JP2011162057A - 電気鉄道用電力変換装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置を効率的に運用することのできる電気鉄道用電力供給システムを提供することにある。
【解決手段】電力会社系統５から供給される交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器１と、ダイオード整流器１から供給された直流電力を交流電力に変換して、交流き電システム６に供給し、交流き電システム６から供給された回生電力を直流電力に変換する単相インバータ２と、蓄電池４と、蓄電池４の充放電を制御するための双方向チョッパ回路３と、蓄電池４の充電量が充分な状態の場合、単相インバータ２の直流電圧Ｖｄｃを、ダイオード整流器１により維持される直流電圧よりも高い電圧に双方向チョッパ回路３を制御する双方向チョッパ制御装置１１とを備えた電気鉄道用電力供給システム１５。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気鉄道に適用される電力変換装置の制御装置に関する。

一般に、電気鉄道用電力供給システムは、大きく分けて、主に在来線に適用される直流き電方式と、高速鉄道に多く適用される交流き電方式との２つの方式がある。交流き電方式では、電力会社系統から受電する際に、三相交流電力から単相交流電力に変換を行う必要がある。この電力変換には、スコット変圧器又は変形ウッドブリッジ変圧器などの変圧器が用いられる。スコット変圧器は、三相交流電力をＭ座及びＴ座の２つの単相母線に変換する。これら２つの単相母線は、それぞれき電線に接続される。Ｍ座とＴ座のそれぞれの出力電力が異なる運用では、電力会社系統の三相不平衡の問題がある。このため、一般には、三相交流側に補償装置が設置されている。変形ウッドブリッジ変圧器についても同様である。

近年、交流き電方式の電力供給システムにおいて、変形ウッドブリッジ変圧器の代わりに、三相交流電力を単相交流電力に変換するパワーエレクトロニクス機器を用いることがある。このパワーエレクトロニクス機器を用いたシステムでは、三相交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を単相交流電力に変換する。このシステムのメリットとしては、三相不平衡が解消されることや電圧変動が商用系統の母線に拡散しないことなどがある。

また、パワーエレクトロニクス機器を用いたシステムとしては、直流回路に電力貯蔵装置が設けられたシステムが提案されている。この電力貯蔵装置は、軽負荷時に電力を蓄える。一方、重負荷時には、電力貯蔵装置は、放電する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−６９７６３号公報

しかしながら、先行技術文献に開示されているような蓄電装置（電力貯蔵装置）が設けられた電気鉄道用電力供給システムにおいて、このような蓄電装置を効率的に運用することについては考慮されていない。

そこで、本発明の目的は、蓄電装置を効率的に運用することのできる電気鉄道用電力供給システムを提供することにある。

本発明の観点に従った電気鉄道用電力供給システムは、交流電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換して電気鉄道用電力系統に供給し、前記電気鉄道用電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するインバータと、直流電力をエネルギーとして蓄える蓄電手段と、前記蓄電手段の直流電圧を変圧させた直流電圧を前記インバータの直流側に印加する直流電圧変圧手段と、前記蓄電手段の充電量が第１の所定値よりも多い場合、前記インバータの直流側に印加する直流電圧を、前記コンバータから出力される直流電圧よりも高い電圧に前記直流電圧変圧手段を制御する直流電圧制御手段とを備えている。

本発明によれば、蓄電装置を効率的に運用することのできる電気鉄道用電力供給システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システムの構成を示す構成図。 本実施形態に係る単相インバータ制御装置の構成を示す構成図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の構成を示す構成図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電圧制御による負荷電力の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電圧制御によるインバータ電流の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電圧制御によるダイオード整流器電流の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電圧制御による蓄電池電流の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電圧制御による直流電圧の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電流制御による負荷電力の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電流制御によるインバータ電流の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電流制御によるダイオード整流器電流の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電流制御による蓄電池電流の推移を示すグラフ図。 本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置の電流制御による直流電圧の推移を示すグラフ図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電気鉄道用電力供給システム１５の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

電気鉄道用電力供給システム１５は、ダイオード整流器１と、単相インバータ２と、双方向チョッパ回路３と、蓄電池４と、変圧器７，８と、コンデンサ９と、交流き電システム６と、単相インバータ制御装置１０と、双方向チョッパ制御装置１１と、直流電流検出器ＣＤ１，ＣＤ２と、直流電圧検出器ＰＤ１と、交流電流検出器Ｃ１と、交流電圧検出器Ｐ１，Ｐ２とを備えている。

電気鉄道用電力供給システム１５は、電力会社系統５と接続されている。電力会社系統５は、商用電源を備えた電力会社等の電力系統である。

電気鉄道用電力供給システム１５の主回路は、ダイオード整流器１と、単相インバータ２と、双方向チョッパ回路３と、蓄電池４とを含む回路である。

ダイオード整流器１の交流側は、変圧器７を介して、電力会社系統５と接続されている。ダイオード整流器１の直流側は、直流リンクＬＮにより、単相インバータ２の直流側と接続されている。ダイオード整流器１には、変圧器７を介して、電力会社系統５から三相交流電力が供給される。ダイオード整流器１は、複数のダイオードＤＩにより、供給された三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置（コンバータ）である。ダイオード整流器１は、変換した直流電力を単相インバータ２に供給する。

単相インバータ２には、ダイオード整流器１により変換された直流電力が供給される。単相インバータ２は、供給された直流電力を単相交流電力に変換する。単相インバータ２は、変換した単相交流電力を、変圧器８を介して、交流き電システム６に供給する。

交流き電システム６は、電気車を走行させる電力を供給するための電力系統システムである。交流き電システム６は、電気車等により発生した回線電力を単相インバータ２に供給する。

双方向チョッパ回路３は、直流リンクＬＮに接続されている。双方向チョッパ回路３は、蓄電池４を充電又は放電させるための回路である。双方向チョッパ回路３は、直流リンクＬＮの直流電圧を制御する。双方向チョッパ回路３は、蓄電池４から放電された電力を直流リンクＬＮに供給する。双方向チョッパ回路３は、直流リンクＬＮから供給された直流電力により、蓄電池４を充電する。双方向チョッパ回路３は、スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬ１とを備えている。双方向チョッパ回路３は、スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２が駆動制御されることにより、電圧変換が制御される。

コンデンサ９は、直流リンクＬＮの正極と負極の間に接続されている。コンデンサ９は、直流リンクＬＮの直流電圧を平滑化する平滑コンデンサである。

交流電流検出器Ｃ１は、変圧器８と交流き電システム６とを接続する送電線に流れる交流電流Ｉｆを検出する。交流電流検出器Ｃ１は、検出した交流電流Ｉｆを単相インバータ制御装置１０に送信する。

交流電圧検出器Ｐ１は、変圧器８と交流き電システム６とを接続する送電線の交流電圧Ｖｆを検出する。交流電圧検出器Ｐ１は、検出した交流電圧Ｖｆを単相インバータ制御装置１０に送信する。

単相インバータ制御装置１０は、交流電流Ｉｆ及び交流電圧Ｖｆに基づいて、単相インバータ２にゲート信号ＳＧ１を出力する。これにより、単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２を制御する。

交流電圧検出器Ｐ２は、電力会社系統５と変圧器７とを接続する送電線の交流電圧Ｖａｃを検出する。交流電圧検出器Ｐ２は、検出した交流電圧Ｖａｃを双方向チョッパ制御装置１１に送信する。

直流電流検出器ＣＤ１は、単相インバータ２に流れ込むインバータ電流Ｉｉｎｖを検出する。直流電流検出器ＣＤ１は、検出したインバータ電流Ｉｉｎｖを双方向チョッパ制御装置１１に送信する。

直流電流検出器ＣＤ２は、蓄電池４から出力される蓄電池電流（双方向チョッパ回路電流）Ｉｂを検出する。直流電流検出器ＣＤ２は、検出した蓄電池電流Ｉｂを双方向チョッパ制御装置１１に送信する。

直流電圧検出器ＰＤ１は、直流リンクＬＮの直流電圧Ｖｄｃを検出する。直流電圧検出器ＰＤ１は、検出した直流電圧Ｖｄｃを双方向チョッパ制御装置１１に送信する。

双方向チョッパ制御装置１１は、交流電圧Ｖａｃ、インバータ電流Ｉｉｎｖ、蓄電池電流Ｉｂ、及び直流電圧Ｖｄｃに基づいて、双方向チョッパ回路３にゲート信号ＳＧ２を出力する。これにより、双方向チョッパ制御装置１１は、双方向チョッパ回路３を制御する。

図２は、本実施形態に係る単相インバータ制御装置１０の構成を示す構成図である。

単相インバータ制御装置１０は、交流電圧制御部２１と、交流電流制御部２２と、インバータＰＷＭ回路２３と、電流ＤＱ変換回路２４と、電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５と、加算器ＡＤ２１と、減算器ＳＢ２１と、スイッチＳＷ２１とを備えている。

スイッチＳＷ２１は、蓄電池４が満充電の場合、オンされる。スイッチＳＷ２１がオンされると、加算器ＡＤ２１に電圧加算値が入力される。スイッチＳＷ２１がオフの場合、加算器ＡＤ２１には、何も入力されない（ゼロが入力される）。

加算器ＡＤ２１には、電圧設定値とスイッチＳＷ２１からの出力値が入力される。加算器ＡＤ２１は、スイッチＳＷ２１が押されている場合は、電圧設定値に電圧加算値を加算する。加算器ＡＤ２１は、交流電圧制御部２１に、電圧加算値を加算した電圧設定値を出力する。一方、加算器ＡＤ２１は、スイッチＳＷ２１が押されていない場合は、交流電圧制御部２１に、電圧設定値をそのまま出力する。

電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５には、交流電圧検出器Ｐ１から交流電圧Ｖｆが入力される。電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５は、交流電圧ＶｆをＤＱ変換する。ＤＱ変換は、電圧又は電流の正弦波を実効値に変換し、Ｄ軸成分とＱ軸成分にする。Ｄ軸成分及びＱ軸成分は、大きさと位相の情報が含まれたベクトルで表される。電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５は、交流電圧ＶｆのＤＱ変換及び位相検出により、コサイン成分Ｖｃｏｓ、サイン成分Ｖｓｉｎ及び電圧絶対値Ｖａｂｓを求める。電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５は、求めた電圧絶対値Ｖａｂｓを減算器ＳＢ２１に出力する。電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５は、求めた交流電圧Ｖｆのコサイン成分Ｖｃｏｓ及びサイン成分Ｖｓｉｎを交流電流制御部２２に出力する。

減算器ＳＢ２１には、加算器ＡＤ２１からの電圧設定値及び電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５からの電圧絶対値Ｖａｂｓが入力される。減算器ＳＢ２１は、電圧設定値から検出された交流電圧Ｖｆの電圧絶対値Ｖａｂｓを減算する。減算器ＳＢ２１は、演算した値を交流電圧制御部２１に出力する。

交流電圧制御部２１は、交流電流制御部２２による電流制御に対して、上位制御を行う。交流電圧制御部２１は、減算器ＳＢ２１から入力された値をゼロにするように、Ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆ及びＱ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆを演算する。交流電圧制御部２１は、演算したＤＱ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを交流電流制御部２２に出力する。

電流ＤＱ変換回路２４には、交流電流検出器Ｃ１から交流電流Ｉｆが入力される。電流ＤＱ変換回路２４は、交流電流ＩｆをＤＱ変換して、Ｄ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑを求める。電流ＤＱ変換回路２４は、求めたＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑを交流電流制御部２２に出力する。

交流電流制御部２２は、単相インバータ制御装置１０における主制御を行う。交流電流制御部２２には、交流電圧制御部２１からのＤＱ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆ、電流ＤＱ変換回路２４からのＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑ、及び電圧ＤＱ変換・位相検出回路２５からの交流電圧Ｖｆのコサイン成分Ｖｃｏｓ及びサイン成分Ｖｓｉｎが入力される。交流電流制御部２２は、ＤＱ変換されたＤＱ軸電流Ｉｄ，ＩｑとＤＱ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆとの突合せを行う。交流電流制御部２２は、突合せによる演算結果と交流電圧Ｖｆのコサイン成分Ｖｃｏｓ及びサイン成分Ｖｓｉｎとに基づいて、単相インバータ２の運転点であるＤ軸電圧指令値Ｖｄｃ及びＱ軸電圧指令値Ｖｑｃを演算する。交流電流制御部２２は、演算したＤＱ軸電圧指令値Ｖｄｃ，ＶｑｃをインバータＰＷＭ回路２３に出力する。

インバータＰＷＭ回路２３は、単相インバータ２をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御するための回路である。インバータＰＷＭ回路２３は、交流電流制御部２２から入力されたＤＱ軸電圧指令値Ｖｄｃ，Ｖｑｃに基づいて、ゲート信号ＳＧ１を生成する。インバータＰＷＭ回路２３は、生成したゲート信号ＳＧ１を単相インバータ２に出力する。

これにより、単相インバータ制御装置１０は、検出した交流き電システム６との連系点電圧Ｖｆに基づいて、電圧設定値に維持するように単相インバータ２を制御する。

図３は、本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置１１の構成を示す構成図である。

双方向チョッパ制御装置１１は、直流電圧制御部３１と、直流電流制御部３２と、双方向チョッパ主制御ブロック３３と、三角波比較回路３４と、上位制御選択スイッチＳＬ３１とを備えている。

双方向チョッパ制御装置１１は、上位制御として、直流電流制御部３１による制御と直流電圧制御部３２による制御とがある。

上位制御選択スイッチＳＬ３１は、蓄電池４の蓄電残量が充分にある場合（蓄電残量が設定値よりも多い場合）、接点Ａを選択する。これにより、双方向チョッパ制御装置１１は、直流電圧制御部３２により、双方向チョッパ回路３を制御する。上位制御選択スイッチＳＬ３１は、蓄電池４の蓄電残量が少ない場合（蓄電残量が設定値よりも少ない場合又は蓄電池４の充電が必要な場合）、接点Ｂを選択する。これにより、双方向チョッパ制御装置１１は、直流電流制御部３１により、双方向チョッパ回路３を制御する。

双方向チョッパ主制御ブロック３３は、上位制御選択スイッチＳＬ３１により選択された上位制御（直流電流制御部３１又は直流電圧制御部３２）の出力がゼロになるように、指令値（運転点）を演算する。双方向チョッパ主制御ブロック３３は、演算した指令値を信号として、三角波比較回路３４に出力する。

三角波比較回路３４は、三角波送出部３４１と、比較回路３４２と、論理否定回路ＮＴ３４とを備えている。

三角波比較回路３４は、双方向チョッパ主制御ブロック３３から入力された信号と、三角波送出部３４１により入力された三角波を比較する。三角波比較回路３４は、比較結果の信号をゲート信号ＳＧ２として、双方向チョッパ回路３の１つのスイッチング素子Ｔ１に出力する。これにより、スイッチング素子Ｔ１は、駆動制御される。論理否定回路ＮＴは、三角波比較回路３４による比較結果の信号の論理否定を出力する。論理否定回路ＮＴは、論理否定結果の信号をゲート信号ＳＧ２として、双方向チョッパ回路３のもう１つのスイッチング素子Ｔ２に出力する。これにより、スイッチング素子Ｔ２は、駆動制御される。

直流電流制御部３１は、最小値選択部３１１と、除算器ＤＶ３１１，ＤＶ３１２と、減算器ＳＢ３１とを備えている。

除算器ＤＶ３１１には、検出された単相インバータ２に流れ込むインバータ電流Ｉｉｎｖが入力される。除算器ＤＶ３１１は、インバータ電流Ｉｉｎｖをインバータ定格電流で除算することで、インバータ電流ＩｉｎｖのＰＵ値を演算する。除算器ＤＶ３１１は、演算したインバータ電流ＩｉｎｖのＰＵ値を最小値選択部３１１に出力する。

最小値選択部３１１は、除算器ＤＶ３１１から入力されたインバータ電流ＩｉｎｖのＰＵ値と０．０ｐｕのうち小さい方の値を選択する。最小値選択部３１１は、選択した値を減算器ＳＢ３１に出力する。

除算器ＤＶ３１２には、検出された蓄電池４から出力される蓄電池電流Ｉｂが入力される。除算器ＤＶ３１２は、蓄電池電流Ｉｂを双方向チョッパ定格電流で除算することで、蓄電池電流ＩｂのＰＵ値を演算する。除算器ＤＶ３１１は、演算した蓄電池電流ＩｂのＰＵ値を減算器ＳＢ３１に出力する。

減算器ＳＢ３１は、最小値選択部３１１から入力された値から蓄電池電流ＩｂのＰＵ値を減算する。減算器ＳＢ３１は、減算した値を上位制御選択スイッチＳＬ３１の接点Ｂに出力する。

直流電圧制御部３２は、実効値演算部３２１と、電圧マージン加算部３２２と、除算器ＤＶ３２１，ＤＶ３２２と、減算器ＳＢ３２とを備えている。

除算器ＤＶ３２１には、検出された電力会社系統５と変圧器７とを接続する送電線の交流電圧Ｖａｃが入力される。除算器ＤＶ３２１は、交流電圧Ｖａｃを系統定格電圧で除算することで、交流電圧ＶａｃのＰＵ値を演算する。除算器ＤＶ３２１は、演算した交流電圧ＶａｃのＰＵ値を実効値演算部３２１に出力する。

実効値演算部３２１は、除算器ＤＶ３２１から入力された交流電圧ＶａｃのＰＵ値の実効値を演算する。実効値演算部３２１は、演算した交流電圧ＶａｃのＰＵ値の実効値を電圧マージン加算部３２２に出力する。

電圧マージン加算部３２２は、実効値演算部３２１から入力された交流電圧ＶａｃのＰＵ値の実効値に、電圧マージンＫｍを加える。電圧マージン加算部３２２は、交流電圧ＶａｃのＰＵ値の実効値に電圧マージンＫｍを加えた値を減算器ＳＢ３２に出力する。

除算器ＤＶ３２２には、検出された直流リンクＬＮの直流電圧Ｖｄｃが入力される。除算器ＤＶ３２２は、直流電圧Ｖｄｃを直流定格電圧で除算することで、直流電圧ＶｄｃのＰＵ値を演算する。除算器ＤＶ３２２は、演算した直流電圧ＶｄｃのＰＵ値を減算器ＳＢ３２に出力する。

減算器ＳＢ３２は、電圧マージン加算部３２２から入力された値から直流電圧ＶｄｃのＰＵ値を減算する。減算器ＳＢ３２は、減算した値を上位制御選択スイッチＳＬ３１の接点Ａに出力する。

次に、単相インバータ制御装置１０の動作について説明する。

力行運転する電車が多い場合は電力消費が多くなるため、き電線電圧が低下する。き電線電圧が低下すると、単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２の出力電圧を維持しようとすることにより、交流き電システム６へ電力供給を増やす方向に制御する。

一方、回生運転する電車が多い場合は、き電線電圧が上昇する。き電線電圧が上昇すると、単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２の出力電圧を維持しようとすることにより、交流き電システム６へ電力供給を減らす方向に制御する。これにより、単相インバータ２は、逆向き電力となり、直流回路側へ電力を供給する運転になる。

このとき、ダイオード整流器１は、逆向き（直流回路側から電力会社系統５側）に電力を送れないため、双方向チョッパ回路３の制御により、単相インバータ２から直流回路側に供給された電力は、蓄電池４に充電される。

また、単相インバータ制御装置１０には、蓄電池４が満充電になると（蓄電残量が設定値を超えると）、電圧設定値に電圧加算値が加算される電圧設定変更機能が設けられている。蓄電池４は、満充電になると電力を蓄えることができなくなる。蓄電池４が充電できない状況で、単相インバータ２が逆向き電力になると、単相インバータ２の直流側の電圧が上昇する。この直流電圧の上昇を防ぐために、蓄電池４の満充電時には、単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２から出力させる交流電圧の電圧設定値を大きめにする。これにより、単相インバータ２は、逆向き電力に成り難い運転になる。

次に、双方向チョッパ制御装置１１の動作について説明する。

蓄電池４の蓄電残量が充分な場合は、双方向チョッパ制御装置１１は、直流電圧制御部３２による直流電圧制御がされる。

双方向チョッパ回路３からの出力がない場合、直流電圧は電力会社系統５の電圧に依存する。これは、直流回路がダイオード整流器１を介して、電力会社系統５に接続されているためである。直流電圧制御部３２は、電圧マージンＫｍにより、電力会社系統５の状態で決まる直流電圧に対し、やや高めになるように双方向チョッパ回路３を制御する。ダイオード整流器１は、直流電圧が低下すると、電圧維持のために、電力会社系統５から電力供給を行う。よって、高めの直流電圧が維持されている限り、ダイオード整流器１からの電力供給はされない。このため、高めの直流電圧が維持されている場合、蓄電池４から優先的に電力供給される。

単相インバータ２の逆向き電力運転により、直流回路へ電力供給された場合、余った電力により直流電圧が上昇する。このため、直流電圧制御部３２で運転している双方向チョッパ回路３により、余った電力は、蓄電池４に充電される。これにより、直流電圧が維持される。よって、双方向チョッパ回路３が電圧高め運転をすることで、蓄電池４への電力の出し入れの制御がされる。即ち、電気鉄道用電力供給システム１５は、交流き電システム６の負荷変動に応答する仕組みとなる（蓄電池優先の制御）。従って、蓄電池４の蓄電残量が充分な場合は、蓄電池４に蓄電されている電力がより活用される。

蓄電池４の蓄電残量が少なくなった場合は、双方向チョッパ制御装置１１は、直流電流制御部３１による直流電流制御がされる。

直流電流制御部３１は、単相インバータ２のインバータ電流Ｉｉｎｖを取込む。直流電流制御部３１は、直流回路内でインバータ電流Ｉｉｎｖを相殺するように、双方向チョッパ回路３の出力電流を制御する。但し、直流電流制御部３１は、取込んだインバータ電流Ｉｉｎｖの値を零と比較し、最小値選択して制御している。そのため、双方向チョッパ回路３は、正の電流（蓄電池４から出力される方向の電流）の運転にはならない。よって、蓄電池４は、充電のみの運転となる。この運用を継続することで、蓄電池４の蓄電残量が少なくなっている状態は解消される。また、蓄電池４が放電運転をしないことにより、直流回路内は、電力不足となる。この不足分の電力は、ダイオード整流器１から供給される。これにより、直流回路の直流電圧は、維持される。

従って、蓄電池４の蓄電残量が少なくなった場合は、双方向チョッパ制御装置１１は、単相インバータ２の直流電流を補うように、双方向チョッパ回路３の電流を制御する。このとき、蓄電池４は、放電運転が制限される。よって、蓄電池４は、充電運転のみが行なわれる。

図４から図８は、本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置１１の電圧制御による動作を示すグラフ図である。図９から図１３は、本実施形態に係る双方向チョッパ制御装置１１の電流制御による動作を示すグラフ図である。なお、電圧制御と電流制御は、同じ負荷条件下で行ったものである。

図４及び図９は、単相インバータ２から出力される負荷電力Ｐｆの推移を示している。図５及び図１０は、単相インバータ２の直流側を流れるインバータ電流Ｉｉｎｖの推移を示している。図６及び図１１は、ダイオード整流器１から出力されるダイオード整流器電流Ｉｒの推移を示している。図７及び図１２は、蓄電池４から出力される蓄電池電流Ｉｂの推移を示している。図８及び図１３は、直流回路（直流リンクＬＮ）に印加される直流電圧Ｖｄｃの推移を示している。

図４から図１３は、横軸を時間、縦軸を機器の状態量で示している。また、時刻ｔ０から時刻ｔｃまでの時間帯を力行負荷（正の電力）、時刻ｔｃ以降の時間帯を回生負荷（負の電力）とする。

図４から図８を参照して、電圧制御適用の場合について説明する。

電圧制御適用時は、蓄電池４の出力により、電圧高め運転が行われる。このとき、負荷電力Ｐｆは、蓄電池４の放電で供給される。これにより、ダイオード整流器１からの供給がない状態となる。回生負荷（負の負荷電力Ｐｆ）となると、直流電圧Ｖｄｃが上昇を始める。これにより、電圧制御が働き、電力に追従して蓄電池電流Ｉｂが反転する。よって、蓄電池４は、充電運転となる。

従って、電圧制御は、蓄電池４による電力制御が優先される制御である。これにより、電気鉄道用電力供給システム１５は、買電しない運用となる。

図９から図１３を参照して、電流制御適用の場合について説明する。

電流制御適用の場合、力行負荷（正の負荷電力Ｐｆ）では、蓄電池電流Ｉｂが電流リミットに張り付く（ゼロ）。蓄電池４からは電力供給されないため、負荷電力Ｐｆは、ダイオード整流器１から電力供給される。回生負荷（負荷電力Ｐｆが反転）になると、インバータ電流Ｉｉｎｖも単相インバータ２から直流回路に出力する方向に反転する。これにより、双方向チョッパ回路３は、リミッタ（ゼロ）から離れて負の電流で運転する。蓄電池４が充電される。

従って、電流制御は、力行負荷Ｐｆではダイオード整流器１が電力供給する。このため、蓄電池４は、放電をしない。また、回生負荷Ｐｆでは、蓄電池４は、充電される。これにより、電気鉄道用電力供給システム１５は、蓄電残量が少ない場合に有効な運用となる。

本実施形態によれば、単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２の出力電圧を維持することにより、回生電力を蓄電池４に充電させることができる。また、単相インバータ制御装置１０に設けられた電圧設定変更機能により、蓄電池４の満充電時は、単相インバータ２の出力電圧を高くする。これにより、単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２の逆向き電力の運転を抑制することができる。従って、単相インバータ２の直流電圧の上昇を防止することができる。

また、双方向チョッパ制御装置１１は、蓄電池４の蓄電残量に応じて、直流電流制御部３１による直流電流制御と直流電圧制御部３２による直流電圧制御とを切り替えることができる。これにより、電気鉄道用電力供給システム１５は、蓄電池４の蓄電残量が充分な状態においては、蓄電池優先の電力供給をする運用をし、蓄電池４の蓄電残量が少ない状態においては、電力会社系統５から優先的に電力供給する運用をする、運用切り替えができる。

従って、電気鉄道用電力供給システム１５は、蓄電池４の蓄電残量の状態に応じて、適した運用をすることができる。これにより、電気鉄道用電力供給システム１５は、蓄電池４を効率的に運用することができる。

なお、本実施形態では、単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２の出力電圧を電圧設定値に制御する電圧制御としたが、これに限らない。単相インバータ制御装置１０は、単相インバータ２の出力電力を電力設定値に制御する電力制御としてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…ダイオード整流器、２…単相インバータ、３…双方向チョッパ回路、４…蓄電池、５…電力会社系統、６…交流き電システム、７，８…変圧器、９…コンデンサ、１０…単相インバータ制御装置、１１…双方向チョッパ制御装置、１５…電気鉄道用電力供給システム、Ｃ１…交流電流検出器、ＣＤ１，ＣＤ２…直流電流検出器、Ｐ１，Ｐ２…交流電圧検出器、ＰＤ１…直流電圧検出器。

Claims (9)

1. 交流電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換して電気鉄道用電力系統に供給し、前記電気鉄道用電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するインバータと、
   直流電力をエネルギーとして蓄える蓄電手段と、
   前記蓄電手段の直流電圧を変圧させた直流電圧を前記インバータの直流側に印加する直流電圧変圧手段と、
   前記蓄電手段の充電量が第１の所定値よりも多い場合、前記インバータの直流側に印加する直流電圧を、前記コンバータから出力される直流電圧よりも高い電圧に前記直流電圧変圧手段を制御する直流電圧制御手段と
   を備えたことを特徴とする電気鉄道用電力供給システム。
2. 前記蓄電手段の充電量が第２の所定値よりも少ない場合、前記直流電圧変圧手段を前記蓄電手段から前記インバータの直流側に流れる直流電流を抑制する制御をする直流電流制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道用電力供給システム。
3. 前記蓄電手段の充電量が第３の所定値よりも多い場合、前記蓄電手段の充電量が前記第３の所定値よりも少ない場合と比較して、前記インバータから出力される交流電圧を高くする制御をする交流電圧制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
4. 交流電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換して電気鉄道用電力系統に供給し、前記電気鉄道用電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するインバータと、
   直流電力をエネルギーとして蓄える蓄電手段と、
   前記蓄電手段の直流電圧を変圧させた直流電圧を前記インバータの直流側に印加する直流電圧変圧手段と、
   前記蓄電手段の充電量が第２の所定値よりも少ない場合、前記直流電圧変圧手段を前記蓄電手段から前記インバータの直流側に流れる直流電流を抑制する制御をする直流電流制御手段と
   を備えたことを特徴とする電気鉄道用電力供給システム。
5. 前記蓄電手段の充電量が第３の所定値よりも多い場合、前記蓄電手段の充電量が前記第３の所定値よりも少ない場合と比較して、前記インバータから出力される交流電圧を高くする制御をする交流電圧制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電気鉄道用電力供給システム。
6. 交流電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換して電気鉄道用電力系統に供給し、前記電気鉄道用電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するインバータと、
   直流電力をエネルギーとして蓄える蓄電手段と、
   前記蓄電手段の直流電圧を変圧させた直流電圧を前記インバータの直流側に印加する直流電圧変圧手段と、
   前記蓄電手段の充電量が第３の所定値よりも多い場合、前記蓄電手段の充電量が前記第３の所定値よりも少ない場合と比較して、前記インバータから出力される交流電圧を高くする制御をする交流電圧制御手段と
   を備えたことを特徴とする電気鉄道用電力供給システム。
7. 交流電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換して電気鉄道用電力系統に供給し、前記電気鉄道用電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するインバータと、直流電力をエネルギーとして蓄える蓄電池と、前記蓄電池の直流電圧を変圧させた直流電圧を前記インバータの直流側に印加する直流チョッパとを備えた電気鉄道用電力供給システムに適用され、
   前記蓄電池の充電量が第１の所定値よりも多い場合、前記インバータの直流側に印加する直流電圧を、前記コンバータから出力される直流電圧よりも高い電圧に前記直流チョッパを制御する制御手段
   を備えたことを特徴とする直流チョッパ制御装置。
8. 交流電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換して電気鉄道用電力系統に供給し、前記電気鉄道用電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するインバータと、直流電力をエネルギーとして蓄える蓄電池と、前記蓄電池の直流電圧を変圧させた直流電圧を前記インバータの直流側に印加する直流チョッパとを備えた電気鉄道用電力供給システムに適用され、
   前記蓄電池の充電量が第２の所定値よりも少ない場合、前記直流チョッパを前記蓄電池から前記インバータの直流側に流れる直流電流を抑制する制御をする制御手段
   を備えたことを特徴とする直流チョッパ制御装置。
9. 交流電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換して電気鉄道用電力系統に供給し、前記電気鉄道用電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するインバータと、直流電力をエネルギーとして蓄える蓄電池と、前記蓄電池の直流電圧を変圧させた直流電圧を前記インバータの直流側に印加する直流チョッパとを備えた電気鉄道用電力供給システムに適用され、
   前記蓄電池の充電量が第３の所定値よりも多い場合、前記蓄電池の充電量が前記第３の所定値よりも少ない場合と比較して、前記インバータから出力される交流電圧を高くする制御をする制御手段
   を備えたことを特徴とするインバータ制御装置。

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