JP5919092B2 - 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、車両減速時に車両からの回生電力を充電し、車両加速時に放電する蓄電池を用いた回生電力吸収装置およびその制御方法に係り、特にＤＣ／ＤＣ電力変換器を介して蓄電池に充放電する電力を制御する電力貯蔵式回生電力吸収装置およびその制御方法に関する。

直流の電気鉄道システムは、送電網であるき電線とレール、交流系統の電力を直流に変換して直流電力をき電線に供給する整流器、そして車両により構成される。

近年、電気鉄道システムでは、省エネを目的とし、車両減速時に車両の運動エネルギーをインバータにより電力に変換し（回生電力）、送電線であるき電線に送電する回生車両の導入が増えている。車両は加速時に同一のき電線より直流電力を得るため、他の車両の回生電力の一部は加速のために活用可能であり、エネルギーの有効活用が可能である。

しかしながら、回生電力を消費する加速車両が該回生電力を発生する他の車両の近くにいない場合、回生車両のフィルタコンデンサが充電され、回生車両のパンタグラフ点電圧が上昇する。この電圧上昇が著しい場合、車両を過電圧から保護するために、減速中の車両は減速手段を回生ブレーキから機械ブレーキに変更する。そのため、乗り心地が悪化し、機械ブレーキの摩耗が進むことになる。

特許文献１には、余剰電力を電力貯蔵要素に貯蔵し、車両加速時のエネルギーとして放電する方法が記載されている。この方法によれば、余剰電力を電力貯蔵要素に貯蔵するので、回生車両のフィルタコンデンサの充電に伴うパンタグラフ点電圧上昇の問題を回避できる。また車両間での電力融通の自由度を高くすることができる。

また具体的な運転方法に関して特許文献２には、き電線電圧と蓄電池の充電率により運転モードを切り替え、き電線電圧の安定化と電池充電率制御を両立する方法が開示されている。

特開平１１−９１４１５号 特許第４２３８１９０号

回生電力吸収装置が特許文献２で開示される運転方法にて運用された場合、電圧制御を実施する領域と、充電率制御を実施する領域の間でハンチングを起こす可能性がある。

この場合の具体的なハンチング発生原理は、以下のように説明できる。

充電率制御では電池はき電線電圧の状態に依存せず、充電率ＳＯＣとその指令値ＳＯＣ_ｒｅｆの偏差により決まる放電電流指令値に応じて放電する。

上記特許文献２の図２に示される電圧制御（充電）領域と充電率制御領域の境界付近にき電線電圧Ｖｓが位置した場合、充電率制御が実施されると、充電率ＳＯＣの値により定められる放電電力により、き電線電圧Ｖｓが持ち上げられる。き電線電圧Ｖｓが設定電圧Ｖ_ａｂｓより高くなると、制御が電圧制御（充電）に切り替えられ、き電線からの充電が始まり、き電線電圧Ｖｓが下がる。き電線電圧Ｖｓが設定電圧Ｖ_ａｂｓより低くなると、再び充電率制御が実施される。
以上の原理により、運転状態が電圧制御（充電）と充電率制御(放電)との間を行き来し、制御的なハンチングが起きる。

上記ハンチングを繰り返すことにより、き電線にはＤＣ／ＤＣ電力変換器のスイッチング周波数と無関係な非論理リプル電流が流出し、車両信号系に重畳するノイズが増える虞がある。この結果、電池には不要な充放電が繰り返されることになり、電池内部温度上昇で寿命が短くなる可能性がある。

さらに、ＤＣ／ＤＣ電力変換器では、き電線電圧安定化にも充電率制御にも寄与しない運転が継続し、その間もスイッチング損失が発生することから、ＤＣ／ＤＣ電力変換器の不要な温度上昇を引き起こすことになる。これは、そのまま電力貯蔵式回生電力吸収装置における損失であり、この損失は無視できない大きさである。

以上のことから本発明においては、き電線電圧の安定化、蓄電池の過充電・過放電防止、さらに制御ハンチングを防止してＤＣ／ＤＣ電力変換器の不要な損失発生を回避することができる電力貯蔵式回生電力吸収装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

電圧制御領域と充電率制御領域の間に、ＤＣ／ＤＣ電力変換器のスイッチングを停止させるサプレス領域を設ける。

具体的には、直流き電区間のき電線とレールの間に接続された電力変換装置と、電力変換装置に接続された電力貯蔵要素とを備え、電力貯蔵要素の充放電によりき電線電圧を第１の範囲内に制御する電圧制御モードと、き電線電圧が前記第１の範囲内にありかつ電力貯蔵要素の充電率が第２の範囲外にあるときに充電率を第２の範囲内に近づけるように制御する充電率制御モードにより電力変換装置に与えるゲート信号を制御する電力貯蔵式回生電力吸収装置であって、電圧制御モードから充電率制御モードに切り替わる段階において、電力変換装置に与えるゲート信号をオフにするサプレスモードを備える。

本発明によれば、制御ハンチングを防止することができる。また、ＤＣ／ＤＣ電力変換器の不要な温度上昇を回避できる。さらに、き電線への非論理ノイズの発生回避と、蓄電池の不要発熱による寿命劣化も回避可能となる。

本発明の実施例１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図。 充電率ＳＯＣとき電線電圧Ｖｓの関係を示した図。 本発明第一実施例の動作波形説明図。 本発明の実施例２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図。 充電率ＳＯＣとき電線電圧Ｖｓの関係を示した図。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の実施例１を、図１を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１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図である。本実施例では、電力貯蔵装置として二次電池を用いる。

まず、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］の直流電力を供給している。このき電線６とレール７間（以下、単にき電線６、７と記す）に、本実施例の電力貯蔵式回生電力吸収装置５００が接続される。電力貯蔵式回生電力吸収装置５００は、電力主回路部分と、その制御装置部分で構成されている。

このうちまず電力貯蔵式回生電力吸収装置５００の電力主回路部分は、主に双方向チョッパ装置に代表されるＤＣ／ＤＣ電力変換器２０、二次電池１により構成され、二次電池１はＤＣ／ＤＣ電力変換器２０を通して、き電線６とレール７に接続される。

この実施例におけるＤＣ／ＤＣ電力変換器２０は、双方向チョッパ装置であり、スイッチング部２２を２つのフィルタ部２１と２３で挟む形に構成されている。

スイッチング部２２は、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２の直列体からなり、それぞれの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からなる。良く知られているように、双方向チョッパ装置２０は、その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。

なお本実施例では電力貯蔵装置として二次電池１を用いるが、二次電池の変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同様の効果を奏することができる。

次に、電力貯蔵式回生電力吸収装置５００の制御装置部分について説明する。制御装置部分では、電力主回路部分に設置された各種検出器から電流、電圧信号を導入し、最終的にＤＣ／ＤＣ電力変換器２０のスイッチング部２２のＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２の点弧位相を制御する。

なお、制御装置部分に導入される電流、電圧信号は、直流電圧検出器１５からの二次電池１の端子電圧Ｖ_ｂａｔ、直流電流検出器１６からの二次電池１の充放電電流Ｉ_ｂａｔ、直流電圧検出器１７からのき電線の端子電圧Ｖ_Ｓなどである。

電力貯蔵式回生電力吸収装置５００の制御装置部分は、最終段ではサプレス制御部１０４からＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２に対する点弧信号を与えるが、本発明においては後述する条件が成立するときに、スイッチングの停止信号を与える。サプレス制御部１０４において、停止信号は電流制御系１０３からの信号と、き電線電圧Ｖｓと、二次電池１の充電率により決定される。以下、各信号がどのようにして定められるかを説明する。

まず電流制御系１０３側について説明する。電流制御系１０３では、直流電流検出器１６からの二次電池１の充放電電流Ｉ_ｂａｔを帰還信号とする電流制御が実行される。その電流指令値Ｉ_ｒｅｆは複数の制御系からの信号により定められ、運転状態に応じてこれらが適宜切り替え使用される。

この実施例において、電流指令値Ｉ_ｒｅｆを定めるための制御系は、充電率制御系１００と、放電時電圧制御系１０１と、充電時電圧制御系１０２である。運転状態に応じてこれらを適宜切り替え使用するために、電流指令値切り替え判定器１２８と、この判定によって切り替えられる切り替えスイッチ１２０とを備える。

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、直流電圧検出器１７からのき電線の端子電圧Ｖ_Ｓを帰還信号とする制御を実行する。き電線端子電圧Ｖ_Ｓに対する目標値は充電時電圧指令値Ｖ_ａｂｓである。Ｖ_ａｂｓは電力吸収運転開始電圧である。

充電時電圧制御系１０２では、まず減算器１１６において、き電線電圧Ｖｓから電力吸収運転開始電圧Ｖ_ａｂｓを減算し、偏差である超過電圧を小さくすべく制御する電圧制御器１１７に与える。リミッタ１１８は、き電線電圧Ｖｓが、電力吸収運転開始電圧Ｖ_ａｂｓより小さい（Ｖ_ａｂｓ＞Ｖｓ）とき、二次電池１からき電線へ放電する放電方向の電圧制御動作を禁止するために設けられたものである。このときに充電時電圧制御系１０２が与える電流指令値がＩ_ａｂｓである。

以上により、高すぎるき電線電圧Ｖｓを、電力吸収開始電圧Ｖ_ａｂｓまで引き下げるための充電時の電圧制御系１０２を構成している。

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、直流電圧検出器１７からのき電線の端子電圧Ｖ_Ｓを帰還信号とする制御を実行する。き電線端子電圧Ｖ_Ｓに対する目標値は放電時電圧指令値Ｖ_ｄｉｓｃである。Ｖ_ｄｉｓｃは電力放電運転開始電圧である。

放電時電圧制御系１０１では、まず減算器１１３において、き電線電圧Ｖｓから電力放電運転開始電圧Ｖ_ｄｉｓｃを減算し、偏差である不足電圧を小さくすべく制御する電圧制御器１１４に与える。リミッタ１１５は、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖ_ｄｉｓｃより大きいとき、き電線から二次電池１へ電力を吸収する充電方向の電圧制御動作を禁止するために設けられたものである。このときに放電時電圧制御系１０１が与える電流指令値がＩ_ｄｉｓｃである。

以上により、低すぎるき電線電圧Ｖｓを、電力放電運転開始電圧Ｖ_ｄｉｓｃまで引き上げるための放電時の電圧制御系１０１を構成している。

なお、放電時電圧制御系１０１の最終段では、加算回路１１９において２つの電流指令値Ｉ_ａｂｓとＩ_ｄｉｓｃを加算している。然るに２つの電流指令値Ｉ_ａｂｓとＩ_ｄｉｓｃは、異なるき電線電圧Ｖｓのときに発生する信号であるので、実際には同時に出力されることがない。このため理論上は電流指令値Ｉ_ａｂｓとＩ_ｄｉｓｃのいずれか、あるいは無信号が出力されていると考えてよい。

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ＳＯＣを帰還信号とする制御を実行する。充電率ＳＯＣは、充電率算出器１１０において、二次電池１の電圧Ｖ_ｂａｔと充電電流Ｉ_ｂａｔから算出される。

充電率制御系１００では、減算器１１１において、充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆから充電率ＳＯＣを減算し、その偏差を小さくすべく制御する充電率制御器１１２に与える。充電率制御器１１２の出力もまた、電流制御系１０３に対する電流指令値である。これにより、充電率ＳＯＣをその指令値ＳＯＣ_ｒｅｆに一致させるための充電率制御系１００を構成している。

次に、電流指令値切り替え判定器１２８について説明する。電流指令値切り替え判定器１２８では、３組の電流指令値のいずれかを選択する。３組の電流指令値は、充電時電圧制御系１０２が与える電流指令値Ｉ_ａｂｓと、放電時電圧制御系１０１が与える電流指令値Ｉ_ｄｉｓｃと、充電率制御器１１２が与える電流指令値である。

電流指令値切り替え判定器１２８は、き電線電圧Ｖｓを指標としてＤＣ／ＤＣ電力変換器２０がき電線電圧維持制御をするか、二次電池１の充電率の制御をするかを判定する。

具体的には、き電線電圧Ｖｓが基準値Ｖ_ｄｉｓｃ以上、基準値Ｖ_ａｂｓ以下であれば充電率制御系１００からの電流指令値を電流制御系１０３の電流指令値Ｉ_ｒｅｆとし、それ以外であれば放電時電圧制御系１０１の電流指令値Ｉ_ｄｉｓｃと充電時電圧制御系１０２の電流指令値Ｉ_ａｂｓの和を電流制御系１０３の電流指令値Ｉ_ｒｅｆとする。なお先にも述べたように、電流指令値Ｉ_ｄｉｓｃと電流指令値Ｉ_ａｂｓの和は、これら指令値のいずれかであることを意味している。以上により、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。

次に、電流制御系１０３について説明する。減算器１２１では、電流指令値Ｉ_ｒｅｆと二次電池１の充電電流Ｉ_ｂａｔとの偏差を電流制御器１２２に出力し、電流制御器１２２は、この偏差を低減するように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算出する。

図２は、充電率ＳＯＣ（横軸）とき電線電圧Ｖｓ（縦軸）の関係を示した図であり、この図の上で上記の各種制御系による制御領域を説明する。この制御領域の切り替えは電流指令値切り替え判定器１２８により定められる。

まず充電時の電圧制御系１０２は、高すぎるき電線電圧Ｖｓを、電力吸収開始電圧Ｖ_ａｂｓまで引き下げるための機能を果たす。従って、図２においてき電線電圧Ｖｓが電力吸収開始電圧Ｖ_ａｂｓよりも大きい領域Ａがその作動領域であり、矢印ａの方向に電圧低下させる働きをする。

放電時の電圧制御系１０１は、低すぎるき電線電圧Ｖｓを、電力放電運転開始電圧Ｖ_ｄｉｓｃまで引き上げるための機能を果たす。従って、図２においてき電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧よりも小さい領域Ｂがその作動領域であり、矢印ｂの方向に電圧上昇させる働きをする。

また電流指令値切り替え判定器１２８は、き電線電圧Ｖｓが基準値Ｖ_ｄｉｓｃ以上、基準値Ｖ_ａｂｓ以下であれば充電率制御系１００からの電流指令値を電流制御系１０３の電流指令値Ｉ_ｒｅｆとするので、領域Ｃが充電率制御系１００による作動領域ということができる。

本発明ではこの充電率制御領域をさらに充電率制御（充電）領域Ｃ１、充電率制御（放電）領域Ｃ２、サプレス領域Ｃ３に区分して制御する。さらにサプレス領域Ｃ３は、電圧制御（充電）領域Ａと充電率制御（放電）領域Ｃ２が接する境界領域Ｃ３ａ、電圧制御（放電）領域Ｂと充電率制御（充電）領域Ｃ１が接する境界領域Ｃ３ｂに跨って設定されている。

本発明のサプレス制御系１０４では、図２の領域Ｃについて充電率制御とサプレス制御を切り替え運用して図２の特性を実現する。

サプレス制御系１０４は、サプレス条件判定部１２４およびゲートサプレス部１２７により構成される。サプレス制御系１０４は、き電線電圧Ｖｓ、充電率ＳＯＣ、電流制御系１０３により出力されるゲート信号を入力とし、以下の条件が成立するときにＤＣ／ＤＣ電力変換器２０へのゲート信号をすべてＯＦＦとする。

この条件は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０が、き電線電圧維持制御と二次電池１の充電率制御を切り替えたことに伴って成立し、その切り替えにより二次電池１の充電と放電が切り替わる場合である。また、き電線電圧Ｖｓが放電時電圧指令値Ｖ_ｄｉｓｃ以上、充電時電圧指令値Ｖ_ａｂｓ以下であり、なおかつ充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆの偏差の絶対値が基準値ΔＳＯＣ以下となった場合である。

具体的には、サプレス条件判定部１２４が、き電線電圧ｖｓ、放電開始電圧Ｖ_ｄｉｓｃ、充電開始電圧Ｖ_ａｂｓ、充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆの偏差である減算器１１１の出力を入力し、上記３つの条件、つまり
条件１：Ｖ_ｄｉｓｃ≦Ｖｓ≦Ｖ_ｄｉｓｃ＋ΔＶｓかつＳＯＣ＜ＳＯＣ_ｒｅｆ−ΔＳＯＣ_ｒｅｆ
条件２：Ｖ_ａｂｓ−ΔＶｓ≦Ｖｓ≦Ｖ_ａｂｓかつＳＯＣ_ｒｅｆ＋ΔＳＯＣ＜ＳＯＣ
条件３：Ｖ_ｄｉｓｃ≦Ｖｓ≦Ｖ_ａｂｓかつ｜ＳＯＣ−ＳＯＣ_ｒｅｆ｜≦ΔＳＯＣ
の真偽を判定し、条件１〜３のうちいずれかが真であればゲートサプレス部１２７にサプレス信号を出力する。

条件１、２、３を、図２と対比して明らかなように、条件１は電圧制御（放電）領域Ｂと充電率制御（充電）領域Ｃ１が接する境界領域Ｃ３ｂを設定したものである。条件２は、電圧制御（充電）領域Ａと充電率制御（放電）領域Ｃ２が接する境界領域Ｃ３ａを設定したものである。条件３は、サプレス領域Ｃ３の残余の部分Ｃ３Ｃである。

本発明では、この境界領域にもサプレス領域を設定している点が特徴である。サプレス領域では、電力変換装置は運転停止状態におかれる。

ゲートサプレス部１２７は、サプレス条件判定部１２４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。サプレス条件判定部１２４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に伝え、スイッチングを行う。

以上により、き電線電圧ＶｓがＶ_ｄｉｓｃ以上Ｖ_ａｂｓ以下であり、なお且つ充電率ＳＯＣと充電率ＳＯＣ_ｒｅｆの偏差の絶対値が基準値ΔＳＯＣ以内であればＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングを停止し、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。この状態は、条件３であり、あるいはサプレス領域Ｃ３の残余の部分Ｃ３Ｃである。

さらに、き電線電圧ＶｓがＶ_ａｂｓもしくはＶ_ｄｉｓｃ近傍でとどまった場合（条件１、２あるいはサプレス領域（Ｃ３ａ、Ｃ３ｂ）でも、ＤＣ／ＤＣ電力変換器のゲート信号をサプレスすることにより、き電線と電力貯蔵式回生電力吸収装置５００との間の電力授受を停止させることができるため、制御的なハンチングを回避できる。

さらにスイッチングを停止することで、き電線への非論理電流リプル注入の回避、電池への不要な充放電による発熱回避、ＤＣ／ＤＣ電力変換器の不要な損失発生回避が可能となる。

電力貯蔵式回生電力吸収装置５００の運転条件を判定する基準電圧Ｖ_ａｂｓ、Ｖ_ｄｉｓｃおよびスイッチングを停止する条件を定めるＳＯＣ_ｒｅｆ、ΔＳＯＣの設定範囲について以下に記す。

基準電圧Ｖ_ａｂｓが、無負荷時のダイオード整流器８の出力電圧より低い場合、き電線電圧Ｖｓが適正であるにも関わらず、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へ電力を吸収し、回生車両から吸収できる電力が減る可能性がある。このため、基準電圧Ｖａｂｓは回生車両が無い状態でのダイオード整流器８の無負荷時出力電圧以上とすべきである。

逆に、基準電圧Ｖａｂｓが高すぎると回生電力の吸収が遅れるため、基準電圧Ｖ_ａｂｓは、回生車両のいない状態でのダイオード整流器８の無負荷時出力電圧から数十［Ｖ］高い電圧に設定するのが望ましい。

また、基準電圧Ｖ_ｄｉｓｃは、無負荷時のき電線電圧に比べて低すぎるとき電線電圧の低下を抑制する効果が出ないため、Ｖ_ｄｉｓｃはダイオード整流器８の無負荷時出力電圧より数十Ｖ低い値にするべきである。

基準値ＳＯＣ_ｒｅｆは、限られた電力貯蔵容量でできるだけ多い回生電力を吸収するため、５０％よりも低い値とすべきである。しかし、ＳＯＣ_ｒｅｆが低すぎるとき電線電圧が低下を抑制できないため、ＳＯＣ_ｒｅｆは１０％〜４０％程度とするのが望ましい。

基準値ΔＳＯＣについては、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。また、基準値ΔＳＯＣが大きすぎると充電率制御が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。ゆえに、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。

基準値ΔＶｓについては、値が小さすぎるとき電線電圧検出用の電圧検出器値に重畳するノイズ成分によりハンチング回避効果が得られない。またΔＶｓがＶ_ａｂｓとＶ_ｄｉｓｃの差より大きくなると、ＶｓがＶ_ｄｉｓｃより低い場合もしくはＶｓがＶ_ａｂｓより高い場合でもＤＣ／ＤＣ電力変換器がサプレスされてしまい、き電線電圧ＶｓをＶ_ｄｉｓｃ以上Ｖ_ａｂｓ以下に制御することができなくなる。そのため、ΔＶｓはき電線電圧の定格値の数％以上、Ｖ_ａｂｓ−Ｖ_ｄｉｓｃ以下とすべきである。

以上のように規定した基準値を元に、本発明のＤＣ／ＤＣ電力変換器２０は図２に示すようにき電線電圧Ｖｓと充電率ＳＯＣにより、運転状態を変化させる。

また、本実施例ではサプレスする領域を、充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆ±ΔＳＯＣ以内としているが、非対称でも良い。

次に本実施例の動作例を、図３を用いて説明する。

図３は横軸を時間にとり、上から順にき電線電圧Ｖｓ、二次電池１の充電電流Ｉ_ｂａｔ、二次電池１の充電率ＳＯＣ、そしてＤＣ／ＤＣ電力変換器２０のサプレス信号を示す。ここで、初期状態として充電率ＳＯＣが指令値と一致しており、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にほぼ等しいとする。

時刻ｔ１以前の初期状態において、サプレス条件判定部１２４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。この状態は図２のサプレス領域Ｃ３Ｃに位置付けられる。

時刻ｔ１において、回生車両から発生する回生電力により、き電線電圧Ｖｓが電力吸収運転開始電圧Ｖ_ａｂｓ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Ｉ_ａｂｓが、電流制御系１０３の帰還信号である充電電流Ｉ_ｂａｔの指令値Ｉ_ｒｅｆとなる。

このとき、サプレス条件判定部１２４の出力はサプレス指令解除となるため、電流制御系１０３から発せられる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、二次電池１はき電線６、７から充電され、き電線電圧の上昇が抑制される。また、二次電池１への充電により、充電率ＳＯＣがＳＯＣ_ｒｅｆ＋ΔＳＯＣより高くなる。この状態は図２の電圧制御（充電）領域Ａに位置付けられる。

時刻ｔ２において、き電線電圧がＶ_ａｂｓ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Ｉ_ｒｅｆとなる。

このときにはき電線電圧Ｖｓと充電率ＳＯＣは、サプレス条件判定部１２４の条件２が真となるため、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０のゲート信号はＯＦＦとなる。この状態は図２のサプレス領域Ｃ３ａに位置付けられる。

時刻ｔ３において、き電線電圧ＶｓがＶ_ａｂｓ−ΔＶｓより低くなるため、サプレス条件判定部１２４の条件２が、真から偽となるため、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０のサプレスが解除され、充電率ＳＯＣが、充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆ＋ΔＳＯＣに等しくなるまで充電率制御系により放電運転が継続される。この状態は図２の充電率制御（放電）領域Ｃ２に位置付けられる。

時刻ｔ４において、充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆ＋ΔＳＯＣと等しくなると、サプレス条件判定部１２４の条件３が真となり、サプレス指令が出力されるため、ＩＧＢＴ１１、１３のスイッチングが停止する。ゆえに、Ｉ_ｂａｔはゼロとなり、充電率ＳＯＣはＳＯＣ_ｒｅｆ＋ΔＳＯＣでとどまる。この状態は図２のサプレス領域Ｃ３Ｃに位置付けられる。

時刻ｔ５で、き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖ_ｄｉｓｃより低くなる。このとき、サプレス条件判定部１２４の条件３が真から偽に変わるため、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０のサプレスが解除され、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Ｉ_ｄｉｓｃが電流指令値Ｉ_ｒｅｆとなり、二次電池１よりき電線６、７へ電力が放電される。これによりき電線電圧Ｖｓの低下が抑制される。また、この放電により、二次電池１の充電率ＳＯＣは、ＳＯＣ_ｒｅｆ−ΔＳＯＣより低くなる。この状態は図２の電圧制御（放電）領域Ｂに位置付けられる。

時刻ｔ６においてき電線電圧ＶｓがＶ_ｄｉｓｃより高くなり、充電率制御系１００の指令値が電流指令値Ｉ_ｒｅｆとなる。

しかし、時刻ｔ６において、き電線電圧ＶｓがＶ_ｄｉｓｃ＋ΔＶｓより低いため、サプレス条件判定部１２４の条件１が真となり、ＩＧＢＴ１１、１３のスイッチングが停止する。ゆえに、Ｉ_ｂａｔはゼロとなる。この状態は図２のサプレス領域Ｃ３ｂに位置付けられる。

時刻ｔ７において、き電線電圧ＶｓがＶ_ｄｉｓｃ＋ΔＶｓより高くなるため、サプレス条件判定部１２４の条件１が真から偽となり、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０のサプレスが解除され、ＩＧＢＴ１１、１３のスイッチングが始まる。この状態は図２の充電率制御（充電）領域Ｃ１に位置付けられる。

時刻ｔ７からｔ８にかけて充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆの偏差を減らすよう、充電率制御系１００から充電電流指令値が出力される。

時刻ｔ８において、充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣ_ｒｅｆ−ΔＳＯＣ以上となるため、サプレス条件判定部１２４の条件３が真となるため、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０はサプレスされ、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングは停止される。この状態は図２のサプレス領域Ｃ３Ｃに位置付けられる。

以上のように、本実施例の電力変換器はき電線電圧の変動を抑制し、充電率ＳＯＣも所定の範囲内に抑制できる。また、ＳＯＣ_ｒｅｆ−ΔＳＯＣ＜ＳＯＣ＜ＳＯＣ_ｒｅｆ＋ΔＳＯＣかつＶ_ｄｉｓｃ≦Ｖｓ≦Ｖ_ａｂｓのとき（領域Ｃ３Ｃ）は、ＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングが停止される。

また、充放電の方向が異なる運転条件の遷移中にＩＧＢＴ１１、１２のスイッチングを停止する領域（Ｃ３ａ、Ｃ３ｂ）を設けることにより、き電線電圧Ｖｓが運転条件の境界付近にあった場合でも制御的なハンチングを回避することが可能である。結果としてき電線側への非論理リプル電流流出防止による車両制御信号へのノイズ重畳抑制、不要な充放電による二次電池１の発熱および寿命劣化の回避、そして不要な充放電によるＤＣ／ＤＣ電力変換器２０の損失低減が可能となる。

本実施例では、き電線電圧Ｖｓ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Ｖｓとしてコンデンサ３の端子電圧を用いても良い。

また本発明は、図４に示すように構成してもよい。図４は、本発明の実施例２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図を示している。図４が図１と相違しているのは、充放電開始電圧補正器１２５を備えた点である。

この変形実施例では、電力貯蔵式回生電力吸収装置５００が、充電開始電圧Ｖ_ａｂｓと放電開始電圧Ｖ_ｄｉｓｃを、二次電池１の充電率ＳＯＣを元に補正する充放電開始電圧補正器１２５を備えている。補正後の充電開始電圧Ｖ_ａｂｓ２、放電開始電圧Ｖ_{ｄｉｓｃ２}を元にサプレス条件を判定し充放電を制御する。

二次電池１の過充電・過放電を回避するシステムにおいても、サプレス条件判定部１２４の入力をＶ_ａｂｓ、Ｖ_ｄｉｓｃからＶ_ａｂｓ２、Ｖ_{ｄｉｓｃ２}に変更することにより、同様の効果を奏す。このときの電力貯蔵式回生電力吸収装置５００は、図５に示されるように運転状態を変化させることとなる。

図２と図５を比較して明らかなように、図５では境界領域Ｃ３ａ、Ｃ３ｂが充電率ＳＯＣに対して一定ではなく、充電率ＳＯＣに対して可変に設定されている。例えば境界領域Ｃ３ａは、充電率ＳＯＣが高いほど充電開始電圧Ｖ_ａｂｓ２が高くなるように設定されている。また境界領域Ｃ３ｂは、充電率ＳＯＣが低いほど充電開始電圧Ｖ_{ｄｉｓｃ２}が低くなるように設定されている。

本実施例によれば、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、充放電方向の異なる制御切り替えを行う際にはＤＣ／ＤＣ電力変換器を一度サプレスする領域を設けることにより制御的なハンチングを避け、き電線側への非論理リプル電流流出、二次電池への不要な充放電による発熱・寿命劣化回避、そしてＤＣ／ＤＣ電力変換器の損失低減を実現できる。

なお、図２、図５の説明では、境界領域Ｃ３ａとＣ３ｂはき電線電圧の設定幅ΔＶｓにより定められており、運転状態の切り替えはこの設定幅ΔＶｓ以上の電圧変化が生じたことを条件としている。

然るに本発明では、運転状態の切り替え時にサプレス状態を経てから移行させることに意味があるので、例えば十分なサプレス時間の経過後に制御運転状態を変更させるようにすることもできる。この十分なサプレス時間の経過後には、設定幅ΔＶｓ以上の電圧変化が生じるとの確証のもとに係る制御手法を採用することも可能である。

１：二次電池
２．４：リアクトル
３：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：直流電圧検出器
１６：直流電流検出器
１７：直流電圧検出器
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：充電時電圧制御系
１０３：電流制御系
１０４：サプレス制御部
１１４：電圧制御器
１１７：電圧制御器
１１９：加算回路
１２０：切り替えスイッチ
１２８：電流指令値切り替え判定器
５００：電力貯蔵式回生電力吸収装置

Claims (18)

1. 直流き電区間のき電線とレールの間に接続された電力変換装置と、該電力変換装置に接続された電力貯蔵要素とを備え、
   電力貯蔵要素の充放電によりき電線電圧を第１の範囲内に制御する電圧制御モードと、前記き電線電圧が前記第１の範囲内にありかつ電力貯蔵要素の充電率が第２の範囲外にあるときに該充電率を前記第２の範囲内に近づけるように制御する充電率制御モードにより前記電力変換装置に与えるゲート信号を制御する電力貯蔵式回生電力吸収装置であって、
   前記電圧制御モードと前記充電率制御モードとの切り替わりに伴い、前記電力貯蔵要素の充放電が切り替わる段階において、前記電力変換装置に与えるゲート信号をオフにするサプレスモードを備えることを特徴と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、
   前記き電線電圧と前記充電率とから、電圧制御モードと充電率制御モードの切り替えを定める切り替え手段を備え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、
   電圧制御モードは、高すぎるき電線電圧を、電力吸収開始電圧まで引き下げるための第１の電圧制御モードと低すぎるき電線電圧を、電力放電運転開始電圧まで引き上げるための第２の電圧制御モードを備え、
   充電率制御モードは、充電率が第１の充電率よりも高いときに放電を行う第１の充電率制御モードと前記第１の充電率よりも低い第２の充電率よりも低いときに充電を行う第２の充電率制御モードとを備え、
   前記第１の電圧制御モードから前記第１の充電率制御モードに切り替わる段階、及び前記第２の電圧制御モードから前記第２の充電率制御モードに切り替わる段階において、前記電力変換装置に与えるゲート信号をオフにするサプレスモードを備え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乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、
   前記サプレスモードの実行期間は、前記き電線電圧の変化幅により定めら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乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、
   前記サプレスモードの実行期間は、予め定めた継続時間により定められ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１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、
   前記き電線電圧と前記充電率との関係において、前記サプレスモードを実行する領域は、前記充電率が高いほど高い前記き電線電圧により定められてい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乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、
   前記き電線電圧が前記第１の範囲内にありかつ電力貯蔵要素の充電率が第２の範囲内にあるときに前記電力変換装置に与えるゲート信号をオフに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に記載の電力貯蔵式回生電力吸収装置において、
   前記第１の範囲と前記第２の範囲は、それぞれ一定値のき電線電圧とそれぞれ一定の充電率により設定されていることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
9. 直流き電区間のき電線とレールの間に接続された電力変換装置と、該電力変換装置に接続された電力貯蔵要素とを備え、
   電力貯蔵要素の充放電によりき電線電圧を第１の範囲内に制御する電圧制御モードと、前記き電線電圧が前記第１の範囲内にありかつ電力貯蔵要素の充電率が第２の範囲外にあるときに該充電率を前記第２の範囲内に近づけるように制御する充電率制御モードにより前記電力変換装置に与えるゲート信号を制御する電力貯蔵式回生電力吸収装置であって、
   前記電圧制御モードと前記充電率制御モードとの切り替わりに伴い、前記電力貯蔵要素の充放電が切り替わる段階において、前記電力変換装置は運転停止状態を経ることを特徴とする電力貯蔵式回生電力吸収装置。
10. 直流き電区間のき電線とレールの間に接続された電力変換装置と、該電力変換装置に接続された電力貯蔵要素とを備えた電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法であって、
    前記電力貯蔵要素の充放電によりき電線電圧を第１の範囲内に制御する電圧制御モードと、前記き電線電圧が前記第１の範囲内にありかつ電力貯蔵要素の充電率が第２の範囲外にあるときに該充電率を前記第２の範囲内に近づけるように制御する充電率制御モードを有し、
    前記電圧制御モードと前記充電率制御モードとの切り替わりに伴い、前記電力貯蔵要素の充放電が切り替わる段階において、前記電力変換装置に与えるゲート信号をオフにするサプレスモードを備え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１０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、
    前記き電線電圧と前記充電率とから、電圧制御モードと充電率制御モードの切り替えを定め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。
12. 請求項１０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、
    電圧制御モードは、高すぎるき電線電圧を、電力吸収開始電圧まで引き下げるための第１の電圧制御モードと低すぎるき電線電圧を、電力放電運転開始電圧まで引き上げるための第２の電圧制御モードを備え、
    充電率制御モードは、充電率が第１の充電率よりも高いときに放電を行う第１の充電率制御モードと前記第１の充電率よりも低い第２の充電率よりも低いときに充電を行う第２の充電率制御モードとを備え、
    前記第１の電圧制御モードから前記第１の充電率制御モードに切り替わる段階、及び前記第２の電圧制御モードから前記第２の充電率制御モードに切り替わる段階において、前記電力変換装置に与えるゲート信号をオフにするサプレスモードを備え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。
13. 請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に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、
    前記サプレスモードの実行期間は、前記き電線電圧の変化幅により定められ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。
14. 請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に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、
    前記サプレスモードの実行期間は、予め定めた継続時間により定められ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。
15. 請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項に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、
    前記き電線電圧と前記充電率との関係において、前記サプレスモードを実行する領域は、前記充電率が高いほど高い前記き電線電圧により定められてい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。
16. 請求項１０乃至請求項１５のいずれか１項に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、
    前記き電線電圧が前記第１の範囲内にありかつ電力貯蔵要素の充電率が第２の範囲内にあるときに前記電力変換装置に与えるゲート信号をオフにす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。
17. 請求項１６に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、
    前記第１の範囲と前記第２の範囲は、それぞれ一定値のき電線電圧とそれぞれ一定の充電率により設定されてい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。
18. 直流き電区間のき電線とレールの間に接続された電力変換装置と、該電力変換装置に接続された電力貯蔵要素とを備えた電力貯蔵式回生電力吸収装置の制御方法であって、
    電力貯蔵要素の充放電によりき電線電圧を第１の範囲内に制御する電圧制御モードと、前記き電線電圧が前記第１の範囲内にありかつ電力貯蔵要素の充電率が第２の範囲外にあるときに該充電率を前記第２の範囲内に近づけるように制御する充電率制御モードを備え、
    前記電圧制御モードと前記充電率制御モードとの切り替わりに伴い、前記電力貯蔵要素の充放電が切り替わる段階において、前記電力変換装置は運転停止状態を経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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