JP7281297B2 - 制御方法および制御装置 - Google Patents
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Description
所定の路線のき電線に接続されて電力を充放電する電力貯蔵装置の制御方法であって、
前記路線を走行する電気車の位置、速度および当該電気車の重量に基づいて、当該電気車の力学的エネルギーを算出する力学的エネルギー算出ステップ(例えば、図14のステップS1)と、
前記力学的エネルギーの時間微分であるエネルギー微分値を算出するエネルギー微分値算出ステップ(例えば、図14のステップS3)と、
前記エネルギー微分値に基づく充放電を前記電力貯蔵装置に行わせる充放電指令を生成する指令生成ステップ(例えば、図14のステップS11~S17)と、
を含む制御方法である。
所定の路線のき電線に接続されて電力を充放電する電力貯蔵装置の制御装置(例えば、図1の充放電制御装置10)であって、
前記路線を走行する電気車の位置、速度および当該電気車の重量に基づいて、当該電気車の力学的エネルギーを算出する力学的エネルギー算出手段(例えば、図11の力学的エネルギー算出部204)と、
前記力学的エネルギーの時間微分であるエネルギー微分値を算出するエネルギー微分値算出手段(例えば、図11のエネルギー微分値算出部206)と、
前記エネルギー微分値に基づく充放電を前記電力貯蔵装置に行わせる充放電指令を生成する指令生成手段(例えば、図11の充放電指令生成部210)と、
を備えた制御装置を構成しても良い。
前記路線にはN個(N≧1)の前記電力貯蔵装置が配置され、
前記路線にはM本(M≧1)の前記電気車が走行し、
前記力学的エネルギー算出ステップは、前記M本の電気車毎の前記力学的エネルギーを算出し、
前記エネルギー微分値算出ステップは、前記M本の電気車毎の前記エネルギー微分値を算出し、
前記指令生成ステップは、
前記M本の電気車それぞれについて、当該電気車の位置から各電力貯蔵装置までの距離に基づき、当該電気車の前記エネルギー微分値を前記N個の電力貯蔵装置に割り振ることで、前記N個の電力貯蔵装置それぞれについて、当該電力貯蔵装置に割り振られた前記エネルギー微分値の和であるポテンシャル微分値を算出するポテンシャル微分値算出ステップ(例えば、図14のステップS11~S15)と、
前記電力貯蔵装置別に、当該電力貯蔵装置の前記ポテンシャル微分値に基づく充放電を当該電力貯蔵装置に行わせる前記充放電指令を生成するステップ(例えば、図14のステップS17)と、
を有する、
制御方法である。
前記指令生成ステップは、前記ポテンシャル微分値が正の場合には放電を、負の場合には充電を当該電力貯蔵装置に行わせる前記充放電指令を生成する、
制御方法である。
前記エネルギー微分値算出ステップは、
前記エネルギー微分値が負の場合に、所与の回生時係数を乗算することで当該エネルギー微分値を補正するステップ(例えば、図14のステップS5)、
を有する、
制御方法である。
前記回生時係数は1未満である、
制御方法である。
前記エネルギー微分値算出ステップは、
前記エネルギー微分値が正の場合に、1以上である所与の力行時係数を乗算することで当該エネルギー微分値を補正するステップ(例えば、図14のステップS5)、
を有する、
制御方法である。
前記エネルギー微分値算出ステップは、
前記エネルギー微分値に、当該電気車の補機電力に相当する所与の値を加算することで当該エネルギー微分値を補正するステップ(例えば、図14のステップS9)、
を有する、
制御方法である。
図1は、本実施形態の充放電制御装置10の適用例を示す概略図である。充放電制御装置10は、鉄道において、所定の路線のき電線30に接続されて電力を充放電する電力貯蔵装置24を制御する制御装置である。本実施形態では、電力貯蔵装置24は、路線に設けられたN箇所の変電所20(20-n:n=1~N:N≧1)それぞれに配置される。つまり、N個の電力貯蔵装置24(24-n:n=1~N)が路線に分散配置されている。
充放電制御装置10による電力貯蔵装置24の充放電制御について説明する。
(A)概要
電力貯蔵装置24の充放電制御は路線全体として“省エネ(省エネルギー)”を実現するように行う。“省エネ”とは、路線全体において電力系統からの供給電力を可能な限り少なくすること、を意味する。省エネを実現するための理想的な充放電制御としては、回生失効の防止のため、電気車40が発生する回生電力を可能な限り回収して電力貯蔵装置24に貯蔵するとともに、電気車40が必要とする力行電力を、可能な限り電力貯蔵装置24の貯蔵電力から供給し、不足分だけを電力系統から供給する、ように制御すればよい。
理想的な充放電制御は、具体的には次のように行うことができる。なお、簡単のため、路線の変電所20は1箇所とし、1台の電気車40が走行しているものとして説明する。また、き電損失や充放電損失、主回路損失といった各種損失は無いものとする。つまり、変電所20と電気車40との間でき電線30を介してエネルギーのやり取りをしている、といえるから、き電線30から変電所20への流入電流Iaが、電力貯蔵装置24の充電電流Icと等しくなる、ように制御することが、最も理想的な充放電制御といえる。
電気車40の持つ力学的エネルギーに着目すると、ある期間における電気車40が持つ力学的エネルギーの増加量は、当該期間における当該電気車40の集電装置を出入りした電力量、に等しい。集電装置を出入りした電力量は、き電線30から取り込む電力量を正値とすると、電気車40において消費した電力量に相当するから、当該期間における、主電動機の駆動電力の時間積分、および、補機電力の時間積分、の合計といえる。駆動電力は、電気車40の力行時には正値となり、これは、主電動機で消費した力行電力に相当する。また、回生時には負値となり、これは、主電動機が生成した回生電力に相当する。
ここまでは1本の電気車が走行している場合について説明したが、路線のN箇所に変電所20-n(n=1,・・,N)が配置され、M本の電気車40-i(i=1,・・,M)が走行している場合には、次のように応用することとする。つまり、き電線30から各変電所20-nへの流入電力は、M本の電気車40-i(i=1,・・,M)それぞれのエネルギー微分値Pi(t)を割り振ることで求める。この電気車40-iそれぞれのエネルギー微分値Pi(t)を各変電所20-nについて割り振ったときの各変電所20-nについての合計のエネルギー微分値Pi(t)のことをポテンシャル微分値Pn(t)と呼び、次式(3)のように定義する。
ここまでは、理想的な充放電制御について説明したが、実際の充放電制御では電力貯蔵装置24の制約を受けることになる。そこで、理想充放電電力P*(t)のみならず、電力貯蔵装置24の制約を考慮して、実際の充放電指令を生成する。
ここまでの計算で求められた電力貯蔵装置24に対する充放電指令は、各種損失を考慮しないいわば理想的な値であり、実際の充放電電力との乖離によって電力貯蔵装置24の充放電損失が生じ得る。そこで、充放電損失を低減するため、次のような補正を行う。
図6は、エネルギー微分値と回生電力量との関係の一例を示す図であり、図2に示したグラフと同じグラフを示している。図6に示すように、電気車40の回生時におけるエネルギー微分値Pi(t)は、絶対値でみると、理想回生電力より大きい。実際の電気車40の走行では、走行抵抗や主回路損失、機械ブレーキ損失などの各種損失があるためである。その損失の分だけ、電気車40の速度などから求められるエネルギー微分値Pi(t)の絶対値が理想回生電力の絶対値より大きくなるのである。エネルギー微分値Pi(t)の絶対値を理想回生電力の絶対値より多く見積もるということは、その多く見積もった分だけ電力貯蔵装置24に余分な充電を行わせようと制御することになり、その結果として充放電損失が生じてしまう。このため、回生時におけるエネルギー微分値Pi(t)を理想回生電力に近づけて精度良く見積もるように補正する。
また、実際の電気車40において必要とする電力には、駆動電力のみではなく、照明や空調といった補機に要する補機電力Paがある。補機電力は、主に外気温に応じて変動し、例えば、外気温が高い夏季には冷房を主要因として補機電力Paが大きくなる。省エネを実現するための理想的な電力貯蔵装置24の充放電制御を実現するためには、電気車40の補機電力Paを精度良く見積もる必要がある。すなわち、電気車40の力行時には、補機電力Paの分だけ電気車40の消費電力が増加するから、その分の電力を、電力貯蔵装置24から放電させる必要がある。また、電気車40の回生時には、補機電力Paの分だけ電気車40からき電線30へ放出される回生電力が減少するので、その分の電力だけ、電力貯蔵装置24の充電電力を減少させる必要がある。
ある路線のある時間帯のダイヤを対象とし、上述した電力貯蔵装置24の充放電制御を適用して、列車運行電力シミュレータを用いたシミュレーションを行った。列車運行電力シミュレータは、地理データを含む路線データや、地上設備である変電所20を含むき電回路のデータ、ダイヤなどの運行計画のデータ、路線を走行する電気車40の諸元データ、などを与えることで、路線におけるダイヤに従った電気車40の走行を模擬し、各電気車40の位置や速度、ノッチ、電圧、電流の時間推移と、各変電所20の電圧や電流の時間推移とを、コンピュータ演算によって算出するものである。この列車運行電力シミュレータを用いたシミュレーションの結果から、電気車40および変電所20に関する各種の電力や損失の時間推移を算出し、これを積算することで、各種の電力量や損失を算出した。
図11は、充放電制御装置10の機能構成の一例を示すブロック図である。図11によれば、充放電制御装置10は、操作入力部102と、表示部104と、音出力部106と、通信部108と、処理部200と、記憶部300とを備えて構成され、一種のコンピュータとして実現される。
図14は、充放電制御装置10が充放電制御プログラム302に従って行う充放電制御処理の流れを説明するフローチャートである。この処理は、ある路線に設置されるN箇所の変電所20の電力貯蔵装置24に対する充放電制御をリアルタイムに行うための処理である。
このように、本実施形態の充放電制御装置10によれば、電気車40の力学的エネルギーUi(t)の時間微分であるエネルギー微分値Pi(t)に基づいて電力貯蔵装置24の充放電を制御するという省エネを実現する新たな制御方法を実現できる。具体的には、路線を走行するM本の電気車40それぞれの力学的エネルギーの時間微分であるエネルギー微分値を算出する。また、き電線30では距離に応じた電力の損失が生じるため、各電気車40のエネルギー微分値Pi(t)を、当該電気車40の位置から各電力貯蔵装置の位置までの距離に応じて各電力貯蔵装置に割り振る。そうして各電力貯蔵装置毎に、当該電力貯蔵装置に割り振られたエネルギー微分値の和であるポテンシャル微分値Pn(t)を算出する。そして、ポテンシャル微分値に基づいて各電力貯蔵装置の充放電を制御する。各電力貯蔵装置毎にポテンシャル微分値を算出して充放電を制御することで、路線全体の損失を低減し、路線全体としての省エネ効果をより高めることができる。
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
200…処理部
202…電気車管理部
204…力学的エネルギー算出部、206…エネルギー微分値算出部、
210…充放電指令生成部
212…回生時補正部、214…力行時補正部
216…補機電力補正部、218…ポテンシャル微分値算出部
300…記憶部
302…充放電制御プログラム
310…電気車管理データ、330…変電所管理データ
340…路線データ
20…変電所
22…変電設備
24…電力貯蔵装置、26…電力変換器、28…蓄電池
30…き電線
40…電気車
Claims (7)
- 所定の路線のき電線に接続されて電力を充放電する地上に設置される電力貯蔵装置の制御方法であって、
前記路線を走行する電気車の位置、速度および当該電気車の重量に基づいて、当該電気車の力学的エネルギーを算出する力学的エネルギー算出ステップと、
前記力学的エネルギーの時間微分であるエネルギー微分値を算出するエネルギー微分値算出ステップと、
前記エネルギー微分値に基づく充放電を前記電力貯蔵装置に行わせる充放電指令を生成する指令生成ステップと、
を含み、
前記路線にはN個(N≧1)の前記電力貯蔵装置が配置され、
前記路線にはM本(M≧1)の前記電気車が走行し、
前記力学的エネルギー算出ステップは、前記M本の電気車毎の前記力学的エネルギーを算出し、
前記エネルギー微分値算出ステップは、前記M本の電気車毎の前記エネルギー微分値を算出し、
前記指令生成ステップは、
前記M本の電気車それぞれについて、当該電気車の位置から各電力貯蔵装置までの距離に基づき、当該電気車の前記エネルギー微分値を前記N個の電力貯蔵装置に割り振ることで、前記N個の電力貯蔵装置それぞれについて、当該電力貯蔵装置に割り振られた前記エネルギー微分値の和であるポテンシャル微分値を算出するポテンシャル微分値算出ステップと、
前記電力貯蔵装置別に、当該電力貯蔵装置の前記ポテンシャル微分値に基づく充放電を当該電力貯蔵装置に行わせる前記充放電指令を生成するステップと、
を有する、
制御方法。 - 前記指令生成ステップは、前記ポテンシャル微分値が正の場合には放電を、負の場合には充電を当該電力貯蔵装置に行わせる前記充放電指令を生成する、
請求項1に記載の制御方法。 - 前記エネルギー微分値算出ステップは、
前記エネルギー微分値が負の場合に、所与の回生時係数を乗算することで当該エネルギー微分値を補正するステップ、
を有する、
請求項1又は2に記載の制御方法。 - 前記回生時係数は1未満である、
請求項3に記載の制御方法。 - 前記エネルギー微分値算出ステップは、
前記エネルギー微分値が正の場合に、1以上である所与の力行時係数を乗算することで当該エネルギー微分値を補正するステップ、
を有する、
請求項3又は4に記載の制御方法。 - 前記エネルギー微分値算出ステップは、
前記エネルギー微分値に、当該電気車の補機電力に相当する所与の値を加算することで当該エネルギー微分値を補正するステップ、
を有する、
請求項1~5の何れか一項に記載の制御方法。 - 所定の路線のき電線に接続されて電力を充放電する地上に設置される電力貯蔵装置の制御装置であって、
前記路線を走行する電気車の位置、速度および当該電気車の重量に基づいて、当該電気車の力学的エネルギーを算出する力学的エネルギー算出手段と、
前記力学的エネルギーの時間微分であるエネルギー微分値を算出するエネルギー微分値算出手段と、
前記エネルギー微分値に基づく充放電を前記電力貯蔵装置に行わせる充放電指令を生成する指令生成手段と、
を備え、
前記路線にはN個(N≧1)の前記電力貯蔵装置が配置され、
前記路線にはM本(M≧1)の前記電気車が走行し、
前記力学的エネルギー算出手段は、前記M本の電気車毎の前記力学的エネルギーを算出し、
前記エネルギー微分値算出手段は、前記M本の電気車毎の前記エネルギー微分値を算出し、
前記指令生成手段は、
前記M本の電気車それぞれについて、当該電気車の位置から各電力貯蔵装置までの距離に基づき、当該電気車の前記エネルギー微分値を前記N個の電力貯蔵装置に割り振ることで、前記N個の電力貯蔵装置それぞれについて、当該電力貯蔵装置に割り振られた前記エネルギー微分値の和であるポテンシャル微分値を算出する手段と、
前記電力貯蔵装置別に、当該電力貯蔵装置の前記ポテンシャル微分値に基づく充放電を当該電力貯蔵装置に行わせる前記充放電指令を生成する手段と、
を有する、
制御装置。
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