｅｆは、コンバータ１３の定格電流に対して、有効電流を小さくする値となる。
【００５５】
図３は、一実施形態の電力変換制御装置の効果を説明するための図である。
この例では、皮相電流最大値（コンバータ１３の電流定格）を１［ｐｕ］とする。また、有効電流をパラメータとして、皮相電流がその最大値となるように無効電流リミット値を算出している。このとき、有効電流と無効電流リミット値とのベクトル合成から成る皮相電流は、１［ｐｕ］を維持している。また、図３では、例えば進み力率０．９５で運用したときに、有効電流に応じて流すべき無効電流が示されている。
【００５６】
図３に示す例では、有効電流を１［ｐｕ］まで流す場合、有効電流が１［ｐｕ］に近づくほど、急峻に無効電流リミット値が減少している。例えば、有効電流が０．９５［ｐｕ］未満のとき、無効電流に対するリミット値の制限の影響はない。有効電流が０．９５［ｐｕ］になった時点で、無効電流は無効電流リミット値と合致している。なお、有効電流が０．９５［ｐｕ］のときの無効電流値は０．３１［ｐｕ］である。有効電流が０．９５［ｐｕ］を超えて１．００［ｐｕ］まで増加するに従い、無効電流は、０．３１［ｐｕ］から０．００［ｐｕ］へと急峻に制限されている。さらに有効電流の変化に対する無効電流の急峻な変化は、有効電力が１［ｐｕ］に近くなると顕著に生じる傾向がある。
【００５７】
上記のように無効電流が急峻に制限されると、架線電圧に大きく影響を及ぼしていた無効電流が急減するため架線電圧が急峻に変動し、更にその変動が車両の制御に影響を及ぼすこととなる。この結果、架線電圧の不安定化やそれによる過電圧・低電圧による地上・車上機器の動作を阻害する可能性ある。
【００５８】
本実施形態の電力変換制御装置２１では、皮相電流の最大値に対して、リミッタ回路５０により有効電流の最大値を制限している。たとえば、皮相電流の最大値を１［ｐｕ］として、有効電流の最大値を０．９５［ｐｕ］に制限するように設定する。このことにより、例えば制限された有効電流の０．０５［ｐｕ］分だけコンバータ１３の容量を大きくする（大電流化する）ことにより、０．３１［ｐｕ］分の無効電流を流すことが可能となる。流し得る０．３１［ｐｕ］分の無効電流は、皮相電流の増大分０．０５ｐｕに比べはるかに大きい値であり、この無効電流を流し得ることにより架線電圧の不安定化や過電圧・低電圧の懸念を解消し、安定した運用を可能とすることができる。
【００５９】
図４および図５は、き電側回路および電車を模擬したシミュレーション結果の一例を示す図である。図４および図５のいずれもあるき電区間内に６つの電車がそれぞれ別なキロ程に在線する状態で、６つの電車が同時に９秒の時点より電車が惰行から最大力行へと移行する条件にて、架線電圧の実効値のシミュレーションを行った結果の一例である。
図４には、比較対象として、図２に示すリミッタ回路５０を備えない電力変換制御装置を搭載した電車用主回路システムおよびき電側回路についての解析結果の例を示す。すなわち、この例では、コンバータ定格電流近くまで有効電流が増加することにより、無効電流が急峻に制限された結果、架線電圧が大きく変動している。
【００６０】
図５には、図２に示すリミッタ回路５０を備えた電力変換制御装置を搭載した電車用主回路システム１０およびき電側回路についての解析結果の例を示す。なお、この例では、図２のリミッタ回路５０の有効電流指令値上限値Ｐｕｐ＝０．９３［ｐｕ］としている。図５に示すシミュレーション結果によれば、本実施形態の電力変換装置によれば、有効電流が増加しても、無効電流を流し得る余地を残しているため、架線電圧が安定化しているのがわかる。
【００６１】
上記のように、本実施形態の電力変換制御装置２１は、有効電流の最大値を皮相電流最大値より有意に小さく設定する手段を有したことで、無効電流を流し得る余力を作り、架線電圧の不安定化を回避するものである。
【００６２】
つまり、本実施形態によれば、コンバータの容量を増大させることなく、架線電圧の低下を解消し、更に、架線電圧の不安定化を回避することにより、結果的に、高い架線電圧で安定したシステムの運用が可能な電力変換制御装置を提供することができる。
【００６３】
これは即ち、有効電流の最大値を下げることにより無効電流を流す余地を確保し、結果的に、高い架線電圧で安定した運用が可能となることで、必要とされる有効電流が下がり、従来システムと同等の皮相電流最大値での運用を実現し得ることとなる。換言すると、架線電圧が上がり有効電流が低減することによる皮相電流低減の効果が得られ、無効電流を流す余地を確保しても、総合的には皮相電流（コンバータ容量）を同等ないし低減させることが可能となる。
【００６４】
次に、第２実施形態の電力変換制御装置について図面を参照して詳細に説明する。
なお。以下の説明において、上述の第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
図６は、第２実施形態の電力変換制御装置の一構成例を説明するためのブロック図である。
本実施形態の電力変換制御装置２１は、上述の第１実施形態の電力変換制御装置２１のリミッタ回路５０を除き、ローパスフィルタ（フィルタ処理部）５１を備えた構成である。すなわち、本実施形態では、有効電流指令値生成部３１から出力される値は有効電流指令値ＰｒｅｆとしてＰＷＭ回路２２へ入力される。
【００６６】
ローパスフィルタ５１は、無効電流のリミット値を設定する上限値設定部３７の前段に配置されている。すなわち、ローパスフィルタ５１には有効電流指令値生成部３１から出力された有効電流指令値Ｐｒｅｆが入力され、ローパスフィルタ５１にて所定の周波数以下の帯域を通すようにフィルタ処理された後に、上限値設定部３７へ入力される。
【００６７】
本実施形態の電力変換制御装置２１は上記の点以外は上述の第１実施形態と同様である。
すなわち、本実施形態では、上限値設定部３７にて無効電流の上限値を設定する際に用いる有効電流値は、ローパスフィルタ５１を介した値となる。このため、例えば有効電流が急峻に増加し、１［ｐｕ］に近づいたときに、ローパスフィルタ５１の作用により、無効電流のリミット値は急峻に減少することがなくなる。したがって、本実施形態の電力変換制御装置２１によれば、無効電流が急峻に変化することを抑制することができ、架線電圧の不安定化を回避することができる。
【００６８】
なお、本実施形態では電力変換制御装置２１では、無効電流が急峻に変化することを抑制しているため、瞬時的にはコンバータ１３に皮相電流最大値を超える電流を流す場合がある。しかしながら、この超過は、ローパスフィルタ５１の時定数で減少するものであり、定常的には皮相電流最大値を超えるものではない。一般に、コンバータ容量が増大することによりコンバータの装置が大型化・重量化するのは、冷却能力を増加する必要があるからである。電力変換制御装置２１がローパスフィルタ５１を備える目的は、架線電圧の安定化のためであり、その応答時定数は１秒程度以内、と考えてよい。この短時間の時間領域においてコンバータ１３の皮相電流最大値を超えたとしても、コンバータ１３の冷却能力の増加は考慮する必要はなく、コンバータ１３の装置が大型化・重量化することは回避することができる。
【００６９】
また、図６に示す例では、無効電流の上限値設定部３７への入力にローパスフィルタ５１を配置したが、これに限定されるものではなく、無効電流指令を演算する何処かの経路にローパスフィルタ５１を配置しても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
すなわち、本実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様に、高い架線電圧で安定したシステムの運用が可能な電力変換制御装置を提供することができる。
【００７１】
次に、第３実施形態の電力変換制御装置について図面を参照して詳細に説明する。
なお。以下の説明において、上述の第１実施形態および第２実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図７は、第３実施形態の電力変換制御装置の一構成例を説明するためのブロック図である。
本実施形態の電力変換制御装置２１は、上述の第２実施形態の電力変換制御装置２１に対して、上限設定部（第２上限値設定部）５２と、リミッタ回路（第２無効電流指令制限部）５３と、をさらに備えた構成である。
【００７３】
上限設定部５２は、有効電流指令値Ｐｒｅｆとリミット設定値Ｙ［ｐｕ］とを入力とし、無効電流指令値Ｑｒｅｆの最大値を制限する。リミット設定値Ｙは、電力変換制御装置２１の遮断電流限界（短時間入力電流最大値）を表す値であり、１［ｐｕ］を超えて設定される。上限設定部５２は、有効電流指令値ＰｒｅｆをＸとし、次式（２）のように上限値Ｑｕｐ２を演算する。
Ｑｕｐ２＝√（Ｙ−Ｘ２）…（２）  
【００７４】
リミッタ回路５３は、リミッタ回路３８の後段に配置されている。本実施形態では、リミッタ回路３８から出力された値を第１無効電流指令値Ｑｒ３とし、リミッタ回路５３へ入力している。
【００７５】
リミッタ回路５３には、リミッタ回路３８から出力された第１無効電流指令値Ｑｒ３と、上限値Ｑｕｐ２とが入力される。リミッタ回路５３は、上限値Ｑｕｐ２に応じて、第１無効電流指令値Ｑｒ３の最大値を制限して、無効電流指令値（第２無効電流指令値）Ｑｒｅｆとして出力する。すなわち、リミッタ回路５３は、入力された第１無効電流指令値Ｑｒ３が上限値Ｑｕｐ２以下である場合は、第１無効電流指令値Ｑｒ３を無効電流指令値Ｑｒｅｆとして出力し、第１無効電流指令値Ｑｒ３が上限値Ｑｕｐ２を超えている場合は上限値Ｑｕｐ２を無効電流指令値Ｑｒｅｆとして出力するように構成されている。
【００７６】
上記第２実施形態において説明したように、第２実施形態の電力変換制御装置２１によれば、瞬時的にコンバータ１３に皮相電流最大値（コンバータ定格電流）である１［ｐｕ］を超える電流が流れる可能性がある。上述のように、第２実施形態の電力変換制御装置２１において、コンバータ定格電流を超える電流がコンバータ１３に流れたとしても、瞬時的なものであるため冷却能力を増大させる必要はない。一方で、皮相電流値がコンバータ１３の遮断電流値（短時間入力電流の最大値）を超えた際には、コンバータ１３の動作が停止され、その結果車両が停止される可能性があった。
【００７７】
そこで、本実施形態では、コンバータ１３に流れる皮相電流の値が遮断電流限界値を超過することを回避している。すなわち、本実施形態では、瞬時的であっても有効に作用する第２無効電流リミット手段（リミッタ回路５３）を有している。リミッタ回路５３にて用いるリミット設定Ｙ［ｐｕ］は、電力変換部の遮断電流限界を表す値であり、１［ｐｕ］を超えて設定される。したがって、リミッタ回路５３を介して無効電流指令値Ｑｒｅｆを出力することにより、瞬時的にも最大皮相電流はＹ［ｐｕ］となり、皮相電流が遮断電流限界を超過することがなくなる。
【００７８】
上記のように、本実施形態では、コンバータ１３には、瞬時的（遮断能力的観点）にも、連続的（冷却的観点）にも許容され得る電流が流れることが保障される。その結果、コンバータ１３の装置の大きさや重量の増大を招くことなく、架線電圧を安定に維持しながら、架線電圧の低下を抑制する電車用主回路システムを実現することができる。
【００７９】
すなわち、本実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様に、高い架線電圧で安定したシステムの運用が可能な電力変換制御装置を提供することができる。
【００８０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８１】
１０…電車用主回路システム、１１…パンタグラフ、１２…主変圧器、１２ａ…一次巻線、１２ｂ…二次巻線、１２ｃ…三次巻線、１３…コンバータ（電力変換装置）、１４…インバータ、１５…モータ、１６…コンバータ電圧検出部、２１…電力変換制御装置、２２…ＰＷＭ回路、２６…架線電圧検出部、３１…有効電流指令値生成部、３２…電圧指令値設定部、３３…加算器、３４…交流電圧制御回路、３５…出力力率係数設定部、３６…乗算器、３７…上限値設定部、３８…リミッタ回路、５０…リミッタ回路、５１…ローパスフィルタ、５２…上限設定部、５３…リミッタ回路、１００…架線。
【図１】
2020124034.tif 000003
【図２】
2020124034.tif 000004
【図３】
2020124034.tif 000005
【図４】
2020124034.tif 000006
【図５】
2020124034.tif 000007
【図６】
2020124034.tif 000008
【図７】
2020124034.tif 000009