(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電素子と、負荷と、前記蓄電素子および前記負荷に接続され、直流電圧を保持する中間回路とを備える電気車に搭載され、架線と前記中間回路との間に設けられ、前記架線の電圧を、前記架線の電圧とは異なる直流電圧に変換して前記中間回路に保持させる電力変換装置であって、
前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御する制御部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記電力変換装置は、前記架線との間で入出力される電流または電力に応じて、前記中間回路に保持させる電圧である中間回路電圧を制御可能であり、
前記制御部は、前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致するような中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記中間回路電圧を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して、前記中間回路電圧指令を生成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、前記中間回路電圧指令を生成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して第１の中間回路電圧指令を生成し、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、第２の中間回路電圧指令を生成し、前記生成した第１の中間回路電圧指令と第２の中間回路電圧指令とに応じて、前記中間回路電圧指令を生成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記蓄電素子の充放電電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、前記架線との間で入出力される電力を指示する集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記架線と前記電力変換装置との間を流れる集電電流の検出値、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値が入力され、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値に基づき前記蓄電素子の充放電電力を算出し、前記集電電流の検出値および前記電力変換装置の前記架線側の電圧を指示する電圧指令に基づき前記架線との間で入出力される集電電力を算出し、前記算出した充放電電力および集電電力に基づき、前記負荷電力を推定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記中間回路に保持させる電圧である中間回路電圧と前記蓄電素子の蓄電電圧との差に応じて流れる前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致する中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御する第１の集電電力指令を生成し、前記蓄電素子に充放電する電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、第２の集電電力指令を生成し、前記生成した第１の集電電力指令と第２の集電電力指令とに応じて集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
蓄電素子と、負荷と、前記蓄電素子および前記負荷に接続され、直流電圧を保持する中
間回路とを備える電気車に搭載され、架線と前記中間回路との間に設けられ、前記架線の
電圧を、前記架線の電圧とは異なる直流電圧に変換して前記中間回路に保持させる電力変
換装置の制御方法であって、
前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流
指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御するステップを含む
電力変換装置の制御方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置を搭載した電気車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置、電力変換装置の制御方法および電気車に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道車両（電気車）は一般に、変電所から送出された電力を、架線を介して集電（架線集電）する集電装置を備え、集電装置により集電された電力により運転される。また、架線集電に加えて、電化区間および非電化区間の両方の区間に対応するため、あるいは、変電所からの電力が不足した場合のアシスト電力や車両の電動機からの回生電力の吸収のために、蓄電池やキャパシタなどの蓄電素子を搭載した車両も検討されている。
【０００３】
架線集電と蓄電素子とを併用する回路方式としては、種々の方式がある。例えば、非特許文献１には、架線と蓄電素子とが並列に接続された回路構成において、車両の駆動・制動用の主電動機を駆動するインバータや補助電源装置に入力電圧を供給する直流電圧回路（以下、中間回路と称する）と架線との間に電力変換装置を設ける方式（以下、方式１と称する）、また、中間回路と蓄電素子との間に電力変換装置を設ける方式（以下、方式２と称する）が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献２には、複数の架線の電圧（架線電圧）に対応するために、集電装置と中間回路との間に電力変換装置を設けるとともに、中間回路と蓄電素子との間に、充放電電流を制御するための電力変換装置（充放電電力変換装置）を設ける方式が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】山本貴光他，非電化区間直通電車の研究開発，平成２５年電気学会産業応用部門大会講演論文集，第６分冊，ｐ18-21
【非特許文献２】村島稔他，財団法人鉄道総合技術研究所向けLH02形架線ハイブリッド LRV 用電機品，東洋電機技報117号，ｐ18-23，2008年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１の方式１における、中間回路と架線との間に設けられた電力変換装置によれば、蓄電素子の充放電制御を行うことができない。また、非特許文献１の方式２における、中間回路と蓄電素子との間に設けられた電力変換装置によれば、複数の架線電圧の路線を走行する場合や、交流架線区間を走行する場合に対応することができない。
【０００７】
非特許文献２に記載されている方式によれば、集電装置と中間回路との間に電力変換装置を設けることで、複数の架線電圧の路線を走行する場合や、交流架線区間を走行する場合に対応可能となる。また、中間回路と蓄電素子との間に電力変換装置を設けることで、得電素子の充放電も可能となる。
【０００８】
しかしながら、電力変換装置は一般に、高コストであり、体積や重量も大きい。蓄電素子を搭載した車両では、蓄電素子の体積や重量が大きいために制約が大きく、また、非電化区間の走行エネルギーの節約のために、軽量化が要求される。
【０００９】
非特許文献２に記載の方式のように、電力変換装置を２つ搭載すると、コスト、重量、サイズの増加を招いてしまう。
【００１０】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、架線集電と蓄電素子とを併用する電気車において、コスト、重量、サイズの増加を抑制しつつ、架線集電および蓄電素子の充放電制御を行うことができる電力変換装置、電力変換装置の制御方法および電気車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、蓄電素子と、負荷と、前記蓄電素子および前記負荷に接続され、直流電圧を保持する中間回路とを備える電気車に搭載され、架線と前記中間回路との間に設けられ、前記架線の電圧を、前記架線の電圧とは異なる直流電圧に変換して前記中間回路に保持させる電力変換装置であって、前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御する制御部を有する。
【００１２】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記電力変換装置は、前記架線との間で入出力される電流または電力に応じて、前記中間回路に保持させる電圧である中間回路電圧を制御可能であり、前記制御部は、前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致するような中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記中間回路電圧を制御することが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して、前記中間回路電圧指令を生成することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、前記中間回路電圧指令を生成することが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記充放電電流の検出値が入力され、該入力された充放電電流の検出値と前記充放電電流指令との偏差をフィードバック制御により増幅して第１の中間回路電圧指令を生成し、前記蓄電素子の蓄電電圧と、前記蓄電素子と前記中間回路との間の抵抗成分による電圧降下とに基づき、第２の中間回路電圧指令を生成し、前記生成した第１の中間回路電圧指令と第２の中間回路電圧指令とに応じて、前記中間回路電圧指令を生成することが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記蓄電素子の充放電電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、前記架線との間で入出力される電力を指示する集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記制御部は、前記架線と前記電力変換装置との間を流れる集電電流の検出値、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値が入力され、前記蓄電素子の蓄電電圧および前記充放電電流の検出値に基づき前記蓄電素子の充放電電力を算出し、前記集電電流の検出値および前記電力変換装置の前記架線側の電圧を指示する電圧指令に基づき前記架線との間で入出力される集電電力を算出し、前記算出した充放電電力および集電電力に基づき、前記負荷電力を推定することが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記中間回路電圧と前記蓄電素子の蓄電電圧との差に応じて流れる前記充放電電流が前記充放電電流指令に一致する中間回路電圧を指示する中間回路電圧指令を生成し、該生成した中間回路電圧指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御する第１の集電電力指令を生成し、前記蓄電素子に充放電する電力を指示する充放電電力指令と、前記負荷による負荷電力とに基づき、第２の集電電力指令を生成し、前記生成した第１の集電電力指令と第２の集電電力指令とに応じて集電電力指令を生成し、該生成した集電電力指令に応じて、前記架線との間で入出力される電力を制御することが好ましい。
【００１９】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置の制御方法は、蓄電素子と、負荷と、前記蓄電素子および前記負荷に接続され、直流電圧を保持する中間回路とを備える電気車に搭載され、架線と前記中間回路との間に設けられ、前記架線の電圧を、前記架線の電圧とは異なる直流電圧に変換して前記中間回路に保持させる電力変換装置の制御方法であって、前記蓄電素子と前記中間回路との間を流れる充放電電流の電流値を指示する充放電電流指令に応じて、前記架線との間で入出力される電流または電力を制御するステップを含む。
【００２０】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る電気車は、上述したいずれかの電力変換装置を搭載する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る電力変換装置、電力変換装置の制御方法および電気車によれば、コスト、重量、サイズの増加を抑制しつつ、架線集電および蓄電素子の充放電制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電気車の構成を示す図である。
【図２】図１に示す制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る制御部の要部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気車１の構成を示す図である。
【００２５】
図１に示す電気車１は、集電装置２と、電力変換装置３と、中間回路４と、リアクトル５と、蓄電素子６と、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ（以下、インバータと称する）７と、補助電源装置（ＳＩＶ：静止型インバータ）８とを有する。
【００２６】
集電装置２は、変電所および他の電気車（列車）との間で電力を授受するための電力供給媒体である架線１０（直流架線あるいは交流架線）を介して、変電所および他の列車との間で電力を授受する。
【００２７】
電力変換装置３は、集電装置２と中間回路４との間に設けられている。電力変換装置３は、集電装置２を介して架線１０から取得した架線電圧（直流電圧あるいは交流電圧）を、架線電圧とは異なる直流電圧に変換するコンバータ部（不図示）を有しており、変換後の直流電圧を中間回路４に保持させる。コンバータ部からのリターン電流は、電気車１の車輪１１を経由してレール１２に流れる。
【００２８】
なお、電力変換装置３は、集電装置２を介して架線１０との間で入出力される電流または電力を制御することで、中間回路電圧Ｖcを制御することができる。そのため、電力変換装置３は、集電装置２との接続線と車輪１１との接続線との間の電圧Ｖ（以下、架線１０側の電圧Ｖと称することがある）を制御する電力変換回路３４と、電力変換回路３４の動作を制御する制御部３０とを有する。制御部３０の詳細については後述する。
【００２９】
中間回路４は、コンデンサ４１を有している。コンデンサ４１の正極と負極とはそれぞれ、電力変換装置３、蓄電素子６、インバータ７およびＳＩＶ８に接続されている。コンデンサ４１により、電力変換装置３からの電圧（中間回路電圧Ｖc）が保持され、インバータ７とＳＩＶ８とに電力が供給される。また、中間回路４を介して、蓄電素子６の充放電が行われる。
【００３０】
リアクトル５は、一端がコンデンサ４１の正極に接続され、他端が蓄電素子６に接続されている。リアクトル５は、中間回路４と蓄電素子６との間を流れる充放電電流Ｉbの不要成分を除去するフィルタとして動作する。
【００３１】
蓄電素子６は、蓄電池、キャパシタなどの充放電が可能な素子である。
【００３２】
インバータ７は、中間回路４から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、電気車１の駆動・制動用の主電動機（不図示）に供給する。
【００３３】
ＳＩＶ８は、中間回路４から供給された直流電圧を、電気車１内の蛍光灯、冷暖房装置、制御装置などのための電圧に変換して、供給する。
【００３４】
図１に示す電気車１において、中間回路電圧Ｖcが蓄電素子６の蓄電電圧Ｖbよりも高い場合には、中間回路４から蓄電素子６に向かう方向（正方向）に充電電流Ｉbが流れ、蓄電素子６の充電が行われる。一方、中間回路電圧Ｖcが蓄電素子６の蓄電電圧Ｖbよりも低い場合には、蓄電素子６から中間回路４に向かう方向（負方向）に充電電流Ｉbが流れ、蓄電素子６の放電が行われる。すなわち、電力変換装置３により中間回路電圧Ｖcを制御することで、蓄電素子６の充放電を制御することができる。なお、通常、中間回路４は、一定の直流電圧をインバータ７やＳＩＶ８などの負荷に供給するために設けられる。本発明においては、蓄電素子６の充放電制御のために、中間回路電圧Ｖcを制御する。そのため、中間回路電圧Ｖcが変化することになるが、蓄電素子６の充放電制御による中間回路電圧Ｖcの変化は、インバータ７やＳＩＶ８の動作に影響を与えない程度の大きさである。
【００３５】
本実施形態においては、電力変換装置３（制御部３０）は、充放電電流Ｉｂの電流値を指示する充放電電流指令Ｉb*が入力され、充放電電流Ｉbが充放電電流指令Ｉb*に一致するように中間回路電圧Ｖcを制御する。
【００３６】
次に、制御部３０の構成について説明する。
【００３７】
図２は、本実施形態に係る制御部３０の構成を示すブロック図である。
【００３８】
図２に示す制御部３０は、充放電電流制御器３１と、中間回路電圧制御器３２と、集電電流制御器３３と、電力変換回路３４とを有する。
【００３９】
制御部３０には、充放電電流Ｉbの検出値と、中間回路電圧Ｖcの検出値と、集電装置２と電力変換装置３との間を流れる集電電流Ｉpの検出値と、充放電電流指令Ｉb*とが入力される。
【００４０】
充放電電流制御器３１は、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*との偏差を比例積分増幅（ＰＩ制御）し、中間回路電圧指令Ｖc*を生成する。ＰＩ制御では、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*との差の比例増幅と積分増幅との和が中間回路電圧指令Ｖc*として出力される。そのため、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*とが一致した状態でも、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*との差を比例増幅したものはゼロとなるが、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*との差を積分増幅したものは、それまでに積分された値があるため、ゼロとはならない。そのため、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*とが一致した状態でも、中間回路電圧指令Ｖc*は値を持つことになる。
【００４１】
中間回路電圧制御器３２は、中間回路電圧指令Ｖc*と中間回路電圧Ｖcとの偏差を比例積分増幅し、集電電流Ｉpを指示する集電電流指令Ｉp*を生成する。
【００４２】
集電電流制御器３３は、集電電流指令Ｉp*と集電電流Ｉpとの偏差を比例積分増幅し、架線１０側の電圧Ｖを指示する電圧指令Ｖ*を生成する。
【００４３】
電力変換回路３４は、電圧指令Ｖ*に従い、架線１０側の電圧Ｖ、すなわち、架線１０との間で入出力される電流または電力を制御する。
【００４４】
図２に示す制御部３０によれば、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*とが一致するように架線１０側の電圧Ｖが制御される。架線１０側の電圧Ｖに応じた集電電流Ｉpが集電装置２と電力変換装置３との間に流れ、その結果、中間回路電圧Ｖcが変化する。そして、中間回路電圧Ｖcと蓄電素子６の蓄電電圧Ｖbとの差に応じた充放電電流Ｉbが流れ、蓄電素子６の充放電制御が行われる。
【００４５】
例えば、集電装置２から電力変換装置３に向かう方向に集電電流Ｉpが流れるように架線１０側の電圧Ｖを制御すると、中間回路電圧Ｖcが上昇し、その結果、中間回路電圧Ｖcが蓄電素子６の蓄電電圧Ｖbよりも高くなると、中間回路４から蓄電素子６に向かう方向に充放電電流Ｉbが流れ、蓄電素子６の充電が行われる。一方、電力変換装置３から集電装置２に向かう方向に集電電流Ｉpが流れるように架線１０側の電圧Ｖを制御すると、中間回路電圧Ｖcが低下し、その結果、中間回路電圧Ｖcが蓄電素子６の蓄電電圧Ｖbよりも低くなると、蓄電素子６から中間回路４に向かう方向に充放電電流Ｉbが流れ、蓄電素子６の放電が行われる。
【００４６】
このように本実施形態によれば、電力変換装置３は、架線１０（集電装置２）と中間回路４との間に設けられ、蓄電素子６と中間回路４との間を流れる充放電電流Ｉbの電流値を指示する充放電電流指令Ｉb*に応じて、架線１０との間で入出力される電流または電力を制御する。
【００４７】
そのため、電力変換装置３は、架線電圧を変換して直流電圧を中間回路４に保持させるとともに、蓄電素子６の充放電制御を行うことができる。そのため、蓄電素子６の充放電制御を行うための電力変換装置を別途設ける必要が無いため、電気車のコスト、重量、サイズの増加を抑制することができる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、中間回路電圧制御器３２が集電電流指令Ｉp*を生成する例、すなわち、電流制御を行う例を用いて説明したが、これに限られるものではない。中間回路電圧制御器３２は、集電装置２と電力変換装置３との間で授受される集電電力を指示する集電電力指令を生成してもよい。この場合、集電電流制御器３３は、集電電力指令と集電電力との偏差により、電圧指令Ｖ*を生成する。
【００４９】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る制御部３０ａの構成を示すブロック図である。図３において、図２と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。本実施形態に係る制御部３０ａは、第１の実施形態に係る制御部３０と比較して、中間回路電圧指令Ｖc*の生成方法が異なっている。
【００５０】
図３に示す制御部３０ａは、図２に示す制御部３０と比較して、充放電電流制御器３１を電圧降下演算器３５に変更した点が異なる。
【００５１】
電圧降下演算器３５は、中間回路４と蓄電素子６との間の抵抗成分による電圧降下を演算する。すなわち、電圧降下演算器３５は、中間回路４と蓄電素子６との間の抵抗成分Ｒと充放電電流指令Ｉbとを乗算し、乗算結果を出力する。なお、中間回路４と蓄電素子６との間の抵抗成分Ｒは、例えば、予め求められている。
【００５２】
ここで、中間回路４と蓄電素子６との間の抵抗成分の値をＲとすると、以下の式（１）が成り立つ。
Ｉb＝（Ｖc−Ｖb）／Ｒ  ・・・（１）
【００５３】
式（１）より、蓄電電圧Ｖbおよび抵抗成分Ｒが分かれば、中間回路電圧指令Ｖc*を生成することができる。したがって、式（１）より中間回路電圧指令Ｖc*は充放電電流指令Ｉb*を用いて、下記の式（２）により生成することができる。
Ｖc*＝Ｒ×Ｉb*＋Ｖb  ・・・（２）
【００５４】
したがって、図３に示すように、電圧降下演算器３５の出力（中間回路４と蓄電素子６との間の抵抗成分と充放電電流指令Ｉbとの乗算値）と蓄電電圧Ｖbとの和により、中間回路電圧指令Ｖc*が生成される。
【００５５】
このように本実施形態によれば、制御部３０ａは、蓄電素子６の蓄電電圧Ｖbと、蓄電素子６と中間回路４との間の抵抗成分Ｒによる電圧降下とに基づき、中間回路電圧指令Ｖc*を生成する。
【００５６】
第１の実施形態においては、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*との偏差を比例積分増幅することで中間回路電圧指令Ｖc*を生成していた。この場合、中間回路電圧指令Ｖc*が収束するまでに時間を要していた。一方、本実施形態においては、該偏差の増幅が不要となるので、中間回路電圧指令Ｖc*の生成に要する時間を短縮することができる。
【００５７】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る制御部３０ｂの構成を示すブロック図である。図４において、図２，３と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。本実施形態に係る制御部３０ｂは、第１の実施形態に係る制御部３０における中間回路電圧指令Ｖcの生成方法と第２の実施形態に係る制御部３０ａによる中間回路電圧指令Ｖc*の生成方法とを組み合わせて、中間回路電圧指令Ｖc*を生成する。
【００５８】
図４に示す制御部３０ｂは、図２に示す制御部３０と比較して、電圧降下演算器３５を追加した点が異なる。
【００５９】
上述したように、本実施形態に係る制御部３０ｂは、第１の実施形態に係る制御部３０における中間回路電圧指令Ｖcの生成方法と第２の実施形態に係る制御部３０ａによる中間回路電圧指令Ｖc*の生成方法とを組み合わせて、中間回路電圧指令Ｖc*を生成する。
【００６０】
すなわち、充放電電流制御器３１は、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*との偏差を比例積分増幅し、第１の中間回路電圧指令を生成する。また、電圧降下演算器３５は、中間回路４と蓄電素子６との間の抵抗成分による電圧降下を演算する。そして、電圧降下演算器３５の出力と蓄電電圧Ｖbとが加算されて、第２の中間電圧指令が生成される。
【００６１】
本実施形態に係る制御部３０ｂによれば、図３に示すように、充放電電流制御器３１により生成された中間回路電圧指令（第１の中間回路電圧指令）と、電圧降下演算器３５の出力と蓄電電圧Ｖbとの加算により生成された中間回路電圧指令（第２の中間回路電圧指令）とが加算されて、中間回路電圧指令Ｖc*が生成される。
【００６２】
このように本実施形態によれば、制御部３０ｂは、充放電電流Ｉｂと充放電電流指令Ｉb*との偏差を増幅して生成した第１の中間回路電圧指令と、蓄電素子６の蓄電電圧Ｖbと、蓄電素子６と中間回路４との間の抵抗成分Ｒによる電圧降下とに基づき生成した第２の中間回路電圧指令とに応じて、中間回路電圧指令Ｖc*を生成する。
【００６３】
上述したように、第２の実施形態に係る中間回路電圧指令Ｖc*の生成方法によれば、中間回路電圧指令Ｖc*の生成に要する時間の短縮を図ることができる。しかし、蓄電電圧Ｖbの検出値や中間回路４と蓄電素子６との間の抵抗成分Ｒの値に誤差があると、充放電電流Ｉbに誤差が生じる。特に、抵抗成分Ｒは、損失低減のために小さいほどよく、微小な値であるため、正確な値の把握が難しく、制御性能に大きな影響を与える。
【００６４】
そこで、本実施形態のように、第１の実施形態に係る中間回路電圧指令Ｖc*の生成方法と第２の実施形態に係る中間回路電圧指令Ｖc*の生成方法とを組み合わせることで、抵抗成分Ｒの値などの誤差により充放電電流Ｉbに誤差が生じた場合にも、充放電電流制御器３１により生成される中間回路電圧指令（第１の中間回路電圧指令）により、その誤差を補正することができる。
【００６５】
（第４の実施形態）
第１から第３の実施形態においては、中間回路電圧指令Ｖc*を用いて、蓄電素子６の充放電を制御していた。しかし、この場合、制御遅延が発生し、応答性に問題があった。本実施形態においては、集電装置２と電力変換装置３との間で入出力される電力を用いて、蓄電素子６の充放電を制御する。
【００６６】
図５は、本実施形態に係る制御部３０ｃの構成を示すブロック図である。
【００６７】
図５に示す制御部３０ｃは、図２に示す制御部３０と比較して、充放電電流制御器３１および中間回路電圧制御器３２を削除した点と、変換器３６を追加した点とが異なる。
【００６８】
蓄電素子６により充放電される充放電電力Ｐbと負荷電力Ｐlと架線１０から集電される集電電力Ｐpとの間には、以下の関係が成立する。
Ｐp＝Ｐl−Ｐb  ・・・（３）
【００６９】
なお、負荷電力Ｐlとは、インバータ７およびＳＩＶ８など、中間回路４に接続されている負荷の入出力電力の総和である。負荷電力Ｐlは、インバータ７およびＳＩＶ８などの負荷と電力変換装置３との間の信号通信により、予め制御部３０ｃにおいて把握されている。
【００７０】
充放電電力Ｐbは蓄電電圧Ｖbと充放電電流Ｉbとの積により求められる。したがって、図５に示すように、充放電電流指令Ｉb*と蓄電電圧Ｖbとの積により充放電電力指令Ｐb*を算出することができる。そして、式（３）より、負荷電力Ｐlから充放電電力指令Ｐb*を減算することにより、集電電力指令Ｐp*を求めることができる。
【００７１】
変換器３６は、集電電流制御器３３により生成された電圧指令Ｖ*と集電電力指令Ｐp*とに基づき、集電電流指令Ｉp*を生成する。そして、集電電流指令Ｉp*と集電電流Ｉpとの偏差が集電電流制御器３３により比例積分増幅されて電圧指令Ｖ*が生成される。
【００７２】
このように本実施形態によれば、制御部３０ｃは、蓄電素子６の充放電電力指令Ｐb*と、負荷電力Ｐlとに基づき、集電電力指令Ｐp*を生成し、生成した集電電力指令Ｐp*に応じて、集電電力Ｐｐを制御する。
【００７３】
集電電力指令Ｐp*は充放電電力指令Ｐb*と負荷電力Ｐlとに基づき生成されるため、高速に求めることができる。そのため、中間回路電圧指令Ｖc*を用いる場合と比べて、制御遅延の発生を抑制することができる。
【００７４】
（第５の実施形態）
上述したように、第４の実施形態においては、負荷電力Ｐlは、インバータ７およびＳＩＶ８などの負荷と電力変換装置３との間の信号通信により、予め制御部３０ｃにおいて把握されていた。しかし、負荷と電力変換装置３との間の信号通信が困難な場合には、負荷電力Ｐlを制御部３０ｃが把握することが困難となる。
【００７５】
そこで、本実施形態に係る制御部は、図６に示す負荷電力Ｐlを推定する負荷電力推定部を有している。
【００７６】
図６に示す負荷電力推定部３７は、フィルタ３７１を有している。
【００７７】
上述したように、負荷電力Ｐlと充放電電力Ｐbと集電電力Ｐpとの間には、式（３）に示す関係がある。また、集電電力Ｐpは、電圧指令Ｖ*と集電電流Ｉpとの積である。また、充放電電力Ｐbは、蓄電電圧Ｖbと充放電電流Ｉbとの積である。
【００７８】
したがって、図６に示すように、負荷電力推定部３７においては、電圧指令Ｖ*と集電電流Ｉｐとが乗算される。また、蓄電電圧Ｖbと充放電電流Ｉbとが乗算される。そして、電圧指令Ｖ*と集電電流Ｉpとの乗算値と蓄電電圧Ｖbと充放電電流Ｉbとの乗算値とが加算され、フィルタ３７１に入力される。なお、中間回路４はコンデンサ４１を有しているため、過渡応答により推定誤差が発生する。
【００７９】
そこで、フィルタ３７１は、入力に対して高周波をカットすることで、過渡応答による誤差を低減する。フィルタ３７１の出力が、図５に示す負荷電力Ｐlとされ、充放電電力指令Ｐｂ*との偏差が算出される。
【００８０】
このように本実施形態によれば、制御部３０ｃは、電圧指令Ｖ*と、集電電流Ｉpと、蓄電電圧Ｖbと、充放電電流Ｉbとに基づき、負荷電力Ｐlを推定する。
【００８１】
そのため、電力変換装置３と負荷との信号通信が困難な場合にも負荷電力Ｐlを推定し、この推定した負荷電力Ｐlを用いて集電電流Ｉpの制御が可能となる。
【００８２】
（第６の実施形態）
上述した第４および第５の実施形態においては、負荷電力Ｐlや変換器３６の演算に誤差があると、充放電電流Ｉbに誤差が生じるという問題があった。そこで、本実施形態においては、第４あるいは第５の実施形態と、第１から第３の実施形態とを組み合わせることで、充放電電流Ｉbの誤差を抑制している。
【００８３】
図７は、本発明の第６の実施形態に係る制御部３０ｄの構成を示すブロック図である。
【００８４】
図７に示す制御部３０ｄは、図５に示す制御部３０ｃと比較して、充放電電流制御器３１と中間回路電圧制御器３２とが追加された点が異なる。すなわち、制御部３０ｄは、図５に示す制御部３０ｃと図１に示す制御部３０とが組み合わされた構成である。
【００８５】
図７に示す制御部３０ｄにおいては、充放電電流制御器３１は、充放電電流Ｉbと充放電電流指令Ｉb*との偏差を比例積分増幅して中間回路電圧指令Ｖc*を生成する。中間回路電圧制御器３２は、中間回路電圧指令Ｖc*と中間回路電圧Ｖcとの偏差を比例積分増幅して、第１の集電電力指令Ｐpfb*を生成する。なお、第１の実施形態においては、中間回路電圧制御器３２は、集電電流指令Ｉp*を生成したが、上述したように、集電電力指令を生成してもよい。
【００８６】
また、充放電電流指令Ｉb*と蓄電電圧Ｖbとが乗算され、充放電電力指令Ｐb*が生成される。さらに、負荷電力Ｐlから充放電電力指令Ｐb*が減算されることで、第２の集電電力指令Ｐpff*が生成される。
【００８７】
そして、第１の集電電力指令Ｐpfb*と第２の集電電力指令Ｐpff*とが加算されて集電電力指令Ｐp*が生成され、変換器３６に入力される。
【００８８】
このように本実施形態によれば、制御部３０ｄは、充放電電流Ｉbが充放電電流指令Ｉb*に一致する中間回路電圧Ｖcを指示する中間回路電圧指令Ｖc*を生成し、生成した中間回路電圧指令Ｖc*に応じて、第１の集電電力指令Ｐpfb*を生成する。また、制御部３０ｄは、充放電電力指令Ｐb*と、負荷電力Ｐlとに基づき、第２の集電電力指令Ｐpff*を生成する。そして、制御部３０ｄは、生成した第１の集電電力指令Ｐpfb*と第２の集電電力指令Ｐpff*とに応じて集電電力指令Ｐp*を生成し、生成した集電電力指令Ｐp*に応じて、集電電力を制御する。
【００８９】
そのため、負荷電力Ｐlや変換器３６の演算に誤差が生じても、その誤差を第１の第１の集電電力指令Ｐpfb*により補正することができるので、充放電電流Ｉbに誤差が生じることを抑制することができる。
【００９０】
なお、本実施形態においては、図２に示す、第１の実施形態に係る制御部３０と図５に示す、第４の実施形態に係る制御部３０ｃとを組み合わせる例を用いて説明したが、これに限られるものではない。第１から第３の実施形態に係る制御部３０，３０ａ，３０ｂと、第４または第５に係る制御部３０ｃとを適宜、組み合わせてもよい。
【００９１】
また、上述した実施形態においては、中間回路電圧指令Ｖc*、集電電流指令Ｉp、電圧指令Ｖ*などの生成に、比例積分（ＰＩ）増幅を用いる例を用いて説明したが、これに限られるものではない。比例積分増幅の代わりに、比例（Ｐ）増幅、比例積分微分（ＰＩＤ）増幅などのフィードバック制御を用いてもよい。
【００９２】
本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１    電気車
２    集電装置
３    電力変換装置
４    中間回路
５    リアクトル
６    蓄電素子
７    ＶＶＶＦインバータ
８    ＳＩＶ
１０    架線
１１    車輪
１２    レール
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ    制御部
３１    充放電制御器
３２    中間回路電圧制御器
３３    集電電流制御器
３４    電力変換回路
３５    電圧降下演算器
３６    変換器
３７    負荷電力推定部
３７１    フィルタ
【図１】
0006423741.tif 000002
【図２】
0006423741.tif 000003
【図３】
0006423741.tif 000004
【図４】
0006423741.tif 000005
【図５】
0006423741.tif 000006
【図６】
0006423741.tif 000007
【図７】
0006423741.tif 000008