(57)【要約】【課題】蓄電池や電気二重層キャパシタの大容量化、装置の大型化等を招くことなく電気車からの回生電力の吸収を確実にする。【解決手段】電気車からの回生電力を吸収および架線側へ電力供給を行うエネルギー蓄積装置は、昇降圧チョッパ２４Ａ，２４Ｂを通して架線側に対する急速充放電を行うための電気二重層キャパシタ２２と、架線側に対する大容量電力の充放電を行うための蓄電池２１とに並設して、蓄電池またはキャパシタでは吸収できない余剰な回生電力が架線側に発生したときにこの回生電力分のみを熱として放散させるための抵抗装置２３を設ける。抵抗装置２３は、回生電力で蓄電池に過充電の恐れがあるときにその放電手段とすることも含む。【選択図】  図１
2004358984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線に直流電力を供給する整流器または順変換器に並列に設け、電気車の回生運転および力行運転に応じて架線側からの充電電流で回生電力を吸収および架線側へ電力供給を行うエネルギー蓄積装置を設けた電鉄用直流電力供給設備において、
前記エネルギー蓄積装置は、
架線側に対する急速充放電を行うための電気二重層キャパシタまたは電力用キャパシタと、
架線側に対する大容量電力の充放電を行うための蓄電池と、
前記蓄電池およびキャパシタが共に回生電力の吸収能力が低下したときに、この余剰な回生電力分を熱として放散させる抵抗装置と、
前記キャパシタと蓄電池および抵抗装置への充放電を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする電鉄用直流電力供給設備。
【請求項２】
前記コントローラは、前記蓄電池に過充電の恐れがあるときに、該蓄電池の蓄積電力を前記抵抗装置に熱として放散させることで蓄電池を定常充電状態に戻すことを特徴とする請求項１に記載の電鉄用直流電力供給設備。
【請求項３】
前記抵抗装置は、短時間定格容量の構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電鉄用直流電力供給設備。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記キャパシタと直列接続されて前記蓄電池に並列接続し、前記キャパシタ電圧を蓄電池電圧よりも低くした状態で該キャパシタの充放電を制御する第１の昇降圧チョッパと、
前記蓄電池および前記第１の昇降圧チョッパの並列接続点と架線との間に設け、架線側との間の充放電を制御する第２の昇降圧チョッパと、
前記抵抗装置と直列接続されて前記蓄電池に並列接続で設け、該抵抗装置に対して連続的にまたは断続的に放電制御する可制御スイッチとを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電鉄用直流電力供給設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー蓄積装置を設けた電鉄用直流電力供給設備に係り、特に電気車からの回生電力をエネルギー蓄積装置で吸収する電鉄用直流電力供給設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流電気鉄道において、電気車からの電力回生方式には下記のものがある。
【０００３】
（１）インバータ装置による交流電源への電力回生方式
図３の（ａ）に示すように、電気車１が回生する直流電力を、き電線側を直流電源とするインバータ装置２とインバータ用変圧器３によって電圧と周波数を制御した交流電力に変換し、交流電源側に回生する。
【０００４】
この方式の場合、交流負荷が必要であること、及び変圧器、交流遮断器、インバータ装置、直流遮断器等が必要であり、装置全体が高コストになる。
【０００５】
（２）チョッパによる回生抵抗装置への電力回生方式
図３の（ｂ）に示すように、電気車１が回生する直流電力を、チョッパ装置４によって電圧制御した直流電力に変換し、これを回生抵抗装置５で熱として吸収させる。
【０００６】
この方式の場合、回生電力の全てを抵抗装置によって熱吸収させるため、回生電力は有効利用されないし、大型の抵抗装置が必要になる。また、抵抗装置に発生する熱量の放散処理のための換気設備や放熱設備が必要であり、チョッパ等を含めると比較的高価な設備になる。
【０００７】
（３）エネルギー蓄積装置を利用した電力回生方式
図３の（ｃ）に示すように、整流器６の直流側に、昇降圧チョッパ７と直流電力蓄積装置８からなるエネルギー蓄積装置を設備し、電気車１が回生状態にある場合はチョッパ７を通して直流電力蓄積装置８を充電することで電力回生を行う。また、電気車が力行状態にある場合は直流電力蓄積装置８からチョッパ７を通して給電することで負荷の急変に対応すると共に交流電源側からみた負荷の平準化等を図る。
【０００８】
ここで、直流電力蓄積装置８には、蓄電池または電気二重層キャパシタが使用される。このうち、蓄電池を用いる場合は、長時間のエネルギー蓄積および蓄積量に優れるが、急速充放電特性で劣り、立ち上がりの速い回生電力等の充電に遅れが生じたり、電気車の始動・加速時等の負荷急変に追従した放電に遅れが生じ、き電線電圧の急変や回生失効を招く恐れがある。
【０００９】
一方、電気二重層キャパシタを用いる場合は、急速充放電性能に優れ、回生電気車等からのエネルギーの吸収や、負荷急変に応動できる。しかし、電気二重層キャパシタは、蓄電池に比べて大きな電圧変化を伴うし、エネルギー蓄積量に劣る。また、自然放電量も大きく、長時間にわたる電力蓄積には適さない。
【００１０】
これら課題を解決する方式として、急速充放電性能と長時間の電力蓄積および電力蓄積量に優れる電鉄用直流電力供給設備を本願出願人は既に提案している（例えば、特許文献１）。
【００１１】
この電鉄用直流電力供給設備は、基本的には、電気二重層キャパシタや電力用キャパシタなどにより急速充放電性能を確保し、蓄電池や燃料電池などにより大容量電力蓄積性能を確保したエネルギー蓄積装置とするもので、例えば図４に示す構成とする。
【００１２】
図４において、整流器（または順変換器）１０は、交流電源から定格電圧になる直流電力に変換して架線側に供給する。エネルギー蓄積装置としては、大容量の蓄電池１１と、高速応答の電気二重層キャパシタ１２を併設する。
【００１３】
入出力コントローラ１３は、スイッチ回路１３Ａとスイッチ回路１３Ｂによって、蓄電池１１と電気二重層キャパシタ１２の充放電を個別に制御し、昇降圧チョッパ１３Ｃによって充放電の統括制御および電圧制御をする。１４は高速しゃ断器、１５は断路器である。
【００１４】
以上の構成において、蓄電池１１は、定電圧電源に近い特性を呈し、充電量による端子電圧の変化が小さい。一方、電気二重層キャパシタ１２は、充電量により端子電圧が大きく変化する。したがって、両者を直接に並列接続すると、蓄電池から電気二重層キャパシタに充電電流が流れ、電気二重層キャパシタは常に蓄電池と同じ電圧になる。このとき、電気二重層キャパシタによるき電線との間の急速充放電は、高い電圧範囲のみで行われ、急速充放電効果を低下させる。そこで、スイッチ回路１３Ａ，１３Ｂを設けることで、電気二重層キャパシタを常に蓄電池電圧よりも低くしておくことで急速充放電性能を高める。
【００１５】
また、電気二重層キャパシタは自然放電量が大きく、これを蓄電池と並列接続しておくと、蓄電池に蓄積されたエネルギーが電気二重層キャパシタを通して自然放電してしまう。そこで、スイッチ回路１３Ａ，１３Ｂを設けることで、蓄電池から電気二重層キャパシタを通した自然放電を防止する。
【００１６】
【特許文献１】
特開２００１−２６０７１８
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、エネルギー蓄積装置は、例えば電気二重層キャパシタと蓄電池を併設し、電気二重層キャパシタの電圧を蓄電池電圧よりも常に低くしておくことで、電気車の回生と力行の繰り返しに急速充放電性能を高めた電力吸収と供給ができる。
【００１８】
ここで、同じ架線区間内に多数の電気車が位置し、各電気車がそれぞれ回生運転状態に入って、架線上に連続した回生電力が発生した場合、初回の回生電力の吸収には電気二重層キャパシタによる急速充電と蓄電池による大きな電力量の充電で十分に対応できる。しかし、２回以上の連続した回生運転状態が発生したときには電気二重層キャパシタの充電電圧が高くなっており、回生電力の吸収能力が低下してくる。また、蓄電池はその放電を伴うことなく回生電力を連続して吸収することになり、満充電近くになって回生電力の吸収能力が低下してくる。
【００１９】
この回生電力吸収能力の低下は、電気車からの回生電流を制限してしまい、回生ブレーキの効きが悪くなることがある。また、蓄電池の過充電故障、さらには架線の過電圧故障を起す恐れがある。
【００２０】
このような不都合を解消するには、連続した回生電力の発生にも電気二重層キャパシタおよび蓄電池で吸収できるよう、それらの容量に十分な余裕を持たせておくことが考えられるが、これではエネルギー蓄積装置の大型化およびコストアップになる。
【００２１】
本発明の目的は、上記の課題を解決した電鉄用直流電力供給設備を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、電気車からの連続した回生電力発生で、電気二重層キャパシタと蓄電池が共に回生電力の吸収能力が低下したときに、この余剰な回生電力を吸収し、さらには蓄電池に過充電の恐れがあるときにその放電を可能にした抵抗装置とスイッチを設けたもので、以下の構成を特徴とする。
【００２３】
（１）架線に直流電力を供給する整流器または順変換器に並列に設け、電気車の回生運転および力行運転に応じて架線側からの充電電流で回生電力を吸収および架線側へ電力供給を行うエネルギー蓄積装置を設けた電鉄用直流電力供給設備において、
前記エネルギー蓄積装置は、
架線側に対する急速充放電を行うための電気二重層キャパシタまたは電力用キャパシタと、
架線側に対する大容量電力の充放電を行うための蓄電池と、
前記蓄電池およびキャパシタが共に回生電力の吸収能力が低下したときに、この余剰な回生電力分を熱として放散させる抵抗装置と、
前記キャパシタと蓄電池および抵抗装置への充放電を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする。
【００２４】
（２）前記コントローラは、前記蓄電池に過充電の恐れがあるときに、該蓄電池の蓄積電力を前記抵抗装置に熱として放散させることで蓄電池を定常充電状態に戻すことを特徴とする。
【００２５】
（３）前記抵抗装置は、短時間定格容量の構成としたことを特徴とする。
【００２６】
（４）前記コントローラは、
前記キャパシタと直列接続されて前記蓄電池に並列接続し、前記キャパシタ電圧を蓄電池電圧よりも低くした状態で該キャパシタの充放電を制御する第１の昇降圧チョッパと、
前記蓄電池および前記第１の昇降圧チョッパの並列接続点と架線との間に設け、架線側との間の充放電を制御する第２の昇降圧チョッパと、
前記抵抗装置と直列接続されて前記蓄電池に並列接続で設け、該抵抗装置に対して連続的にまたは断続的に放電制御する可制御スイッチとを備えたことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示す基本構成図である。整流器（または順変換器）２０は、交流電源から定格電圧になる直流電力に変換して架線側に供給する。
エネルギー蓄積装置としては、従来と同程度の容量にした蓄電池２１および急速充放電用の電気二重層キャパシタ２２を設備し、これに加えて抵抗装置２３を設備する。
【００２８】
入出力コントローラは、昇降圧チョッパ２４Ａと２４Ｂと可制御スイッチ２４Ｃおよびこれらを制御する制御装置２４Ｄとを備える。昇降圧チョッパ２４Ａは、電気二重層キャパシタ２２と直列接続で設けられ、蓄電池２１に並列接続される。昇降圧チョッパ２４Ｂは、蓄電池２１および昇降圧チョッパ２４Ａの並列接続点と架線との間に設けられる。可制御スイッチ２４Ｃは、制御電極をもつ半導体素子等で構成され、抵抗装置２３と直列接続で設けられ、蓄電池２１に並列接続される。
【００２９】
図２は、昇降圧チョッパ２４Ａ，２４Ｂの回路例を示し、昇圧動作はスイッチＳＷ２のオン期間に蓄電池またはキャパシタからリアクトルＬに短絡電流を流し、この後のスイッチＳＷ２のオフ期間にリアクトルＬに蓄積された電磁エネルギーをダイオードＤ１を通して入出力端側に出力する。また、降圧動作は、スイッチＳＷ１のオン／オフで入出力端からリアクトルＬで平滑した電流を蓄電池またはキャパシタに供給する。
【００３０】
以上の構成になるエネルギー蓄積装置の充放電制御を詳細に説明する。
【００３１】
（１）通常時の充放電制御
この通常時とは、架線電圧ＶＤがその定格電圧範囲内にあり、蓄電池２１を満充電状態に近い電圧ＶＢに保持し、電気二重層キャパシタ２２を蓄電池電圧ＶＢよりも十分に低い電圧ＶＣに保持しておき、同じ架線区間内に位置する多数の電気車の力行運転状態と回生運転状態および停止運転状態がランダムに発生する場合である。この通常時の充放電制御は以下の（１Ａ）〜（１Ｄ）とする。なお、可制御スイッチ２４Ｃは開放したままとしておく。
【００３２】
（１Ａ）回生運転時の充電制御
制御装置２４Ｄは、架線電圧ＶＤが変電所無負荷電圧以上に上昇した（過電圧以下）ことにより電気車全体では回生運転状態にあると認識し、昇降圧チョッパ２４Ａ，２４Ｂを降圧チョッパ制御し、回生電力を蓄電池２１および電気二重層キャパシタ２２の充電電流として吸収することで、架線電圧ＶＤの上昇を抑制する。
【００３３】
このとき、昇降圧チョッパ２４Ｂは架線電圧ＶＤと蓄電池電圧ＶＢの差分を降圧し、昇降圧チョッパ２４Ａは蓄電池電圧ＶＢとキャパシタ電圧ＶＣの差分を降圧する。
【００３４】
この充電制御において、電気二重層キャパシタ２２と蓄電池２１の充電電流の分担はそれぞれの充電特性で決定され、充電電流に含まれる小電流で高周波成分の電流にはキャパシタ２２がその急速充電電流として吸収し、その後の大電流で低周波成分の電流には蓄電池２１がその大容量充電電流として吸収する。
【００３５】
（１Ｂ）回生運転終了後の制御
制御装置２４Ｄは、架線電圧ＶＤの上昇が一定電圧範囲内になったことにより電気車全体では回生運転状態を終了したと認識し、昇降圧チョッパ２４Ｂの昇圧チョッパ制御を停止し、昇降圧チョッパ２４Ａを昇圧チョッパ制御し、電気二重層キャパシタ２２から蓄電池２１への放電を開始させる。
【００３６】
このとき、昇降圧チョッパ２４Ａは蓄電池電圧ＶＢと電気二重層キャパシタ電圧ＶＣの差分を昇圧し、電気二重層キャパシタ２２からの放電電流は蓄電池２１の充重電流としてその充電を行う。これにより、電気二重層キャパシタ２２の電圧ＶＣを蓄電池電圧ＶＢ以下、例えば１／２電圧まで降圧し、次回の電力回生に備える。
【００３７】
（１Ｃ）力行運転時の放電制御
制御装置２４Ｄは、架線電圧ＶＤが一定電圧以下に低下したことにより電気車全体では力行状態に入ったと認識し、昇降圧チョッパ２４Ａおよび昇降圧チョッパ２４Ｂを昇圧チョッパ制御し、電気二重層キャパシタ２２および蓄電池２１から架線側への放電を開始させ、整流器２０からの給電電流を抑制すると共に架線電圧ＶＤの低下を抑制する。
【００３８】
このとき、昇降圧チョッパ２４Ｂは架線電圧ＶＤと蓄電池電圧ＶＢの差分を昇圧し、昇降圧チョッパ２４Ａは蓄電池電圧ＶＢとキャパシタ電圧ＶＣの差分を昇圧する。
【００３９】
この放電制御において、放電電流に含まれる小電流で高周波成分はキャパシタ２２がその急速放電電流で供給し、その後の大電流で低周波成分は蓄電池２１がその大容量放電電流で供給する。
【００４０】
（１Ｄ）力行運転終了後の制御
制御装置２４Ｄは、架線電圧ＶＤが一定電圧を越えたことにより電気車全体では力行運転状態を終了したと認識し、蓄電池２１の放電量が多いときは昇降圧チョッパ２４Ｂを降圧チョッパ制御し、整流器２０の整流電力で蓄電池２１を充電する。また、昇降圧チョッパ２４Ａの降圧チョッパ制御で電気二重層キャパシタ２２を設定電圧ＶＣまで充電する。
【００４１】
（２）異常時の充放電制御
この異常時は、電気車から連続して回生電力が発生してエネルギー蓄積装置で吸収不能の恐れがある場合、および蓄電池に過充電の恐れがある場合である。これら異常時の充放電制御は以下の制御で解消する。
【００４２】
（２Ａ）回生電力の吸収制御
制御装置２４Ｄは、電気二重層キャパシタ２２の電圧ＶＣが一定時間内に所定電圧まで低下しないときに、余剰な回生電力の発生で蓄電池が満充電状態にあり、電気二重層キャパシタ２２の充電電力を蓄電池２１に放電できない状態（電気二重層キャパシタと蓄電池が共に回生電力の吸収能力が低下した状態）と認識し、可制御スイッチ２４Ｃを連続的または断続的に投入し、かつ昇降圧チョッパ２４Ｂを降圧チョッパ制御し、余剰な回生電力分を抵抗装置２３で熱として放散させる。
【００４３】
これにより、電気車からの回生電力を確実に吸収できる。しかも、抵抗装置２３は、電気二重層キャパシタ２２と同等以上の高速応答性をもつため、回生電力に高周波成分が含まれるも、十分な応答性で回生電力を吸収できる。また、従来の回生抵抗装置５（図３のｂ参照）のように回生電力を常時吸収するためのものでないことから、比較的小型で低価格のもので済む。特に、回生電力の連続的な発生が稀でしかも短時間となることが予測される電気鉄道設備の場合には、この回生電力分のみを吸収する抵抗装置２３は短時間定格容量のものにして、その一層の小型化とコストダウンが可能となる。
【００４４】
（２Ｂ）蓄電池電力の放出制御
制御装置２４Ｄは、電気二重層キャパシタ２２の電圧ＶＣが所定電圧まで低下しない状態が続くときに、蓄電池２１が過充電になる恐れがあると認識し、昇降圧チョッパ２４Ａ，２４Ｂを停止したまま、可制御スイッチ２４Ｃを投入し、蓄電池２１の余剰充電分を抵抗装置２３で熱として放散させる。または、昇降圧チョッパ２４Ａを運転して架線側への放電（過電圧にならない程度で）と、可制御スイッチ２４Ｃの投入による抵抗装置２３への放電を併用する。
【００４５】
これにより、蓄電池２１を定常充電状態に戻し、蓄電池２１の過充電による劣化を防止することができる。
【００４６】
このとき、抵抗装置２３は短時間定格容量のものを採用する場合、可制御スイッチ２４Ｃの連続投入では抵抗装置２３の過熱または焼損の恐れがあるため、タイマ信号を基に断続的な投入制御とするのが好ましい。
【００４７】
以上までの実施形態では、蓄電池と電気二重層キャパシタを並設するエネルギー蓄積装置に適用する場合を示すが、本発明は電気二重層キャパシタに代えて電力用キャパシタとする構成、蓄電池を蓄電池と燃料電池を並設した構成、さらにはこれらの組み合わせ構成に適用して同等の作用効果を得ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、電気車からの連続した回生電力発生で、電気二重層キャパシタと蓄電池が共に回生電力の吸収能力が低下したときに、この余剰な回生電力を吸収し、さらには蓄電池に過充電の恐れがあるときにその放電を可能にした抵抗装置とスイッチを設けたたため、電気二重層キャパシタや蓄電池を大容量化することなく回生電力を確実に吸収できると共に、蓄電池の過充電故障や架線の過電圧故障を防止できる。
【００４９】
また、抵抗装置は余剰な回生電力分のみを吸収できる容量のもので済み、装置の大型化、コストアップの問題はほとんどない。
【００５０】
また、蓄電池とキャパシタの充電能力低下を、蓄電池に比べて電圧変化の大きいキャパシタの電圧から認識するため、その検出が確実容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す基本構成図。
【図２】実施形態における昇降圧チョッパの回路例。
【図３】従来の電力回生方式の概略図。
【図４】従来のエネルギー蓄積装置の基本構成図。
【符号の説明】
２０…整流器
２１…蓄電池
２２…電気二重層キャパシタ
２３…抵抗装置
２４Ａ，２４Ｂ…昇降圧チョッパ
２４Ｃ…可制御スイッチ
２４Ｄ…制御装置
【図１】
2004358984.tif 000003
【図２】
2004358984.tif 000004
【図３】
2004358984.tif 000005
【図４】
2004358984.tif 000006