(57)【要約】      （修正有）【課題】直流電圧の変動が比較的大きい箇所に適用される電気鉄道用電力貯蔵システムにおいて、回生失効の回避と電圧降下補償を常に可能にする。【解決手段】電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂの電力貯蔵媒体１１ｂをできるだけ最高充電状態に待機させ、これによって電車力行時には多くのエネルギーを放出させるようにし、且つ回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａの電力貯蔵媒体１１ａはできるだけ最低充電状態に待機させ、これによって電車回生時には多くのエネルギーを吸収する。【選択図】図１
2011168152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧降下補償用電力貯蔵装置と回生電力吸収用電力貯蔵装置を備え、前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体をできるだけ最高充電状態に待機させ、これによって電車力行時には多くのエネルギーを放出させるようにし、且つ前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体はできるだけ最低充電状態に待機させ、これによって電車回生時には多くのエネルギーを吸収するようにしたことを特徴とする電気鉄道用電力貯蔵システム。
【請求項２】
電圧降下補償用電力貯蔵装置と回生電力吸収用電力貯蔵装置を備えた電気鉄道用電力貯蔵システムにおいて、
き電線電圧の検出電圧が第１充電開始電圧以上のときには前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体と前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は共に充電状態に、
また、前記検出電圧が第1充電開始電圧よりも低く且つ第２充電開始電圧以上のときには前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は待機状態に、前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は充電状態に、
また、前記検出電圧が第２充電開始電圧よりも低く且つ第1放電開始電圧よりも高いときには前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体と前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は共に待機状態に、
また、前記検出電圧が第1放電開始電圧以下で且つ第２放電開始電圧よりも高いときには前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は放電状態に、前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は待機状態に、
そして、前記検出電圧が第２放電開始電圧以下のときには前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体と前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は共に放電状態になるように制御されることを特徴とする電気鉄道用電力貯蔵システム。
【請求項３】
前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体と前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体は共に待機状態にあるときには、前記回生電力吸収用電力貯蔵装置から前記電圧降下補償用電力貯蔵装置へエネルギーを強制的に移すようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電気鉄道用電力貯蔵システム。
【請求項４】
前記回生電力吸収用電力貯蔵装置から前記電圧降下補償用電力貯蔵装置へエネルギーを強制的に移すのは、前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力変換装置と前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力変換装置を定電流制御し、前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体から定電流の放電電流をき電線側に供給し、同時に前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体に定電流の充電電流をき電線側から供給を受けるように、これらの電力変換装置を制御して行われることを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道用電力貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気鉄道における電圧降下補償や回生電力有効活用を指向した電気鉄道用電力貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電気鉄道の変電所間で電車が力行することで電車に電流が供給されると、き電線やレールの抵抗分による電圧降下が生じる。この電圧降下が大きくなると、電車モータに供給する直流電圧が低下し、その動作に支障を及ぼす可能性がある。そのため、変電所間に電力貯蔵装置を適用することで、放電による電圧降下を補償し、電車運行の安定に寄与する。
【０００３】
また、電気鉄道において電車が電力回生を行う際に、付近に力行する電車が存在しないと電力回生エネルギーを有効に活用することができない。直流電気鉄道では、電力回生エネルギーの行き場がなくなると回生失効、即ち電気制動不能となるケースがある。そのため、電力貯蔵装置を適用することで、その充電により回生失効を回避し、かつ電力回生エネルギーの有効活用が図られている。
【０００４】
例えば、特開２０００−２３３６６９号公報（特許文献１）や特開２００１−２６０７１９号公報（特許文献２）に記載されている直流電気鉄道における直流電力貯蔵装置を利用した電力回生方式は、直流変電所の直流側に昇降圧チョッパと直流電力蓄積装置からなる直流電力貯蔵装置を装備したものであり、電気車の回生運転によって外線電圧がその定格電圧範囲の上限を超えた場合には、前記昇降圧チョッパにより外線電圧を降圧制御し、外線から前記昇降圧チョッパを介して前記直流電力蓄積装置の充電電流として前記電気車の回生電力を吸収させるものである。
【０００５】
なお、前記直流電力貯蔵装置を構成する前記昇降圧チョッパは、直流き電線とレールとの間に接続された高圧側アームと低圧側アームの直列回路と、前記高圧側アームと低圧側アームの接続点とレールとの間に接続された直流電力蓄積装置とからなる。そして、前記高圧側アームは外線から流れ込む充電電流を制御できる向きに一端を外線に接続した第1半導体スイッチ及び前記第1半導体スイッチに逆並列に接続された第1ダイオードで構成され、前記低圧側アームは前記第1半導体スイッチと電流を制御できる向きが同じで且つ前記第1半導体スイッチの他端と直列接続された第２半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチに逆並列接続された第２ダイオードで構成されている。
【０００６】
ところで、１台の電力貯蔵装置を備える従来の電気鉄道用電力貯蔵システムにおいては、その電力貯蔵装置の容量が十分に大きいものであっても、その充電状態によっては回生失効を回避できない場合や電圧降下補償ができない場合がある。即ち、電力貯蔵装置が最高充電状態付近にある場合に電車が近傍で電力回生した場合、電力貯蔵装置は充電できず、回生失効を回避できなくなる。また、電力貯蔵装置が最低充電状態付近にある場合に電車が近傍で力行した場合、電力貯蔵装置は放電できず、電圧降下補償が出来なくなる。
【０００７】
そこで上述の課題を解決するために、電力貯蔵装置の容量を更に大きくするシステムが考えられるが、このシステムは経済性に劣り現実的ではない。また２台の電力貯蔵装置を１箇所に備え、かつそれぞれ異なる充放電動作を行うシステムが考えられるが未だに開発されていない。なお、特開２００６−２８７９９８号公報（特許文献３）には、２台の電力貯蔵装置を備え、一方を放電用、他方を充電用として両電力貯蔵装置を定期的に切り替えることにより、充放電サイクル数を低く抑えた上で電力変動平滑化運転を可能にする運転方法が記載されているが、この方法では上述の課題に対応できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２３３６６９号公報
【特許文献２】特開２００１−２６０７１９号公報
【特許文献３】特開２００６−２８７９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
直流電圧の変動が比較的大きい箇所に適用される電気鉄道用電力貯蔵システムにおいて、回生失効の回避と電圧降下補償を常に可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する電気鉄道用電力貯蔵システムは、電圧降下補償用電力貯蔵装置と回生電力吸収用電力貯蔵装置の２つを備えたものであって、前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体をできるだけ最高充電状態に待機させ、これによって電車力行時には多くのエネルギーを放出させるようにし、且つ前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体はできるだけ最低充電状態に待機させ、これによって電車回生時には多くのエネルギーを吸収するようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る電気鉄道用電力貯蔵システムは、２つの電力貯蔵装置を電圧降下補償用と回生電力吸収用に使用目的を分担するものであるので、電力貯蔵システムの有する貯蔵能力を十分に発揮させることができ、従って常に効果的な充放電を行うことができるようになった。また、本発明に係る電気鉄道用電力貯蔵システムにおいては、その近傍に電車が存在しない場合に、２つの電力貯蔵装置の一方を定電流モードで充電、他方を定電流モードで放電させることにより、待機完了までの時間を大幅に短縮できるようになった。さらに、本発明に係る電気鉄道用電力貯蔵システムにおいては、時間帯によっては、電圧降下補償もしくは回生電力吸収の一方の目的で電力貯蔵システムを使用する場合には、２つの電力貯蔵装置を共に待機状態にして使用することもできるので、より効率的な運用を図ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例の電気鉄道用電力貯蔵システムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、電圧降下補償用電力貯蔵装置と回生電力吸収用電力貯蔵装置の２つで構成された電気鉄道用電力貯蔵システムであって、前記電圧降下補償用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体をできるだけ最高充電状態に待機させ、これによって電車力行時には多くのエネルギーを放出させるようにし、且つ前記回生電力吸収用電力貯蔵装置の電力貯蔵媒体はできるだけ最低充電状態に待機させ、これによって電車回生時には多くのエネルギーを吸収するようにしたことを特徴とするものである。
【実施例】
【００１４】
本発明に係る電気鉄道用電力貯蔵システムは、図１に示す如く、回生電力吸収用電力貯蔵装置と電圧降下補償用電力貯蔵装置の２つで構成される。
【００１５】
回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａは、電力貯蔵媒体１１ａ、直流リアクトル１２ａ、半導体スイッチ１３ａと１４ａ、ダイオード１５ａと１６ａ、フィルタコンデンサ１７ａ、リアクトル１８ａ、及び直流遮断器１９ａで構成されている。直流遮断器１９ａは、き電回路に故障が生じた場合、あるいは電力貯蔵システム内に故障が発生した場合に即座に開放することによって、システム内外の故障波及を回避する。
【００１６】
半導体スイッチ１３ａと１４ａ及びダイオード１５ａと１６ａは電力変換装置１０ａを構成する。そして、この電力変換装置１０ａは電車負荷と電力貯蔵媒体の状況に応じて制御装置２０ａの制御信号Ａで制御され、昇降圧チョッパとして機能し、直流電圧を上昇もしくは降下させる。即ち、制御装置２０ａには図示省略する電圧検出器で検出された検出圧Ｖａが常時入力されており、この検出電圧Ｖａと設定値との比較結果に基づいて制御装置２０ａの制御信号Ａを出力する。検出電圧Ｖａは、き電線の電圧であり、一般的な電圧検出器で検出される。フィルタコンデンサ１７ａとリアクトル１８ａは、電力変換装置１０ａからき電線側に流れる高調波を阻止する。
【００１７】
電力変換装置１０ａによる電力貯蔵媒体１１ａの降圧充電は、半導体スイッチ１３ａと１４ａの両端に印加される直流電圧に対して、半導体スイッチ１３ａをチョッパ動作させ、そのオン期間には直流リアクトル１２ａを介して電力貯蔵媒体１１ａに充電電流を供給し、そのオフ期間にはリアクトル１２ａの電流エネルギーを電力貯蔵装置１１ａからダイオード１６ａの経路で電力貯蔵媒体１１ａに充電電流を供給する。
【００１８】
電力変換装置１０ａを通した電力貯蔵媒体１１ａからの昇圧放電は、半導体スイッチ１４ａをチョッパ動作させ、そのオン期間には電力貯蔵媒体１１ａから直流リアクトル１２ａに短絡電流を流すことで直流リアクトル１２ａに電流エネルギーを蓄積し、そのオフ期間に直流リアクトル１２ａからダイオード１５ａを通してき電線側に放電する。
【００１９】
同様に、電圧降下補償用電力貯蔵装置Bは、電力貯蔵媒体１１ｂ、直流リアクトル１２ｂ、半導体スイッチ１３ｂと１４ｂ、ダイオード１５ｂと１６ｂ、コンデンサ１７ｂ、リアクトル１８ｂ及び直流遮断器１９ｂで構成されている。直流遮断器１９ｂは、き電回路に故障が生じた場合、あるいは電力貯蔵システム内に故障が発生した場合に即座に開放することによって、システム内外の故障波及を回避する。
【００２０】
半導体スイッチ１３ｂと１４ｂ及びダイオード１５ｂと１６ｂは、電力変換装置１０ｂを構成する。そして、この電力変換装置１０ｂは電車負荷と電力貯蔵媒体の状況に応じて制御装置２０ｂの制御信号Ｂで制御され、昇降圧チョッパとして機能し、直流電圧を上昇もしくは降下させる。即ち、制御装置２０ｂには図示省略する電圧検出器で検出された検出圧Ｖｂが常時入力されており、この検出電圧Ｖｂと設定値との比較結果に基づいて制御装置２０ｂの制御信号Ｂを出力する。検出電圧Ｖｂは、き電線の電圧であり、一般的な電圧検出器で検出される。
【００２１】
電力変換装置１０ｂの動作は、上述の電力変換装置１０ａと同じであるので、その説明は省略する。
【００２２】
制御装置２０ａも制御装置２０ｂはいずれも、所定の設定値が予め記憶された記憶部を備えたパーソナルコンピュータの如き情報処理装置である。
【００２３】
本発明の一実施例において、回生電力吸収用の電力貯蔵システムの制御装置２０ａには、第１充電開始電圧Ｖｃ１、第２充電開始電圧Vｃ２、第１放電開始電圧Ｖｄ１、第２放電開始電圧Ｖd２及び設定電流Ｉｓの５つの設定値が予め記憶されている。そして、制御装置２０ａには、き電線電圧を図示省略の電圧検出器から検出電圧Ｖａと図示省略の充放電電流検出器から検出電流Ｉａが常時入力されている。
【００２４】
また、電圧降下補償用の電力貯蔵システムの制御装置２０ｂにも、第１充電開始電圧Ｖｃ１、第２充電開始電圧Vｃ２、第１放電開始電圧Ｖｄ１、第２放電開始電圧Vｄ２及び設定電流Ｉｓの５つの設定値が予め記憶されている。そして、制御装置２０ｂには、き電線電圧を図示省略の電圧検出器から検出電圧Ｖｂと図示省略の充放電電流検出器から検出電流Ｉｂが常時入力されている。
【００２５】
第１充電開始電圧Ｖｃ１と第１放電開始電圧Ｖｄ１は、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａの電力貯蔵媒体１１ａが最低充電状態、例えばその容量の約１割まで充電されるような状態、即ち回生電力を常に吸収可能な待機状態を保持できるように、その電圧値が予め定められている。また、第２充電開始電圧Ｖｃ２と第２放電開始電圧Ｖｄ２は、電圧降下補償用電力貯蔵装置Bの電力貯蔵媒体１１ｂが最高充電状態、例えばその容量の約９割まで充電されるような状態、即ち電圧降下を常に補償可能な待機状態を保持できるように、その電圧値が予め定められている。このため、表1に示す如く、第１充電開始電圧Ｖｃ１、第２充電開始電圧Vｃ２、第１放電開始電圧Ｖｄ１及び第２放電開始電圧Vｄ２の大小関係は、Ｖｃ１が最も大きな値であり、二番目がVｃ２、三番目がＶｄ１、４番目のVｄ２が最も小さい値である。
【００２６】
【表１】
2011168152.tif 000003
【００２７】
次に、表1を参照しながら、本発明に係る電気鉄道用電力貯蔵システムの動作を説明する。図示省略する電車が電力貯蔵システムの近傍に位置しているとき、その力行もしくは電力回生によってき電電圧が変動する。従って、制御装置２０ａに入力された検出電圧Ｖａと制御装置２０ｂに入力された検出電圧Ｖｂも変動する。
【００２８】
回生電力吸収用の電力貯蔵システムにおいて、制御装置２０ａは検出電圧Ｖａが第１充電開始電圧Ｖｃ１よりも高い場合には、電力変換装置１０ａを定電圧制御し、電力貯蔵媒体１１ａを定電圧で充電する。
【００２９】
制御装置２０ａは検出電圧Ｖａが第１充電開始電圧Ｖｃ１と第１放電開始電圧Ｖｄ１の間にある場合には、電力変換装置１０ａを制御し、電力貯蔵媒体１１ａの充放電を停止する。これによって、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａは待機状態に保持される。
【００３０】
制御装置２０ａは検出電圧Ｖａが第１放電開始電圧Ｖｄ１よりも低い場合には、電力変換装置１０ａを制御し、き電線側に電力貯蔵媒体１１ａから定電圧で放電する。
【００３１】
一方、電圧降下補償用の電力貯蔵システムにおいては、制御装置２０ｂは検出電圧Ｖｂが第２充電開始電圧Ｖｃ２よりも高い場合には、電力変換装置１０ｂを定電圧制御し、電力貯蔵媒体１１ｂを定電圧で充電する。
【００３２】
制御装置２０ｂは検出電圧Ｖｂが第２充電開始電圧Ｖｃ２と第２放電開始電圧Ｖｄ２の間にある場合には、電力変換装置１０ｂを制御し、電力貯蔵媒体１１ｂの充放電を停止する。これによって、電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂは待機状態に保持される。
【００３３】
制御装置２０ｂは検出電圧Ｖｂが第２放電開始電圧Ｖｄ２よりも低い場合には、電力変換装置１０ｂを制御し、き電線側に電力貯蔵媒体１１ｂから定電圧で放電する。
【００３４】
次に、図示省略する電車が電力貯蔵装置近傍に位置していないで、かつ、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａの電力貯蔵媒体１１ａと電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂの電力貯蔵媒体１１ｂの待機状態がそれぞれ所定の状態にない場合には、以下に述べる定電流制御が行われる。
【００３５】
上述したとおり、第１充電開始電圧Ｖｃ１と第１放電開始電圧Ｖｄ１は、回生電力を常に吸収可能な待機状態を保持できるように、その電圧値が予め定められている。また、第２充電開始電圧Ｖｃ２と第２放電開始電圧Ｖｄ２は、電圧降下を常に補償可能な待機状態を保持できるように、その電圧値が予め定められている。このため、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａと電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂが共に待機状態にある状態が生じる。即ち、検出電圧ＶａとＶｂが第１放電開始電圧Ｖｄ１よりも高くかつ第２充電開始電圧Ｖｃ２よりも低い値のときには、電力貯蔵媒体１１ａと電力貯蔵媒体１１ｂは共に充電も放電も行わない待機状態にある。
【００３６】
この回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａと電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂが共に待機状態にある場合、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａの電力貯蔵媒体１１ａにはその容量の約１割が充電され、電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂの電力貯蔵媒体１１ｂにはその容量の約９割が充電されていることが好ましい。しかしながら、上述した図示省略する電車が電力貯蔵システムの近傍に位置しているときの定電圧の充放電制御で、このような好ましい状態になることは殆どあり得ない。そこで、本発明においては、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａから電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂへエネルギーを強制的に移すようにした。
【００３７】
即ち、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａと電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂが共に待機状態にあるときには、制御装置２０ａは電力変換装置１０ａを検出電流Ｉａが設定電流Ｉｓに等しくなるように制御する。これによって、電力貯蔵媒体１１ａから電力変換装置１０ａを介し、き電線側に定電流Ｉｓの放電電流が流れる。なお、検出電流Ｉａは図示省略の変流器を直流リアクトル１２ａに直列に接続して検出することができる。
【００３８】
同時に、制御装置２０ｂは電力変換装置１０ｂを検出電流Ｉｂが設定電流Ｉｓに等しくなるように制御する。これによって、電力貯蔵媒体１１ｂには前記電力変換装置を介し、き電線側から定電流Ｉｓの充電電流が流れる。なお、検出電流Ｉｂは図示省略の変流器を直流リアクトル１２ｂに直列に接続して検出することができる。
【００３９】
上述の如き定電流制御により、電力貯蔵媒体１１ａからの放電電流Ｉｓが電力貯蔵媒体１１ｂに充電電流Ｉｓとなって流れ込み、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａの電力貯蔵媒体１１ａにはその容量の約１割が充電され、電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂの電力貯蔵媒体１１ｂにはその容量の約９割が充電されることが好ましい状態に急速に近づけることができる。そして、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａと電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂのいずれかが所定の待機状態に達したら、定電流制御を停止し、次の電車の力行もしくは電力回生に備えて定電圧制御に移行する。
【００４０】
このようにして、電力貯蔵システム近傍に電車が存在しない場合に、２つの電力貯蔵装置の一方を定電流モードで充電、他方を定電流モードで放電させることにより、待機完了までの時間を大幅に短縮できるようになった。
【００４１】
さらに、本発明に係る電気鉄道用電力貯蔵システムにおいては、時間帯によっては、電圧降下補償もしくは回生電力吸収の一方の目的で電力貯蔵システムを使用する場合には、２つの電力貯蔵装置を共に同じ待機状態かつ充放電設定電圧にして使用することもできるので、より効率的な運用を図ることができるようになった。
【００４２】
なお、実施例１において、回生電力吸収用電力貯蔵装置Ａの電力変換装置１０ａを制御する制御装置２０ａと電圧降下補償用電力貯蔵装置Ｂの電力変換装置１０ｂを制御する制御装置２０ｂを1個の共用の制御装置に置き換えることも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ａ，１０ｂ  電力変換装置
１１ａ，１１ｂ  電力貯蔵媒体
１２ａ，１２ｂ  直流リアクトル
１３ａ，１３ｂ  半導体スイッチ
１４ａ，１４ｂ  半導体スイッチ
１５ａ，１５ｂ  ダイオード
１６ａ，１６ｂ  ダイオード
１７ａ，１７ｂ  フィルタコンデンサ
１８ａ，１８ｂ  リアクトル
１９ａ，１９ｂ  直流遮断器
２０ａ，２０ｂ  制御装置
【図１】
2011168152.tif 000004