(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車の力行電力の供給または回生電流絞り込み制御機能をもつ電気車の回生電力の吸収を直流／直流変換装置による電力貯蔵媒体の充放電で行う直流電気鉄道の電力貯蔵装置において、
前記直流／直流変換装置は、前記電力貯蔵媒体が満充電電圧より低い任意の電圧まで充電されたとき、前記電気車の回生電流絞り込み制御機能が動作する電圧までき電線の電圧を上昇させ、前記電力貯蔵媒体の電圧上昇に応じてき電線の電圧も上昇させて電気車の回生電流絞り込み量を大きくし、前記電力貯蔵媒体が満充電電圧まで充電されたとき、前記電気車の回生電流絞り込み制御機能により回生電流が零となる電圧までき電線の電圧を上昇させる回生失効防止制御手段を設けたことを特徴とする直流電気鉄道の電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の力行電力を供給または回生電力を吸収する直流電気鉄道の電力貯蔵装置に係り、特に電力貯蔵媒体が任意の電圧以上に充電された場合の電気車の回生失効を防止する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、回生車両のすべての回生電力を力行車両で利用するとは限らず、この利用されない回生電力が余剰電力となってしまう。そこで、これら余剰な回生電力の有効利用を図るために、き電線と並列に電力貯蔵媒体と直流／直流変換装置で構成した電力貯蔵装置を設け、余剰な回生電力を電力貯蔵媒体に吸収する方式がある。
【０００３】
前記電力貯蔵装置の問題点としては、電力貯蔵媒体が満充電となった場合には、それ以上の回生電力を吸収できなくなることである。この満充電状態で電気車の回生制動が発生した場合、電気車側で回生失効（電気制動不能）となり回生動作を停止し、電気ブレーキから機械ブレーキに制動方式の切り替えを行うが切り替え操作による制動遅れが生じる。この制動遅れにより、機械ブレーキを急制動することで、電気車の定点停止の失敗、車輪とブレーキシューの磨耗増による寿命短縮などの問題が残る。
【０００４】
これらの問題を解消するため、電気二重層キャパシタと並列にスイッチを介して負荷抵抗を設け、前記キャパシタが満充電状態になったことを過電圧検出器で検出し、該スイッチを閉じて回生電流を負荷抵抗にバイパスし、負荷抵抗により回生電力を熱として消費させることで、電気二重層キャパシタを過電圧から保護する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
他の方式として、キャパシタの電圧が所定の設定値以上であることを検出したときに、き電変電所の主機（半導体電力変換器、タップ付変圧器など）の制御装置に出力電圧を下げる制御指令を与え、き電線電圧の過電圧防止および電気二重層キャパシタを過電圧から保護する方式が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２０６１１０号公報
【特許文献２】特開２００３−２３７４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の特許文献１の方式は、電気二重層キャパシタが満充電状態の時に電気車からの回生電流を負荷抵抗にバイパスして回生電力を吸収する。この方式では、電気車の回生失効の防止と電気二重層キャパシタの過電圧保護は出来るが、負荷抵抗設備と当該設備が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、これら設備の設置スペースの確保と設備費用が必要となる。また、電気二重層キャパシタの容量を大きくすることで、負荷抵抗による電力吸収の機会を減らすことができるが、これは電気二重層キャパシタが大型化し、また高価なものになる。
【０００７】
特許文献２の方式は、キャパシタの電圧が所定の設定値以上のときにき電変電所の出力電圧を下げる制御を行うが、他の力行車両が存在しない場合にはき電線の電圧を下げることが出来ない。このため、電気車からの回生電力によるキャパシタの過電圧を確実に保護出来るとは限らず、他の電気車の運行状態に左右されてしまう。また、既設のき電変電所がタップ付き変圧器や半導体電力変換器による出力電圧調節機能を持たない場合、き電変電所自体を新規に設備しない限り適用できない。従って、適用できるき電設備が限られ、適用できない設備の場合には設備自体の交換となり多大な設備費用を要することになる。
【０００８】
本発明の目的は、電気車の力行電力の供給または回生電力の吸収を直流／直流変換装置による電力貯蔵媒体の充放電で行う電力貯蔵装置において、電気車の回生失効の防止と電力貯蔵媒体の確実な過電圧保護を行い、かつ負荷抵抗設備および換気設備や放熱設備が不要であると共に電力貯蔵媒体を大型化することが無く、さらに既設のき電変電所設備の利用が可能な直流電気鉄道の電力貯蔵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するため、電気車がもつ回生電流絞り込み制御機能（規定値以上のパンタ点電圧に応じて回生電流を１００％から０％に絞り込む機能）を利用し、電力貯蔵媒体の電圧上昇に応じて、き電線の電圧を上昇させる直流／直流変換装置の回生失効防止制御手段を設けたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１２】
（１）電気車の力行電力の供給または回生電流絞り込み制御機能をもつ電気車の回生電力の吸収を直流／直流変換装置による電力貯蔵媒体の充放電で行う直流電気鉄道の電力貯蔵装置において、
前記直流／直流変換装置は、前記電力貯蔵媒体が満充電電圧より低い任意の電圧まで充電されたとき、前記電気車の回生電流絞り込み制御機能が動作する電圧までき電線の電圧を上昇させ、前記電力貯蔵媒体の電圧上昇に応じてき電線の電圧も上昇させて電気車の回生電流絞り込み量を大きくし、前記電力貯蔵媒体が満充電電圧まで充電されたとき、前記電気車の回生電流絞り込み制御機能により回生電流が零となる電圧までき電線の電圧を上昇させる回生失効防止制御手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のとおり、本発明の電力貯蔵装置によれば、電力貯蔵媒体の電圧上昇に応じてき電線の電圧を上昇させる制御手段を設けたため、以下の効果がある。
【００１６】
（１）電気車の回生失効を防止できる。
【００１７】
（２）電力貯蔵媒体を過電圧から保護できる。
【００１８】
（３）電力貯蔵媒体が小容量のもので済むため、貯蔵媒体の小型化とコストダウンを図ることができる。
【００１９】
（４）負荷抵抗設備および換気設備や放熱設備が不要となるため、当該設備の設置スペースを省略できかつ設備費用のコストダウンを図ることができる。
【００２０】
（５）既設のき電変電所設備が利用可能で設備の交換または改造が不要であるため、適用路線を選ばず設備の交換または改造の費用が掛からない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施形態を示す直流電気鉄道用き電システムの要部構成図である。
【００２２】
本実施形態を適用する電力貯蔵装置は、電気車が回生電流絞り込み制御機能をもつものとする。この制御機能は、既存の電気車に装備されるものであり、電気車のパンタ点電圧を監視し、この電圧が規定値以上のときにはそれに応じて回生電流を１００％から０％に絞り込むことにより、過剰にパンタ点電圧が上昇するのを防止する。一般的には、ＤＣ１５００Ｖ系の電気車では、図２に示すように、パンタ点電圧がＤＣ１６００Ｖ以下では絞り率１.０（絞り量０％）、ＤＣ１８００Ｖ以上で絞り率０（絞り量１００％）とし、１６００Ｖ〜１８００Ｖの間は電圧に比例して直線的に絞り率を０に向けて下げ、回生電流を抑制する。この回生電流の絞り込みによる余剰の回生電力は機械ブレーキにより吸収される。また、本実施例の説明では、電力貯蔵媒体として電気二重層キャパシタ４Ａ、直流／直流変換装置として昇降圧チョッパ４Ｂを適用した例であるが、電力貯蔵媒体４Ａと直流／直流変換装置４Ｂは本実施例に限定されるものではない。
【００２３】
上記の回生電流絞り込み制御機能をもつ電気車で運用される直流電気鉄道の電力貯蔵装置において、電力貯蔵装置４は、主回路を電気二重層キャパシタ４Ａと昇降圧チョッパ４Ｂで構成し、制御装置としてチョッパ制御部４Ｃを設ける。
【００２４】
チョッパ制御部４Ｃは、従来の電力貯蔵装置に設けられるものと同様の充放電制御機能をもち、力行電力の供給と回生電力の吸収ができるように、き電線電圧の検出信号Ｖｔと、充放電制御電圧との突き合わせによって、昇降圧チョッパ４Ｂの昇降圧動作の切り替えと導通率制御を行う。
【００２５】
例えば、チョッパ制御部４Ｃは、電気車の力行運転によってき電線電圧Ｖｔが低下して規定値以下のときにチョッパ４Ｂを昇圧動作させ、力行電力の一部あるいは全部をキャパシタ４Ａから放電電力として供給する。逆に、チョッパ制御部４Ｃは、電気車の回生制動によってき電線電圧Ｖｔが上昇して規定値以上のときにチョッパ４Ｂを降圧動作させ、回生電力の一部あるいは全部をキャパシタ４Ａに充電電力として吸収する。これら充放電制御に際して、チョッパ４Ｂの導通率制御により必要とする充放電電力を調整する。
【００２６】
これら充放電制御機能に加えて、本実施形態のチョッパ制御部４Ｃは、電気二重層キャパシタ４Ａが任意の電圧まで充電されたときに、電気車自身がもつ回生電流絞り込み制御機能が動作する電圧までき電線の電圧を上昇させる回生失効防止制御手段を設ける。また、図３に例示する通りにキャパシタ４Ａの電圧上昇に応じてき電線電圧も上昇させて電気車の回生電流の絞り込み量を大きくし、キャパシタ４Ａが満充電電圧まで充電されるときには回生電流が零となるように制御する。この回生失効防止制御手段により、負荷抵抗設備を設けずにかつキャパシタ４Ａの容量を増やすことなく、キャパシタ４Ａが満充電電圧を越えて充電されるのを防止して過電圧から保護すると共に、電気車が持つ回生電流絞り込み機能により電気車の回生失効を防止する。
【００２７】
以下に、図３に基づいてＤＣ１５００Ｖ系のき電系統を例として、電気二重層キャパシタ４Ａの使用電圧範囲をＤＣ４００Ｖ〜１０００Ｖ（満充電電圧）とした場合の回生失効防止制御手段の動作について説明をする。
【００２８】
まず、キャパシタ４Ａの電圧が４００Ｖ〜８００Ｖの範囲では、チョッパ制御部４Ｃはき電線の電圧が１６５０Ｖ程度になるようにキャパシタ４Ａの充放電制御（定常制御）を行い、電気車の回生電流はその１００％がほぼ回生される。
【００２９】
キャパシタ４Ａの電圧が１０００Ｖ（満充電電圧）に近づき規定値である８００Ｖ以上となった場合、チョッパ制御部４Ｃの回生失効防止制御手段によりき電線の電圧を上昇させて、これにより電気車２自身がもつ回生電流絞り込み制御機能が動作し始めて回生電流が減少する。この時、昇降圧チョッパ４Ｂはその導通率制御によって、キャパシタ４Ａの電圧が８００Ｖ〜１０００Ｖ（満充電電圧）の範囲では、き電線の電圧を１６５０Ｖ〜１８００Ｖに制御することで電気車２は回生電流を絞り込む。特にキャパシタ４Ａが１０００Ｖ（満充電）では、き電線の電圧を１８００Ｖに制御することで電気車２の回生電流は零となる。
【００３０】
従って、回生失効防止制御手段による制御中は、き電線の電圧上昇により電気車２には回生しきれない余剰エネルギーが残るが、回生電流絞り込み制御機能を利用しているため、前記き電線の電圧上昇により電気車２はキャパシタ４Ａの満充電電圧を超えて回生制動を行わず、回生失効前に機械ブレーキにより制動するため回生失効が起こらない。また、キャパシタ４Ａは満充電電圧を越えて充電されないので過電圧にならない。さらに回生失効が起こらないので、電気ブレーキから機械ブレーキへの制動方式の切り替えによる急制動が無く、電気車の定点停止の失敗および車輪とブレーキシューの磨耗増による寿命短縮などの問題は解消される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態を示す直流電気鉄道用き電システムの要部構成図。
【図２】電気車の回生電流絞り込み特性の例。
【図３】定常制御および回生失効防止制御における各部の電流／電圧制御の例。
【符号の説明】
【００３２】
１  き電区分所
２  電気車
３  き電変電所
４  電力貯蔵装置
４Ａ  電気二重層キャパシタ
４Ｂ  昇降圧チョッパ
４Ｃ  チョッパ制御部
【図１】
0004848729.tif 000002
【図２】
0004848729.tif 000003
【図３】
0004848729.tif 000004