JP4238190B2 - 電力貯蔵式回生電力吸収装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、余剰の電力を吸収し不足の電力を補う電力貯蔵式回生電力吸収装置およびその制御方法に関し、特に、電気鉄道システムに利用して好適な電力貯蔵式回生電力吸収装置に関する。

近年、電気鉄道システムでは、回生ブレーキを有する電気車、即ち、回生車両が使用されている。回生ブレーキは、減速時に車両の運動エネルギーを車載のインバータにより電気エネルギーに変換する。き電系統は、車両の加速時には、変電所からの直流電力を、き電線を介して電気車に供給し、車両の減速時には、回生車両からの回生電力を、き電線を介して吸収する。回生電力は、回生車両近くに加速車両がある場合には、その車両の加速エネルギーとして消費され、き電システムの省エネ化が図れる。

しかしながら、回生電力を消費する加速車両が近くにいない場合には、回生車両のフィルタコンデンサが充電され、回生車両のパンタ点電圧が上昇する。この場合、車両を過電圧から保護するために、ブレーキを回生ブレーキから機械ブレーキに変更する。そのため、乗り心地と省エネ性が悪化する。

特開平１１−９１４１５号公報には、余剰電力を電力貯蔵要素に貯蔵し、電気車力行時のエネルギーとして放電する方法が記載されている。特開２００１−２６０７１９号公報には、電力貯蔵要素の電力制御を行う電力変換器の制御方法が記載されている。これらの方法では、き電線電圧が充電制御設定電圧以上であれば充電を行い、放電制御設定電圧以下であれば放電を行う。

特開平１１−９１４１５号公報 特開２００１−２６０７１９号公報

しかしながら、上述の制御方式では電力貯蔵要素の充電率制御を実施できず、電力貯蔵要素の過充電、もしくは過放電が起きる可能性がある。また、電力貯蔵要素の過充電、もしくは過放電を回避するには、電力貯蔵要素の容量を大きくする必要があり、電力貯蔵要素の利用率が低下する。

さらに、電力貯蔵要素への充放電電力を制御する電力変換器はＤＣ／ＤＣコンバータで構成されるため、待機時にもスイッチング損失が定常的に発生する。

本発明の目的は、き電線電圧を安定にしながら電力貯蔵要素の過充電及び過放電を防止し、さらに待機時の低損失化を実現することにある。

本発明による電力貯蔵式回生電力吸収装置は、電力貯蔵装置と、該電力貯蔵装置からき電線への放電及びき電線から該電力貯蔵装置への充電を制御する電力変換器と、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより高いとき、それを電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓまで引き下げるように上記電力変換器を制御する充電時電圧制御系と、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより低いとき、それを電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃまで引き上げるように上記電力変換器を制御する放電時電圧制御系と、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上のとき、電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣを充電率指令値ＳＯＣｒｅｆに一致させるように上記電力変換器を制御する充電率制御系と、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上であり、更に、電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の絶対値が基準値ΔＳＯＣ以内のとき上記電力変換器のスイッチングを停止させるサプレス制御系とを有する。

本発明によれば、き電線電圧の安定化と待機時の低損失化を実現することができる。

図１を参照して、本発明による電力貯蔵式回生電力吸収装置の第１の例を説明する。図１は、本発明による電力貯蔵式回生電力吸収装置を含むき電システムの全体構成を示す。

先ず、電力系統から説明する。交流系統１０から変圧器９及びダイオード整流器８を介して、き電線６とレール７間に、例えば１５００［Ｖ］の直流電力を供給する。以下、き電線６とレール７を、単に、き電線６、７と呼ぶ。き電線６、７に、本例の電力貯蔵式回生電力吸収装置５００が接続されている。

本例の電力貯蔵式回生電力吸収装置５００は、電力貯蔵装置１、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０、及び、制御系を有する。本例では、電力貯蔵装置１は二次電池である。二次電池１はＤＣ／ＤＣ電力変換器２０を介して、き電線６、７に接続されている。二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタやフライホイール発電機を用いてもよい。

ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０は、双方向チョッパ装置であり、２つのフィルタ部２１、２３とその間に挟まれたスイッチング部２２とを有する。スイッチング部２２は、互いに直列に接続された２つのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１１、１２を有し、各ＩＧＢＴにはフリーホイールダイオード１３、１４が逆並列接続されている。２つのフィルタ部２１、２３は、それぞれリアクトル２及び４と、コンデンサ３を有する。良く知られているように、双方向チョッパ装置２０は、ＰＷＭ制御により、二次電池１の端子電圧を昇圧して、き電線６、７に放電させ、また、き電線６、７の電圧を降圧して二次電池１に充電する機能を有する。

電圧検出器１７は、き電線６、７の電圧Ｖｓを検出し、電圧検出器１５は、二次電池１の電圧Ｖｂａｔを検出し、電流検出器１６は、二次電池１の充電電流Ｉｂａｔを検出する。

次に、制御装置について説明する。本例の制御装置は、充電率制御系１００、放電時電圧制御系１０１、充電時電圧制御系１０２、電流指令値切り替え判定器１２８、この判定によって切り替えられる切り替えスイッチ１２０、電流指令値に基づき動作する電流制御系１０３、及び、き電線電圧Ｖｓと二次電池１の充電率によりＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングを停止させるサプレス制御部１０４を有する。

まず、充電時電圧制御系１０２について説明する。充電時電圧制御系１０２は、減算器１１６、電圧制御器１１７、及び、リミッタ１１８を有する。充電時電圧制御系１０２は、き電線電圧Ｖｓが高すぎる場合に、それを電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓまで引き下げるように充電制御を行う。減算器１１６は、き電線電圧Ｖｓから電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓを減算し、偏差である超過電圧を求める。電圧制御器１１７は、超過電圧が小さくなるように電流司令値Ｉａｂｓを生成する。リミッタ１１８は、き電線電圧Ｖｓが、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより小さい（Ｖａｂｓ＞Ｖｓ）とき、二次電池１からき電線へ放電する側の電圧制御を禁止する。

次に、放電時電圧制御系１０１について説明する。放電時電圧制御系１０１は、減算器１１３、電圧制御器１１４、及び、リミッタ１１５を有する。放電時電圧制御系１０１は、電線電圧Ｖｓが低すぎる場合に、それを電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃまで引き上げるように放電制御を行う。減算器１１３は、き電線電圧Ｖｓから電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃを減算し、偏差である不足電圧を求める。電圧制御器１１４は、不足電圧が小さくなるように電流司令値Ｉｄｉｓｃを生成する。リミッタ１１５は、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより大きい（Ｖｓ＞Ｖｄｉｓｃ）とき、き電線から二次電池１へ電力を吸収する側の電圧制御を禁止する。

次に、充電率制御系１００について説明する。充電率制御系１００は、充電率算出器１１０、減算器１１１、及び、充電率制御器１１２を有する。充電率制御系１００は、充電率ＳＯＣをその指令値ＳＯＣｒｅｆに一致させるように充放電制御を行う。充電率算出器１１０は、二次電池１の電圧Ｖｂａｔと充電電流Ｉｂａｔから充電率ＳＯＣを算出する。減算器１１１は、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆから充電率ＳＯＣを減算し、その偏差を求める。充電率制御器１１２は、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆと充電率ＳＯＣの偏差が小さくなるように電流司令値を生成する。

次に、加算器１１９、電流指令値切り替え判定器１２８及び切り替えスイッチ１２０について説明する。電流指令値切り替え判定器１２８及び切り替えスイッチ１２０は、き電線Ｖｓに応じてＤＣ／ＤＣ電力変換器２０の動作を切り替えるように機能する。加算器１１９は、放電時電圧制御系１０１の電流指令値Ｉｄｉｓｃと充電時電圧制御系１０２の電流指令値Ｉａｂｓを加算する。電流指令値切り替え判定器１２８は、き電線電圧Ｖｓの値に基づいて、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０が、き電線電圧を所定の範囲に維持するための電圧制御を行うか、二次電池１の充電率を所定の範囲に維持するための充電率制御を行うかを判定する。具体的には、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上、且つ、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下であれば、充電率制御を行うと判定し、それを切り替えスイッチ１２０に送信する。切り替えスイッチ１２０は、充電率制御系１００からの電流指令値を電流指令値Ｉｒｅｆとして出力する。き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ未満、又は、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより大きい場合には、電圧制御を行うと判定し、それを切り替えスイッチ１２０に送信する。切り替えスイッチ１２０は、放電時電圧制御系１０１の電流指令値Ｉｄｉｓｃと充電時電圧制御系１０２の電流指令値Ｉａｂｓの和を電流指令値Ｉｒｅｆとして出力する。

次に、電流制御系１０３について説明する。電流制御系１０３は、減算器１２１、電流制御器１２２、及び、ゲートドライバ１２３を有する。減算器１２１は、電流指令値Ｉｒｅｆと二次電池１の充電電流Ｉｂａｔとの偏差を演算する。電流制御器１２２は、この偏差を低減するように電流司令値を生成する。ゲートドライバ１２３は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０のスイッチング部２２内のＩＧＢＴ１１、１２をＰＷＭ制御するためのゲート信号を生成する。

次に、サプレス制御部１０４について説明する。サプレス制御部１０４は、充電率判定器１２４、き電線電圧判定器１２５、論理積演算部１２６、及び、ゲートサプレス部１２７を有する。充電率判定器１２４は、二次電池１の充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差を求める。この偏差の絶対値が基準値ΔＳＯＣ以下となったとき、サプレス指令を論理積演算部１２６に出力する。き電線電圧判定器１２５は、き電線電圧が電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上且つ電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下であるとき、サプレス指令を論理積演算部１２６に出力する。論理積演算部１２６は、充電率制御器１２４とき電線電圧判定器１２５の両方からサプレス指令が出力されたときにサプレス信号をゲートサプレス部１２７に出力する。ゲートサプレス部１２７は論理積演算部１２６からサプレス指令が出力された場合は、電流制御系１０３より出力されたゲート信号を全てＯＦＦにし、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングを停止させる。論理積演算部１２６からサプレス信号が出力されない場合は、電流制御系１０３より出力されたゲート信号をＩＧＢＴ１１、１２に出力し、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングを行う。

図２を参照して、第１の例におけるＤＣ／ＤＣ電力変換器２０の運転状態の変化を説明する。図２の縦軸はき電線電圧Ｖｓ、横軸は二次電池１の充電率ＳＯＣである。電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ、及び、電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、運転条件を判定する条件である。充電率指令値ＳＯＣｒｅｆ、充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の基準値ΔＳＯＣは、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングを停止する条件である。

回生車両がき電線６、７上に存在しないときの、即ち、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧をＶｓｓ０とする。

本例では、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより大きい場合には、二次電池１の充電を行い、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより小さい場合には、二次電池１の放電を行う。き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上の場合には、二次電池１の充電率制御を行う。充電率制御では、二次電池１の充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣｒｅｆに一致するように、充放電制御を行う。

充電率制御において、二次電池１の充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の絶対値が基準値ΔＳＯＣより小さい場合には、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングを停止する。これをサプレス制御と呼ぶ。それにより、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０の待機時損失を低減することができる。

電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓは無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より高い値に設定する。電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓを、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より低い値に設定すると、回生車両が、き電線６、７上に存在しないときでも、ダイオード整流器８を介して交流系統１から二次電池１へ電力が吸収され、二次電池１の充電が行われる。電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓを無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より高くすることにより、き電線６、７上に回生電力が発生しているときのみ二次電池１の充電が行われる。逆に、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓが高すぎると回生電力の吸収が遅れる。結局、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓは、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より数十［Ｖ］高い電圧に設定するのが望ましい。

電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より低い値に設定する。電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃを無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より低い値に設定することにより、き電線６、７上に電力が不足したときのみ二次電池１の放電が行われる。電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃが低すぎると、き電線電圧の低下を抑制する効果が十分に得られない。結局、電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より数十Ｖ低い値に設定する。

図２Ａの例では、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆは５０％よりも低い値に設定されている。これは、き電線６、７上に不足電力を供給することよりも、二次電池１によって多量の回生電力を吸収することを重視している場合である。しかし、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆが低すぎると、き電線の不足電圧の補充を確実に行うことができないため、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆは１０％〜４０％程度とするのが望ましい。偏差の基準値ΔＳＯＣは、小さすぎるとスイッチングを停止する状態が長く続かないため、待機時損失の低減効果が減る。偏差の基準値ΔＳＯＣが大きすぎると充電率制御を実施できる範囲が低下し、電力貯蔵要素の利用率向上に支障が出る。従って、偏差の基準値ΔＳＯＣは満充電を１００％とすると数％程度にするべきである。本例ではサプレスする領域を、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆ±ΔＳＯＣ以内としているが、非対称でも良い。

図２Ｂの例では、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆは５０％よりも高い値に設定されている。これは、二次電池１によって回生電力を吸収することよりも、き電線６、７上に不足電力を供給することを重視している場合である。

図３を参照して、電力貯蔵式回生電力吸収装置の第１の例の動作を説明する。図３Ａは、き電線電圧Ｖｓ、図３Ｂは、二次電池１の充電電流Ｉｂａｔ、図３Ｃは、二次電池１の充電率ＳＯＣ、図３Ｄは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０へのサプレス信号を示す。横軸は時間である。時刻０〜ｔ１の初期状態では、図３Ｃに示すように、充電率ＳＯＣは充電率指令値ＳＯＣｒｅｆに一致しており、図３Ａに示すように、き電線電圧Ｖｓはダイオード整流器８の無負荷時出力電圧Ｖｓｓ０にほぼ等しいとする。初期状態では、図３Ｄに示すように、充電率判定器１２４およびき電線電圧判定器１２５よりサプレス指令が出力されており、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングは停止している。

時刻ｔ１において、図３Ａに示すように、回生車両から発生する回生電力により、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより高くなる。そのため、充電時電圧制御系１０２の電流指令値Ｉａｂｓが、充電電流Ｉｂａｔの指令値Ｉｒｅｆとなる。このとき、図３Ｄに示すように、き電線電圧判定器１２５はサプレス指令解除を出力する。電流制御系１０３からのゲート信号に基づきＩＧＢＴ１１、１２がスイッチングされる。これにより、図３Ｂに示すように、二次電池１は、き電線６、７からの充電電流Ｉｂａｔにより、充電され、き電線電圧Ｖｓの上昇が抑制される。時刻ｔ１からｔ２まで、二次電池１は充電されるため、図３Ｃに示すように、充電率ＳＯＣが上昇する。

時刻ｔ２において、き電線電圧Ｖｓは、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより低くなる。このとき、充電率制御系１００からの電流指令値が、充電電流指令値Ｉｒｅｆとなる。時刻ｔ２を過ぎると、充電率ＳＯＣは下降し、時刻ｔ３にて、充電率ＳＯＣは、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆ＋ΔＳＯＣに等しくなる。従って、時刻ｔ２からｔ３まで、充電率制御系１００は放電の電流指令値を出力する。図３Ｂに示すように、時刻ｔ２からｔ３まで、二次電池１の充電電流Ｉｂａｔは負（放電）となる。

時刻ｔ３において、充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣｒｅｆ＋ΔＳＯＣと等しくなると、図３Ｄに示すように、サプレス制御部１０４の充電率判定器１２４およびき電線電圧判定器１２５は、サプレス指令を出力する。それによりＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングが停止する。従って、図３Ｂに示すように、充電電流Ｉｂａｔはゼロとなり、充電率ＳＯＣはＳＯＣｒｅｆ＋ΔＳＯＣにて一定となる。

時刻ｔ４にて、図３Ａに示すように、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより低くなる。このとき、図３Ｄに示すように、き電線電圧判定器１２５はサプレス解除信号を出力するため、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングが始まる。放電時電圧制御系１０１からの指令値Ｉｄｉｓｃが電流指令値Ｉｒｅｆとなる。図３Ｂに示すように、二次電池１よりき電線６、７へ放電される。これにより、き電線電圧Ｖｓの低下が抑制される。

時刻ｔ５にて、図３Ａに示すように、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより高くなると、充電率制御系１００の電流指令値が電流指令値Ｉｒｅｆとなる。時刻ｔ４からｔ５まで、二次電池１は放電したため、図３Ｃに示すように、時刻ｔ５では、充電率ＳＯＣは充電率指令値ＳＯＣｒｅｆ−ΔＳＯＣより低下している。そのため、充電率判定器１２４はサプレス解除指令を出力し、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングは継続する。

時刻ｔ５からｔ６まで、充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差を減らすよう、充電率制御系１００は充電電流指令値を出力する。図３Ｂに示すように、二次電池１へ充電電流Ｉｂａｔが流れる。

時刻ｔ６において、充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣｒｅｆ−ΔＳＯＣ以上となるため、充電率判定器１２４はサプレス指令を出力する。さらに、き電線電圧判定器１２５はサプレス指令を出力するため、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングは停止される。

以上のように、本例の電力貯蔵式回生電力吸収装置は、き電線電圧の変動を抑制し、充電率も所定の範囲内に抑制できる。また、次の条件のとき、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングが停止される。

Ｖｄｉｓｃ≦Ｖｓ≦Ｖａｂｓ、且つ
ＳＯＣｒｅｆ−ΔＳＯＣ＜ＳＯＣ＜ＳＯＣｒｅｆ＋ΔＳＯＣ、

本例では、き電線電圧をき電線６とレール７間の電圧としたが、リアクトル４での電圧降下は比較的小さいため、き電線電圧としてコンデンサ３の端子電圧を用いても良い。

本例によれば、き電線電圧が上昇したときに回生電力を吸収することができ、き電線電圧の安定化が図れる。また、電力貯蔵要素の充電率を所望の範囲に保つことができるため、電力貯蔵要素の利用率を向上することができ、電力貯蔵式回生電力吸収装置の低コスト化ができる。さらに、無駄なスイッチングを省くことができるため、待機時の低損失化が図れる。

図４を参照して、本発明による電力貯蔵式回生電力吸収装置の第２の例を説明する。本例の電力貯蔵式回生電力吸収装置を図１の第１の例と比較すると、本例では、放電時電圧制御系１０１に、基準値補正器１２９、及び、加算器１３０が付加的に設けられ、充電時電圧制御系１０２に、基準値補正器１３１、及び、減算器１３２が付加的に設けられている点が異なる。本例では、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓと電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃを二次電池１の充電率ＳＯＣによって補正する。

二次電池１の充電率ＳＯＣが高い場合、積極的に放電をするように電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃの値を大きくする。また、充電率ＳＯＣが低い場合、積極的に充電するように電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓの値を小さくする。これにより、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０は、き電線６、７の電圧の変動幅を低減することができる。更に、二次電池１の充電率ＳＯＣによって、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓと電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃを変化させるから、充電率管理が容易になる。

ここでは、第１の例と異なる点のみを説明する。また、図４において、図１と同一機能部には同一符号をつけ、重複説明を避ける。

放電時電圧制御系１０１において、基準値補正器１２９は二次電池１の充電率ＳＯＣを入力とし、充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣｄｉｓｃより大きい場合、充電率ＳＯＣと所定値ＳＯＣｄｉｓｃの偏差に比例した補正項ΔＶｄｉｓｃを算出する。加算器１３０は、補正項ΔＶｄｉｓｃと電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃの和を、新たな電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２とする。このとき、補正された電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２は、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より大きくならない値に設定する。従って、補正項ΔＶｄｉｓｃは、ΔＶｄｉｓｃＭａｘ（＜Ｖｓｓ０−Ｖｄｉｓｃ）以下に制限される。

また、充電時電圧制御系１０２において、基準値補正器１３１は二次電池１の充電率ＳＯＣを入力とし、充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣａｂｓより小さい場合、充電率ＳＯＣと所定値ＳＯＣａｂｓの偏差に比例した補正項ΔＶａｂｓを算出する。減算器１３２は、補正項ΔＶａｂｓと電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓの差を、新たな電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ２とする。このとき、補正された電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ２は、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧Ｖｓｓ０より小さくならない値に設定する。従って、補正項ΔＶａｂｓはΔＶａｂｓ（＜Ｖａｂｓ−Ｖｓｓ０）以下に制限される。

電流指令値切り替え判定器１２８は判定を行うとき、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓの代わりに補正された電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ２を用い、電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃの代わりに補正された電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２を用いる。き電線電圧判定器１２５も同様に、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓの代わりに補正された電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ２を用い、電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃの代わりに補正された電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２を用いる。

以上により、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０は充電率ＳＯＣにより電圧制御と充電率制御の切り替え電圧を変化させることができる。

図５を参照して、第２の例におけるＤＣ／ＤＣ電力変換器２０の運転状態の変化を説明する。図５の縦軸はき電線電圧Ｖｓ、横軸は二次電池１の充電率ＳＯＣである。図５において曲線５０１は、補正された電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ２を示し、曲線５０２は、補正された電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２を示す。

充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣｄｉｓｃより大きい場合、即ち、ＳＯＣ＞ＳＯＣｄｉｓｃの場合、補正された電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２は補正されていない電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより大きい。本例では、充電率ＳＯＣが高い場合には電力放電運転開始電圧を上げることにより放電の機会を増加させ、き電線電圧の変動幅を抑制することができる。

また、充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣａｂｓより小さい場合、即ち、ＳＯＣ＜ＳＯＣａｂｓの場合、補正された電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ２は補正されていない電力充電運転開始電Ｖａｂｓより小さい。本例では、充電率ＳＯＣが低い場合には電力充電運転開始電圧を下げることにより充電の機会を増加させ、き電線電圧の変動幅を抑制することができる。

以上の例では、き電線電圧をき電線６とレール７間の電圧とした。しかしながら、リアクトル４における電圧降下は比較的小さい。そこで、き電線電圧としてコンデンサ３の端子電圧を用いても良い。

本例によれば、き電線電圧が上昇したときに回生電力を吸収することができ、き電線の安定化が図れる。また、電力貯蔵要素の充電率を所望の範囲に保つことができるため、電力貯蔵要素の利用率を向上させることができる。さらに、無駄なスイッチングを省くことができるため、機器の低損失化が図れる。

その上、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０は、き電線６、７の電圧の変動幅を低減することができ、充電率ＳＯＣが低い場合には電力放電運転開始電圧を下げることにより放電の機会を低減し、また、充電率ＳＯＣが高い場合には電力充電運転開始電圧を上げることにより充電の機会を低減することで充電率管理を容易にすることができる。

本発明の電力貯蔵式回生電力吸収装置の第３の例を説明する。先に説明した第１の例や第２の例と異なる点のみを説明する。第３の例では先に示した図４と構成は同じであるが、基準値補正器１２９と基準値補正器１３１の出力する補正値が異なる。

図６を参照して第３の例におけるＤＣ／ＤＣ電力変換器２０の運転状態の変化を説明する。図６の縦軸はき電線電圧Ｖｓ、横軸は二次電池１の充電率ＳＯＣである。図６において曲線６０１は、補正された電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ２を示し、曲線６０２は、補正された電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２を示す。

充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣｄｉｓｃより小さい場合、即ち、ＳＯＣ＜ＳＯＣｄｉｓｃの場合、補正された電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２は補正されていない電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより小さい。本例では、充電率ＳＯＣが低い場合には電力放電開始電圧を下げることにより放電の機会を減少させ、二次電池１の過放電を抑制することができる。

また、充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣａｂｓより大きい場合、即ち、ＳＯＣ＞ＳＯＣａｂｓの場合、補正された電力充電開始電圧Ｖａｂｓ２は補正されていない電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより大きい。本例では、充電率ＳＯＣが高い場合には、電力充電運転開始電圧を上げることにより充電の機会を減少させ、二次電池１の過充電を抑制することができる。

以上の例では、き電線電圧をき電線６とレール７間の電圧とした。しかしながら、リアクトル４における電圧降下は比較的小さい。そこで、き電線電圧としてコンデンサ３の端子電圧を用いても良い。

本例によれば、き電線電圧が上昇したときに回生電力を吸収することができ、き電線の安定化が図れる。また、電力貯蔵要素の充電率を所望の範囲に保つことができるため、電力貯蔵要素の利用率を向上させることができる。さらに、無駄なスイッチングを省くことができるため、機器の低損失化が図れる。

その上、二次電池１の充電率が高い場合は電力充電運転開始電圧を上げることで二次電池１の過充電を抑制することができ、二次電池１の充電率が低い場合は電力放電運転開始電圧を下げることで二次電池１の過放電を抑制できる。

本発明によると、き電線電圧の安定化と、電鉄用回生電力吸収装置の電力貯蔵要素の利用率の向上と、待機時損失低減を同時に実現することができる。更に、本発明は、ハイブリッド自動車や鉄道用ハイブリッド気動車にも適用可能である。すなわち、交流系統１０の代わりにエンジン発電機を設け、負荷となる電気車の代わりに力行／回生用のモータを設ければよい。これにより、ハイブリッド自動車やハイブリッド気動車の電力貯蔵装置における回生電力吸収装置として利用できる。

また、本発明は、直流部が連結された分散電源システムにも応用できる。すなわち、回生車両の代わりに分散電源を設け、力行車両の代わりに負荷を設ければよい。これにより、分散電源システムにおける電圧安定装置として利用できる。

本発明の電力貯蔵式回生電力吸収装置の第１の例の構成を示す図である。 本発明の電力貯蔵式回生電力吸収装置の第１の例の動作マップを示す図である。 本発明の電力貯蔵式回生電力吸収装置の第１の例の動作波形を示す図である。 本発明の電力貯蔵式回生電力吸収装置の第２の例の構成を示す図である。 本発明の電力貯蔵式回生電力吸収装置の第２の例の動作マップを示す図である。 本発明の電力貯蔵式回生電力吸収装置の第３の例の動作マップを示す図である。

符号の説明

１…二次電池、２、４…フィルタリアクトル、３…フィルタコンデンサ、６…き電線、７…レール、８…ダイオード整流器、９…変圧器、１０…交流系統、１１、１２…ＩＧＢＴ、１３、１４…フリーホイールダイオード、１５、１７…電圧検出器、１６…電流検出器、２０…ＤＣ／ＤＣ電力変換器、２１、２３…フィルタ部、２２…スイッチング部、１００…充電率制御系、１０１…放電時電圧制御系、１０２…放電時電圧制御系、１０３…電流制御系、１０４…サプレス制御系、１２４…充電率判定器、１２５…き電線電圧判定器、５００…回生電力吸収装置

Claims (11)

1. 電力貯蔵装置と、該電力貯蔵装置からき電線への放電及びき電線から該電力貯蔵装置への充電を制御する電力変換器と、き電線電圧Ｖｓが所定の電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより高いとき、それを該電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓまで引き下げるように上記電力変換器を制御する充電時電圧制御系と、き電線電圧Ｖｓが所定の電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより低いとき、それを該電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃまで引き上げるように上記電力変換器を制御する放電時電圧制御系と、き電線電圧Ｖｓが上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上のとき、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣを所定の充電率指令値ＳＯＣｒｅｆに一致させるように上記電力変換器を制御する充電率制御系と、き電線電圧Ｖｓが上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上であり、更に、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣと上記充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の絶対値が所定の基準値ΔＳＯＣ以内のとき上記電力変換器のスイッチングを停止させるサプレス制御系と、を有する電力貯蔵式回生電力吸収装置。
2. 請求項１記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓは、無負荷時におけるき電線に供給される電圧Ｖｓｓ０より数十ボルト高い値であることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
3. 請求項１記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、無負荷時におけるき電線に供給される電圧Ｖｓｓ０より数十ボルト低い値であることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
4. 請求項１記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、上記充電率指令値ＳＯＣｒｅｆは、上記電力貯蔵装置の最大可能充電率を１００％とすると、１０〜４０％、又は、６０〜９０％に設定されることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
5. 請求項１記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓは、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣに基づいて変化することを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
6. 請求項５記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓは、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣａｂｓより小さい場合、通常の値より小さくすることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
7. 請求項１記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣに基づいて変化することを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
8. 請求項７記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣが所定値ＳＯＣｄｉｓｃより大きい場合、通常の値より大きくすることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
9. 電力貯蔵装置と該電力貯蔵装置からき電線への放電及びき電線から該電力貯蔵装置への充電を制御する電力変換器とを有する電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法において、
   き電線電圧Ｖｓが所定の電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより高いとき、それを該電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓまで引き下げるように上記電力変換器を制御する充電時電圧制御ステップと、
   き電線電圧Ｖｓが所定の電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより低いとき、それを該電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃまで引き上げるように上記電力変換器を制御する放電時電圧制御ステップと、
   き電線電圧Ｖｓが上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上のとき、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣを所定の充電率指令値ＳＯＣｒｅｆに一致させるように上記電力変換器を制御する充電率制御ステップと、
   き電線電圧Ｖｓが上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上であり、更に、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣと上記充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の絶対値が所定の基準値ΔＳＯＣ以内のとき上記電力変換器の動作を停止するサプレス信号を生成するサプレス制御ステップと、
   を有する電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法。
10. 請求項９記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法において、上記電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓを、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣに基づいて変化させることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法。
11. 請求項９記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法において、上記電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃを、上記電力貯蔵装置の充電率ＳＯＣに基づいて変化させることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法。

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