(57)【要約】【課題】受電系統の異なる二つのき電用変電所からのき電区間に対して並列き電を行う交流き電装置を提供する。【解決手段】第１のき電区間と第２のき電区間を接続する交流き電装置であって、上記第１のき電区間の端部に接続する第１の交流直流変換器と、上記第２のき電区間の端部に接続する第２の交流直流変換器と、容量性直流回路とを含み、上記容量性直流回路は、上記第１の交流直流変換器における正側の直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における負側の直流入出力端との間に接続され、更に、上記第２の交流直流変換器における正側の直流入出力端と、上記第２の交流直流変換器における負側の直流入出力端との間にも接続される。【選択図】図１
2010221888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のき電区間と第２のき電区間を接続する交流き電装置であって、
上記第１のき電区間の端部に接続する第１の交流直流変換器と、
上記第２のき電区間の端部に接続する第２の交流直流変換器と、
容量性直流回路と
を含み、
上記容量性直流回路は、上記第１の交流直流変換器における正側の直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における負側の直流入出力端との間に接続され、
更に、上記第２の交流直流変換器における正側の直流入出力端と、上記第２の交流直流変換器における負側の直流入出力端との間にも接続されることを特徴とする交流き電装置。
【請求項２】
上記容量性直流回路がキャパシタで構成されることを特徴とする請求項１に記載の交流き電装置。
【請求項３】
上記容量性直流回路が２次電池で構成されることを特徴とする請求項１に記載の交流き電装置。
【請求項４】
上記２次電池がニッケル水素電池で構成されることを特徴とする請求項３に記載の交流き電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道のための交流き電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道への電力供給回路として、交流き電回路が採用されることがある。例えば、従来の交流き電装置として特許文献１に開示のものがある。図３は、交流き電における電気鉄道における交流き電回路の一般的な構成図である。図３に示すように、電気鉄道沿線には、き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂ、き電区分するためのき電区分所（ＳＰ）２が設けられることが多い。変電所は通常数十キロの間隔で設けられることが多い。
【０００３】
電気鉄道は単相負荷であるため、交流き電回路のき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂでは、一般に電力会社などから三相電力を受電して、三相二相変換変圧器５で９０°位相差の１組の単相電力に変換している。この三相二相変換変圧器として、受電電圧に応じてスコット結線電圧器や変形ウッドブリッジ結線変圧器が用いられる。き電用変電所（ＳＳ）４の三相二相変換器は、例えば、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相からなる三相を入力し、Ｍ座及びＴ座からなる二相を出力する。
【０００４】
一般的に、Ｍ座及びＴ座電圧は、き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂを中心に（図で示すところの）左右のき電回路へ供給される。つまり、き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂからは、二つの相の異なる交流電力が夫々供給される。そのため、２つのき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂ間のき電区分所（ＳＰ）２において、デッドセクション１０を設けている。このデッドセクション１０により、き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂ及びき電区分所（ＳＰ）２の（図３における）左右のき電回路は、電気的に互いに絶縁される。
【０００５】
ところで、あるき電区間内を走行中の電気鉄道車両が加速（力行）を行う場合、その電気鉄道車両は極めて短時間に大きな電力を必要とする。一方、あるき電区間内を走行中の電気鉄道車両が減速を行うと、その電気鉄道車両は回生電力を発生してき電線に供給する。同じき電区間内を走行している回生車両があれば、その電力を力行車両に充てることができる。
【０００６】
あるき電区間内を走行中の電気鉄道車両が加速（力行）を行っている際に、同じき電区間内に回生車両が存在しないならば、電車線電圧が大きく降下する事態が生じ得る。電車線電圧の大幅な降下は、電気鉄道車両の運行や電気設備の運転に支障を生じる可能性がある。
【０００７】
また、あるき電区間内を走行中の電気鉄道車両が減速を行っている際に、同じき電区間内に力行車両が存在しないならば、電車線電圧が大きく上昇する事態が生じ得る。電車線電圧の大幅な上昇も、電気設備に支障を生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−７１８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、受電系統の異なる二つのき電用変電所からのき電区間に対して並列き電を行う交流き電装置を提供することを目的とする。本発明はまた、あるき電区間内にて極めて短い時間に大きな電力が必要とされても電車線電圧の降下を緩和する交流き電装置を提供することを目的とする。本発明は更に、き電区間内で発生する回生電力による電車線電圧の上昇を緩和する交流き電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】
【００１０】
本発明は上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る交流き電装置は、
第１のき電区間と第２のき電区間を接続する交流き電装置であって、
上記第１のき電区間の端部に接続する第１の交流直流変換器と、
上記第２のき電区間の端部に接続する第２の交流直流変換器と、
容量性直流回路と
を含み、
上記容量性直流回路は、上記第１の交流直流変換器における正側の直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における負側の直流入出力端との間に接続され、
更に、上記第２の交流直流変換器における正側の直流入出力端と、上記第２の交流直流変換器における負側の直流入出力端との間にも接続される。
【００１１】
上記容量性直流回路がキャパシタで構成されることが好ましい。
【００１２】
また、上記容量性直流回路が２次電池で構成されることが好ましい。
【００１３】
上記２次電池は、ニッケル水素電池で構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明を利用することにより、電気鉄道のための交流き電装置において、受電系統の異なる、異なった位相の二つのき電用変電所からの電力を、二つのき電区間に対して、並列き電を行うことができる。本発明の交流き電装置では、並列き電を行っているので互いに電力の融通を行うことができ、片方のき電区間内にて瞬間的に大きな電力が必要とされても電車線電圧の降下を緩和することが可能になる。更に、片方のき電区間内で回生電力が生じた場合電車線電圧の上昇を緩和することが可能になる。また、回生電力を電力貯蔵することにより電力の有効活用を図ることを可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る交流き電装置を含む交流き電回路の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る交流き電装置を含む交流き電回路の構成図である。
【図３】電気鉄道のための交流き電回路の一般的な構成図である
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
１．第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る交流き電装置１を含む交流き電回路の構成図である。図１に示す交流き電回路は、下り線１２と上り線１４とを含む。更に、図１に示す交流き電回路は、き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂ、及び、き電区分するためのき電区分所（ＳＰ）２を含み、これらは実際には電気鉄道沿線に設けられる。また、き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂを中心にして左右のき電回路の間には、デッドセクション１０が設けられている。き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂ、及び、き電区分所（ＳＰ）２の間は「き電区間」と称される。なお、図１の構成図は交流き電回路の一部であり、より多数のき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂやき電区分所（ＳＰ）２が設けられてもよい。
【００１８】
き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂは、三相二相変換変圧器５を含み、Ｍ座及びＴ座からなる二相の電力の夫々を左右のき電回路に出力する。通常運転時には、Ｍ座とＴ座の夫々に設けられる遮断器８は動作せず回路は閉じられている。き電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂやき電系統などに障害が生じたときには遮断器８が動作して回路が開かれる。
【００１９】
き電区分所（ＳＰ）２は、遮断器６を含む。遮断器６は通常開いた状態となっている。き電区分所（ＳＰ）２の左右のき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂのいずれかに障害が生じそのき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂからの給電が停止すると、遮断器６が閉じた状態となり、障害のないき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂからの給電が、き電区分所（ＳＰ）２を超えて、障害の生じたき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂの受け持つべきき電区間にまで及ぶことになる。
【００２０】
更に図１に示すように、本実施の形態のき電区分所（ＳＰ）２に配置される交流き電装置１には、き電回路の交流電力を直流電力に変換し、直流電力をき電回路の交流電力に逆変換するインバータ（交流直流変換器）１６ａ、１６ｂ、それらインバータ（交流直流変換器）１６ａ、１６ｂに並列に接続する容量性の直流回路（例えば、キャパシタ１８）が設けられている。キャパシタ１８は、インバータ１６ａにおける正側の直流入出力端と、インバータ１６ａにおける負側の直流入出力端との間に接続される。更に、上記キャパシタ１８は、インバータ１６ｂにおける正側の直流入出力端と、インバータ１６ｂにおける負側の直流入出力端との間にも接続される。
【００２１】
インバータ１６ａは、電車線に接続された交流電線１２ａに接続されており、交流電力を直流電力に変換して共有線１２ｃに出力する。また、インバータ１６ａは、共有線１２ｃ側の直流電力を交流電力に逆変換して交流電線１２ａに出力することも可能である。この場合、キャパシタ１８は直流電力を一時的に貯蔵する役割を果たす。これらの作用はインバータに内蔵されるスイッチ素子により実現されることは周知の通りである。インバータ１６ｂについても同様に作用し、交直電力変換及び直交電力変換が可能となっている。
【００２２】
インバータ１６ａ、１６ｂに接続する交流電線１２ａ、１２ｂの夫々には、電圧計１３ａ、１３ｂが設けられている。更に、インバータ１６ａ、１６ｂに対しては、電圧計１３ａ、１３ｂと接続する制御部１１が設けられている。キャパシタ１８に充分な電荷の貯蔵が無くキャパシタ１８の電圧が低ければ、交流電線１２ａ、１２ｂにおける交流電力が、インバータ１６ａ、１６ｂの備える整流作用により、直流電力に変換されてキャパシタ１８を充電するように、制御部１１はインバータ１６ａ、１６ｂ内蔵のスイッチ素子を制御する。
【００２３】
本実施の形態の交流き電装置１においては、交流電線１２ａの電圧が下がり、
「電圧計１３ａの電圧」＜「電圧計１３ｂの電圧」
となると、制御部１１は、インバータ１６ａ内蔵のスイッチ素子を制御して逆変換を行うことにより、交流電力を交流電線１２ａに出力して、交流電線１２ａの電圧の降下を抑制するように動作する。一方、制御部１１は、インバータ１６ｂ内蔵のスイッチ素子を制御して交流電線１２ｂからの交流電力を直流電力に変換して、インバータ１６ａにより交流電力に逆変換された直流電力を補う。
また、交流電線１２ａの電圧が上がり、
「電圧計１３ａの電圧」＞「電圧計１３ｂの電圧」
となると、制御部１１は、インバータ１６ａ内蔵のスイッチ素子を制御して変換を行うことにより、交流電線１２ａからの交流電力を直流電力に変換して、交流電線１２ａの電圧の上昇を緩和するように動作する。同時に、制御部１１は、インバータ１６ｂ内蔵のスイッチ素子を制御してインバータ１６ａにより順変換された直流電力を交流電力に逆変換して交流電線１２ｂに出力する。
交流電線１２ｂにおいて電圧が下降又は上昇した場合も同様である。電圧計１３ａと電圧計１３ｂの電圧比較において、適宜ヒステリシスを設けて頻繁な切替を防ぐこともできる。
このように交流き電装置１は、交流電線１２ａの電圧と交流電線１２ｂの電圧との差を無くすように動作する。
【００２４】
本実施の形態の交流き電装置１では、き電区分所（ＳＰ）２の左右のいずれかのき電区間内にて、瞬間的に大きな電力が（例えば、電車の力行により）必要とされる場合、そのき電区間の電圧がもう一方のき電区間の電圧よりも低くなる。すると、上述したように、電圧の低いき電区間へ、もう一方のき電区間から電力が流れるようにインバータ１６ａ、１６ｂが働くことになる。このことにより、電力を必要とするき電区間の電車線電圧の降下が緩和される。
【００２５】
また、き電区分所（ＳＰ）２の左右のいずれかのき電区間内で回生電力が発生した場合、そのき電区間の電圧が高くなる。すると、上述したように、電圧の高いき電区間から、もう一方のき電区間へ電力が流れるようにインバータ１６ａ、１６ｂが働くことになる。このことにより、回生電力が発生したき電区間の電車線電圧の上昇が緩和される。また、発生した回生電力が無駄になるということがなく有効に利用される。
【００２６】
つまり、インバータ１６ａ、１６ｂ及びキャパシタ１８により、位相の異なる二つのき電用変電所（ＳＳ）４ａ、４ｂからの電力を、き電区間に対して並列き電を行うことが可能になる。
【００２７】
例えば、図１において、左側のき電用変電所（ＳＳ）４ａとき電区分所（ＳＰ）２との間のき電区間にて、加速中の電車がき電区分所（ＳＰ）２の直ぐ左を走行しているものとする。その加速中の電車は、加速に必要な電力を、左側のき電用変電所４ａからと右側のき電用変電所４ｂからの双方から受けることができる。つまり、従来技術では上記電車は、加速に必要な電力を左側のき電用変電所４ａからの電力にのみ依存していたが、本実施の形態では、左側のき電用変電所４ａからの電力への依存分は、約１／２になる。従って、き電用変電所間での負荷の均等化を目指すことができ、その結果、加速車両が走行しているき電区間の電圧降下が緩和される。
【００２８】
２．第２の実施の形態
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る交流き電装置１を含む交流き電回路の構成図である。本発明の第２の実施の形態に係る交流き電装置１は、上述の第１の実施の形態に係る交流き電装置１と略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
【００２９】
第２の実施の形態に係る交流き電装置１は、キャパシタ１８の代わりに、ニッケル水素電池２０を設けている。
【００３０】
上述の第１の実施の形態に係る交流き電装置１は、インバータ１６ａ、１６ｂと直流回路（即ち、キャパシタ１８）を備えることにより、電車線電圧の降下をできるだけ緩和させるという課題、及び、発生した回生電力による電車線電圧の上昇をできるだけ緩和させるという課題を解消する。第２の実施の形態に係る交流き電回路は、キャパシタ１８の代わりにニッケル水素電池２０を設けることにより、よりよくこれらの課題の解決を目指す。つまり、第２の実施の形態におけるニッケル水素電池は、２次電池としても作用し、同時に、キャパシタとしても作用する。
【００３１】
〔ニッケル水素電池について〕
次に、第２の実施の形態に係る交流き電回路に使用されるニッケル水素電池２０について説明する。
【００３２】
ニッケル水素電池２０は、複数の単位電池が直列接続されてなる電池モジュールによって構成されており、単数の電池モジュールで構成されていてもよいし、複数の電池モジュールが直列接続された直列電池モジュールで構成されていてもよい。あるいは、上記単数の電池モジュールまたは上記直列電池モジュールが並列接続されて構成されていてもよい。
【００３３】
このように、ニッケル水素電池２０は、非常に多数の単位電池により構成している、好ましくは積層タイプの構成としているので、等価的な静電容量が非常に大きくなる。
【００３４】
本発明に係る交流き電装置１の実用例で用いられるニッケル水素電池２０、好ましくは積層タイプのニッケル水素電池の、起電力及び静電容量の具体的数値について検討する。本発明に係る交流き電装置１ではニッケル水素電池は様々に構成され得るが、例えば、単位電池３０セルを含む電池モジュールを１９個直列接続して形成される直列電池モジュールを、２列並列接続して構成される。ここで、単位電池の有する標準的な性能として、起電力１．２５Ｖ、電池容量１５０Ａｈ、及び、単位電池容量当たりの静電容量１３０Ｆ／Ａｈなどの数値を挙げることができる。
【００３５】
この場合、このニッケル水素電池の起電力は、１．２５×３０×１９＝７１２．５Ｖとなる。また、このニッケル水素電池の静電容量は、２×１３０×１５０／（３０×１９）＝約６８ファラッドとなる。このように本発明に係る交流き電装置１の実用例で用いられるニッケル水素電池は、非常に大きい静電容量を備えている。
【００３６】
以上述べたように、ニッケル水素電池はキャパシタとしても作用する。そしてその静電容量は他のタイプの２次電池よりも大きい。
【００３７】
以上を踏まえて、図２に示す本発明の第２の実施の形態に係る交流き電装置１の動作を説明する。本実施の形態の交流き電装置１においては、交流電線１２ａの電圧が下がり、
「電圧計１３ａの電圧」＜「電圧計１３ｂの電圧」
となると、制御部１１は、インバータ１６ａ内蔵のスイッチ素子を制御して逆変換を行うことにより、交流電力を交流電線１２ａに出力して、交流電線１２ａの電圧の降下を抑制するように動作する。一方、制御部１１は、インバータ１６ｂ内蔵のスイッチ素子を制御して交流電線１２ｂからの交流電力を直流電力に変換して、インバータ１６ａにより交流電力に逆変換された直流電力を補う。
また、交流電線１２ａの電圧が上がり、
「電圧計１３ａの電圧」＞「電圧計１３ｂの電圧」
となると、制御部１１は、インバータ１６ａ内蔵のスイッチ素子を制御して変換を行うことにより、交流電線１２ａからの交流電力を直流電力に変換して、交流電線１２ａの電圧の上昇を緩和するように動作する。同時に、制御部１１は、インバータ１６ｂ内蔵のスイッチ素子を制御してインバータ１６ａにより順変換された直流電力を交流電力に逆変換して交流電線１２ｂに出力する。
交流電線１２ｂにおいて電圧が下降又は上昇した場合も同様である。電圧計１３ａと電圧計１３ｂの電圧比較において、適宜ヒステリシスを設けて頻繁な切替を防ぐこともできる。
このように交流き電装置１は、交流電線１２ａの電圧と交流電線１２ｂの電圧との差を無くすように動作する。
【００３８】
ここで、第１の実施の形態に係る交流き電装置のキャパシタ１８と比べると、本実施の形態のニッケル水素電池２０は２次電池であるので、大量の電荷量を貯蔵できる。従って、交流電線１２ａからより多くの電力がニッケル水素電池２０に貯蔵され得るので、回生電力の吸収能力は高い。
【００３９】
本実施の形態の交流き電装置１では、き電区分所（ＳＰ）２の左右のいずれかのき電区間内にて、瞬間的に大きな電力が（例えば、電車の力行により）必要とされる場合、そのき電区間の電圧がもう一方のき電区間の電圧よりも低くなる。すると、上述したように、電圧の低いき電区間へ、もう一方のき電区間から電力が流れるようにインバータ１６ａ、１６ｂが働くことになる。このことにより、電力を必要とするき電区間の電車線電圧の降下が防がれる。
【００４０】
また、き電区分所（ＳＰ）２の左右のいずれかのき電区間内で回生電力が発生した場合、そのき電区間の電圧が高くなる。すると、上述したように、電圧の高いき電区間から、ニッケル水素電池２０へ殆どの電力が貯蔵され、もう一方のき電区間へ一部の電力が流れるようにインバータ１６ａ、１６ｂが働くことになる。このことにより、回生電力が発生したき電区間の電車線電圧の上昇が防がれる。更には、発生した回生電力はニッケル水素電池に貯蔵できるので、回生電力が無駄になることはなく、有効に利用することが可能となる。また、回生電力の吸収能力が高いため、回生失効の起こることも防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４１】
２・・・き電区分所（ＳＰ）、４ａ、４ｂ・・・き電用変電所（ＳＳ）、６・・・遮断器、８・・・遮断器、１０・・・デッドセクション、１１・・・制御部、１２・・・下り線、１２ａ、１２ｂ・・・交流電線、１２ｃ・・・共有線、１４・・・上り線、１６ａ、１６ｂ・・・インバータ、１８・・・キャパシタ、２０・・・ニッケル水素電池。
【図１】
2010221888.tif 000003
【図２】
2010221888.tif 000004
【図３】
2010221888.tif 000005