JP2008154355A

JP2008154355A - 蓄電設備

Info

Publication number: JP2008154355A
Application number: JP2006339380A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Suito; 和也出納; Tsutomu Miyauchi; 努宮内; Fujio Gunji; 藤雄郡司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】
き電線電圧の大幅な低下と車両の回生失効を防止し、変電所が停止した場合はこれを検知し、充分な電力を供給する蓄電設備を提案する。
【解決手段】
蓄電装置とコントローラから構成されるき電系統に接続された蓄電設備において、き電線電圧と蓄電装置の充電率から動作モードを変更し、き電線電圧と蓄電装置の充電率と動作モードによって充電開始電圧と放電開始電圧と充電率の目標値を変更することで、充放電電力を制御し蓄電設備を有効利用する。
【選択図】図２

Description

本発明は鉄道用の電力の充電または放電を行う蓄電設備に関する。

電気鉄道における車両は変電所から送電される電力を受電して走行を行う。送電する変電所と車両との距離や送電される電流量に比例して電圧降下が起こるため、車両のパンタ点電圧は大きく変動する。パンタ点電圧が低下すると車両は予定した加速をすることが出来なくなる。また、電気車は回生ブレーキによる制動時に運動エネルギーをき電線に回生する。この電力を他の力行車が利用することで、全体として省エネ化を図っている。

しかし、車両が回生制動を行った際にパンタ点電圧が一定以上に上昇すると、過電圧による機器破損防止のために回生制動を取りやめ、空気制動に切り替える。これを回生失効と言う。回生失効を起こし空気制動に変更すると、車両の走行エネルギーを熱に変えて放出するため、エネルギーを有効に利用出来ない。

このため、通常はパンタ点電圧が基準電圧の−２５％〜＋１０％程度に収まるように、変電所を適当な間隔に設置する。しかしながら、ダイヤの大幅な改変などにより当初見込んでいた以上の列車が運行される場合、事故や車両故障，信号異常などの想定外の状況により車両がダイヤ通りに走行出来ない場合には、当初考慮していた以上にき電線電圧が変動し、車両の運転に支障をきたすことがある。たとえば、同一の変電所が給電する範囲内で当初想定された以上の車両が同時に力行を行うと、き電線電圧が大幅に低下し車両が加速出来なくなる。また、同時に回生を行う場合は、力行車が回生電力を消費しきれず、き電線電圧が上昇し回生失効を起こす事が考えられる。

これに対処する従来技術として特許文献１がある。この技術では、き電線に接続された蓄電設備を変電所間に設置する。き電線電圧が所定の値以下となった場合、蓄電設備から電力を供給し、電圧の低下を防止する。また、所定の値以上となった場合、蓄電設備は充電し、電圧の上昇を防止する。これにより、き電線電圧の極端な変動を防止することができる。

また特許文献１の設備は、電圧変動が起きていないときに、き電線電圧を変動させない程度の電力を充放電し、充電率を満充電と完全放電の中間程度に保っている。これにより予期せぬき電線電圧の変動が発生した際にも、充電と放電のいずれの動作も可能としている。

特開２００６−３４０４１号公報

蓄電設備は一部の変電所が停止した場合の非常用電源として使用することも可能である。非常用電源としては最大電力を供給出来るように通常時は蓄電設備を満充電としておく事が望ましい。しかし、従来技術では回生による電力吸収を考慮し充電率を低めに設定する必要があった。このため、変電所停止などの非常時には充分な電力を供給出来ない。また、蓄電設備と別に非常用電源を設置することも考えられるがコストの増加という問題がある。

本発明の目的は、大幅なコストの増加を招くことなく、通常時はき電線電圧の大幅な低下と回生失効とを防止し、変電所が停止した場合はこれを検知し、充分な電力を供給する蓄電設備を提案することにある。

上記の目的を達成するため本発明の蓄電設備は、き電線と接続された蓄電設備であって、電力を貯蔵する蓄電装置と、蓄電装置の充電率を計測する充電率計測部と、き電線電圧を計測するき電線電圧計測部と、き電線と蓄電装置の間で電力を変換する電力変換部と、電力変換部の充放電電力を制御するコントローラと、を有し、コントローラは、充電率計測部で計測した蓄電装置の充電率とき電線電圧計測部が計測したき電線電圧とに基づいて動作モードを判定するモード判定部と、き電線電圧と充電率と動作モードから充放電を切り替える充放電制御部と、を有する構成とする。

また、き電線と接続された蓄電設備であって、電力を貯蔵する蓄電装置と、蓄電装置の充電率を計測する充電率計測部と、き電線電圧を計測するき電線電圧計測部と、き電線と蓄電装置の間で電力を変換する電力変換部と、電力変換部の充放電電力を制御するコントローラと、を有し、コントローラは、外部からの入力信号に基づいて動作モードを判定するモード判定部と、き電線電圧と充電率と動作モードから充放電を切り替える充放電制御部と、を有する交瀬尾とする。

大幅なコストの増加を招くことなく、通常時はき電線電圧の大幅な低下と回生失効とを防止し、変電所が停止した場合はこれを検知し、充分な電力を供給する蓄電設備が提案できる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は本発明の第一の実施形態における蓄電設備とこれを用いた鉄道用給電システムの全体構成図である。

直流き電鉄道では電流は変電所からき電線を通して列車に供給され、レールを通って変電所に帰る。変電所４１と４２はき電線１とレール２の間に一定電圧の直流を給電している。電気車３はき電線１とレール２の間に負荷として接続され、走行する。蓄電設備１３はき電線１と接続され、以下のように構成する。

き電線１は整流用リアクトル６と電力変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータ７を通して電力を貯蔵する蓄電装置９と接続される。つまり、電力変換部は、き電線１と蓄電装置９との間で電力を変換するものであり、本実施例の電力変換部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を用いている。

蓄電装置９は、チウムイオン電池などの二次電池や電気二重層キャパシタなどの大容量キャパシタやフライホイールが考えられる。リアクトル６とＤＣ／ＤＣコンバータ７の間にコンデンサ５の一端が接続され、コンデンサ５の他端は接地する。コントローラ８は
ＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御することで、き電線と蓄電装置間の電力の授受を制御する。つまり、コントローラ８は、電力変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータ７の充放電電力の制御を行う。

き電電圧計測部１１はコンデンサ５の電圧であるき電線電圧を計測し、測定されたき電線電圧をコントローラ８に送信する。充電率計測部１２は蓄電装置９の充電率を計測し、コントローラ８に送信する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＡＣ／ＤＣコンバータに置き換えることで、交流き電鉄道に同様に蓄電設備を設置することが可能である。

図２は図１のコントローラ８の機能ブロック図である。

コントローラ８はき電電圧読込部８１と充電率読込部８２とモード判定部８３と充放電制御部８４からなる。き電電圧読込部８１はき電電圧計測部１１が計測したコンデンサ５の電圧であるき電線電圧を読込む。充電率読込部８２は充電率計測部１２で計測した蓄電装置９の充電率を読込む。

モード判定部８３は、き電電圧計測部１１で測定され、き電電圧読込部８１を介して入力されたき電線電圧と、充電電圧測定部１２で測定され、充電率読込部８２を介して入力された充電率と、に基づいて動作モードを判定し、変更がある場合は、動作モードを変更して変更された動作モードを出力する。

本実施例では動作モードとして、通常運行時の車両からの回生電力の吸収と電圧低下を防止する事を目的とした第１の動作モードである通常運行モードと、変電所停止時に非常用電源として最大電力を供給するための第２の動作モードである電圧補償モードを設ける。動作モードの変更条件は後述する。

充放電制御部８４は、入力されたき電線電圧と充電率とモード判定部８３から出力された動作モードとに基づいて、充放電を切り替える制御を行う。具体的には、充放電制御部８４は、動作モード毎に定められた蓄電装置の充電を開始する充電開始電圧と放電を開始する放電開始電圧と充電率の目標値を予め設定し、設定された充電開始電圧と放電開始電圧と充電率の目標値に基づいて電圧変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作指令を生成して出力し、蓄電装置の充放電を制御する。制御の詳細は後述する。

図３は図２のモード判定部８３と充放電制御部８４を説明する図であり、通常運行モードでの閾値を図示したものである。縦軸はき電線電圧［Ｖ］、横軸は蓄電装置の充電率
［％］である。

まず第１の動作モードである通常運行モードについて述べる。き電線電圧が上昇し蓄電装置９が充電を開始する電圧である充電開始電圧（図３では１８００［Ｖ］）以上になると電圧の上昇を抑制するために蓄電装置９は充電する。また、き電線電圧が降下し蓄電装置が放電を開始する電圧である放電開始電圧（図３では１４００［Ｖ］）以下となると電圧降下防止のため放電する。充電開始電圧以下で放電開始電圧以上の部分を中間域とすると、き電線電圧が中間域にある場合は、充電率が充電率の目標値より小さければゆっくりと充電し、充電率の目標値より大きければゆっくりと放電する。これは次の電圧変動に備え充電と放電を共に可能とするためである。この充電率の目標値について、蓄電設備の両隣の変電所間を走行する列車の本数や変電所間の距離から、回生によるき電線電圧の上昇が多く見込まれる場合は充電率の目標値を低めに設定し、力行によるき電線電圧の低下が多く見込まれる場合は充電率の目標値を高めに設定するとよい。本実施例では充電率の目標値を４０％とした。

また、充電率の目標値の前後には充放電を行わない不感帯を設けると良い。

また、き電線電圧と充電率から予め２つの閾値を予め定め、き電線電圧と充電率が共に領域１（第１の閾値）の範囲に入るとモード判定部８３は動作モードを電圧補償モードに変更する。き電線電圧と充電率が共に低下している事は、蓄電装置が放電を行ったにもかかわらず、き電線電圧が上昇していないことになる。これは変電所停止等のトラブルにより列車が必要とする電力に対し、変電所からの電力供給が不足していることを示している。そのため、動作モードを電圧補償モードに変更する。

また、充電率がそれほど下がっていなくても、き電線電圧が著しく下がっている場合は、蓄電装置の放電可能な電力以上の電力が必要とされていると考えられる。このため、動作モードを電圧補償モードに変更する。

図４は図２のモード判定部８３と充放電制御部８４を説明する図であり、電圧補償モードでの閾値を図示したものである。縦軸はき電線電圧、横軸は蓄電装置の充電率である。

電圧補償モードでは放電開始電圧を通常運行モードより低く設定する（図４では1200
［Ｖ］）。給電電力の不足から多少の電圧低下を容認し、代わりに最低電圧を補償することで列車停止を避ける事を優先するためである。

また、充電開始電圧も通常運行モードより低く設定する（図４では１５００［Ｖ］）。これは通常運行モード時よりも放電量の増加が予想されるため、他の列車の力行に影響しない範囲で回生電力をなるべく多く吸収し充電率を高く保つ必要があるからである。き電線電圧が中間域にある場合も大電力の放電に備えるために充電率の目標値を高く設定する。

また、き電線電圧と充電率から予め２つの閾値を予め定め、き電線電圧と充電率が共に領域２（第１の閾値より大きい第２の閾値）の範囲に入った場合は、蓄電装置９で吸収出来ない程の電力が供給されている事を示している。そのため、変電所停止等の異常が回復したと判断し、モード判定部８３は動作モードを通常運行モードに変更する。このように本発明では、き電線電圧と蓄電装置の充電率から変電所の停止と再稼動を検知することが出来る。

つまり、モード判定部８３は、き電線電圧測定部から計測されたき電線電圧が第１の閾値を下回った場合には第１の動作モードである通常運行モードとし、き電線電圧が第１の閾値より大きい第２の閾値を上回った場合には第２の動作モードである電圧補償モードとする制御を行う。

図５にモード判定部８３のモード変更判定の制御フローを示す。

ステップ１０１で充電率読込部８２から送られてきた充電率とき電線電圧読込部８１から送られてきたき電線電圧を読込む。ステップ１０２でき電線電圧と充電率が図３の領域１の中にあるか判断する。き電線電圧と充電率が領域１の中にあれば処理はステップ103に移行する。き電線電圧と充電率が領域１の外にある場合、処理はステップ１０４に移行する。ステップ１０３で動作モードを電圧補償モードに変更する。ステップ１０３が終わると処理を終了する。ステップ１０４でき電線電圧と充電率が図４の領域２の中にあるか判断する。き電線電圧と充電率が領域２の中にあればステップ１０５に移行する。き電線電圧と充電率が領域２の外にあれば処理を終了する。ステップ１０５で動作モードを通常運行モードに変更する。ステップ１０５が終わると処理を終了する。

図６に充放電制御部８４の制御フローを示す。

ステップ２０１で充電率読込部８２から送られてきた充電率とき電線電圧読込部８１から送られてきたき電線電圧を読込む。ステップ２０２で動作モードを判定する。電圧補償モードであればステップ２０３に、通常運行モードであればステップ２０４に移行する。ステップ２０３で事前に設定した通常運行モード用の充電開始電圧と放電開始電圧と充電率の目標値を読込む。ステップ２０４で事前に設定した電圧補償モード用の充電開始電圧と放電開始電圧と充電率の目標値を読込む。ステップ２０５でき電線電圧が充電開始電圧以上であればステップ２０６に移行し、充電開始電圧より低ければステップ２０７に移行する。ステップ２０６で蓄電装置は充電する。ステップ２０６が終わると処理を終了する。ステップ２０７でき電線電圧が放電開始電圧以下であればステップ２０８に移行し、放電開始電圧より高ければステップ２０９に移行する。ステップ２０８で蓄電装置は放電する。ステップ２０８が終わると処理を終了する。ステップ２０９で充電率が充電率目標値より小さければステップ２１０に移行する。ステップ２１０で電圧変動によりき電線電圧が放電開始電圧まで低下しないように電力を絞って充電を行う。ステップ２１０が終わると処理を終了する。ステップ２１１で充電率が充電率目標値より大きければステップ212へ移行する。ステップ２１２で電圧変動によりき電線電圧が充電開始電圧まで上昇しないように電力を絞って放電を行う。ステップ２１２が終わると処理を終了する。

図７はある線区に従来の蓄電設備と本発明の蓄電設備を設置した際の動作波形図である。横軸には時刻を、縦軸は（ａ）が駅と変電所の位置と車両の在線位置、（ｂ）が蓄電設備の接続された位置のき電線電圧、（ｃ）が従来の蓄電設備を接続したときの充電率、
（ｄ）が本発明による蓄電設備を接続した時の蓄電装置の充電率である。

蓄電設備は回生と力行が多く発生する駅近辺に設置し、通常運行モードで運転を開始することとする。時刻Ｔ１で車両１が回生を開始し、き電線電圧が上昇する。き電線電圧が充電開始電圧を越えると、蓄電装置は充電を開始する。時刻Ｔ２で車両１は駅に停止する。車両の回生が終了したことからき電線電圧が低下する。き電線電圧は充電開始電圧よりも低く放電開始電圧よりも高い中間域にあり、充電率は充電率目標値を中心とした不感帯に入るため蓄電装置は充放電を行わない。時刻Ｔ３で蓄電設備に隣接した変電所Ｂが停止し、き電線電圧が低下する。しかし車両が力行していないため、き電線電圧は放電開始電圧まで下がらない。このため、蓄電装置は放電を行わない。時刻Ｔ４で列車が力行を開始すると、き電線電圧が放電開始電圧まで低下したため、蓄電装置は放電を開始し、充電率が徐々に低下する。時刻Ｔ５でき電線電圧と充電率が図５の領域１に入ったため、動作モードを電圧補償モードに変更する。また、列車が力行を終了したため、き電線電圧が上昇する。き電線電圧は中間域にあるが、充電率が低下しているため、蓄電装置は少しずつ充電する。時刻Ｔ６で車両が回生を開始し、き電線電圧が上昇する。き電線電圧が充電開始電圧を越えたため、蓄電装置が充電を開始する。時刻Ｔ７で車両が回生を終了したため、き電線電圧は中間域に戻る。

従来制御の場合、蓄電装置の充電率が目標値の範囲に到達しているためそれ以上充電を行わない。これにより、時刻Ｔ８から車両が力行を開始すると時刻Ｔ９の手前で充電率が０となりそれ以上加速出来なくなる。これに対し本発明の蓄電装置は動作モードの変更により充電率の目標値が高くなっているため、時刻Ｔ７以降も少しずつ充電を行う。これにより、本発明の蓄電装置には時刻Ｔ９の手前で放電余力が存在し、列車の加速を継続することが出来る。この後時刻Ｔ１０で変電所Ｂが再稼動すると、き電線電圧が上昇する。時刻Ｔ１１で充電率とき電線電圧が図５の領域２に入ったため、動作モードを通常運行モードに変更する。動作モードを通常運行モードに変更したことにより、充電率の目標値が低下し充電余力が増加する。これにより、満充電で回生電力が吸収できず回生失効が発生する事を防止出来る。

次に第二の実施形態について説明する。第一の実施形態と同一の構成には同じ番号を付け、説明を省略する。

図８は本発明の第二の実施形態における蓄電設備とこれを用いた鉄道用給電システムの全体構成図である。

コントローラ１５は外部入力を受信する方法を持ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御することで、き電線と蓄電装置間の電力の授受を制御する。外部入力１４は変電所４２と接続し、変電所４２が停止するとコントローラ１５に停止信号を送信する。

図９はコントローラ１５の機能ブロック図である。モード判定部８６は外部入力１４、つまり蓄電設備の外部からの入力信号に基づいて動作モードの判定を行う。充放電制御部８４は、ここで判定された動作モードとき電線電圧と充電率とに基づいて充放電を切り替える。

図１０にモード判定部８６のモード変更判定の制御フローを示す。まずステップ１０６で外部入力を読込む。ステップ１０７で外部入力からの入力が変電所停止を通知している場合ステップ１０３に移行し、そうでなければステップ１０８へ移行する。ステップ108で外部入力からの入力が変電所再稼動を通知している場合ステップ１０５に移行し、そうでなければ処理を終了する。このように構成することで、変電所停止後即座に動作モードを変更することが出来る。

本発明に係る蓄電設備とこれを用いた鉄道用給電システムの一実施形態の全体構成図である。本発明の第一の実施形態におけるコントローラの機能ブロック図の一例である。本発明の通常運行モードにおける制御の閾値を示した図である。本発明の電圧補償モードにおける制御の閾値を示した図である。本発明の第一の実施形態におけるモード判定部の制御を示すフローチャートである。本発明の充放電制御部の制御を示すフローチャートである。本発明の第一の実施形態を実施した際の動作波形図である。本発明に係る蓄電設備とこれを用いた鉄道用給電システムの他の実施形態の全体構成図である。本発明の他の実施形態におけるコントローラの機能ブロック図である。本発明の他の実施形態におけるモード判定部の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１き電線
２レール
３電気車
５コンデンサ
６リアクトル
７ＤＣ／ＤＣコンバータ
８，１５コントローラ
９蓄電装置
１１き電電圧計測部
１２充電率計測部
１３蓄電設備
１４外部入力
４１，４２変電所
８１き電電圧読込部
８２充電率読込部
８３，８６モード判定部
８４充放電制御部

Claims

き電線と接続された蓄電設備であって、
電力を貯蔵する蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を計測する充電率計測部と、
き電線電圧を計測するき電線電圧計測部と、
前記き電線と前記蓄電装置の間で電力を変換する電力変換部と、
前記電力変換部の充放電電力を制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、前記充電率計測部で計測した前記蓄電装置の充電率と前記き電線電圧計測部が計測したき電線電圧とに基づいて動作モードを判定するモード判定部と、前記き電線電圧と前記充電率と前記動作モードから充放電を切り替える充放電制御部と、を有する蓄電設備。
請求項１記載の蓄電設備において、
前記モード判定部は、予め定められた充電率とき電線電圧から定められた第１の閾値及び第２の閾値を有し、前記き電線電圧測定部から計測された前記き電線電圧が前記第１の閾値を下回った場合に第１の動作モードとし、前記き電線電圧が前記第１の閾値より大きい前記第２の閾値を上回った場合に第２の動作モードとする蓄電設備。
請求項１の蓄電設備において、
前記充放電制御部は、予め定められた、前記蓄電装置が充電を開始する充電開始電圧と前記蓄電装置が放電を開始する放電開始電圧と充電率の目標値とに対して、測定されたき電線電圧に基づいて、前記蓄電装置の充放電を制御する蓄電設備。
請求項３の蓄電設備において、
前記充放電制御部は、測定されたき電線電圧が、前記充電開始電圧より高い場合は、前記蓄電装置を充電し、前記放電開始電圧より低い場合は、前記蓄電装置を放電する蓄電設備。
請求項３の蓄電設備において、
前記充電開始電圧及び前記放電開始電圧は、前記動作モードに応じて予め定めた設定値が異なる蓄電設備。
請求項３の蓄電設備において、
前記充放電制御部は、測定された充電率が前記充電率の目標値より小さい場合は前記蓄電装置を充電し、測定された充電率が前記充電率の目標値より大きい場合は前記蓄電装置を放電する蓄電設備。
き電線と接続された蓄電設備であって、
電力を貯蔵する蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を計測する充電率計測部と、
き電線電圧を計測するき電線電圧計測部と、
前記き電線と前記蓄電装置の間で電力を変換する電力変換部と、
前記電力変換部の充放電電力を制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、外部からの入力信号に基づいて動作モードを判定するモード判定部と、前記き電線電圧と前記充電率と前記動作モードから充放電を切り替える充放電制御部と、を有する蓄電設備。