JP5735061B2 - 電車給電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電車給電システムに関する。

直流き電方式で電車を走行させる鉄道やモノレールなどの交通システムは、電力の供給元である直流変電所が停電した場合、給電を受けられなくなった電車が、走行不能になることがある。そこで、停電などになった場合の走行用電源を確保するために、蓄電装置を電車に搭載し、この蓄電装置の電力で電車を走行させる技術が提案されている。

一方、き電線側に蓄電装置を設けておくことで、交流電源が得られなくなったときに、蓄電装置から、き電線へ電力を供給して電車を最寄り駅まで移動させる技術なども既に実用化されている。

特開２０１０−１３０７７２号公報 特開２０１３−１８４６４号公報 特開２０１２−１６６６４６号公報

しかしながら、蓄電装置を電車に搭載させる前者の技術の場合、モノレールなどの電車は、蓄電装置を搭載するスペースが十分とはいえない。また、高エネルギ体である蓄電装置を電車に搭載することは、火災などのリスクを高める結果となる。特に、モノレールのような交通システムは、蓄電装置搭載のための改造工事後において部品落下のリスクなども生じる。

また、き電線側に蓄電装置を設ける後者の技術の場合、例えば架線直結型の蓄電装置は、一般に直列のセル数を多くする必要があり、結果的に、蓄電装置全体の体格の大型化や、コストの上昇を招くことになる。さらに、き電線の電圧降下を考慮すると、車両の長距離の移動は困難となる。

なお、架線直結型ではなく、変換器を介してき電線側に電力を供給する蓄電装置の場合、変換器のスイッチングロスにより電力が余分に消費される。したがって、この場合の蓄電装置は、充電量がすぐに低下するため、停電時などでは電力の供給を十分に得ることができない。そこで、蓄電装置を大容量にすることなどが考えられるが、結局のところ、大容量の蓄電装置を多数、分散配置する必要性があり費用面での課題が生じる。

また、ここで、特にモノレール方式の電車が、駅と駅との間で停止した場合、例えば乗客が近い側の駅まで歩行して非難することは極めて難しいため、安全性の面からみても給電技術のさらなる改善が望まれている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、比較的簡易な設備によって、停電などの緊急時においても、き電線側へ必要な電力を供給することが可能な電車給電システムを提供することである。

実施の形態の電車給電システムは、き電制御装置及び蓄電装置を備えている。き電制御装置は、変圧器、非常電源、整流器を有している。変圧器は、交流電源に接続されている。非常電源は、交流電源が停電した場合に起動され交流電源とは別系統の電力をき電線側に供給する。整流器は、変圧器からの電力または非常電源からの電力を直流に変換してき電線側に供給する。蓄電装置は、整流器の設置位置とは距離をおいて設置され、さらに、き電線に接続されている。また、前記非常電源は、交流発電機を回転させることによって発電する電源であり、さらに、前記交流発電機の発電出力は、前記整流器を通じて出力される。

第１の実施形態に係る電車給電システムの構成を示すブロック図。 図１の電車給電システムが備えた蓄電装置内の変換器の構成を示すブロック図。 図２の蓄電装置による充放電電流とき電線電圧と関係を示す図。 図２の蓄電装置内の変換器が備えた充放電管理テーブルの内容を例示した図。 第２の実施形態に係る電車給電システムの構成を示すブロック図。 第３の実施形態に係る電車給電システムの構成を示すブロック図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態の電車給電システム１０は、鉄道やモノレールなどのき電線２を介して電車１４に直流の電力を給電する直流き電方式の給電システムである。電車給電システム１０は、図１に示すように、き電制御装置１５と、蓄電装置２０と、これらの、き電制御装置１５及び蓄電装置２０を統括的に制御する監視装置２５と、を備えている。

き電制御装置１５は、例えば５ｋｍごと、又は鉄道やモノレールなどの駅ごとに設置されている。図１に示すように、き電制御装置１５は、交流遮断器１２、変圧器７、常用電源遮断器６、非常電源８、非常電源遮断器２２、整流器１６、直流遮断器２３を、き電設備として主に備えている。

交流遮断器１２は、例えば商用電源である交流電源９と変圧器７との間を、電気的に接続又は遮断する。上述した交流電源９は、直流き電のための交流系統の常用電源となる。変圧器７は、交流電源９の電圧を変更する。常用電源遮断器６は、変圧器７と整流器１６との間を電気的に接続又は遮断する。

非常電源８は、例えばガスタービン発電機やディーゼル発電機などであって、交流電源９とは別系統の電力をき電線２側に供給する。非常電源遮断器２２は、非常電源８と整流器１６との間を電気的に接続又は遮断する。なお、非常電源８の後段に電圧調整用の変圧器を別途設け、この別途設けた変圧器及び非常電源遮断器２２を介して、非常電源８と整流器１６とを接続する構成にしてもよい。

整流器１６は、例えばダイオード整流器やＰＷＭコンバータなどであって、交流を直流に変換する交直変換器である。整流器１６は、交流電源９の電力を直流に変換してき電線２側に供給する。き電制御装置１５内の直流遮断器２３は、整流器１６とき電線２との間を電気的に接続又は遮断する。なお、このような、き電制御装置１５内の機器は、必ずしも同一の装置内に集約して配置されていなくてもよい。

電車１４は、き電制御装置１５側からき電線２を介して直流の電力の供給を受けて走行する。電車１４は、モノレールで使用される車両、鉄道で使用される車両など、電気を駆動源として走行するあらゆる電気車が該当する。帰線路３は、帰線電流が流れる導体であって、例えば在来鉄道であればレールがその機能を有している。ゴム車輪で走行する交通システムや一部の地下鉄は、帰線電流が流れる専用の導体が帰線路３として設置されている。

一方、蓄電装置２０は、例えば３ｋｍごとに分散配置されていると共に、き電制御装置１５の設置位置とは距離をおいて設置されている。図１、図２に示すように、蓄電装置２０は、き電線２と帰線路３とに接続されている。蓄電装置２０は、蓄電素子２１、変換器５及び直流遮断器２３を備えている。蓄電素子２１は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池といった蓄電池や、電気二重コンデンサ、フライホイールなどのエネルギ蓄積素子である。

蓄電装置２０は、後に詳述するように、き電線電圧の上昇及び下降に応じて、充電及び放電がそれぞれ実行される。蓄電装置２０は、例えば、図３に示すように、き電線電圧の値が、当該蓄電装置２０の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）に応じて可変する放電閾値（Ａ１〜Ａ２）以下になっている場合に、放電が実行される。また、蓄電装置２０は、き電線電圧の値が、当該蓄電装置２０の充電状態に応じて可変する充電閾値（Ｂ１〜Ｂ２）以上になっている場合に、充電が実行される。さらに、蓄電装置２０は、き電線電圧の値が、放電閾値Ａ１を超えかつ充電閾値Ｂ１未満である場合に充放電を停止（ゲートブロック）するか、又は、き電線電圧の値が、放電閾値Ａ１を超えかつ充電閾値Ｂ１未満であることが所定時間継続した場合に充放電を停止（ゲートブロック）する。

なお、蓄電装置２０は、き電線２を流れる電流の値若しくは電力の値が、当該電流の値若しくは当該電力の値に対応させた放電閾値を超えかつ充電閾値未満である場合に充放電を停止するものであってもよい。また、これに代えて、蓄電装置２０は、き電線２を流れる電流の値若しくは電力の値が、当該電流の値若しくは当該電力の値に対応させた放電閾値を超えかつ充電閾値未満であることが所定時間継続した場合に充放電を停止するように構成されていてもよい。

蓄電装置２０内の直流遮断器２３は、変換器５とき電線２との間を電気的に接続又は遮断する。変換器５は、き電線２と蓄電素子２１との間で、電力の授受を行う。変換器５は、蓄電素子２１が例えば蓄電池やコンデンサであればＤＣ／ＤＣコンバータの機能を備えるものとなり、また、蓄電素子２１が例えばフライホイールであればＤＣ／ＡＣ変換を実現するインバータの機能を備えるものとして構成される。

ここで、監視装置２５は、例えば、き電線２の電圧を取得し、取得したこのき電線電圧に基づくオペレータなどによる入力操作に応じて、き電制御装置１５内の直流遮断器２３、交流遮断器１２、常用電源遮断器６、非常電源８、非常電源遮断器２２及び直流遮断器２３、並びに、蓄電装置２０内の直流遮断器２３、変換器５の動作を制御する。

さらに、変換器５について詳述する。図２に示すように、変換器５は、電力変換部５ａ、電流制御部５ｂ、充放電管理テーブル５ｃ、き電線電圧検出部５ｄ、充電状態検出部５ｅを備えている。

電力変換部５ａは、例えばスイッチング素子をゲート駆動する昇降圧チョッパ回路（buck-boost Converter）などして構成されており、蓄電素子２１についての充放電動作を制御する。電力変換部５ａに適用される素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような自己消弧型の素子を例示でき、この種の素子をＰＷＭ駆動することで、蓄電素子２１についての充放電動作を制御する。

電流制御部５ｂは、蓄電装置２０内の直流遮断器２３の動作を制御しつつ、電力変換部５ａが、き電線３から蓄電素子２１に対して入出力する充放電電流（充電電流及び放電電流）を制御する。き電線電圧検出部５ｄは、き電線２のき電線電圧を検出する。充電状態検出部５ｅは、蓄電素子２１の充電状態（ＳＯＣ）を充電率［％］として検出する。

充放電管理テーブル５ｃは、図３、図４に示すように、き電線電圧に応じた放電閾値電圧（Ａ１〜Ａ２）及び充電閾値電圧（Ｂ１〜Ｂ２）を決定するために、き電線電圧と蓄電素子２１の充電状態（ＳＯＣ）との対応関係が充放電特性として記憶されている。充放電管理テーブル５ｃは、例えば、交流電源９の停電時と交流電源９を給電できる通常時とで充放電特性を異ならせたものが記憶されている。

つまり、電流制御部５ｂは、図３、図４に示すように、検出されたき電線電圧及び蓄電素子２１の充電状態と充放電管理テーブル５ｃに記憶された充放電特性とに基づいて、放電閾値電圧及び充電閾値電圧を可変させ、これにより、電力変換部５ａによる蓄電素子２１の充放電電流を調整する。

ここで、上記した電車給電システム１０を実質的に自立運転させる方法を説明する。まず、交流電源９を利用できる通常の給電状態の場合、蓄電装置２０は、き電線電圧に応じて充放電を行う。詳細には、蓄電装置２０は、回生余剰電力の吸収や、き電線電圧が低下したときには放電を行い、き電線電圧の安定化を図る。この際、き電制御装置１５内の非常電源遮断器２２は、開いたままある。交流電源９は、変圧器７を通じて整流器１６で直流の電力に変換され、き電線２を介して電車１４に供給される。

この状況で交流電源９が停電した場合、監視装置２５からの制御によって、交流遮断器１２、常用電源遮断器６がき電制御装置１５内の直流遮断器２３が開放する。この際、き電制御装置１５の動作と連携させて、蓄電装置２０内の直流遮断器２３を開放させ、蓄電装置２０を停止させるようにしてもよい。

一方、監視装置２５からの制御によって、蓄電装置２０内の直流遮断器２３を開放させず充放電動作を継続すれば、電車１４を停止させることなく、最寄駅まで電車１４を運転させることが可能となる。また、蓄電装置２０は、変換器ロスが生じるため、変換器ロスが継続することによる蓄電素子の充電率の低下、及びそれを考慮した蓄電容量の増大を回避するために、高効率デバイスである例えばＳｉＣ（Silicon Carbide）パワーデバイスなどの低損失デバイスを適用することで、設備の簡略化を図ることができる。

一方、蓄電装置２０内の直流遮断器２３の開放により、蓄電装置２０がき電線２から切り離され、これによって、き電系統全体が停電した場合において、電車給電システム１０を実質的に自立運転させる方法を説明する。まず、監視装置２５からの制御によって、非常電源８を起動させ、さらに非常電源遮断器２２を投入させる。続いて、き電制御装置１５内の直流遮断器２３を投入することで、き電線２に対して直流電力を供給する。さらに、蓄電装置２０を起動させて、蓄電装置２０内の直流遮断器２３を投入し、蓄電装置２０をき電系統と連携させる。

この際、蓄電装置２０は、図３に示すように、き電線電圧が放電閾値電圧より低下したら放電する特性を有する一方で、放電しないときはゲートブロックして、変換器５による電力の変換動作を停止する。この場合、蓄電装置２０は、所定の出力値が所定時間経過したことを検出して、ゲートブロックしてもよいし、充電状態（ＳＯＣ）が所定範囲内に達することを条件にゲートブロックしてもよい。

また、蓄電装置２０は、図３に示すように、き電線電圧が充電閾値電圧より上昇したら充電する特性を有する。また、前述の充電閾値電圧は、蓄電素子２１の充電状態（ＳＯＣ）が低くなるにつれて低くなり、一方、充電状態が高くなるにつれて高くなる特性を有する。

すなわち、従来では変換器を用いて蓄電装置を単にき電系統と連携させ、電車給電システムを自立運転させるため、き電線電圧を維持しようとすると、電力変換器ロスで蓄電装置の充電状態が低下して行き、電車を走行させるためのエネルギを確保できない。例えば、路線内の電車を一斉に起動させ最寄駅まで移動させるにしても負荷にあわせて蓄電装置自体を高出力化しなければならず、蓄電装置の大型化及びコストの増大を招くことになる。

変換器を用いずに蓄電素子をき電系統に直結することも可能ではあるが、蓄電素子におけるセルの直列数を増加させる必要がある。このため、蓄電素子の体格が大きくなる他、き電線電圧の降下に対応させるために、き電系統に蓄電素子を多数、分散配置する必要がであり不経済となる。また、変換器を用いずに蓄電素子を直結させているため、充放電制御ができず、常に蓄電素子の充放電が行われ、充放電ロスが発生する。したがって、き電系統の電力損失を増大させる結果となる。

一方、本実施形態の電車給電システム１０によれば、自立運転時、き電系統に存在する複数の電車１４に対し、例えば非常電機８の電力をダイオード整流器などを介してき電線２に供給することが可能となる。つまり、電車給電システム１０では、非常電機８を適用した例えば燃料計による発電を行えるので、蓄電素子よりも長時間にわたって電力を供給することが可能となる。また、整流器として変換効率の高いダイオード整流器を適用した場合には、変圧器ロスも低減させることができる。これにより、電車１４の補機系、例えば空調や照明に電力供給することが可能となり、例えば最寄駅へ電車１４が自立運転して到達するまで補機系への電力供給を長時間にわたって継続できる。

ここで、電車１４を最寄駅まで走行させる場合、き電制御装置１５付近に電車１４が存在する場合には、き電回路抵抗が少なく、き電電圧降下が発生し難いため、電車１４の移動は比較的容易であると考えられる。しかしながら、き電制御装置１５から遠方に電車１４が存在する場合、き電回路抵抗が大きく、き電電圧降下が大きくなってしまうと考えられる。

そこで、本実施形態の電車給電システム１０では、分散配置された蓄電装置２０を適用している。蓄電装置２０は、通常、電車の力行、回生に応じて充放電するため、大きな蓄電容量は必要とされず、小さな蓄電容量の蓄電素子を適用できる。また、蓄電容量の小さな蓄電装置２０を分散設置し、しかもき電電圧が大きく降下したときにのみ放電することで、き電電圧の低下を抑制できる。この際、放電閾値電圧は、非常電源を使用した際の整流器無負荷送り出し電圧以下とする。

また、電車給電システム１０では、主たる電力が、き電制御装置１５側から供給されるため、き電線電圧降下対策のみに、蓄電装置２０を運用することが可能となる。これにより、蓄電素子２１の蓄電容量を小さくすることができ、また、充放電させないときは変換器５がゲートブロックすることで、変換器ロスを抑えることができる。

また、蓄電装置２０の充電状態が低下した場合、充電閾値電圧も低下することで、電車１４が力行していない時などに、非常電源８が発電する電力を充電することが可能となり、蓄電装置２０の充電状態（ＳＯＣ）を回復させることができる。

さらに、電車給電システム１０では、電車１４の補機負荷などの負荷容量が小さなものについては、き電制御装置側から電力を供給させ、大きな力行負荷でき電線電圧（架線電圧）が低下した際に蓄電装置２０側から電力を供給させることが可能となる。これにより、き電線電圧の維持が容易となるので、蓄電素子の蓄電容量を少なくすること、自立運転時の蓄電装置の変換器ロスを低減すること、などが可能になり、給電のための設備の簡易化を図ることができる。既述したように、本実施形態の電車給電システム１０によれば、比較的簡易な設備によって、停電などの緊急時においても、き電線側へ必要な電力を供給することが可能となる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施形態を図５に基づき説明する。なお、図５において、図１に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態の電車給電システム５０は、第１の実施形態に係る電車給電システム１０が備えていたき電制御装置１５に代えて、き電制御装置５５を備えている。き電制御装置５５は、き電制御装置１５備えていた変圧器７に代えて、変圧器５７を備えている。電車給電システム５０では、省設備化のために、一つの変圧器５７を共用して、交流電源９の変圧と非常電源８の変圧とを実現する。

つまり、変圧器５７は、交流電源９に応じた変圧比のタップと非常電源８に応じた変圧比のタップとを備えており、自立運転時では後者のタップを適用して、図２に示すように、非常電源８の電力が整流器１６側に出力される。したがって、電車給電システム５０によれば、変圧器５７の共用化によって省設備化及び低コスト化を図ることができる。また、電車給電システム５０によれば、第１の実施形態ではできなかった非常電源８の変圧を行えるので、非常電源８の選択肢が広がることになる。

＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施形態を図６に基づき説明する。なお、図６において、図１に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

本実施形態に係る電車給電システム７０は、第１の実施形態に係る電車給電システム１０が備えていたき電制御装置１５に代えて、き電制御装置７５を備えている。き電制御装置７５は、き電制御装置１５備えていた非常電源８に代えて、非常電源７８を備えている。交流電源９が停電した際に、変圧器７や整流器１６が、き電制御装置７５内の直流遮断器２３により開放されるのは第１実施形態と同様である。

非常電源７８は、変圧器を介在させることなく、き電線２と接続されており、例えばＤＣ１５００Ｖに対応する直列セル数で構成された蓄電素子である。したがって、非常電源７８の電池容量は、必然的に大きくなる。この蓄電素子で構成された非常電源７８は、第１実施形態の非常電源８の代わりとして動作させることが可能となる。

すなわち、交流電源９が停電した際には、この非常電源７８から主たる、き電電力をき電線２に供給し、一方、き電線電圧（架線電圧）の降下補償を、蓄電池容量が非常電源７８よりも小さい蓄電装置２０に実施させることが可能となる。これにより、き電制御装置７５を含む電車給電システム７０の省設備化を図ることができる。なお、交流系統の停電時に直ぐに放電が開始されることを防止するために、蓄電素子を有する非常電源７８は、交流電源９が停電したときに、き電線２に対して一度解列させてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…き電線、３…帰線路、５…変換器、５ａ…電力変換部、５ｂ…電流制御部、５ｃ…充放電管理テーブル、５ｄ…き電線電圧検出部、５ｅ…充電状態検出部、７，５７…変圧器、８，７８…非常電源、９…交流電源、１０，５０，７０…電車給電システム、１４…電車、１５，５５，７５…き電制御装置、１６…整流器、２０…蓄電装置、２１…蓄電素子、２５…監視装置。

Claims (3)

1. 交流電源に接続される変圧器と、
   前記交流電源が停電した場合に起動され前記交流電源とは別系統の電力をき電線側に供給する非常電源と、
   前記変圧器からの電力または前記非常電源からの電力を直流に変換して前記き電線側に供給する整流器と、
   を含むき電制御装置と、
   前記整流器の設置位置とは距離をおいて設置される、前記き電線に接続された蓄電装置と、
   を備え、
   前記非常電源は、交流発電機を回転させることによって発電する電源であり、
   前記交流発電機の発電出力は、前記整流器を通じて出力される、電車給電システム。
2. 交流電源に接続される変圧器と、
   前記交流電源が停電した場合に起動され前記交流電源とは別系統の電力をき電線側に供給する非常電源と、
   前記変圧器からの電力または前記非常電源からの電力を直流に変換して前記き電線側に供給する整流器と、
   を含むき電制御装置と、
   前記整流器の設置位置とは距離をおいて設置される、前記き電線に接続された蓄電装置と、
   を備え、
   前記変圧器は、前記交流電源の電力及び前記非常電源の電力を個別に変圧するタップを有し、前記変圧した電力を前記整流器側に出力する、電車給電システム。
3. 前記変圧器は、前記交流電源の電力及び前記非常電源の電力を個別に変圧するタップを有し、前記変圧した電力を前記整流器側に出力する、
   請求項１記載の電車給電システム。

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