(57)【要約】【課題】各自励式整流器の出力電圧を制御して定電圧出力を行いつつ直流変電所間の横流を抑制でき、負荷急変の条件下においても正常動作が可能であり、また直流変電所間での通信が不能な場合にも、安全に自励式整流器の並列運転動作を継続できる超電導直流き電システムを提供する。【解決手段】超電導直流き電システムは、自励式整流器の電圧制御指令値Ｖｒに応じて出力電圧を制御する基本となる電圧制御ループ（コンバータ部２１内の電圧制御ループ）に加えて、負荷電流Ｉに応じた出力電圧特性（ＶＩ特性）を示すように制御する第１の制御ループ（高速制御）３０と、自励式整流器の平均出力電圧を目標値に定電圧制御する第２の制御ループ（中速制御）３１と、他の直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、１の自励式整流器におけるＶＩ特性を変化させ、負荷分担率を変化させる第３の制御ループ（低速制御）５０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沿線に沿って配置された複数の直流変電所に設備される各自励式整流器を、超電導線を用いたき電線に共通に接続し、前記自励式整流器を並列運転して前記き電線に直流電圧を給電する超電導直流き電システムであって、
前記各直流変電所に設備される自励式整流器は、
入力される電圧制御指令値の信号に応じて出力電圧を制御する基本となる電圧制御ループに加えて、
前記電圧制御ループのアウターループであって、負荷電流に応じて所定のＶＩ特性（出力電圧―出力電流特性）に従った出力電圧を出力するように前記電圧制御指令値を制御する第１の制御ループと、
前記電圧制御ループのアウターループであって、前記第１の制御ループよりも制御時定数が長く設定されると共に、前記自励式整流器の平均出力電圧が所定の目標電圧になるように前記電圧制御指令値を制御する第２の制御ループと、
を備えることを特徴とする超電導直流き電システム。
【請求項２】
前記第２の制御ループよりも制御時定数が長く設定され、他の直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、１の直流変電所の自励式整流器における前記ＶＩ特性を変化させ、当該自励式整流器の負荷分担率を変化させる第３の制御ループを、
さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導直流き電システム。
【請求項３】
前記超電導直流き電システム内には、
前記各直流変電所内のそれぞれの自励式整流器の出力電圧および出力電流のデータを受信し、該出力電圧および出力電流のデータを基に、前記各自励式整流器における現在の負荷分担率を算出すると共に、該算出された現在の負荷分担率を基に、前記各自励式整流器における負荷分担率を所望に値に制御する負荷分担制御信号を生成して、前記各自励式整流器に送信する系統制御装置
を備えることを特徴とする請求項２に記載の超電導直流き電システム。
【請求項４】
前記電圧制御ループに入力される電圧制御指令値をＶｒとし、前記自励式整流器の負荷電流の検出値をＩとした場合に、
前記第１の制御ループにおいては、
前記電圧制御指令値Ｖｒを、パラメータＶｓおよびｒを用いて、
Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ、
で与えられる式に従い制御し、
前記自励式整流器の出力電圧が負荷電流に対して垂下特性を示すよう制御する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導直流き電システム。
【請求項５】
前記第２の制御ループにおいては、前記電圧制御指令値Ｖｒの式、
Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ、において、
前記第１の制御ループにおけるパラメータＶｓに対して、自励式整流器の出力電圧を基にフィードバック制御を行い、該自励式整流器の平均出力電圧を所定の目標値に一致させるように制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の超電導直流き電システム。
【請求項６】
前記第３の制御ループにおいては、前記電圧制御指令値Ｖｒの式、
Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ、において、
前記第１の制御ループにおけるパラメータｒに対して、各直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じてフィードバック制御を行い、各直流変電所の自励式整流器の負荷分担率が所望の負荷分担率になるように制御する、
ことを特徴とする請求項５に記載の超電導直流き電システム。
【請求項７】
前記自励式整流器は、３相ＰＷＭ・ＡＣ／ＤＣコンバータあるいはＰＷＭ・ＤＣ／ＤＣコンバータで構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導直流き電システム。
【請求項８】
沿線に沿って配置された複数の直流変電所に設備される自励式整流器により、超電導線を用いたき電線に直流電圧を給電する超電導直流き電システムにおける直流き電方法であって、
前記各直流変電所に設備される自励式整流器により、
入力される電圧制御指令値の信号に応じて出力電圧を制御する基本となる電圧制御手順と、
前記基本となる電圧制御手順に付加される制御手順であって、負荷電流に応じて所定のＶＩ特性（出力電圧―出力電流特性）に従った出力電圧を出力するように前記電圧制御指令値を制御する第１の制御手順と、
前記基本となる電圧制御手順に付加される制御手順であって、前記第１の制御手順よりも制御時定数が長く設定されると共に、前記自励式整流器の出力電圧が所定の目標電圧になるように前記電圧制御指令値を制御する第２の制御手順と、
が行われることを特徴とする直流き電方法。
【請求項９】
前記第２の制御手順よりも制御時定数が長く設定されると共に、他の直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、１の直流変電所の自励式整流器における前記ＶＩ特性を変化させ、当該直流変電所の自励式整流器の負荷分担率を変化させる第３の制御手順が、
さらに行われることを特徴とする請求項８に記載の直流き電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流き電方式のき電線に超電導線（例えば、超電導ケーブル）を適用した超電導直流き電システム、および直流き電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の鉄道用き電システムの模式図である（非特許文献１および非特許文献３を参照）。図４において、１０１は交流送電線、１０２は直流変電所（ＳＳ）、１０３はき電線、１０４はトロリ線、１０５はエアセクション、１０６は帰線となるレール、１０７は電気車である。また、直流変電所１０２内には、整流器用変圧器１１１と、整流器（ダイオード整流器）１１２と、直流高速度遮断器１１３が設備されている。この図に示すように、従来のき電線１０３は、アルミや銅線を使用し、直流変電所１０２から沿線に設置され、ある間隔ごとに銅線を用いたトロリ線１０４とつながれるように構成されている。この鉄道用き電システムは、よく知られたものであるので、詳細な説明は省略する。
【０００３】
また、整流器１１２としては、自励式整流器（例えば、ＰＷＭコンバータ）も使用されるようになってきている（非特許文献２および非特許文献３を参照）。この自励式整流器は、ＡＣ系統への高調波が少ないこと、力率１の運転ができること、整流器と電力回生インバータの機能を兼ね備えていることなど、多くの利点があり、今後、大いに普及することが期待されているものである。
【０００４】
図５は、非特許文献２に記載されたＰＷＭコンバータ（自励式整流器）の主回路構成を示す図である。図５に示すＰＷＭコンバータは、使用するスイッチングデバイスの耐圧・電流容量、電圧制御性能、電源（電力会社）および、き電側に流出する高調波、製作の容易さ等を考慮して、複数の電圧形のコンバータユニット（ＰＷＭコンバータ）１２１Ａを多重変圧器１２１により直列または並列に６多重化して構成されている。
【０００５】
コンバータユニット１２１Ａ内のスイッチングデバイスとしてはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）系の素子を使用し、各ＰＷＭコンバータの変調周波数は、例えば４５０Ｈｚ程度であり、６多重化することで、き電側に対する等価変調周波数が２７００Ｈｚ（５４次）となることから、高調波抑制対策ガイドラインで抑制することが義務づけられた４０次以下の高調波はほとんど流出せず、交流側にフィルタ等の設備を必要としない利点がある。また、き電側には、変電所直下の短絡故障に対して直流高速度遮断器により確実に保護が行えるよう、故障電流の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を抑制するためのリアクトルＬが直列に接続されている。
【０００６】
また、図６は、図５に示したコンバータユニット１２１Ａの制御回路の構成を示すブロック図である。図６に示す制御系は、一般的な自励式整流器と同様に、受電側の無効電力補償と直流電圧制御を同時に行うものである。このコンバータユニットは、マイナーループに電流制御ループを有し、アウターループで電圧制御を行う、周知の構成のものであるが、本願発明の超電導直流き電システムにおける自励式整流器として使用することができるものであるので、ここで、その構成について説明しておく。
【０００７】
図６において、多重変圧器２０１から出力される交流電圧は、ＩＧＢＴの３相ブリッジ回路で構成される電力変換部２０２により、直流電圧に変換される。また、電力変換部２０２の出力電圧Ｖｄｃは、電圧検出器（ＶＤ）２０３により検出され、この電圧検出器（ＶＤ）２０３から、直流出力電圧Ｖｄｃに比例する大きさのＤＣ電圧検出信号がフィードバック信号として出力される。また、電力変換部２０２の出力側には、直流出力電流Ｉｄｃを検出するためのＤＣ電流検出器（ＣＴ）２０４が設けられ、このＤＣ電流検出器（ＣＴ）２０４から、直流出力電流Ｉｄｃに比例する大きさのＤＣ電流検出信号がフィードバック信号として出力される。
【０００８】
また、多重変圧器２０１の入力側には、交流入力電流Ｉａｃを検出するためのＡＣ電流検出器（ＣＴ）２０５が設けられ、このＡＣ電流検出器（ＣＴ）２０５から、各相（３相）に流れる交流入力電流に応じたＡＣ入力電流検出信号が出力される。また、多重変圧器２０１の入力側には、ＡＣ入力電圧を検出するための計器用変圧器（ＰＴ）２０６が接続され、この計器用変圧器（ＰＴ）２０６から、各相（３相）のＡＣ電源電圧信号が出力される。また、３相／２相変換器２１１は、計器用変圧器（ＰＴ）２０６から出力される各相のＡＣ電源電圧信号と、ＡＣ電流検出器（ＣＴ）２０５から出力される各相のＡＣ入力電流信号とを基に、３相の各相の電流を、直交する２相信号（直流信号）に変換することにより２相（有効電流成分と無効電流成分）の信号に分けて出力する。
【０００９】
上記構成において、電圧制御指令値Ｖｒは、加算器２２１によりＤＣ電圧検出器（ＶＤ）２０３から出力されるフィードバック信号（ＤＣ電圧検出信号）と比較され、比較結果（差分信号）が、電圧調整器（ＡＶＲ）２２２の入力信号となる。この電圧調整器（ＡＶＲ）２２２は、比例積分（ＰＩ）要素等で構成される増幅器である。この電圧調整器（ＡＶＲ）２２２からの出力信号は、加算器２２３に出力される。一方、フードフォワード制御部２１２は、ＤＣ電流検出器２０４から出力されるＤＣ電流検出信号を基にフードフォワード信号を生成する。このフードフォワード信号と、電圧調整器（ＡＶＲ）２２２からの出力信号とが、加算器２２３において加算され、有効成分電流の電流指令信号となる。なお、フードフォワード信号は制御系の応答を早めるために使用される信号であり、このフードフォワード信号系は省略することもできる。
【００１０】
そして、加算器２２３からの出力信号は、加算器２２４に出力され、３相／２相変換器２１１から出力される有効成分電流（フィードバック信号）と比較され、比較結果（差分信号）が、電流調整器２２６に入力される。また、無効電力指令値の信号が加算器２２５に入力され、この加算器２２５において、３相／２相変換器２１１からの無効成分電流（フィードバック信号）と比較され、比較結果（差分信号）が、電流調整器２２６に入力される。電流調整器２２６は、例えば、比例積分（ＰＩ）要素等で構成される増幅器である。
【００１１】
この電流調整器２２６では、加算器２２４から出力される有効成分電流の電流指令信号と、加算器２２５から出力される無効成分電流の電流指令信号とを基に、２相の出力電圧指令信号（直流信号）を生成し、２相／３相変換器２２７に出力する。２相／３相変換器２２７は、２相の電圧指令信号（直流信号）を、３相の各相ごとの電圧指令信号（交流指令信号）に変換して出力する。ＰＷＭ制御部２２８では、２相／３相変換器２２７から出力される各相ごとの電圧指令信号をＰＷＭ変調（例えば、三角波比較等によるＰＷＭ変調）して、各相ごとのＰＷＭ信号を生成し、電力変換部２０２内のＩＧＢＴを駆動するゲート信号を生成する。
【００１２】
上記、構成により、電圧制御指令値Ｖｒに応じた直流出力電圧Ｖｄｃが、電力変換部２０２から出力されることになる。このように定電圧出力が可能であることが自励式整流器の特長の１つである。なお、電力変換部２０２の出力側のコンデンサＣは、平滑用（ＰＷＭによるリップル軽減用）のコンデンサであり、リアクトルＬは、故障電流の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を抑制するための直列リアクトルである。
【００１３】
また、図６に示すＰＷＭコンバータの例では、無効電力制御と、フィードフォワード制御とを行うために、やや複雑な構成になっているが、通常は、より簡略化された構成にすることができる（例えば、特許文献１を参照）。
【００１４】
図７は、特許文献１の図７に記載された３相ＰＷＭコンバータの構成をそのまま転載した図である。この図に示されるように、多重変圧器を使用せず、また、無効電力制御やフィードフォワード制御を行う必要がない場合は、より簡単な構成により、ＰＷＭコンバータ（自励式整流器）を構成することができる。なお、構成と動作については、当業者にとっては、周知のものであり、その説明については省略する。
【００１５】
ところで、超電導ケーブル等の超電導線を利用した送電についての検討は以前より盛んに行われてきたが、鉄道分野においても、直流き電方式への超電導線の適用が検討されている（例えば、特許文献２を参照）。直流き電方式は、通電電流が直流であり、電圧も１５００Ｖ程度と比較的低圧であることなどから、超電導線を使用する場合に直流き電方式で生じる諸問題が解消できる可能性が高い。
【００１６】
また、超電導線をき電線に用いることにより、き電線の抵抗が小さくなるため、き電線における電力損失や電圧降下が低減され、変電所の設置間隔の延長や集約の可能性、回生率の向上による省エネルギー、設備投資削減、保守低減等の利点につながると考えられる。
【００１７】
図８は、超電導線を用いた超電導直流き電システムについて説明するための図である。図８に示す超電導直流き電システムは、電車線設備として正き電線（ＰＦ）とトロリ線（Ｔ）で構成される正側電路と、負き電線（ＮＦ）とレール（Ｒ）で構成される負側電路（帰線）を有する。構成材料は、正き電線（ＰＦ）が超電導、トロリ線（Ｔ）は銅、負き電線（ＮＦ）は超電導、レール（Ｒ）は鉄である。き電分岐部Ａでは正き電線（ＰＦ）とトロリ線（Ｔ）、負き電線（ＮＦ）とレール（Ｒ）がそれぞれ接続される。直流変電所ＳＳの回線は正き電線（ＰＦ）と負き電線（ＮＦ）間に、電気車１０７は、従来のき電線システムと同様に、トロリ線（Ｔ）とレール（Ｒ）間に接続され閉回路を構成する。すなわち、超電導直流き電システムでは、き電線として、正側のき電線（ＰＦ）と負側のき電線（ＮＦ）を有する構成となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平１０−２４８２６０号公報
【特許文献２】特許４０８００７３号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】持永他、「電気鉄道技術入門」、オーム社、２００８年、p.118-119
【非特許文献２】長谷他、「直流電気鉄道変電所に適用する電力供給用ＰＷＭコンバータの電圧制御に関する検討」、平成１５年電気学会産業応用部門大会、社団法人  電気学会、平成１５年８月、講演論文集（３）、p.365-368
【非特許文献３】「電気鉄道ハンドブック」、コロナ社、２００７年、ｐ.495-513
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
図４に示したように、ダイオード整流器を同一のき電回路に接続する並列運転は、従来から一般的に行われている。この従来の方式では、整流器の負荷分担は、ダイオード整流器の電圧降下特性と、き電回路の抵抗によっている。特に、異なる変電所間では電力会社側の電圧に数％程度の変動（整流器の電圧降下と同程度）が許容されるため、主にき電回路の抵抗により安定な運転が行われている。ここで、き電線を超電導とした場合、き電回路の抵抗は非常に小さいため、電力会社側の電圧変動によって変電所間（整流器間）のバランスがくずれ、大きな横流が流れてしまう。このため、地理的に離れた変電所（例えば、５ｋｍ〜１０ｋｍ）間において、負荷分担をバランスさせる必要がある。
【００２１】
この変電所間での出力電圧のバランスの確保のためには、図５、図６および図７で説明したような自励式整流器（ＰＷＭコンバータ）などのＡＣ／ＤＣコンバータ（あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ）を使用する必要がある。このような、自励式整流器を各変電所に設置して並列運転することは、一般に行われているが、定電圧出力制御のため整流器間の負荷分担はき電回路の抵抗に期待しており、超電導直流き電システムには前述の理由により適用できない。鉄道以外の分野においては、ＡＣ／ＤＣコンバータ（あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ）の負荷分担制御は一般的に行われている。しかしながら、従来から行われている手法では、コンバータ間で物理量のリアルタイム通信が行われることを前提に設計されている。すなわち、各コンバータを全体として瞬時制御するように設計されている。しかし、電気鉄道環境において通信環境は概して劣悪かつ低速であり、通信が不能となった場合においても、主回路の系統を変更することなく安全に動作を継続させる必要がある。また、電気鉄道においては負荷急変など厳しい条件下においても正常動作が可能な堅牢なアルゴリズムが要求される。
【００２２】
本発明は、斯かる実情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、き電線に超電導線を用い、複数の直流変電所に設備された自励式整流器を並列運転して、き電線に直流電圧を給電する場合に、各自励式整流器の出力電圧を制御することにより定電圧出力を行いつつ各直流変電所間に流れる横流を抑制できると共に、負荷急変など厳しい条件下においても正常動作が可能であり、また直流変電所間における通信が不能となった場合においても、安全に自励式整流器の並列運転動作を継続することができる、すなわち、堅牢なアルゴリズムで運用することができる、超電導直流き電システム、および直流き電方法を提供することにある。
【００２３】
また、本発明のさらなる目的は、各直流変電所に設備された自励式整流器における負荷分担を所望の比率に制御することができる、超電導直流き電システム、および直流き電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
（１）本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の超電導直流き電システムは、沿線に沿って配置された複数の直流変電所に設備される各自励式整流器を、超電導線を用いたき電線に共通に接続し、前記自励式整流器を並列運転して前記き電線に直流電圧を給電する超電導直流き電システムであって、前記各直流変電所に設備される自励式整流器は、入力される電圧制御指令値の信号に応じて出力電圧を制御する基本となる電圧制御ループに加えて、前記電圧制御ループのアウターループであって、負荷電流に応じて所定のＶＩ特性（出力電圧―出力電流特性）に従った出力電圧を出力するように前記電圧制御指令値を制御する第１の制御ループと、前記電圧制御ループのアウターループであって、前記第１の制御ループよりも制御時定数が長く設定されると共に、前記自励式整流器の平均出力電圧が所定の目標電圧になるように前記電圧制御指令値を制御する第２の制御ループと、を備えることを特徴とする。
【００２５】
（２）また、本発明の超電導直流き電システムは、前記第２の制御ループよりも制御時定数が長く設定され、他の直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、１の直流変電所の自励式整流器における前記ＶＩ特性を変化させ、当該自励式整流器の負荷分担率を変化させる第３の制御ループを、さらに備えることを特徴とする。
【００２６】
（３）また、本発明の超電導直流き電システムは、前記超電導直流き電システム内には、前記各直流変電所内のそれぞれの自励式整流器の出力電圧および出力電流のデータを受信し、該出力電圧および出力電流のデータを基に、前記各自励式整流器における現在の負荷分担率を算出すると共に、該算出された現在の負荷分担率を基に、前記各自励式整流器における負荷分担率を所望に値に制御する負荷分担制御信号を生成して、前記各自励式整流器に送信する系統制御装置を備えることを特徴とする。
【００２７】
（４）また、本発明の超電導直流き電システムは、前記電圧制御ループに入力される電圧制御指令値をＶｒとし、前記自励式整流器の負荷電流の検出値をＩとした場合に、前記第１の制御ループにおいては、前記電圧制御指令値Ｖｒを、パラメータＶｓおよびｒを用いて、Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ、で与えられる式に従い制御し、前記自励式整流器の出力電圧が負荷電流に対して垂下特性を示すよう制御する、ことを特徴とする。
【００２８】
（５）また、本発明の超電導直流き電システムは、前記第２の制御ループにおいては、前記電圧制御指令値Ｖｒの式、Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ、において、前記第１の制御ループにおけるパラメータＶｓに対して、自励式整流器の平均出力電圧を基にフィードバック制御を行い、該自励式整流器の平均出力電圧を所定の目標値に一致させるように制御する、ことを特徴とする。
【００２９】
（６）また、本発明の超電導直流き電システムは、前記第３の制御ループにおいては、前記電圧制御指令値Ｖｒの式、Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ、において、前記第１の制御ループにおけるパラメータｒに対して、各直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じてフィードバック制御を行い、各直流変電所の自励式整流器の負荷分担率が所望の負荷分担率になるように制御する、ことを特徴とする。
【００３０】
（７）また、本発明の超電導直流き電システムは、前記自励式整流器は、３相ＰＷＭ・ＡＣ／ＤＣコンバータあるいはＰＷＭ・ＤＣ／ＤＣコンバータで構成される、ことを特徴とする。
【００３１】
（８）また、本発明の直流き電方法は、沿線に沿って配置された複数の直流変電所に設備される自励式整流器により、超電導線を用いたき電線に直流電圧を給電する超電導直流き電システムにおける直流き電方法であって、前記各直流変電所に設備される自励式整流器により、入力される電圧制御指令値の信号に応じて出力電圧を制御する基本となる電圧制御手順と、前記基本となる電圧制御手順に付加される制御手順であって、負荷電流に応じて所定のＶＩ特性（出力電圧―出力電流特性）に従った出力電圧を出力するように前記電圧制御指令値を制御する第１の制御手順と、前記基本となる電圧制御手順に付加される制御手順であって、前記第１の制御手順よりも制御時定数が長く設定されると共に、前記自励式整流器の出力電圧が所定の目標電圧になるように前記電圧制御指令値を制御する第２の制御手順と、が行われることを特徴とする。
【００３２】
（９）また、本発明の直流き電方法は、前記第２の制御手順よりも制御時定数が長く設定されると共に、他の直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、１の直流変電所の自励式整流器における前記ＶＩ特性を変化させ、当該直流変電所の自励式整流器の負荷分担率を変化させる第３の制御手順が、さらに行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
（１）本発明の超電導直流き電システムにおいては、複数の自励式整流器を並列運転して、超電導線のき電線に直流電圧を給電する場合に、自励式整流器において、電圧制御指令値に応じて出力電圧を制御する基本となる電圧制御ループに加えて、負荷電流に応じた出力電圧特性（ＶＩ特性）を示すように制御する第１の制御ループ（高速制御、ダイオード整流器模擬制御）と、自励式整流器の平均出力電圧を所定の目標値に定電圧制御する第２の制御ループ（中速制御、定電圧制御）とを付加し、時定数が大きく異なる２系統からなる多重フィードバック制御を構成する。
これにより、複数の自励式整流器を並列運転して、超電導線のき電線に直流電圧を給電する場合に、各自励式整流器の出力電圧を制御することにより定電圧出力を達成しつつ直流変電所間に横流が流れることを抑制することができると共に、負荷急変など厳しい条件下においても正常動作が可能となる。
【００３４】
（２）また、本発明の超電導直流き電システムにおいては、他の直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、１の直流変電所の自励式整流器におけるＶＩ特性を変化させ、当該自励式整流器の負荷分担率を変化させる第３の制御ループ（低速制御）を、さらに備える。
これにより、各直流変電所に設備された自励式整流器における負荷分担が所望の比率になるように制御することができる。また直流変電所間における通信が不能となった場合においても、前述の第１および第２の制御ループによる制御は継続するため、安全に自励式整流器の並列運転動作を継続させることができる。このため、堅牢なアルゴリズムで運用することができる、超電導直流き電システムを実現することができる。
【００３５】
（３）また、本発明の超電導直流き電システムにおいては、各直流変電所内のそれぞれの自励式整流器の出力電圧および出力電流のデータを受信し、各自励式整流器における現在の負荷分担率を基に、各自励式整流器における負荷分担率の調整信号を生成して、前記各自励式整流器に送信する系統制御装置を備える。
これにより、各直流変電所内の自励式整流器の出力電圧および出力電流のデータを受信し、この受信したデータを基に、各直流変電所に設備された自励式整流器における負荷分担が所望の比率になるように制御することができる。
【００３６】
（４）また、本発明の超電導直流き電システムにおいては、第１の制御ループ（例えば、1秒以下の時定数で制御される高速制御）では、出力電流Ｉの場合における電圧制御指令値Ｖｒを、パラメータＶｓ，ｒを用いて、「Ｖ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ」とする。
これにより、ダイオード整流器の電圧降下特性を模倣して、負荷急変に対して堅牢な制御を行うことができる。また、自励式整流器の負荷にアンバランスが生じた場合にはバランスを回復する方向にフィードバック（負帰還）がかかり、直流変電所間における横流の発生を抑止することができる。
【００３７】
（５）また、本発明の超電導直流き電システムにおいては、第２の制御ループ（例えば、数秒〜数分程度の時定数で制御される中速制御）では、自励式整流器の平均出力電圧（き電線の電圧）を一定値（目標値）に保つため、第１の制御ループ（高速制御）における制御パラメータＶｓに対してフィードバック制御を行う。
これにより、き電電圧平均値が一定となるように制御することができる。
【００３８】
（６）また、本発明の超電導直流き電システムにおいては、第３の制御ループ（例えば、数分〜数時間の時定数で制御される低速制御）では、各直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、第１の制御ループ（高速制御）における制御パラメータｒに対してフィードバック制御を行う。
これにより、各直流変電所に設備された自励式整流器における負荷分担が所望の比率になるように制御することができる。
【００３９】
（７）また、本発明の超電導直流き電システムにおいては、自励式整流器を、ＰＷＭ・ＡＣ／ＤＣコンバータ（あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータ）で構成するようにしたので、これにより、自励式整流器の出力電圧を容易に制御することができる。また、周知の技術と、汎用の部品を使用して自励式整流器を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の超電導直流き電システムが適用される直流変電所の主回路の構成例を示す図である。
【図２】本発明の超電導直流き電システムにおけるＰＷＭコンバータの構成例を示す図である。
【図３】図２に示すＰＷＭコンバータの動作について説明するための図である。
【図４】従来の直流き電システムについて説明するための図である。
【図５】多重変圧器を用いたＰＷＭコンバータの主回路構成を示す図である。
【図６】図５に示すＰＷＭコンバータの構成を示す図である。
【図７】従来のＰＷＭコンバータの構成例を示す図である。
【図８】超電導線を用いた超電導直流き電システムについて説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図１は、本発明の超電導直流き電システムが適用される直流変電所の主回路の構成例を示す図である。図１に示す例は、き電回路の直流電圧の制御に、自励式整流器を使用すると共に、き電線に超電導線を導入した鉄道用直流き電システムの構成例を示す図である。
【００４３】
図１に示す例では、直流変電所（ＳＳ１）２ａ、直流変電所（ＳＳ２）２ｂ、および直流変電所（ＳＳｎ）２ｃのそれぞれに、整流器用変圧器１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、ＰＷＭコンバータ（３相ＰＷＭ・ＡＣ／ＤＣコンバータ（自励式整流器））１１ａ，１１ｂ，１１ｃとが設置されている。そして、各ＰＷＭコンバータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを並列運転し、超電導線を用いた、き電線（直流母線）１に直流電圧を給電する。き電線１は、例えば、図８に示す超電導線を使用した正き電線（ＰＦ）と、負き電線（ＮＦ）とで構成される直流母線の回路が相当する。
【００４４】
前述のように、超電導線は抵抗が非常に小さく、従来のき電方式のように電気抵抗による負荷分担が期待できないため、各直流変電所のコンバータを並列運転する場合には、コンバータ間に横流が流れやすくなる。このため、コンバータにＰＷＭコンバータ（自励式整流器）１１ａ，１１ｂ，１１ｃを使用し、各ＰＷＭコンバータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの出力電圧を調整することにより、各直流変電所間の横流が流れることを抑制するように構成されている。
【００４５】
各ＰＷＭコンバータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、それそれ、出力電流を検出するＤＣ電流検出器（ＣＴ）１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、出力電圧（き電線１の電圧）を検出するＤＣ電圧検出器１４ａ，１４ｂ，１４ｃを備えている。また、電圧制御部１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、各ＰＷＭコンバータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの出力電圧を制御する制御部である。
【００４６】
このＰＷＭコンバータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、例えば、図５に示した多重変圧器を用いた多重型のＰＷＭコンバータを用いて構成することができる。また、多重化されない一重のＰＷＭコンバータとして、例えば、図７に示した、単独のＰＷＭコンバータを用いて構成することもできる（ただし、後述する多重制御ループが付加された構成となる）。すなわち、スイッチング周波数やフィルタ容量と、設備費用とを考慮して選択することができる。
【００４７】
また、図１に示す例では、各直流変電所２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれに１つのＰＷＭコンバータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが設置され、各直流変電所２ａ，２ｂ，２ｃ間を通信ケーブル３で結び、複数の変電所のＰＷＭコンバータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間で協調運転を行う場合の例を示している。本発明の方法では、これに限らず、１つの直流変電所内に複数のＰＷＭコンバータを設置し、これらを並列運転する場合にも適用できるものである。すなわち、自励式整流器同士の物理的および電気的な離隔位置によらず適用可能である。また、超電導直流き電システムに限らず適用できるものである。
【００４８】
図２は、本実施形態における超電導直流き電システムの１つの直流変電所（１系統）において使用されるＰＷＭコンバータの構成例を示す図である。
【００４９】
図２に示すように、本発明の超電導直流き電システムに使用されるＰＷＭコンバータは、３重の制御ループを有して構成される。すなわち、図に示すコンバータでは、その制御方法として、後述する高速制御（垂下制御、ダイオード模擬）を行う垂下特性制御ループ３０、中速制御（定電圧制御）を行う定電圧制御ループ３１、および低速制御（負荷分担制御）を行う負荷分担制御ループ５０の、それぞれの制御時定数が大きく異なる３系統からなる多重フィードバックを用いている。なお、制御動作は、力行時、回生時ともに同様な制御となる。
【００５０】
図２において、最上段側のコンバータ部２１（破線で囲まれる部分）は、加算器２２と、第１の電圧調整部２３と、ＰＷＭ制御部２４と、ＩＧＢＴの３相ブリッジ回路で構成される電力変換部２５とを含んで構成されており、このコンバータ部２１が、基本となるＰＷＭコンバータの部分である。
【００５１】
このコンバータ部２１は、図６および図７に示したＰＷＭコンバータと同様な構成部分である。このコンバータ部２１は、実際には、図６および図７に示したように、整流器用の変圧器、ＡＣ電源の相検出回路、電流制御ループ等を有し、また、出力側に平滑用のコンデンサやリアクトル（使用する場合）を有するなど、より複雑な構成のものであるが、周知の構成のものであるため、図面の見易さのために簡略化して示している。
【００５２】
このコンバータ部２１において、入力される電圧制御指令値Ｖｒが、電力変換部２５から出力される直流出力電圧のフィードバック信号Ｖ１と加算器２２により比較され、電圧制御指令値Ｖｒとフィードバック信号Ｖ１との差分の信号が第１の電圧調整部２３に向けて出力される。この第１の電圧調整部２３は比例積分（ＰＩ）要素で構成され、ループゲインＫ１を有しており、加算器２２から出力される差分信号（Ｖｒ−Ｖ１）を増幅し、この増幅された信号がＰＷＭ制御部２４に出力される。ＰＷＭ制御部２４は、第１の電圧調整部２３から出力される信号に応じたＰＷＭ信号を生成し、電力変換部２５内のＩＧＢＴのゲートを駆動する。
【００５３】
このように、コンバータ部２１は、入力される電圧制御指令値Ｖｒに応じて、出力電圧をこれに一致させるように制御する電圧制御ループを有している。このコンバータ部２１における電圧制御は、電圧制御指令値Ｖｒの変化に対して即応性があり、第１の電圧調整部２３の制御要素の制御時定数（積分要素の時定数）等で決まる応答時間により、直流出力電圧を制御することができる。例えば、数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ単位の制御時定数での高速制御が可能である。すなわち、受動回路的な応答（プログラム制御による応答時間に対比させる意味）に近い応答速度で出力電圧を制御できる。
【００５４】
また、図２において、コンバータ部２１に入力電される電圧制御指令値Ｖｒは、高速制御時には、垂下特性制御ループ（第１の制御ループ）３０により、以下の式、
Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ、で示される信号となる。
ここで、Ｖｓは後述する定電圧制御ループ３１側の第２の電圧調整部２３から出力される電圧指令信号Ｖｓであり、パラメータ“ｒ”は、同じく後述する負荷分担制御部４２において設定される制御パラメータである。この電圧指令信号Ｖｓは、後述するように数秒〜数分の周期で変化するものであり、高速制御時（１秒以下）においては、固定値（パラメータ“Ｖｓ”）とみなすことができる。また、パラメータ“ｒ”についても、後述するように、数分〜数時間以上の周期で変化するものであり、高速制御時（１秒以下）では固定値とみなすことができる。
【００５５】
このように、定電圧制御ループ３１側の第２の電圧調整部３３から電圧指令信号Ｖｓ（高速制御ではパラメータ“Ｖｓ”とみなせる）が出力され、負荷分担制御部４２から、パラメータ“ｒ”と負荷電流Ｉとの積「ｒ×Ｉ」の信号が出力されることにより、加算器３２の演算動作により、電圧指令信号Ｖｓから、信号「ｒ×Ｉ」を減じた信号、「Ｖｓ−ｒ×Ｉ」が出力される。この信号がコンバータ部２１の電圧制御指令値Ｖｒとなり、コンバータ部２１では、電圧制御指令値Ｖｒに応じた直流電圧を出力する。このため、コンバータ部２１の出力電圧は、負荷電流Ｉに対して垂下特性を示すようになる。なお、通常の状態では、パラメータ“ｒ”は、従来のダイオード整流器の電圧降下率と同程度（例えば、１００％定格電流で出力電圧が５％〜８％程度垂下する）に設定される。
【００５６】
このように、コンバータ部２１の電圧制御ループのアウターループとして、垂下特性制御ループ（第１の制御ループ）３０を設けることにより、負荷電流Ｉに応じて出力電圧を垂下させるＶＩ特性（垂下特性）を得ることができる。これにより、ダイオード整流器を模擬する垂下特性を示す制御が実現できる。なお、この垂下制御は、調速制御された発電機の出力電圧特性に相当するものと言える。
【００５７】
このコンバータ部２１における高速制御（垂下特性制御ループ）の動作特性を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）に示すように、ＰＷＭコンバータ部２１においては、力行側において、負荷電流Ｉが増加するにつれて、コンバータ部２１の出力電圧Ｖが、パラメータ“ｒ”に応じた垂下特性（ＶＩ特性）を示す。なお、回生側においては、出力電圧の増減特性が逆になる。また、力行側の電流“０”と回生側の電流“０”で出力電圧に差が存在するのは、無負荷時において整流器間に横流が流れるのを防止するためである。この値は数Ｖ〜数十Ｖ程度である。
【００５８】
以上説明したように、高速制御は、１秒以下の制御時定数で制御されものであり、実績のあるダイオード整流器の電圧降下特性を模倣して、負荷急変に対して堅牢な制御を行うことができる。そして、出力電流Ｉにおける電圧制御指令値Ｖｒは、パラメータＶｓ，ｒ（高速制御時にはパラメータと見なせる）とし、「Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ」となる。また、このように受動変換器と同様の電圧垂下特性を有するため、ＰＷＭコンバータの負荷にアンバランスが生じた場合にはバランスを回復する方向にフィードバック（負帰還）がかかり、各整流器の負荷バランスを自律的に安定に保つことができる。
【００５９】
また、図２において、コンバータ部２１には、コンバータ部１２の電圧制御ループのアウターループとして、中速制御の定電圧制御ループ（ＡＶＲ）３１が設けられている。この定電圧制御ループ３１（第２の制御ループ）には、その制御要素として、電力変換部２５の直流出力電圧Ｖ１を所定の周期でサンプリングし（例えば、数１００ｍｓ単位）、サンプリングした直流出力電圧の移動平均処理（例えば、１分の周期で移動平均処理）を行う移動平均処理部３５と、第２の電圧調整部３３、加算器３４とが設けられている。この定電圧制御ループ３１では、電圧指令信号Ｖｒ＊として、電力変換部２５から出力される直流出力電圧Ｖ１が定格き電電圧（例えば、１５００Ｖ）相当になる電圧指令信号が加算器３４に与えられる。
【００６０】
この加算器３４において、電圧指令信号Ｖｒ＊と移動平均処理部３５から出力される電圧信号Ｖｆ（フィードバック信号）とが比較され、電圧指令信号Ｖｒ＊と移動平均処理部３５から出力される電圧信号Ｖｆとの差分信号が出力される。この加算器３４から出力される差分信号は、第２の電圧調整部３３に向けて出力される。この第２の電圧調整部３３は比例積分（ＰＩ）要素で構成され、ループゲインＫ２を有しており、加算器３４から出力される差分信号を増幅し、この増幅された信号が電圧指令信号Ｖｓとして、加算器３２に出力される。すなわち、中速制御としての定電圧制御ループ３１では、コンバータ部１２の出力電圧（き電線）の平均電圧を一定値（目標値）に保つために、電圧指令信号Ｖｒ＊に対してフィードバック制御を行い、電圧指令信号Ｖｓを変化させるように構成されている。
【００６１】
そして、定電圧制御ループ３１から電圧指令信号Ｖｓが出力され、ｒ制御部５１から、パラメータ“ｒ”と負荷電流Ｉとの積（ｒ×Ｉ）の信号が出力されることにより、加算器３２の演算動作により、電圧指令信号Ｖｓから、信号（ｒ×Ｉ）を減じた電圧制御指令値Ｖｒ（Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ）が出力される。コンバータ部１２はこの電圧制御指令値Ｖｒに応じて出力電圧を制御する。
【００６２】
この定電圧制御ループ３１における動作特性を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）に示すように、例えば、力行側において、負荷電流Ｉが増加するにつれて、電圧指令信号を増減させる。すなわち、前述の式「Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ」において、電圧指令信号Ｖｓを変化させることにより、電圧制御指令値Ｖｒを変化させ、コンバータ部２１の平均出力電圧（き電線の電圧）が所望の値になるように制御する。
【００６３】
なお、図３（Ｂ）において、矢印Ａ側の方向に出力電圧を上昇（Ｖｓを増加）させる場合は、出力電圧（き電線の電圧）が目標値（例えば、１５００Ｖ）よりも小さい場合であり、矢印Ｂ側の方向に出力電圧を下降（Ｖｓを減少）させる場合は、出力電圧が目標値よりも大きい場合である。
【００６４】
このように、コンバータ部１２の電圧制御ループのアウターループとして、定電圧制御ループ３１を設けることにより、高速制御の時間スケール（例えば、１秒以下）では、コンバータ部１２をダイオード整流器として模擬して垂下特性を持たせ、中速制御の時間スケール（例えば、数分）では自動電圧調整機能を付与することができる。なお、この中速制御は、時間的には高速で行う必要がなく、汎用のＣＰＵを使用したプログラム制御により行うことができる。一方、コンバータ部２１における電圧制御、および前述の高速制御は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）や制御用のマイクロコントローラ（例えば、演算ユニットが搭載されたマイクロコントローラ）を使用した高速の制御が必要になる。また、中速制御は、発電機の制御においては、自動電圧調整（ＡＶＲ）に相当するものと言える。
【００６５】
また、コンバータ部２１のアウターループとして、負荷分担制御ループ５０が設けられている。この負荷分担制御ループ５０（第３の制御ループ）では、垂下特性を示すパラメータ“ｒ”を制御することにより、コンバータ部２１の出力電圧特性（ＶＩ特性）を調整して負荷分担率を制御する。この負荷分担制御は低速制御（数分〜数時間単位の制御時定数）で行われる。
【００６６】
この負荷分担制御ループ５０は、制御要素として、ｒ制御部５１と系統制御装置５２とを有して構成される。ｒ制御部５１では、系統制御装置５２から出力される負荷分担制御信号ｒ１＿ｃｏｎｔに応じて、垂下特性を示すパラメータ“ｒ”を変化させることにより、ＰＷＭコンバータ部２１における負荷分担制御率を制御する。なお、このｒ制御部５１は、前述の高速制御時において、垂下特性を示す信号（ｒ×Ｉ）の信号を出力するものであり、この高速制御における時間のスケール（１秒以下）においては、パラメータ“ｒ”は変化せず固定値として作用する。
【００６７】
この負荷分担制御においては、系統制御装置５２により、各直流変電所（ＳＳ１〜ＳＳｎ）から、ＰＷＭコンバータの出力電流信号（Ｉ１〜Ｉｎ）と出力電圧信号（Ｖ１〜Ｖｎ）とを通信ケーブル等を介して受信し、各直流変電所（ＳＳ１〜ＳＳｎ）における出力電力を算出して、各直流変電所（ＳＳ１〜ＳＳｎ）における負荷分担率を比較する。そして、各直流変電所（ＳＳ１〜ＳＳｎ）における負荷分担率が、所望の負荷分担率になるように、負荷分担制御信号ｒ１＿ｃｏｎｔ〜ｒｎ＿ｃｏｎｔを生成して出力する。すなわち、負荷分担制御ループでは、各直流変電所におけるＰＷＭコンバータ全体で負荷分担を所望の比率に制御するために、パラメータ“ｒ”に対してフィードバック制御を行うものである（なお、後述するようにパラメータ“ｒ”の変化（値の更新）は、過渡的に緩やかに行われる）。この所望の負荷分担率は電力事業者との需給契約条件や、各直流変電所（ＳＳ１〜ＳＳｎ）の容量に応じて均等に分散するなどの方法によって定める。
【００６８】
図２に示す例では、ｒ制御部５１に、系統制御装置５２から負荷分担制御信号ｒ１＿ｃｏｎｔが入力される。ｒ制御部５１では、負荷分担制御信号ｒ１＿ｃｏｎｔに応じて、前述の式「Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ」におけるパラメータ“ｒ”を変化させ、高速制御である垂下特性制御ループ３０に反映させる。このｒ制御部５１におけるパラメータ“ｒ”の変化（値の更新）は、過渡的に緩やかに行われる。例えば、系統制御装置５２において、負荷分担制御信号ｒ１＿ｃｏｎｔを低域通過フィルタ（ＬＰＦ）等の一時遅れ回路を介して出力することにより、パラメータ“ｒ”の変化が一次遅れ回路の時定数（数秒以上）だけ遅れて次第に反映されるようにする。そして、ｒ制御部５１は、垂下信号（ｒ×Ｉ）を生成して加算器３２に出力する。パラメータ“ｒ”の変化を緩やかにしているのは、自励式整流器に対する急激な負担の増加と故障選択継電器の不要動作を防止するためであり、変圧器の負荷時タップ切替に相当する動作である。加算器３２では、第２の電圧調整部３３から出力される電圧指令信号Ｖｓと、ｒ制御部５１から出力される電圧指令信号（ｒ×Ｉ）との差分信号（Ｖｒ＝Ｖｓ−ｒ×Ｉ）を電圧制御指令値Ｖｒとして、コンバータ部２１に出力する。
【００６９】
この負荷分担制御ループ５０における低速制御の動作特性を図３（Ｃ）に示す。図３（Ｃ）に示すように、例えば、力行側において、パラメータ“ｒ”を変化（垂下特性を変化）させることにより、電圧制御指令値Ｖｒを変化させ、コンバータ部２１の出力電圧が所望の値になるように制御する。
【００７０】
図３（Ｃ）において、矢印Ａ側の方向に出力電圧を上昇させる場合は、垂下率を減少（パラメータ“ｒ”を減少）させ、出力電圧を上昇させて負荷分担率を上げる場合の例であり、矢印Ｂ側の方向に出力電圧を減少させる場合は、垂下率を増大（パラメータ“ｒ”を増加）させ、出力電圧を下降させて負荷分担率を減少させる場合の例である。
【００７１】
このように、パラメータ“ｒ”を制御する負荷分担制御ループ５０を設けることにより、高速制御の時間スケール（例えば、１秒以下）では、コンバータ部１２をダイオード整流器として模擬して垂下特性を持たせ、中速制御の時間スケール（例えば、数分）では自動電圧調整機能を付与し、低速制御の時間スケール（例えば、数時間）では、負荷分担制御を行うことができる。なお、この低速制御は、時間的には高速で行う必要がなく、汎用のＣＰＵを使用したプログラム制御により処理を行うことができる。また、低速制御は、発電機の制御においては、電力系統における個々の発電機の負荷分担制御に相当するものと言える。
【００７２】
以上の電圧制御における制御時定数は、き電システム全体の協調を図るため、全ての自励式整流器で同一の値に設定される。また、パラメータ“Ｖｓ”と“ｒ”に対しては、必要に応じてリミッタが付加される。例えば、パラメータ“Ｖｓ”に対しては、この値を規格等によって定められる最低電圧と最高電圧の範囲に相当する値に制限するなど、パラメータ“ｒ”に対しては、１００％負荷電流に対する電圧降下（定格電圧に対する電圧降下率）が３％〜１０％の範囲になる値に制限するなどである。
【００７３】
なお、図２に示す例では、系統制御装置５２を直流変電所（ＳＳ１）２ａ内に設けた例を示したが、この系統制御装置５２は、任意の直流変電所に配置することができる。また、系統制御装置５２は、例えば、電力指令所など、直流変電所以外の場所に設置することもできる。
【００７４】
また、本発明の制御方式は、自励式整流器のパラメータ“Ｖｓ”のアンバランスを回復する効果を有していないため、制御タイミングのずれなどによる“Ｖｓ”のアンバランスを回復するため、系統制御装置５２から一定時間ごと（低速制御と同時など）に全自励式整流器に対してパラメータ“Ｖｓ”の指令値を通信により伝送する。この指令値の反映もパラメータ“ｒ”の場合と同様に穏やかに行われる。
【００７５】
以上説明したように、本発明の超電導直流き電システムにおいては、各直流変電所に設置されたＰＷＭコンバータを超電導線のき電線に並列に接続する場合に、各直流変電所のＰＷＭコンバータを、ダイオードの特性を模擬した特性を与える高速制御（１秒以下）と、自動電圧調整を行う中速制御（数秒〜数分）と、負荷分担制御を行う低速制御（数分〜数時間）との、３重の制御ループを有する多重帰還制御系で構成されている。
【００７６】
この内、自励式整流器間で通信が必要となるのは、負荷分担制御部を行う低速制御のみであり、仮に直流変電所間で通信が不能となった場合においても、上述の高速制御、および中速制御系により並列運転状態のまま自律制御が可能である。
【００７７】
このように、本発明の超電導直流き電システムにおいては、各直流変電所に設備された自励式整流器の出力電圧を制御することにより、定電圧出力を行いつつ各直流変電所間に流れる横流を抑制することができると共に、負荷急変など厳しい条件下においても正常動作が可能であり、また直流変電所間における通信が不能となった場合においても、安全に自励式整流器の並列運転動作を継続させることができる、すなわち、堅牢なアルゴリズムで運用することができる、超電導直流き電システムを実現することができる。
【００７８】
また、本発明の超電導直流き電システムは、超電導線を使用する場合に限らず、通常の直流き電システムにおいて自励式整流器の並列運転を行う場合の制御方法としても有効である。また、現在行われている自励式整流器の単独運転においても、隣接変電所のダイオード整流器との協調運転において有効な制御方法となる。また、超電導直流き電システムでは変電所間が零抵抗の直流母線で引き通される場合と電気的には等価であり、必須の技術となる。
【００７９】
また、上述した実施形態では、自励式整流器として、３相ＰＷＭコンバータ（３相ＰＷＭ・ＡＣ／ＤＣコンバータ）を用いた例について説明したが、これに限定されない。例えば、ダイオード整流器に対して直列に電圧補償機能を有するコンバータを接続する構成なども一般的に用いられている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータを自励式整流器として使用することができる。この場合、３相交流をダイオード整流器（３相ブリッジ回路）等により中間直流電圧（き電電圧と異なる場合もある）に変換し、この中間直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより所望（電車線の定格）の直流電圧に変換して、き電回路側に出力する。あるいは、この中間直流電圧源として二次電池や電力貯蔵媒体を適用した構成も用いられている（非特許文献３を参照）。
【００８０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、図２に示す超電導直流き電システムにおいて、前述の自励式整流器は、コンバータ部２１と、このコンバータ部２１に付加される多重制御ループを構成する部分と、が相当する（ただし、系統制御装置５２は除く）。また、前述の基本となる電圧制御ループは、コンバータ部２１内の電圧制御ループ（加算器２２および第１の電圧調整部２３を含むフィードバック制御系の部分）が相当する。前述の第１の制御ループは、加算器３２およびｒ制御部５１（第１の制御ループではパラメータ“ｒ”は固定値とみなせる）を含む垂下特性制御ループ３０が相当する。また、前述の第２の制御ループは、第２の電圧調整部３３と、加算器３４と、移動平均処理部３５とを含む定電圧制御ループ３１が相当する。また、前述の第３の制御ループは、ｒ制御部５１と系統制御装置５２とを含む負荷分担制御ループ５０が相当する。
【００８１】
そして、本発明の超電導直流き電システムは、各直流変電所２ａに設備される自励式整流器（コンバータ部２１と、これに付加される多重制御ループとで構成される部分）は、入力される電圧制御指令値Ｖｒの信号に応じて出力電圧を制御するコンバータ部２１内の電圧制御ループに加えて、この電圧制御ループのアウターループであって、負荷電流に応じて所定のＶＩ特性（出力電圧―出力電流特性）に従った出力電圧を出力するように前記電圧制御指令値Ｖｒを制御する第１の制御ループ（垂下特性制御ループ３０）と、前記電圧制御ループのアウターループであって、前記第１の制御ループよりも制御時定数が長く設定されると共に、前記自励式整流器の出力電圧が所定の目標電圧になるように前記電圧制御指令値Ｖｒを制御する第２の制御ループ（定電圧制御ループ３１）と、を有して構成される。
これにより、複数の自励式整流器を並列運転して、超電導線のき電線に直流電圧を給電する場合に、各自励式整流器の出力電圧を制御することにより、定電圧出力を行いつつ直流変電所間に横流が流れることを抑制することができると共に、負荷急変など厳しい条件下においても正常動作が可能となる。また、直流変電所間における通信が不能となった場合においても、安全に自励式整流器の並列運転動作を継続させることができる。このため、堅牢なアルゴリズムで運用することができる、超電導直流き電システムを実現することができる。
【００８２】
また、本発明の超電導直流き電システムは、前記第２の制御ループ（定電圧制御ループ３１）よりも制御時定数が長く設定され、他の直流変電所の自励式整流器の負荷分担率に応じて、直流変電所２ａの自励式整流器におけるＶＩ特性を変化させ、当該自励式整流器の負荷分担率を変化させる第３の制御ループ（負荷分担制御ループ５０）をさらに有して構成される。
これにより、各直流変電所に設備された自励式整流器における負荷分担を所望の比率に制御することができる。
【００８３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の超電導直流き電システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００８４】
1・・・き電線（超電導線）、２ａ，２ｂ，２ｃ・・・直流変電所、３・・・通信ケーブル、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ・・・整流器用変圧器、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ・・・ＰＷＭコンバータ、１２ａ、１２ｂ，１２ｃ・・・電力変換部、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ・・・ＤＣ電流検出器、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ・・・ＤＣ電圧検出器、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ・・・電圧制御部、２１・・・コンバータ部、２２・・・加算器、２３・・・第１の電圧調整部、２４・・・ＰＷＭ制御部、２５・・・電力変換部、３０・・・垂下特性制御ループ、３１・・・定電圧制御ループ、３２，３４・・・加算器、３３・・・第２の電圧調整部、３５・・・移動平均処理部、５０・・・負荷分担制御ループ、５１・・・ｒ制御部、５２・・・系統制御装置
【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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