特開 2022-148181 電気鉄道用三相電力変換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022148181

(43)【公開日】2022-10-06

(54)【発明の名称】電気鉄道用三相電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   B60M 3/00 20060101AFI20220929BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20220929BHJP

【ＦＩ】

B60M3/00 A

H02M7/48 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021049764

(22)【出願日】2021-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】田中 功太郎

(72)【発明者】

【氏名】甲斐 正彦

(72)【発明者】

【氏名】清水 俊匡

(72)【発明者】

【氏名】永井 匠

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770BA13

5H770CA02

5H770CA08

5H770DA03

5H770DA11

5H770HA02Y

5H770JA17Z

5H770LA02Y

5H770LB07

(57)【要約】

【課題】三相鉄道電源と連系して運用される場合にも、一過性の大電流が発生した際に、健全なき電回路への影響を抑制しつつ、システムを適切に保護できる電気鉄道用三相電力変換システムを提供する。
【解決手段】インバータによる直流電力から三相交流電力への変換の動作を制御する制御装置を備え、制御装置は、複数のき電回路に流れる電流が所定値未満と判定した通常時においては、インバータの出力に関する所定の電流指令値を設定することにより、複数のき電回路に対して所定の有効電流及び無効電流を供給するように、インバータの動作を制御し、複数のき電回路のいずれかに流れる電流が所定値以上であると判定した大電流発生時においては、電流指令値を通常時よりも低くすることにより、インバータから出力される電流が低くなるように、インバータの動作を制御する電気鉄道用三相電力変換システムが提供される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相交流電力を複数の単相交流電力に変換し、前記複数の単相交流電力を複数のき電回路に供給するき電用変電所と、
三相交流電力を別の三相交流電力に変換し、変換後の前記三相交流電力を前記き電用変電所に供給する三相鉄道電源と、
を備えたき電システムに用いられ、前記三相鉄道電源と連系して運用される電気鉄道用三相電力変換システムであって、
三相交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータから出力される直流電力を前記コンバータに供給される三相交流電力と異なる別の三相交流電力に変換し、変換後の三相交流電力を前記き電用変電所に供給するインバータと、
前記き電用変電所に供給される前記三相交流電力の電流値、又は前記複数のき電回路に供給される前記複数の単相交流電力のそれぞれの電流値を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出された前記電流値を基に、前記インバータによる前記直流電力から前記三相交流電力への変換の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電流検出器で検出された前記電流値を基に、前記複数のき電回路のそれぞれに流れる電流が所定値以上か否かを判定し、
前記複数のき電回路のそれぞれに流れる電流が前記所定値未満と判定した通常時においては、前記インバータの出力に関する所定の電流指令値を設定することにより、前記複数のき電回路のそれぞれに対して所定の有効電流及び無効電流を供給するように、前記インバータの動作を制御し、
前記複数のき電回路のいずれかに流れる電流が前記所定値以上であると判定した大電流発生時においては、前記電流指令値を前記通常時よりも低くすることにより、前記インバータから前記所定値以上と判定した前記き電回路に出力される電流が低くなるように、前記インバータの動作を制御する
電気鉄道用三相電力変換システム。

【請求項2】

前記複数のき電システムの数は、２つであり、
前記き電用変電所は、前記三相鉄道電源及び前記インバータから供給された前記三相交流電力を二組の単相交流電力に変換し、前記二組の単相交流電力を前記２つのき電回路に供給し、
前記制御装置は、前記インバータの出力を前記二組の単相交流電力とみて、前記インバータの動作を制御する請求項１記載の電気鉄道用三相電力変換システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記２つのき電回路のそれぞれに対する有効電流指令値及び無効電流指令値を設定し、前記２つのき電回路の一方に流れる電流が前記所定値以上であると判定した前記大電流発生時においては、前記２つのき電回路の前記一方に対する前記有効電流指令値及び前記無効電流指令値を前記通常時よりも低くすることにより、前記インバータから前記２つのき電回路の前記一方に出力される電流が低くなるように、前記インバータの動作を制御する請求項２記載の電気鉄道用三相電力変換システム。

【請求項4】

前記電流検出器は、前記き電用変電所に供給される前記三相交流電力の電流値を検出し、
前記制御装置は、前記電流検出器によって検出された前記三相交流電力の電流値に対して所定の演算を行うことにより、前記三相交流電力の電流値から前記２つのき電回路の前記二組の単相交流電力の電流値を演算し、前記２つのき電回路のそれぞれに流れる電流が前記所定値以上か否かを判定する請求項２又は３に記載の電気鉄道用三相電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電気鉄道用三相電力変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

回転機などの三相鉄道電源と連系して運用される電気鉄道用三相電力変換システムが知られている。電気鉄道用三相電力変換システムは、三相鉄道電源とともに、き電用変電所に三相交流電力を供給する。き電用変電所は、三相鉄道電源及び電気鉄道用三相電力変換システムから供給された三相交流電力を複数の単相交流電力に変換し、複数の単相交流電力を複数のき電回路（鉄道負荷）に供給する。これにより、電車に電力を供給し、電車を走行させることができる。

【0003】

電気鉄道用三相電力変換システムは、複数の半導体スイッチング素子を有する。電気鉄道用三相電力変換システムは、複数の半導体スイッチング素子のスイッチングにより、電力会社などの電力系統から供給される三相交流電力をき電回路に対応した三相交流電力に変換し、変換後の三相交流電力をき電用変電所に供給する。

【0004】

こうした電気鉄道用三相電力変換システムにおいて、き電回路の短絡や地絡故障などにより、システムに一過性の大電流が流れてしまう可能性がある。回転機などの三相鉄道電源は、一過性の大電流に対して一定の供給能力を有するため、運転を継続することができる。一方、複数の半導体スイッチング素子で構成される電気鉄道用三相電力変換システムは、一過性の大電流を負担することが難しい。このため、電気鉄道用三相電力変換システムでは、一過性の大電流が発生した際に、動作を停止することにより、複数の半導体スイッチング素子の破損などを抑制することが行われている。

【0005】

しかしながら、一過性の大電流の発生に応じて電気鉄道用三相電力変換システムの動作を停止させてしまうと、き電用変電所から単相交流電力を供給する複数のき電回路のうち、短絡や地絡故障などが発生したき電回路以外の健全なき電回路に対しても、電気鉄道用三相電力変換システムの出力が停止してしまう。このため、健全なき電回路への電力供給が三相鉄道電源のみによるものとなり、電気鉄道のき電システムで求められるき電電圧の安定性を保てなくなってしまう可能性が生じる。

【0006】

また、一過性の大電流が発生した際に、電気鉄道用三相電力変換システムの出力電圧を小さくすることにより、相対的に出力電流を小さくし、電気鉄道用三相電力変換システムの耐量内に収めることも提案されている。しかしながら、この方法は、電気鉄道用三相電力変換システムが単独運転する場合に適用できる制御であり、電気鉄道用三相電力変換システムが三相鉄道電源と連系して運用される場合には、三相交流電力の電圧が三相鉄道電源の出力によって維持されてしまうため、電気鉄道用三相電力変換システムの出力電流を小さくすることが難しい。

【0007】

このため、電気鉄道用三相電力変換システムでは、三相鉄道電源と連系して運用される場合にも、一過性の大電流が発生した際に、健全なき電回路への影響を抑制しつつ、システムを適切に保護できるようにすることが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１４－８０１３２号公報

【特許文献2】特開２０１７－１７５７９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の実施形態は、三相鉄道電源と連系して運用される場合にも、一過性の大電流が発生した際に、健全なき電回路への影響を抑制しつつ、システムを適切に保護できる電気鉄道用三相電力変換システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の実施形態によれば、三相交流電力を複数の単相交流電力に変換し、前記複数の単相交流電力を複数のき電回路に供給するき電用変電所と、三相交流電力を別の三相交流電力に変換し、変換後の前記三相交流電力を前記き電用変電所に供給する三相鉄道電源と、を備えたき電システムに用いられ、前記三相鉄道電源と連系して運用される電気鉄道用三相電力変換システムであって、三相交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電力を前記コンバータに供給される三相交流電力と異なる別の三相交流電力に変換し、変換後の三相交流電力を前記き電用変電所に供給するインバータと、前記き電用変電所に供給される前記三相交流電力の電流値、又は前記複数のき電回路に供給される前記複数の単相交流電力のそれぞれの電流値を検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された前記電流値を基に、前記インバータによる前記直流電力から前記三相交流電力への変換の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記電流検出器で検出された前記電流値を基に、前記複数のき電回路のそれぞれに流れる電流が所定値以上か否かを判定し、前記複数のき電回路のそれぞれに流れる電流が前記所定値未満と判定した通常時においては、前記インバータの出力に関する所定の電流指令値を設定することにより、前記複数のき電回路のそれぞれに対して所定の有効電流及び無効電流を供給するように、前記インバータの動作を制御し、前記複数のき電回路のいずれかに流れる電流が前記所定値以上であると判定した大電流発生時においては、前記電流指令値を前記通常時よりも低くすることにより、前記インバータから前記所定値以上と判定した前記き電回路に出力される電流が低くなるように、前記インバータの動作を制御する電気鉄道用三相電力変換システムが提供される。

【発明の効果】

【0011】

三相鉄道電源と連系して運用される場合にも、一過性の大電流が発生した際に、健全なき電回路への影響を抑制しつつ、システムを適切に保護できる電気鉄道用三相電力変換システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係るき電システムを模式的に表すブロック図である。

【図2】実施形態に係る電気鉄道用三相電力変換システムを模式的に表すブロック図である。

【図3】実施形態に係る制御装置を模式的に表すブロック図である。

【0013】

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0014】

図１は、実施形態に係るき電システムを模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、き電システム２は、電気鉄道用三相電力変換システム１０と、三相鉄道電源１２と、き電用変電所１４と、複数のき電回路２１、２２と、を備える。

【0015】

三相鉄道電源１２は、例えば、モータと発電機とを連結した回転機である。電気鉄道用三相電力変換システム１０は、三相鉄道電源１２と連系して運用される。電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２は、電力会社などの電力系統と接続され、電力系統から供給される三相交流電力をき電回路２１、２２に対応した別の三相交流電力に変換する。なお、電気鉄道用三相電力変換システム１０の接続される電力系統は、三相鉄道電源１２の接続される電力系統と同じでもよいし、異なってもよい。

【0016】

電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２は、例えば、周波数変換装置として用いられる。電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２は、例えば、日本の東側地域の５０Ｈｚの三相交流電力を、日本の西側地域の６０Ｈｚの三相交流電力に変換する。但し、電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２は、周波数変換装置に限定されるものではない。電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２による電力の変換は、周波数の変換に限ることなく、電圧や電流の大きさの変換などでもよい。電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２による電力変換の動作は、三相交流電力を別の三相交流電力に変換する任意の動作でよい。

【0017】

電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２は、変換後の三相交流電力をき電用変電所１４に供給する。

【0018】

き電用変電所１４は、電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２から供給された三相交流電力を複数の単相交流電力に変換し、複数の単相交流電力を複数のき電回路２１、２２に供給する。

【0019】

き電用変電所１４は、例えば、電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２から供給された三相交流電力を二組の単相交流電力に変換し、二組の単相交流電力の一方をき電回路２１に供給し、二組の単相交流電力の他方をき電回路２２に供給する。このように、き電用変電所１４は、例えば、２つのき電回路２１、２２と接続され、２つのき電回路２１、２２のそれぞれに単相交流電力を供給する。

【0020】

き電用変電所１４には、例えば、スコット結線変圧器、変形ウッドブリッジ結線変圧器、ルーフデルタ結線変圧器などが用いられる。但し、き電用変電所１４に接続されるき電回路の数は、２つに限ることなく、３つ以上でもよい。き電用変電所１４は、三相交流電力を三組以上の単相交流電力に変換する構成でもよい。なお、以下では、き電回路の数を２つとし、き電用変電所１４は、三相交流電力を二組の単相交流電力に変換するものとして説明を行う。また、以下では、き電回路２１を第１き電回路２１、き電回路２２を第２き電回路２２として説明を行う。

【0021】

第１き電回路２１及び第２き電回路２２は、電車２３、２４に電力を供給する。これにより、電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２からからの三相交流電力の供給により、電車２３、２４に電力を供給し、電車２３、２４を走行させることができる。

【0022】

第１き電回路２１及び第２き電回路２２は、それぞれ図示を省略した遮断器を介してき電用変電所１４と接続される。換言すれば、き電システム２は、き電用変電所１４と第１き電回路２１との間、及びき電用変電所１４と第２き電回路２２との間に設けられた複数の遮断器をさらに備える。き電システム２は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２に短絡や地絡故障などの事故が発生した際に、事故が発生したき電回路に対応する遮断器を開放する。

【0023】

き電システム２は、事故が発生したき電回路に対応する遮断器のみを開放することにより、事故が発生したき電回路に対して電力を供給し続けてしまうことを抑制しつつ、健全なき電回路に対しての電力の供給を継続する。これにより、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に事故が発生した際にも、事故の発生した一方のき電回路の電車の運行のみを停止させればよく、他方の健全なき電回路については、電車の運行を継続することができる。

【0024】

図２は、実施形態に係る電気鉄道用三相電力変換システムを模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、電気鉄道用三相電力変換システム１０は、受電用変圧器４０と、コンバータ用変圧器４２と、コンバータ４４と、直流コンデンサ４６と、インバータ４８と、インバータ用変圧器５０と、送電用変圧器５２と、電流検出器５４と、制御装置５６と、を有する。

【0025】

受電用変圧器４０の一次側は、電力系統３０と接続されている。受電用変圧器４０の二次側は、コンバータ用変圧器４２の一次側と接続されている。コンバータ用変圧器４２の二次側は、コンバータ４４と接続されている。受電用変圧器４０及びコンバータ用変圧器４２は、電力系統３０から供給される三相交流電力をコンバータ４４に対応した三相交流電力に変圧する。

【0026】

電力系統３０は、例えば、電力会社の電力系統である。電力系統３０は、例えば、自家発電機などから供給される三相交流電力を電気鉄道用三相電力変換システム１０に供給する電力系統などでもよい。き電システム２は、例えば、三相交流電力を出力する発電機、及び発電機の三相交流電力を電気鉄道用三相電力変換システム１０に供給する電力系統３０をさらに備えてもよい。

【0027】

なお、この例では、電力系統３０とコンバータ４４との間に、受電用変圧器４０及びコンバータ用変圧器４２の２台の変圧器を設けている。電力系統３０とコンバータ４４との間に設けられる変圧器の台数は、２台に限ることなく、１台でもよいし、３台以上でもよい。

【0028】

コンバータ４４は、コンバータ用変圧器４２から供給された三相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ４４は、例えば、三相ブリッジ接続された複数の整流素子を有する三相ブリッジ整流回路である。但し、コンバータ４４の構成は、これに限ることなく、三相交流電力を直流電力に変換可能な任意の構成でよい。

【0029】

直流コンデンサ４６は、コンバータ４４とインバータ４８との間に設けられる。直流コンデンサ４６は、コンバータ４４から出力される直流電力の電圧の変動を抑制する。

【0030】

インバータ４８は、コンバータ４４から出力される直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ４８は、コンバータ４４に供給される三相交流電力と異なる別の三相交流電力に変換する。例えば、電気鉄道用三相電力変換システム１０が周波数変換装置である場合、インバータ４８は、コンバータ４４に供給される三相交流電力と周波数の異なる別の三相交流電力に変換する。例えば、コンバータ４４は、供給された５０Ｈｚの三相交流電力を直流電力に変換し、インバータ４８は、直流電力を６０Ｈｚの三相交流電力に変換する。

【0031】

但し、上述のように、電気鉄道用三相電力変換システム１０は、周波数変換装置に限定されるものではない。インバータ４８は、例えば、コンバータ４４に供給される三相交流電力と電圧や電流の大きさの異なる別の三相交流電力に変換してもよい。

【0032】

インバータ４８は、図示を省略した複数の半導体スイッチング素子を有し、複数の半導体スイッチング素子のスイッチングにより、直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ４８は、例えば、三相ブリッジ接続された複数の半導体スイッチング素子を有する。但し、インバータ４８の構成は、上記に限ることなく、複数の半導体スイッチング素子のスイッチングによって直流電力を三相交流電力に変換可能な任意の構成でよい。

【0033】

インバータ用変圧器５０の一次側は、インバータ４８と接続されている。インバータ用変圧器５０の二次側は、送電用変圧器５２の一次側と接続されている。送電用変圧器５２の二次側は、電力系統３２などを介してき電用変電所１４と接続される。インバータ用変圧器５０及び送電用変圧器５２は、インバータ４８から出力される三相交流電力をき電用変電所１４に対応した三相交流電力に変圧する。

【0034】

これにより、電気鉄道用三相電力変換システム１０から出力される三相交流電力が、き電用変電所１４に供給される。インバータ４８は、換言すれば、直流電力を三相交流電力に変換し、変換後の三相交流電力をインバータ用変圧器５０及び送電用変圧器５２を介してき電用変電所１４に供給する。三相鉄道電源１２は、例えば、電力系統３２と接続される。これにより、電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２から出力された三相交流電力が、き電用変電所１４に供給される。

【0035】

なお、この例では、電力系統３２とインバータ４８との間に、インバータ用変圧器５０及び送電用変圧器５２の２台の変圧器を設けている。電力系統３２とインバータ４８との間に設けられる変圧器の台数は、２台に限ることなく、１台でもよいし、３台以上でもよい。

【0036】

電流検出器５４は、き電用変電所１４に供給される三相交流電力の電流値を検出する。電流検出器５４は、例えば、き電用変電所１４に供給される三相交流電力の各相のそれぞれの電流値を検出する。電流検出器５４は、例えば、インバータ４８とインバータ用変圧器５０の一次側との間に設けられる。電流検出器５４は、換言すれば、インバータ４８から出力される三相交流電力の電流値を検出する。電流検出器５４は、検出した電流値を制御装置５６に入力する。

【0037】

なお、電流検出器５４を設ける位置は、インバータ４８とインバータ用変圧器５０の一次側との間に限定されるものではない。電流検出器５４は、例えば、インバータ用変圧器５０の二次側と送電用変圧器５２の一次側との間に設けてもよいし、送電用変圧器５２の二次側と電力系統３２との間に設けてもよいし、電力系統３２の経路上に設けてもよい。電流検出器５４の検出する電流値は、インバータ４８とき電用変電所１４との間の任意の位置の三相交流電力の電流値でよい。

【0038】

制御装置５６は、インバータ４８による直流電力から三相交流電力への変換の動作を制御する。制御装置５６は、電流検出器５４で検出された電流値を基に、インバータ４８の動作を制御する。

【0039】

なお、制御装置５６は、必要に応じて、コンバータ４４の動作をさらに制御してもよい。例えば、上記のように、コンバータ４４を三相ブリッジ整流回路とした場合などには、制御装置５６は、コンバータ４４の動作を制御する必要がない。例えば、複数の半導体スイッチング素子を用いてコンバータ４４を構成した場合などには、制御装置５６によってコンバータ４４の電力変換の動作を制御する。但し、コンバータ４４の動作を制御する制御装置は、インバータ４８の動作を制御する制御装置５６と別の装置としてもよい。

【0040】

制御装置５６は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２が健全な通常時の動作においては、第１き電回路２１及び第２き電回路２２のそれぞれに対して所定の有効電流及び無効電流を供給するように、インバータ４８の動作を制御する。

【0041】

き電システム２においては、前述のように、倒壊した樹木の影響などにより、第１き電回路２１及び第２き電回路２２に短絡や地絡故障などの事故が発生してしまう可能性がある。き電システム２は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の事故を検出すると、事故の発生したき電回路に対応する遮断器を開放し、事故の発生したき電回路をき電用変電所１４から切り離すことにより、事故の発生したき電回路への電力の供給を停止する。一方で、き電システム２が、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の事故を検出し、事故の発生したき電回路を切り離すまでには、例えば、１５０ｍｓ程度の時間を必要とする。このため、事故の発生からき電システム２によるき電回路の切り離しまでの間に、電気鉄道用三相電力変換システム１０及び三相鉄道電源１２に一過性の大電流が流れてしまう可能性がある。

【0042】

回転機などによる三相鉄道電源１２は、一過性の大電流に対して一定の供給能力を有するため、事故の発生の際にも運転を継続することができる。一方、複数の半導体スイッチング素子からなるインバータ４８を有する電気鉄道用三相電力変換システム１０は、一過性の大電流を負担することが難しい。

【0043】

このため、制御装置５６は、電流検出器５４で検出された電流値を基に、第１き電回路２１及び第２き電回路２２に流れる電流が所定値以上か否かを判定し、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の少なくとも一方の電流を所定値以上と判定したことに応答して、インバータ４８を保護する保護動作を行う。制御装置５６は、より詳しくは、電流検出器５４で検出された電流瞬時値を基に、第１き電回路２１及び第２き電回路２２に流れる電流が所定値以上か否かを判定する。制御装置５６は、例えば、第１き電回路２１及び第２き電回路２２に流れる有効電流及び無効電流の少なくとも一方が所定値以上か否かを判定してもよい。

【0044】

制御装置５６は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２に流れる電流が所定値未満と判定した通常時においては、インバータ４８に関する所定の電流指令値を設定することにより、第１き電回路２１及び第２き電回路２２のそれぞれに対して所定の有効電流及び無効電流を供給するように、インバータ４８の動作を制御する。

【0045】

制御装置５６は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に流れる電流が所定値以上であると判定した大電流発生時においては、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に対する電流指令値を通常時よりも低くすることにより、インバータ４８から第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に出力される電流が低くなるように、インバータ４８の動作を制御する。

【0046】

また、この際、制御装置５６は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の他方に対する電流指令値を通常時と同じとする。換言すれば、制御装置５６は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に流れる電流が所定値以上であると判定した場合、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に対する電流指令値のみを通常時よりも低くする。

【0047】

これにより、事故の発生していない健全な第１き電回路２１及び第２き電回路２２の他方に対する電力の供給を継続しつつ、事故の発生した第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に出力される電流が低くなるようにインバータ４８を制御し、一過性の大電流からインバータ４８を保護することができる。

【0048】

制御装置５６は、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の双方に流れる電流が所定値以上であると判定した場合には、例えば、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の双方に対する電流指令値を通常時よりも低くするか、もしくは、インバータ４８の動作を停止させる。但し、き電システム２においては、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の双方に実質的に同時に事故が発生してしまう可能性は、低いと考えられる。

【0049】

図３は、実施形態に係る制御装置を模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、制御装置５６は、指令値生成部６０と、電流値演算部６２と、運用状態信号入力部６４と、第１適用判定部６６ａと、第２適用判定部６６ｂと、第１低減率演算部６８ａと、第２低減率演算部６８ｂと、乗算器７０ａ～７０ｄと、制御信号生成部７２と、を有する。

【0050】

指令値生成部６０には、制御情報が入力される。指令値生成部６０は、入力された制御情報を基に、第１き電回路２１の第１有効電流指令値と、第１き電回路２１の第１無効電流指令値と、第２き電回路２２の第２有効電流指令値と、第２き電回路２２の第２無効電流指令値と、を生成する。

【0051】

換言すれば、指令値生成部６０は、第１有効電流指令値、第１無効電流指令値、第２有効電流指令値、及び第２無効電流指令値を、インバータ４８の出力に関する所定の電流指令値として設定する。このように、制御装置５６は、インバータ４８の出力を二組の単相交流電力とみて、インバータ４８の動作を制御する。

【0052】

指令値生成部６０は、生成した第１有効電流指令値を乗算器７０ａに入力し、第１無効電流指令値を乗算器７０ｂに入力し、第２有効電流指令値を乗算器７０ｃに入力し、第２無効電流指令値を乗算器７０ｄに入力する。

【0053】

制御情報は、例えば、上位のコントローラなどから指令値生成部６０に入力される。制御情報は、例えば、電気鉄道用三相電力変換システム１０から第１き電回路２１及び第２き電回路２２への電力の供給、及び電力の供給の停止を表す。指令値生成部６０は、例えば、電力の供給を指示された際に、各電流指令値を生成する。指令値生成部６０は、例えば、電力の供給の停止を指示された際には、各電流指令値の生成を停止するか、あるいは、各電流指令値を出力停止状態（例えば０）に設定する。

【0054】

制御情報は、例えば、電流の大きさを表す情報などを含んでもよい。指令値生成部６０は、制御情報で設定された大きさの各電流指令値を生成してもよい。制御情報は、例えば、電気鉄道用三相電力変換システム１０（インバータ４８）の三相交流電力の電流指令値でもよい。指令値生成部６０は、三相交流電力の電流指令値を変換する演算を行うことにより、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の単相交流電力の各電流指令値を生成してもよい。

【0055】

なお、各電流指令値は、制御装置５６内で生成することなく、上位のコントローラなどから制御装置５６に入力する構成としてもよい。この場合には、入力された各指令値を直接的に各乗算器７０ａ～７０ｄに入力すればよい。従って、この場合には、指令値生成部６０は、省略可能である。

【0056】

電流値演算部６２には、電流検出器５４によって検出された三相交流電力の電流値が入力される。電流値演算部６２は、入力された三相交流電力の電流値に対して所定の演算を行うことにより、三相交流電力の電流値から第１き電回路２１及び第２き電回路２２の二組の単相交流電力の電流値を演算する。電流値演算部６２は、例えば、二組の単相交流電力のそれぞれの電流瞬時値を演算する。電流値演算部６２は、例えば、二組の単相交流電力のそれぞれの有効電流値及び無効電流値を演算してもよい。電流値演算部６２による二組の単相交流電力の電流値の演算方法は、き電用変電所１４の結線方法に応じて決定される。

【0057】

電流値演算部６２は、二組の単相交流電力の電流値を演算した後、演算した二組の単相交流電力の電流値が、所定値以上か否かを判定する。

【0058】

電流値演算部６２は、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値が所定値以上であると判定した場合に、第１き電回路２１の電流が過大であることを表す第１電流過大検出信号を第１適用判定部６６ａに入力する。換言すれば、電流値演算部６２は、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値が所定値以上であると判定した場合に、第１電流過大検出信号を非検出状態から検出状態に切り替える。電流値演算部６２は、より詳しくは、第１き電回路２１の単相交流電力の有効電流値及び無効電流値の少なくとも一方が所定値以上であると判定した場合に、第１電流過大検出信号を第１適用判定部６６ａに入力する。

【0059】

同様に、電流値演算部６２は、第２き電回路２２の単相交流電力の電流値が所定値以上であると判定した場合に、第２き電回路２２の電流が過大であることを表す第２電流過大検出信号を第２適用判定部６６ｂに入力する。

【0060】

運用状態信号入力部６４は、制御装置５６によるインバータ４８の保護動作を行うか否かを表す運用状態信号を第１適用判定部６６ａ及び第２適用判定部６６ｂに入力する。運用状態信号入力部６４は、例えば、上位のコントローラから入力される制御信号や、制御装置５６の内部の制御状態などを基に、運用状態信号を生成し、生成した運用状態信号を第１適用判定部６６ａ及び第２適用判定部６６ｂに入力する。

【0061】

第１適用判定部６６ａは、運用状態信号がインバータ４８の保護動作を行うことを表す状態で、電流値演算部６２から第１電流過大検出信号が入力された際に、第１電流過大検出信号を第１低減率演算部６８ａに入力する。一方、第１適用判定部６６ａは、運用状態信号がインバータ４８の保護動作を行わないことを表す状態で、電流値演算部６２から第１電流過大検出信号が入力された場合には、第１電流過大検出信号を第１低減率演算部６８ａに入力しない。これにより、運用状態信号がインバータ４８の保護動作を行うことを表す状態の時にのみ、制御装置５６によるインバータ４８の保護動作を行うことができる。

【0062】

同様に、第２適用判定部６６ｂは、運用状態信号がインバータ４８の保護動作を行うことを表す状態で、電流値演算部６２から第２電流過大検出信号が入力された際に、第２電流過大検出信号を第２低減率演算部６８ｂに入力する。第２適用判定部６６ｂは、運用状態信号がインバータ４８の保護動作を行わないことを表す状態で、電流値演算部６２から第２電流過大検出信号が入力された場合には、第２電流過大検出信号を第２低減率演算部６８ｂに入力しない。

【0063】

第１低減率演算部６８ａは、第１適用判定部６６ａから入力された第１電流過大検出信号を基に、第１有効電流指令値及び第１無効電流指令値の低減率を演算し、演算した低減率を乗算器７０ａ、７０ｂに入力する。

【0064】

第１低減率演算部６８ａは、第１適用判定部６６ａから第１電流過大検出信号が入力されていない時に、低減率を１に設定する。第１低減率演算部６８ａは、換言すれば、第１電流過大検出信号が非検出状態の時に、低減率を１に設定する。そして、第１低減率演算部６８ａは、第１適用判定部６６ａから第１電流過大検出信号が入力されている時に、低減率を１よりも低い所定の値に設定する。第１低減率演算部６８ａは、換言すれば、第１電流過大検出信号が検出状態の時に、低減率を１よりも低い所定の値に設定する。この場合の低減率は、第１き電回路２１の事故にともなう一過性の大電流からインバータ４８を保護するために必要な１よりも低い任意の値に設定される。

【0065】

なお、第１低減率演算部６８ａは、１と１よりも低い所定の値との２つの値に低減率を切り替える構成でもよいし、例えば、電流値演算部６２において所定値以上であると判定された第１き電回路２１の単相交流電力の電流値の大きさに応じて、低減率を変化させる構成としてもよい。第１低減率演算部６８ａは、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値の大きさが大きいほど、低減率を小さくする構成としてもよい。例えば、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値の大きさを表す情報を、第１電流過大検出信号に含めることにより、上記のように、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値の大きさに応じて、低減率を変化させることができる。

【0066】

第２低減率演算部６８ｂは、第１低減率演算部６８ａと同様に、第２適用判定部６６ｂから入力された第２電流過大検出信号を基に、第２有効電流指令値及び第２無効電流指令値の低減率を演算し、演算した低減率を乗算器７０ｃ、７０ｄに入力する。

【0067】

乗算器７０ａは、入力された第１有効電流指令値と低減率とを乗算し、乗算後の第１有効電流指令値を制御信号生成部７２に入力する。

【0068】

乗算器７０ｂは、入力された第１無効電流指令値と低減率とを乗算し、乗算後の第１無効電流指令値を制御信号生成部７２に入力する。

【0069】

乗算器７０ｃは、入力された第２有効電流指令値と低減率とを乗算し、乗算後の第２有効電流指令値を制御信号生成部７２に入力する。

【0070】

乗算器７０ｄは、入力された第２無効電流指令値と低減率とを乗算し、乗算後の第２無効電流指令値を制御信号生成部７２に入力する。

【0071】

制御信号生成部７２は、乗算器７０ａ～７０ｄから入力された各電流指令値を基に、第１有効電流指令値に応じた有効電流及び第１無効電流指令値に応じた無効電流を第１き電回路２１に供給し、第２有効電流指令値に応じた有効電流及び第２無効電流指令値に応じた無効電流を第２き電回路２２に供給するように、インバータ４８の動作を制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号をインバータ４８に入力する。

【0072】

また、制御信号生成部７２には、例えば、三相鉄道電源１２からき電用変電所１４に供給される三相交流電力の位相の情報などが入力される。制御信号生成部７２は、例えば、入力された情報を基に、インバータ４８からき電用変電所１４に供給される三相交流電力の位相が、三相鉄道電源１２からき電用変電所１４に供給される三相交流電力の位相と同期するように、インバータ４８の動作を制御するための制御信号を生成する。

【0073】

制御信号は、例えば、インバータ４８の複数の半導体スイッチング素子のオン状態及びオフ状態を切り替えるためのＰＷＭ信号である。制御信号生成部７２は、例えば、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の二組の単相交流電力の有効電流指令値及び無効電流指令値を基に、インバータ４８の三相交流電力の有効電流指令値及び無効電流指令値、あるいは有効電圧指令値及び無効電圧指令値を生成する。そして、制御信号生成部７２は、例えば、インバータ４８の三相交流電力の有効電流指令値及び無効電流指令値、あるいは有効電圧指令値及び無効電圧指令値を基に、インバータ４８の複数の半導体スイッチング素子のオン状態及びオフ状態を切り替えるための制御信号を生成する。

【0074】

例えば、インバータ４８の三相交流電力の有効電流指令値及び無効電流指令値、あるいはインバータ４８の三相交流電力の有効電圧指令値及び無効電圧指令値を、制御信号としてインバータ４８に入力し、インバータ４８内でＰＷＭ信号などに変換してもよい。制御信号は、ＰＷＭ信号に限ることなく、第１き電回路２１及び第２き電回路２２に対して適切な単相交流電力を供給するようにインバータ４８の動作を制御可能な任意の信号でよい。

【0075】

第１き電回路２１及び第２き電回路２２が健全な状態の時には、第１低減率演算部６８ａ及び第２低減率演算部６８ｂから各乗算器７０ａ～７０ｄに入力される低減率が１であり、指令値生成部６０で生成された各指令値が、そのまま制御信号生成部７２に入力される。

【0076】

従って、第１き電回路２１及び第２き電回路２２が健全な状態である通常時には、指令値生成部６０で生成された各指令値に応じて、第１き電回路２１及び第２き電回路２２のそれぞれに対して所定の有効電流及び無効電流を供給するように、インバータ４８の動作が制御される。

【0077】

第１き電回路２１に事故が発生し、第１き電回路２１に一過性の大電流が流れ、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値が所定値以上になると、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値が所定値以上であることが、電流値演算部６２によって判定され、電流値演算部６２から第１適用判定部６６ａに第１電流過大検出信号が入力される。

【0078】

運用状態信号がインバータ４８の保護動作を行うことを表す状態で、電流値演算部６２から第１適用判定部６６ａに第１電流過大検出信号が入力されると、第１電流過大検出信号が、第１適用判定部６６ａから第１低減率演算部６８ａに入力される。

【0079】

第１低減率演算部６８ａは、第１適用判定部６６ａから第１電流過大検出信号が入力されている時には、低減率を１よりも低い所定の値に設定し、乗算器７０ａ、７０ｂに入力する。

【0080】

これにより、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値が所定値以上である大電流発生時においては、第１き電回路２１に対する電流指令値が通常時よりも低くなり、インバータ４８から第１き電回路２１に出力される電流が低くなるように、インバータ４８の動作が制御される。これにより、一過性の大電流からインバータ４８を保護することができる。

【0081】

また、この際、第２き電回路２２に事故が発生しておらず、第２き電回路２２の単相交流電力の電流値が所定値未満である場合には、第２低減率演算部６８ｂから乗算器７０ｃ、７０ｄに入力される低減率が１のままである。すなわち、第２き電回路２２に対する第２有効電流指令値及び第２無効電流指令値は、通常時と同じである。これにより、事故の発生していない健全な第２き電回路２２に対する電力の供給を継続することができる。事故の発生していない健全な第２き電回路２２に対する電力の供給を継続しつつ、事故の発生した第１き電回路２１に出力される電流が低くなるようにインバータ４８を制御し、一過性の大電流からインバータ４８を保護することができる。

【0082】

き電システム２が、第１き電回路２１の事故を検出し、事故の発生した第１き電回路２１に対応する遮断器を開放し、事故の発生した第１き電回路２１をき電用変電所１４から切り離すと、第１き電回路２１の単相交流電力の電流値が所定値未満に戻る。このため、き電システム２が、第１き電回路２１をき電用変電所１４から切り離した後には、第１低減率演算部６８ａから乗算器７０ａ、７０ｂに入力される低減率が１に戻り、第１き電回路２１に対する電流指令値も通常時の状態に戻る。

【0083】

第１き電回路２１の場合と同様に、第２き電回路２２の単相交流電力の電流値が所定値以上である場合には、第２適用判定部６６ｂから第２電流過大検出信号が第２低減率演算部６８ｂに入力されることにより、１よりも低い所定の値の低減率が、第２低減率演算部６８ｂから乗算器７０ｃ、７０ｄに入力される。これにより、第２き電回路２２の単相交流電力の電流値が所定値以上である場合に、第２き電回路２２に対する電流指令値が通常時よりも低くなり、インバータ４８から第２き電回路２２に出力される電流が低くなるように、インバータ４８の動作が制御される。

【0084】

第１き電回路２１に事故が発生していない場合には、事故の発生していない健全な第１き電回路２１に対する電力の供給を継続しつつ、事故の発生した第２き電回路２２に出力される電流が低くなるようにインバータ４８を制御し、一過性の大電流からインバータ４８を保護することができる。

【0085】

以上、説明したように、本実施形態に係る電気鉄道用三相電力変換システム１０では、制御装置５６が、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に流れる電流が所定値以上であると判定した大電流発生時においては、第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に対する電流指令値を通常時よりも低くすることにより、インバータ４８から第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に出力される電流が低くなるように、インバータ４８の動作を制御する。

【0086】

これにより、事故の発生していない健全な第１き電回路２１及び第２き電回路２２の他方に対する電力の供給を継続しつつ、事故の発生した第１き電回路２１及び第２き電回路２２の一方に出力される電流が低くなるようにインバータ４８を制御し、一過性の大電流からインバータ４８を保護することができる。電気鉄道用三相電力変換システム１０が三相鉄道電源１２と連系して運用される場合にも、一過性の大電流が発生した際に、健全なき電回路への影響を抑制しつつ、システムを適切に保護することができる。

【0087】

また、本実施形態に係る電気鉄道用三相電力変換システム１０では、制御装置５６が、インバータ４８の出力を二組の単相交流電力とみて、インバータ４８の動作を制御する。これにより、事故の発生したき電回路のみの電流指令値を直接的に調整することができる。健全なき電回路への影響をより適切に抑制した制御を実現することができる。

【0088】

但し、制御装置５６に設定する電流指令値は、必ずしも二組の単相交流電力に対する電流指令値でなくてもよい。例えば、インバータ４８から出力される三相交流電力の有効電流及び無効電流に対する電流指令値を設定し、事故の発生したき電回路に出力される電流が低くなるように、三相交流電力の有効電流及び無効電流に対する電流指令値を低くしてもよい。制御装置５６に設定される電流指令値は、インバータ４８の出力に関する任意の電流指令値でよい。

【0089】

上記実施形態では、電流検出器５４が、き電用変電所１４に供給される三相交流電力の電流値を検出している。これに限ることなく、電流検出器５４は、例えば、き電用変電所１４で変換された後の二組の単相交流電力のそれぞれの電流値を検出する構成としてもよい。これにより、制御装置５６において、二組の単相交流電力の電流値を演算する手間を省略することができる。

【0090】

一方、二組の単相交流電力のそれぞれの電流値を電流検出器５４で検出する構成とした場合には、電流検出器５４と制御装置５６との間の距離などが遠くなり、電流検出器５４の配置の構成などが複雑になってしまう可能性がある。上記実施形態のように、電流検出器５４が、き電用変電所１４に供給される三相交流電力の電流値を検出する構成とした場合には、例えば、電流検出器５４の配置の構成などを簡単にすることができる。

【0091】

上記実施形態では、き電用変電所１４に接続されるき電回路の数を２つとしている。き電用変電所１４に接続されるき電回路の数は、２つに限ることなく、３つ以上でもよい。き電回路の数が３つ以上である場合には、制御装置５６は、電流検出器５４で検出された電流値を基に、複数のき電回路のそれぞれに流れる電流が所定値以上か否かを判定し、複数のき電回路のそれぞれに流れる電流が所定値未満と判定した通常時においては、インバータ４８の出力に関する所定の電流指令値を設定することにより、複数のき電回路のそれぞれに対して所定の有効電流及び無効電流を供給するように、インバータ４８の動作を制御し、複数のき電回路のいずれかに流れる電流が所定値以上であると判定した大電流発生時においては、電流指令値を通常時よりも低くすることにより、インバータ４８から所定値以上と判定したき電回路に出力される電流が低くなるように、インバータ４８の動作を制御する構成とすればよい。

【0092】

上記実施形態では、三相鉄道電源１２の一例として、回転機を挙げている。三相鉄道電源１２は、回転機に限ることなく、き電回路の事故発生時の一過性の大電流に対して一定の供給能力を有し、事故の発生の際にも運転を継続することが可能な任意の電源でよい。

【0093】

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され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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

【符号の説明】

【0094】

２…き電システム、 １０…電気鉄道用三相電力変換システム、 １２…三相鉄道電源、 １４…き電用変電所、 ２１、２２…き電回路、 ２３、２４…電車、 ３０、３２…電力系統、 ４０…受電用変圧器、 ４２…コンバータ用変圧器、 ４４…コンバータ、 ４６…直流コンデンサ、 ４８…インバータ、 ５０…インバータ用変圧器、 ５２…送電用変圧器、 ５４…電流検出器、 ５６…制御装置、 ６０…指令値生成部、 ６２…電流値演算部、 ６４…運用状態信号入力部、 ６６ａ…第１適用判定部、 ６６ｂ…第２適用判定部、 ６８ａ…第１低減率演算部、 ６８ｂ…第２低減率演算部、 ７０ａ～７０ｄ…乗算器、 ７２…制御信号生成部

【図1】

【図2】

【図3】