(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電気鉄道用電力貯蔵装置の制御システムであって、
直流電気鉄道に設置され、電力変換器を有する電力貯蔵装置と、
前記電力貯蔵装置と接続され、配電線路との間に設置される第１の電力変換装置と、
前記直流電気鉄道の電車線電圧に応じて、前記電力貯蔵装置内の前記電力変換器のスイッチング動作を制御する第１の制御部と、
前記電力貯蔵装置の待機時充電量を監視し、前記電力貯蔵装置の待機時充電量に応じて、前記第１の電力変換装置のスイッチング動作を制御する第２の制御部と、
を具備し、
前記第１の制御部は、電車が電力回生を行う際には、回生電力を前記電力貯蔵装置に充電し、電車の力行による電車線電圧の電圧降下が生じた際には、前記電力貯蔵装置からの放電により電力補償を行い、
前記第２の制御部は、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以上であれば、前記配電線路に放電し、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以下であれば、前記配電線路からの充電を可能にし、
前記電力貯蔵装置と接続され、自然エネルギー発電システムとの間に設置される第２の電力変換装置をさらに備え、
前記自然エネルギー発電システムによって発電された電力が前記第２の電力変換装置を介して直接に前記電力貯蔵装置に接続されて、前記電力貯蔵装置は、前記自然エネルギー発電システムにより常に充電され、
前記第２の制御部は、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以下であり、かつ前記自然エネルギー発電システムによる発電量が所定値以下である場合に、前記配電線路から前記電力貯蔵装置へ電力を供給して前記電力貯蔵装置の充電を行うことを特徴とする直流電気鉄道用電力貯蔵装置の制御システム。
【請求項２】
前記第２の制御部は、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が、所定の範囲となるように管理すること特徴とする請求項１に記載の直流電気鉄道用電力貯蔵装置の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電気鉄道における省エネルギー化と電力供給の安定化を達成可能な電力貯蔵装置の制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電気鉄道では、三相交流をシリコン整流器で直流に順変換して電力供給するケースがほとんどを占める。シリコン整流器は逆変換能力を持たないため、電車が電力回生を行う際、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の行き場がなく、回生失効（電気制動不能）となるケースがある。これを防ぐため、電力貯蔵装置を適用して、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を有効に活用することができる。また、電力貯蔵装置から適宜放電を行うことで、電車線電圧の変動を抑制し、より安定した電力供給が可能となる。
【０００３】
このような電力貯蔵システムとしては、例えば、変電所から遠隔した駅の近傍に、電気二重層コンデンサを貯蔵媒体とする電力貯蔵装置として、電車の制動による回生エネルギーで電圧が上昇したときにコンデンサへの急速充電で回生電力を吸収し、電車の起動によってき電電圧が降下したときにコンデンサからの急速放電で電圧の降下を防止する電力貯蔵システムがある（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２３３６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の電力貯蔵装置を用いた方法では、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、電圧降下を補償できなくなる。すなわち、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、待機充電状態によっては、その効果を発揮できないこともあり得る。
【０００６】
したがって、このような事象を回避するためには、充電と放電の両者に対応できるように電力貯蔵装置を制御する必要がある。なお、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、経済性に劣り現実的ではない。
【０００７】
一方、省エネルギーの観点から、太陽光発電システムや風力発電システムなどの自然エネルギーを有効に利用した発電システムがある。しかし、このような発電システムは、気象条件や時間帯によって発電量を安定させることが困難である。このため、安定した電力供給のためには、発電電力の平準化が必要である。
【０００８】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたもので、自然エネルギー発電システムで得たエネルギーを常に活用することができ、また、１台の電力貯蔵装置であっても、常に充電と放電の両者に対応可能であり、その充電により回生失効を回避するとともに、その放電により電車線電圧の変動を抑制することが可能な直流電気鉄道用電力貯蔵装置の制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した目的を達成するために、本発明は、直流電気鉄道用電力貯蔵装置の制御システムであって、直流電気鉄道に設置され、電力変換器を有する電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置と接続され、配電線路との間に設置される第１の電力変換装置と、前記直流電気鉄道の電車線電圧に応じて、前記電力貯蔵装置内の前記電力変換器のスイッチング動作を制御する第１の制御部と、前記電力貯蔵装置の待機時充電量を監視し、前記電力貯蔵装置の待機時充電量に応じて、前記第１の電力変換装置のスイッチング動作を制御する第２の制御部と、を具備し、前記第１の制御部は、電車が電力回生を行う際には、回生電力を前記電力貯蔵装置に充電し、電車の力行による電車線電圧の電圧降下が生じた際には、前記電力貯蔵装置からの放電により電力補償を行い、前記第２の制御部は、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以上であれば、前記配電線路に放電し、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以下であれば、前記配電線路からの充電を可能にし、前記電力貯蔵装置と接続され、自然エネルギー発電システムとの間に設置される第２の電力変換装置をさらに備え、前記自然エネルギー発電システムによって発電された電力が前記第２の電力変換装置を介して直接に前記電力貯蔵装置に接続されて、前記電力貯蔵装置は、前記自然エネルギー発電システムにより常に充電され、前記第２の制御部は、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以下であり、かつ前記自然エネルギー発電システムによる発電量が所定値以下である場合に、前記配電線路から前記電力貯蔵装置へ電力を供給して前記電力貯蔵装置の充電を行うことを特徴とする直流電気鉄道用電力貯蔵装置の制御システムである。
【００１２】
前記第２の制御部は、前記電力貯蔵装置の待機時充電量が、全容量の３０〜７０％の間となるように管理することが望ましい。
【００１３】
本発明によれば、電力貯蔵装置の待機時充電量が所定範囲になるように制御を行うため、電力貯蔵装置が最高充電付近で待機することがなく、これにより回生失効を回避できなくなることがない。また、電力貯蔵装置が最低充電状態付近で待機することがなく、必要時に電力貯蔵装置が放電できなくなることがない。
【００１４】
また、電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以上となると、配電線路に放電することで、充電された電力を有効に活用することができる。また、電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以下かつ、自然エネルギー発電システムによる発電量が所定値以下であれば、配電線路からの充電が可能であるため、待機時充電量が低くなり過ぎることがない。また、回生電力によって電力貯蔵装置を効果的に充電することができる。
【００１５】
また、電力貯蔵装置を自然エネルギー発電システムと接続することで、電力貯蔵装置を常に自然エネルギーによって充電することができる。また、電力貯蔵装置から電車負荷または配電線路に対して安定して電力を供給することができ、自然エネルギー発電システムで得たエネルギーを常に活用することができる。
【００１６】
また、電力貯蔵装置の待機時充電量が所定値以下となった場合に、配電線路からも電力貯蔵装置を充電可能とすることで、例えば回生電力のみでは十分な待機時充電量を確保することができず、また前述した自然エネルギー発電システムからの発電電力が十分でないような場合であっても、電力貯蔵装置の待機時充電量が低くなり過ぎることがない。なお、このような効果を効率良く得るためには、例えば、電力貯蔵装置の待機時充電量が、全容量の３０〜７０％の間となるように管理することが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、自然エネルギー発電システムで得たエネルギーを常に活用することができ、また、１台の電力貯蔵装置であっても、常に充電と放電の両者に対応可能であり、その充電により回生失効を回避するとともに、その放電により電車線電圧の変動を抑制することが可能な直流電気鉄道用電力貯蔵装置の制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力貯蔵装置制御システム１の概略構成図
【図２】電力貯蔵装置９の概略構成図
【図３】（ａ）は電力変換装置１１（１７）の概略構成図、（ｂ）は電力変換装置１７ａの概略構成図
【図４】制御部２３の制御フローを示すフローチャート
【図５】制御部２５の制御フローを示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明に係る電力貯蔵装置制御システムの実施形態を詳細に説明する。図１は、電力貯蔵装置制御システム１の概略構成図である。電力貯蔵装置制御システム１は、主に電力貯蔵装置９、電力変換装置１１、１７、制御部２３、２５等から構成される。
【００２０】
図１に示すように、電車線３およびレール５には直流変電所７が接続される。電車線３およびレール５には、電車線３およびレール５間の電車線電圧を監視する電圧監視部２１が設けられる。なお、電圧監視部２１は、電車線電圧を直接測定するものでなくてもよく、例えば、電流等を監視することによって間接的に電車線電圧を監視しても良い。
【００２１】
電車線３およびレール５には、電力貯蔵装置９が接続される。図２は、電力貯蔵装置９の一例を示す図である。電力貯蔵装置９は、例えば電気二重層コンデンサや電池等の電力貯蔵媒体へチョッパ回路を介して電力を貯蔵することが可能なものである。電力貯蔵装置９は、電力を貯蔵する電力貯蔵媒体２７が電力変換器２９に接続されている。電力変換器２９を動作させることで、電力貯蔵媒体２７に電力を充電することができ、または電力貯蔵媒体２７から電力を放電させることが可能である。
【００２２】
また、電力貯蔵装置９は、電力変換装置１１を介して配電線路１３に接続される。配電線路１３は照明やエスカレータ等の駅設備や信号機器である電力消費設備１５に電力供給するために、例えば軌道と平行して設けられ、三相高圧で供給される。
【００２３】
図３（ａ）は、電力変換装置１１の構成の一例を示す図である。図中矢印Ｃ方向が電力貯蔵装置９側であり、図中矢印Ｄ方向が配電線路１３側である。すなわち、電力変換装置１１は、電力変換器３１ａを動作することで、直流である電力貯蔵装置９と交流である配電線路１３との直流／交流を変換することが可能な変換装置（コンバータ）である。
【００２４】
また、電力貯蔵装置９には、電力変換装置１７を介して自然エネルギー発電システム１９が接続される。自然エネルギー発電システム１９は、太陽光発電システムや風力発電システム等の発電システムである。なお、自然エネルギー発電システム１９が風力発電システムのように交流出力の場合には、電力変換装置１７は、図３（ａ）に示す構成とすればよい。この場合には、図３（ａ）における矢印Ｄ方向は自然エネルギー発電システム１９側となる。
【００２５】
また、自然エネルギー発電システム１９が太陽光発電システムのように直流出力の場合には、図３（ｂ）に示す電力変換装置１７ａを用いればよい。電力変換装置１７ａは、図中矢印Ｅ方向が電力貯蔵装置９側であり、図中矢印Ｆ方向が自然エネルギー発電システム１９側である。すなわち、電力変換装置１７ａは、電力変換器３１ｂを動作することで、直流／直流を変換することが可能な変換装置（昇降圧チョッパ）である。
【００２６】
電圧監視部２１と電力貯蔵装置９との間には、第１の制御部である制御部２３が設けられる。制御部２３は、電車線電圧を監視することで、近傍の電車の在線状況等を把握することができる。制御部２３は、電車線電圧に応じて、電力変換器２９に動作信号を送る（図２矢印Ｂ方向）。
【００２７】
例えば、近傍を走行する電車が電力回生を行う際には、電車線電圧が上昇するため、制御部２３は、電力貯蔵装置９の電力変換器２９を動作させて回生電力を電力貯蔵媒体２７に充電する。したがって回生失効を防止することができる。一方、近傍を電車が力行する場合には、電車線電圧が降下する。このため、制御部２３は、電力貯蔵装置９の電力変換器２９を動作させて電力を電力貯蔵媒体２７から放電させる。したがって、電車線電圧の電圧降下を補償することができる。
【００２８】
また、電力貯蔵装置９と電力変換装置１１との間には、第２の制御部である制御部２５が設けられる。制御部２５は、電力貯蔵媒体２７の電圧等を監視することで、その待機時充電量を監視することができる。制御部２５は、電力貯蔵媒体２７の待機時充電量に応じて、電力変換装置１１に動作信号を送る（図２矢印Ａ方向）。
【００２９】
制御部２５は、電力貯蔵媒体２７の待機時充電量が、所定範囲内になるように監視する。例えば、自然エネルギー発電システム１９からの発電電力や、回生電力の充電により、電力貯蔵媒体２７の待機時充電量が所定値を超えると、制御部２５は、電力貯蔵装置９から配電線路１３に電力を放電する。すなわち、電力貯蔵装置９の電力を電力消費設備１５に供給することで、配電線路１３の消費電力を抑制する。
【００３０】
電力貯蔵媒体２７を放電させることで、待機時充電量が所定値以下となるように制御することで、近傍を走行する電車が電力回生を行う際に、回生失効を防止することができる。
【００３１】
配電線路１３側での利用のために電力を放電することで、電力貯蔵媒体２７の待機時充電量が所定値を下回ると、制御部２５は、電力貯蔵装置９から配電線路１３への放電を停止する。
【００３２】
電力貯蔵媒体２７からの放電を停止させ、かつ配電線路からの充電を可能にすることで、待機時充電量がある程度以上になるように制御することにより、近傍を力行する電車による電車線電圧の降下を補償することができる。
【００３３】
次に、電力貯蔵装置制御システム１の制御フローについて説明する。図４は、電力貯蔵装置制御システム１の制御部２３の処理を示すフローチャートである。まず、制御部２３は、周囲の電車が電力回生を実施しているかどうかを判定する（ステップ１０１）。制御部２３は、電圧監視部２１による電車線電圧を検知し、電力回生を実施しているかどうかを判定する。
【００３４】
電力回生が行われている場合には、制御部２３は、電力貯蔵装置９の電力変換器２９のスイッチング動作を制御して、回生電力を電力貯蔵媒体に充電することで、回生電力を吸収し、回生失効を防止する（ステップ１０２）。
【００３５】
制御部２３によって、電力回生が行われていないと判定されると、次に、制御部２３は、周囲の電車の力行によって、電車線電圧が低下していないかどうかを判定する（ステップ１０３）。
【００３６】
電車線電圧が低下している場合には、制御部２３は、電力貯蔵装置９の電力変換器２９のスイッチング動作を制御して、電力貯蔵媒体に充電されている電力を電車線３およびレール５間に放電して、電車線電圧の低下を補償する（ステップ１０４）。
【００３７】
以上の処理を繰り返し、電力貯蔵装置９の充電および放電を、電車線電圧に応じて切り替えることで、回生失効の防止および電車線電圧降下に対する補償を行うことができる。
【００３８】
図５は、電力貯蔵装置制御システム１の制御部２５の処理を示すフローチャートである。まず、制御部２５は、電力貯蔵装置９の電力貯蔵媒体２７に充電される待機時充電量が所定値以上であるか判定する（ステップ２０１）。例えば、電力貯蔵媒体２７の最大充電容量に対して、７０％以上の待機時充電量であるかを判定する。なお、待機時充電量の判定は、例えば電力貯蔵媒体２７の端子間電圧を検出し、事前に求められた電力貯蔵媒体の充電量と端子間電圧との関係から、待機時充電量（％）を算出する。
【００３９】
電力貯蔵媒体２７の待機時充電量が所定値以上（例えば最大電気容量の７０％以上）であれば、制御部２５は、電力変換装置１１のスイッチング動作を制御して、電力貯蔵媒体２７を配電線路１３に放電する（ステップ２０２）。配電線路１３に電力を放電することで、電力貯蔵装置９に貯蔵された電力を、電力消費設備１５に利用することができる。したがって、全体として、省エネルギー化に貢献することができる。
【００４０】
電力貯蔵装置９の電力貯蔵媒体２７に充電される待機時充電量が所定値以上でないと判定されると、制御部２５は、電力貯蔵装置９の電力貯蔵媒体２７に充電される待機時充電量が所定値以下であるか判定する（ステップ２０３）。例えば、電力貯蔵媒体２７の最大電気容量に対して、３０％以下の待機時充電量であるかを判定する。なお、待機時充電量の判定は、前述と同様の方法で算出することができる。
【００４１】
電力貯蔵媒体２７の待機時充電量が所定値以下（例えば最大電気容量の３０％以下）であれば、制御部２５は、電力変換装置１１のスイッチング動作を制御して、配電線路１３側から、電力貯蔵媒体２７の充電を行う（ステップ２０４）。電力貯蔵媒体２７の待機時充電量が所定値以下の場合には、回生電力と自然エネルギー発電による充電のみでは、電車線電圧降下の補償が賄いきれない状態となるためである。
【００４２】
なお、自然エネルギー発電システム１９からの充電量が十分である場合には、必ずしも配電線路１３から電力貯蔵媒体２７への充電を行う必要はなく、例えば、電力貯蔵媒体２７の待機時充電量が所定値以下であり、かつ自然エネルギー発電システム１９からの充電量が所定値以下である場合に、制御部２５が、電力変換装置１１のスイッチング動作を制御して、配電線路１３側から、電力貯蔵媒体２７の充電を行うようにしてもよい。
【００４３】
電力貯蔵媒体の待機時充電量が所定範囲内である場合には、制御部２５は、その状態を保持すべく、電力変換装置１１による電力変換の動作を停止する（ステップ２０５）。すなわち、電力貯蔵装置９から配電線路１３への放電または、配電線路１３から電力貯蔵装置９への充電を停止する。
【００４４】
以上の制御を行うことで、電力貯蔵装置９の電力貯蔵媒体２７の待機時充電量を常に所定の範囲に保持することができる。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態の電力貯蔵装置制御システム１によれば、電力貯蔵装置９に貯蔵される電力量が、満充電または空充電となることがない。したがって、常に電力貯蔵装置９の充電容量に余裕があるため、電力回生を行う場合に、電力回生エネルギーを確実に電力貯蔵媒体に充電して吸収することができる。このため、回生失効の恐れがない。
【００４６】
また、常に電力貯蔵装置９の待機時充電量が所定値以上確保されるため、付近を電車が力行する際の電車線電圧降下に対しても、確実に電力補償を行うことができる。
【００４７】
また、電力貯蔵装置９の待機時充電量を監視し、待機時充電量が多くなり過ぎる場合には、配電線路１３に放電することで、電力を電力消費設備１５で利用することができる。したがって、無駄に電力を放電することがない。また、自然エネルギー発電システム１９による発電電力を、状況に応じて電力貯蔵装置９に貯蔵し、または、電車負荷や配電線路の電力として消費することができる。したがって、電力貯蔵装置を自然エネルギー発電システムと接続することで、自然エネルギー発電システムで得たエネルギーを常に活用することができる。
【００４８】
以上、添付図面を参照しながら、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】
【００４９】
１………電力貯蔵装置制御システム
３………電車線
５………レール
７………直流変電所
９………電力貯蔵装置
１１………電力変換装置
１３………配電線路
１５………電力消費設備
１７、 １７ａ………電力変換装置
１９………自然エネルギー発電システム
２１………電圧監視部
２３………制御部
２５………制御部
２７………電力貯蔵媒体
２９………電力変換器
３１ａ、３１ｂ………電力変換器
【図１】
0005752562.tif 000002
【図２】
0005752562.tif 000003
【図３】
0005752562.tif 000004
【図４】
0005752562.tif 000005
【図５】
0005752562.tif 000006