(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力回線から受電する第１の変圧器と、
上記第１の変圧器に接続された第１の交流直流変換器と、
上記第１の変圧器に上記第１の交流直流変換器と直列に接続されたニッケル水素電池と
を含み、
上記ニッケル水素電池は、上記第１の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、
更に、上記ニッケル水素電池が積層型であり、
上記ニッケル水素電池の導電剤に炭素を含み、これにより電気二重層キャパシタとしても作用する
ことを特徴とする
き電システム用の電力調整装置。
【請求項２】
上記第１の変圧器が、三相交流電圧を位相が９０°異なる２つの二相交流電圧に変換する変圧器であることを特徴とする請求項１に記載のき電システム用の電力調整装置。
【請求項３】
更に、第２の交流直流変換器を含み、
上記第１の変圧器が、三相交流電圧を二相交流電圧に変換する変圧器であり、
上記第１の交流直流変換器が、上記第１の変圧器により生成される二相電圧のうちの一方を受電するき電線に接続され、
上記第２の交流直流変換器が、上記第１の変圧器により生成される二相電圧のうちの他方を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第１の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における低圧側母線に接続する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高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第２の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴とする
請求項１に記載のき電システム用の電力調整装置。
【請求項４】
上記第１の変圧器と上記第１の交流直流変換器との間に設けられた第１のスイッチと、
上記第１の変圧器と上記第２の交流直流変換器との間に設けられた第２のスイッチと
を更に含むことを特徴とする請求項３に記載のき電システム用の電力調整装置。
【請求項５】
更に、第２の変圧器と、第２の交流直流変換器とを含み、
上記第１の変圧器と上記第２の変圧器とが、夫々、単相交流電圧を受電する変圧器であり、
上記第１の交流直流変換器が、上記第１の変圧器により生成される交流電圧を受電するき電線に接続され、
上記第２の交流直流変換器が、上記第２の変圧器により生成される交流電圧を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第１の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における低圧側母線に接続する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高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第２の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴とする
請求項１に記載のき電システム用の電力調整装置。
【請求項６】
上記第１の変圧器と上記第１の交流直流変換器との間に設けられた第１のスイッチと、
上記第２の変圧器と上記第２の交流直流変換器との間に設けられた第２のスイッチと
を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のき電システム用の電力調整装置。
【請求項７】
上記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
上記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、上記正極集電体と上記負極集電体の間に配したセパレータと、上記正極集電体に接する正極セルと上記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の上記単位電池の正極集電体と他方の上記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられたことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか一つに記載のき電システム用の電力調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道のためのき電システム用の電力調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流き電回路は、長距離や大容量の電力供給に適しているため、新幹線等の電力供給方式に用いられている。また、電気鉄道は単相負荷であるため、交流き電用変電所では、一般に電力会社などから受電した三相電力を、三相二相変換変圧器で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変圧器（受電電圧６６ｋＶ〜１５４ｋＶ）や変形ウッドブリッジ結線変圧器（受電電圧１８７ｋＶ〜２７５ｋＶ）が用いられて、三相電源の不平衡を防止している。
【０００３】
更に、交流き電用変電所では、電圧変動に対処するために、静止形無効電力補償装置（ＳＶＣ；Ｓｔａｔｉｃ  Ｖａｒ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）が設けられている。このＳＶＣは、インバータを用いて無効電力を補償するとともに有効電力をも調整する。
【０００４】
図１１（１）は、従来の交流き電用変電所のスコット結線変圧器において、き電側に設置されるＳＶＣを含む結線図である。このＳＶＣは通常、「電力補償装置（ＲＰＣ）」と呼ばれる。Ｒ相、Ｓ相及びＴ相は、スコット結線変圧器の三相側の入力を示す。Ｍ座とＴ座はスコット結線変圧器により形成される二相を示す。電力補償装置（ＲＰＣ）２ａは、Ｍ座とＴ座の夫々のき電線４ｍ、４ｔに接続されたインバータ６ｍ、６ｔと、２つのインバータ６ｍ、６ｔの間に接続された直流キャパシタ２０とを含む。Ｍ座とＴ座の夫々のき電線４ｍ、４ｔに供給される電力を動力源として、電車８ｍ、８ｔは走行する。
【０００５】
スコット結線変圧器では、Ｍ座とＴ座の負荷が平衡すれば三相側でも平衡する。また、無効電力が小さければ電圧変動は小さくなる。そこで、電力補償装置（ＲＰＣ）２ａは、Ｍ座とＴ座とに夫々接続されるインバータ６ｍ、６ｔにより無効電力を補償するとともに、二つの座の有効電力差の１／２を２つのインバータ間で融通して、Ｍ座とＴ座の有効電力を等しくし、三相側で平衡させる。
【０００６】
図１１（２）は、スコット結線変圧器において、三相側に設置される場合のＳＶＣを含む結線図である。図１１（３）は、スコット結線変圧器のＭ座とＴ座を直接接続し、斜辺Ｓ座により単相き電する、不等辺スコット結線変圧器のＭ座とＴ座に各々インバータを設置し、直流回路で結合するＳＶＣを含む結線図である。図１１（２）に示すＳＶＣは、「三相ＳＶＣ」と呼ばれ、図１１（３）に示すＳＶＣは、「不平衡補償単相き電装置（ＳＦＣ）」と呼ばれることもある。三相ＳＶＣ２０２ａ及び不平衡補償単相き電装置（ＳＦＣ）４０２ａはいずれも、インバータ６、６ｍ、６ｔと、インバータ６、６ｍ、６ｔに接続する直流キャパシタ２０とを含み、インバータ６、６ｍ、６ｔにより無効電力を補償するとともに有効電力を調整する。
【０００７】
また、交流き電において、交流き電用変電所からき電区分所に至る単相回路では、き電線の線路インピーダンスの抵抗分やリアクタンス分によって電車の走行による電圧降下が発生し、そのき電線の末端で所望のき電線電圧が得られないという現象（問題）が生じることがある。この現象（問題）の解消のために、特許文献１では、き電線末端で連系変圧器を介して接続された連系コンバータ（インバータ）により、き電線末端での電圧変動を補償するためにき電線末端でのき電線電圧を調整する装置（無効電力補償装置）を開示している。このき電電圧調整装置（無効電力補償装置）は、連系コンバータ（インバータ）の直流側に、有効電力の長期的変動分を補償するバッテリと、有効電力の短期的変動分を補償する直流コンデンサとを並列接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−６６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１に示す、き電電圧調整装置を設備する構成において、き電線の末端での無効電力による電圧降下を防ぐために直流コンデンサが接続され、長期的な有効電力の変動を補償するためにバッテリが接続されているところ、直流コンデンサは、設置のために広いスペースが必要とされること、信頼性が必ずしも充分でないこと、及び、高価であること等の問題点がある。
【００１０】
本発明は、簡便な設備構成で、き電線回路間での有効電力の融通を行うとともに、き電線電圧を降下させない電力調整装置を提供することを目的とする。即ち、本発明はコンデンサの設置を必要とせず、廉価で、コンパクト・省スペースで、更に信頼性の高い電力調整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】
【００１１】
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。本発明に係るき電システム用の電力調整装置は、
交流電力回線から受電する第１の変圧器と、
上記第１の変圧器に接続された第１の交流直流変換器と、
上記第１の変圧器に上記第１の交流直流変換器と直列に接続されたニッケル水素電池と
を含み、
上記ニッケル水素電池は、上記第１の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続され、上記ニッケル水素電池が積層型であり、上記ニッケル水素電池の導電剤に炭素を含むことを特徴とするき電システム用の電力調整装置である。即ち、交流直流変換器の高圧側母線と低圧側母線の間にコンデンサを接続しないで、ニッケル水素電池を接続したことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電力調整装置は、上記第１の変圧器が、三相交流電圧を位相が９０°異なる２つの二相交流電圧に変換する変圧器であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る電力調整装置は、
更に、第２の交流直流変換器を含み、
上記第１の変圧器が、三相交流電圧を二相交流電圧に変換する変圧器であり、
上記第１の交流直流変換器が、上記第１の変圧器により生成される二相電圧のうちの一方を受電するき電線に接続され、
上記第２の交流直流変換器が、上記第１の変圧器により生成される二相電圧のうちの他方を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第１の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における低圧側母線に接続する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高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第２の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴としてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る電力調整装置は、
更に、第２の交流直流変換器を含み、
上記第１の変圧器が、三相交流電圧を二相交流電圧に変換する変圧器であり、
上記第１の交流直流変換器が、上記第１の変圧器により生成される二相電圧のうちの一方を受電するき電線に接続され、
上記第２の交流直流変換器が、上記第１の変圧器により生成される二相電圧のうちの他方を受電するき電線に接続され、
上記ニッケル水素電池が、上記第１の交流直流変換器における高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第１の交流直流変換器における低圧側母線に接続する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高圧側母線に接続する直流入出力端と、上記第２の交流直流変換器における低圧側母線に接続する直流入出力端との間にも接続されることを特徴としてもよい。
【００１６】
上記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
上記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、上記正極集電体と上記負極集電体の間に配したセパレータと、上記正極集電体に接する正極セルと上記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の上記単位電池の正極集電体と他方の上記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられていることが、好ましい。
【００１７】
変圧器と交流直流変換器との間に、スイッチが設けられてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明を利用することにより、本発明の電力調整装置は、き電回路間で有効電力の融通を行うとともに、き電線電圧の変動を生じさせないように調整することができる。本発明の電力調整装置は更に、き電線電圧維持のためのコンデンサを設ける必要がない。
【００１９】
また、本発明の電力調整装置は、あるき電区間内で消費されない回生電力をニッケル水素電池に蓄電し再利用に向けることができる。また、本発明の電力調整装置は、ニッケル水素電池の放電によりき電線に電力を供給できき電線電圧の降下を防ぐことができる。これにより、電車負荷の急激な変動による受電側への影響を緩和できる。更に、本発明の電力調整装置を利用することにより、電力系統からの給電が停止したような場合でも、あるき電区間の途中に停車している電車をニッケル水素電池からの動力により最寄りの駅まで移動させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１（１）は、本発明の第１の実施の形態に係る電力調整装置の結線図である。図１（２）は、本発明の第１の実施の形態に係る電力調整装置のより詳細な結線図である。
【図２】ニッケル水素電池を構成する単位電池の第１の構成例の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す単位電池の枠形部材、第１蓋部材及び第２蓋部材の構造を示す斜視図である。
【図４】（１）一構成例の電池モジュールの横断面図と、（２）同じ一構成例の電池モジュールの一部斜視図である。（２）の斜視図では、伝熱板内の空気の流れ方向を示している。
【図５】一構成例の電池モジュールに用いられる伝熱板の斜視図である。
【図６】図６（１）は、単相交流を受電する２つの変圧器に接続する交流き電回路において、き電側に設置される第１の実施の形態に係る電力調整装置の結線図である。図６（２）は、単相交流を受電する２つの変圧器に接続するき電回路の従来例である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る電力調整装置の結線図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る電力調整装置の結線図である。
【図９】図９（１）は、Ａ変電所、Ｂ変電所、Ｃ変電所、及び、二つのき電区分所（ＳＰ）を含む交流き電回路の模式図である。図９（２）は、Ｂ変電所で受電停止の障害が生じたときの、図９（１）に示す交流き電回路の模式図である。図９（３）は、図９（１）の変電所に備わる従来のＳＶＣの結線図である。
【図１０】図９に示すような変電所障害時の速度制限という問題に対処するための、電力調整装置の応用例を含む、交流き電回路を示す。
【図１１】図１１（１）は、交流き電用変電所のスコット結線変圧器において、き電側に設置される電力補償装置（ＲＰＣ）の結線図である。図１１（２）は、スコット結線変圧器において、三相側に設置される三相ＳＶＣの結線図である。図１１（３）は、スコット結線変圧器のＭ座とＴ座を直接接続し、斜辺Ｓ座により単相き電する、不等辺スコット結線変圧器において、Ｍ座とＴ座に各々インバータを設置し、それら２つのインバータを接続する不平衡補償単相き電装置（ＳＦＣ）の結線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
１．第１の実施の形態
図１（１）は、本発明の第１の実施の形態に係る電力調整装置２の結線図であり、図１（２）は、本発明の第１の実施の形態に係る電力調整装置２のより詳細な結線図である。第１の実施の形態における電力調整装置２はＳＶＣであり、交流き電用変電所のスコット結線変圧器３においてき電側に設置される電力補償装置（ＲＰＣ）を構成する。Ｒ相、Ｓ相及びＴ相は、スコット結線変圧器３の三相側の入力を示す。Ｍ座とＴ座はスコット結線変圧器３により形成される二相を示す。第１の実施の形態におけるＳＶＣ２は、Ｍ座とＴ座の夫々のき電線４ｍ、４ｔに接続されたインバータ（交流直流変換器）６ｍ、６ｔと、２つのインバータ６ｍ、６ｔの間に接続されたニッケル水素電池１０とを含む。Ｍ座とＴ座の夫々のき電線４ｍ、４ｔに供給される電力を動力源として、電車８ｍ、８ｔが走行する。
【００２３】
本実施の形態の電力調整装置２に設けられるインバータ６ｍ、６ｔは従来技術によるものであり、複数のダイオードにより構成される整流回路と、複数のスイッチング素子により構成されるスイッチング回路と、及び、キャパシタ等とから、構成される。
【００２４】
ニッケル水素電池１０は、インバータ６ｍにおける高圧側母線に接続する直流入出力端と、同インバータ６ｍにおける低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続される。更に、このニッケル水素電池１０は、もう一方のインバータ６ｔにおける高圧側母線に接続する直流入出力端と、同じくもう一方のインバータ６ｔにおける低圧側母線に接続する直流入出力端との間に接続される。
【００２５】
以上の構成を備える電力調整装置２の動作を次に説明する。インバータ６ｍは、き電線４ｍ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７に出力する。また、インバータ６ｍは、共有線７側の直流電力を交流電力に逆変換してき電線４ｍに出力することも可能である。この場合、ニッケル水素電池１０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６ｔ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。
【００２６】
インバータ６ｍ、６ｔに接続するき電線４ｍ、４ｔの夫々には、電圧計５ｍ、５ｔが設けられている。更に、インバータ６ｍ、６ｔに対しては、電圧計５ｍ、５ｔと接続する制御部９が設けられている。ニッケル水素電池１０に充分な電荷の貯蔵が無くニッケル水素電池１０の電圧が低ければ、き電線４ｍ、４ｔにおける交流電力が、インバータ６ｍ、６ｔの備える整流作用により、直流電力に変換されてニッケル水素電池１０を充電するように、制御部９はインバータ６ｍ、６ｔ内蔵のスイッチ素子を制御する。
【００２７】
本実施の形態の電力調整装置２においては、き電線４ｍの電圧が下がり、
「電圧計５ｍの電圧」＜「電圧計５ｔの電圧」
となると、制御部９は、インバータ６ｍ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、交流電力をき電線４ｍに出力して、き電線４ｍの電圧の降下を抑制するように動作する。一方、制御部９は、インバータ６ｔ内蔵のスイッチ素子を制御してき電線４ｔからの交流電力を直流電力に変換して、インバータ６ｍにより交流電力に逆変換された直流電力を補う。
また、き電線４ｍの電圧が上がり、
「電圧計５ｍの電圧」＞「電圧計５ｔの電圧」
となると、制御部９は、インバータ６ｍ内蔵のスイッチ素子を制御して変換を行うことにより、き電線４ｍからの交流電力を直流電力に変換して、き電線４ｍの電圧の上昇を緩和するように動作する。同時に、制御部９は、インバータ６ｔ内蔵のスイッチ素子を制御してインバータ６ｍにより順変換された直流電力を交流電力に逆変換してき電線４ｔに出力する。
き電線４ｔ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５ｍと電圧計５ｔ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。
このように電力調整装置２は、き電線４ｍの電圧とき電線４ｔの電圧との差を無くすように動作して有効電力の調整を行う。
【００２８】
また、インバータ６ｍ、６ｔは無効電力を調整して電圧変動を抑制する。つまり、制御部９は、インバータ６ｍ、６ｔを制御してき電線４ｍ、４ｔに生じる無効電力を調整する。具体的には、電車８ｍ、８ｔが力行運転して無効電力を消費しているときは、本インバータ６ｍ、６ｔから無効電力を供給するように動作する。これにより、き電線４ｍ、４ｔの電圧が適正範囲に維持される。
【００２９】
以上のような構成を備える第１の実施の形態に係る電力調整装置２は、Ｍ座とＴ座とに夫々接続されるインバータ６ｍ、６ｔにより無効電力を補償するとともに、二つの座の有効電力差の１／２を、ニッケル水素電池１０を介してインバータ間で融通して、Ｍ座とＴ座の有効電力を等しくし、三相側で平衡させる。
【００３０】
また、発明が解決しようとする課題で説明したように、インバータ（コンバータ）に直流コンデンサを接続して配置する場合、直流コンデンサの設置のために広いスペースを用意しなければならないという問題、信頼性が必ずしも充分ではないという問題、及び高価であるという問題がある。本実施の形態では、インバータ６ｍ、６ｔ間に直流コンデンサを配置する代わりに、２次電池であるニッケル水素電池１０を使用したことで、これらの問題を解決している。
【００３１】
従来のニッケル水素電池は導電剤にオキシ水酸化コバルトを使用しているところ、本実施の形態に係るニッケル水素電池は導電剤として炭素を使用している。このように炭素が電極を構成する結果、本実施の形態に係るニッケル水素電池は電気二重層キャパシタとしても作用し得る。このため大きな静電容量が得られる。加えて、後述するように本実施の形態に係るニッケル水素電池１０は非常に多くの単位電池で構成されている。これらのことから、本実施の形態に係るニッケル水素電池１０は、静電容量が非常に大きく、且つキャパシタとして充分に作用するので、本実施の形態の電力調整装置２は、特許文献１に示す構成のような直流コンデンサを別途備えなくとも、き電線にてき電線電圧が維持され得ない、ということがない。
【００３２】
以上のように、本実施の形態に係るニッケル水素電池は、導電剤に炭素を使用していること、具体的にはその正極の導電剤に炭素を使用していること、及び、非常に多数の単位電池により構成していること、具体的には積層タイプの構成としていることから、等価的な静電容量が非常に大きくなっている。
【００３３】
平板電極の静電容量Ｃは、周知のように以下の関係式（式１）で表される。
（式１）  Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ
なお、εは誘電率、Ｓは平板電極の面積、ｄは平板電極間の距離である。ここで、Ｓ（平板電極面積）は、本実施の形態に係るニッケル水素電池においてはセパレータの面積と略同視できる。後述するニッケル水素電池を構成する多数の単位電池の各々は、プリーツ型セパレータを採用しており、積層タイプの電池となっている。このため、Ｓ（平板電極面積）は容易に大きくすることができて、その結果大きな静電容量を実現することが可能となった。
【００３４】
また、本実施の形態に係るニッケル水素電池の静電容量は、その特性上、他の電池と比較しても大きい。まずリチウムイオン電池には、キャパシタを形成するために必要である電荷（イオン）が存在しない。つまり、Ｃ＝Ｑ／Ｖであるところ（Ｑは電荷、Ｖは電位）、電荷Ｑが極端に小さいのでリチウムイオン電池では静電容量Ｃは大きくなり得ず略ゼロとなる。従って、リチウムイオン電池は、本実施の形態に係るニッケル水素電池に比べて、静電容量が非常に小さい。
【００３５】
また、鉛蓄電池はその構造上、電極面積（Ｓ）をニッケル水素電池のように大きくすることはできず、電極間の距離（ｄ）も大きい。このため、その静電容量は、ニッケル水素電池の１０分の１以下といわれており、本実施の形態に係るニッケル水素電池に比べて極端に小さい。電気二重層キャパシタは静電容量が確かに大きいが、蓄電容量は電池に比べて小さい。そのため、電気二重層キャパシタを電力調整装置で利用しても、有効電力の調整の限界が低い。
【００３６】
本願の発明者は、非常に大きな静電容量を有する電池を開発し、これを電気鉄道のための交流き電システムに適用した。このような適用は、他の電池では為し得ないものである。
【００３７】
１．１．ニッケル水素電池について
以下、第１の実施の形態に係る電力調整装置２に使用されるニッケル水素電池１０について詳細に説明する。
【００３８】
ニッケル水素電池１０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。並列接続すれば電池容量が大きくなるとともに、等価的な内部抵抗は低下する。
【００３９】
〔単位電池の第１の構成例〕
図２及び図３は、上述の単位電池の第１の構成例を説明するための図である。
【００４０】
図２は、上記単位電池Ｃの構造を示す断面図である。単位電池Ｃは、セパレータ６１、正極を構成する正極板６２、及び負極を構成する負極板６３を含む電極体６５と、電極体６５を電解液と共に収容する空間を形成する矩形の枠形部材６７と、第１蓋部材６９と、第２蓋部材７１とを備えている。なお、図２に示す単位電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素２次電池として構成している。
【００４１】
図３に示すように、第１蓋部材６９は、枠形部材６７の一方の開口６７ａを覆う平板状の本体部６９ａを有しており、本体部６９ａの４つの各辺において一体に形成された縁部が、枠形部材６７の４つの各辺６７ｂにほぼ沿うように折り曲げられて、枠形部材６７の外周面の一部を覆う側部６９ｂを形成している。第２蓋部材７１も、第１蓋部材６９と同様に、本体部７１ａ及び側部７１ｂを有しており、枠形部材６７の他方の開口６７ｃを覆っている。
【００４２】
電極体６５は、図２に示すように、正極板６２と負極板６３とが、セパレータ６１を介して所定の方向に交互に積層されて対向する積層構造を有している。より具体的にはプリーツ状に折り曲げられたセパレータを介して、正極板６２と負極板６３とが交互に積層されて対向するプリーツ構造を有している。図２及び図３に示す単位電池Ｃにおいて、電極体６５は、枠形部材６７の、図３の左右方向に向かい合う一組の辺６７ｂ、６７ｂの一方から他方に向かう方向Ｙに積層されている。
【００４３】
このようなプリーツ型セパレータが単位電池に採用されることにより、多数の単位電池で構成されるニッケル水素電池においては、セパレータの面積Ｓは非常に大きいものとなり、その結果、ニッケル水素電池全体の静電容量も非常に大きいものとなる。
【００４４】
〔単位電池の第２の構成例、及び電池モジュールの一構成例〕
図４（１）は、一構成例の電池モジュールの横断面図である。図４（２）は、図４（１）の電池モジュールの一部斜視図であって、電池モジュールにおける伝熱板内の空気の流れ方向を示している（但し、図４（１）に示される絶縁板１０７、１０８が省略されている）。図５は、図４（１）（２）の電池モジュールに用いられている伝熱板の斜視図である。
【００４５】
この電池モジュール８１は、複数の第２の構成例の単位電池を積層したものである。第２の構成例の単位電池の各々では、対向して設けられた正極集電体９９と負極集電体１００の間に、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンは透過するが電子を透過させない蛇腹状のセパレータ１０１が交互に両集電体に近接するように配置される。更に各単位電池では、蛇腹状のセパレータ１０１と正極集電体９９とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに正極活物質を含有する正極シート１０３が配置され、蛇腹状のセパレータ１０１と負極集電体１００とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに負極活物質を含有する負極シート１０４が配置され、正極シート１０３と負極シート１０４がセパレータ１０１を挟んで交互に組み込まれている。単位電池はセパレータ１０１を蛇腹状とすることにより、正極シート１０３、負極シート１０４を、多数セルとして単位電池の中に積層することができる。このことにより、単位電池の静電容量の大容量化が容易になる。また、このことにより電極面積が大きくなり、隣り合うセル間を非常に小さな抵抗で繋ぐことができるためセル間を繋ぐケーブルが不要となり、電池が全体としてコンパクトになる。
【００４６】
また、正極シート１０３は正極集電体９９に接し、負極シート１０４は負極集電体１００に接している。そして、隣り合う２個の単位電池の間には、一方の単位電池の正極集電体９９ともう一方の単位電池の負極集電体１００に接するように図５に示す伝熱板９６が挿入されている。この伝熱板９６の空気通流孔９７の向きは、正極シート１０３と負極シート１０４の上下方向に一致している。各単位電池の正極集電体９９と負極集電体１００との間は、セパレータ１０１によって正極セルと負極セルとに２分割され、セパレータ１０１と正極集電体９９とで区画され正極シート１０３が配置される領域が正極セルとなり、セパレータ１０１と負極集電体１００とで区画され負極シート１０４が配置される領域が負極セルとなる。
【００４７】
図４（１）に示すように、導電性に優れるとともに熱伝導性のよい金属で構成された正極集電体９９と負極集電体１００が、それぞれ正極シート１０３及び負極シート１０４と直接接触し、その上、各集電体９９、１００が、電気的に正極集電体９９と負極集電体１００をつなぐ役割を果たす伝熱板９６と接触している。このことにより、図４（２）の矢印で示す方向に沿って伝熱板９６の空気通流孔９７を流通する空気に対して、電池反応の結果発生した熱は、効率的に伝達されて外部に放出される。このようにして、電池モジュール８１の温度は、電池反応をスムーズに実行することができる適正な範囲に維持される。
【００４８】
図４（１）に示すように、正極の端部には統括正極集電体１０５が設けられ、負極の端部には統括負極集電体１０６が設けられている。電池モジュール８１の側部には、絶縁板１０７、１０８が設けられている。統括正極集電体１０５の中央部に接続用の正極端子（図示せず）が取り付けられ、統括負極集電体１０６の中央部に接続用の負極端子（図示せず）が取り付けられる。
【００４９】
正極シート１０３は、例えば、正極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものであり、負極シート１０４は、例えば、負極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものである。正極活物質および負極活物質としては、すべての公知の活物質材料を用いることができる。導電性フィラーとしては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキしたもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、若しくはニッケル箔を、単独で、若しくは組み合わせて用いることができる。樹脂としては、軟化温度１２０℃までの熱可塑性樹脂、硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂、蒸発温度１２０℃以下の溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、若しくは、アルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂などを用いることができる。基板としては、ニッケル板などの電気伝導性のある金属板を用いることができる。
【００５０】
伝熱板９６は、アルミニウムを素材としてニッケルメッキを施したもので、空気の流通経路として上下方向に貫通した通流孔９７が多数設けられている。この伝熱板９６を正極集電体９９と負極集電体１００の間に挿入して、吸気ファン（図示せず。）によって吸い込まれた空気を通流孔９７に流通させることができる。伝熱板９６は、正極集電体９９と負極集電体１００に接して正極集電体９９と負極集電体１００を電気的に接続するための部材でもあり、電気伝導性を有する。その点で、アルミニウムは電気抵抗が比較的低く、熱伝導率が比較的大きいので、伝熱板９６として好ましい特性を有しているが、酸化しやすいという欠点を有している。そこで、アルミニウム板にニッケルメッキを施したものは、酸化を抑制するだけでなく、ニッケルメッキが施されることにより接触抵抗が低下するので、伝熱板９６としてさらに好ましい。
【００５１】
［ニッケル水素電池の起電力及び静電容量］
本実施の形態で使用されるニッケル水素電池１０、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。本実施の形態に係る電力調整装置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。
【００５２】
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。このように本実施の形態に係る電力調整装置で利用さ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。
【００５３】
以上に述べたように、本実施の形態に係るニッケル水素電池１０は、等価的な静電容量が非常に大きい。当該ニッケル水素電池１０を交流き電システムに適用することにより、設置のために広いスペースが必要とされる直流コンデンサの設置を省くことができる。
【００５４】
１．２．第１の実施の形態の変形例
図１に示す電力調整装置は、三相交流受電するスコット結線変圧器においてき電側に設置されるＳＶＣであるが、本発明の第１の実施の形態に係る電力調整装置は、単相交流を受電する変圧器に対しても設置することができる。図６（２）は、単相交流を受電する２つの変圧器２３ａ、２３ｂに接続する交流き電回路の従来例であり、図６（１）は、単相交流を受電する２つの変圧器２３ａ、２３ｂに接続する交流き電回路において、き電側に設置される第１の実施の形態に係る電力調整装置の結線図である。
【００５５】
図６（１）に示す電力調整装置において、き電線には変圧器２３ａ、２３ｂからの通電を遮断し得る遮断器２２ａ、２２ｂが設けられている。また、変圧器２３ａ、２３ｂとインバータ６ａ、６ｂの間には、夫々スイッチ２４ａ、２４ｂが設けられる。スイッチ２４ａ、２４ｂの作用については、後述の「４．本発明の応用例について」で説明する。
【００５６】
図６（１）に示すように、単相交流を受電する２つの変圧器２３ａ、２３ｂに第１の実施の形態に係る電力調整装置を接続することにより、直流コンデンサの設置が省かれ得る。なお、単相交流は、二線式であっても三線式であってもよい。
【００５７】
２．第２の実施の形態
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る電力調整装置２０２の結線図である。第２の実施の形態に係る電力調整装置２０２は、交流き電用変電所のスコット結線変圧器３において三相側に設置される三相ＳＶＣを構成する。Ｒ相、Ｓ相及びＴ相は、スコット結線変圧器３の三相側の入力を示す。Ｍ座とＴ座はスコット結線変圧器３により形成される二相を示す。第２の実施の形態に係るＳＶＣ２０２は、入力の三相の夫々に接続するインバータ６と、インバータ６に接続するニッケル水素電池１０とを含む。
【００５８】
インバータ６は、上述の従来技術によるインバータと同様のものである。また、インバータ６における高圧側母線に接続する直流入出力端と、同インバータ６における低圧側母線に接続する直流入出力端との間に、ニッケル水素電池１０が接続される。
【００５９】
第２の実施の形態における電力調整装置２０２では、三相側に設置されるインバータ６により無効電力を補償するとともに、有効電力の調整を行う。更にインバータ６に接続してニッケル水素電池１０を設けることにより、直流コンデンサの設置を省くという課題を解決している。
【００６０】
つまり、ニッケル水素電池１０は、非常に多数の単位電池で構成されているため静電容量が非常に大きくキャパシタとして充分に作用するので、本実施の形態の電力調整装置２０２は、特許文献１に示す構成のような直流コンデンサを別途備えなくとも、三相にて所望の電圧が維持され得ないということがない。
【００６１】
３．第３の実施の形態
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る電力調整装置４０２の結線図である。第３の実施の形態に係る電力調整装置４０２は、不平衡補償単相き電装置（ＳＦＣ）を構成する。「不平衡補償単相き電装置（ＳＦＣ）」は、スコット結線変圧器３のＭ座とＴ座を直接接続して形成される斜辺Ｓ座により単相き電する、不等辺スコット結線変圧器のＭ座とＴ座に各々インバータ６ｍ、６ｔを設置し、それら２つのインバータ６ｍ、６ｔを接続することにより構成される。
【００６２】
図８において、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相は、スコット結線変圧器３の三相側の入力を示す。Ｍ座とＴ座はスコット結線変圧器３により形成される二相を示す。第３の実施の形態に係る電力調整装置４０２は、Ｍ座とＴ座の夫々に接続されるインバータ６ｍ、６ｔと、インバータ６ｍ、６ｔに接続されるニッケル水素電池１０とを含む。なお、インバータ６ｍ、６ｔは、上述の従来技術によるインバータと同様のものである。
【００６３】
第３の実施の形態における電力調整装置４０２では、Ｍ座とＴ座の夫々に設けたインバータ６ｍ、６ｔにより無効電力を補償するとともに、有効電力の調整を行う。更にインバータ６ｍ、６ｔに接続してニッケル水素電池１０を設けることにより、直流コンデンサの設置を省くという課題を解決している。
【００６４】
つまり、ニッケル水素電池１０は、非常に多数の単位電池で構成されているため静電容量が非常に大きくキャパシタとして充分に作用するので、本実施の形態の電力調整装置４０２は、特許文献１に示す構成のような直流コンデンサを別途備えなくとも、き電線にてき電線電圧が維持され得ないということがない。
【００６５】
４．本発明の応用例について
次に、本発明の応用例について説明する。図９（１）は、Ａ変電所、Ｂ変電所、Ｃ変電所、及び、二つのき電区分所（ＳＰ）５１、５２を含む交流き電回路の模式図である。夫々の変電所には、従来のＳＶＣである電力補償装置（ＲＰＣ）２ａが備わっているものとする。図９（２）は、図９（１）に示す交流き電回路内のＢ変電所にて、受電停止の障害が生じた場合の、Ａ変電所、Ｂ変電所、Ｃ変電所、及び、二つのき電区分所（ＳＰ）５１、５２を含む交流き電回路の模式図である。図９（３）は、従来の電力補償装置（ＲＰＣ）２ａの結線図であり、変電所にて受電停止の障害が生じた場合の様子を示す。
【００６６】
まず、図９（１）に示す交流き電回路内のＢ変電所において、仮に受電停止の障害が生じたものとする。そうすると、交流き電回路の接続状態は、図９（２）に示すようなものとなる。つまり、図９（２）に示すように、Ａ変電所とＢ変電所の間のき電区分所５１は、Ａ変電所からき電区分所５１までの区分と、き電区分所５１からＢ変電所までの区分とを電気的に接続して、Ａ変電所からＢ変電所までを一つの救済き電区間として、電車を走行させ続ける。この場合の救済き電区間はＡ変電所からのみ電力を供給される。
【００６７】
同様に、Ｂ変電所とＣ変電所の間のき電区分所５２は、Ｂ変電所からき電区分所５２までの区分と、き電区分所５２からＣ変電所までの区分とを電気的に接続して、Ｂ変電所からＣ変電所までを一つの救済き電区間として、電車を走行させ続ける。この場合の救済き電区間はＣ変電所からのみ電力を供給される。
【００６８】
従来、Ｂ変電所の受電が停止するＢ変電所障害時の交流き電回路では、図９（３）に示すようにＢ変電所からき電線への間に設けられる遮断器２２ｍ、２２ｔが動作し通電が遮断されていた。従って、Ａ変電所からＢ変電所までの区間と、Ｂ変電所からＣ変電所までの区間では、電車が走行し得るものの、供給される電力が半分になるため電車の走行速度も大きく制限されていた。
【００６９】
図１０は、図９（２）に示す交流き電回路における変電所障害時の速度制限という問題に対処するための、本発明に係る電力調整装置の応用例を含む、交流き電回路を示す。図１０（１）は、Ａ変電所、Ｂ変電所、Ｃ変電所、及び、二つのき電区分所（ＳＰ）５１、５２を含む交流き電回路の模式図を上部に示し、各々の変電所が備える本発明に係る電力調整装置の結線図を下部に示す。電力調整装置は、図１に示す電力補償装置（ＲＰＣ）と同じものであり、Ｍ座、Ｔ座に接続されたインバータ６ｍ、６ｔ間に挿入されたキャパシタ２０の代わりにニッケル水素電池１０を備える。更に図１０に示す電力調整装置は、遮断器２２ｍ、２２ｔだけでなく、スイッチ２４ｍ、２４ｔを含む。
【００７０】
更に、図１０（２）の上部は、図１０（１）に示す交流き電回路内のＢ変電所にて受電停止の障害が生じた場合のき電区間の接続の状況を示す。図１０（２）の上部に示すように、Ａ変電所とＢ変電所の間のき電区分所５１は、Ａ変電所からき電区分所５１までの区分と、き電区分所５１からＢ変電所までの区分とを電気的に接続する。更に、Ｂ変電所とＣ変電所の間のき電区分所５２は、Ｂ変電所からき電区分所５２までの区分と、き電区分所５２からＣ変電所までの区分とを電気的に接続する。
【００７１】
図１０（２）の下部は、上記のＢ変電所での障害発生の際の、電力調整装置の状況を示す。図１０（２）の下部の電力調整装置では、スイッチ２４ｍ、２４ｔがオフの状態に成っているが、遮断器２２ｍ、２２ｔは動作していない（即ち、通電状態である）。従って、Ｂ変電所の左右のき電区間は、電力調整装置を挟んで繋がっており、更にニッケル水素電池１０により電力を供給され得る状態となっている。よって、Ａ変電所からＢ変電所までの区間と、Ｂ変電所からＣ変電所までの区間は、夫々き電区分所５１、５２の接続により救済き電区間となるが、供給される電力は全体として減少することが少ないため、それら救済き電区間を走行する電車も通常運転を続行できる。
【符号の説明】
【００７２】
２、２０２、４０２・・・電力調整装置、３・・・スコット結線変圧器、４ｍ、４ｔ・・・き電線、５ｍ、５ｔ・・・電圧計、６、６ｍ、６ｔ、６ａ、６ｂ・・・インバータ、７・・・共有線、８、８ｍ、８ｔ・・・電車、９・・・制御部、１０・・・ニッケル水素電池、２０・・・キャパシタ、２２ａ、２２ｂ、２２ｍ、２２ｔ・・・遮断器、２３ａ、２３ｂ・・・変圧器、２４ａ、２４ｂ、２４ｍ、２４ｔ・・・スイッチ、５１、５２・・・き電区分所（ＳＰ）、６５・・・電極体、６７・・・枠形部材、６９・・・第１蓋部材、７１・・・第２蓋部材。
【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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【図１０】
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【図１１】
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