JP7116581B2 - 饋電装置、及び饋電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、饋電装置、及び饋電システムに関する。

直流電気鉄道の饋電システムでは、変電所がダイオード整流などの直流整流を一般に行うので、電車が発生する回生電力を交流系統に回生することは行われない。このため、この回生電力を有効に利用するためには、力行する電車に回生電力を効率的に供給する必要がある。回生電力を力行する電車に供給する場合、列車の位置、状態に応じて変電所に設置される饋電装置の電圧を任意に可変する饋電システムが知られている。

ところが、この饋電システムでは、饋電電圧又は饋電電流を測定するセンサ間に複数の電車が存在する場合に、軌道回路と連動して制御する必要がある。このため、運行管理システムと、電力供給装置との連携制御が必要となり、制御が複雑化してしまう恐れがある。また、饋電装置の電圧を変電所の電圧よりも低下させると、変電所が出力した電流が饋電装置に流入する横流が発生してしまい、電力を損出してしまう恐れがある。

特許第６０８０７８７号公報

発明が解決しようとする課題は、力行する電車に効率的に電力を供給可能な饋電装置、及び饋電システムを提供することである。

本実施形態によれば、饋電装置は、第１饋電装置が接続される直流饋電回路に電力を供給する饋電装置であって、情報取得部と、変換器部と、電圧制御部と、を備える。情報取得部は、直流饋電回路に第１饋電装置が出力する電流の情報を取得する。換器部は、直流饋電回路に供給する電力を生成する。電圧制御部は、電流の情報に基づき、電流が増加するにしたがい変換器部の出力電圧を増加させる第１制御を行う。

電システムの構成を示すブロック図。 第１饋電装置の出力電流と第２饋電装置の出力電圧との関係の一例を示す特性図。 変換器部の構成を例示する図。 三相の変圧器を用いた変換器部の構成を例示する図。 電圧制御部の構成を例示する図。 変換器（図４）を用いた場合の電圧制御部の構成を例示する図。 饋電装置の両隣に変電所が配置されている例を示す図。 第１饋電装置の出力電圧と第２饋電装置の出力電圧との関係の一例を示す特性図。 第２制御が可能な電圧制御部の構成を例示する図。 変換器（図４）を用いた場合の第２制御が可能な電圧制御部の構成を例示する図。 饋電装置がレールの端部に配置されている例を示す図。 饋電装置の両隣に変電所が配置されている例を示す図。

以下、本発明の実施形態に係る饋電装置、及び饋電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１実施形態）
図１は、饋電システム１の構成を示すブロック図である。この図１に示すように、本実施形態に係る饋電システム１は、直流饋電回路を通じて直流の電力を、例えば電車などに給電するシステムの一例である。饋電システム１は、第１饋電装置２と、第２饋電装置４とを、直流饋電回路６を介して接続して構成される。

第１饋電装置２は、例えば変電所であり、例えば１０ｋｍごと、または鉄道やモノレールなどの駅毎に設置され、直流饋電回路６を通じて直流の電力を電車に供給する。第２饋電装置４は、例えば５ｋｍ毎などに分散して配置され、直流饋電回路６を介して電力を例えば充放電する。なお、第１饋電装置２及び第２饋電装置４の詳細な構成例は、後述する。本実施形態では、直流饋電回路６に電力を供給する電力供給装置を饋電装置と呼ぶこととし、その形態は本実施形態に係る第１饋電装置２、第２饋電装置４などに限定されない。

直流饋電回路６は直流饋電線６ａとレール６ｂとを有する直流電源系統である。なお、直流饋電線６ａは、架線または電力線などと、呼ばれる場合があり、レール６ｂは、帰線などと呼ばれる場合がある。

電車８ａ、８ｂは、鉄道やモノレールなどの交通機関における車両、例えば電車である。電車８ａ、８ｂは、制動の際に、回生ブレーキにより電力回生を行う。直流饋電回路６へ回生される電力は、回生電力と呼ばれる。ここで、例えば電車８ａは、直流饋電回路６を介して電力の供給を受け、力行している力行中の電車を例示している。電車８ｂは、回生ブレーキにより発生した回生電力を直流饋電回路６に供給している回生中の電車を例示している。このように、電車８ｂで発生した回生電力は、力行を行っている電車８ａに直流饋電回路６を通じて供給される。

一方で、力行を行っている電車８ａに供給されなかった回生電力は、所謂回生失効により回生車で無駄に消費される。このため、回生車による回生電力を有効活用するために、第１饋電装置２と直流饋電線６ａとの接続点の電圧である第１饋電装置２の饋電電圧、及び第２饋電装置４と直流饋電線６ａとの接続点の電圧である第２饋電装置４の饋電電圧を適切な値に制御する必要がある。

ここで、第１饋電装置２の詳細な構成を説明する。第１饋電装置２は、例えば変換器部２２と、電流計測部２４と、電圧計測部２６と、饋電センサ情報出力部２８とを有している。

変換器部２２は、商用電源である交流電源系統から供給される交流電力を変圧し、直流電力に変換して、直流饋電回路６に供給する。例えば、変換器部２２は、変圧器２２ａと整流器２２ｂとを有している。変圧器２２ａは、交流電源系統の電圧を直流饋電回路６用の電圧へ変圧する。整流器２２ｂ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。すなわち、整流器２２ｂは、変圧器２２ａで変圧された交流電源系統の電力を直流に変換して、直流饋電回路６に供給する。なお、整流器２２ｂを解列可能に構成してもよい。この場合、直流饋電回路６に電力を供給しない場合に、整流器２２ｂを解列する。

電流計測部２４は、第１饋電装置２の出力電流を測定する。より具体的には、電流計測部２４は、変換器部２２から直流饋電回路６に供給される電流を測定し、饋電センサ情報出力部２８に出力する。なお、電流計測部２４は、更に時間応答を調整するフィルタを有してもよい。これにより、電流計測部２４は、時間応答を遅らせた出力電流の情報を含む電流信号を饋電センサ情報出力部２８に出力することが可能となる。このように、電流計測部２４の出力信号の時間応答を遅らせることにより、第２饋電装置４の制御応答を第１饋電装置２の電流出力のタイミングに合わせることが可能となる。

電圧計測部２６は、第１饋電装置２における饋電電圧、すなわち、直流饋電回路６の電圧を測定し、饋電センサ情報出力部２８に出力する。このように、電圧計測部２６は、第１饋電装置２が動作特性を変更させる直流饋電回路６の所定位置の電圧の情報を取得する。この電圧は、電車８ｂの回生電力により変動する。なお、電圧計測部２６は、更に時間応答を調整するフィルタを有してもよい。これにより、電圧計測部２６は、時間応答を遅らせた出力電圧の情報を含む電圧信号を饋電センサ情報出力部２８に出力することが可能となる。このように、電圧計測部２６の出力信号の時間応答を遅らせることにより、第２饋電装置４の制御応答を第１饋電装置２の電圧変動のタイミングに合わせることが可能となる。

饋電センサ情報出力部２８は、直流饋電回路６に第１饋電装置２が出力する電流および直流饋電回路６の電圧の少なくとも一方に関する情報を第２饋電装置４に出力する。例えば、饋電センサ情報出力部２８は、電流計測部２４から入力された電流信号と、電圧計測部２６から入力された電圧信号を第２饋電装置４に出力する。

ここで、第２饋電装置４の詳細な構成を説明する。第２饋電装置４は、饋電センサ情報入力部４２と、電源部４４とを備える。

饋電センサ情報入力部４２は、直流饋電回路６に第１饋電装置２が出力する電流および直流饋電回路６の電圧の少なくとも一方に関する情報を取得する。より具体的には、饋電センサ情報入力部４２は、饋電センサ情報出力部２８から送信された電流信号及び電圧信号を受信して、電流信号に含まれる電流の情報と電圧信号に含まれる電圧の情報を電源部４４に供給する。なお、本実施形態に係る饋電センサ情報入力部４２が情報取得部に対応する。

電源部４４は、饋電センサ情報入力部４２により供給された情報に基づき、直流饋電回路６に電力を供給する。すなわち、電源部４４は、変換器部４６と、電圧制御部４８とを有する。

変換器部４６は、直流饋電回路６に供給する電力を生成する。この変換器部４６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）などから構成されており、直流饋電回路６と蓄電素子との間で電圧を変換する。変換器部４６の詳細な構成は後述する。

図２は、第１饋電装置２の電流電圧特性の一例と、第２饋電装置４の出力電圧との関係の一例を示す特性図である。(a)は、第１饋電装置２の電流電圧特性の一例を示す図である。縦軸は、第１饋電装置２の出力電圧を示し、横軸は、第１饋電装置２の出力電流を示している。（ｂ）は、第１饋電装置２の出力電流と第２饋電装置４の出力電圧との関係の一例を示す特性図である。縦軸は、第２饋電装置４の出力電圧を示し、横軸は、第１饋電装置２の出力電流を示している。

図２に示すように、電圧制御部４８は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成され、例えばＰＷＭ制御を行う。より具体的には、電圧制御部４８は、饋電センサ情報入力部４２により入力された情報に基づき、第１饋電装置２が直流饋電回路６に供給する電流が増加するにしたがい変換器部４６の出力電圧を増加させる第１制御を行う。

電圧制御部４８は、例えば第１饋電装置２の出力電流がＩ１からＩ２に増加すると、第２饋電装置４の出力電圧をＶ１からＶ２に増加させる。このように、電圧制御部４８は、第１饋電装置２が直流饋電回路６に供給する電流を増加させるにしたがい第２饋電装置４の出力電圧を増加させ、電車８ａの力行用の電力供給を増加させる。これにより、第２饋電装置４から力行する電車８ａに対する電力供給が増加され、電車８のパンタ点電圧を上昇させ、電車８ａの加速性能を向上させることが可能となる。また、変換器部４６の出力電圧を増加させることにより、第１饋電装置２の出力電流が第２饋電装置４内に供給される、所謂横流を抑制するも可能となる。電圧制御部４８の詳細な構成は後述する。なお、図２(a)に示すように、第１饋電装置２の出力電流と電圧は所定に関係を有するので、電圧制御部４８は、第１饋電装置２の出力電流を第１饋電装置２の出力電圧から推定してもよい。

ここで、図３に基づき、変換器部４６Ａの詳細な構成例を説明する。図３は、変換器部４６Ａの構成を例示する図である。図３に示すように、変換器部４６Ａは、変換器５０と、蓄電素子５２と、コンデンサ５４と、リアクトル５６、５８と、電流検出器６０と、電圧検出器６２とを、備えて構成されている。図３には、更に接触器６４が図示されている。

変換器５０は、ＰＷＭコンバータであり、電圧制御部４８のゲート信号により、スイッチングデバイス５０ａ、５０ｂのスイッチングを行って直流電圧Ｖｄｃを出力する。より具体的には、スイッチングデバイス５０ａ、５０ｂには、自己消弧能力を有すると共にスイッチングを行うトランジスタと、トランジスタに対して逆並列に接続された（還流）ダイオードと、が含まれている。これらのスイッチングデバイス５０ａと、スイッチングデバイス５０ｂとがノッドｎ２を介して直列に接続されている。そして、スイッチングデバイス５０ａ、５０ｂは、ノッドｎ４、ｎ６を介してコンデンサ５４と並列に接続されている。また、ノッドｎ２とノッドｎ８と間に、スイッチングデバイス５０と、直列に接続されたリアクトル５６及び蓄電素子５２とが並列に接続されている。

また、ノッドｎ４は、リアクトル５８と接触器６４とを介して直流饋電線６ａに接続され、ノッドｎ６は、レール６ｂに接続されている。電流検出器６０は、ノッドｎ２とリアクトル５６との間に接続され、電圧検出器６２は、ノッドｎ４’、ｎ６’を介してコンデンサ５４と並列に接続されている。蓄電素子５２は、充放電が可能なエネルギー蓄積素子である。

電圧制御部４８は、饋電センサ情報入力部４２が取得した情報に加え、電流検出器６０、及び電圧検出器６２から検出された電流値と電圧値に基づき、ノッドｎ４、ｎ６間の電圧を制御するゲート信号を変換器５０に出力する。このように、電圧制御部４８は、スイッチングデバイス５０ａ、５０ｂをＰＷＭ制御することにより、蓄電素子５２の電圧をノッドｎ４、ｎ６間の直流電圧Ｖｄｃ、すなわち、直流饋電回路６に供給する直流電圧Ｖｄｃに変換する制御を行う。

図４は、三相の変圧器を用いた変換器部４６Ｂの構成を例示する図である。図４に示すように、変換器部４６Ｂは、変換器６６と、三相の変圧器６８と、コンデンサ７０と、複数の電流検出器７２と、電圧検出器７４と、複数の電圧検出器７６と、リアクトル７８とを、備えて構成されている。図４には、更に接触器６４が図示されている。

変換器６６は、ＰＷＭコンバータであり、電圧制御部４８のゲート信号により、スイッチングデバイス６６ａ～６６ｆのスイッチングを行って直流電圧Ｖｄｃを出力する。より具体的には、変換器６６には、スイッチングデバイス６６ａと、スイッチングデバイス６６ｂとがノッドｎ１０を介して直列に接続され、スイッチングデバイス６６ｃと、スイッチングデバイス６６ｄとがノッドｎ１２を介して直列に接続され、スイッチングデバイス６６ａと、スイッチングデバイス６６ｂとがノッドｎ１４を介して直列に接続されている。スイッチングデバイス６６ａ～６６ｂは、スイッチングデバイス５０と同等の構成である。スイッチングデバイス６６ａ、６６ｂ、スイッチングデバイス６６ｃ、６６ｄ、スイッチングデバイス６６ｅ、６６ｆは、ノッドｎ１６、ｎ１８を介してコンデンサ７０と並列に接続されている。

変圧器６８は、相Ｒ、Ｓ、Ｔの三相電圧を出力する三相電源である。変圧器６８には、例えば発電所から三相の交流電力が供給されている。

電流検出器７２では、ノッドｎ１０、１２、１４と三相の変圧器６８との間に、電流検出器７２がそれぞれ接続されている。電流検出器７２のそれぞれは、線電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔをそれぞれ測定する。

電圧検出器７４は、ノッドｎ１６’、ｎ１８’を介してコンデンサ７０と並列に接続されている。また、ノッドｎ１０、１２、１４の各ノッド間には、電圧検出器７６がそれぞれ接続され、電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔをそれぞれ測定する。ノッドｎ１６は、リアクトル７２と接触器６４とを介して直流饋電線６ａに接続され、ノッドｎ１８は、レール６ｂに接続されている。

電圧制御部４８は、饋電センサ情報入力部４２が取得した情報に加え、電流検出器７２、及び電圧検出器７４、７６から検出された電流値と電圧値に基づき、スイッチングデバイス６６ａ～６６ｆをＰＷＭ制御することにより、ノッドｎ４、ｎ６間の直流電圧Ｖｄｃ、すなわち、直流饋電回路６に供給する直流電圧Ｖｄｃを制御する。

ここで、図５に基づき、変換器５０（図３）を用いる場合の電圧制御部４８Ａの詳細な構成例を説明する。図５は、電圧制御部４８Ａの構成を例示する図である。図５に示すように、電圧制御部４８Ａは、記憶部８０と、演算器８２、８６、９０、９２、９４と、ＰＩ制御器８４、８８、９６と、ＰＷＭキャリア比較器９８とを備えて構成されている。

記憶部８０は、電圧指令加算値Ｖａｄｄと第１饋電装置２の出力電流Ｉとの関係を示すテーブルＴａを記憶している。図５では、このテーブルＴａに記載される電圧指令加算値Ｖａｄｄと第１饋電装置２の出力電流Ｉとの関係を模式的に図示している。横軸は第１饋電装置２の出力電流Ｉを示し、縦軸は電圧指令加算値ａｄｄを示している。電圧指令加算値Ｖａｄｄは、第１饋電装置２の出力電流Ｉが増加するにしたがい増加する。

演算器８２は、放電電圧指令値Ｖｄｃ１＊と電圧指令加算値Ｖａｄｄとを加算し、電圧検出器６２（図３）が検出した直流饋電回路６における饋電電圧Ｖｄｃとの差分ΔＶｄｃ１＊を演算する。ＰＩ制御器８４は、演算器８２が演算した差分値ΔＶｄｃ１＊を用いて、ＰＩ制御することにより、電流指令値Ｉｄｃ１＊を生成する。ＰＩ制御器８４は、放電側のＰＩ制御器であり、出力リミッタの下限は０に制限される。放電電圧指令値Ｖｄｃ１は、例えば電車８ａ、８ｂ（図１）が力行している場合の指令値であり、力行動作指令値と呼ばれる場合がある。

演算器８６は、充電電圧指令値Ｖｄｃ２＊と電圧指令加算値Ｖａｄｄとを加算し、電圧検出器６２（図３）が検出した直流饋電回路６における饋電電圧Ｖｄｃとの差分ΔＶｄｃ２＊を演算する。ＰＩ制御器８８は、演算器８２が演算した差分値ΔＶｄｃ２＊を用いて、ＰＩ制御することにより、電流指令値Ｉｄｃ２＊を生成する。ＰＩ制御器８８は、充電側のＰＩ制御器であり、出力リミッタの上限は０に制限される。充電電圧指令値Ｖｄｃ２は、電車８ｂ（図１）が回生電力を生成している場合の指令値であり、回生動作指令値と呼ばれる場合がある。

演算器９０は、ＰＩ制御器８４の電流指令値Ｉｄｃ１＊とＰＩ制御器８８の電流指令値Ｉｄｃ２＊の加算値Ｉｄｃ３＊を演算する。演算器９２は、演算器９０の加算値Ｉｄｃ３＊とダンピング制御指令値との差分ΔＩｄｃ４を演算する。実際には、放電指令と充電指令とが同時にでることはないので、ΔＩｄｃ４は、電流指令値Ｉｄｃ１＊とダンピング指令値との差分値、或いは、電流指令値Ｉｄｃ２＊とダンピング指令値との差分値となる。ダンピング制御指令値は、例えばＰＷＭ変換器の電圧を補償する値である。

演算器９４は、演算器９２による差分値ΔＩｄｃ４とリアクトル電流検出値との差分ΔＩｄｃ５を演算する。リアクトル電流検出値は、例えばＰＷＭ変換器に位相補償の値である。ＰＩ制御器９６は、演算器９４が演算した差分値ΔＩｄｃ５を用いて、ＰＩ制御することにより、電圧指令値Ｖｄ＊を生成する。

ＰＷＭキャリア比較器９８は、所謂変調波と所謂キャリアとの高低を比較することで、電圧指令値Ｖｄ＊を変換器５０（図３）のゲート信号Ｇに変換する。これらから分かるように、電圧制御部４８Ａは、第１饋電装置２の出力電流が増加するにしたがい変換器部４６の出力電圧Ｖｄｃを増加させるゲート信号Ｇを出力する。

図６は、変換器６６（図４）を用いた場合の電圧制御部４８Ｂの構成を例示する図である。図４及び図５で説明した構成と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。ここでは、変圧器６８の電源周波数（ω／２π）で回転する回転座標系で採用されるｄ軸、ｑ軸を用いた表現を導入する。ｑ軸はｄ軸に対して９０度進相となる。図６に示すように、電圧制御部４８Ｂは、記憶部８０と、演算器８２、８６、９０、９２、９４、１０８と、ＰＩ制御器８４、８８、１１０、１１２と、位相検出器１００と、ＰＱ検出器１０４と、無効電力制御器１０６と、座標変換器１１２、１１４と、ＰＷＭキャリア制御器１１６と、を備えて構成されている。

位相検出器１００は、Ｒ－Ｓ相間電圧のゼロクロス信号φｒｓに基づいて電源位相θを検出する。座標変換器１０２は電源位相θに基づき、線電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔを３相／２相変換により、ｄ軸－ｑ軸座標系のｄ軸電流Ｉｄと、ｑ軸成分であるｑ軸電流Ｉｑと、に変換する。ＰＱ検出器１０４は、電源位相θと線電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔとに基づき、瞬時実電流と瞬時虚電流を検出する。無効電力制御器１０６は、ＰＱ検出器１０４が検出した瞬時実電流と瞬時虚電流とに基づき、無効電流を制御するｑ軸電流の指示値Ｉｑ＊を出力する。

演算器１０８は、ｑ軸電流の指示値Ｉｑ＊とｑ軸電流Ｉｑとの差分値ΔＩｑを演算する。ＰＩ制御器１１０は、演算器１０８が演算した差分値ΔＩｑを用いて、ＰＩ制御することにより、電圧指令値Ｖｑ＊を求める。

一方で、演算器９４は、演算器９２による差分値ΔＩｄｃ４とｄ軸電流Ｉｄとの差分値ΔＩｄを演算する。ＰＩ制御器１１２は、演算器９４が演算した差分値ΔＩｄを用いて、ＰＩ制御することにより、電圧指令値Ｖｄ＊を生成する。座標変換器１１４は、電圧指令値Ｖｑ＊、Ｖｄ＊を２相／３相変換することにより、三相の電圧指令値Ｖｒ、Ｖｄ、Ｖｔを生成する。ＰＷＭ変換器１１６は、三相の電圧指令値Ｖｒ、Ｖｄ、Ｖｔに基づき、ゲート信号Ｇを生成する。このように、電圧制御部４８は、第１饋電装置２の出力電流が増加するにしたがい変換器部４６の出力電圧Ｖｄｃを増加させるゲート信号Ｇを出力する。

図７は、第２饋電装置４の両隣に第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂが配置されている例を示す図である。すなわち、変換器部４６が直流饋電回路６に接続される接続点に隣接して第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂが配置されている。図７に示すように、隣接する第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂが第２饋電装置４の両サイドに存在する場合、電圧制御に用いる変電所の電流値は、隣接する第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂの出力電流の合算値、平均値などを用いる。或いは、隣接する第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂの出力電流のいずれか一方の値を用いてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１饋電装置２が直流饋電回路６に出力する電流を増加させるにしたがい、電圧制御部４８、４８Ａ、４８Ｂは第２饋電装置４の変換器部４６の出力電圧を増加させる第１制御を行うこととした。これにより、第２饋電装置４から力行する電車８ａに対する電力供給が増加され、電車８のパンタ点電圧を上昇させ、電車８ａの加速性能を向上させることが可能となる。また、第１饋電装置２が出力する電流が増加するにしたがい、第２饋電装置４の変換器部４６の出力電圧を増加させるので、第１饋電装置２から第２饋電装置４に流入する横流を抑制できる。

（第２実施形態）
第１実施形態に係る第２饋電装置４は、第１饋電装置２の出力する電流が増加するにしたがい、出力電圧Ｖｄｃを増加させる第１制御を行っていたのに対し、本実施形態に係る第２饋電装置４は、第１饋電装置２における直流饋電回路６の電圧が増加するにしたがい、出力電圧Ｖｄｃを低下させる第２制御を行うことも可能である点で、第１実施形態と相違する。以下では第１実施形態に係る第２饋電装置４と相違する点を説明する。

図８は、第１饋電装置２の電流電圧特性の一例と、第２饋電装置４の出力電圧との関係の一例を示す特性図である。(a)は、第１饋電装置２の電流電圧特性の一例を示す図である。縦軸は、第１饋電装置２の出力電圧を示し、横軸は、第１饋電装置２の出力電流を示している。（ｂ）は、第１饋電装置２の出力電圧と第２饋電装置４の出力電圧との関係の一例を示す特性図である。縦軸は、第２饋電装置４の出力電圧を示し、横軸は、第１饋電装置２の出力電流を示している。

図８に示すように、変換器部４６（図１）は、直流饋電回路６に電力を放電する力行運転用の動作と、直流饋電回路６から電力を充電する回生運転用の動作と、が可能であり、電圧制御部４８（図１）は、第１饋電装置２が直流饋電回路６に供給する電圧が増加する場合に、変換器部４６の回生運転時の動作電圧を低下させる。より具体的には、電圧制御部４８（図１）は、饋電センサ情報入力部４２により入力された第１饋電装置２の電圧の情報に基づき、第１饋電装置２が直流饋電回路６に供給する電圧が増加するにしたがい変換器部４６の動作点電圧を減少させる第１制御を行う。例えば、第１饋電装置２の電圧がΔＶ１増加すると、第２饋電装置４の放電電圧をΔＶ２低下させ、或いは、第２饋電装置４の充電電圧をΔＶ３低下させる。このように、電圧制御部４８は、第１饋電装置２が直流饋電回路６に供給する電流を増加させるにしたがい第２饋電装置４の出力電圧、すなわち送り出し電圧を低下させ、電車８ｂから電車８ａへの電力供給を増加させる。この場合、第１饋電装置２の出力電流は０であるので、所謂横流は生じない。

図９は、変換器５０（図３）を用いる場合の電圧制御部４８Ｃの構成を例示する図である。図９に示すように、電圧制御部４８Ｃの記憶部８０は、第１饋電装置２の電圧値Ｖと電圧指令減算値Ｖｓｕｂの関係を記録するテーブルＴｂを更に有する点で、第１実施形態に係る電圧制御部４８Ａと相違する。すなわち、電圧制御部４８Ｃは、電圧制御部４８Ｃは、記憶部８０と、演算器８２、８６、９０、９２、９４、１１８、１２０と、ＰＩ制御器８４、８８、９６と、ＰＷＭキャリア比較器９８とを備えて構成されている。図９では、このテーブルＴｂに記載される電圧指令減算値Ｖｓｕｂと第１饋電装置２における饋電電圧Ｖとの関係を模式的に示している。横軸は第１饋電装置２における饋電電圧Ｖを示し、縦軸は電圧指令減算値Ｖｓｕｂを示している。これから分かるように、電圧指令減算値Ｖｓｕｂは、第１饋電装置２における饋電電圧Ｖが増加するにしたがい減少する。電圧指令減算値Ｖｓｕｂは０以下の値である。ここで、第１閾値Ｖｔｈ０は、図８に示した第１閾値Ｖｔｈ０と同等の値である。すなわち、電圧指令減算値Ｖｓｕｂがマイナスの値を有するのは、第１饋電装置２における出力電流が０の場合である。このように、饋電装置４の出力電圧Ｖｄｃを減少させても、第１饋電装置２からの横流は流入しないようにテーブルＴｂは構成されている。

演算器１１８は、演算器８２が演算した差分値ΔＶｄｃ１＊に電圧指令減算値Ｖｓｕｂを加算した加算値Ｖｄｃ３＊を演算する。ＰＩ制御器８４は、演算器１１８が演算した加算値Ｖｄｃ３＊を用いて、ＰＩ制御することにより、電流指令値Ｉｄｃ１＊を生成する。

演算器１２０は、演算器８６が演算した差分値ΔＶｄｃ２＊に電圧指令減算値Ｖｓｕｂを加算した加算値Ｖｄｃ４＊を演算する。ＰＩ制御器８８は、演算器１２０が演算した加算値Ｖｄｃ４＊を用いて、ＰＩ制御することにより、電流指令値Ｉｄｃ２＊を生成する。他の処理は図５の説明と同等であるので、省略する。

これから分かるように、テーブルＴｂを用いた第２制御では、第１饋電装置２における饋電電圧Ｖが増加するにしたがい変換器部４６の出力電圧Ｖｄｃを減少させるゲート信号Ｇを出力する。このように第２饋電装置４の回生開始電圧を第１饋電装置２の変換器部２２の送り出し電圧よりも下げる特性をテーブルＴｂに設定することにより、電車８ｂの回生電力を電車８ａにより多く供給させることが可能となる。この場合、第１饋電装置２の供給電流は０なので、横流は発生しない。また、第２饋電装置４の回生開始電圧を第１饋電装置２の変換器部２２の送り出し電圧よりも下げることにより、電車８ｂの回生電力による充電をより効率的に行え、回生失効を抑制することも可能となる。

図１０は、変換器６６（図４）を用いる場合の電圧制御部４８Ｄの構成を例示する図である。図１０に示すように、電圧制御部４８Ｄの記憶部８は、第１饋電装置２の電圧値Ｖと電圧指令減算値Ｖｓｕｂの関係を記録するテーブルＴｂを更に有する点で、第１実施形態に係る電圧制御部４８Ｂと相違する。すなわち、この電圧制御部４８Ｄは、記憶部８０と、演算器８２、８６、９０、９２、９４、１０８、１１８、１２０と、ＰＩ制御器８４、８８、１１０、１１２と、位相検出器１００と、ＰＱ検出器１０４と、無効電力制御器１０６と、座標変換器１１２、１１４と、ＰＷＭキャリア制御器１１６と、を備えて構成されている。図１０では、このテーブルＴｂに記載される電圧指令減算値Ｖｓｕｂと第１饋電装置２における饋電電圧Ｖとの関係を模式的に示している。横軸は第１饋電装置２における饋電電圧Ｖを示し、縦軸は電圧指令減算値Ｖｓｕｂを示している。これから分かるように、電圧指令減算値Ｖｓｕｂは、第１饋電装置２の第１饋電装置２における饋電電圧Ｖが増加するにしたがい減少する。電圧指令減算値Ｖｓｕｂは０以下の値である。

演算器１１８は、演算器８２が演算した差分値ΔＶｄｃ１＊に電圧指令減算値Ｖｓｕｂを加算した加算値Ｖｄｃ３＊を演算する。ＰＩ制御器８４は、演算器１１８が演算した加算値Ｖｄｃ３＊を用いて、ＰＩ制御することにより、電流指令値Ｉｄｃ１＊を生成する。

演算器１２０は、演算器８６が演算した差分値ΔＶｄｃ２＊に電圧指令減算値Ｖｓｕｂを加算した加算値Ｖｄｃ４＊を演算する。ＰＩ制御器８８は、演算器１２０が演算した加算値Ｖｄｃ４＊を用いて、ＰＩ制御することにより、電流指令値Ｉｄｃ２＊を生成する。他の処理は図６の説明と同等であるので、省略する。

図１１は、第２饋電装置４がレール６ｂの端部に配置されている例を示す図である。図１０に示すように隣接する変電所は第１饋電装置２のみであるので、電圧制御部４８Ｃ、Ｄが制御に用いる電圧は、第１饋電装置２の電圧ＰＴ１を使用する。

図１２は、第２饋電装置４の両隣に第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂが配置されている例を示す図である。図１２に示すように、隣接する第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂが第２饋電装置４の両サイドに存在する場合、電圧制御部４８Ｃ、Ｄは、第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂの電圧ＰＴ１、ＰＴ２の内において低い方の値を制御に用いる。これにより、隣接第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂから第２饋電装置４に流入する横流を抑制することが可能となる。第２饋電装置４が回生抵抗器のような余剰エネルギーを熱処理するような装置の場合、横流を抑制することができ、エネルギーの利用効率が向上する。

一方で、第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂの電圧ＰＴ１、ＰＴ２の内において電圧の高い方の値を制御に用いた場合、回生車の回生失効を抑制することが可能となる。このため、横流が流れても省エネ性能を訴求する場合は、電圧ＰＴ１、ＰＴ２の内において電圧の高い方の値を制御に用いればよい。第２饋電装置４が横流を充電したり、施設などに供給したりすることが可能なタイプの場合、第２饋電装置４に流入した横流を有効に活用することも可能である。

第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂの内の一方に近接して第２饋電装置４を設置する場合が有る。この場合、直流饋電回路６の抵抗がほとんどないため、第２饋電装置４の放電電開始電圧や、充電開始電圧を下げると、第１饋電装置２ａ、第３饋電装置２ｂの内の近接する変電所からの横流が第２饋電装置４に流れてしまうおそれがある。このため、近接する変電所の整流器２２ｂが投入されている時は、第２饋電装置４におけるテーブルＴｂに基づく制御を停止させ、整流器２２ｂが解放されている時に、テーブルＴｂに基づく制御を有効としてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、本実施形態によれば、電圧制御部４８Ａ、４８Ｂが直流饋電回路６の電圧が増加するにしたがい、第２饋電装置４の変換器部４６の出力電圧を低減させる第２制御を行うこととした。これにより、回生中の電車８ｂから、力行中の電車８ａへの回生電力の供給をより効率化することが可能となる。また、第２饋電装置４の変換器部４６の出力電圧の低減は、第１閾値の電圧Ｖｔｈ０以上の場合に行われるので、第１饋電装置２ａ、２ｂの出力電流は０となり、第２饋電装置４への横流の流入が抑制される。

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。

１：饋電システム、２、２ａ：第１饋電装置、２ｂ：第３饋電装置、４：第２饋電装置、６：直流饋電回路、８ａ、８ｂ：電車、２２：変換器部、２２ａ：変圧器、２２ｂ：整流器、２４：電流計測部、２６：電圧計測部、４２：饋電センサ情報入力部、４６、４６Ａ、４６Ｂ：変換器部、４８Ａ、４８４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄ：電圧制御部

Claims (14)

1. 第１饋電装置が接続される直流饋電回路に前記第１饋電装置と異なる位置で電力を供給する饋電装置であって、
   前記直流饋電回路に前記第１饋電装置が出力する電流の情報を取得する情報取得部と、
   前記直流饋電回路に前記第１饋電装置と異なる位置で供給する電力を生成する変換器部と、
   前記電流の情報に基づき、前記電流が増加するにしたがい前記変換器部の出力電圧を増加させる第１制御を行う電圧制御部と、
   を備える饋電装置。
2. 第１饋電装置が接続される直流饋電回路に電力を供給する饋電装置であって、
   前記直流饋電回路の所定位置の電圧の情報を取得する情報取得部と、
   前記直流饋電回路に供給する電力を生成する変換器部と、
   前記電圧の情報に基づき、前記電圧が増加するにしたがい前記変換器部の出力電圧を低減させる第２制御を行う電圧制御部と、
   を備える饋電装置。
3. 前記情報取得部は、直流饋電回路の所定位置の電圧の情報も取得しており、
   前記電圧制御部は、前記電圧の情報に基づき、前記第１饋電装置が出力する電流を推定する、請求項１に記載の饋電装置。
4. 前記第１饋電装置は、前記変換器部が前記直流饋電回路に接続される接続点に隣接して配置されており、
   前記電圧制御部は、隣接する饋電装置が二つある場合に、一方の饋電装置の出力電流、それぞれの饋電装置の出力電流の合算値、及びそれぞれの饋電装置の出力電流の平均値の内のいずれかに基づき、前記第１制御を行う、請求項１又は３に記載の饋電装置。
5. 前記電圧制御部は、前記電流を測定した電流計測部の出力信号の時間応答を遅らせた信号に基づき、前記出力電圧の第１制御を行う、請求項１、３、４のいずれか一項に記載の饋電装置。
6. 前記変換器部は、前記直流饋電回路に電力を放電する力行運転用の動作と、前記直流饋電回路からの電力を充電する回生運転用の動作と、が可能であり、
   前記電圧制御部は、前記電圧が増加する場合に、前記変換器部の回生運転時の動作電圧を低下させる、請求項２に記載の饋電装置。
7. 前記第１饋電装置は、前記電圧が第１閾値より大きくなる場合に電流の供給を停止する動作を行っており、
   前記電圧制御部は、前記第２制御において前記電圧が前記第１閾値より大きくなる場合に、前記変換器部における動作電圧を低下させる、請求項２又は６に記載の饋電装置。
8. 前記電圧制御部は、前記電圧を測定した電圧計測部の出力信号の時間応答を遅らせた信号に基づき、前記第２制御を行う、請求項２、６、７のいずれか一項に記載の饋電装置。
9. 前記第１饋電装置は、解列可能なシリコン整流器により前記直流饋電回路に電力を供給しており、
   前記電圧制御部は、前記第１饋電装置の前記シリコン整流器が前記直流饋電回路から解列している場合に、前記電圧が増加するにしたがい前記変換器部の出力電圧を前記変換器部の送り出し電圧より低くする前記第２制御を行う、請求項２、６、７、８のいずれか一項に記載の饋電装置。
10. 前記情報取得部が取得する前記電圧は、前記第１饋電装置が電力を供給する接続点における饋電電圧である、請求項２に記載の饋電装置。
11. 前記変換器部は、前記直流饋電回路に電力を充放電可能な蓄電装置、及びＰＷＭコンバータの少なくとも一方を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の饋電装置。
12. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の饋電装置と、
    前記饋電装置が接続される直流饋電回路に電力を供給する前記第１饋電装置と、
    を備える、饋電システム。
13. 直流饋電回路に電力を供給する第１饋電装置と、前記第１饋電装置と異なる位置で前記直流饋電回路に電力を供給する第２饋電装置とを備える饋電システムであって、
    第２饋電装置は、
    前記直流饋電回路に前記第１饋電装置が出力する電流の情報を取得する情報取得部と、
    前記直流饋電回路に前記第１饋電装置と異なる位置で供給する電力を生成する変換器部と、
    前記電流の情報に基づき、前記電流が増加するにしたがい前記変換器部の出力電圧を増加させる第１制御を行う電圧制御部と、
    を有する饋電システム。
14. 直流饋電回路に電力を供給する第１饋電装置と、前記直流饋電回路に電力を供給する第２饋電装置とを備える饋電システムであって、
    第２饋電装置は、
    前記直流饋電回路の所定位置の電圧の情報を取得する情報取得部と、
    前記直流饋電回路に供給する電力を生成する変換器部と、
    前記電圧の情報に基づき、前記電圧が増加するにしたがい前記変換器部の出力電圧を低減させる第２制御を行う電圧制御部と、
    を有する饋電システム。

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