JP2000004507A

JP2000004507A - 電気鉄道給電システム及び電気車

Info

Publication number: JP2000004507A
Application number: JP10167266A
Authority: JP
Inventors: Michio Okamura; 廸夫岡村; Koji Miyasaka; 講治宮坂
Original assignee: Mitsui and Co Ltd; Okamura Laboratory Inc
Current assignee: Mitsui and Co Ltd; Okamura Laboratory Inc
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2000-01-07
Anticipated expiration: 2018-06-15
Also published as: JP3669667B2

Abstract

(57)【要約】【課題】加減速による負荷の大幅な変動を賄い樹電電
力の尖頭値を低減し、電力の有効な利用、設備のコンパ
クト化、設備コストの低減を図る。【解決手段】変電所１からき電系統２を介して電気車
３の電動機９に駆動電力を給電し走行制御を行う電気鉄
道給電システムにおいて、複数のキャパシタを直並列に
接続してなる複数のキャパシタ・バンク６と、変電所１
の給電電力によりキャパシタ・バンク６を充電し電気エ
ネルギーを蓄える充電手段５と、キャパシタ・バンク６
に蓄えられた電気エネルギーを電動機９放電し駆動電力
として給電すると共に、電動機９の回生電力をキャパシ
タ・バンク６に充電し蓄える出力制御手段７とを備え、
キャパシタ・バンク６に蓄えられた電気エネルギー又は
電気エネルギーと変電所１の給電電力とを併せて電動機
９の駆動電力とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、送電線より変電所
で受電しき電系統を介して電気車の電動機に駆動電力を
給電し走行制御を行う電気鉄道給電システム及び電気車
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気鉄道の消費電力は、電車の走行状況
に応じて大幅に変化することは良く知られている。電車
が加速する際には、その加速度と速度の増加に伴ってモ
ーターの消費電力が増加し、最大速度前の最大加速時に
モーターは最大出力を発生し、消費電力も最大となる。

【０００３】しかし、電車の走行時間全体に対し、モー
ターがトルクを発生し電力を消費している力行区間の割
合は小さく、消費電力を平均すると最大出力時の数分の
１にも満たないのが通例である。

【０００４】これまでの電気鉄道では、給電設備とし
て、電車が力行している状態での消費電力が、走行中の
列車数によって重畳されるのを算定し、その総和あるい
は統計的ピーク値に相当する容量の設備を備えるのが通
常であった。しかも、そこに送電系統に生じる過渡特性
などへの余裕度を持たせている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そのため、電気鉄道用
の変電所、変圧器、整流器あるいはインバータなどの電
力機器は、尖頭負荷に強い特別な設計をしたものが用い
られている。また、電力会社との契約も当然その最大電
力に見合ったものとなり、実際に必要とする電気エネル
ギーに対して遙に大きな電力設備を備えることが不可欠
であった。

【０００６】上記の問題は、あまりにも顕著なため、今
日のようなエネルギー、環境、温暖化などの問題が提起
される以前に早くから認識されるところであった。その
解決法の研究の１つとしてフライホィール式の蓄電装置
が試作され、１９８８年から京浜急行電鉄逗子線を対象
として実用運転が行われている。

【０００７】この装置は、フライホィール重量１３．７
ｔｏｎ、外径１４４５ｍｍ、最高回転数３１５０ｒｐ
ｍ、蓄勢エネルギー約２５ｋＷｈ、電圧９３６Ｖ三相
で、蓄勢時１８００ｋＷ（５０ｓｅｃ）、放勢時３００
０ｋＷ（３０ｓｅｃ）の出力を有している。

【０００８】フライホィールの破壊に備えて外周には、
防護壁が設置されており、全体は通風ダクトとともにヘ
リウム容器として構成されている。軸受けには、振動抑
制効果の大きい油膜軸受けを採用しているため、潤滑油
供給装置、冷却器、オイルリフト装置、異常時に給油を
行うアキュムレータを設けている。

【０００９】機器本体の冷却媒体に風損と循環するガス
の圧力損失の点からヘリウムガスを用い、機器を冷却し
たガスは遠心式ブロアによってガス冷却器に送られ、ク
ーリングタワーからの冷却水によって冷やされる。油冷
却器７２ｋＷ、ガス冷却器９０ｋＷ、クーリングタワー
１７０ｋＷを備えた。

【００１０】１日の運転での効率（ｋＷｈ当たり）は、
約５０％で、入出力の効率（ｋＷｈ当たり）は、約７５
％である。損失はおもに油膜軸受けの損失や待機損失で
ある。装置として、蓄電部だけでも、４５ｍ³程度の体
積容量、１５ｍ²程度の敷設スペース、３０ｔｏｎ程度
の重量になする。しかも、フライホィールによる発電
は、その回転数が大幅に変化するため発生する交流の周
波数が変わるので、かなり複雑で大型の変換機が必要に
なる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、加減速による負荷の大幅な変動を
賄い樹電電力の尖頭値を低減し、電力の有効な利用、設
備のコンパクト化、設備コストの低減を図るものであ
る。

【００１２】そのために本発明は、変電所からき電系統
を介して電気車の電動機に駆動電力を給電し走行制御を
行う電気鉄道給電システムにおいて、複数のキャパシタ
を直並列に接続してなる複数のキャパシタ・バンクと、
前記変電所の給電電力により前記キャパシタ・バンクを
充電し電気エネルギーを蓄える充電手段と、前記キャパ
シタ・バンクに蓄えられた電気エネルギーを駆動電力と
して前記電動機に放電し給電すると共に、前記電動機の
回生電力を前記キャパシタ・バンクに充電し蓄える出力
制御手段とを備え、前記キャパシタ・バンクに蓄えられ
た電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記変電所
の給電電力とを併せて電動機の駆動電力とするように構
成したことを特徴とするものである。

【００１３】また、前記キャパシタ・バンクと充電手段
と出力制御手段は、変電所に設置されまたは電気車に搭
載されたことを特徴とし、前記キャパシタ・バンクは、
それぞれのキャパシタが満充電になると充電電流をバイ
パスする並列モニタを備えたことを特徴とするものであ
る。

【００１４】また、前記キャパシタ・バンクは、内部抵
抗の低いブロックと内部抵抗は高いが蓄える電力容量の
大きいブロックとの２種類のブロックからなり、あるい
は２つのキャパシタ・バンクをユニットとして複数のユ
ニットを多段に接続し、各ユニット毎に２つのキャパシ
タ・バンクの直列接続と並列接続の切り換えを行い、前
記複数のユニットは、蓄えられた電気エネルギーの量に
応じて１段ずつ段階的に切り換えるようにしたことを特
徴とし、前記キャパシタ・バンクは、定格電圧に充放電
されるメインキャパシタ・バンクと電圧の許容変動幅で
充放電されるサブキャパシタ・バンクからなり、蓄えら
れた電気エネルギーの量に応じて前記サブキャパシタ・
バンクを前記メインキャパシタ・バンクに直列接続又は
接続の切り離しを行い、前記メインキャパシタ・バンク
は、直列に接続された複数のキャパシタ・バンクからな
り、前記サブキャパシタ・バンクは、それぞれが前記メ
インキャパシタ・バンクに段階的に直列接続又は接続の
切り離しを行う複数のキャパシタ・バンクからなること
を特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る電気鉄道給
電システムの実施の形態を示す図であり、１は変電所、
２はき電回路、３は電気車、４は変圧器、５は充電回
路、６はキャパシタ・バンク、７は出力制御回路、８は
走行制御回路、９は電動機を示す。

【００１６】図１において、変電所１は、送電線より電
力を受電するものであり、き電回路２は、変電所１より
トロリー線、き電線、パンタグラフなどを介して電気車
３に駆動電力を給電するき電系統である。本発明に係る
電気鉄道給電システムでは、直流式の電気車も交流式の
電気車も同じであるが、以下に交流式で説明する。電気
車３において、キャパシタ・バンク６は、例えば電気二
重層コンデンサなどの複数のキャパシタを直列、さらに
それらを並列（直並列）に接続した複数のバンクからな
り、電気エネルギーを蓄えて駆動電力とするものであ
る。充電回路５は、１次側がき電回路２に接続された変
圧器４の２次側出力により、送電線から受電した変電所
からの電力に基づき、キャパシタ・バンク６に充電し電
気エネルギーを蓄えるものである。出力制御回路７は、
ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ、交流スイッチなど
からなり、キャパシタ・バンク６に蓄えられた電気エネ
ルギーを放電して駆動電力として電動機９に給電すると
共に、電動機９の回生電力をキャパシタ・バンク６に充
電し蓄えるものである。走行制御回路８は、運転指令に
従って電動機９の駆動を制御することにより、電気車３
の走行制御を行うものである。このように変電所１か
ら、あるいは負荷である電動機９からキャパシタ・バン
ク６に電気エネルギーを蓄積し、これを電気車３が力行
するときにそのための駆動電力として供給するので、加
速時の大きな駆動電力を必要とする場合にも、それに見
合った電力を送電線から取り込まなくてもキャパシタ・
バンク６に蓄積した電気エネルギーで賄うことができ
る。したがって、変電所１側から見ると負荷平準化装置
として働く。

【００１７】図２は本発明に係る電気鉄道給電システム
の実施の形態を示す図であり、１１は負荷制御装置、１
２は整流部、１３はインバータ、１５は負荷平準化装
置、１６は充電回路、１６はキャパシタ・バンク、１７
は出力制御回路を示す。

【００１８】図２に示す実施の形態は、き電回路２に１
次側が接続された変圧器４の２次側に整流部１２を接続
し、インバータ１３を通して駆動電力を負荷に供給する
と共に、これと並列に負荷平準化装置１５として充電回
路１６、キャパシタ・バンク１７、出力制御回路１８を
接続するものである。つまり、負荷平準化装置１５で
は、加速時に大きな駆動電力を一時的に必要とすると
き、そのピーク分の電力を賄うので、電源側から見た負
荷の平準化を行っている。

【００１９】本発明に係る電気鉄道給電システムは、上
記のようにキャパシタ・バンク６、１７に蓄えられた電
気エネルギー又はその電気エネルギーと変電所１からの
電力とを併せて電気車３の電動機９の駆動電力とするも
のである。しかも、キャパシタ・バンクを構成する電気
二重層コンデンサは、鉛電池やニッケル・カドミウム電
池のような充電に時間がかかる化学電池と比較して、他
のキャパシタと同様に物理的な充電により急速充電が可
能になる。また、化学電池は、定電圧デバイスであり、
正常な動作範囲では負荷に給電してもその電池に蓄えら
れたエネルギー量にかかわらず、端子電圧はほぼ一定の
定電圧特性を示すのに対して、電気二重層コンデンサの
電池は、大量にエネルギーが貯蔵できるという化学電池
にない大きなメリットを有している。しかし、電気二重
層コンデンサの電池は、電力の貯蔵量を多くしてそれを
有効に利用しようとすると、Ｑ＝ＣＶ²／２の関係に基
づいて端子電圧が大きく変動する特性を持っている。そ
のため、放電に伴い蓄積されたエネルギー量により端子
電圧が満充電電圧からゼロまで大きく変化し、負荷に安
定した定格電圧を供給するには、ＥＣＳ(Energy Capaci
tor System) で大幅な出力電圧の調整が必要になる。

【００２０】ＥＣＳは、キャパシタと並列モニタと電流
ポンプからなる電力エネルギー貯蔵システムとして既に
各種文献（例えば電子技術、１９９４−１２、ｐ１〜
３、電学論Ｂ、１１５巻５号、平成７年ｐ５０４〜６
１０など）で紹介されている。ここで、並列モニタは、
複数のキャパシタが直並列に接続されたキャパシタ・バ
ンクの各キャパシタの端子間に接続され、キャパシタ・
バンクの充電電圧が並列モニタの設定値を越えると充電
電流をバイパスする装置である。

【００２１】上記並列モニタを備えたキャパシタ・バン
クは、充電する際にキャパシタ・バンクの充電電圧が設
定値以上に上昇しないように充電電流をバイパスして一
定に保つので、キャパシタ・バンク内のすべてのキャパ
シタは、設定された電圧まで均等に充電され、キャパシ
タの蓄積能力をほぼ１００パーセント発揮させることが
できる。したがって、並列モニタは、キャパシタの特性
のバラツキや残留電荷の大小がある場合にも、最大電圧
の均等化、逆流防止、充電終止電圧の検出と制御などを
行い、耐電圧いっぱいまで使えるようにするものとし
て、きわめて大きな役割を持ち、エネルギー密度の有効
利用の手段として不可欠な装置である。

【００２２】次に、キャパシタ・バンクを有する負荷平
準化装置の構成例を示す。図３は２種類のキャパシタブ
ロックを用いて負荷応答を高めると同時に電力の蓄積容
量を高めるようにした構成例を示す図であり、２１、２
２は充電回路、２３はコンパレータ、Ａ、Ｂはキャパシ
タブロック、Ｖｒは基準電圧を示す。

【００２３】図３において、キャパシタブロックＡは、
負荷に接続され負荷に電力を直接供給する負荷給電用の
電源であり、電力密度がそれほど高くないが、内部抵抗
の低い大容量キャパシタが用いられる。キャパシタブロ
ックＢは、キャパシタブロックＡを充電する電源であ
り、キャパシタブロックＡに比べて、内部抵抗はそれほ
ど低くないが、電力容量の体積或いは重量に対する比が
大きな大容量キャパシタが用いられる。充電回路２１
は、電圧変換・整流してキャパシタブロックＢを充電す
る回路であり、インバータ等の電圧変換手段で構成して
もよい。充電回路２２は、キャパシタブロックＢからキ
ャパシタブロックＡを充電する回路であり、インバータ
等の電圧変換手段で構成したものである。

【００２４】コンパレータ２３は、キャパシタブロック
Ａの端子電圧と基準電圧Ｖｒとを比較して基準電圧Ｖｒ
が大きいと充電回路２２をオンにする信号を出力するも
のであり、抵抗Ｒ１、Ｒ２でキャパシタブロックＡの端
子電圧を分圧して検出し、抵抗Ｒ３を介してコンパレー
タ２３に端子電圧の検出信号を入力している。なお、基
準電圧Ｖｒは、キャパシタブロックＡの満充電レベルに
設定される。キャパシタブロックＡの各キャパシタに充
電制限回路（並列モニタ）を設けて満充電を検出するよ
うにしてもよい。また、抵抗ｒは、電流検出用の抵抗で
あり、充電回路２２でこの抵抗ｒによって充電電流を検
出し充電電流を一定に制御する。すなわち、充電回路２
２では、コンパレータ２３の出力信号によってオン／オ
フし、抵抗ｒによる電流の検出によって充電電流の制御
を行う。キャパシタブロックＢは、内部抵抗の大きな電
源であり、大電流で充電すると、損失が大きくなるの
で、充電電流を制限することによって、損失を少なくす
る。

【００２５】上記のように、必要な電源容量をキャパシ
タブロックＡ、キャパシタブロックＢからなる２つの電
源部に分け、負荷等の条件によって異なるが、例えばキ
ャパシタブロックＡに全容量の１／４、キャパシタブロ
ックＢに残り容量３／４を持たせる。そして、可能な限
りキャパシタブロックＡを満充電レベルに保つことによ
って、負荷は常に内部抵抗の低い電源（キャパシタブロ
ックＡ）から、比較的一定の電圧の供給を受けることが
可能になり、しかも、製造の容易な、内部抵抗の大きな
電源（キャパシタブロックＢ）を多用するので、全体の
体積や重量を小さくすることができる。

【００２６】図４はメインキャパシタ・バンクにサブキ
ャパシタ・バンクを直列接続又は接続の切り離しを行い
電圧変動幅を小さくした構成例を示す図、図５は全放電
状態から定電流充電し定電力放電完了までの各部の電圧
推移の例を示す図、図６および図７はキャパシタの容量
を変えて組み合わせた場合の電圧推移の例を示す図であ
り、図中、３１は充電回路、３２は出力制御回路、３３
は負荷、Ｃ１〜Ｃ５はキャパシタ・バンク、Ｓ１〜Ｓ３
はスイッチを示す。

【００２７】図４において、キャパシタ・バンクＣ１〜
Ｃ５は、電気エネルギー貯蔵用として、例えば電気二重
層コンデンサのようなキャパシタ（単セル）を複数個用
いることにより、それらを直列あるいはそれをさらに並
列に接続したものであり、各キャパシタ、あるいはバン
クには並列モニタが接続される。これらのうち、キャパ
シタ・バンクＣ１〜Ｃ３は、負荷の定格電圧の範囲で充
放電されるメインキャパシタ・バンクであり、キャパシ
タ・バンクＣ４、Ｃ５は、負荷電圧の変動幅許容範囲で
充放電されるサブキャパシタ・バンクである。スイッチ
Ｓ１〜Ｓ３は、直列接続したメインキャパシタ・バンク
Ｃ１〜Ｃ３にさらに追加してサブキャパシタ・バンクＣ
４、Ｃ５を段階的に直列接続したり、あるいは接続の切
り離しをしたりするものである。

【００２８】制御回路Ａ１は、直列接続したメインキャ
パシタ・バンクＣ１〜Ｃ３における充放電状態（電圧）
を検出し、その充放電状態に応じてスイッチＳ１〜Ｓ３
を制御してサブキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５について
接続又は接続の切り離しを行うものである。したがっ
て、制御回路Ａ１によりスイッチＳ１〜Ｓ３のうち常に
いずれか１つのみをオンにすることにより、キャパシタ
・バンクＣ１〜Ｃ３だけの直列接続からキャパシタ・バ
ンクＣ４、さらにはＣ５を加えた直列接続の状態まで、
直列接続されるバンク数を段階的に切り換える。したが
って、制御回路Ａ１では、３つの接続状態の切り換えを
行うので、２つの検出レベルＥ₁、Ｅ₂（例えばＥ₁＜
Ｅ₂）を有する。

【００２９】充電回路３１は、電源より直列接続された
キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５に定電流充電するもので
あり、段階的にキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５の接続が
切り離され、最終的にキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の
直列回路が定格電圧まで充電されて充電を終了する。出
力制御回路３２は、例えば既に知られた電流ホンプのよ
うにキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５から負荷に供給する
電流を制御、調節したり、負荷から逆に電流源（充電
器）としてキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５を充電する、
つまり負荷が発電機となる回生制動の場合の切り換えを
行ったりするものである。したがって、出力制御回路３
２としては、電子スイッチや、降圧チョッパ、昇圧チョ
ッパ、その他のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられるが、
キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の接続切り換えの制御に
より、負荷から見て調整の必要のない範囲に電圧が安定
化される場合には省くこともでき、本発明にとっては特
に必要不可欠な構成要素というものではない。勿論、キ
ャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の接続切り換えの制御によ
り、電圧変動範囲が小さくなれば、これとコンバータを
組み合わせることにより、コンバータを高効率に設計で
き、電圧安定性の高い電源を実現することもできる。

【００３０】充電動作について説明する。全放電からの
充電は、図４（Ａ）に示すようにスイッチＳ３のみをオ
ンにすることにより、全キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５
を直列に接続した状態から開始する。つまり、制御回路
Ａ１は、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧Ｖが第１
の設定レベルＥ₁に達しないとスイッチＳ３のみをオン
にする。充電を開始し、充電電圧Ｖが第１の設定レベル
Ｅ₁まで上昇したことを制御回路Ａ１が検出すると、図
４（Ｂ）に示すようにスイッチＳ３をオフにしてスイッ
チＳ２のみをオンにすることにより、キャパシタ・バン
クＣ５を切り離してキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ４の直
列接続とする。さらに充電電圧Ｖが上昇し、第２の設定
レベルＥ₂に達した（越えた）ことを制御回路Ａ１が検
出すると、図４（Ｃ）に示すようにスイッチＳ２をオフ
にしてスイッチＳ１のみをオンにすることにより、キャ
パシタ・バンクＣ４を切り離してキャパシタ・バンクＣ
１〜Ｃ３の直列接続とする。そして、定格電圧まで充電
すると、この状態が系としての満充電になる。

【００３１】放電動作について説明する。満充電からの
放電は、充電動作のときと逆に、図４（Ｃ）に示すよう
にスイッチＳ１のみをオンにすることにより、キャパシ
タ・バンクＣ１〜Ｃ３の３つを直列に接続した状態から
開始する。放電により電圧Ｖが低下し、第２の設定レベ
ルＥ₂より低下したことを制御回路Ａ１が検出すると、
図４（Ｂ）に示すようにスイッチＳ１をオフにしてスイ
ッチＳ２のみをオンにすることにより、キャパシタ・バ
ンクＣ４を直列に加える。さらに放電が進み、電圧Ｖが
第１の設定レベルＥ₁より低下したことを制御回路Ａ１
が検出すると、図４（Ａ）に示すようにスイッチＳ２を
オフにしてスイッチＳ１のみをオンにすることにより、
キャパシタ・バンクＣ５も直列に加える。このようにキ
ャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５を順次直列に加えていくこ
とにより、出力電圧の低下を補っている。

【００３２】系としての満充電の状態では、図４（Ｃ）
に示すようにスイッチＳ１のみをオンにしキャパシタ・
バンクＣ１〜Ｃ３の直列接続により定格電圧を取り出し
ているため、その上にキャパシタ・バンクＣ４＋Ｃ５の
電圧が積み重なり、回路の内部で発生する最大電圧はそ
の分大きくなる。このような図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す
回路構成に対し、図４（Ｄ）に示す回路構成は、キャパ
シタ・バンクＣ４＋Ｃ５の電圧がキャパシタ・バンクＣ
１〜Ｃ３の直列回路の電圧から差し引く極性で接続され
るので、回路の内部で発生する最大電圧を低く抑えるこ
とができる。

【００３３】充電から放電までの動作例をさらに説明す
る。それぞれ同一の１０００Ｆ、１０Ｖ定格のキャパシ
タ・バンクＣ１〜Ｃ５を用いて充放電試験を行った例を
示したのが図５である。ここで、制御回路Ａ１の設定レ
ベルは、Ｅ₁＝１８Ｖ、およびＥ₂＝２２．５Ｖとし、
充電器は３０Ａの定電流型を用い、電圧制限値を３０．
５Ｖに定め、放電は５００Ｗの定電力負荷とした。

【００３４】まず、基本的な全放電状態、つまり各キャ
パシタ・バンクの初期電圧がゼロの状態から満充電まで
と、満充電から全放電までの間の出力電圧および各キャ
パシタ・バンクの電圧の推移は、図５に示すように出力
電圧が１（◇）、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧
が２（□）、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の平均電圧
が３（▽）、キャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５の電圧が４
（△）、５（○）となる。このように出力電圧１は、キ
ャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の直列状態への充電電圧が
定格に達したところから、直列接続しても定格電圧を割
るまでの全期間中の最低電圧は２２．５Ｖ、変動の幅を
７．５／３０＝２５％以内に留めることができた。

【００３５】また、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電
圧のトレース２から明らかなように、キャパシタ・バン
クＣ１〜Ｃ３の端子電圧は、系の貯蔵エネルギーの残量
と一定の関係を持つ。したがって、静電容量Ｃのキャパ
シタに蓄えたエネルギーＵがその端子電圧Ｖから、Ｕ＝ＣＶ²／２で表せる原理を利用し、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３
の端子電圧を測定することにより、上記の計算、あるい
は２乗、平方根の折れ線近似回路を使って端子電圧Ｖを
貯蔵エネルギーの残量、すなわち蓄電量に換算すること
ができ、残量計に簡単で正確な表示を行うことができ
る。

【００３６】上記実施の形態では、説明を簡単にするた
め全てのキャパシタ・バンクに静電容量や耐電圧が等し
いものを使って説明したが、図５に示すトレース３、
４、５から明らかなように、固定のキャパシタ・バンク
Ｃ１〜Ｃ３に対して、スイッチされるキャパシタ・バン
クＣ４、Ｃ５は、それぞれ７５％、６０％の電圧までし
か充電されない、したがって、ここには耐電圧の低いキ
ャパシタ・バンクあるいは直列接続個数の少ないキャパ
シタ・バンクを使用することができる。直列接続個数の
少ないバンクを同じ静電容量の単セルで製造すると、必
然的にその静電容量は直列接続個数の少なさに比例して
大きくなる。

【００３７】スイッチされるキャパシタ・バンクＣ４、
Ｃ５に固定のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３より大きい
静電容量（Ｃ４＝１ｋＦ／０．６、Ｃ５＝１ｋＦ／０．
７５）を用いた場合の各部の電圧推移の例を示したのが
図６であり、逆にスイッチされるキャパシタ・バンクＣ
４、Ｃ５に固定のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３より小
さい静電容量（Ｃ４、Ｃ５＝１ｋＦ×０．８）を用いた
場合の各部の電圧推移の例を示したのが図７である。こ
れらは、□がキャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧、◇
が出力電圧、○がキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の平均
電圧、△がキャパシタ・バンクＣ４の電圧、▽がキャパ
シタ・バンクＣ５の電圧のトレースをそれぞれ示してい
る。

【００３８】このようにスイッチされるキャパシタ・バ
ンクＣ４、Ｃ５の静電容量の増減によって、一定電圧以
上で利用できる電力量、つまり利用率が増減し、電圧の
変動幅が変化する。したがって、本発明は、全部同一の
キャパシタを用いて製造を容易にするか、静電容量を使
用する部位によって調節して蓄電量の有効利用を図るか
など、目的に応じた設計を選択することが可能である。

【００３９】図８は２つのキャパシタ・バンクからなる
キャパシタ・ユニットにより直列接続と並列接続との切
り換えを行い電圧変動幅を小さくした構成例を示す図、
図９はキャパシタ・ユニットの多段切り換えによる電圧
変動の様子を示す図であり、Ｕ１〜Ｕｎはキャパシタ・
ユニット、Ｃ１１〜Ｃｎ２はキャパシタ・バンク、Ｓ１
１〜Ｓｎ３はスイッチを示す。

【００４０】図８において、キャパシタ・ユニットＵ１
〜Ｕｎは、１対のキャパシタ・バンクと並列接続ー直列
接続の切り換えを行う切り換えスイッチからなり、それ
らを複数段にわたり縦続接続してキャパシタ電力貯蔵装
置を構成している。例えばキャパシタ・ユニットＵ１
は、１対のキャパシタ・バンクＣ１１、Ｃ１２にそれぞ
れ第１の切り換えスイッチＳ１１、第２の切り換えスイ
ッチＳ１２をお互いに反対の極性側に直列に接続し、そ
れらの直列接続回路を並列に接続するとともに、直列接
続回路の接続点間に第３の切り換えスイッチＳ１３を接
続して構成される。そして、第１の切り換えスイッチＳ
１１、第２の切り換えスイッチＳ１２に対し第３の切り
換えスイッチＳ１３を相補的に動作させることにより、
第１の切り換えスイッチＳ１１、第２の切り換えスイッ
チＳ１２をオンにしたときには、第３の切り換えスイッ
チＳ１３をオフにして１対のキャパシタ・バンクＣ１
１、Ｃ１２を並列に接続し、第３の切り換えスイッチＳ
１３をオンにしたときには、第１の切り換えスイッチＳ
１１、第２の切り換えスイッチＳ１２をオフにして１対
のキャパシタ・バンクＣ１１、Ｃ１２を直列に接続す
る。キャパシタ・ユニットＵ２〜Ｕｎもキャパシタ・ユ
ニットＵ１と同じ構成であり、キャパシタ・ユニットＵ
１、Ｕ２、……、ｎＵが直列に接続され、出力電圧Ｖ_O
が得られる。なお、キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２
は、複数個の例えば並列モニタを有する電気二重層コン
デンサを直並列に接続してなる。

【００４１】並列モニタは、先に紹介した文献や出願等
により既に知られているように充電電流をバイパスする
例えば半導体制御素子を有し、その制御により充電電圧
が設定値を越えるとその設定値の電圧に保って充電電流
をバイパスすると共に、並列接続した電気二重層コンデ
ンサが故障して充電異常の状態となった場合には、ター
ンオンして電気二重層コンデンサを短絡する装置であ
り、充電電流に対して逆極性に電気二重層コンデンサに
並列接続される半導体整流素子、充電電流をバイパスす
るように電気二重層コンデンサに並列接続される半導体
制御素子、その半導体制御素子を制御するモニタ制御回
路からなる。

【００４２】上記のように構成により、まず、同じ定格
電圧、容量の各キャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２が満
充電されていると、図８（Ａ）に示すように各キャパシ
タ・ユニットＵ１〜Ｕｎは、第１の切り換えスイッチＳ
１１、Ｓ２１、……、Ｓｎ１、第２の切り換えスイッチ
Ｓ１２、Ｓ２２、……、Ｓｎ２がオン、第３の切り換え
スイッチＳ１３、Ｓ２３、……、Ｓｎ３がオフになって
いる。つまり、すべてのキャパシタ・ユニットＵ１〜Ｕ
ｎが並列に接続された状態となる。

【００４３】次に、放電により各キャパシタ・バンクＣ
１１〜Ｃｎ２の充電電圧が低下し出力電圧Ｖ_Oの低下が
少なくともキャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２の１個分
の電圧になると、図８（Ｂ）に示すように第１のキャパ
シタ・ユニットＵ１のみが第１の切り換えスイッチＳ１
１、第２の切り換えスイッチＳ１２をオフ、第３の切り
換えスイッチＳ１３をオンにする。このことにより、第
１のキャパシタ・ユニットＵ１のみがキャパシタ・バン
クＣ１１とＣ１２との直列接続回路となり、全体として
キャパシタ・バンクＣ１１の充電電圧分が上昇する。

【００４４】さらに、放電により各キャパシタ・バンク
Ｃ１１〜Ｃｎ２の充電電圧が低下し、出力電圧Ｖ_Oの低
下が少なくとも並列接続状態のキャパシタ・バンクＣ２
１〜Ｃｎ２の１個分の電圧になると、図８（Ｃ）に示す
ように第２のキャパシタ・ユニットＵ２が第１の切り換
えスイッチＳ２１、第２の切り換えスイッチＳ２２をオ
フ、第３の切り換えスイッチＳ２３をオンにする。この
ことにより、第１のキャパシタ・ユニットＵ１に続いて
第２のキャパシタ・ユニットＵ２がキャパシタ・バンク
Ｃ２１とＣ２２との直列接続回路となり、全体としてキ
ャパシタ・バンクＣ２１の充電電圧分が上昇する。

【００４５】以下同様に、放電により各キャパシタ・バ
ンクＣ１１〜Ｃｎ２の充電電圧が低下し、出力電圧Ｖ_O
が少なくとも並列接続状態のキャパシタ・バンクの１個
分の電圧だけ低下する毎に、キャパシタ・バンクを並列
接続から直列接続に切り換えるキャパシタ・ユニットを
逐次増やしてゆく。このような多段切り換えによる電圧
変動の様子を示したのが図９である。このことにより、
出力電圧Ｖ_Oは、図９に示すようにＶ_U〜Ｖ_Lの範囲内
で変動することになる。

【００４６】ここで、変動する電圧の上限値Ｖ_Uは、キ
ャパシタ・バンクＣ１１〜Ｃｎ２の満充電電圧Ｖ_CFとキ
ャパシタ・ユニットＵ１〜Ｕｎの段数ｎから、その直列
接続電圧としてＶ_U＝Ｖ_CF×ｎで求めることができる。
また、変動する電圧の下限値Ｖ_Lは、第１のキャパシタ
・ユニットＵ１のみがキャパシタ・バンクＣ１１とＣ１
２との直列接続回路となったときの出力電圧がＶ_Lから
Ｖ_Uになるので、Ｖ_L＝Ｖ_U−Ｖ_U／（ｎ＋１）で求め
ることができる。つまり、出力電圧Ｖ_Oの変動幅（Ｖ_U
−Ｖ_L）は、１／（ｎ＋１）に抑えることができる。例
えば段数ｎが４であれば、変動幅は２０％となる。

【００４７】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、キャパシタ・バンクによるキャパシ
タ電源を電気車に搭載した構成で説明したが、このよう
なキャパシタ電源を変電所に設置するように構成しても
よい。また、電気車としては、交流、直流のいずれでも
よいことはいうまでもない。走行区間とキャパシタの積
載量によっては、「停車駅ごとに充電する」という方式
を採用することもできる。そうすることにより、駅の負
荷がピークとなるが、これもキャパシタで平均化すれば
よいし、力行と回生制動の差のエネルギーだけを充電す
れば済むことになる。

【００４８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、変電所の給電電力と回生電力によりキャパシ
タ・バンクを充電して電気エネルギーを蓄え、このキャ
パシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又は電気エ
ネルギーと変電所の給電電力とを併せて電動機の駆動電
力とするので、尖頭負荷を賄い負荷を平準化することが
できる。しかも、キャパシタ・バンクからの電力の供給
は、受電する平均的な電力量と合算して電動機を駆動で
きればよいので、ハイブリッド電気自動車と同様、キャ
パシタ・バンクを小さくすることができる。特に、電気
車に搭載することによって、変電所に設置するのに比べ
て電気車から送電系統まで含めて負担が軽減できるとと
もに、回生制動による電力がキャパシタ・バンクに蓄え
られるので、従来の回生機能を持った変電所などの設備
が節約できる。

【００４９】図１０はＥＣＳキャパシタの放電時間とセ
ル重量、温度上昇の例を示す図である。これらは現状の
技術で用意できるＥＣＳキャパシタであり、さらに高性
能化の研究は進められているが、現状において先に述べ
た従来のフライホィールの例、３０００ｋＷ、３０秒
間、２５ｋＷｈと比較すると、以下のとおりである。

【００５０】まず、内部抵抗の最も低い図１０の上段の
場合には、最短放電時間が６０秒であるので、このまま
ではフライホィールの２倍の容量、５０ｋＷｈを設備す
る必要がある。しかし、それでも、分電盤や変電設備以
外のエネルギー貯蔵部だけを比較すると、重量６．３ｔ
ｏｎ、実体積６ｍ³、高さ３ｍとしたとき、実質の据え
付け床面積２ｍ²と１／２０ほどですむ。

【００５１】しかし、キャパシタを車両に搭載する場
合、重量は、車両１両につきモータを４００ｋＷとし、
上記と同様に計算すると８３３ｋｇとなるが、車両の１
編成を賄えばよいので、充放電間隔が変電所ほど頻繁に
ならないことを勘案すると４００〜５００ｋｇとなる。
電動機付き車両の重量３０〜４０ｔｏｎと比べて無理な
重量ではなく、現状のキャパシタにおける最大出力で連
続３０秒〜１分間加速可能という条件は、急坂のない電
車の路線では十分対応できる。充放電１分間のＥＣＳキ
ャパシタを搭載し、回生制動で充電し、不足分をゆっく
りと架線から充電するような方式を採用した場合、路線
の状況や走り方、停止の頻度にもより大きく変わるが、
受電電力の尖頭値は、１／３〜１／１０程度まで低減で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電気鉄道給電システムの実施の
形態を示す図である。

【図２】本発明に係る電気鉄道給電システムの実施の
形態を示す図である。

【図３】２種類のキャパシタブロックを用いて負荷応
答を高めると同時に電力の蓄積容量を高めるようにした
構成例を示す図である。

【図４】メインキャパシタ・バンクにサブキャパシタ
・バンクを直列接続又は接続の切り離しを行い電圧変動
幅を小さくした構成例を示す図である。

【図５】全放電状態から定電流充電し定電力放電完了
までの各部の電圧推移の例を示す図である。

【図６】キャパシタの容量を変えて組み合わせた場合
の電圧推移の例を示す図である。

【図７】キャパシタの容量を変えて組み合わせた場合
の電圧推移の例を示す図である。

【図８】２つのキャパシタ・バンクからなるキャパシ
タ・ユニットにより直列接続と並列接続との切り換えを
行い電圧変動幅を小さくした構成例を示す図である。

【図９】キャパシタ・ユニットの多段切り換えによる
電圧変動の様子を示す図である。

【図１０】ＥＣＳキャパシタの放電時間とセル重量、
温度上昇の例を示す図である。

【符号の説明】

１…変電所、２…き電回路、３…電気車、４…変圧器、
５…充電回路、６…キャパシタ・バンク、７…出力制御
回路、８…走行制御回路、９…電動機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H111 AA00 BB01 BB04 CC11 DD02 DD03 FF03 FF05 GG02 HA01 HA02 HA05 HB04 HB05 JJ05 JJ06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変電所からき電系統を介して電気車の電
動機に駆動電力を給電し走行制御を行う電気鉄道給電シ
ステムにおいて、複数のキャパシタを直並列に接続して
なる複数のキャパシタ・バンクと、前記変電所の給電電
力により前記キャパシタ・バンクを充電し電気エネルギ
ーを蓄える充電手段と、前記キャパシタ・バンクに蓄え
られた電気エネルギーを駆動電力として前記電動機に放
電し給電すると共に、前記電動機の回生電力を前記キャ
パシタ・バンクに充電し蓄える出力制御手段とを備え、
前記キャパシタ・バンクに蓄えられた電気エネルギー又
は前記電気エネルギーと前記変電所の給電電力とを併せ
て前記電動機の駆動電力とするように構成したことを特
徴とする電気鉄道給電システム。
【請求項２】前記キャパシタ・バンクと充電手段と出
力制御手段は、変電所に設置されたことを特徴とする請
求項１記載の電気鉄道給電システム。
【請求項３】前記キャパシタ・バンクと充電手段と出
力制御手段は、電気車に搭載されたことを特徴とする請
求項１記載の電気鉄道給電システム。
【請求項４】前記キャパシタ・バンクは、それぞれの
キャパシタが満充電になると充電電流をバイパスする並
列モニタを備えたことを特徴とする請求項１記載の電気
鉄道給電システム。
【請求項５】前記キャパシタ・バンクは、内部抵抗の
低いブロックと内部抵抗は高いが蓄える電力容量の大き
いブロックとの２種類のブロックからなることを特徴と
する請求項１記載の電気鉄道給電システム。
【請求項６】前記キャパシタ・バンクは、２つのキャ
パシタ・バンクをユニットとして複数のユニットを多段
に接続し、各ユニット毎に２つのキャパシタ・バンクの
直列接続と並列接続の切り換えを行うことを特徴とする
請求項１記載の電気鉄道給電システム。
【請求項７】前記複数のユニットは、蓄えられた電気
エネルギーの量に応じて１段ずつ段階的に切り換えるよ
うにしたことを特徴とする請求項６記載の電気鉄道給電
システム。
【請求項８】前記キャパシタ・バンクは、定格電圧に
充放電されるメインキャパシタ・バンクと電圧の許容変
動幅で充放電されるサブキャパシタ・バンクからなり、
蓄えられた電気エネルギーの量に応じて前記サブキャパ
シタ・バンクを前記メインキャパシタ・バンクに直列接
続又は接続の切り離しを行うことを特徴とする請求項１
記載の電気鉄道給電システム。
【請求項９】前記メインキャパシタ・バンクは、直列
に接続された複数のキャパシタ・バンクからなり、前記
サブキャパシタ・バンクは、それぞれが前記メインキャ
パシタ・バンクに段階的に直列接続又は接続の切り離し
を行う複数のキャパシタ・バンクからなることを特徴と
する請求項８記載の電気鉄道給電システム。
【請求項１０】き電線から電動機に駆動電力を給電し
走行制御を行う電気車において、複数のキャパシタを直
並列に接続してなる複数のキャパシタ・バンクと、前記
き電線からの給電電力により前記キャパシタ・バンクを
充電し電気エネルギーを蓄える充電手段と、前記キャパ
シタ・バンクに蓄えられた電気エネルギーを駆動電力と
して前記電動機に放電し給電すると共に、前記電動機の
回生電力を前記キャパシタ・バンクに充電し蓄える出力
制御手段とを備え、前記キャパシタ・バンクに蓄えられ
た電気エネルギー又は前記電気エネルギーと前記き電線
からの給電電力とを併せて前記電動機の駆動電力とする
ように構成したことを特徴とする電気車。