(57)【要約】【課題】６．６ｋＶ受電においても、電力の制約により列車運転に支障をきたすことのない、直流き電変電所の制御方法を提供する。【解決手段】交流電力を直流電力に変換してき電線３１に供給する整流器１２と、前記整流器１２に並列接続され、電力二重層キャパシタ４１および昇圧／降圧チョッパ４２を有したキャパポスト４０とを備えた直流き電変電所において、前記整流器１２の出力電圧変動に応じた整流器出力容量を検出し、前記検出された整流器出力容量が、設定した電力、例えば契約電力を超えないように前記キャパポスト４０の出力電力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換してき電線に供給する整流器と、前記整流器に並列接続され、電力貯蔵媒体および該電力貯蔵媒体の充電、放電を制御する電力変換部を有した直流電力貯蔵装置とを備えた直流き電変電所の制御装置であって、
前記整流器の出力電圧変動に応じた整流器出力容量を検出する整流器出力容量検出部と、
前記整流器出力容量検出部により検出された整流器出力容量が、設定した電力を超えないように前記直流電力貯蔵装置の出力電力を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする直流き電変電所の制御装置。
【請求項２】
前記整流器出力容量検出部は、直流き電線側の電圧、電流から整流器出力容量を検出することを特徴とする請求項１に記載の直流き電変電所の制御装置。
【請求項３】
前記整流器出力容量検出部は、交流受電側の電圧、電流および力率から整流器出力容量を検出することを特徴とする請求項１に記載の直流き電変電所の制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記整流器の総合電圧変動率が第１の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第１の放電開始電圧を、前記第１の総合電圧変動率よりも大きい第２の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第２の放電開始電圧比べて、高く設定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の直流き電変電所の制御装置。
【請求項５】
交流電力を直流電力に変換してき電線に供給する整流器と、前記整流器に並列接続され、電力貯蔵媒体および該電力貯蔵媒体の充電、放電を制御する電力変換部を有した直流電力貯蔵装置とを備えた直流き電変電所の制御方法であって、
整流器出力容量検出部が、前記整流器の出力電圧変動に応じた整流器出力容量を検出する整流器出力容量検出ステップと、
制御部が、前記整流器出力容量検出部により検出された整流器出力容量が、設定した電力を超えないように前記直流電力貯蔵装置の出力電力を制御する制御ステップと、
を備えたことを特徴とする直流き電変電所の制御方法。
【請求項６】
前記整流器出力容量検出ステップは、直流き電線側の電圧、電流から整流器出力容量を検出することを特徴とする請求項５に記載の直流き電変電所の制御方法。
【請求項７】
前記整流器出力容量検出ステップは、交流受電側の電圧、電流および力率から整流器出力容量を検出することを特徴とする請求項５に記載の直流き電変電所の制御方法。
【請求項８】
前記制御ステップは、前記整流器の総合電圧変動率が第１の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第１の放電開始電圧を、前記第１の総合電圧変動率よりも大きい第２の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第２の放電開始電圧比べて、高く設定することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の直流き電変電所の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並列接続された整流器および直流電力貯蔵装置を備えた直流き電変電所の制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道用変電所の負荷は、時間による変化の大きい短時間大電力負荷である事は一般に良く知られている。そのため、路面電車などの小規模な鉄道事業の場合を除き、電鉄用変電所の受電電圧は６６ｋＶなど特別高圧以上のバックパワーの大きな電源系統から受電されており、６．６ｋＶ系統の高圧配電系統から受電する場合には、受電電力に制限が掛けられ整流器の出力も制限される。
【０００３】
このような出力制限があるため、６．６ｋＶ受電のき電用変電所では大電力を出力することができず列車運転に支障をきたす恐れがある。
【０００４】
尚、回生失効対策および電圧降下対策として電力貯蔵媒体を適用した直流き電システムは、例えば特許文献１、２に記載のものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２１０５１３号公報
【特許文献２】特開２００９−６７２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、６．６ｋＶ受電のき電用変電所出力は、電力会社の出力制限により２０００ｋＷ以下に規制されており、これまでは小規模な鉄道事業者の小規模な変電所への適用しかできないものであった。
【０００７】
また、特許文献１、２に記載の電力貯蔵媒体を備えたき電システムは、変電所に設置する場合は回生失効対策として適用され、変電所の中間に設置する場合は電圧降下対策として適用されてきた。これらの装置が充放電を行うことで、結果的には受電電力のピークを抑えるある程度の効果は期待できたが、６．６ｋＶ受電のき電用変電所に適用して大容量の出力が期待できるものではない。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、６．６ｋＶ受電においても、前記電力の制約により列車運転に支障をきたすことのない、電力貯蔵媒体と受電電源のハイブリット化を図った直流き電変電所の制御装置および制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための請求項１に記載の直流き電変電所の制御装置は、交流電力を直流電力に変換してき電線に供給する整流器と、前記整流器に並列接続され、電力貯蔵媒体および該電力貯蔵媒体の充電、放電を制御する電力変換部を有した直流電力貯蔵装置とを備えた直流き電変電所の制御装置であって、前記整流器の出力電圧変動に応じた整流器出力容量を検出する整流器出力容量検出部と、前記整流器出力容量検出部により検出された整流器出力容量が、設定した電力を超えないように前記直流電力貯蔵装置の出力電力を制御する制御部と、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
また請求項５に記載の直流き電変電所の制御方法は、交流電力を直流電力に変換してき電線に供給する整流器と、前記整流器に並列接続され、電力貯蔵媒体および該電力貯蔵媒体の充電、放電を制御する電力変換部を有した直流電力貯蔵装置とを備えた直流き電変電所の制御方法であって、整流器出力容量検出部が、前記整流器の出力電圧変動に応じた整流器出力容量を検出する整流器出力容量検出ステップと、制御部が、前記整流器出力容量検出部により求められた整流器出力容量が、設定した電力を超えないように前記直流電力貯蔵装置の出力電力を制御する制御ステップと、を備えたことを特徴としている。
【００１１】
また請求項２に記載の直流き電変電所の制御装置は、請求項１において、前記整流器出力容量検出部は、直流き電線側の電圧、電流から整流器出力容量を検出することを特徴としている。
【００１２】
また請求項６に記載の直流き電変電所の制御方法は、請求項５において、前記整流器出力容量検出ステップは、直流き電線側の電圧、電流から整流器出力容量を検出することを特徴としている。
【００１３】
また請求項３に記載の直流き電変電所の制御装置は、請求項１において、前記整流器出力容量検出部は、交流受電側の電圧、電流および力率から整流器出力容量を検出することを特徴としている。
【００１４】
また請求項７に記載の直流き電変電所の制御方法は、請求項５において、前記整流器出力容量検出ステップは、交流受電側の電圧、電流および力率から整流器出力容量を検出することを特徴としている。
【００１５】
上記構成によれば、整流器の出力電力は設定した電力、例えば受電契約電力を超えることがなく、且つ直流電力貯蔵装置の出力電力によって変電所としての出力電力を増加させることができる。
【００１６】
また請求項４に記載の直流き電変電所の制御装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記制御部は、前記整流器の総合電圧変動率が第１の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第１の放電開始電圧を、前記第１の総合電圧変動率よりも大きい第２の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第２の放電開始電圧比べて、高く設定することを特徴としている。
【００１７】
また請求項８に記載の直流き電変電所の制御方法は、請求項５ないし７のいずれか１項において、前記制御ステップは、前記整流器の総合電圧変動率が第１の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第１の放電開始電圧を、前記第１の総合電圧変動率よりも大きい第２の総合電圧変動率であるときにおける前記直流電力貯蔵装置の第２の放電開始電圧比べて、高く設定することを特徴としている。
【００１８】
上記構成によれば、整流器の総合電圧変動率の大小に応じて直流電力貯蔵装置の放電開始電圧を変更することができるので、整流器の総合電圧変動率が変動しても、整流器の出力電力を、設定した電力以下に確実に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
（１）請求項１〜８に記載の発明によれば、整流器の出力電力が、設定した電力、例えば電力会社の高圧受電出力制限を超えることがなく、且つき電線下の列車運転に支障をきたすことはない。
（２）請求項４、８に記載の発明によれば、整流器の総合電圧変動率の大小に応じて直流電力貯蔵装置の放電開始電圧を変更することができるので、整流器の総合電圧変動率が変動しても、整流器の出力電力を、設定した電力以下に確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態例を示す直流き電変電所の構成図。
【図２】本発明の実施形態例における制御方法を表し、直流母線電圧と変電所の出力電力の関係を示す説明図。
【図３】本発明の実施形態例における制御方法を表し、直流母線電圧と変電所の出力電力の関係を示す説明図。
【図４】本発明の実施形態例における制御方法を説明するための、整流器の出力特性図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明の実施形態例による直流き電ハイブリット変電所は、整流器と電気二重層キャパシタ（電力貯蔵媒体）のチョッパ（電力変換部）出力を並列接続し、チョッパ出力電圧を適正に制御することにより、電力会社の高圧受電出力制限を超えることなく、大容量の出力を可能とした。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態例による直流き電ハイブリット変電所の構成を示している。図１において、１０は、交流母線２０からの６．６ｋＶの交流電圧を交流遮断器５２−１を介して受電し１５００Ｖに変圧する変圧器１１と、変圧器１１の出力電圧を直流電圧に整流する整流器１２を備えた整流部である。
【００２３】
整流器１２の出力側は、正極側高速度遮断器５４Ｐ、負極側断路器８９Ｎを介してき電線３１、レール３２に接続されている。
【００２４】
４０は、高速度遮断器５４ＣＰ、断路器８９ＣＮを介して前記整流器１２に並列に接続されたキャパポスト（登録商標）である（このキャパポスト４０は回生電力貯蔵装置であり、本発明の直流電力貯蔵装置である）。
【００２５】
このキャパポスト４０は、電力貯蔵媒体としての電気二重層キャパシタ４１と、昇圧／降圧チョッパ４２（電力変換部）を構成する半導体スイッチ４２ａ，４２ｂおよびリアクトル４２Ｌと、フィルターリアクトル４３Ｌと、フィルターコンデンサ４３Ｃとを備えている。尚、前記半導体スイッチ４２ａ，４２ｂには逆導通を可能とするダイオードが各々並列に接続されている。
【００２６】
昇圧／降圧チョッパ４２は、き電線３１の電圧に応じてき電線電圧（直流母線電圧）を昇圧、降圧する制御を行う。すなわち、き電線電圧が例えば定格電圧範囲の上限を超えたら半導体スイッチ４２ａをスイッチング制御し、き電線３１から高速度遮断器５４ＣＰ、フィルターリアクトル４３Ｌ、半導体スイッチ４２ａおよびリアクトル４２Ｌを介して電気二重層キャパシタ４１に充電電流を流し、これによってき電線３１を降圧させる。
【００２７】
また、き電線電圧が例えば定格電圧範囲の下限を下回ったら半導体スイッチ４２ｂをスイッチング制御し、半導体スイッチ４２ｂのオン期間中に電気二重層キャパシタ４１によりリアクトル４２Ｌに蓄えられた電磁エネルギーを、半導体スイッチ４２ｂのオフ期間中に、半導体スイッチ４２ａに接続されたダイオード（図示省略）およびフィルターリアクトル４３Ｌおよび高速度遮断器５４ＣＰを介してき電線３１に放電し、これによってき電線３１を昇圧（電圧降下を抑制）する。
【００２８】
尚、前記昇圧／降圧チョッパ４２を制御する制御部は図示省略している。
【００２９】
前記キャパポスト４０の定格は、ＤＣ１５００Ｖ、２０００ＫＷ、放電容量は３０ＭＷ・ｓである。
【００３０】
前記昇圧／降圧チョッパ４２の充電電圧は１５５０〜１６２０Ｖの範囲、放電電圧は１３８０Ｖ〜１５００Ｖの範囲、電流は３６２６Ａ（最大時）〜１３３３Ａ（１５００Ｖ時）である。
【００３１】
前記電気二重層キャパシタ４１の定格は、１７０Ｖ、４．８Ｆ、８ＳＳ×６４Ｐ、３０ＭＷ・ｓである。
【００３２】
前記変圧器１１は、１０００ｋＷ用、６．６ｋＶ／１２００Ｖ×２で構成されている。
【００３３】
前記整流器１２は小容量整流器で構成され、定格はＤＣ１５００Ｖ、１０００ｋＷ、Ｄ種、６６７Ａである。
【００３４】
また、整流器１２のき電線側の電圧、電流を各々検出する計器用変圧器、変流器と、整流器１２の交流受電側の電圧、電流を各々検出する計器用変圧器、変流器と、それら計器用変圧器、変流器の各検出出力によって整流器の出力容量を求める（検出する）整流器出力容量検出部は図示省略している。
【００３５】
次に、本実施形態例における制御方法を図２〜図４とともに説明する。図２、図３は、図１の直流き電ハイブリット変電所の電力容量とき電線３１の電圧（直流母線電圧）との関係を示している。
【００３６】
まず、電力会社からの受電を１０００ｋＷに抑制し、キャパポスト４０の放電容量を２０００ｋＷとした場合を図２とともに説明する。
【００３７】
直流母線電圧が１５９０〜１６２０Ｖの範囲において、整流器１２はき電線負荷とキャパポスト４０の充電を行う。
【００３８】
直流母線電圧が１５９０〜１５００Ｖの範囲において、整流器１２はき電線負荷に電力を供給する。
【００３９】
直流母線電圧が１５００Ｖであるとき、整流器１２からは定格容量１０００ｋＷが出力され、キャパポスト４０からは直流母線電圧を１５００Ｖ一定とする電流が出力される（すなわちキャパポスト４０の放電開始電圧は１５００Ｖ）。
【００４０】
最大電流は整流器１２から６６７Ａ、キャパポスト４０から１３３３Ａであり、変電所として最大２０００Ａが出力される。
【００４１】
そして、電気二重層キャパシタ４１が放電終了するとキャパポスト４０は停止し、変電所出力電圧は負荷電流が２０００Ａ時には最低１２６０Ｖとなる。
【００４２】
したがって、図２の場合の変電所最大出力は３０００ｋＷである。
【００４３】
前記電力会社からの受電電力はキャパポスト４０の放電電圧により調整可能である。そこで、キャパポスト４０の放電開始電圧を例えば図３のように１３８０Ｖとし、制御部によってキャパポスト４０の出力制御を行う。
【００４４】
図３において、直流母線電圧が１５９０〜１６２０Ｖの範囲において、整流器１２はき電線負荷とキャパポスト４０の充電を行う。
【００４５】
直流母線電圧が１５９０〜１３８０Ｖの範囲において、整流器１２はき電線負荷に電力を供給する。
【００４６】
直流母線電圧が１３８０Ｖであるとき、キャパポスト４０が放電を開始し、直流母線電圧を１３８０Ｖ一定とする電流が出力される。このため整流器１２は最大１３３３Ａ（１８４０ｋＷ）で抑制され、契約電力２０００ｋＷ以下となる。
【００４７】
また、キャパポスト４０は最大１３３３Ａまで出力するので、変電所最大出力は最大出力電流２６６６Ａ、最大出力電力３６８０ｋＷまで出力可能となる。
【００４８】
本実施形態例では、上記のように、整流器１２の契約電力２０００ｋＷ（設定した電力）を超えないように、キャパポスト４０の出力電力を制御するものであるが、整流器１２の出力電圧は受電電圧の変動や、整流器１１の特性である総合電圧変動率に応じて変動する。
【００４９】
このため、前記変動に応じてキャパポスト４０の充放電の開始電圧を変更する必要がある。具体的には、例えば定格１５００Ｖ、定格容量１０００ｋＷ、総合電圧変動率５％の整流器からの出力制限容量を２０００ｋＷとする時、整流器の無負荷出力電圧は１５００×１．０５＝１５７５Ｖ、整流器出力２０００ｋＷの時の整流器出力電圧は１５００−１５００×０．０５＝１４２５Ｖである。
【００５０】
上記から、キャパポスト４０への充電開始電圧は１５５０Ｖ以上とし、放電開始電圧は１４２５Ｖとする。この場合、受電電圧の変動により整流器の出力電圧が変動し、整流器の出力容量２０００ｋＷ一定以下を厳密には守れないケースも考えられることから、受電電圧の変動に合わせて充放電の開始電圧を変更する事が必要となる。
【００５１】
そこで整流器１２の出力容量２０００ｋＷを守るために、例えば直流側の電圧と電流を常時監視し（整流器出力容量検出部による）、契約電力２０００ｋＷを超えないようにキャパポスト４０から出力する。具体的には、直流電圧×直流電流≦整流器出力２０００ｋＷを満足するようにキャパポスト４０から出力する。
【００５２】
例えば整流器出力を２０００ｋＷ以下にするため、直流出力電圧に応じて電流の閾値を設け、この電流を超えないように電気二重層キャパシタ４１から電力を出力する。
【００５３】
また他の方法としては、整流器１２の出力容量を、受電の電圧、電流、力率（φ）から計算し（整流器出力容量検出部による）、契約電力２０００ｋＷを超えないようにキャパポスト４０から出力する。具体的には、受電電圧×受電電流×√３×φ≦２０００ｋＷを満足するようにキャパポスト４０から出力する。
【００５４】
例えば整流器出力を２０００ｋＷ以下にするため、受電電圧に応じて受電電流に閾値を設け、この電流を超えないように電気二重層キャパシタ４１から電力を出力する。
【００５５】
また、前記総合電圧変動率の違いに応じてキャパポスト４０の放電開始電圧を変更する。すなわち、例えば図４に示す整流器の総合電圧変動率５％と８％の整流器出力特性のように、５％のときのキャパポスト４０の放電開始電圧（１４２５Ｖ）は、８％のときのキャパポスト４０の放電開始電圧（１３８０Ｖ）よりも高くなる。
【００５６】
尚、前記整流部１０を構成する変圧器１１、整流器１２、キャパポスト４０を構成する電気二重層キャパシタ４１、昇圧／降圧チョッパ４２の定格、容量等は前記実施形態例に限るものではない。
【符号の説明】
【００５７】
１０…整流部
１１…変圧器
１２…整流器
２０…交流母線
３１…き電線
３２…レール
４０…キャパポスト（回生電力貯蔵装置）
４１…電気二重層キャパシタ
４２…昇圧／降圧チョッパ
４２ａ，４２ｂ…半導体スイッチ
４２Ｌ…リアクトル
４３ｃ…フィルターコンデンサ
４３Ｌ…フィルターリアクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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