(57)【要約】【課題】単純で、制御が容易で、安価な無停電保護システムを提供する。【解決手段】電気回路網（１４）からの電気エネルギを負荷（１８）に供給するための電源システム（１０）は、少なくとも１つの電源モジュール（２０）を備える。電源モジュールは、電気回路網から供給されるＤＣリンク（２４）と、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を負荷に供給されるＡＣ電圧に変換するインバータ（２６）とを備える。電源システムは、ＤＣリンクによって充電されるとともに、電気回路網が停電した場合はＤＣリンクに電気エネルギを供給するための電気エネルギ貯蔵部（３０）を備え、電気エネルギ貯蔵部は、一方の入力（３６）により電源モジュールの中性点（Ｎ）に接続される。電源モジュールは、ＤＣリンクの正の電位（ＤＣ＋）または負の電位（ＤＣ−）に、中性点に、および電気エネルギ貯蔵部の別の入力（３４）に接続される双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気回路網（１４）からの電気エネルギを負荷（１８）に供給するための電源システム（１０）であって、少なくとも１つの電源モジュール（２０）を備え、前記少なくとも１つの電源モジュール（２０）は、
前記電気回路網（１４）から供給されるＤＣリンク（２４）と、
前記ＤＣリンク（２４）に接続され、前記ＤＣリンク（２４）からのＤＣ電圧を前記負荷（１８）に供給されるＡＣ電圧に変換するように適合されるインバータ（２６）とを備え、
前記電源システム（１０）は、前記ＤＣリンク（２４）によって充電されるとともに、前記電気回路網（１４）が停電した場合に前記ＤＣリンク（２４）に電気エネルギを供給するための電気エネルギ貯蔵部（３０）を備え、
前記電気エネルギ貯蔵部（３０）は、一方の入力（３６）により前記電源モジュール（２０）の中性点（Ｎ）に接続され、
前記ＤＣリンク（２４）は、前記ＤＣリンク（２４）の正の電位（ＤＣ＋）と負の電位（ＤＣ−）との間に直列に相互接続される少なくとも２つのキャパシタ（２８）を備え、
前記中性点（Ｎ）は前記少なくとも２つのキャパシタ（２８）の間に設けられ、
前記電源モジュール（２０）は、前記ＤＣリンク（２４）の前記正の電位（ＤＣ＋）または前記負の電位（ＤＣ−）に、前記中性点（Ｎ）に、および前記電気エネルギ貯蔵部（３０）の別の入力（３４）に接続される、前記電気エネルギ貯蔵部（３０）を充放電させるための双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）を備え、
前記電源モジュール（２０）は、前記ＤＣリンク（２４）の前記中性点（Ｎ）、前記負の電位（ＤＣ−）、および前記正の電位（ＤＣ＋）を相互接続する前記ＤＣリンクのキャパシタ（２８）中に貯蔵される電気エネルギを平衡させるためのさらなる双方向降圧／昇圧コンバータ（６０）を備える、電源システム。
【請求項２】
前記電気エネルギ貯蔵部（３０）は入力（３４、３６）を２つのみ備える、請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記降圧／昇圧コンバータ（４０）および／またはさらなる降圧／昇圧コンバータ（６０）は、直列に接続され、第１の出力（５２、７２）と第２の出力（５４、７４）とを設ける２つの半導体スイッチ（４４、６４）と、一方端が前記２つの半導体スイッチ（４４、４６）の間に接続され、別の端で第３の出力（５６、７６）を設けるインダクタ（４８、６８）とを備える、請求項１に記載の電源システム。
【請求項４】
前記降圧／昇圧コンバータ（４０）および／または前記さらなる降圧／昇圧コンバータ（６０）は２つのダイオード（４６、６６）を備え、各々のダイオードは前記半導体スイッチ（４４、６４）の１つに並列に接続される、請求項３に記載の電源システム。
【請求項５】
前記電気エネルギ貯蔵部（３０）を充放電させるための前記降圧／昇圧コンバータ（４０）は、前記第１の出力（５２）によって前記電気エネルギ貯蔵部（３０）に接続され、前記第２の出力（５４）によって前記中性点（Ｎ）に接続され、かつ前記第３の出力（５６）によって前記ＤＣリンク（２４）の前記正の電位（ＤＣ＋）または負の電位（ＤＣ−）に接続される、請求項３に記載の電源システム。
【請求項６】
前記電気エネルギ貯蔵部（３０）を充放電させるための前記降圧／昇圧コンバータ（４０）は、前記第１の出力（５２）によって前記電気エネルギ貯蔵部（３０）に接続され、前記第２の出力（５４）によって前記中性点（Ｎ）に接続され、かつ前記第３の出力（５６）によって前記ＤＣリンク（２４）の前記正の電位（ＤＣ＋）または負の電位（ＤＣ−）に接続される、請求項４に記載の電源システム。
【請求項７】
前記電気エネルギ貯蔵部（３０）を充放電させるための前記降圧／昇圧コンバータ（４０）は、前記第１の出力（５２）によって前記ＤＣリンク（２４）の前記正の電位（ＤＣ＋）または前記負の電位（ＤＣ−）に接続され、前記第２の出力（５４）によって前記中性点（Ｎ）に接続され、かつ前記第３の出力（５６）によって前記電気エネルギ貯蔵部（３０）に接続される、請求項３に記載の電源システム。
【請求項８】
前記電気エネルギ貯蔵部（３０）を充放電させるための前記降圧／昇圧コンバータ（４０）は、第１の出力（５２）によって前記ＤＣリンク（２４）の前記正の電位（ＤＣ＋）または前記負の電位（ＤＣ−）に接続され、前記第２の出力（５４）によって前記中性点（Ｎ）に接続され、かつ前記第３の出力（５６）によって前記電気エネルギ貯蔵部（３０）に接続される、請求項４に記載の電源システム。
【請求項９】
前記さらなる降圧／昇圧コンバータ（６０）は、前記第１の出力（７２）によって前記ＤＣリンク（２４）の前記正の電位（ＤＣ＋）に接続され、前記第２の出力（７４）によって前記ＤＣリンク（２４）の前記負の電位（ＤＣ−）に接続され、かつ前記第３の出力（７６）によって前記中性点（Ｎ）に接続される、請求項３から６のいずれか１項に記載の電源システム。
【請求項１０】
前記電源システム（１０）は複数の電源モジュール（２０）を備え、各々の電源モジュール（２０）は、前記電気エネルギ貯蔵部（３０）に接続されるＤＣリンク（２４）を備える、請求項１に記載の電源システム。
【請求項１１】
前記電源システム（１０）は複数の電源モジュール（２０）を備え、各々の電源モジュール（２０）は、前記電気エネルギ貯蔵部（３０）に接続されるＤＣリンク（２４）を備える、請求項９に記載の電源システム。
【請求項１２】
前記電源モジュール（２０）は、前記電気エネルギ貯蔵部（３０）の一方の入力（３６）に接続されるそれらの中性点（Ｎ）を介して接続され、
各々の電源モジュール（２０）は、それぞれの電源モジュール（２０）の前記ＤＣリンク（２４）の正の電位（ＤＣ＋）または負の電位（ＤＣ−）に前記電気エネルギ貯蔵部（３０）の他方の入力（３４）を相互接続する双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）を備える、請求項１０に記載の電源システム。
【請求項１３】
前記電源モジュール（２０）は、前記電気エネルギ貯蔵部（３０）の一方の入力（３６）に接続されるそれらの中性点（Ｎ）を介して接続され、
各々の電源モジュール（２０）は、それぞれの電源モジュール（２０）の前記ＤＣリンク（２４）の正の電位（ＤＣ＋）または負の電位（ＤＣ−）に前記電気エネルギ貯蔵部（３０）の他方の入力（３４）を相互接続する双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）を備える、請求項１１に記載の電源システム。
【請求項１４】
電源システム（１０）を動作させるための方法であって、
双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）を有する前記電源システム（１０）の少なくとも１つの電源モジュール（２０）のＤＣリンク（２４）から電気エネルギ貯蔵部（３０）を充電するステップを備え、
前記電気エネルギ貯蔵部（３０）は、一方の入力（３６）によって前記電源モジュール（２０）の中性点（Ｎ）に接続されるとともに、別の入力（３４）によって前記降圧／昇圧コンバータ（４０）に接続され、
前記双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）は、前記ＤＣリンク（２４）の正の電位（ＤＣ＋）または負の電位（ＤＣ−）に接続されるとともに、前記中性点（Ｎ）に接続され、
前記方法は、前記双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）を介して前記電気エネルギ貯蔵部（３０）を前記ＤＣリンク（２４）に向けて放電させることによって前記ＤＣリンク（２４）に電気エネルギを供給するステップをさらに備える、方法。
【請求項１５】
前記ＤＣリンク（２４）の前記中性点（Ｎ）、前記負の電位（ＤＣ−）、および前記正の電位（ＤＣ＋）を相互接続するさらなる降圧／昇圧コンバータ（６０）を動作させることによって、前記電気エネルギ貯蔵部（３０）の放電の間、前記電源モジュール（２０）のＤＣリンクのキャパシタ（２８）に貯蔵される電気エネルギを平衡させるステップをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記双方向降圧／昇圧コンバータ（４０）を有する前記電源システム（１０）の少なくとも１つの電源モジュール（２０）の前記ＤＣリンク（２４）から前記電気エネルギ貯蔵部（３０）を充電するステップをさらに備え、
電気回路網（１４）から引き込まれる電流のＤＣ成分は、前記さらなる降圧／昇圧コンバータ（６０）を通して能動的に制御される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法を行なうように適合される、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電源システム（１０）のためのコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、電源システムの分野、特に列車用途の無停電保護システムに関する。特に、本発明は、電気回路網からの電気エネルギを負荷に供給するための電源システム、および電源システムを動作させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
列車または鉄道システムでは、自動列車保護システムにより、鉄道上で循環するすべての車両（列車）の位置および速度を管理しかつ制御することによってすべての車両の安全な運行が可能になる。（鉄道の転轍器、踏切、鉄道の照明などの）自動列車保護機器および他の鉄道機器は、予め定められた時間量の間、システムの不可欠な負荷に補助電源を与えるように適合される確実な電源を必要とすることがある。そのような電源システムは無停電保護システムとも呼ばれる。
【０００３】
無停電電源または保護システムは、電気回路網によって供給される入力電流からＡＣ出力電流を生成するように適合される１つ以上の電源モジュールを備え得る。ＡＣ電気回路網については、電源モジュールは、ＡＣ出力電流を生成するためにインバータと相互接続されるＤＣリンクを供給する整流器を備え得る。ＤＣ電気回路網の場合は整流器を省略してもよい。インバータおよび／または整流器は、中心の中性点を有する分割（split）ＤＣリンクに接続される２つのハーフブリッジ位相レッグ（phase leg）を伴なうコンバータトポロジーを有し得る。単純かつ経済的なトポロジーは、分割ＤＣリンクおよび中性／共通基準点が入力から出力へ通る、ハーフブリッジ整流器およびハーフブリッジインバータであり得る。これらのトポロジーは、４線式（４００Ｖ）および３線式（北米のような４８０Ｖ）システムの両者にも適用される。
【０００４】
電気回路網がダウンしている場合に補助エネルギを与えるため、無停電保護システムは通常、充電式電池または蓄電池の形態の電気エネルギ貯蔵部を備える。たとえば、鉛蓄電池を、無停電保護システムにおける電気エネルギ貯蔵部として用いてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開第２０１２／１６９１２６号
【特許文献２】米国特許公開第２００８／０６１６２８号
【特許文献３】米国特許公開第２０１３／０４９６９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
いくつかの電源モジュールに共通の電池が用いられることがあるが、これは、システムレベルで動作上のまたはコストの問題を生じることがある。というのも、電池は、電源モジュール同士の間の過剰なおよび／または非制御の循環電流を回避するための複雑なまたは高価な解決策を必要とし得る電流経路を導入する可能性があるからである。
【０００７】
これらの課題に対するいくつかの解決策が利用でき、一般的に用いられる。たとえば、３線式電池（three wire battery）（すなわち、正、負、および中点入力を有する電池）を用いてもよく、これは、中点入力が、典型的には電源システムの中性点である安定基準電位上に中心決めされている。そのようなシステムは通常は制御が単純であり、本来的に安定であり得るが、分割／３線式電池は、ケーブル敷設、保護、ならびに２面（two-sided）または分割ＤＣリンクおよび充電機能をサポートする２つのＤＣ−ＤＣコンバータの必要性のために、高コストになってしまう。
【０００８】
別の例として、２線式電池（すなわち、正および負の入力を有する電池）を用いてもよく、これは、一方の入力で、不安定ではあるが制御された電位、たとえば、電源モジュールのＤＣリンクの電位、に接続される。この場合、コンバータの保護および数はより少なくなり得るが、通常は制御がより困難であり、典型的に、能動的および受動的制御を介して循環電流を実用的なレベルに限定するには、異なる電源モジュール同士の間の付加的なインピーダンスおよび制御回路が必要となる。
【０００９】
不安定な電位に接続される電池を有するトポロジーは、加えて、潜在的に深刻なＥＭＩ源となることがあり、これには、規定に従うためには、適切かつコストのかかる解決策が必要になることがある。大規模システムのための電池ケーブル敷設は、潜在的に放射アンテナとして機能し得る。
【００１０】
発明の説明
発明の目的は、単純で、制御が容易で、かつ安価な無停電保護システムを提供することである。
【００１１】
この目的は、独立請求項の主題によって達成され得る。さらなる例示的な実施形態は、従属請求項および以下の説明から明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の局面は、電気回路網からの電気エネルギを負荷に供給するための電源システムに関する。電気回路網は、１６  ２／３  Ｈｚ  ＡＣ列車電圧回路網、２３０Ｖ／５０／６０Ｈｚ回路網、またはＤＣ回路網などの大規模送電網であり得る。負荷または複数の負荷は、列車保護システム、およびセンサ、スイッチなどの鉄道機器を備え得る。
【００１３】
発明の実施形態に従うと、電源システムは、その各々が整流器（ＡＣ入力電気回路網の場合のみ）を備え得る１つ以上の電源モジュールと、ＤＣリンクと、直列に接続されるインバータとを備える。複数の電源モジュールの場合、これらのモジュールは電気回路網に並列に接続されてもよい。
【００１４】
発明の実施形態に従うと、電源モジュール（またはすべての電源モジュール）は、（たとえば整流器を介して）電気回路網から供給されるＤＣリンクと、ＤＣリンクに接続され、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を負荷に供給されるＡＣ電圧に変換するように適合されるインバータとを備える。電源システムは、たとえば電気回路網が停電した場合にＤＣリンクに電気エネルギを供給するための、ＤＣリンクによって充電される電気エネルギ貯蔵部を備える。電気エネルギ貯蔵部は、一方の入力によって電源モジュールの中性点に接続される。電源モジュールは、ＤＣリンクの正または負の電位に、中性点に、および電気エネルギ貯蔵部の別の入力に接続される双方向降圧／昇圧（buck/boost）コンバータを備える。
【００１５】
双方向降圧／昇圧コンバータは、ハーフブリッジと、ハーフブリッジの中点に接続されるインダクタとを有するＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。双方向降圧／昇圧コンバータにより、電気エネルギ貯蔵部が充放電され得、たとえば過負荷のためまたは電池の診断のためにＤＣリンクに接続される整流器との負荷の共有も可能になる。電気エネルギ貯蔵部とＤＣリンクとの間に、電気エネルギ貯蔵部を充電／放電させるための双方向コンバータを１つだけ設けてもよく、これは、システムおよびその制御を簡略化し得、ケーブル敷設および構成要素を節約し得る。
【００１６】
さらに、双方向降圧／昇圧コンバータは、分割ＤＣリンクの両方ではないがいずれかの部分をサポートし得る。双方向降圧／昇圧コンバータは全系統電力（full system power）のために定格化され得る。
【００１７】
双方向降圧／昇圧コンバータの入力およびシステムの安定中性電位に接続される、充電式電池または蓄電池であり得る電気エネルギ貯蔵部も、全系統電力のために定格化されてもよい。電気エネルギ貯蔵部は、すべての電源モジュールによって共有される安定電位、すなわち共通の中性点に接続され得るので、電源モジュール同士の間には非制御循環電流が存在し得ない。
【００１８】
発明の実施形態に従うと、ＤＣリンクは分割ＤＣリンクおよび／または２面ＤＣリンクであり、たとえば、ＤＣリンクの正の電位と負の電位との間に直列に相互接続される２つのキャパシタを備えてもよく、中性点は、２つのキャパシタの間に、すなわち分割ＤＣリンクの中点に設けられる。このように、電気エネルギ貯蔵部の一方端は、中点と、２面ＤＣリンクの一方側とに接続される。
【００１９】
発明の実施形態に従うと、電気エネルギ貯蔵部は入力を２つのみ備える。すなわち、単純な標準的な鉛蓄電池などの、端子を２つのみ有する電池であり得る。そのような電池接続はできる限り単純であってもよい。提案されるトポロジーは、一方端が電源モジュール中の安定した中性電位、たとえば電源システム全体の中性電位、に接続される２線式電池を利用し得る。
【００２０】
そのような電池は、商用構成要素が実際に入手しやすいために、付加的な利点を与え得、これにより、定格系統電力（system power）までの「電池充電器」機能の単純な実現が可能になる。これは、非常に弱い公益事業または代替エネルギ適用例の分野では重要であり得る。このトポロジーは、中点を接続しない３線式の旧来の電池を用いることができるようにもする。
【００２１】
発明の実施形態に従うと、電源モジュールは、ＤＣリンクの中性点、負の電位、および正の電位を相互接続するさらなる双方向降圧／昇圧コンバータをさらに備える。上記の第１の双方向降圧／昇圧コンバータは充電／放電コンバータと見なされてもよい。追加のさらなる第２のコンバータは、システムの動的状況の下では、分割ＤＣリンクの部分同士の間および／または異なるＤＣリンク同士の間で負荷を平衡させるための平衡コンバータ（balancing converter）と見なされてもよい。
【００２２】
平衡コンバータにより、ＤＣリンクへのＡＣ電流のＤＣ成分は、たとえば電気エネルギ貯蔵部の充電の間、電流のＡＣおよびＤＣ成分の調節および平衡を維持するように制御され得る。
【００２３】
加えて、異なるＤＣリンクの不平衡な負荷付与の間、平衡コンバータは、２つ以上のＤＣリンク間でのエネルギ転送によって異なる負荷を補償してもよい。
【００２４】
要約すると、各々の電源モジュールは、ＤＣリンクの半分または一部によって電気エネルギ貯蔵部を相互接続する第１の降圧／昇圧コンバータと、反対の半サイクルの間負荷をサポートするのに必要なエネルギをＤＣリンクのそれぞれの他方の半分に転送するための第２の降圧／昇圧コンバータとを備え得る。
【００２５】
発明の実施形態に従うと、第１の降圧／昇圧コンバータおよび／またはさらなる第２の降圧／昇圧コンバータは、第１の出力および第２の出力を設けるハーフブリッジ（直列に接続される２つの半導体スイッチ）と、一方端が（２つの半導体スイッチの間の）ハーフブリッジの中点に接続され、もう一方の端によって第３の出力を設けるインダクタとを備える。降圧／昇圧コンバータは両者とも双方向性であり、第１のコンバータは同じ構成要素を有する充電器として機能し、したがって非常に高い電位での充電能力を有し得る。
【００２６】
降圧／昇圧コンバータおよび／またはさらなる降圧／昇圧コンバータは２つのダイオードをさらに備えてもよく、各々のダイオードは半導体スイッチの１つに並列に接続される。
【００２７】
発明の実施形態に従うと、電気エネルギ貯蔵部と相互接続される降圧／昇圧コンバータは、第１の出力によって電気エネルギ貯蔵部に接続され、第２の出力によって中性点に接続され、かつ第３の出力によってＤＣリンクの正または負の電位に接続される。このように、充電の間、電気エネルギ貯蔵部の電圧は、ＤＣリンクの正（または負）の電位の電圧よりも高くなり得る。
【００２８】
発明の実施形態に従うと、電気エネルギ貯蔵部と相互接続される降圧／昇圧コンバータは、第１の出力によってＤＣリンクの正または負の電位に接続され、第２の出力によって中性点に接続され、かつ第３の出力によって電気エネルギ貯蔵部に接続される。このように、放電の間、ＤＣリンクの正（または負）の電位の電圧は電気エネルギ貯蔵部の電圧よりも高くなり得る。
【００２９】
発明の実施形態に従うと、さらなる降圧／昇圧コンバータは、第１の出力によってＤＣリンクの正の電位に接続され、第２の出力によってＤＣリンクの負の電位に接続され、かつ第３の出力によって中性点に接続される。
【００３０】
発明の実施形態に従うと、電源システムは複数の電源モジュールを備え、各々の電源モジュールは電気エネルギ貯蔵部に接続されるＤＣリンクを備える。すべての電源モジュールは等しく設計されてもよく、以上および以下に記載のようにすべてが２つの降圧／昇圧コンバータを有してもよい。この結果、個々の並列電源モジュールを備えるスケーラブルなおよび／またはモジュール式の電源システムとなり得る。モジュールは、独立した電気エネルギ貯蔵部または共通の電気エネルギ貯蔵部を有してもよく、両方の場合に鉛蓄電池を備えてもよい。
【００３１】
発明の実施形態に従うと、電源モジュールは、電気エネルギ貯蔵部の一方の入力に接続されるそれらの中性点を介して接続され、各々の電源モジュールは、電気エネルギ貯蔵部の他方の入力をそれぞれの電源モジュールのＤＣリンクの正の電位または負の電位に相互接続する双方向降圧／昇圧コンバータを備える。このように、共通の中性点を介して電源モジュール同士の間で負荷を平衡させるのに、平衡降圧／昇圧コンバータを付加的に用いてもよい。
【００３２】
発明のさらなる局面は、電源システムを動作させるための方法に関し、これは、以上および以下に記載のように設計され得る。たとえば、方法は、電源システムのコントローラによって行なわれてもよい。方法は、コントローラでコンピュータプログラム（すなわちソフトウェア）として実現されてもよく、または、少なくとも部分的にハードウェアで実現されてもよい。以上および以下に記載のような方法の特徴は、以上および以下に記載のような電源システムの特徴であってもよく、またはその逆であってもよいことを理解しなければならない。
【００３３】
発明の実施形態に従うと、方法は、双方向降圧／昇圧コンバータを有する電源システムの少なくとも１つの電源モジュールのＤＣリンクから電気エネルギ貯蔵部を充電するステップを備える。電気エネルギ貯蔵部は、一方の入力によって電源モジュールの中性点に、別の入力によって降圧／昇圧コンバータに接続される。双方向降圧／昇圧コンバータはＤＣリンクの正または負の電位に接続され、かつ中性点に接続される。さらに方法は、双方向降圧／昇圧コンバータを介して電気エネルギ貯蔵部をＤＣリンクに向けて放電することによってＤＣリンクに電気エネルギを供給するステップを備える。分割ＤＣリンクの唯一のレッグを介して電気エネルギ貯蔵部を充電するまたは放電させるのに、単一のＤＣ−ＤＣコンバータを用いてもよい。たとえば４線式の設備（すなわち、標準的な４００Ｖの設備、位相、および中性）には、非制御電流および／または循環電流が存在しないことがある。さらに、電気エネルギ貯蔵部は安定した基準電位にある。
【００３４】
発明の実施形態に従うと、方法はさらに、ＤＣリンクの中性点、負の電位、および正の電位を相互接続するさらなる降圧／昇圧コンバータを動作させることによって、たとえば電気エネルギ貯蔵部の放電の間、電源モジュールのＤＣリンクのキャパシタ中に貯蔵される電気エネルギをバランスさせるステップを備える。付加的な第２の双方向コンバータを用いると、エネルギは、第１のコンバータによってサポートされるＤＣリンクの一部からＤＣリンクの反対側の部分へ、またはその逆に転送されて、調節を維持し得る。平衡コンバータは、電気エネルギ貯蔵部の充電、および／または、不平衡の、たとえば半波整流された負荷のサポートの間、ＡＣ入力電流上のＤＣ成分を補償してもよい。
【００３５】
発明の実施形態に従うと、方法はさらに、双方向降圧／昇圧コンバータを有する電源システムの少なくとも１つの電源モジュールの電気エネルギ貯蔵部を充電するステップを備え、電気回路網から引込まれる電流のＤＣ成分は、さらなる降圧／昇圧コンバータを通して能動的に制御される。
【００３６】
発明の実施形態に従うと、方法はさらに、降圧／昇圧コンバータを介した電源システムの少なくとも２つの電源モジュールの少なくとも２つのＤＣリンク間の電気エネルギをバランスさせるステップを備え、電源モジュールはそれらのＤＣリンク中性点を介して相互接続され、各々の電源モジュールは、それぞれの電源モジュールのＤＣリンクのそれぞれの中性点、それぞれの負の電位、およびそれぞれの正の電位を相互接続する降圧／昇圧コンバータを備える。ＤＣリンク同士の間の共通の中性点を介して接続される第２のコンバータは、ＤＣリンクからＤＣリンクへ選択的にかつ双方向にエネルギを転送して、特に定常状態条件下および／または動的条件下では個別のリンク調節を維持してもよい。
【００３７】
特に、第２のコンバータを用いると、たとえば、動的な負荷条件または（変圧器などの）大きな誘導性負荷に接続する際の不平衡リンクに対する負荷付与の深刻な事例の下での電源モジュールのインバータからのたとえば逆方向のエネルギの流れなど、（第１のコンバータの充電および放電機能とは独立した）動的条件下でのＤＣリンク制御が可能になる。これは、制御不可能なＤＣリンクのオーバーシュートによる潜在的なシステムシャットダウンを防止し得る。
【００３８】
発明のさらなる局面は、以上および以下に記載のような方法を実行するように適合される、以上および以下に記載のような電源システムのためのコントローラに関する。システムレベル制御およびコントローラは非常に単純であってもよい。というのも、すべての共通点は、参照にあるか、または独立してかつ個別に制御され得るからである。並列システムレベルでの付加的なハードウェアまたは制御は必要ない。
【００３９】
発明のこれらおよび他の局面は、以下に記載される実施形態から明らかであり、それらを用いて解明されるであろう。
【００４０】
発明の主題は、添付の図面に図示される例示的な実施形態を参照して、以下の本文でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】発明の実施形態に従う電源システムを概略的に示す図である。
【図２】発明の実施形態に従う電源モジュールの一部を概略的に示す図である。
【図３】発明の実施形態に従う電源のためのコンバータを概略的に示す図である。
【図４】発明の実施形態に従う電源システムを動作させるための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
例示的な実施形態の詳細な説明
図面で用いる参照符号およびそれらの意味は、参照符号の一覧に要約の形態で列挙される。原則的に、同一の部分には図中同じ参照符号を付与する。
【００４３】
図１は、入力１２で電気回路網１４に接続され、出力１６で１つ以上の負荷１８に接続される電源システム１０を示す。電源システム１０は、たとえば列車または鉄道用途のための無停電保護システムの一部であり得る。電気回路網１４は、（単相）１６  ２／３  Ｈｚ列車回路網であってもよく、または（三相）２３０Ｖ／５０／６０Ｈｚ回路網であってもよい。
【００４４】
電源システム１０は、入力１２で電気回路網１４に並列に接続される複数の等しく設計された電源モジュール２０を備える。明瞭さのため、第１の電源モジュール２０のみに参照番号を付与する。しかしながら、すべての電源モジュールは等しい構成要素を備えてもよい。
【００４５】
各々の電源モジュール２０は、入力１２と出力１６との間に直列に接続される整流器２２、ＤＣリンク２４、およびインバータ２６を備える。整流器２２およびインバータ２６は、以下に記載の図３に示されるように設計されてもよい。分割ＤＣリンクは、正の電位ＤＣ＋と負の電位ＤＣ−との間に直列に接続され、中性点電位Ｎを与える中点を有する２つのキャパシタ２８を備える。
【００４６】
さらに、各々の電源モジュール２０は、共通の電気エネルギ貯蔵部３０とＤＣリンク２４との間、１つのＤＣリンク２４の上側キャパシタ２８と下側キャパシタ２８との間、および異なる電源モジュール２０のＤＣリンク２４同士の間でエネルギを転送するためのエネルギコンバータ３２を備える。
【００４７】
共通の電気エネルギ貯蔵部３０は、電気エネルギ貯蔵部３０に並列に接続されるエネルギコンバータ３２に接続される２つの入力３４、３６を有する鉛蓄電池を備えてもよい。
【００４８】
加えて、電源システム１０は、すべての電源モジュール２０、特に、整流器２２、インバータ２６、およびエネルギコンバータ３２、を制御するように適合されるコントローラ３８を備える。コントローラ３８は、システム１０全体にわたる電流および電圧センサからセンサ入力を受けてもよく、システム１０中のすべての電圧および電流がそれらから導出されてもよい。これらの電圧および電流はコントローラ３８の制御によって調節され得る。
【００４９】
図１に示されるように、コントローラ３８は集中コントローラであってもよい。代替的に、コントローラ３８は電源モジュール２０間に分散されてもよい。
【００５０】
図２は、ＤＣリンク２４の正の電位ＤＣ＋、中性点電位Ｎ、および負の電位に一方側で接続され、別の側で電気エネルギ貯蔵部３０の入力に接続されるエネルギコンバータ３２の詳細を示す。
【００５１】
中性点電位Ｎは電気エネルギ貯蔵部の負の入力３６に直接に接続されることに留意しなければならない。このように、すべての電源モジュール２０のすべての中性点電位Ｎが直接に接続される。
【００５２】
エネルギコンバータ３２は、電気エネルギ貯蔵部を充放電させるための第１の降圧／昇圧コンバータ４０を備え、これは、コントローラ３８によって切換えられる直列に接続された２つの半導体スイッチ（トランジスタ）４４を有するハーフブリッジ４２を備える。ダイオード４６は各々の半導体スイッチ４４に並列に接続される。インダクタ４８が２つの半導体スイッチ４４の間の中点５０に接続される。ハーフブリッジ４２は、一方端で電気エネルギ貯蔵部３０の正の入力３４と接続される第１の出力５２と、さらなる端で中性点電位Ｎと接続される第２の出力５４とを設ける。コンバータ４０の第３の出力５６は、ＤＣリンク２４の正の電位ＤＣ＋と接続されるインダクタ４８によって設けられる。
【００５３】
代替的に、出力５２が正の電位ＤＣ＋に接続され、出力５６が電気エネルギ貯蔵部の入力３４に接続されることが可能である。さらなる代替例として、第１のコンバータは負の電位ＤＣ−に（出力５４または出力５６によって）接続されてもよい。
【００５４】
エネルギコンバータ３２は、ＤＣリンク２４のキャパシタ２８同士の間、および異なるＤＣリンク２４同士の間でエネルギをバランスさせるための第２の降圧／昇圧コンバータ６０を備える。第２のコンバータ６０は、第１のコンバータ４０と同じ構成要素を備える。第２のコンバータは、コントローラ３８によって切換えられる、直列に接続される２つの半導体スイッチ（トランジスタ）６４を有するハーフブリッジ６２を備える。ダイオード６６は各々の半導体スイッチ６４に並列に接続される。インダクタ６８が２つの半導体スイッチ６４の間の中点７０に接続される。ハーフブリッジ６２は、一方端で正の電位ＤＣ＋に接続される第１の出力７２と、さらなる端で負の電位ＤＣ−に接続される第２の出力７４とを設ける。コンバータ６０の第３の出力７６は、中性点電位Ｎと接続されるインダクタ６８によって設けられる。
【００５５】
図３は、電源モジュール２０のコンバータ２２、２６の可能なトポロジーを示す。コンバータ２２、２６は、コンバータ４０、６０と同様に設計されてもよい。コントローラ３８によって切換えられる、直列に接続される２つの半導体スイッチ（トランジスタ）８４を有するハーフブリッジ８２は正の電位ＤＣ＋と負の電位ＤＣ−とを相互接続してもよい。ダイオード８６は各々の半導体スイッチ８４に並列に接続される。インダクタ８８は２つの半導体スイッチ８４の間の中点に接続される。インダクタ８８の他方端は電源モジュール２０の入力１２または出力１６を設ける。
【００５６】
図４は、コントローラ３８によって行なわれる、電源システム１０を動作させるための方法を示す。
【００５７】
ステップ１００で、コントローラは、電気エネルギ貯蔵部が充電される必要があること、および電気回路網１４が立上がっていることを検出する。これは、たとえば、電源システム１０の起動の後または電気回路網１４の停電の後の場合であり得る。コントローラ３８は、電源システム１０の少なくとも１つの電源モジュール２０のＤＣリンク２４から電気エネルギ貯蔵部３０を充電する。これを達成するため、双方向降圧／昇圧コンバータ４０のスイッチ４４は、ＤＣリンク２４からのエネルギが電気エネルギ貯蔵部３０に転送されるように切換えられる。さらに、コンバータ６０は、電気回路網１４からの電流が実質的にバランスされ、かつ実質的にＤＣ成分を有しないように、両方のＤＣリンクから電気エネルギ貯蔵部３０に転送されたエネルギをバランスさせてもよい。
【００５８】
ステップ１０２で、コントローラ３８は、ＤＣリンク２４が電気エネルギ貯蔵部３０からエネルギを供給する必要があることを検出する。たとえば、これは、電気回路網１４が停電した場合であり得る。この場合、コントローラ３８は、ＤＣリンク２４に向けて双方向降圧／昇圧コンバータ４０を介して電気エネルギ貯蔵部３０を放電させる。これを達成するため、双方向降圧／昇圧コンバータ４０のスイッチ４４は、電気エネルギ貯蔵部３０からのエネルギがＤＣリンク２４に転送されるように切換えられる。
【００５９】
ステップ１０４で、コントローラ３８は、ＤＣリンクキャパシタ２８中に貯蔵される電気エネルギをバランスさせる。これは、電気エネルギ貯蔵部３０の放電の間に行なわれてもよい。コントローラ３８は、上側キャパシタからのエネルギが下側のキャパシタ２８に転送されるように、さらなる降圧／昇圧コンバータ６０のスイッチ６４を動作させる。
【００６０】
ステップ１０６で、コントローラ３８は、電源モジュール２０のＤＣリンク２４同士の間のエネルギ分布がバランスしていないことを検出する。コントローラは、スイッチ６４を対応して切換えることによって、降圧／昇圧コンバータ６０を介した電源システム１０の少なくとも１つの電源モジュール２０の少なくとも２つのＤＣリンク２４間の電気エネルギをバランスさせる。
【００６１】
図面および以上の説明において発明を詳細に図示し、記載したが、そのような図示および説明は制限的ではなく例示または図示と考えられるべきである。発明は開示される実施形態に限定されるものではない。図面、開示、および添付の請求項を検討することから請求される発明を実践する当業者によって、開示される実施形態に対する他の変形例が理解され、実行され得る。請求項で、「備える」という語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」または「an」は複数を排除するものではない。単一のプロセッサまたはコントローラまたは他のユニットが請求項に記載されるいくつかの項目の機能を果たしてもよい。ある手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に用いることができないことを示すものではない。請求項中のいずれの参照符号も範囲を限定するものと解釈されてはならない。
【符号の説明】
【００６２】
１０  電源システム、１２  入力、１４  電気回路網、１６  出力、１８  負荷、２０  電源モジュール、２４  ＤＣリンク、２６  インバータ、３０  電気エネルギ貯蔵部、３２  コンバータ、３８  コントローラ、４０、６０  降圧／昇圧コンバータ、６２  ハーフブリッジ、４４、６４  半導体スイッチ、４６、６６  ダイオード、４８、６８  インダクタ、５０  中点、５２、５４、５６  出力。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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