(57)【要約】【課題】三相／二相変換変圧器の受電側における三相交流の不平衡を低減するように電鉄用電力補償装置を制御するための技術を提供する。【解決手段】Ｍ座側同相き電の場合、負荷のないＴ座側インバータ３２は、有効電力を融通するのみになる。Ｍ座側インバータ３１の出力する有効電力および無効電力が装置容量に達したとしてもＴ座側インバータ３２に余裕が残る。したがって、負荷無効電力のうち、Ｍ座側インバータの出力する無効電力では足りない分の無効電力をＴ座側インバータ３２から供給する。これによって無効電力の補償が可能となるので、スコット結線変圧器ＴＲの受電側（一次側）の不平衡を低減できる。【選択図】図９
2012051465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気鉄道用三相／二相変換変圧器の二次側の第１および第２の出力にそれぞれ接続された第１および第２の単相インバータを含み、前記第１および第２の単相インバータの直流側が互いに接続された電鉄用電力補償装置の制御装置であって、
前記第１の出力に接続された電力線を介して電力を受ける負荷の有効電力および無効電力を検出する負荷電力検出部と、
前記第１の単相インバータの有効電力および無効電力を検出する第１の電力検出部と、
前記第２の単相インバータの有効電力および無効電力を検出する第２の電力検出部と、
前記負荷電力検出部によって検出された有効電力の値を二等分することにより第１の有効電力値および第２の有効電力値を生成する分割部と、
前記第１の有効電力値と、前記負荷電力検出部によって検出された前記負荷の無効電力の値とを受けて、前記第１の単相インバータの有効電力および無効電力を前記第１の単相インバータの装置容量の範囲内に制限するための第１の有効電力指令値および第１の無効電力指令値を生成する第１のリミッタと、
前記第１の無効電力指令値と、前記負荷電力検出部によって検出された前記負荷の無効電力の値との差分を算出する減算部と、
前記第２の有効電力値と、前記減算部によって算出された前記差分とを受けて、前記第２の単相インバータの有効電力および無効電力を前記第２の単相インバータの装置容量の範囲内に制限するための第２の有効電力指令値および第２の無効電力指令値を生成する第２のリミッタと、
前記第１のリミッタによって生成された前記第１の有効電力指令値および前記第１の無効電力指令値と、前記第１の電力検出部によって検出された前記第１の単相インバータの有効電力および無効電力の値とに基づいて、前記第１の単相インバータを制御する第１のインバータ制御部と、
前記第２のリミッタによって生成された前記第２の有効電力指令値および前記第２の無効電力指令値と、前記第２の電力検出部によって検出された前記第２の単相インバータの有効電力および無効電力の値とに基づいて、前記第２の単相インバータを制御する第２のインバータ制御部とを備える、電鉄用電力補償装置の制御装置。
【請求項２】
前記第１および第２のリミッタの各々は、有効電力の入力値および無効電力の入力値を同じ重み付けによって制限することにより、有効電力および無効電力の指令値を生成する、請求項１に記載の電鉄用電力補償装置の制御装置。
【請求項３】
前記第１および第２の単相インバータの装置容量は、互いに等しく設定される、請求項２に記載の電鉄用電力補償装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電鉄用電力補償装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電鉄用電力補償装置（Railway  Static  Power  Conditioner：以下ＲＰＣとも呼ぶ）は、変電所に設けられた三相／二相変換変圧器の二次側のＭ座およびＴ座の間に設置される。ＲＰＣは、直流側が互いに接続されて、交流側がＭ座およびＴ座にそれぞれ接続された２つの単相インバータを有している。ＲＰＣは、Ｍ座とＴ座との間で有効電力を融通可能であるとともにＭ座およびＴ座の各々での無効電力を補償可能な装置である。
【０００３】
たとえば特許第２８２８８６３号公報（特許文献１）は、上記の構成を有する３相／２相変換装置用不平衡補償装置を開示する。この装置は、交流電気車の運転により発生する高調波電流を抑制するための装置である。具体的には、上記の不平衡補償装置は、Ｍ座およびＴ座の有効電力が等しくなるようにＭ座とＴ座との間で有効電力を融通するとともに、各単相交流負荷の無効電力および高調波電流を打ち消す補償動作を実行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８２８８６３号公報（特許文献１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＲＰＣの制御装置は、三相／二相変換変圧器のＭ座側の力率が１となるような無効電力補償を実施しつつ、負荷の有効電力の半分をＴ座側から融通するという制御を実行している。しかしながらＲＰＣの各インバータでは、負荷有効電力の融通と無効電力の補償との両方を合成した容量が必要となる。
【０００６】
合成容量がインバータの定格容量内であれば特に問題は生じない。しかし、合成容量がインバータの定格容量を超えた場合には、有効電力の融通および無効電力補償のいずれも不十分となる可能性がある。この場合には、三相／二相変換変圧器の受電側において三相交流の不平衡が増大されるおそれがある。
【０００７】
本発明の目的は、三相／二相変換変圧器の受電側における三相交流の不平衡を低減するように電鉄用電力補償装置を制御するための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は要約すれば、電気鉄道用三相／二相変換変圧器の二次側の第１および第２の出力にそれぞれ接続された第１および第２の単相インバータを含み、第１および第２の単相インバータの直流側が互いに接続された電鉄用電力補償装置の制御装置である。制御装置は、第１の出力に接続された電力線を介して電力を受ける負荷の有効電力および無効電力を検出する負荷電力検出部と、第１の単相インバータの有効電力および無効電力を検出する第１の電力検出部と、第２の単相インバータの有効電力および無効電力を検出する第２の電力検出部とを備える。制御装置は、さらに、負荷電力検出部によって検出された有効電力の値を二等分することにより第１の有効電力値および第２の有効電力値を生成する分割部と、第１のリミッタと、減算部と、第２のリミッタとを備える。第１のリミッタは、第１の有効電力値と、負荷電力検出部によって検出された負荷の無効電力の値とを受けて、第１の単相インバータの有効電力および無効電力を第１の単相インバータの装置容量の範囲内に制限するための第１の有効電力指令値および第１の無効電力指令値を生成する。減算部は、第１の無効電力指令値と、負荷電力検出部によって検出された負荷の無効電力の値との差分を算出する。第２のリミッタは、第２の有効電力値と、減算部によって算出された差分とを受けて、第２の単相インバータの有効電力および無効電力を第２の単相インバータの装置容量の範囲内に制限するための第２の有効電力指令値および第２の無効電力指令値を生成する。制御装置は、さらに、第１のインバータ制御部と、第２のインバータ制御部とを備える。第１のインバータ制御部は、第１のリミッタによって生成された第１の有効電力指令値および第１の無効電力指令値と、第１の電力検出部によって検出された第１の単相インバータの有効電力および無効電力の値とに基づいて、第１の単相インバータを制御する。第２のインバータ制御部は、第２のリミッタによって生成された第２の有効電力指令値および第２の無効電力指令値と、第２の電力検出部によって検出された第２の単相インバータの有効電力および無効電力の値とに基づいて、第２の単相インバータを制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電鉄用の三相／二相変換変圧器の受電側における三相交流の不平衡を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電鉄用電力補償装置（ＲＰＣ）を説明するための図である。
【図２】電鉄用電力補償装置の基本的な制御を説明するための図である。
【図３】有効電力融通による三相電流の平衡化を説明するための図である。
【図４】電鉄用電力補償装置による無効電力補償を説明するための図である。
【図５】同相き電方式を説明するための図である。
【図６】有効電力および無効電力を制限するための比例配分方式を説明するための図である。
【図７】図５に示した制御装置５０の機能ブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る制御装置の比較例の構成を示したブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態による制御と図８に示した比較例による制御とを対比した図である。
【図１０】本発明の実施の形態による効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１２】
図１は、電鉄用電力補償装置（ＲＰＣ）を説明するための図である。図１を参照して、スコット結線変圧器ＴＲは、電気鉄道用三相／二相変換変圧器であり、図示しない変電所に設置される。スコット結線変圧器ＴＲは、交流電源１０に接続された一次側から三相交流を受電し、二次側のＭ座およびＴ座の各々から単相交流を出力する。したがってスコット結線変圧器ＴＲの一次側を以後「受電側」と呼ぶこともある。
【００１３】
スコット結線変圧器ＴＲは、Ｍ座およびＴ座から出力された２つの単相交流により、Ｍ座側き電線ＬＭおよびＴ座側き電線ＬＴにそれぞれき電する。当該変電所には、Ｍ座側単巻変圧器（ＡＴ）６およびＴ座側単巻変圧器７がそれぞれ設けられる。これらＭ座側単巻変圧器６およびＴ座側単巻変圧器７の中性点がレール８に接続される。列車１は、Ｍ座側き電線ＬＭまたはＴ座側き電線ＬＴから電力が供給されることによって走行する。
【００１４】
ＲＰＣ３は、Ｍ座およびＴ座の有効電力が等しくなるようにＭ座とＴ座との間で有効電力Ｐを融通する。さらにＲＰＣ３は、Ｍ座の無効電力を打ち消すためにＭ座側に無効電力ＱＭを出力するとともに、Ｔ座の無効電力を打ち消すためにＴ座側に無効電力ＱＴを出力する。なお、以下の説明において、「有効電力の補償」とはＭ座およびＴ座の有効電力が等しくなるように、Ｍ座およびＴ座間で有効電力を融通することを意味し、「無効電力の補償」とは、Ｍ座側およびＴ座側において無効電力を打ち消すことを意味する。
【００１５】
ＲＰＣ３は、単相インバータ３１，３２、および単相インバータ用変圧器３３，３４を備える。単相インバータ３１は、Ｍ座側き電線ＬＭの有効電力および無効電力を補償するための装置である。単相インバータ３２は、Ｔ座側き電線ＬＴの有効電力及び無効電力を補償するための装置である。単相インバータ３１，３２の直流側は互いに接続される。単相インバータ３１の交流側は変圧器３３を介してＭ座に接続され、単相インバータ３２の交流側は変圧器３４を介してＴ座に接続される。
【００１６】
単相インバータ３１，３２の各々は、ＧＴＯサイリスタ等の電力用半導体スイッチング素子によって構成され、各々に入力されるゲートパルス信号（図示せず）によって動作する。単相インバータ３１，３２の構成には公知の構成を適用できるので、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００１７】
単相インバータ用変圧器３３は、単相インバータ３１からの出力電圧を変圧してＭ座側き電線ＬＭに供給する。単相インバータ用変圧器３４は、Ｔ座側単相インバータ３２からの出力電圧を変圧してＴ座側き電線ＬＴに供給する。
【００１８】
図２は、電鉄用電力補償装置の基本的な制御を説明するための図である。図２を参照して、Ｍ座およびＴ座の各々の無効電力成分が０であり、かつ、Ｍ座およびＴ座の有効電力成分が互いに等しいときに三相交流側の三相電圧および三相電流が平衡する。この原理を活用して、ＲＰＣ３はスコット結線変圧器ＴＲの二次側のＭ座とＴ座との間で相互に有効電力を融通する。これにより、スコット結線変圧器ＴＲの一次側における三相交流電圧の不平衡が補償される。
【００１９】
具体的に説明すると、Ｍ座側負荷（Ｍ座側き電線ＬＭから電力が供給された列車１）の有効電力がＰｍ、Ｔ座側負荷（Ｔ座側き電線ＬＴから電力が供給された列車１）の有効電力がＰｔである。単相インバータ３１はスコット結線変圧器ＴＲのＭ座から（Ｐｔ−Ｐｍ）／２の電力を取り込み、単相インバータ３２にその電力を供給する。単相インバータ３２は、単相インバータ３１から（Ｐｔ−Ｐｍ）／２の電力を受けて、その電力を、スコット結線変圧器ＴＲのＴ座へ供給する。
【００２０】
この場合において、スコット結線変圧器ＴＲのＭ座がスコット結線変圧器ＴＲの一次側から取り込む電力は、Ｐｍ＋（Ｐｔ−Ｐｍ）／２＝（Ｐｍ＋Ｐｔ）／２となる。一方、スコット結線変圧器ＴＲのＴ座がスコット結線変圧器ＴＲの一次側から取り込む電力も、Ｐｔ−（Ｐｔ−Ｐｍ）／２＝（Ｐｍ＋Ｐｔ）／２となる。すなわちスコット結線変圧器ＴＲのＭ座およびＴ座の有効電力が互いに等しくなる。この結果、スコット結線変圧器ＴＲの一次側の三相電流が平衡する。
【００２１】
次に、無効電力補償について説明する。Ｍ座側負荷およびＴ座側負荷が消費する無効電力は、それぞれＱｍ，Ｑｔである。なお、図中のｊは複素数を示している。単相インバータ３１は、Ｍ座側負荷に無効電力Ｑｍを供給する。単相インバータ３２はＴ座側負荷に無効電力Ｑｔを供給する。これによってスコット結線変圧器ＴＲの一次側から見た無効電力は打ち消されて有効電力のみとなり、この結果、力率が１となる。
【００２２】
図３は、有効電力融通による三相電流の平衡化を説明するための図である。図３（ａ）は、Ｔ座のみに力率１の列車負荷が存在する場合の三相電流を示した図である。図３（ｂ）は、電鉄用電力補償装置が設けられておらず、かつ、Ｔ座のみに力率１の列車負荷が存在する場合を説明した図である。図３（ｃ）は、三相電流の平衡化を説明するための図である。図３（ｄ）は、電鉄用電力補償装置による効果を説明した図である。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、力率が１かつ負荷（有効電力）がＰｏである列車１がＴ座側のみに存在したとする。電鉄用電力補償装置が設けられていなければ、スコット結線変圧器ＴＲのＴ座のみから有効電力Ｐｔ（＝Ｐｏ）が出力される。この場合、図３（ａ）に示されるように、Ｔ座電流のみの三相電流となる。このため電流Ｉｖ，Ｉｕ，Ｉｗの位相差が１２０°ずつにならない。電流Ｉｕ、Ｉｗは、電流Ｉｖに対して１８０°の位相差を有し、かつ、各々の大きさは電流Ｉｖの大きさの１／２である。このため受電三相側すなわちスコット結線変圧器ＴＲの一次側の電流ベクトルが不平衡電流となる。
【００２４】
図３（ｄ）に示されるように、ＲＰＣ３がスコット結線変圧器ＴＲのＭ座とＴ座との間に設けられることによって、Ｍ座側からＴ座側にＰｒｐｃ（＝Ｐｏ／２）の有効電力を供給できる。これにより、Ｍ座側およびＴ座側の有効電力がともにＰｏ／２となる。Ｍ座とＴ座とでは９０°位相が異なる。したがって図３（ｃ）に示されるように、Ｔ座電流ベクトル（図中、１点鎖線の矢印で示す）とＭ座電流ベクトル（図中、破線の矢印で示す）との合成によって、スコット結線変圧器ＴＲの一次側の電流ベクトルの位相差が１２０°ずつとなり、かつ電流ベクトルの大きさが互いに等しくなる。すなわち三相平衡の状態が得られる。
【００２５】
図４は、電鉄用電力補償装置による無効電力補償を説明するための図である。図４（ａ）は、無効電力補償に関係する電圧および電流を説明するための図である。図４（ｂ）は、無効電力補償が無い状態での電圧ベクトルおよび電流ベクトルを説明するための図である。図４（ｃ）は、無効電力補償後の電圧ベクトルおよび電流ベクトルを説明するための図である。
【００２６】
図４を参照して、Ｉｐｔは列車１のパンタ点力率１電流であり、ＩｒはＲＰＣ３が保障する無効電流であり、Ｉｔｒはスコット結線変圧器ＴＲの変圧器電流であり、Ｖｌはき電線電圧であり、Ｖｐｔは列車１のパンタグラフにおけるパンタ点電圧である。図４（ｂ）に示すように、列車１の力率が１（パンタ点力率が１）であっても、変電所からの距離が遠くなることによって抵抗成分（Ｒ成分）による電圧降下およびインダクタンス成分（Ｌ成分）による電圧降下のため、き電線電圧Ｖｌのベクトルとパンタ点電圧Ｖｐｔのベクトルとのなす角度が０°より大きくなる。すなわち電鉄用電力補償装置がない場合、スコット結線変圧器ＴＲから見た力率が低下する。図４（ｃ）に示すように、列車１の流す力率１の電流（パンタ点での力率が１の電流Ｉｐｔ）に対してＲＰＣ３から補償電流Ｉｒを流すことによって、変圧器電流Ｉｔｒのベクトルと、き電線電圧Ｖｌのベクトルとのなす角度を０°にすることができる。したがってスコット結線変圧器ＴＲの通電電流の力率を１に補償することができる。
【００２７】
上記のような交流き電方式の１つとして同相き電方式がある。図５は、同相き電方式を説明するための図である。
【００２８】
図５を参照して、Ｔ座側き電線ＬＴは、開閉器９を介してＭ座側き電線ＬＭに接続される。単相インバータ３２はスコット結線変圧器ＴＲのＴ座から（Ｐｔ＋Ｐｍ）／２の有効電力を受け取るとともに、その電力を単相インバータ３１に送る。単相インバータ３１は、単相インバータ３２から（Ｐｔ＋Ｐｍ）／２の電力を受けるとともに、その電力をスコット結線変圧器ＴＲのＭ座側に出力する。これによって、Ｍ座側き電線ＬＭから電力を受ける列車１に、有効電力Ｐｍが供給される。さらにＴ座側き電線ＬＴから電力を受ける列車１には有効電力Ｐｔが供給される。同相き電方式によれば、切替区間でのノッチオフを不要にすることができる。
【００２９】
スコット結線変圧器ＴＲのＭ座およびＴ座の有効電力はともに（Ｐｔ＋Ｐｍ）／２である。さらに、単相インバータ３１は、Ｍ座側き電線ＬＭ側の列車の無効電力、およびＴ座側き電線ＬＴ側の列車の無効電力を補償するために、両方の列車で消費される無効電力の合計である（Ｑｍ＋Ｑｔ）の無効電力を出力する。
【００３０】
図５に示したＭ座側同相き電方式の場合、負荷のないＴ座側の単相インバータ３２は有効電力を融通するのみであり、無効電力補償を行なわない。一方、Ｍ座側の単相インバータ３１は、有効電力だけでなく無効電力も供給しなければならない。したがって単相インバータ３１には、負荷有効電力を融通するための容量および、無効電力を補償するための容量とを合成した容量が必要となる。しかし、その合成容量が単相インバータ３１の装置容量を上回る可能性がある。合計容量が単相インバータ３１の装置容量を超えないように、制御装置５０はＲＰＣ３の供給する有効電力および無効電力を制限する。有効電力および無効電力を制限する方式として、たとえば比例配分方式が用いられる。
【００３１】
図６は、有効電力および無効電力を制限するための比例配分方式を説明するための図である。図６を参照して、単相インバータの装置容量は、横軸Ｐを有効電力、縦軸Ｑを無効電力とした平面内の円によって表わすことができる。この円内に有効電力および無効電力を合成した合成容量を示す点がある場合には、合成容量は装置容量の範囲内である。
【００３２】
たとえば有効電力Ｐ１および無効電力Ｑ１によって表わされる点Ａは、円の外側にある。この場合、合成容量が単相インバータの装置容量を上回っているため、有効電力Ｐ１および無効電力Ｑ１を同じ割合で小さくすることによって点Ａを円上の点Ｂに移動させる。点Ｂは有効電力がＰ２、無効電力＝Ｑ２で表わされる。Ｐ２／Ｐ１＝Ｑ２／Ｑ１である。すなわち比例配分方式では、有効電力および無効電力を同じ重み付けによって制限する。
【００３３】
比例配分方式によれば、Ｍ座側の単相インバータの合成容量がそのインバータの装置容量を超えた場合に有効電力および無効電力の両方が制限される。しかしながら、Ｍ座側インバータの合成容量、言い換えると単相インバータ３１が出力すべき有効電力および無効電力は、スコット結線変圧器ＴＲの一次側において三相平衡の状態を得るために定められたものである。
【００３４】
つまり、Ｍ座側の単相インバータの合成容量がそのインバータの装置容量を超えた場合に、単純に比例配分方式にしたがってＭ座側インバータの合成容量を制限すると、有効電力融通および無効電力補償のいずれも不十分となる可能性がある。有効電力の融通が可能であっても無効電力の補償ができない場合には、電鉄用電力補償装置で補償しきれない無効電力をスコット結線変圧器ＴＲから補償しなければならない。この場合には、スコット結線変圧器ＴＲの一次側（受電側）の三相電流が不平衡となる。
【００３５】
本発明の実施の形態では、Ｔ座側の単相インバータ３２が、負荷で消費する無効電力の一部を供給する。Ｍ座側同相き電方式の場合、Ｔ座側の単相インバータ３２は有効電力の融通を行なうが、基本的には、Ｔ座側に負荷がないので無効電力の補償を行なっていない。
【００３６】
本発明の実施の形態では、Ｍ座側の単相インバータ３１の装置容量とＴ座側の単相インバータ３２の装置容量が等しい。したがってＴ座側の単相インバータ３２の合成容量が装置容量に対して余裕がある可能性が高い。Ｔ座側の単相インバータ３２が、負荷で消費する無効電力の一部を供給することで、負荷で消費される無効電力を補償することが可能になる。この結果、三相／二相変換変圧器の一次側の三相電流を平衡することができる。
【００３７】
本発明の実施の形態では、上記の無効電力の供給は、ＲＰＣ３を制御する制御装置（図５に示した制御装置５０）によって実現される。
【００３８】
図７は、図５に示した制御装置５０の機能ブロック図である。図７を参照して、制御装置５０は、Ｍ座き電電圧検出部１０１と、Ｍ座負荷電流検出部１０２と、Ｍ座ＲＰＣ電流検出部１０３と、Ｍ座負荷有効電力検出部１０４と、Ｍ座負荷無効電力検出部１０５と、Ｍ座ＲＰＣ有効電力検出部１０６と、Ｍ座ＲＰＣ無効電力検出部１０７とを備える。
【００３９】
Ｍ座き電電圧検出部１０１は、Ｍ座側き電線ＬＭの電圧を検出する交流電圧検出器１１からＭ座き電電圧の値を取得する。Ｍ座負荷電流検出部１０２は、Ｍ座側き電線ＬＭに設けられた交流電流検出器１２からＭ座負荷電流の値を取得する。Ｍ座ＲＰＣ電流検出部１０３は、ＲＰＣ３のＭ座側から出力される交流電流を検出する交流電流検出器１３から、Ｍ座ＲＰＣ電流の値を取得する。
【００４０】
Ｍ座負荷有効電力検出部１０４は、Ｍ座き電電圧検出部１０１からのＭ座き電電圧値およびＭ座負荷電流検出部１０２からのＭ座負荷電流値に基づいて、Ｍ座負荷の有効電力ＰＭを検出する。Ｍ座負荷無効電力検出部１０５は、Ｍ座き電電圧検出部１０１からのＭ座き電電圧値およびＭ座負荷電流検出部１０２からのＭ座負荷電流値に基づいて、Ｍ座負荷の無効電力ＱＭを検出する。Ｍ座ＲＰＣ有効電力検出部１０６は、Ｍ座き電電圧検出部１０１からのＭ座き電電圧値およびＭ座ＲＰＣ電流検出部１０３からのＭ座ＲＰＣ電流値に基づいて、ＲＰＣ３のＭ座側から出力される有効電力ＰＲＰＣＭを検出する。Ｍ座ＲＰＣ無効電力検出部１０７は、Ｍ座き電電圧検出部１０１からのＭ座き電電圧値およびＭ座ＲＰＣ電流検出部１０３からのＭ座ＲＰＣ電流値に基づいて、ＲＰＣのＭ座側から出力される無効電力ＱＲＰＣＭを検出する。なお、有効電力および無効電力を検出するための方法については、公知の種々の手法を適用できるので、ここでは詳細な説明を繰り返さない（以下も同様）。
【００４１】
制御装置５０は、さらに、乗算部１１１と、Ｍ座リミッタ１１３とを備える。乗算部１１１は、Ｍ座負荷有効電力検出部１０４から出力されるＭ座負荷の有効電力ＰＭの値に１／２を乗じる。Ｍ座リミッタ１１３は、乗算部１１１から出力された有効電力値（＝ＰＭ／２）と、Ｍ座負荷無効電力検出部１０５から出力されるＭ座負荷の無効電力ＱＭの値とを受ける。
【００４２】
Ｍ座リミッタ１１３は、その有効電力値（＝ＰＭ／２）および無効電力値（＝ＱＭ）をＲＰＣ３のＭ座側単相インバータ３１の定格容量（装置容量）を超えないように制限して、Ｍ座有効電力指令値ＰＭ＊およびＭ座無効電力指令値ＱＭ＊を生成する。具体的には、Ｍ座リミッタ１１３は、上述の比例配分方式に従って有効電力値および無効電力値を制限する。
【００４３】
制御装置５０は、さらに、Ｍ座ＡＰＲ１２１と、Ｍ座ＡＱＲ１２２とを備える。Ｍ座ＡＰＲ１２１は、Ｍ座リミッタ１１３からＭ座有効電力指令値ＰＭ＊を受けるとともに、Ｍ座ＲＰＣ有効電力検出部１０６からＭ座側の有効電力ＰＲＰＣＭの検出値を受ける。Ｍ座ＡＰＲ１２１は、有効電力ＰＲＰＣＭとＭ座有効電力指令値ＰＭ＊とを一致させるためのＭ座有効電流指令値ＩＰＭ＊を生成する。
【００４４】
同様にＭ座ＡＱＲ１２２は、Ｍ座リミッタ１１３からＭ座無効電力指令値ＱＭ＊を受けるとともに、Ｍ座ＲＰＣ無効電力検出部１０７から無効電力ＱＲＰＣＭの検出値を受ける。Ｍ座ＡＱＲ１２２は、無効電力ＱＲＰＣＭとＭ座無効電力指令値ＱＭ＊とを一致させるためのＭ座無効電流指令値ＩＱＭ＊を生成する。
【００４５】
Ｍ座ＡＰＲ１２１およびＭ座ＡＱＲ１２２は、たとえば、指令値との検出値との偏差を用いたＰＩ制御を実行することによって、上記の電流指令値を生成する。ただしＡＰＲおよびＡＱＲによる電流指令値の生成方法は、上記の方法に限定されるものではない（以下も同様）。
【００４６】
制御装置５０は、さらに、Ｍ座電流制御部１３１と、Ｍ座ＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御部１３２とを備える。Ｍ座電流制御部１３１は、Ｍ座有効電流指令値ＩＰＭ＊およびＭ座無効電流指令値ＩＱＭ＊に基づいて、Ｍ座側単相インバータ３１の出力電流を制御するための電圧指令値ＶＭ＊を生成する。Ｍ座ＰＷＭ制御部１３２は、Ｍ座電流制御部１３１からの電圧指令値ＶＭ＊に基づいて、Ｍ座側単相インバータ３１を構成する電力用半導体スイッチング素子（たとえばＧＴＯサイリスタ）をＰＷＭ制御するためのゲートパルス信号を生成する。
【００４７】
制御装置５０は、さらに、Ｔ座き電電圧検出部２０１と、Ｔ座ＲＰＣ電流検出部２０３と、Ｔ座ＲＰＣ有効電力検出部２０６と、Ｔ座ＲＰＣ無効電力検出部２０７とを備える。
【００４８】
Ｔ座き電電圧検出部２０１は、Ｔ座側き電線ＬＴの電圧を検出する交流電圧検出器１４からＴ座き電電圧の値を取得する。Ｔ座ＲＰＣ電流検出部２０３は、ＲＰＣ３のＴ座側から出力される交流電流を検出する交流電流検出器１５から、Ｔ座ＲＰＣ電流の値を取得する。
【００４９】
Ｔ座ＲＰＣ有効電力検出部２０６は、Ｔ座き電電圧検出部２０１からのＴ座き電電圧値およびＴ座ＲＰＣ電流検出部２０３からのＴ座ＲＰＣ電流値に基づいて、ＲＰＣ３のＴ座側から出力される有効電力ＰＲＰＣＴを検出する。Ｔ座ＲＰＣ無効電力検出部２０７は、Ｔ座き電電圧検出部２０１からのＴ座き電電圧値およびＴ座ＲＰＣ電流検出部２０３からのＴ座ＲＰＣ電流値に基づいて、ＲＰＣのＴ座側から出力される無効電力ＱＲＰＣＴを検出する。
【００５０】
制御装置５０は、さらに、減算部２１０と乗算部２１１，２１２と、Ｔ座リミッタ２１３とを備える。減算部２１０は、Ｍ座負荷の無効電力ＱＭから、Ｍ座無効電力指令値ＱＭ＊を減算する。乗算部２１１は、Ｍ座負荷有効電力検出部１０４から出力されるＭ座負荷の有効電力ＰＭの値に（−１／２）を乗じる。乗算部２１２は、減算部２１０の出力（すなわち（ＱＭ−ＱＭ＊））に（−１）を乗じる。Ｔ座リミッタ２１３は、乗算部２１１から出力された有効電力値（＝−ＰＭ／２）と、乗算部２１２から出力される無効電力値（＝ＱＭ−ＱＭ＊）とを受ける。
【００５１】
Ｔ座リミッタ２１３は、その有効電力および無効電力値をＲＰＣ３のＴ座側単相インバータ３２の定格容量（装置容量）を超えないように制限して、Ｔ座有効電力指令値ＰＴ＊およびＴ座無効電力指令値ＱＴ＊を生成する。具体的には、Ｔ座リミッタ２１３は、上述の比例配分方式に従って有効電力値および無効電力値を制限する。
【００５２】
制御装置５０は、さらに、Ｔ座ＡＰＲ２２１と、Ｔ座ＡＱＲ２２２とを備える。Ｔ座ＡＰＲ２２１は、Ｔ座リミッタ２１３からＴ座有効電力指令値ＰＴ＊を受けるとともにＴ座ＲＰＣ有効電力検出部２０６から有効電力ＰＲＰＣＴの検出値を受ける。Ｔ座ＡＰＲ２２１は、有効電力ＰＲＰＣＴとＴ座有効電力指令値ＰＴ＊とを一致させるためのＴ座有効電流指令値ＩＰＴ＊を生成する。
【００５３】
同様にＴ座ＡＱＲ２２２は、Ｔ座リミッタ２１３からＴ座無効電力指令値ＱＴ＊を受けるとともにＴ座ＲＰＣ無効電力検出部２０７から無効電力ＱＲＰＣＴの検出値を受ける。Ｔ座ＡＱＲ２２２は、無効電力ＱＲＰＣＴとＴ座無効電力指令値ＱＴ＊とを一致させるためのＴ座無効電流指令値ＩＱＴ＊を生成する。
【００５４】
制御装置５０は、さらに、Ｔ座電流制御部２３１と、Ｔ座ＰＷＭ制御部２３２とを備える。Ｔ座電流制御部２３１は、Ｔ座有効電流指令値ＩＰＴ＊およびＴ座無効電流指令値ＩＱＴ＊に基づいて、Ｔ座側単相インバータ３２の出力電流の制御を行なうための電圧指令値ＶＴ＊を生成する。Ｔ座ＰＷＭ制御部２３２は、Ｔ座電流制御部２３１からの電圧指令値ＶＴ＊に基づいて、Ｔ座側単相インバータ３２を構成する電力用半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御するためのゲートパルス信号を生成する。
【００５５】
上記の制御装置５０の構成は、以下のように説明することができる。Ｍ座負荷有効電力検出部１０４およびＭ座負荷無効電力検出部１０５は、Ｍ座側き電線ＬＭから電力を受ける負荷（図示せず）の有効電力および無効電力を検出する負荷電力検出部を構成する。Ｍ座ＲＰＣ有効電力検出部１０６およびＭ座ＲＰＣ無効電力検出部１０７は、Ｍ座側単相インバータ３１の有効電力および無効電力を検出する第１の電力検出部を構成する。Ｔ座ＲＰＣ有効電力検出部２０６およびＴ座ＲＰＣ無効電力検出部２０７は、Ｔ座側単相インバータ３２の有効電力および無効電力を検出する第２の電力検出部を構成する。
【００５６】
乗算部１１１，２１１は、上記の負荷電力検出部によって検出された有効電力ＰＭの値を二等分することにより第１の有効電力値および第２の有効電力値を生成する分割部を構成する。Ｍ座リミッタ１１３は、Ｍ座側単相インバータ３１の有効電力および無効電力をＭ座側単相インバータ３１の装置容量の範囲内に制限するための有効電力指令値ＰＭ＊および無効電力指令値ＱＭ＊を生成する。減算部２１０は、無効電力指令値ＱＭ＊と、上記負荷電力検出部によって検出された負荷の無効電力ＱＭの値との差分を算出する。Ｔ座リミッタ２１３は、Ｔ座側単相インバータ３２の有効電力および無効電力をＴ座側単相インバータ３２の装置容量の範囲内に制限するための有効電力指令値ＰＴ＊および無効電力指令値ＱＴ＊を生成する。
【００５７】
Ｍ座ＡＰＲ１２１、Ｍ座ＡＱＲ１２２、Ｍ座電流制御部１３１およびＭ座ＰＷＭ制御部１３２は、第１のインバータ制御部を構成する。第１のインバータ制御部は、Ｍ座リミッタ１１３によって生成された有効電力指令値ＰＭ＊および無効電力指令値ＱＭ＊と、上記の第１の電力検出部によって検出された単相インバータ３１の有効電力ＰＲＰＣＭおよび無効電力ＱＲＰＣＭの値とに基づいて、Ｍ座側単相インバータ３１を制御する。Ｔ座ＡＰＲ２２１、Ｔ座ＡＱＲ２２２、Ｔ座電流制御部２３１およびＴ座ＰＷＭ制御部２３２は、第２のインバータ制御部を構成する。第２のインバータ制御部は、Ｔ座リミッタ２１３によって生成された有効電力指令値ＰＴ＊および無効電力指令値ＱＴ＊と、上記の第２の電力検出部によって検出された単相インバータ３２の有効電力ＰＲＰＣＴおよび無効電力ＱＲＰＣＴの値とに基づいて、Ｔ座側単相インバータ３２を制御する。
【００５８】
続いて制御装置５０の動作を説明する。乗算部１１１は、Ｍ座負荷有効電力検出部１０４で検出された有効電力ＰＭを１／２倍する。Ｍ座リミッタ１１３は、乗算部１１１の演算結果（＝１／２ＰＭ）およびＭ座負荷の無効電力ＱＭを受けて、Ｍ座有効電力指令値ＰＭ＊およびＭ座無効電力指令値ＱＭ＊を生成する。
【００５９】
一方、乗算部２１１は、Ｍ座負荷有効電力検出部１０４で検出された有効電力ＰＭを（−１／２）倍する。減算部２１０は、検出されたＭ座負荷の無効電力ＱＭと、Ｍ座リミッタ１１３によって生成されたＭ座無効電力指令値ＱＭ＊の差分を生成する。この差分が、Ｔ座側単相インバータ３２によって補償される無効電力の指令値となる。
【００６０】
Ｍ座およびＴ座のＡＰＲ（１２１，２２１）は、有効電力の指令値と検出値とが一致するように電流指令値を生成し、Ｍ座およびＴ座のＡＱＲ（１２２，２２２）は、無効電力の指令値と検出値とが一致するように電流指令値を生成する。Ｍ座およびＴ座の電流制御部（１３１，２３１）およびＰＷＭ制御部（１３２，２３２）は、ＡＰＲおよびＡＱＲによって生成された電流指令値に従って、単相インバータの出力電流を制御する。
【００６１】
上記の動作によって、Ｍ座側負荷の有効電力の１／２の電力がスコット結線変圧器ＴＲのＴ座からＲＰＣ３のＴ座側単相インバータ３２に入力される。Ｔ座側単相インバータ３２に入力された電力はＲＰＣ３のＭ座側単相インバータ３１に送られる。Ｍ座側単相インバータ３１は、Ｔ座側単相インバータ３２から送られた電力をＭ座側き電線ＬＭに出力する。
【００６２】
スコット結線変圧器ＴＲのＭ座からはＭ座側負荷の有効電力の１／２の電力が出力されるので、Ｍ座側負荷（図８に示さず）には指令値に従う有効電力ＰＭが供給される。さらに、スコット結線変圧器ＴＲのＭ座およびＴ座から出力される有効電力はともに、ＰＭ／２である。すなわちスコット結線変圧器ＴＲのＭ座およびＴ座から出力される有効電力が互いに等しくなる。
【００６３】
Ｍ座負荷で消費される無効電力が、Ｍ座側単相インバータ３１の装置容量、およびＭ座側単相インバータ３１から出力される有効電力（＝ＰＭ／２）によって定まる最大値よりも小さい場合、Ｍ座側単相インバータ３１のみによってＭ座負荷で消費される無効電力が供給される。一方、Ｍ座負荷で消費される無効電力が、上記最大値よりも大きい場合には、Ｍ座リミッタ１１３によってＭ座側単相インバータ３１から出力される無効電力が上記最大値に制限される。Ｍ座負荷に供給する無効電力の不足分はＴ座側単相インバータ３２から出力される。その不足分は（ＱＭ−ＱＭ＊）に相当する。
【００６４】
図８は、本発明の実施の形態に係る制御装置の比較例の構成を示したブロック図である。図８および図７を参照して、制御装置５０Ａは、減算部２１０および乗算部２１２が省略されている点、およびＴ座リミッタ２１３に、無効電力の値として±０が入力される点において本発明の実施の形態に係る制御装置５０と異なる。図８に示した構成によれば、Ｔ座リミッタ２１３に入力される無効電力の値が０で固定される、このためＴ座側単相インバータ３２から無効電力は出力されない。すなわちＭ座側負荷の無効電力補償のためにＭ座側負荷で消費される無効電力のすべてをＭ座側単相インバータ３１から供給しなければならない。
【００６５】
しかしながら、Ｍ座側単相インバータ３１の合成容量がＭ座側単相インバータ３１の装置容量を超える可能性がある。図８に示した構成によれば、このような場合には、Ｍ座負荷で消費される無効電力をＭ座側単相インバータ３１のみで補償できない。
【００６６】
一方、本発明の実施の形態によれば、Ｍ座側単相インバータ３１で供給しきれない無効電力の不足分をＴ座側単相インバータ３２から供給できる。これにより有効電力の融通だけでなく無効電力の補償も可能となるので、スコット結線変圧器の受電側における三相交流の不平衡を低減できる。
【００６７】
図９は、本発明の実施の形態による制御と図８に示した比較例による制御とを対比した図である。図９（ａ）は、比較例による制御を説明した図であり、図９（ｂ）は、本発明の実施の形態による制御を説明した図である。
【００６８】
図９（ａ）を参照して、Ｍ座負荷（図示せず）の有効電力および無効電力がそれぞれＰＭおよびＱＭである。Ｍ座側単相インバータ３１およびＴ座側単相インバータ３２は、有効電力ＰＣを融通する。ＰＣ＝１／２ＰＭである。
【００６９】
さらに、Ｍ座側単相インバータ３１は無効電力補償のために無効電力を出力する。しかしながらＭ座側単相インバータ３１の合成容量が、その装置容量ＷＭＲを上回るのでＭ座側単相インバータ３１から出力される無効電力はＱＭＲに制限される。
【００７０】
Ｔ座側単相インバータ３２の装置容量もＷＭＲである。Ｔ座側単相インバータ３２は有効電力ＰＣを出力するのみであるので、Ｔ座側単相インバータ３２の容量は装置容量ＷＭＲよりも小さい。
【００７１】
ＲＰＣ３に必要とされる容量をＷＭとする。単相インバータ３１，３２の各々の装置容量ＷＭＲに対するＲＰＣの必要容量ＷＭの比をαとする。ＲＰＣ３の必要容量ＷＭは、ＲＰＣ３から出力される有効電力ＰＭ／２と、無効電力補償のための無効電力ＱＭとの合計である。
【００７２】
比較例による制御では、Ｍ座側単相インバータ３１の合成容量が装置容量ＷＭＲに達しないように、装置容量ＷＭＲを大きくしなければならない。しかしＭ座側単相インバータ３１およびＴ座側単相インバータ３２の装置容量を大きくすると、ＲＰＣ全体の容量が大きくなる。ＲＰＣ全体の容量を大きくすることで、ＲＰＣの大型化などの課題が生じる。
【００７３】
一方、本発明の実施の形態によれば、図９（ｂ）に示されるように、Ｍ座側単相インバータ３１によって補償しきれない無効電力ＱＴＲをＴ座側単相インバータ３２から出力する。これによって必要な無効電力をＲＰＣ３から出力することが可能となる。なおかつ、Ｍ座側単相インバータ３１およびＴ座側単相インバータ３２の装置容量が増大するのを抑制できるので、ＲＰＣ全体の容量が増大するのを抑制できる。この結果、ＲＰＣの大型化を抑制することができる。
【００７４】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、有効電力の融通および無効電力の補償が可能となるので、き電電圧を確保しつつ、スコット結線変圧器の受電側の三相不平衡を低減することが可能となる。
【００７５】
図１０は、本発明の実施の形態による効果を説明するための図である。図１０（ａ）は、スコット結線変圧器の受電側の三相不平衡が低減されることを説明するための図である。図１０（ｂ）は、き電電圧の低下が防止できることを説明するための図である。
【００７６】
図１０を参照して、まず、図９に示した比較例による制御では、Ｍ座側単相インバータ３１の容量が装置容量に達することで無効電力を補償しきれなくなる場合がある。スコット結線変圧器の受電側のＵ相にＩｍｕ、Ｗ相にＩｍｗの無効電流が流れていたとすると、図１０（ｂ）に示すように、受電側三相電圧のうちのＵ相電圧はＶｕ−ΔＶｍｕ、Ｗ相電圧はＶｗ−ΔＶｍｗとなり、Ｍ座き電線電圧はＶｍ１となる。
【００７７】
一方、本発明の実施の形態では、Ｍ座側単相インバータ３１だけでなくＴ座側単相インバータ３２からも無効電力を出力することで無効電力補償を行なう。この場合、Ｔ座側単相インバータ３２は、スコット結線変圧器ＴＲの受電側のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれＩｔｕ，Ｉｔｖ，Ｉｔｗの無効電流を通流する。
【００７８】
スコット結線変圧器の受電側のＵ相無効電流Ｉｕ、Ｖ相無効電流Ｉｖ、およびＷ相無効電流Ｉｗは、無効電流Ｉｍｗ，Ｉｔｗと、電流（Ｉｔｕ，Ｉｔｖ，Ｉｔｗ）との合成によって得られる。図１０（ａ）に示されるように、無効電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相差は互いに１２０°となり、かつ各電流ベクトルの大きさは互いに等しい。したがって受電側の三相無効電流が三相平衡の状態となる。
【００７９】
この場合、図１０（ｂ）に示されるように、スコット結線変圧器ＴＲの受電側のＵ相電圧はＶｕ−ΔＶｕの電圧ベクトルで表わされ、Ｗ相電圧はＶｗ−ΔＶｗの電圧ベクトルで表わされる。Ｍ座き電線の電圧は、これらの電圧ベクトルによってＶｍ２と表わされる。電圧ベクトル（Ｖｗ−Ｖｕ）の方向でのΔＶｕの成分はΔＶｍｕに等しくなり、当該方向でのΔＶｗの成分はΔＶｍｗに等しくなる。したがってＶｍ２＝Ｖｍ１となる。このことは、本発明の実施の形態による無効電力の補償を行なっても、き電電圧の低下が生じないことを示している。
【００８０】
このように本発明の実施の形態によれば、Ｍ座側単相インバータ３１で補償しきれない無効電力（不足分）をＴ座側単相インバータ３２から出力させる。これによりＭ座き電電圧を低下させることなく、スコット結線変圧器ＴＲの受電側の三相不平衡を低減することができる。
【００８１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８２】
１  列車、３  ＲＰＣ（電鉄用電力補償装置）、６  Ｍ座側単巻変圧器、７  Ｔ座側単巻変圧器、８  レール、９  開閉器、１０  交流電源、１１，１４  交流電圧検出器、１２，１３，１５  交流電流検出器、３１，３２  単相インバータ、３３，３４  単相インバータ用変圧器、５０，５０Ａ  制御装置、１０１  Ｍ座き電電圧検出部、１０２  Ｍ座負荷電流検出部、１０３  Ｍ座ＲＰＣ電流検出部、１０４  Ｍ座負荷有効電力検出部、１０５  Ｍ座負荷無効電力検出部、１０６  Ｍ座ＲＰＣ有効電力検出部、１０７  Ｍ座ＲＰＣ無効電力検出部、１１１，２１１，２１２  乗算部、１１３  Ｍ座リミッタ、１２１  Ｍ座ＡＰＲ、１２２  Ｍ座ＡＱＲ、１３１  Ｍ座電流制御部、１３２  Ｍ座ＰＷＭ制御部、２０１  Ｔ座き電電圧検出部、２０３  Ｔ座ＲＰＣ電流検出部、２０６  Ｔ座ＲＰＣ有効電力検出部、２０７  Ｔ座ＲＰＣ無効電力検出部、２１０  減算部、２１３  Ｔ座リミッタ、２２１  Ｔ座ＡＰＲ、２２２  Ｔ座ＡＱＲ、２３１  Ｔ座電流制御部、２３２  Ｔ座ＰＷＭ制御部、ＴＲ  スコット結線変圧器。
【図１】
2012051465.tif 000003
【図２】
2012051465.tif 000004
【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】
2012051465.tif 000009
【図８】
2012051465.tif 000010
【図９】
2012051465.tif 000011
【図１０】
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