(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
き電線と前記き電線の帰線となるレールとの間に設けられ、双方向チョッパ部を有して電気車からの回生電力を充電制御する直流／直流変換手段、前記直流／直流変換手段が充電制御した電力を充電する電力貯蔵手段、前記直流／直流変換手段から前記電力貯蔵手段に流れる電流を検出する電流検出手段、前記電力貯蔵手段の電圧を検出する電圧検出手段、およびき電電圧を検出するき電電圧検出手段を備えた直流電気鉄道の電力貯蔵装置であって、
前記直流／直流変換手段を充電制御する制御手段は、
前記電気車が回生絞りを開始するき電電圧以上に大きく設定した電圧に、前記電圧検出手段が検出する前記電力貯蔵手段の電圧と前記電力貯蔵手段が充電絞りを開始する電圧との差を加算して得られる電圧であって、当該加算によって前記電力貯蔵手段が過電圧にならないように決定した電圧、又は前記電力貯蔵手段が充電を開始する電圧のうち、どちらか大きい電圧をき電基準電圧に決定し、
前記き電電圧検出手段により検出されたき電電圧と前記決定されたき電基準電圧との偏差に基づいて生成した電流指令値と、電力貯蔵手段の内部抵抗値を考慮して{Ｉｅｄｌｃ＋（Ｖｅｄｌｃ＿ｍａｘ−Ｖｅｄｌｃ）／Ｒｅｄｌｃ}／Ｉｅｄｌｃ＿ｍａｘ（Ｉｅｄｌｃは前記電流検出手段の検出電流、Ｖｅｄｌｃは前記電圧検出手段の検出電圧、Ｒｅｄｌｃは電力貯蔵手段の内部抵抗、Ｖｅｄｌｃ＿ｍａｘはＶｅｄｌｃの最大値、Ｉｅｄｌｃ＿ｍａｘはＩｅｄｌｃの最大値）を計算して生成した電流指令値のうち、小さい方の電流指令値を充電電流指令値とし、
前記充電電流指令値と前記電流検出手段により検出された電力貯蔵手段の充電電流検出値の偏差に基づいて前記双方向チョッパ部のデューティ比を決定し、該決定されたデューティ比に見合ったＰＷＭ信号によって前記双方向チョッパ部を制御する
ことを特徴とする直流電気鉄道の電力貯蔵装置。
【請求項２】
前記電力貯蔵手段は、ＥＤＬＣであることを特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道の電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電気鉄道に用いられる電力貯蔵装置の充電電流絞りに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流電気鉄道においては、電気車の力行、回生時に、き電電圧の電圧降下、電圧上昇の発生を抑えるために、電力貯蔵装置が設けられている。この電力貯蔵装置は、電気二重層キャパシタ（以下、ＥＤＬＣと称す）が使用され、このＥＤＬＣは、電気車からの回生電力を双方向チョッパを介して充電されるようになっている。
【０００３】
このような電力貯蔵装置として、例えば特許文献１のものが知られている。特許文献１には、ＥＤＬＣにて、電気車の回生電力を吸収する電力貯蔵装置が記載されている。特許文献１の電力貯蔵装置の特徴は、ＥＤＬＣの電圧上昇に伴いき電電圧を上昇させる機能を持たせていることであり、その結果電気車の回生電流絞り（以下、回生絞りと称す）を促す点にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０６１８６号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、回生ブレーキは定トルク制御でき電電圧が回生絞り電圧を越えた時点でノッチ（段）を切替え、不足分のブレーキ力は空力ブレーキなどの併用のブレーキが使用される。つまり、電圧上昇に伴い絞りが進むとは限らない。したがって、双方向チョッパの一次側電圧のみを上げるだけでは、実際には特許文献１の図２に示されるような電圧に比例した回生絞りが行われず、き電電圧を上げても回生電流が流れ続ける。そのため以下の問題が生じることになる。１つは、ＥＤＬＣが満充電で突然の充電停止となり、一気にパンタ点電圧（本発明では電気車のき電電圧）が上昇することで、回生失効電圧を超えてしまい電気車が回生失効になる、または、急激に機械ブレーキに切り換る為、乗り心地が悪くなる場合がある、という問題である。もう１つは、回生電流の絞りが少なく電気車が回生失効になると、比較的大きな回生電流が失効によりなくなるため、充電停止後にＥＤＬＣの端子電圧の低下が大きくなり、ＥＤＬＣのエネルギー充電量が少なくなるという問題である。
【０００６】
本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、回生失効しにくい直流電気鉄道の電力貯蔵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題の解決を図るために、き電線と前記き電線の帰線となるレールとの間に設けられ、双方向チョッパ部を有して電気車からの回生電力を充電制御する直流／直流変換手段、前記直流／直流変換手段が充電制御した電力を充電する電力貯蔵手段、前記直流／直流変換手段から前記電力貯蔵手段に流れる電流を検出する電流検出手段、前記電力貯蔵手段の電圧を検出する電圧検出手段、およびき電電圧を検出するき電電圧検出手段を備えた直流電気鉄道の電力貯蔵装置であって、前記直流／直流変換手段を充電制御する制御手段は、前記電気車が回生絞りを開始するき電電圧以上に大きく設定した電圧に、前記電圧検出手段が検出する前記電力貯蔵手段の電圧と前記電力貯蔵手段が充電絞りを開始する電圧との差を加算して得られる電圧であって、当該加算によって前記電力貯蔵手段が過電圧にならないように決定した電圧、又は前記電力貯蔵手段が充電を開始する電圧のうち、どちらか大きい電圧をき電基準電圧に決定し、前記き電電圧検出手段により検出されたき電電圧と前記決定されたき電基準電圧との偏差に基づいて生成した電流指令値と、電力貯蔵手段の内部抵抗値を考慮して{Ｉｅｄｌｃ＋（Ｖｅｄｌｃ＿ｍａｘ−Ｖｅｄｌｃ）／Ｒｅｄｌｃ}／Ｉｅｄｌｃ＿ｍａｘ（Ｉｅｄｌｃは前記電流検出手段の検出電流、Ｖｅｄｌｃは前記電圧検出手段の検出電圧、Ｒｅｄｌｃは電力貯蔵手段の内部抵抗、Ｖｅｄｌｃ＿ｍａｘはＶｅｄｌｃの最大値、Ｉｅｄｌｃ＿ｍａｘはＩｅｄｌｃの最大値）を計算して生成した電流指令値のうち、小さい方の電流指令値を充電電流指令値とし、前記充電電流指令値と前記電流検出手段により検出された電力貯蔵手段の充電電流検出値の偏差に基づいて前記双方向チョッパ部のデューティ比を決定し、該決定されたデューティ比に見合ったＰＷＭ信号によって前記双方向チョッパ部を制御することを特徴とする。
【０００８】
また、前記電力貯蔵手段は、ＥＤＬＣであることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、制御手段に入力されるき電基準電圧を式（２）により算出している。これにより、電気車の回生絞りは電気車と電力貯蔵装置との距離に関係なく電力貯蔵装置の充電絞りよりも先に、最も遅い場合でも同時に動作することで回生失効に至りにくくなる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１および２の発明によれば、制御手段に入力されるき電基準電圧を式（２）により算出している。これにより、電気車の回生絞りは電気車と電力貯蔵装置との距離に関係なく電力貯蔵装置の充電絞りよりも先に、最も遅い場合でも同時に動作することで回生失効に至りにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】直流電気鉄道に電力貯蔵装置を用いた場合の概略図。
【図２】電力貯蔵装置の構成図。
【図３】本発明で使用される充電電流絞りを採用した制御部のブロック構成図。
【図４】電気車回生絞りより先に電力貯蔵装置充電絞りが動作する場合の説明図。
【図５】電気車回生絞りと電力貯蔵装置充電絞りとが同時に動作する場合の説明図。
【図６】電気車回生絞りが電力貯蔵装置充電絞りより先に動作する場合の説明図。
【図７】式（２）を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態における直流電気鉄道の電力貯蔵装置を図面等に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、電力貯蔵装置を直流電気鉄道に用いた場合の概略図である。図１には、き電線１、き電線１から電力が供給されレール２を走行する電気車３、およびき電線１とレール２との間に介挿された電力貯蔵装置１０が図示されている。
【００１４】
近年、電気車３には回生ブレーキを備えている車両が多く、回生ブレーキの動作時に電気車３が位置するき電線のき電電圧（以下、電気車き電電圧という。）を監視し、この電圧が規定値以上のときには電圧に応じて回生電流を１００％から０％に絞り込むことにより、き電電圧の過剰な上昇を防止する装置（図示省略）が備えられている。
【００１５】
双方向チョッパ部１１は、き電線１とレール２との間に直列接続された半導体スイッチング素子１２ａ，１２ｂ（例えばＩＧＢＴ等）、および一端が半導体スイッチング素子１２ａ，１２ｂの共通接続点に接続された平滑化リアクトル１３を備えている。平滑化リアクトル１３の他端は、ＥＤＬＣ１４の一端に接続され、ＥＤＬＣ１４の他端はレール２に接続されている。
【００１６】
なお、双方向チョッパ部１１が、直流／直流変換手段に相当し、ＥＤＬＣ１４が電力貯蔵手段に相当する。
【００１７】
ここで、図１のＶｔｒａｉｎは電気車き電電圧とし、Ｖｄｃは電力貯蔵装置１０が位置するき電線のき電電圧とし、ＶｅｄｌｃはＥＤＬＣ１４の電圧とし、Ｉｒｅｇは電力貯蔵装置１０が充電する、き電線１を流れる電気車３からの回生電流とし、Ｒは等価的に表したき電線１のき電抵抗とし、Ｄｔｅは電気車３と電力貯蔵装置１０との距離とする。
【００１８】
図２を用いて電力貯蔵装置１０について述べる。
【００１９】
電力貯蔵装置１０は、双方向チョッパ部１１、ＥＤＬＣ１４以外に、き電電流検出器１５、フィルタ用リアクトル１６、フィルタ用コンデンサ１７、き電電圧検出器１８、ＥＤＬＣ電圧検出器１９、ＥＤＬＣ電流検出器２０を備えている。なお、き電電圧検出器１８がき電電圧検出手段に相当し、ＥＤＬＣ電圧検出器１９が電圧検出手段に相当し、ＥＤＬＣ電流検出器２０が電流検出手段に相当する。
【００２０】
き電線１とレール２との間にフィルタ用リアクトル１６およびフィルタ用コンデンサ１７が直列に接続されている。また、き電電流検出器１５はフィルタ用リアクトル１６のき電線１との接続線に設けられ、き電電圧検出器１８は、一端がき電線１とフィルタ用リアクトル１６との共通接続点に接続され、他端がレール２に接続されている。
【００２１】
ＥＤＬＣ電圧検出器１９は、一端が平滑化リアクトル１３とＥＤＬＣ１４との共通接続点に接続され、他端がレール２に接続されている。また、ＥＤＬＣ電流検出器２０は、平滑化リアクトル１３とＥＤＬＣ１４との共通接続点に設けられている。
【００２２】
図３は、双方向チョッパ部１１の半導体スイッチング素子１２ａ，１２ｂを制御する、後述するフィルタ５６による充電電流絞りを（以下、充電絞りと称す。）採用した回生電力の充電制御を行う制御部５０の制御ブロック構成図である。なお、制御部５０が制御手段に相当する。
【００２３】
図３において、前記き電電圧検出器１８で検出された電力貯蔵装置１０のき電電圧検出値（以下、電力貯蔵き電電圧と称す。）Ｖｄｃとき電基準電圧値（電力貯蔵装置１０のき電電圧指令値）Ｖｄｃｒｅｆとの偏差を偏差部５１で求め、その偏差部５１の偏差出力を規格化演算部５２に入力して、この規格演算部５２で入力された値を定格値で除算して規格演算出力値（例えば、定格電圧２０００Ｖで、入力電圧１０００Ｖの場合、規格演算出力値として０．５となる。）を得る。この出力値は、ＰＩアンプ５３に入力されて、出力に電流指令値を得る。この電流指令値は、リミッタ５４に入力されて「０〜１」に制限処理される。
【００２４】
このリミッタ５４により制限処理された電流指令値とＥＤＬＣ１４の内部抵抗値を考慮して電流指令値を絞るフィルタ５６により絞られた新たな電流指令値とを比較器５５により比較して、小さい方の電流指令値を充電電流指令値として出力する。この充電電流指令値は、（Ｉｅｄｌｃ＋（Ｖｅｄｌｃ＿ｍａｘ−Ｖｅｄｌｃ）／Ｒｅｄｌｃ）／Ｉｅｄｌｃ＿ｍａｘにより算出される。なお、ＩｅｄｌｃはＥＤＬＣ１４に流れる電流であり、ＲｅｄｌｃはＥＤＬＣ１４の内部抵抗であり、Ｖｅｄｌｃ＿ｍａｘはＶｅｄｌｃの最大値であり、Ｉｅｄｌｃ＿ｍａｘはＩｅｄｌｃの最大値である。
【００２５】
比較器５５から出力された充電電流指令値とＥＤＬＣ１４の充電電流検出値（ＥＤＬＣ電流検出器２０で検出）との偏差を偏差部５７で求め、その偏差出力が、ＰＩアンプ５８に供給され、ＰＩアンプ５８により双方向チョッパ部１１のデューティを決めるＰＩ制御出力を送出する。
【００２６】
ＰＩアンプ５８から送出されたＰＩ制御出力は、リミッタ５９で「０〜１」に制限処理されて双方向チョッパ部１１のデューティ比を制御するＤＵＴＹアンプ６０に入力される。このＤＵＴＹアンプ６０から出力されるデューティ比に見合ったＰＷＭ信号をＣＭＰ生成部６１で生成する。
【００２７】
ＡＮＤ回路部６２には、回生電力が発生したときに図示しないシステムなどから送出される充電許可条件信号とゲート許可条件信号（充放電許可モード）が供給され、これら充電許可条件信号とゲート許可条件信号が満たされたとき、そのＡＮＤ回路部６２からの出力信号が、ＡＮＤ回路部６３の第１入力端子に供給される。また、ＣＭＰ生成部６１で生成されたＰＷＭ信号がＡＮＤ回路部６３の第２入力端子に供給される。これら両入力端子に信号が供給された時に、ＡＮＤ回路部６３の出力からは、双方向チョッパ部１１にゲート信号が与えられて、双方向チョッパ部１１の半導体スイッチング素子１２ａ，１２ｂが制御される。
【００２８】
次に動作について説明する。
【００２９】
図４は、電気車３の回生絞りよりも先に電力貯蔵装置１０の充電絞りが動作する場合の各電圧の時間変化である。縦軸の各電圧の項目は上から順に、電気車３の回生絞り開始電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ、前述した電気車き電電圧Ｖｔｒａｉｎおよび電力貯蔵き電電圧Ｖｄｃ、ＥＤＬＣ１４の充電上限電圧（Ｖｅｄｌｃ充電絞り開始電圧）、ＥＤＬＣ電圧Ｖｅｄｌｃおよび電力貯蔵装置１０が充電する回生電流Ｉｒｅｇである。
【００３０】
各電圧の時間変化は以下のようになる。
【００３１】
回生電流Ｉｒｅｇが流れ、ＥＤＬＣ電圧Ｖｅｄｌｃが上昇しＥＤＬＣ１４の電圧が電力貯蔵装置１０の充電絞り開始ＥＤＬＣ電圧であるＶｅｄｌｃ充電絞り開始電圧に達すると電力貯蔵装置１０の充電絞りが動作する。
【００３２】
この場合、電力貯蔵装置１０が充電する回生電力＜電気車３の回生電力となるため、き電線１の電圧が上昇する。その結果、き電線１の電圧上昇により電気車３の回生絞りが動作し始める。この際、き電線１の電圧上昇が急峻であると電圧上昇を抑えられないこともあり、回生失効に至ってしまう。
【００３３】
ここで、図４の中に記載されている数式Ｖｔｒａｉｎ−Ｖｄｃ＝Ｉｒｅｇ×Ｒｒａｉｌについて説明する。
【００３４】
図１より、回生時の電気車き電電圧Ｖｔｒａｉｎは、次式で表すことができる。
Ｖｔｒａｉｎ＝Ｖｄｃ＋Ｉｒｅｇ×Ｒｌｉｎｅ×Ｄｔｅ  ・・・（１）
Ｒｒａｉｌ＝Ｒｌｉｎｅ×Ｄｔｅとし変形すると、
Ｖｔｒａｉｎ−Ｖｄｃ＝Ｉｒｅｇ×Ｒｒａｉｌとなり、図４に記載される数式となる。
【００３５】
図５は、電気車３の回生絞りと電力貯蔵装置１０の充電絞りが同時に動作する場合の各電圧の時間変化である。電圧の項目は図４と同じである。そのため、図４と共通部分については説明を省略する。
【００３６】
電力貯蔵装置１０が充電する回生電力＝電気車３の回生電力となるため、それぞれの絞りが動作した後は、き電線１の電圧はほぼ一定に抑えられる。
【００３７】
図６は、電気車３の回生絞りが動作した後に電力貯蔵装置１０の充電絞りが動作する場合の各電圧の時間変化である。電圧の項目は図４と同じである。そのため、図４と共通部分については説明を省略する。
【００３８】
この場合、電力貯蔵装置１０が充電する回生電力≧電気車３の回生電力となるため、き電線１の電圧は上昇しない。その後電力貯蔵装置１０の充電絞りが動作を開始すると、一時的に電力貯蔵装置１０が充電する回生電力≦電気車３の回生電力となるが、既に電気車３側の回生絞りが動作中のため、き電線１の電圧は上昇し難い。
【００３９】
したがって、図５，６より電気車３の回生絞りが電力貯蔵装置１０の充電絞りよりも先に動作するように、最も遅い場合でも同時に動作するように電力貯蔵装置１０を設定することが必要である。そのためには、ＥＤＬＣ１４の電圧Ｖｅｄｌｃが電力貯蔵装置１０の充電絞り開始ＥＤＬＣ電圧であるＶｅｄｌｃ充電絞り開始電圧に到達する前に、電気車３のき電電圧が回生絞りの動作開始電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを超える必要がある。そのため、本発明は、制御部５０に入力されるき電基準電圧Ｖｄｃｒｅｆを以下のように設定している。
【００４０】
式（１）よりＤｔｅ＝０のときはＲｌｉｎｅ×０＝０、すなわちＶｔｒａｉｎ＝Ｖｄｃとなる。Ｄｔｅが０以外のときは電気車３の回生時は常にＶｔｒａｉｎ＞Ｖｄｃとなる。
【００４１】
ここで、式（２）で算出されるＶｄｃ’をき電基準電圧Ｖｄｃｒｅｆに採用する。
Ｖｄｃ’＝ｍａｘ（ａ１×（Ｖｅｄｌｃ−Ｖｅｄｌｃ充電絞り開始）＋Ｖｄｃ２，Ｖｄｃｓ）  ・・・（２）
すると、Ｄｔｅ＝０で電気車３の回生絞りと電力貯蔵装置１０の充電絞りが同時に動作するように電力貯蔵装置１０は動作する。回生時は常にＶｔｒａｉｎ＞Ｖｄｃとなり、電気車３の回生絞りが先に動作することになる。
【００４２】
なお、ａ１はＥＤＬＣ１４の内部抵抗とＥＤＬＣ電流検出器２０が検出するＥＤＬＣ１４の充電電流との乗算で求められる電圧から、当該電圧の加算によりＥＤＬＣ１４が過電圧にならないように決定される変数である。ＶｅｄｌｃはＥＤＬＣ電圧検出器１９が検出するＥＤＬＣ１４の電圧であり、Ｖｅｄｌｃ充電絞り開始はＥＤＬＣ１４の充電上限電圧である電力貯蔵装置１０の充電絞りが開始されるＥＤＬＣ１４の電圧である。Ｖｏｆｆｓｅｔは電気車３が回生絞りを開始するき電電圧である。ただし、電気車３により回生絞りの開始き電電圧が異なるので、電気車３のうちで最も高い回生絞りの開始き電電圧の値とする。Ｖｄｃ２はＶｏｆｆｓｅｔ以上のき電電圧である。Ｖｄｃｓは電力貯蔵装置１０が充電を開始するき電電圧である。ｍａｘ（ｘ，ｙ）はｘとｙのうちどちらか大きい電圧を出力する。
【００４３】
式（２）より、ａ１×（Ｖｅｄｌｃ−Ｖｅｄｌｃ充電絞り開始）＋Ｖｄｃ２またはＶｄｃｓのうちどちらか大きい方の値がき電基準電圧Ｖｄｃｒｅｆとして偏差部５１に入力される。
【００４４】
図７を用いて、式（２）を更に説明する。図７は、式（２）を説明するための図面であり、縦軸にき電基準電圧（Ｖｄｃ’）をとり、横軸にＥＤＬＣの電圧をとっている。縦軸の項目は上から順に、電気車３の回生失効電圧または電気車３のき電過電圧、電気車３の回生絞り開始電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ、電力貯蔵装置１０の充電開始電圧Ｖｄｃｓである。また、横軸は右から順にＥＤＬＣ１４の過電圧、電力貯蔵装置１０の充電絞り開始ＥＤＬＣ電圧であるＶｅｄｌｃ充電絞り開始電圧（ＥＤＬＣ１４の充電上限電圧）である。
【００４５】
図中の２本の斜めの線は、一方がＶｄｃ２＞Ｖｏｆｆｓｅｔの場合で、他方がＶｄｃ２＝Ｖｏｆｆｓｅｔの場合である。この斜めの線の傾きがａ１となる。Ｖｄｃ２＝Ｖｏｆｆｓｅｔとして、Ｖｏｆｆｓｅｔと電力貯蔵装置１０の充電絞り開始電圧との交点を通るように設定すると、Ｄｔｅ＝０で同時に電気車３の回生絞りと電力貯蔵装置１０の充電絞りとが動作する。Ｖｄｃ２＞Ｖｏｆｆｓｅｔの場合は、必ず電気車３の回生絞りが先に動作する。また、Ｖｄｃ２は前記斜めの線と充電絞り開始電圧を示す直線との交点となる。
【００４６】
このように、制御部５０に入力されるき電基準電圧Ｖｄｃｒｅｆを式（２）により算出している。これにより、電気車３の回生絞りは電気車３と電力貯蔵装置１０との距離に関係なく電力貯蔵装置１０の充電絞りよりも先に、最も遅い場合でも同時に動作する。その結果、電気車３の回生絞りが動作した直後は、電力貯蔵装置１０が充電する回生電力≧電気車３からの回生電力となる。その後、電力貯蔵装置１０の充電絞りが動作しても、図５，６で説明したようになるため回生失効に至りにくくなる。
【００４７】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００４８】
例えば、電力貯蔵手段は蓄電池であってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…き電線
２…レール
３…電気車
１０…電力貯蔵装置
１１…双方向チョッパ部
１２ａ，１２ｂ…半導体スイッチング素子
１３…平滑化リアクトル
１４…ＥＤＬＣ（電気二重層キャパシタ）
１５…き電電流検出器
１６…フィルタ用リアクトル
１７…フィルタ用コンデンサ
１８…き電電圧検出器
１９…ＥＤＬＣ電圧検出器
２０…ＥＤＬＣ電流検出器
５０…制御部
５１，５７…偏差部
５２…規格演算部
５３，５８…ＰＩアンプ
５４，５９…リミッタ
５５…比較器
５６…フィルタ
６０…ＤＵＴＹアンプ
６１…ＣＭＰ生成部
６２，６３…ＡＮＤ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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