(57)【要約】【課題】変電所間の横流を抑制し、かつ、電力回生車の回生率を高め、省エネルギーを可能とする鉄道用直流変電所を提供する。【解決手段】整流器５と直流き電回路側１１の間に、スイッチング素子７１、コンデンサ７２、ダイオード７３、リアクトル７４等で構成される降圧チョッパ回路と、電圧制御切替装置７５より成る送り出し電圧制御回路７を設ける。直流き電回路側１１の電車負荷が小さい時間帯、または、整流器５の平均電流値が所定のしきい値よりも小さい場合に、電圧制御切替装置を開放して、降圧チョッパ回路を動作させ、直流き電回路側１１への送り出し電圧を降圧する。【選択図】図１
2014184911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電気鉄道に設備される鉄道用直流変電所であって、
三相交流を整流する整流器の正極側に設けられ、き電回路への送り出し電圧を制御する送り出し電圧制御回路と、
前記送り出し電圧制御回路を動作させる制御信号を前記送り出し電圧制御回路に送る制御手段と、
を具備することを特徴とする鉄道用直流変電所。
【請求項２】
前記送り出し電圧制御回路は、スイッチング素子、及び、コンデンサ、及び、ダイオードから成る降圧チョッパ回路、及び、前記降圧チョッパ回路をオン・オフする切替装置で構成され、前記制御信号がない場合には、前記切替装置が前記降圧チョッパ回路をオフにし、送り出し電圧を前記整流器の出力とし、前記制御信号を受けた場合には前記降圧チョッパ回路をオンにし、送り出し電圧を降下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道用直流変電所。
【請求項３】
前記送り出し電圧制御回路は、単相フルブリッジコンバータ、及び、電池又はキャパシタで構成され、前記制御信号を受けた場合に、前記単相フルブリッジコンバータをスイッチングさせて送り出し電圧を降下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道用直流変電所。
【請求項４】
前記制御手段は、前記き電回路側の電車負荷が小さい時間帯に、前記制御信号を前記送り出し電圧制御回路に送る
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉄道用直流変電所。
【請求項５】
前記制御手段は、前記整流器の平均電流値を測定し、前記平均電流値が所定のしきい値よりも小さく、かつ、前記き電回路側の電車負荷が小さい時間帯である場合に、前記制御信号を前記送り出し電圧制御回路に送る
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉄道用直流変電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道用直流変電所に関し、更に詳しくは、変電所間の横流を抑制し、電車の回生率を高めることにより省エネルギー化を実現する鉄道用直流変電所に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電気鉄道では、従来、三相交流をシリコン整流器で直流に順変換して電車線に電力供給するケースが殆どを占める。
シリコン整流器は電圧制御能力を持たないため、変電所の送り出し電圧を変更するためには整流器用変圧器のタップを変更する方法を採る。
【０００３】
図４は、直流電気鉄道における電力供給を説明する概略図である。
三相交流１０を直流に変換して電車線１３に送り出す直流変電所１が数ｋｍ〜数十ｋｍごとに並列に接続して設けられる（直流変電所１ａ、１ｂ、１ｃ）。各直流変電所１は、整流器用変圧器３、整流器５（シリコン整流器）等で構成され、通常、直流変電所の送り出し直流電圧は統一されている。
【０００４】
しかし、直流電気車１７が多く走行する電車負荷の大きい時間帯には大きな電車線の電圧降下が起こることがあり、また、直流変電所間の距離が長い線区では直流電気車１７が力行した場合にはさらに電圧降下が大きくなる。
このような場合に備えて、従来、整流器用変圧器３には複数のタップが設けられ、タップを切り替えることで整流器５へ入力する電圧を上げ電車線１３への送り出し電圧を上げている。
【０００５】
これにより、電車負荷の大きい時間帯にタップを変更して直流変電所１の送り出し電圧を上げたり、また、直流変電所間の距離が長く電圧降下が大きくなる直流変電所１では、タップを変更することにより送り出し電圧を他の直流変電所１より高めに設定することがある。
【０００６】
一方、タップを用いずに直流変電所の電圧降下を補償する方法として、き電電圧補償用整流器２（ＤＣＶＲ：ＤＣ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）を適用する方法も開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
図５は、き電電圧補償用整流器２（ＤＣＶＲ）を装備した直流変電所１の概略を示す図である。
図５に示すように、き電電圧補償用整流器（ＤＶＣＲ）２は、整流器用変圧器３と整流器５（シリコン整流器）からなる既設の直流変電所１の通常の構成に加えて、整流器５に直列に接続される。
き電電圧補償用整流器２（ＤＶＣＲ）は、電圧補償用変圧器４とサイリスタ６等で構成され、負荷電流による直流変電所１の電圧降下分に相当する電圧を補償する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３２１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、サイリスタ６を用いるき電電圧補償用整流器２（ＤＶＣＲ）による電圧降圧補償方法は、サイリスタ６等の他励式スイッチング素子による交流から直流への変換時に発生する低次高調波の問題がある。
また、新たに電圧補償用変圧器４を追加しなければならずコスト高であるという問題がある。
【００１０】
また、前述の整流器用変圧器３に複数のタップを設けて降下した電圧を上げる方法は、複数のタップを装備したとしても段階的な電圧変更であり、負荷状態に応じたきめ細やか電圧の変更が行なえないという問題がある。
【００１１】
また、電車負荷の小さい時間帯では、タップ等により電圧降下を抑制する必要性はなく、送り出し電圧が高めに設定された直流変電所１が分担する電力量が大きくなって電車負荷が増大するという問題がある。
【００１２】
また、隣り合う直流変電所（例えば、１ｂと１ｃ）で、一方の直流変電所１ｂの送り出し電圧がもう一方の直流変電所１ｃの送り出し電圧よりも高い場合、そのき電区間に電気車１７がいない場合でも直流変電所１ｂから１ｃに向かって電流（横流）が流れ、電力損失が増大する問題がある。
また、直流き電電圧の無負荷時の平均電圧が高くなると、電力回生車の回生率も悪くなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、変電所間の横流を抑制し、かつ、電力回生車の回生率を高め、省エネルギーを可能とする鉄道用直流変電所を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述した目的を達成するために、本発明は、直流電気鉄道に設備される鉄道用直流変電所であって、三相交流を整流する整流器の正極側に設けられ、き電回路への送り出し電圧を制御する送り出し電圧制御回路と、前記送り出し電圧制御回路を動作させる制御信号を前記送り出し電圧制御回路に送る制御手段と、を具備することを特徴とする鉄道用直流変電所である。
【００１５】
好ましくは、前記送り出し電圧制御回路は、スイッチング素子、及び、コンデンサ、及び、ダイオードから成る降圧チョッパ回路、及び、前記降圧チョッパ回路をオン・オフする切替装置で構成され、前記制御信号がない場合には、前記切替装置が前記降圧チョッパ回路をオフにし、送り出し電圧を前記整流器の出力とし、前記制御信号を受けた場合には前記降圧チョッパ回路をオンにし、送り出し電圧を降下させる。
【００１６】
また、前記送り出し電圧制御回路は、単相フルブリッジコンバータ、及び、電池又はキャパシタで構成され、前記制御信号を受けた場合に、前記単相フルブリッジコンバータをスイッチングさせて送り出し電圧を降下させるようにしてもよい。
【００１７】
前記制御手段は、前記き電回路側の電車負荷が小さい時間帯に、前記制御信号を前記送り出し電圧制御回路に送る。
【００１８】
また、前記制御手段は、前記整流器の平均電流値を測定し、前記平均電流値が所定のしきい値よりも小さく、かつ、前記き電回路側の電車負荷が小さい時間帯である場合に、前記制御信号を前記送り出し電圧制御回路に送るようにしてもよい。
【００１９】
本発明によれば、電車負荷の小さい時間帯や、整流器の平均電流値が所定のしきい値よりも小さい場合に、鉄道用直流変電所の出力である送り出し電圧を降下させることが可能であり、これにより、電力量を抑えることが可能になる。
また、隣接する変電所への横流を抑制し、電力損失を低減することが可能である。
【００２０】
また、送り出し電圧を降圧することにより、当該直流変電所付近を走行する回生車と力行車間で流れる回生電流を増大させることが可能であり、省エネルギーを実現することが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、変電所間の横流を抑制し、かつ、電力回生車の回生率を高め、省エネルギーを可能とする鉄道用直流変電所を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る直流変電所１の構成を示す図
【図２】送り出し電圧の降圧の説明図
【図３】第２の実施形態に係る直流変電所１の構成を示す図
【図４】従来の直流変電所１を説明する図
【図５】き電電圧補償用整流器２（ＤＶＣＲ）を用いた直流変電所１の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面に基づいて、本発明に係る鉄道用の直流変電所１の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る直流変電所１の構成を示す図である。
通常の鉄道用直流変電所は、三相交流１０（受電側）の電圧を変換する整流器用変圧器３と整流器５で構成され、整流器５によって整流された直流電力が直流き電回路側１１に送り出される。
【００２５】
本発明の第１の実施形態に係る直流変電所１は、上述の構成に加えて、整流器５の正極側にスイッチング素子７１、電圧制御切替装置７５、リアクトル７４、コンデンサ７２、ダイオード７３等で構成される送り出し電圧制御回路７が設けられて構成される。
【００２６】
スイッチング素子７１、リアクトル７４、コンデンサ７２、ダイオード７３は、降圧チョッパ回路を構成し、電圧制御切替装置７５は、降圧チョッパ回路をオン／オフするスイッチである。
【００２７】
降圧チョッパ回路のリアクトル７４とスイッチング素子７１は、整流器５の正極側に直列に接続され、コンデンサ７２とダイオード７３は、直流き電回路側１１に並列に接続される。
また、電圧制御切替装置７５は、スイッチング素子７１と並列に接続される。
【００２８】
スイッチング素子７１は、高速スイッチングが可能で、電車負荷の状態に即応して降圧動作が可能な、例えば、自励式電圧変換器であり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用すればよい。
電圧制御切替装置７５には、直流遮断器、または、負荷開閉器、または、電力変換器の何れかを使用する。
【００２９】
直流き電回路側１１において電車負荷が大きい場合には、送り出し電圧を大きく設定する必要があるので、電圧制御切替装置７５を投入（オン）にして降圧チョッパ回路の動作を停止し、従来の直流変電所と同様の回路構成とする。
【００３０】
一方、直流き電回路側１１の電車負荷が小さい場合には、電圧制御切替装置７５を開放し（オフ）、降圧チョッパ回路を動作させ、送り出し電圧を降下させる。
【００３１】
電圧制御切替装置７５の投入／開放（オン／オフ）の制御は、所定の動作条件に基づいて、例えば、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)等を使用して行う。
【００３２】
例えば、直流き電回路側１１における電車負荷が小さい時間帯に電圧制御切替装置７５を開放し、電車負荷の大きいその他の時間帯には電圧制御切替装置７５を投入するように制御する。
【００３３】
また、整流器５に流れる電流の平均値を測定し、平均電流値が予め定めた所定のしきい値よりも低下した場合に、電圧制御切替装置７５を開放し、しきい値以上の場合に、電圧制御切替装置７５を投入するようにしてもよい。
【００３４】
また、電車負荷が小さい時間帯と、整流器５の平均電流値の大きさの判定を併用し、電車負荷が小さく、かつ、整流器５の平均電流値の値がしきい値よりも小さい場合に、電圧制御切替装置７５を開放するようにしてもよい。
【００３５】
本実施形態の送り出し電圧制御回路７により、直流き電回路側１１における電車負荷が小さい際の直流変電所１の送り出し電圧を降下させることが可能になる。
以上のように、送り出し電圧を適切に制御することにより、直流変電所１間の横流による無駄な電力損失を低減することが可能になる。
【００３６】
図２は、送り出し電圧の降下を説明する図である。
図２（ａ）に示すように、送り出し電圧制御回路７を含む本実施形態の直流変電所１によって、電車線１３とレール１５間に送り出し電圧が供給される。
【００３７】
直流変電所１の近辺に回生車２１と力行車２３が走行している場合を考える。
図２（ｂ）に示すように、回生車２１が電力を供給することで回生車２１付近の電車線の電圧３１は高くなり、力行車２３が電力を消費することで力行車２３付近の電車線の電圧３３は低くなり、この差により回生電流２５が流れる。
【００３８】
このとき、本実施形態の送り出し電圧制御回路７を持たない従来の直流変電所１の送り出し電圧が高めの送り出し電圧３５ａである場合、回生車２１−直流変電所１間の電車線の電圧差が少なく、回生電流２５は流れにくい。
【００３９】
一方、本実施形態の送り出し電圧制御回路７により送り出し電圧を降圧し、降圧した送り出し電圧３５ｂとすると、回生車２１−直流変電所１間の電車線の電圧差が大きくなり、回生電流２５が増大する。
これにより、直流き電回路の省エネルギー化を図ることが可能になる。
【００４０】
また、直流変電所１の受電電圧が変化するような場合には、整流器用変圧器３に設けられたタップの変更に加えて、送り出し電圧制御回路７を動作させることにより、降圧動作により送り出し電圧を揃えることも可能である。
【００４１】
更に、従来使用されているき電電圧補償用整流器２（図５）と異なり、本実施形態の送り出し電圧制御回路７は高速スイッチングによる直流／直流変換であり、低次高調波の影響が小さく、電源の品質の面で優位である。
【００４２】
図３は、第２の実施形態に係る直流変電所１の構成を示す図である。
図３に示すように、本実施形態に係る直流変電所１は、三相交流１０（受電側）の電圧を変換する整流器用変圧器３と整流器５で構成される通常の直流変電所の構成に加えて、整流器５の正極側に、スイッチング回路９２及び蓄電媒体９１から成る送り出し電圧制御回路９が設けられて構成される。
【００４３】
スイッチング回路９２は、単相フルブリッジコンバータ回路であり、蓄電媒体９１は、電池又はキャパシタである。
第１の実施形態の送り出し電圧制御回路７と同様に、直流き電回路側１１の電車負荷が小さい時間帯にスイッチング回路９２によるスイッチングを行うことにより、直流き電回路側１１への送り出し電圧を降圧することが可能である。
【００４４】
以上のように、本発明の鉄道用直流変電所１は、整流器５の正極側に送り出し電圧制御回路７、９を加えた構成を採ることにより、直流き電回路側１１における電車負荷が小さい際の直流変電所１の送り出し電圧を降下させて、送り出し電圧を適切に制御することにより、直流変電所１間の横流による無駄な電力損失を低減することが可能になる。
【００４５】
また、送り出し電圧を降圧することにより回生電流２５を増大し、直流き電回路の省エネルギー化を図ることが可能になる。
また、直流変電所１の受電電圧が変化するような場合には、整流器用変圧器３に設けられたタップの変更に加えて、送り出し電圧制御回路７を動作させることにより、降圧動作により送り出し電圧を揃えることも可能である。
【００４６】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００４７】
１………直流変電所
３………整流器用変圧器
５………整流器 
７、９………送り出し電圧制御回路
１０………三相交流
１１………直流き電回路側
７１………スイッチング素子
７２………コンデンサ
７３………ダイオード
７４………リアクトル
７５………電圧制御切替装置
９１………蓄電媒体
９２………スイッチング回路
【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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