(57)【要約】【課題】従来のセクション切替器を不要とした交流き電を可能とし、さらに電源系統の電圧品質改善等を可能とする。【解決手段】スコット変圧器７のＭ座を交流き電母線負荷に１／２の有効電力を供給するための電源とし、Ｔ座を補償装置に専用の電源とする。補償装置は、Ｔ座巻線との間で１／２の有効電力を出し入れするためのインバータ９Ｔと、このインバータから直流電力が融通され、交流き電母線に１／２の有効電力を供給するインバータ９Ｍとを備える。三相配電系統の各相間にそれぞれ単相トランスを設け、１つの単相トランスを交流き電母線負荷に１／３の有効電力を供給するための電源とし、残りの２つの単相トランスを補償装置に専用の単相電源とするシステムも含む。【選択図】  図１
2004314702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相二相変圧器から得る二相電源から交流電気車に電力供給する交流き電システムであって、
前記単相二相変圧器の片座を交流き電母線負荷に１／２の有効電力を供給するための電源とし、他の片座を補償装置に専用の電源とし、
前記補償装置は、前記他の片座との間で１／２の有効電力を出し入れするための第１のインバータと、このインバータから直流電力が融通され、前記交流き電母線に１／２の有効電力を供給する第２のインバータとを備えたことを特徴とする交流き電システム。
【請求項２】
き電用三相配電系統から得る三相電源から交流電気車に電力供給する交流き電システムであって、
前記三相配電系統の各相間にそれぞれ単相トランスを設け、１つの単相トランスを交流き電母線負荷に１／３の有効電力を供給するための電源とし、残りの２つの単相トランスを補償装置に専用の単相電源とし、
前記補償装置は、２つの単相トランスとの間でそれぞれ１／３の有効電力を出し入れするための第１と第２のインバータと、これら両インバータから直流電力が融通され、前記交流き電母線に２／３の有効電力を供給する第３のインバータとを備えたことを特徴とする交流き電システム。
【請求項３】
前記交流き電母線側に接続されるインバータは、交流き電母線に現れる無効電力と高調波電流を補償する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の交流き電システム。
【請求項４】
前記交流き電母線側に接続されるインバータは、決められた電流耐量以内の出力に制限するリミッタ制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流き電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新幹線などの電気鉄道における交流き電システムに係り、特にセクション切替区間の交流き電方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
新幹線などの交流電気車は単相のため、電力会社から交流電源を三相で受電して、３相−２相変換用スコット変圧器やウッドブリッジ変圧器を利用して単相二相電源のＴ座とＭ座（またはＡ座とＢ座）に区分けし、両座のき電で電気車に給電している。
【０００３】
これら異電源突き合わせ区間の電気車の走行には、電気車のパンタグラフが異電源間を短絡させるのを避けるため、在来線では図３に示すように、Ｍ座とＴ座の異電源のトロリー線１Ｍ，１Ｔ間に約８ｍのＦＲＰやウッド等の絶縁材料を介挿させたデッドセクション２を設け、電気車３の運転員はデッドセクション２の手前に設けられるデッドセクション標識４Ｍの確認でノッチオフにして電気車を惰行走行させ、デッドセクション２を通過したことをデッドセクション標識４Ｔで確認した後にノッチオンとしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
新幹線の場合には、図４に示すように、遮断器等で構成されるセクション切替器を使用して、以下の制御方式で運用している（例えば、特許文献１参照）。なお、同図の説明は電気車がＭ座からＴ座に向って走行する場合である。
【０００５】
・電気車５がＭ座電源側に位置するときはＭ座側のセクション切替器６Ｍを閉、Ｔ座側のセクション切替器６Ｔを開としておき、スコット変圧器７のＭ座から電気車に電力を供給する。
【０００６】
・電気車が一対のエアセクションで形成する中セクション８の区間（約１０００ｍ）に完全に入ると、セクション切替器６Ｍを開、６Ｔは開のままとし、この間の電気車は無電圧となり、惰行走行させる。
【０００７】
・その後、電気車がＴ座に入る直前にセクション切替器６Ｍを開のまま、６Ｔを閉じ、スコット変圧器７のＴ座から電気車に電力を供給する。
【０００８】
・電気車がＴ座区間に入るとセクション切替器６Ｔを開、セクション切替器６Ｍを閉とし、初期状態に戻す。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１２５４０９（図３、図４）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
（１）従来の在来線の交流き電方式では、デッドセクションを設けるための条件に制約があるため、本来、変電所直下に設けるのが最良であるが、トロリー線を引き回しているケースが多いため、設備費がかさむ。また、デッドセクション付近ではノッチオフ操作することは、運転員の負担になるし、高速運転には適さない。また、ノッチオフ時にも電気車の補機電力等はオン状態のままであるため、トロリー線からデッドセクションに移るときにある程度のアークが発生するため、デッドセクションの定期的な点検および交換が必要となる。
【００１１】
（２）新幹線等における交流き電方式では、運転員によるノッチオフを不要にするが、セクション切替で以下の問題がある。
【００１２】
・電気車がセクションを通過するときに電気車には瞬時停電が発生するため、電気車に瞬時停電対策装置などが必要となり、また走行速度も低下する。また、セクション通過の復電時（図４のセクション切替器６Ｔが閉となったとき）に電気車およびセクション切替器に過大な突入電流が発生し、過渡電流対策が必要になる。
【００１３】
・セクション切替設備としては遮断器、電気車の位置検出装置等が必要になり、設備費用が増大し、それらの設置場所確保が必要となる。さらに、遮断器には動作回数に制限があり、数年間周期での定期交換部品となっていてメンテナンス費用がかさむ。
【００１４】
（３）在来線および新幹線での共通の問題点としては、Ｔ座とＭ座の負荷をバランスすることが困難なため、以下の問題がある。
【００１５】
・交流受電系統の電圧変動が大きく、また三相系統に不平衡電力が流れ、電力会社の設備を有効に利用できない。
【００１６】
・スコット変圧器等のインピーダンスによって、き電電圧が低下し、電気車走行に支障をきたす場合がある。
【００１７】
この問題を解決するために、最近は各座に、互いの直流側で接続した一対のインバータとトランスを備えた補償装置を設けて、以下に説明する有効電力融通や無効電力補償等の制御機能（以下ＲＰＣ装置と呼ぶ）で対策をしている。このＲＰＣ装置の主回路構成図を図５に示す。
【００１８】
（ａ）有効電力融通制御…各座の有効電力Ｐを検出し、この差電力の１／２をＭ，Ｔ座インバータ９Ｍ，９Ｔが融通しあい、スコット変圧器７のＴ、Ｍ座巻線の電流を等しくする。
【００１９】
（ｂ）無効電力補償…各座の無効電力Ｑを検出して、この無効電力をインバータ９Ｍ，９Ｔを通して供給し、スコット変圧器７の無効電力成分を零とする。
【００２０】
仮に、図５において、Ｍ座負荷の有効電力をＰ、無効電力をＱとし、Ｔ座負荷が無負荷であったとしたら、これらの制御でＭ座インバータ９Ｍは（Ｐ／２＋Ｑ）、Ｔ座インバータ９ＴはＰ／２の電力を供給し、この結果スコット変圧器７のＴ座、Ｍ座の負荷はＰ／２となり、無効電力が零になり、更に両インバータ９Ｍ，９Ｔは電気車負荷の有効電力の半分のみを供給すれば良いことになる。
【００２１】
（ｃ）高調波吸収制御…電気車負荷が発生する高調波電流Ｉｈを、き電母線から検出し、この電流をインバータ９Ｍ，９Ｔから供給し、系統に流出する高調波電流を低減する。
【００２２】
このような補償装置を設けることで、受電系統やき電母線の電圧品質の問題（電圧変動、不平衡電力、高調波電流）は解決できるが、セクション切替の問題を解決していないのが現状である。
【００２３】
本発明の目的は、セクション切替器を不要とした交流き電を可能とし、さらに電源系統の電圧品質改善が可能となり、また従来の変電所を経済的に構築することも可能とした交流き電システムを提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単相二相変圧器の片座を交流き電母線負荷に１／２の有効電力を供給するための電源とし、他の片座を補償装置に専用の電源とし、補償装置からは交流き電母線負荷の１／２の有効電力を供給することで従来のセクション切替器を不要にした片座による交流き電システムとする。
【００２５】
また、本発明は、き電用三相配電線の各相間にそれぞれ単相トランスを設け、１つの単相トランスを交流き電母線負荷に１／３の有効電力を供給するための電源とし、残りの２つの単相トランスを補償装置に専用の単相電源とし、補償装置からは交流き電母線負荷の２／３の有効電力を供給することで従来のセクション切替器を不要にした片座による交流き電システムとする。
【００２６】
さらに、本発明は、交流き電母線に現れる無効電力と高調波電流を補償装置で補償する交流き電システムとする。
【００２７】
以上のことから、本発明は以下の構成を特徴とする。
【００２８】
（１）単相二相変圧器から得る二相電源から交流電気車に電力供給する交流き電システムであって、
前記単相二相変圧器の片座を交流き電母線負荷に１／２の有効電力を供給するための電源とし、他の片座を補償装置に専用の電源とし、
前記補償装置は、前記他の片座との間で１／２の有効電力を出し入れするための第１のインバータと、このインバータから直流電力が融通され、前記交流き電母線に１／２の有効電力を供給する第２のインバータとを備えたことを特徴とする。
【００２９】
（２）き電用三相配電系統から得る三相電源から交流電気車に電力供給する交流き電システムであって、
前記三相配電系統の各相間にそれぞれ単相トランスを設け、１つの単相トランスを交流き電母線負荷に１／３の有効電力を供給するための電源とし、残りの２つの単相トランスを補償装置に専用の単相電源とし、
前記補償装置は、２つの単相トランスとの間でそれぞれ１／３の有効電力を出し入れするための第１と第２のインバータと、これら両インバータから直流電力が融通され、前記交流き電母線に２／３の有効電力を供給する第３のインバータとを備えたことを特徴とする。
【００３０】
（３）前記交流き電母線側に接続されるインバータは、交流き電母線に現れる無効電力と高調波電流を補償する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００３１】
（４）前記交流き電母線側に接続されるインバータは、決められた電流耐量以内の出力に制限するリミッタ制御手段を備えたことを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す交流き電システムの主回路構成図であり、異電源突き合わせのためのセクション切替器を設けることなく、スコット変圧器の一方の座から交流き電母線に１／２の有効電力供給を行い、他方の座は補償装置専用の電源とし、補償装置を介して交流き電母線に１／２の有効電力融通を行う。また、補償装置は電圧品質補償機能を備える。
【００３３】
図１の構成では、スコット変圧器７のＭ座をき電母線として使用し、Ｔ座を変圧器とするＴ座インバータ９Ｔと、このインバータ９Ｔとは直流側で接続され、交流側が出力用変圧器１０を介してき電母線に接続されるＭ座インバータ９Ｍとからなる補償装置を設ける。
【００３４】
なお、補償装置は、リアクトルとインバータからなる装置、または変圧器・リアクトル・インバータからなる装置とすることもできる。
【００３５】
図１の主回路構成における両インバータの制御方式を説明する。
【００３６】
（１）き電母線側に接続したＭ座インバータ９Ｍの制御
き電母線負荷の有効電力Ｐ、無効電力Ｑ、高調波電流Ｉｈ等を検出し、以下の制御を行う。
【００３７】
・有効電力制御：き電母線の負荷の有効電力Ｐの１／２を分担するように制御する。残りの１／２の有効電力はスコット変圧器７のＭ座から供給する。
【００３８】
・無効電力制御：き電母線の負荷の無効電力Ｑを補償するように制御する。
【００３９】
・高調波電流制御：き電母線の負荷に含まれる高調波電流Ｉｈを分担するように制御する。
【００４０】
（２）スコット変圧器のＴ座に接続したインバータ９Ｔの制御
き電母線側に接続したインバータ９Ｍの有効電力に対応して、スコット変圧器のＴ座から有効電力Ｐの１／２の出し入れ制御を行う。
【００４１】
すなわち、電気車負荷が力行状態ならば有効電力をＴ座から取り込むように制御し、電気車負荷が回生状態ならば有効電力をＴ座に戻すように制御する。
【００４２】
以上の制御方式により、有効電力制御は、Ｍ座インバータ９ＭはＭ座負荷の有効電力を検出し、この有効電力Ｐの１／２を出力するようにして、Ｔ座インバータ９Ｔはこの有効電力Ｐの１／２をスコット変圧器ＴＲＳのＴ座巻線から出し入れ制御する。また、無効電力制御では、Ｍ座インバータ９ＭはＭ座の無効電力を検出して、これを補償するように制御する。また、高調波吸収制御は、Ｍ座に流れる電流から高調波成分Ｉｈを検出し、この電流成分がＭ座インバータ９Ｍから供給するように制御する。
【００４３】
なお、き電母線側のインバータ９Ｍには、インバータ出力が決められた電流耐量以内の出力に制限する出力リミッタ制御手段を設けるのが好ましい。すなわち、Ｍ座インバータ９Ｍは常に負荷に接続されているため、他変電所から当変電所に電気車が入るときに過大な突入電流が流れたり、また、き電線の短絡事故等で過大な短絡電流が流れることがある。Ｍ座インバータはＭ座き電母線に接続されているためにこの影響を受けやすい。この影響でインバータは過負荷耐量が増大する。この対策としてインバータ出力に電流リミッタを設けることにより、過負荷耐量を不要とし、設備容量の小型化を可能にする。
【００４４】
本実施形態によれば、新幹線におけるセクション切替設備が不要となり、これに関する大幅な経済性、信頼性の向上ができ、変電所も小型化ができる。また、変電所の種々な設備である遮断器、断路器、ＡＴ変圧器等で、き電形態が片座き電で済むため、従来の両座き電（Ｔ，Ｍ座）設備の半分で済み、大幅な経済性の向上と小型化ができる。また、補償装置の導入で系統の電圧品質改善（電圧変動、不平衡電流、高調波障害等の改善）ができ、さらにスコット変圧器のインピーダンス電圧降下が低減し、安定なき電電圧が確保できる。また、補償装置の専用変圧器がスコット変圧器のＴ座巻線と兼用でき、更にＴ座インバータは無効電力補償をする必要が無いため、インバータ容量の低減も可能となり大幅なコストダウンと小型化ができる。また、スコット変圧器Ｔ、Ｍ座巻線も負荷が平準化され利用率が向上し、更に負荷の有効電力半分を供給する容量で済むため、大幅なコストダウンと小型ができる。また、インバータは過負荷耐量が不要となり、インバータそのものを小型化できる。また、インバータの制御機能もＴ座は有効電力制御のみの制御で済み、従来のＲＰＣ装置に比べて回路の簡易化ができて信頼性の向上に繋がる。
【００４５】
また、交流き電方式として、三相系統から直接に単相インバータを使用して交流き電母線に電力供給を行うインバータによる電力変換方式も考えられるが、この方式はインバータで直接に電気車を駆動するため、インバータ自体の容量は負荷と同じ容量を必要とし、更に大きな過負荷耐量も必要となる。この点、本実施形態では、スコット変圧器の一方の座からき電母線に電力供給を行い、他方の座からは補償装置（インバータと出力変圧器等）によってき電母線に有効電力融通と電圧品質補償を行うため、インバータの容量は負荷容量のほぼ半分で済み、さらに過負荷耐量も必要としない。また、インバータによる電力変換方式では、インバータによる直接の電気車運転のため、インバータに故障等が発生すると電気車が走行不能となる。この点、本実施形態では、インバータを補償装置として使用しているため、インバータに故障が発生しても電気車の低速走行は可能となる。
【００４６】
なお、実施形態では、スコット変圧器を使用す場合を示すが、これに代えて、ウッドブリッジ変圧器を利用して単相二相電源とすることができる。
【００４７】
（実施形態２）
実施形態１では、従来のスコット変圧器のＴ座巻線を電力融通電源として利用した交流き電方式を示すが、本実施形態は、実施形態１の技術思想を通常の単相変圧器で構成した交流き電システムとするものであり、その主回路構成を図２に示す。
【００４８】
交流き電用変圧器１１は、き電用三相配電線の相間（ＶＷ相、ＵＶ相、ＵＷ相）にそれぞれ単相のき電用トランス１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの一次側巻線を接続し、トランス１１Ｕの二次側巻線を交流き電母線として使用し、トランス１１Ｖ，１１Ｗの二次側巻線は電力融通用インバータ用電源として使用する。
【００４９】
補償装置は、き電母線には出力用変圧器１２を介してき電インバータ１３の交流側を接続し、この直流側にはトランス１１Ｖ，１１Ｗの二次出力を電源とする二組のＵＶ相インバータ１４とＶＷ相インバータ１５の直流側に接続する。
【００５０】
このうち、き電インバータ１３は、負荷の有効電力をＰ、無効電力をＱ、高調波電流をＩｈとすると、２Ｐ／３＋Ｑ＋Ｉｈの容量をもつものとする。また、二組のインバータ１４，１５の容量はそれぞれＰ／３とする。
【００５１】
以上の構成における制御方式は、実施形態１とほぼ同じであるが、以下の点で異なる。
【００５２】
き電インバータ１３は、き電母線側に負荷の有効電力Ｐの２／３と無効電力Ｑ、高調波電流成分Ｉｈを供給し、他の二組のインバータ１４、１５はＰ／３の有効電力をトランス１１Ｖ，１１Ｗを介して取り組むように制御する。
【００５３】
本実施形態においては、実施形態１に比べてインバータが３台必要となるが、実施形態１と同じ機能をもち、その効果も同等になる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、単相二相変圧器の片座を交流き電母線負荷に１／２の有効電力を供給するための電源とし、他の片座を補償装置に専用の電源とし、補償装置からは交流き電母線負荷の１／２の有効電力を供給する交流き電システム、またはき電用三相配電線の各相間にそれぞれ単相トランスを設け、１つの単相トランスを交流き電母線負荷に１／３の有効電力を供給するための電源とし、残りの２つの単相トランスを補償装置に専用の単相電源とし、補償装置からは交流き電母線負荷の２／３の有効電力を供給する交流き電システムとするため、従来のセクション切替器が不要になり、セクション切換器を必要とする従来の種々の課題を解決することができる。
【００５５】
また、本発明は、補償装置を利用して交流き電母線に現れる無効電力と高調波電流を補償することができ、電源系統の電圧品質改善が可能となり、また従来の変電所を経済的に構築することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す交流き電システムの主回路構成図。
【図２】本発明の実施形態２を示す交流き電システムの主回路構成図。
【図３】在来線の異電源突き合わせ区間の構成図（従来）。
【図４】新幹線の異電源突き合わせ区間の構成図（従来）。
【図５】ＲＰＣ装置を設けた異電源突き合わせ区間の構成図（従来）。
【符号の説明】
５…電気車
６Ｔ，６Ｍ…セクション切換器
７…スコット変圧器
８…中セクション
９Ｔ…Ｔ座インバータ
９Ｍ…Ｍ座インバータ
１０…出力用変圧器
１１…交流き電用変圧器
１２…出力用変圧器
１３…き電インバータ
１４…ＵＶ相インバータ
１５…ＶＷ相インバータ
【図１】
2004314702.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004314702.tif 000006
【図５】
2004314702.tif 000007