(57)【要約】【課題】車両突入電流の直流成分により直列コンデンサに発生する直流電圧成分の影響を受けることのないき電線電圧補償装置を提供する。【解決手段】三相交流電力を単相２座の電力に変換するき電変圧器１と、前記き電変圧器１の２次側のＴ座とき電線２Tとを結ぶ電路に介挿された直列コンデンサ３Tと、前記き電変圧器１の２次側のＭ座とき電線２Mとを結ぶ電路に介挿された直列コンデンサ３Mとを備え、前記き電変圧器１のＴ座および前記直列コンデンサ３Tの共通接続点５Tと、前記き電変圧器１のＭ座および前記直列コンデンサ３Mの共通接続点５Mとの間に接続され、単相インバータ１２T，１２M、インバータ用変圧器１１T，１１Mおよび直流コンデンサ１３を有し、無効電力の補償機能および有効電力の三相平衡化機能を有して前記き電線２T、２Mの電圧補償を行う電圧補償装置２０を具備した。【選択図】図１
2008120240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電力を単相２座の電力に変換するき電変圧器と、前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座と第１のき電線とを結ぶ電路に介挿された第１の直列コンデンサと、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座と前記第１のき電線とは異なる第２のき電線とを結ぶ電路に介挿された第２の直列コンデンサとを備えた交流電化鉄道システムのき電線電圧補償装置において、
前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座および前記第１の直列コンデンサの共通接続点と、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座および前記第２の直列コンデンサの共通接続点との間に接続され、第１のインバータおよび第１のインバータ用変圧器と、第２のインバータおよび第２のインバータ用変圧器とを備え、前記第１のインバータと第２のインバータの直流側が接続され、前記き電変圧器の単相各座の無効電力の補償機能および単相２座間で有効電力を融通して平衡化するき電変圧器の三相平衡化機能を有して前記き電線の電圧補償を行う電圧補償装置を具備したことを特徴とするき電線電圧補償装置。
【請求項２】
前記電圧補償装置は、無効電力補償を行わず、受電側のき電変圧器および受電インピーダンスに負荷電流と同じ無効電力を流すことを特徴とする請求項１に記載のき電線電圧補償装置。
【請求項３】
前記電圧補償装置の無効電力補償のゲインは、前記第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇分が許容範囲内となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のき電線電圧補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばスコット変圧器などの三相−単相変換変圧器（変形ウッドブリッジ結線変圧器も含む）を用いた交流電化鉄道システムにおけるき電線電圧補償装置に係り、スコット変圧器などのき電側の単相２座、例としてＭ座およびＴ座にそれぞれ単相インバータを設置し、このインバータ２台の直流側を接続してＭ座とＴ座間での有効電力融通を行って２座の有効電力を平衡化するのと同時に、Ｍ座およびＴ座各々の負荷の無効電力をインバータによって補償することにより、き電線の電圧補償を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電化鉄道システムでは、図３に示すように三相の交流電源を受電し、例えばスコット変圧器１（き電変圧器）により単相２座の交流電源へ変換し、き電線２T，２Mに各々き電するという構成となっている。
【０００３】
この場合、単相側の２座の電力が平衡している場合は三相側の電力も平衡し前記変圧器１の利用率が最高となる。且つ単相側の力率が１の場合、三相側の力率も１となり、受電インピーダンスや変圧器のインダクタンスＬ分による電圧降下が最小となるため、き電線２T，２Mの電圧降下が最小となる。
【０００４】
車両負荷の状態に関わらずこの状態を作りき電線の電圧降下を低減するために、従来では例えば下記特許文献１に記載のような、単相インバータを２台使用したき電線電圧補償装置が提案されている。
【０００５】
図４は交流電化鉄道システムに設けられた、特許文献１に記載の電圧補償装置の構成を示し、スコット変圧器１の２次側のＴ座に接続されたき電線２TとＭ座に接続されたき電線２Mの間には、電圧変動補償装置１０が接続されている。
【０００６】
この電圧変動補償装置１０は、一方の巻線が各々き電線２Tおよび２Mに各々接続されたインバータ用変圧器１１T，１１Mと、該変圧器１１T，１１Mの各他方の巻線に交流側が接続された単相インバータ１２T，１２Mと該インバータ１２T，１２Mの直流側に共通に接続された直流コンデンサ１３とを備えている。
【０００７】
図４において、ＰMはＭ座有効電力、ＰTはＴ座有効電力、ＱMはＭ座無効電力、ＱTはＴ座無効電力、を各々示しており、これら電力は図示省略の電圧検出器および電流検出器によって検出される。
【０００８】
この電圧変動補償装置１０は、有効電力の差（ＰM−ＰT）の１／２を負荷の少ない方から負荷の多い方へ２台の単相インバータ１２T，１２Mを介して融通する。
【０００９】
例えばＰM＞ＰTの場合、Ｔ座から１／２（ＰM−ＰT）を取り込み、Ｍ座へ放出する。
【００１０】
これによりＭ座の負荷はＰM−１／２（ＰM−ＰT）＝１／２（ＰM＋ＰT）となり、Ｔ座の負荷はＰT＋１／２（ＰM−ＰT）＝１／２（ＰM＋ＰT）となり平衡化される。
【００１１】
また電圧変動補償装置１０は、無効電力ＱM、ＱTをそれぞれの座のインバータ１２T，１２Mで補償する。例えば負荷無効電力がＱMあれば単相インバータ１２Mで−ＱMを発生して無効電力をゼロにする。
【００１２】
このようにＭ座、Ｔ座の両座の有効電力を同じにし、無効電力をゼロ＝力率１にすることによりき電電圧の補償がなされる。
【００１３】
また、変電所によっては、図５に示すようにき電側に直列コンデンサ３T，３Mが設けられている場合がある。図５において図３と同一部分は同一符号をもって示している。図５（ｂ）は図５（ａ）のシステムの単相モデルでのインピーダンスを表す等価回路図であり、Ｌ1は変電所や三相の送電線などの受電インピーダンス、Ｌ2はき電変圧器１のインピーダンス、Ｃは直列コンデンサ３T（３M）のインピーダンスを各々示している。
【００１４】
一般にき電の送り出しインピーダンスは、三相の送電線インピーダンス、スコット変圧器などのき電用変圧器のインダクタンスＬ分が支配的となるので、このＬ分による電圧降下を補償するために前記直列コンデンサ３T，３Mが用いられる。
【００１５】
図５のシステムにおける、単相モデルでの各部の電圧、電流の様子を図６（ａ）の等価回路図に示す。
【００１６】
図６（ａ）において、Ｖｓは電源電圧、ＶL1は受電インピーダンスＬ1による電圧降下、ＶL2はき電変圧器のインピーダンスＬ2による電圧降下、Ｖｃは直列コンデンサＣ（３T又は３M）のインピーダンスによる電圧降下、ＶLは負荷（き電線）電圧、ＩLは負荷電流を各々示し、無効分のみとして単純化すると図６（ｂ）のベクトル図となる（尚Ｌ2とＣのリアクタンスを等しいとしている）。
【００１７】
この図６からわかるように、負荷電圧ＶLは受電インピーダンスによる電圧降下ＶL1の分だけ電源電圧Ｖｓよりも下がる（すなわち直列コンデンサ（３T又は３M）のインピーダンスによる電圧降下ＶｃによってＶL2が相殺されるためＶｃの分だけ負荷電圧ＶLの電圧降下が補償されている）。
【００１８】
尚前記のようにインダクタンスＬ分による電圧降下を補償するために直列コンデンサ（３T，３M）を用いることは、例えば下記特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開平９−１６３６０７号公報
【特許文献２】特開平８−２０７６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
一方、電化鉄道システムには、例えば図７（ａ）に示すようにき電区間の境界、すなわち隣の変電所との区切りやき電変圧器１のＭ座とＴ座の区切りにセクション４が各々設けられている。尚図７（ａ）において図５と同一部分は同一符号をもって示しているが直列コンデンサ３T，３Mは図示省略している。
【００２０】
このセクション４を車両が越える場合、一瞬無電圧となるため車両負荷電流（＝変圧器負荷）に図７（ｂ）に示すような突入電流が発生する。これは上下非対称の波形のため、直流成分を含んでおり、この突入電流が図８に示すように直列コンデンサ３T，３Mに流れると該直列コンデンサの端子間に直流電圧Ｖｄｃが発生する。図８において図４、図５と同一部分は同一符号をもって示している。
【００２１】
この直流電圧Ｖｄｃにより、前記の電圧変動補償装置１０のインバータ用変圧器１１T，１１M（交流電化鉄道は一般に高圧なため変圧器が必須となっている）が、影響を受け、変圧器の直流偏磁が発生する。
【００２２】
特に突入電流が大きい場合、直列コンデンサ３T，３Mに発生する直流電圧も大きくなるため前記変圧器１１T，１１Mの直流偏磁量も大きくなり、該変圧器１１T，１１Mの鉄心の飽和が発生すると単相インバータ１２T，１２Mが過電流を発生して停止してしまうことがある。
【００２３】
単相インバータ１２T，１２Mが停止すると電圧変動補償装置としての機能が停止するため、電圧低下が大きくなってしまい、電圧変動補償装置としての責務を果たせなくなってしまう。
【００２４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、車両突入電流の直流成分により直列コンデンサに発生する直流電圧成分の影響を受けず、電圧補償装置の運転を常時継続することができるき電線電圧補償装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するための請求項１に記載のき電線電圧補償装置は、三相交流電力を単相２座の電力に変換するき電変圧器と、前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座と第１のき電線とを結ぶ電路に介挿された第１の直列コンデンサと、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座と前記第１のき電線とは異なる第２のき電線とを結ぶ電路に介挿された第２の直列コンデンサとを備えた交流電化鉄道システムのき電線電圧補償装置において、前記き電変圧器の単相２座のうち一方の座および前記第１の直列コンデンサの共通接続点と、前記き電変圧器の単相２座のうち他方の座および前記第２の直列コンデンサの共通接続点との間に接続され、第１のインバータおよび第１のインバータ用変圧器と、第２のインバータおよび第２のインバータ用変圧器とを備え、前記第１のインバータと第２のインバータの直流側が接続され、前記き電変圧器の単相各座の無効電力の補償機能および単相２座間で有効電力を融通して平衡化するき電変圧器の三相平衡化機能を有して前記き電線の電圧補償を行う電圧補償装置を具備したことを特徴としている。
【００２６】
この電圧補償装置は、第１、第２の直列コンデンサよりもき電変圧器側に設けられているため、き電線負荷である車両の突入電流により前記直列コンデンサに発生する直流電圧成分の影響は受けない。このため第１、第２のインバータ用変圧器の直流偏磁の発生は防止され、該変圧器の鉄心飽和による過電流で前記インバータが停止することはなく、これによって電圧補償装置による電圧補償は中断することなく常時行われる。
【００２７】
上記構成の場合、電圧補償装置のインバータが無効電力を補償してしまうため、三相の送電線インピーダンスとき電変圧器のインピーダンスによる電圧降下がなくなり、直列コンデンサによる電圧補償分だけが残るためき電電圧が上昇してしまう問題が発生する。
【００２８】
すなわち、電圧補償装置からの補償電流によって電流が０Ａとなって、受電インピーダンスによる電圧降下とき電変圧器のインピーダンスによる電圧降下が０Ｖとなり、これによってき電線電圧（負荷電圧）は直列コンデンサのインピーダンスによる電圧降下の分だけ電源電圧（三相交流）よりも上昇してしまう。
【００２９】
そこで上記課題を解決するための請求項２に記載のき電線電圧補償装置は、前記電圧補償装置が、無効電力補償を行わず、受電側のき電変圧器および受電インピーダンスに負荷電流と同じ無効電力を流すことを特徴としている。
【００３０】
上記構成によれば、第１、第２の直列コンデンサのインピーダンスによる電圧補償分によってき電線電圧が上昇しすぎる事態には陥らない。
【００３１】
また上記課題を解決するための請求項３に記載のき電線電圧補償装置は、前記電圧補償装置の無効電力補償のゲインを、前記第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇分が許容範囲内となるように設定したことを特徴としている。
【００３２】
上記構成によれば、第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇分が許容範囲内に抑えられるとともに、無効電力補償効果も得られる。
【発明の効果】
【００３３】
（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、電圧補償装置が第１、第２の直列コンデンサよりもき電変圧器側に設けられているので、車両突入電流の直流成分により前記直列コンデンサに発生する直流電圧成分の影響は受けず、第１、第２のインバータ用変圧器の直流偏磁の影響が防止され、電圧補償装置の運転を常時継続することができる。
（２）また、請求項２、３に記載の発明によれば、第１、第２の直列コンデンサによる電圧上昇の悪影響を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。
【００３５】
図１は本実施形態例による交流電化鉄道システムの構成を示し、図４、図５と同一部分は同一符号をもって示している。図１において図４、図５と異なる点は、き電変圧器１の２次側のＴ座および直列コンデンサ３Tの共通接続点５Tと、Ｍ座および直列コンデンサ３Mの共通接続点５Mとの間に、前記電圧変動補償装置１０と同様にインバータ用変圧器１１T，１１M、単相インバータ１２T，１２Mおよび直流コンデンサ１３を有し、且つ図４で述べた無効電力の補償機能および有効電力の三相平衡化機能を有した電圧補償装置２０を接続したことにある。
【００３６】
更に電圧補償装置２０は、後述する、無効電力補償を行わず受電側のき電変圧器１および受電インピーダンスに負荷電流と同じ無効電力を供給する機能と、無効電力補償のゲインを、前記直列コンデンサ３T，３Mによる電圧上昇分が許容範囲内となるように設定する機能とを具備している。
【００３７】
図１のように、き電線２T，２Mに設置された直列コンデンサ３T，３Mよりもき電変圧器１側に電圧補償装置２０を設置しているので、車両の突入電流による直列コンデンサ３T，３Mに発生する直流電圧成分の影響を受けることがなくなるため、インバータ用変圧器１１T，１１Mの直流偏磁の発生を防止することが可能となる。
【００３８】
このため単相インバータ１２T，１２Mが前記変圧器１１T，１１Mの鉄心の飽和による過電流で停止することがなくなるため、電圧補償装置２０の補償効果が中断することがなくなり、常時電圧変動補償が可能となる。
【００３９】
図１のシステムにおける、単相モデルでの各部の電圧、電流の様子を図２（ａ）の等価回路図に示す。
【００４０】
図２（ａ）において、Ｖｓは電源電圧、ＶL1は受電インピーダンスＬ1による電圧降下、ＶL2はき電変圧器のインピーダンスＬ2による電圧降下、Ｖｃは直列コンデンサＣ（３T又は３M）のインピーダンスによる電圧降下、ＶLは負荷（き電線）電圧、ＩLは負荷電流、ＩL´は電圧補償装置２０による補償電流を各々示し、無効分のみとして単純化すると図２（ｂ）のベクトル図となる。
【００４１】
この図２からわかるように、電圧補償装置２０からの補償電流ＩL´によって電流が０Ａとなるため、受電インピーダンスＬ1による電圧降下ＶL1とき電変圧器のインピーダンスＬ2による電圧降下ＶL2が０Ｖとなり、これによって負荷電圧ＶLは直列コンデンサのインピーダンスによる電圧降下Ｖｃの分だけ電源電圧Ｖｓよりも上昇する。
【００４２】
この場合、直列コンデンサのインピーダンスによる電圧補償分が余分となり（受電側のインピーダンスの影響は電圧補償装置２０が低減するため）、き電電圧が上昇しすぎる場合が考えられるが、その場合は、
（１）電圧補償装置２０の無効電力補償をやめて、電圧補償装置２０より受電側のき電変圧器１および受電インピーダンスにも負荷電流ＩLと同じ無効電力を流して、直列コンデンサのインピーダンスによる電圧補償分と相殺する。
（２）電圧補償装置２０の無効電力補償のゲインを低減して、直列コンデンサ（３T，３M）による電圧上昇分を許容範囲に抑えると同時に無効電力補償効果もある程度の効果が得られるように設定する。
【００４３】
等の対応を実行する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態例の交流電化鉄道システムの構成図。
【図２】本発明の一実施形態例の交流電化鉄道システムを表し、（ａ）は等価回路図、（ｂ）は電圧、電流ベクトル図。
【図３】従来の交流電化鉄道システムの一例を示す構成図。
【図４】従来の電圧変動補償装置の一例を示す構成図。
【図５】従来の交流電化鉄道システムの他の例を示す構成図。
【図６】従来の交流電化鉄道システムを表し、（ａ）は等価回路図、（ｂ）は電圧、電流ベクトル図。
【図７】従来の交流電化鉄道システムにおける突入電流を表し、（ａ）は説明図、（ｂ）は電流波形図。
【図８】従来の交流電化鉄道システムにおけるインバータ用変圧器の偏磁発生を説明するためのシステム構成図。
【符号の説明】
【００４５】
１…き電変圧器、２T，２M…き電線、３T，３M…直列コンデンサ、４…セクション、１１T，１１M…インバータ用変圧器、１２T，１２M…単相インバータ、１３…直流コンデンサ、２０…電圧補償装置。
【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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