JP6571294B2 - 融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステムおよび制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステムおよび制御方法に関し、鉄道交通に用いられるハイパワー電力電子技術分野に属する。

機関車回生電力フィードバックシステムは、鉄道交通における回生電力の吸収およびフィードバックの場合に用いられ、回生電力を電力ネットワークにフィードバックする。

回生電力フィードバック設備の原理は、以下のように簡単に説明することができる。車両が制動状態に入り、機関車の運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、直流電力ネットワークへ電気エネルギーが入力される場合、直流電力ネットワークの電圧が上昇する。回生電力フィードバック設備の制御システムは、直流電力ネットワークの電圧をリアルタイムに検出し、直流電力ネットワークの電圧が上昇してある所定値に達した際に、インバータが起動し、インバータは動作し始め、余剰の電気エネルギーを交流電力ネットワークにフィードバックする。

冬季は、気温、空気湿度および風速の共同作用のため、液体の水から氷を形成する着氷現象が存在する。従って、着氷は特定の気象条件で生じた凍結現象であり、架線に大面積の着氷が形成する場合、タワーポールの倒れ、ワイヤの着氷による揺れまたは破断が発生し、架線の正常且つ安全な運転に直接影響を与える。電化鉄道にとって、接触ネットワークが着氷されるため、電流が正常にパンタグラフを流れることができなくなり、ひいてはパンタグラフの破損または破断が発生し、列車が安全且つ定刻通りに運転することに深刻な影響を与える。現在、既存の融氷方法はいずれも余分の融氷設備を追加しなければならず、余分の投資を追加させ、設備の敷地スペースを増加させ、システムの複雑度も増加させる。

本発明では、機関車回生電力フィードバックシステムを利用して融氷機能を実現することができ、追加投資する必要がない。

本発明は、電化鉄道における接触ネットワーク（Ｃｏｎｔａｃｔ ｎｅｔｗｏｒｋ、オーバーヘッドラインともいう）の融氷問題を解決するために鑑みてなされたものであり、機関車電力フィードバックシステムと融氷を兼備する解決手段を提供することを目的とし、追加投資することなく、ステーション内に取り付けられた機関車回生電力フィードバックシステムをトラクションすることができる。

具体的な解決手段は以下のとおりである。
融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステムであって、２台の回生電力フィードバック設備を含み、回生電力フィードバック設備の直流側陽極は地下鉄トラクションネットワークの陽極バスバーに接続されており、陽極バスバーは第１切り替えスイッチ、第２切り替えスイッチを介して上り接触ネットワーク（Ｕｐｌｉｎｋ ｃｏｎｔａｃｔ ｎｅｔｗｏｒｋ）、下り接触ネットワーク（Ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｃｏｎｔａｃｔ ｎｅｔｗｏｒｋ）にそれぞれ接続されており、回生電力フィードバック設備の直流側陰極は第３切り替えスイッチを介して下り接触ネットワークまたは上り接触ネットワークに接続されており、直流側陰極は第４切り替えスイッチを介して地下鉄トラクションネットワークの陰極バスバーに接続されている。

前記回生電力フィードバック設備はパワー半導体デバイスで構成された整流器を含み、双方向有効電力が流れる機能を備えており、すなわち、有効電力が交流電力ネットワークから地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーへ流れることを制御することができるだけでなく、有効電力が地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーから交流電力ネットワークへ流れることを制御することもできる。

前記第３切り替えスイッチおよび第４切り替えスイッチが同時に閉することは許可されていない。

本発明は、前記機関車回生電力フィードバックシステムの制御方法をさらに含み、前記回生電力フィードバック設備がエネルギーフィードバック状態で運転する場合、前記制御方法は以下のとおりである。
ステップ１において、第３切り替えスイッチを開し、
ステップ２において、第４切り替えスイッチを閉し、
ステップ３において、機関車が制動する際に、前記整流器が起動し、有効電力が地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーから交流電力ネットワークへ流れるように制御する。

前記回生電力フィードバック設備が融氷状態で運転する場合、前記制御方法は以下のとおりである。
第３切り替えスイッチが上り接触ネットワークに接続されている場合、
ステップ１において、第１切り替えスイッチ、第４切り替えスイッチを開し、
ステップ２において、第２切り替えスイッチ、第３切り替えスイッチを閉し、
ステップ３において、１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動して、直流電圧が安定するように制御し、
ステップ４において、他の１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動し、直流電圧を調節することによって接触ネットワークを流れる電流が安定するように制御し、
第３切り替えスイッチが下り接触ネットワークに接続されている場合、
ステップ１において、第２切り替えスイッチ、第４切り替えスイッチを開し、
ステップ２において、第１切り替えスイッチ、第３切り替えスイッチを閉し、
ステップ３において、１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動して、トラクションネットワークの直流電圧が安定するように制御し、
ステップ４において、他の１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動し、直流電圧を調節することによって接触ネットワークを流れる電流が安定するように制御する。

１、本発明は、トラクションステーション内における機関車電力フィードバックシステムを利用し、スイッチの切り替えおよび制御方法の調整によって融氷機能を実現することができ、余分の設備を追加する必要ながない。通常、機関車回生電力フィードバックシステムは、昼間の地下鉄運行時間帯に運転され、夜間は接触ネットワークで運行する車両がないため、機関車電力フィードバックシステムを融氷状態に切り替え、接触ネットワークの電流を制御することにより融氷機能を実現することができ、設備の利用率がさらに高い。

２、本発明の技術解決手段に係る２台の回生電力フィードバック設備の直流バスバーの電圧は、いずれも一定の範囲内において調節することができ、融氷過程において、電流は制御可能であり、短絡点を設置する必要がなく、動作過程は安全且つ確実である。該技術解決手段はマッチングする抵抗を増加させることによって電流を調節する必要がなく、生じた熱は完全に回線の融氷に用いられ、設備の動作効率が高い。

３、本発明の技術解決手段は２つのステーションの間の接触ネットワーク回線全体の融氷を実現することができるため、単一ステーションの融氷方式に比べて、融氷の範囲がさらに大きい。

本発明に係るシステム全体の構成原理を説明するための図である。 回生電力フィードバック設備のトポロジ図である。 本発明の技術解決手段の融氷状態で動作する際の直流側の電流回路図である。 本発明の技術解決手段の回生電力フィードバック状態で動作する際の電流回路図である。 本発明の技術解決手段の融氷状態での等価原理図である。

以下、図面に合わせて本発明についてさらに説明する。
図１に示すように、本実施例では２台の回生電力フィードバック設備１を含み、回生電力フィードバック設備および設備に接続されたスイッチを合計２セット含み、２セットのシステムの構成が同じであり、含まれた２セットの回生電力フィードバック設備の原理図は図１に示す通りである。隣接する２つのステーションの間は接触ネットワーク（Ｃｏｎｔａｃｔ ｎｅｔｗｏｒｋ）により接続されている。各セットの回生電力フィードバック設備の直流側陽極は地下鉄トラクションネットワークの陽極バスバーに接続され、陽極バスバーは第１切り替えスイッチ４、第２切り替えスイッチ５を介して上り接触ネットワーク、下り接触ネットワークにそれぞれ接続されている。

本実施例において、回生電力フィードバック設備の直流側陰極は第３切り替えスイッチ２を介して下り接触ネットワークに接続され、直流側陰極は第４切り替えスイッチ３を介して地下鉄トラクションネットワークの陰極バスバーに接続されている。

ここで、回生電力フィードバック設備１はパワー半導体デバイスで構成された整流器を含み、双方向有効電力が流れる機能を備え、すなわち、有効電力が交流電力ネットワークから地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーへ流れることを制御することができるだけでなく、有効電力が地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーから交流電力ネットワークへ流れることを制御することもできる。整流器のトポロジ構造は図２に示す通りであり、本実施例においては、ＩＧＢＴで構成された三相ブリッジ式整流回路であり、電力の双方向流れを実現することができる。

ここで、第３切り替えスイッチ２および第４切り替えスイッチ３にはインターロックが設置され、同時に閉することは許可されていない。

本実施例の制御方法は以下のとおりである。
上記回生電力フィードバック設備がエネルギーフィードバック状態で運転する場合、制御方法は、以下の通りである。
ステップ１において、第３切り替えスイッチを開し、
ステップ２において、第４切り替えスイッチを閉し、
ステップ３において、機関車が制動する際に、三相ブリッジ整流器が起動し、有効電力が地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーから交流電力ネットワークへ流れるように制御する。電流回路図は図４に示す通りである。

上記回生電力フィードバック設備が融氷状態で運転する場合、制御方法は以下のとおりである。
本実施例の第３切り替えスイッチが下り接触ネットワークに接続されている場合、ステップは、以下の通りである。
ステップ１において、第２切り替えスイッチ、第４切り替えスイッチを開し、
ステップ２において、第１切り替えスイッチ、第３切り替えスイッチを閉し、
ステップ３において、１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動して、トラクションネットワークの直流電圧が安定するように制御し、
ステップ４において、他の１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動し、直流電圧を調節することによって接触ネットワークを流れる電流が安定するように制御する。電流回路図は図３に示す通りである。

融氷状態での等価原理図は図５に示す通りであり、図５を参照しながら、融氷電流を制御する具体的な方法を説明する。図において、回生電力フィードバック設備１は直流電圧をＵｄｃ１＝１８００Ｖに調節し、接触ネットワークの抵抗をＲＬ１＝ＲＬ２＝０．２Ωに想定する場合、接触ネットワークの総抵抗は０．４Ωであり、必要な融氷電流の制御目標が８００Ａである場合、接触ネットワークの抵抗における電圧降下は３２０Ｖであり、この場合、回生電力フィードバック設備２の直流電圧を制御すれば実現することができ、Ｕｄｃ２＝１８００Ｖ−３２０Ｖ＝１４８０Ｖである。この場合、回生電力フィードバック設備１のコンデンサは放電状態にあり、コンデンサは一定の１８００Ｖに維持され、回生電力フィードバック設備１により交流電力ネットワークからＰ１のパワーを取得しなければならず、回生電力フィードバック設備２のコンデンサは充電状態にあり、コンデンサ電圧を安定するように維持するためには、余剰なパワーＰ２を電力ネットワークに戻さなければならず、Ｐ１−Ｐ２のエネルギー差は、接触ネットワークの抵抗に消耗され、熱エネルギーの方式により融氷を実現する。

上記実施例は本発明の技術的解決手段を説明するためのものに過ぎず、それを制限するものではなく、上記実施例を参照して行われた様々な形態の修正や変更は、いずれも本発明の保護範囲内である。

１ 回生電力フィードバック設備、
２ 第３切り替えスイッチ、
３ 第４切り替えスイッチ、
４ 第１切り替えスイッチ、
５ 第２切り替えスイッチ。

Claims (5)

1. ２台の回生電力フィードバック設備を含み、回生電力フィードバック設備の直流側陽極は地下鉄トラクションネットワークの陽極バスバーに接続されており、陽極バスバーは第１切り替えスイッチ、第２切り替えスイッチを介して上り接触ネットワーク、下り接触ネットワークにそれぞれ接続されている、融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステムであって、
   前記回生電力フィードバック設備の直流側陰極は第３切り替えスイッチを介して下り接触ネットワークまたは上り接触ネットワークに接続されており、直流側陰極は第４切り替えスイッチを介して地下鉄トラクションネットワークの陰極バスバーに接続されており、
   前記回生電力フィードバック設備が融氷状態で運転する場合、２台の回生電力フィードバック設備と上り接触ネットワークおよび下り接触ネットワークとの間で電流が流れるように直流側の電気回路が構成されており、１台の回生電力フィードバック設備の直流電圧は他の１台の回生電力フィードバック設備の直流電圧より大きくなるように制御されている、
   ことを特徴とする融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステム。
2. 前記回生電力フィードバック設備はパワー半導体デバイスで構成された整流器を含み、双方向有効電力が流れる機能を備えており、すなわち、有効電力が交流電力ネットワークから地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーへ流れることを制御することができるだけでなく、有効電力が地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーから交流電力ネットワークへ流れることを制御することもできる、ことを特徴とする請求項１に記載の融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステム。
3. 前記第３切り替えスイッチおよび第４切り替えスイッチが同時に閉することは許可されていない、ことを特徴とする請求項１または２に記載の融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステムの制御方法であって、
   回生電力フィードバック設備がエネルギーフィードバック状態で運転する場合、前記制御方法は、
   第３切り替えスイッチを開するステップ１と、
   第４切り替えスイッチを閉するステップ２と、
   機関車が制動する際に、前記回生電力フィードバック設備を起動して、有効電力が地下鉄トラクションネットワークの直流バスバーから交流電力ネットワークへ流れるように制御するステップ３と、
   を含む、ことを特徴とする方法。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の融氷機能を兼備する機関車回生電力フィードバックシステムの制御方法であって、
   回生電力フィードバック設備が融氷状態で運転する場合、前記制御方法は、
   １）第３切り替えスイッチが上り接触ネットワークに接続されている場合、
   ステップ１０１において、第１切り替えスイッチ、第４切り替えスイッチを開し、
   ステップ１０２において、第２切り替えスイッチ、第３切り替えスイッチを閉し、
   ステップ１０３において、１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動して、直流電圧が安定するように制御し、
   ステップ１０４において、他の１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動して、接触ネットワークを流れる電流が安定するように制御し、
   ２）第３切り替えスイッチが下り接触ネットワークに接続されている場合、
   ステップ２０１において、第２切り替えスイッチ、第４切り替えスイッチを開し、
   ステップ２０２において、第１切り替えスイッチ、第３切り替えスイッチを閉し、
   ステップ２０３において、１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動して、トラクションネットワークの直流電圧が安定するように制御し、
   ステップ２０４において、他の１台の回生電力フィードバック設備の整流器を起動して、接触ネットワークを流れる電流が安定するように制御する、
   ことを特徴とする方法。