(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧と直流電流を乗算したものを別途検出される電力系統の交流電圧で除算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【請求項２】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧と直流電流を乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【請求項３】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧と直流電流を乗算したものを別途検出される電力系統の交流電圧で除算した値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【請求項４】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧と直流電流を乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算して得た値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【請求項５】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものを別途検出した電力系統の交流電圧で除算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【請求項６】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【請求項７】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものを別途検出した電力系統の交流電圧で除算した値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【請求項８】
電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、
前記電力回生インバータの直流電圧を制御するために、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算した値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求めることを特徴とする電力回生インバータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９に電力回生インバータが設置される電力系統図を示す。
ここでは、直流電車５の電力を電力系統１から供給するための整流器３、および直流電車５からの回生電力を電力系統８に回生する電力回生インバータ６が示されている。電力系統１から直流電車５へ電力を供給する場合、電力系統１から変圧器２を介し整流器３で交流から直流に変換し、き電線４を介して直流電車５に直流電力を供給している。直流電車５では図１０のように、き電線４からの直流電力をパンタグラフ１０およびコンデンサ１１を介して電力変換器１２をインバータ動作させることで、モータ１３を駆動させる。また、直流電車５が減速する場合は、モータ１３を発電動作させ、電力変換器１２を整流器動作させ、き電線４に電力を回生させる（回生ブレーキ）。
【０００３】
ここで、直流電車５からの回生電力は他の直流電車に供給されることが多いが、他の直流電車が電力を必要としない場合は、この回生電力によって直流電圧が上昇し回生ブレーキ失効となることがあるため、電力回生インバータ６によって交流に変換し、変圧器７を介して交流母線（電力系統）８に回生する。
図１１に電力回生インバータの例を示す。
同図はサイリスタ１５ａ〜１５ｆからなる他励式インバータを示す。この他励式インバータでは、図１３に示すようなＤＣＰＴ（直流変圧器）１６で検出される直流電圧Ｅｄから、直流電圧設定器１７で設定されたＥｄ＊を減算器１８で減算した偏差から、直流電圧調節器２０で制御進み角指令値を演算することで、回生電力によって上昇する直流電圧を制御するようにしている。
【０００４】
また、最近では自己消弧型半導体素子の大容量化に伴い、図１１の他励式インバータに代えて図１２に示すような自励式インバータを用いる傾向にある。
この自励式インバータは、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような自己消弧型半導体素子２２ａ〜２２ｆ，ダイオード２３ａ〜２３ｆおよびコンデンサ２４からなる。力率１制御が可能で、低次高調波の発生が少なく、しかも電源擾乱に強いというメリットを有している。
この自励式インバータでも、上記他励式インバータと同じく図１４に示すように、ＤＣＰＴ１６で検出される直流電圧Ｅｄから、直流電圧設定器１７で設定されたＥｄ＊を減算器１８で減算した偏差から、直流電圧調節器２０で電流指令値を演算することで、回生電力によって上昇する直流電圧を制御するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１２に示す自励式インバータで電力回生する場合、直流電車５からの回生電力は急峻に立ち上がり、この回生電力による電圧上昇は短時間で非常に大きくなってしまうことがある。このため、回生電力による電圧上昇が回生ブレーキ失効電圧に到達する前に電力系統８に回生するためには、電力回生インバータ６ｂの応答時間を速くしなければならない。電力回生インバータ６ｂの応答時間は直流電圧調節器２０の時定数が支配的であるが、この時定数はコンデンサ２４の静電容量に依存する。つまり、コンデンサ２４の静電容量を大きくすると時定数も大きく（長く）なり、小さくすると小さくなる（短く）という関係がある。そして、コンデンサ２４の静電容量を小さくすると、下記（１）式に示すように回生電力による電圧上昇はさらに大きくなり、さらに、応答時間を速くしなければならなくなる。一方、コンデンサ２４の静電容量を大きくすると時定数は長くなり、応答時間が遅くなってしまうという問題がある。
ΔＥ＝∫ｉ（ｔ）ｄｔ／Ｃ                                    …（１）
（ΔＥ：電圧上昇量、ｉ：回生電流、Ｃ：コンデンサ静電容量）
したがって、この発明の課題は、電力回生インバータの応答時間を速くすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、電車からの回生電力を電力系統に回生する電力回生インバータの制御装置において、前記電力回生インバータの直流電圧を制御するに当たり、下記（１）〜（８）のようにしている。
（１）請求項１の発明では、直流電圧と直流電流を乗算したものを別途検出される電力系統の交流電圧で除算して、交流電流指令値を求める。
（２）請求項２の発明では、直流電圧と直流電流を乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算して、交流電流指令値を求める。
【０００７】
（３）請求項３の発明では、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧と直流電流を乗算したものを別途検出される電力系統の交流電圧で除算した値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求める。
（４）請求項４の発明では、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧と直流電流を乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算して得た値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求める。
【０００８】
（５）請求項５の発明では、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものを別途検出した電力系統の交流電圧で除算して、交流電流指令値を求める。
（６）請求項６の発明では、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算して、交流電流指令値を求める。
【０００９】
（７）請求項７の発明では、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものを別途検出した電力系統の交流電圧で除算した値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求める。
（８）請求項８の発明では、直流電圧設定値と直流電圧との偏差を直流電圧調節器に入力し、かつ、直流電圧に相当する値と直流電流とを乗算したものに電力系統の交流電圧に相当する値の逆数を乗算した値に前記直流電圧調節器の出力を加算して、交流電流指令値を求める。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
これは、直流電圧をＤＣＰＴ１６で検出した検出値Ｅｄと、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄとを、乗算器２７により掛け合わせて得られる（Ｅｄ×Ｉｄ）を、変圧器（ＰＴ）２８で検出した交流電圧から実効値演算器２９でその実効値Ｖｓを演算し、ゲイン要素３０で一定のゲインを乗じた値で除算することで、電流指令値Ｉ＊を求めるものである。この電流指令値Ｉ＊にもとづきインバータ６ｂの電流制御を行なうことにより、回生電力によって上昇する直流電圧を制御する。
【００１１】
ゲイン要素３０におけるゲインの決め方は以下の通りである。
いま、電力回生インバータ６ｂと変圧器７の変換損失を無視し、直流電力Ｗｄと交流電力Ｗｓは等しいと考える。つまり、交流電圧Ｖｓを相電圧とすると、
Ｗｄ＝Ｗｓ
Ｗｄ＝Ｅｄ×Ｉｄ，Ｗｓ＝３×Ｖｓ×Ｉ
から、
Ｅｄ×Ｉｄ＝３×Ｖｓ×Ｉ
となり、
Ｉ＝Ｅｄ×Ｉｄ／（３×Ｖｓ）                                …（１）
となることから、ゲインは「３」と決めることができる。
【００１２】
また、交流電圧Ｖｓが線間電圧の場合は、
Ｗｓ＝√３×Ｖｓ×Ｉ
から、
Ｅｄ×Ｉｄ＝√３×Ｖｓ×Ｉ
となり、
Ｉ＝Ｅｄ×Ｉｄ／（√３×Ｖｓ）                              …（２）
となることから、ゲインは「√３」と決めることができる。
【００１３】
上記Ｉ＊は交流電流実効値の指令値であるが、交流電流ピーク値を演算することもある。その場合のゲインの設定は、上式のＩを（Ｉ／√２）とし、Ｖｓが相電圧の場合は「３／√２」、Ｖｓが線間電圧の場合は「√３／√２」をそれぞれ設定すれば良い。
このように、直流電圧調節器を用いることなく直流電圧と直流電流を乗算し、回生する電力系統の交流電圧で除算することで交流電流指令値を求め、この指令値にもとづき電力回生インバータ６ｂを制御するようにしたので、高速な制御が可能になる。
【００１４】
図２はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
これは、交流電圧がほとんど変動せず、常にほぼ一定である場合に使用して好適である。すなわち、直流電圧をＤＣＰＴ１６で検出した検出値Ｅｄと、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄとを、乗算器２７により掛け合わせて得られる（Ｅｄ×Ｉｄ）に、交流電圧に相当する値の逆数を持つゲインをゲイン要素３２で掛けることにより、電流指令値Ｉ＊を求めるものである。
【００１５】
ゲイン要素３２におけるゲインの求め方としては、交流電圧Ｖｓが相電圧の場合は、先の（１）式からゲインは「１／（３×Ｖｓ）」、交流電圧Ｖｓが線間電圧の場合は、先の（２）式から「１／（√３×Ｖｓ）」と決めることができる。また、交流電流ピーク値の指令値を求める場合は図１の場合と同様に、Ｖｓが相電圧の場合は「√２／（３×Ｖｓ）」を、Ｖｓが線間電圧の場合は「√２／（√３×Ｖｓ）」を設定すれば良い。以上のようにすることで、図１よりも簡単な構成で高速な制御が可能になる。
【００１６】
図３はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図で、図１の変形例を示す。
これは、回生電力をすべて回生せず、回生失効電圧以下ならば若干の電圧上昇を許容できる点に鑑み、直流電圧を任意の設定値で制御する場合に用いて好適である。
すなわち、直流電圧をＤＣＰＴ１６で検出した検出値Ｅｄと、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄとを、乗算器２７で掛け合わせて得られる（Ｅｄ×Ｉｄ）を、変圧器（ＰＴ）２８で検出した交流電圧から実効値演算器２９でその実効値Ｖｓを演算し、これにゲイン要素３０で一定のゲインを乗じた値で除算することで電流指令値Ｉ１を求める一方、上記Ｅｄから直流電圧設定器１７に設定されたＥｄ＊を減算器１８で減算した偏差より直流電圧調節器２０によって電流指令値Ｉ２を求め、加算器３３でＩ１とＩ２を加算して交流電流指令値Ｉ＊を求めるものである。
つまり、Ｉ１にて回生電力を全て回生する電流指令値を演算するが、Ｉ２によって直流電圧設定値Ｅｄ＊となるように調節するものと言える。ゲイン要素３０によるゲインの設定については図１の場合と同様であり、その効果も図１に示すものに加えて、直流電圧調節器２０を補助的に用いることで、直流電圧を任意の設定値で制御することが可能となる。
【００１７】
図４はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図で、図２の変形例を示す。
これは、回生電力をすべて回生せず、回生失効電圧以下ならば若干の電圧上昇を許容でき、交流電圧がほとんど変動せずにほぼ一定で、直流電圧を任意の設定値で制御する場合に用いて好適である。
すなわち、直流電圧をＤＣＰＴ１６で検出した検出値Ｅｄと、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄとを、乗算器２７で掛け合わせて得られる（Ｅｄ×Ｉｄ）に、交流電圧に相当する値の逆数を持つゲインをゲイン要素３２で乗算して電流指令値Ｉ１を求める一方、上記Ｅｄから直流電圧設定器１７に設定されたＥｄ＊を減算器１８で減算した偏差より直流電圧調節器２０によって電流指令値Ｉ２を求め、加算器３３でＩ１とＩ２を加算して交流電流指令値Ｉ＊を求めるものである。
つまり、Ｉ１にて回生電力を全て回生する電流指令値を演算するが、Ｉ２によって直流電圧設定値Ｅｄ＊となるように調節するものと言える。ゲイン要素３０によるゲインの設定については図２の場合と同様であり、その効果も図２に示すものに加えて、直流電圧調節器２０を補助的に用いることで、直流電圧を任意の設定値で制御することが可能となる。
【００１８】
図５はこの発明の第５の実施の形態を示す構成図で、図１の例で直流電圧の変化がほとんど無いと考えられる場合に用いて好適である。
すなわち、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄに、直流電圧に相当する値を持つゲイン３４を掛け合わせ、ＰＴ２８で検出した交流電圧から実効値演算器２９でその実効値Ｖｓを演算し、ゲイン要素３０で一定のゲインを乗じた値で割算器３１により除算することで、電流指令値Ｉ＊を求めるものである。なお、ゲイン要素３０によるゲインの設定方法は図１と同様なので説明は省略する。
【００１９】
図６はこの発明の第６の実施の形態を示す構成図で、図２の例で直流電圧の変化がほとんど無いと考えられる場合に使用して好適である。
すなわち、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄに、直流電圧に相当する値を持つゲイン３４を掛け合わせ、さらに交流電圧に相当する値の逆数を持つゲインをゲイン要素３２で掛けることにより、電流指令値Ｉ＊を求めるものである。ここで、直流電圧に相当する値を持つゲインと交流電圧に相当する値の逆数を持つゲインとを総合したゲインを考え、これをゲイン要素３５で設定して電流指令値Ｉ＊を求めることもできる。なお、ゲイン要素３２によるゲインの設定方法は図２と同様なので説明は省略する。
【００２０】
図７はこの発明の第７の実施の形態を示す構成図である。これは図３と図５の例を組み合わせたもので、直流電圧の変化がほとんどなく、回生電力はすべて回生せずに回生失効電圧以下ならば若干の電圧上昇を許容でき、かつ任意の設定値で制御する場合に使用して好適である。
すなわち、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄに、直流電圧に相当する値を持つゲイン３４を掛け合わせ、ＰＴ２８で検出した交流電圧から実効値演算器２９でその実効値Ｖｓを演算し、ゲイン要素３０で一定のゲインを乗じた値で割算器３１により除算することで、電流指令値Ｉ１を求める一方、上記Ｅｄから直流電圧設定器１７に設定されたＥｄ＊を減算器１８で減算した偏差より直流電圧調節器２０によって電流指令値Ｉ２を求め、加算器３３でＩ１とＩ２を加算して交流電流指令値Ｉ＊を求めるものである。なお、ゲイン要素３０によるゲインの設定方法は図１と同様であり、また、効果も図３と図５の双方を加味したものとなる。
【００２１】
図８はこの発明の第８の実施の形態を示す構成図である。これは図４と図６の例を組み合わせたもので、直流電圧の変化がほとんどなく、回生電力はすべて回生せずに回生失効電圧以下ならば若干の電圧上昇を許容でき、かつ任意の設定値で制御する場合に使用して好適である。
すなわち、ＤＣＣＴ２６で検出した直流電流Ｉｄに、直流電圧に相当する値を持つゲイン３４を掛け合わせ、交流電圧に相当する値の逆数を持つゲインをゲイン要素３２で乗じて、電流指令値Ｉ１を求める一方、上記Ｅｄから直流電圧設定器１７に設定されたＥｄ＊を減算器１８で減算した偏差より直流電圧調節器２０によって電流指令値Ｉ２を求め、加算器３３でＩ１とＩ２を加算して交流電流指令値Ｉ＊を求めるものである。なお、ゲイン要素３２によるゲインの設定方法は図２と同様であるが、図６の例と同様に、直流電圧に相当する値を持つゲインと交流電圧に相当する値の逆数を持つゲインとを総合したゲインを考え、これをゲイン要素３５で設定して電流指令値Ｉ＊を求めることもできる。また、効果も図４と図６の双方を加味したものとなる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、交流電流指令値を得るにあたって、直流電圧調節器を用いないか、または補助的に用いるようにしたので、電力回生インバータを高速に制御することが可能となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図５】この発明の第５の実施の形態を示す構成図である。
【図６】この発明の第６の実施の形態を示す構成図である。
【図７】この発明の第７の実施の形態を示す構成図である。
【図８】この発明の第８の実施の形態を示す構成図である。
【図９】電力回生インバータが設置される電力系統図である。
【図１０】直流電車の構成例を示す構成図である。
【図１１】一般的な電力回生インバータの第１の例を示す構成図である。
【図１２】一般的な電力回生インバータの第２の例を示す構成図である。
【図１３】電力回生インバータ制御装置の第１の従来例を示す構成図である。
【図１４】電力回生インバータ制御装置の第２の従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１，８…電力系統、２，７，９…変圧器、３…整流器、４…き電線、５…直流電車、６…電力回生インバータ、６ａ…他励式電力回生インバータ、６ｂ…自励式電力回生インバータ、１０…パンタグラフ、１１，２４…コンデンサ、１２…電力変換器、１３…モータ、１４…リアクトル、１５ａ〜１５ｆ…サイリスタ、１６…ＤＣＰＴ（直流変圧器）、１７…直流電圧設定器、１８…減算器、２０…直流電圧調節器、２２ａ〜２２ｆ…自己消弧型半導体素子、２３ａ〜２３ｆ…ダイオード、２６…ＤＣＣＴ（直流変流器）、２７…乗算器、２８…ＰＴ（変圧器）、２９…実効値演算器、３０，３２，３４，３５…ゲイン要素、３１…除算器、３３…加算器。
【図１】
0003613377.tif 000002
【図２】
0003613377.tif 000003
【図３】
0003613377.tif 000004
【図４】
0003613377.tif 000005
【図５】
0003613377.tif 000006
【図６】
0003613377.tif 000007
【図７】
0003613377.tif 000008
【図８】
0003613377.tif 000009
【図９】
0003613377.tif 000010
【図１０】
0003613377.tif 000011
【図１１】
0003613377.tif 000012
【図１２】
0003613377.tif 000013
【図１３】
0003613377.tif 000014
【図１４】
0003613377.tif 000015