(57)【要約】【課題】電鉄向け回生電力吸収装置においては、キャパシタ電圧が放電終止電圧に到達した時点で放電を停止した場合、終止到達時点の放電電流と内部抵抗で決まる電圧降下分に相当するエネルギーが静電容量に残存する。  【解決手段】従来制御で演算された充放電電流指令Ic*とキャパシタの内部抵抗5を乗算器１９で乗算し、内部抵抗5による電圧降下分ΔVrを算出する。このΔVrと放電終止電圧V2を加算し、新たな放電終止電圧設定値V2'を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置と蓄電デバイスで構成される電力充放電回路を電源に並列に接続し、電動機負荷等から電源側に回生される電力を前記蓄電デバイスで吸収し、吸収した電力を必要に応じて前記電源に放出するシステムにおいて、吸収したエネルギーを前記蓄電デバイスの放電完了電圧レベルまで放出する制御の際に、前記蓄電デバイスの放出エネルギーと前記蓄電デバイスの内部抵抗によって生じる電圧降下分を推定し、放電完了電圧レベルを前記電圧降下分の推定値に応じて調整することを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
【請求項２】
電力変換装置と蓄電デバイスで構成される電力充放電回路を電源に並列に接続し、電動機負荷等から電源側に回生される電力を前記蓄電デバイスで吸収し、吸収した電力を必要に応じて前記電源に放出するシステムにおいて、吸収したエネルギーを放電完了電圧レベルまで放出する制御の際に、前記蓄電デバイスのエネルギー放出量が放電完了電圧レベルに到達する時点でゼロとなるよう放出エネルギーを順次低減させることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
【請求項３】
電力変換装置と蓄電デバイスで構成される電力充放電回路を電源に並列に接続し、電動機負荷等から電源側に回生される電力を前記蓄電デバイスで吸収し、吸収した電力を必要に応じて前記電源に放出するシステムにおいて、吸収したエネルギーを放電完了電圧レベルまで放出する制御の際に、第１の放電完了電圧レベルと第２の放電完了電圧レベルを設け、第１の放電完了電圧レベルに到達した時点で、第２の放電完了電圧レベルまで放電する場合の前記蓄電デバイスの残存エネルギーを、前記蓄電デバイスの内部抵抗によって生じる電圧降下分を考慮して推定し、所定の時間内に前記残存エネルギーを放出するための電流パターンを算出し、その電流パターンに基づいてエネルギーを放出することを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電鉄向け回生電力吸収装置のように、電力変換装置と２次電池や大容量キャパシタ等の蓄電デバイスで構成される電力充放電回路を電源に並列に接続し、電動機負荷等から電源側に回生される電力を一旦吸収し、吸収した電力を必要に応じて放出するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に、特許文献１で提案されている電力貯蔵式回生電力吸収装置の構成を示す。交流電源1から整流器2を介して電鉄負荷（電力回生機能付き電線鉄道車両）７に直流電力を供給する変電所に設けられた電鉄用直流変電システムであって、前記整流器2の直流側（き電線電圧）に電力変換器3を介して充放可能な電力貯蔵装置4を接続し、電力貯蔵装置4の充放電により電鉄負荷7で発生した回生電力を貯蔵するとともに整流器2の電力を平滑化する。また、電力貯蔵デバイスとして電気二重層キャパシタのような大容量キャパシタを適用することが提案されている。
また、特許文献２では、特許文献１で示した装置において、き電線電圧を監視し、き電線電圧が充電制御設定電圧以上にあるときはき電線側から電力貯蔵装置に充電し、き電線電圧が放電制御設定電圧以下のときには電力貯蔵装置からき電線側へ放電する、といった電力貯蔵装置の制御方法が提案されている。
図６は、上記内容を制御ブロック図（概略）で示したものである。き電線電圧Vfを検出し、充放電制御量演算回路10に入力する。充放電制御量演算回路10は、き電線電圧Vfが充電電圧設定器１２の設定電圧Vb-ch以上であるときは、その電圧値に応じて充電制御量を算出し、き電線電圧Vfが放電電圧設定器１１の設定電圧Vb-dis以下であるときは、その電圧値に応じて放電制御量Idchを算出する。さらに、その後段の充放電電流演算回路15で演算された充放電制御量Idchを変換回路３の電流指令値Ic*に変換する。
【０００３】
一方、キャパシタ電圧Vbを検出し、キャパシタの満充電電圧V1とキャパシタの放電終止電圧V2との判別処理を行い、この判別結果を充放電制御量とともにリミット処理回路16に入力する。リミット処理回路16では、判別処理において満充電電圧V1と放電終止電圧V2の範囲内にキャパシタ電圧Vbが入っている場合には、キャパシタ特性による電流制限を行い、また判別処理で満充電もしくは放電終止の場合には、充放電電流を零にするリミット処理を行う。そして、リミット処理された電流指令に基づいて電力変換器3は充放電制御を行なう。
特許文献３では、充放電制御方法として、列車の運行情報データに基づき、電力貯蔵装置からの放電を平均的に行う方法を提案している。
【特許文献１】特開平１１−９１４１５号公報
【特許文献２】特開２００１−２６０７１９号公報
【特許文献３】特開２００５−１６２０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜３で提案されているシステムで実際に充放電を行う場合、適用される前記蓄電デバイス4には内部抵抗5が存在するため、充放電電流に応じた電圧降下が発生する。その結果、観測されるキャパシタ電圧は、残存容量に依存する静電容量電圧値と放電電流により発生する降下電圧値の加算値となる。従って、キャパシタ電圧が放電終止電圧に到達した時点で放電を停止した場合、終止到達時点の放電電流と内部抵抗5によって決まる電圧降下分に相当するエネルギーが静電容量6に残存することになる。内部抵抗5が大きいほど、この残存量が増加し、その後の吸収可能エネルギーを低下させる原因となる。
この対策として、内部抵抗5の小さいキャパシタを選択する方法や、並列数を増加させて内部抵抗5を下げる方法がある。前者は内部抵抗5が小さくなるとその分静電容量6も減少するため、本来エネルギー吸収に必要となる静電容量6を得るために並列数が増加する。いずれの方法もキャパシタ群を大型化させることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電力変換装置と蓄電デバイスで構成される電力充放電回路を電源に並列に接続し、電動機負荷等から電源側に回生される電力を前記蓄電デバイスで吸収し、吸収した電力を必要に応じて前記電源に放出するシステムにおいて、吸収したエネルギーを前記蓄電デバイスの放電完了電圧レベルまで放出する制御の際に、前記蓄電デバイスの放出エネルギーと前記蓄電デバイスの内部抵抗によって生じる電圧降下分を推定し、放電完了電圧レベルを前記電圧降下分の推定値に応じて調整する。
第２の発明においては、電力変換装置と蓄電デバイスで構成される電力充放電回路を電源に並列に接続し、電動機負荷等から電源側に回生される電力を前記蓄電デバイスで吸収し、吸収した電力を必要に応じて前記電源に放出するシステムにおいて、吸収したエネルギーを放電完了電圧レベルまで放出する制御の際に、前記蓄電デバイスのエネルギー放出量が放電完了電圧レベルに到達する時点で零となるよう放出エネルギーを順次低減させる。
第３の発明においては、電力変換装置と蓄電デバイスで構成される電力充放電回路を電源に並列に接続し、電動機負荷等から電源側に回生される電力を前記蓄電デバイスで吸収し、吸収した電力を必要に応じて前記電源に放出するシステムにおいて、吸収したエネルギーを放電完了電圧レベルまで放出する制御の際に、第１の放電完了電圧レベルと第２の放電完了電圧レベルを設け、第１の放電完了電圧レベルに到達した時点で、第２の放電完了電圧レベルまで放電する場合の前記蓄電デバイスの残存エネルギーを、前記蓄電デバイスの内部抵抗によって生じる電圧降下分を考慮して推定し、所定の時間内に前記残存エネルギーを放出するための電流パターンを算出し、その電流パターンに基づいてエネルギーを放出する。
【発明の効果】
【０００６】
第1の発明においては、内部抵抗5による電圧降下分を本来の放電終止レベルから下方修正することで、静電容量6に蓄えられた残存容量を零まで放電することができる。
第2及び第3の発明においては、キャパシタ電圧が放電終止レベルに近づくにつれて放電電流を零まで低減することで、放電終止レベル到達時点で内部抵抗5による電圧降下は零となり、静電容量6に蓄えられた残存容量を零とすることができる。
上述のように、キャパシタを効率よく活用することが可能となり、キャパシタ群の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の要点は、キャパシタなどの蓄電デバイスの放電において、内部抵抗による電圧降下分を考慮して放電完了電圧を決めたり、放電完了時点での電流が零となるように制御するなどにより、内部抵抗の影響を受けずに残存容量を零にすることである。
【実施例１】
【０００８】
図１に、本発明の第1の実施例を、図２にその動作例を、各々示す。ここでは、図６で示した従来制御に対して、図２の破線で示した演算処理を追加する。図１に示すように、従来制御で演算された充放電電流指令Ic*とキャパシタの内部抵抗5を乗算器１９で乗算し、内部抵抗5による電圧降下分ΔVrを算出する。このΔVrと放電終止電圧V2を加算し、新たな放電終止電圧設定値V2'を算出する。算出されたV2'に基づき、キャパシタの充電状態の判別を行い、その後の放電動作を行う。
図２は、従来制御で放電終止状態を判別した場合（ａ）と、提案する追加処理を実施した場合（ｂ）の放電電圧と電流の波形を示したものである。
従来制御では、キャパシタ電圧Vbが放電終止電圧V2に到達し、キャパシタ電流Icが零になると同時に、電圧がΔVr分シフトする。この値はキャパシタの静電容量の残存エネルギーで決まる電圧であり、設計上零に設定した放電終止電圧V2におけるエネルギーに対して、下記ΔＪで示されるエネルギーが残留してしまうことになる。
一方、演算処理を追加すると、図２（ｂ）に示すように、新たな放電終止電圧V2'まで放電動作を継続し、放電終了後のキャパシタ電圧Vbは従来の設定値V2となり、零まで放電することができる。
【実施例２】
【０００９】
図３に本発明の第２の実施例を、図４にその動作例を、各々示す。放電終止電圧到達時点でキャパシタ電流を零に減衰させることにより、内部抵抗5による電圧降下ΔVrを限りなく零に近づけ、静電容量電圧Vc＝キャパシタ電圧Vbとすることで放電終止判定時点で残存エネルギーを零とする方法である。
まず、キャパシタ電圧Vbと、放電終止電圧レベルより高いレベルを設定値とする判別電圧Vxを判別回路21で比較する。キャパシタ電圧Vbが判別電圧Vxに到達したことを判別したことにより、放電電流パターン演算回路22により判別電圧Vxから放電終止電圧V2まで放電するための電流パターンを演算する。
図３に示す実施例では、放電完了までの時間をＴと設定し、電流がVx時点でのキャパシタ電流I0から、直線的に零に減衰する電流パターンを演算している。ここでは、最初に静電容量電圧Vcをキャパシタ電圧Vbとキャパシタ電流Icと内部抵抗Ｒから次式で算出する。
次に演算結果Vcから放電終止電圧V2（Vend）を減算してΔＶを算出する。
より、初期キャパシタ電流I0を算出し、電流パターンI(t)を次式で算出する。
【００１０】
この電流パターンとVx到達後にスタートするタイマー25により電流指令を放電電流指令演算回路２４で演算し、Vx到達後のキャパシタ電流指令Ic*とする。
図４は、前記電流パターンを設定した場合の、キャパシタ電圧Vbと電流波形Icを示したものである。前記電流パターンによりVx到達後の電流指令値は減衰し、放電終止電圧V2に到達するＴ時間後の電流指令は零となる。この結果、V2到達時点での内部抵抗による電圧降下量も零となり、静電容量の持つ残存エネルギーも零となる。
以上の実施例よれば、放電終止判定時点でキャパシタの残存エネルギーを零とすることが可能となる。この結果、従来方式において問題となっていたエネルギー吸収可能量の低下を対策することができ、キャパシタを有効利用できる。
尚、上記実施例には、放電終止前の電圧V2'が一段の場合の例を示したが、複数段にしても実現可能である。また、放電電流パターンは放電完了時点でキャパシタのエネルギーが零に放電する方式であれば良く、種々のパターンを適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
本発明は、大容量の蓄電装置を有効活用するための制御方式であり、電鉄向け回生電力吸収装置の他、電力用負荷平準化装置、電気自動車などへの適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第1の実施例を示す制御回路ブロック図を示す。
【図２】図1を適用した時の動作図を示す。
【図３】本発明の第２の実施例を示す制御回路ブロック図を示す。
【図４】図３を適用した時の動作図を示す。
【図５】電力貯蔵式回生電力吸収装置の構成例を示す。
【図６】従来の制御回路ブロック図を示す。
【符号の説明】
【００１３】
１・・・交流電源          ２・・・整流回路          ３・・・直流−直流変換器
４・・・大容量キャパシタ          ５・・・内部抵抗          ６・・・静電容量
７・・・電力回生機能付き電線鉄道車両          ８・・・き電線
９・・・レール          １０・・・充放電制御量演算回路
１１・・・放電電圧設定器          １２・・・充電電圧設定器
１３・・・満充電電圧設定器          １４・・・放電終止電圧設定器
１５・・・充放電電流演算回路          １６・・・リミッタ処理回路
１７・・・充電状態判定回路          １８・・・内部抵抗設定器
１９・・・乗算器          ２０・・・加算器
２１・・・放電終止前電圧設定器          ２２・・・放電電流パターン演算回路
２３・・・電流指令切替回路          ２４・・・放電電流指令演算回路
２５・・・タイマー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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