特開 2023-178528 蓄電装置を備えた変電所、それと連系する蓄電システム及び充放電制御方法

(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】P2023178528

(43)【公開日】2023-12-18

(54)【発明の名称】蓄電装置を備えた変電所、それと連系する蓄電システム及び充放電制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/32 20060101AFI20231211BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20231211BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20231211BHJP

   H02J 3/46 20060101ALI20231211BHJP

   B60M 3/06 20060101ALI20231211BHJP

【ＦＩ】

H02J3/32

H02J7/02 B

H02J7/00 P

H02J3/46

B60M3/06 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022091262

(22)【出願日】2022-06-06

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 基也

(72)【発明者】

【氏名】宮内 努

(72)【発明者】

【氏名】高橋 弘隆

(72)【発明者】

【氏名】安河内 大

【テーマコード（参考）】

5G066

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G066HA15

5G066HB02

5G066HB09

5G066JB03

5G503AA01

5G503AA07

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA11

5G503DA08

5G503FA06

5G503GB06

(57)【要約】

【課題】 出力特性に電圧変動の少ない整流器を適用する変電所のき電区間において、回生電力と力行電力の発生に応じて蓄電装置が充放電することにより、回生失効を防止するとともに省電力に寄与できる変電所を提供する。
【解決手段】 交流電力を直流電力に変換する整流器と蓄電装置を備え、整流器と蓄電装置と少なくとも何れか一方の電力を車両に供給する変電所において、変電所が供給する負荷の大きさを検出する第１検出部と、き電電圧を検出する第２検出部と、を備え、第１検出部により検出された負荷の大きさが第１所定値を上回った場合に蓄電装置が放電し、第２検出部により検出された電圧が第２所定値を上回った場合に蓄電装置に充電する。整流器の無負荷電圧より高い電圧で蓄電装置が放電する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電力を直流電力に変換する整流器と、蓄電装置を備え、前記整流器と前記蓄電装置と少なくとも何れか一方の電力を車両に供給する蓄電装置を備えた変電所において、
前記変電所が前記供給する負荷の大きさを検出する第１検出部と、き電電圧を検出する第２検出部と、を備え、
前記第１検出部により検出された負荷の大きさが第１所定値を上回った場合に前記蓄電装置が放電し、
前記第２検出部により検出された電圧が第２所定値を上回った場合に前記蓄電装置に充電する、
蓄電装置を備えた変電所。

【請求項2】

前記整流器の無負荷電圧より高い電圧で前記蓄電装置が放電する、
請求項１に記載の蓄電装置を備えた変電所。

【請求項3】

回生蓄電変電所負荷から第３所定値を差し引いた負荷分を前記蓄電装置から放電し、
前記第３所定値は前記整流器が定電圧で安定した電流を出力可能な安定出力電流の上限である、
請求項１に記載の蓄電装置を備えた変電所。

【請求項4】

前記第１検出部は、前記変電所のき電電流を負荷の大きさとして検出する、
請求項１に記載の蓄電装置を備えた変電所。

【請求項5】

前記第１検出部は、前記交流電力の力率と前記蓄電装置の放電電力に基づいて負荷の大きさを検出する、
請求項１に記載の蓄電装置を備えた変電所。

【請求項6】

前記第１検出部は、前記交流電力の高調波と前記蓄電装置の放電電力に基づいて負荷の大きさを検出する、
請求項１に記載の蓄電装置を備えた変電所。

【請求項7】

請求項１～６の何れか１項に記載の蓄電装置を備えた変電所と連系する蓄電システム。

【請求項8】

車両電力を授受する蓄電装置の出力と、交流電力を直流電力に変換する整流器の出力と、少なくとも何れか一方を前記車両電力に供給する変電所と連系する蓄電システムの充放電制御方法において、
第１検出部が、前記変電所のき電電圧を検出し、
第２検出部が、前記変電所より供給される負荷の大きさを検出し、
前記第１検出部により検出された負荷の大きさが第１所定値を上回った場合に前記蓄電装置が放電し、
前記第２検出部により検出されたき電電圧が第２所定値を上回った場合に前記蓄電装置に充電する、
蓄電システムの充放電制御方法。

【請求項9】

前記整流器の無負荷電圧より高い電圧で前記蓄電装置が放電する、
請求項８に記載の蓄電システムの充放電制御方法。

【請求項10】

変電所負荷から第３所定値を差し引いた負荷分を前記蓄電装置から放電し、
前記第３所定値は前記整流器が定電圧で安定した電流を出力可能な安定出力電流の上限である、
請求項８に記載の蓄電システムの充放電制御方法。

【請求項11】

前記第１検出部は、変電所のき電電流を負荷の大きさとして検出する、
請求項８に記載の蓄電システムの充放電制御方法。

【請求項12】

前記第１検出部は、前記交流電力の力率と前記蓄電装置の放電電力に基づいて負荷の大きさを検出する、
請求項８に記載の蓄電システムの充放電制御方法。

【請求項13】

前記第１検出部は、前記交流電力の高調波と前記蓄電装置の放電電力に基づいて負荷の大きさを検出する、
請求項８に記載の蓄電システムの充放電制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電装置を備えた変電所、それと連系する蓄電システム及び充放電制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道の省エネルギー化（以下、「省エネ」と略す）を実現するため、回生ブレーキの有効活用が注目されている。回生ブレーキとは、車両（「電車」と読み替えても良い）に搭載されたモータの起電力により制動力を確保する減速手段であり、従来の摩擦ブレーキでは熱として捨てていた車両の運動エネルギーを電力に変換して再利用することが可能となる。この回生ブレーキにより発生した回生電力は、き電線を介して、他の列車の力行電力として供給されてきた。

【0003】

ただし、き電線は所定の間隔でき電区間として電気的に分離されているため、同一き電区間に回生電力を消費する車両が不在となる場合には回生電力を活用できないばかりか、回生ブレーキが作動しない回生失効の状態に陥る危険もある。このため、力行車両が同一き電区間内に不在となる状況でも回生電力を有効活用する技術が必要とされている。

【0004】

これに対応し、電力貯蔵装置（以下、「蓄電装置」という）を有効活用する技術が知られている（例えば、特許文献１）。この技術は、回生電力を蓄電装置に充電する一方で、力行車両が現れた際に放電することで、力行車両が同一き電区間内に不在となる状況でも回生電力の有効活用を実現するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６－１５０６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の蓄電装置は、回生電力／力行電力の発生に伴い、変電所の備える整流器の特性に応じて上昇／下降する電圧を観測し、電圧が上昇したら充電し、電圧が下降したら放電する充放電制御である。このため、電圧変動の少ない出力特性の整流器（例えば、サイリスタ整流器）を適用し、一定電圧で電力供給する変電所のき電区間内では、力行電力発生時の電圧下降が小さく、蓄電装置からの放電機会を十分確保することが困難になる。

【0007】

また、放電機会を十分確保できない影響として、回生電力の有効利用もできない。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電圧変動の少ない出力特性を有する整流器と、蓄電装置を備えた変電所において、回生電力と力行電力の発生に応じて蓄電装置が充放電することにより、回生失効を防止するとともに省電力に寄与できる蓄電装置を備えた変電所を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決する本発明は、交流電力を直流電力に変換する整流器と蓄電装置を備え、整流器と蓄電装置と少なくとも何れか一方の電力を、き電線を経由して車両に供給する変電所において、変電所が供給する負荷の大きさを検出する第１検出部と、き電線のき電電圧を検出する第２検出部と、を備え、第１検出部により検出された負荷の大きさが第１所定値を上回った場合に蓄電装置が放電し、第２検出部により検出された電圧が第２所定値を上回った場合に蓄電装置に充電する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、蓄電装置と、電圧変動の少ない出力特性を有する整流器を適用する変電所において、回生電力と力行電力の発生に応じて蓄電装置が充放電することにより、回生失効を防止するとともに省電力に寄与できる変電所を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施例１に係る蓄電システムの概略を例示する機能ブロック図である。

【図2】図１におけるサイリスタ整流器１０の出力特性を例示するグラフである。

【図3】図１における制御装置３０を例示する機能ブロック図である。

【図4】図１における蓄電装置２０の出力特性を例示するグラフである。

【図5】図１の蓄電システムの動作波形を例示するグラフである。

【図6】本発明の実施例２に係る制御装置３１を例示する機能ブロック図、及び動作説明グラフである。

【図7】図６の制御装置３１の動作波形を例示するグラフである。

【図8】図６の制御装置３１の変形例に係る制御装置３２を例示する機能ブロック図である。

【図9】本発明の実施例３に係る蓄電システムの概略を例示する機能ブロック図である。

【図10】本発明の実施例４に係る蓄電システムの概略を例示する機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施例１を図１～図５により説明し、実施例２を図６及び図７により説明し、実施例２の変形例を図８により説明し、実施例３を図９により説明し、実施例４を図１０により説明する。以下、同効の部位には同一符号を付して説明の重複を避ける。

【実施例0012】

本発明の実施例１を説明する。図１は、蓄電システムの概略を例示する機能ブロック図である。図１の蓄電システムは、車両１と、き電線２と、蓄電装置を備えた変電所（以下、「本変電所」ともいう）３Ａと、より構成される。なお、図１に示す実施例１，２の本変電所３Ａのほか、図９に示す実施例３の本変電所３Ｂと、図１０に示す実施例４の本変電所３Ｃと、を例示するが、これらを区別する必要が無い場合は、まとめて本変電所３と表記する。

【0013】

本変電所３Ａは、整流器１０と、蓄電装置２０と、制御装置３０と、を備える。本変電所３Ａは、き電線２を介して、車両１へ力行電力を供給する一方で、回生電力を吸収する役目もある。その役目を果たせない場合が課題となり、それを本発明で解決する。なお、蓄電装置２０は、どこか任意の位置に配設されて、通信により充放電制御できれば、必ずしも本変電所３Ａの敷地内である必要はない。ただし、本変電所３Ａに蓄電装置２０が属する標準的な形態を例示している。

【0014】

整流器１０は、電力系統４から受電した電力を直流に変換する。本変電所３Ａと車両１との間で、き電電流５０が授受される。蓄電装置２０は、検出されたき電電流５０の方向及び値に応じ、制御条件に基づいて充放電する。き電電流５０の方向は、力行電力の供給方向を正とし、回生電力の吸収方向を負とする。なお、電力系統４は、電力事業者のみが提供するとは限らず、鉄道事業者が自前で所有する発電所もある。その場合、力率改善義務等の公共的な制約条件が緩和される可能性もある。

【0015】

制御装置３０は、回生失効を防止するとともに、省エネに寄与する制御条件に基づいて、蓄電装置２０を充放電制御する。

【0016】

蓄電システムは、電車１の制動力で発生する回生電力をき電線２経由で地上の蓄電装置２０に貯蔵し、その貯蔵電力を電車１の力行時に供給する、という動作を繰り返して電力を有効利用する。

【0017】

実際の蓄電システムは、き電側の電力授受用として一対をなす接続端のうち、一方のＰ側が、不図示の直流高速度遮断器盤を介してき電線２に接続され、他方のＮ側が、不図示の断路器盤を介して不図示のレールに接続されている。このような蓄電システムは、省エネ機能、及び回生失効防止機能のみならず、電力系統４の停電時等の緊急時に、本変電所３Ａの出力を補完する機能もある。

【0018】

しかしながら、出力特性に電圧変動の小さいサイリスタ整流器１０を適用した本変電所３Ａによるき電区間では、従来の充放電制御が適切に動作しないという課題があった。そこで、本発明により、この課題を解決した。

【0019】

制御装置３０は、蓄電装置２０の充放電指令値６０を決定することにより、充放電制御する。充放電指令値６０は、変電所電流（以下、「き電電流」又は「負荷の大きさ」）５０と、き電電圧４０と、に基づいて決定される。き電電流５０は、き電線２と、本変電所３Ａと、の接続点で観測される。

【0020】

図２は、図１におけるサイリスタ整流器１０の出力特性を例示するグラフであり、横軸に出力電流Ｉを示し、縦軸に出力電圧Ｖを示している。整流器１０は、力行電力が発生した場合、定格電流Ｉｒまでは無負荷電圧Ｖ０で電流を供給し、定格電流Ｉｒを超えると電流の供給量に応じて電圧が低下する。また、回生電力が発生した場合、それを電力系統４側へ吸収するような逆方向には電流を流さないため、整流器１０の出力側の電圧Ｖが上昇する。

【0021】

図３は、図１における制御装置３０を例示する機能ブロック図である。制御装置３０は、目標電圧切替器３０１と、電圧調整器３０３，３０６と、切替器３０８と、を備える。目標電圧切替器３０１は、き電電流５０を閾値電流（第１所定値）Ｉｔと比較して放電電圧指令値３０２を適切に出力する。

【0022】

電圧調整器３０３は、放電電力指令値３０４を決定する。電圧調整器３０６は、充電電力指令値３０７を決定する。切替器３０８は、下表１に示す判定方法により、判定された適切な動作モードを充放電指令値６０として出力する。

【0023】

制御装置３０は、以下の条件により、充放電指令値６０を決定する。き電電流５０が閾値電流Ｉｔ以上の場合、制御装置３０は、無負荷電圧Ｖ０よりも大きい電圧ＶＤ１を、目標電圧切替器３０１から放電電圧指令値３０２として出力する。

【0024】

き電電流５０が閾値電流Ｉｔ未満の場合、制御装置３０は、無負荷電圧Ｖ０よりも小さい電圧ＶＤ０を、目標電圧切替器３０１から放電電圧指令値３０２として出力する。

【0025】

また、電圧調整器３０３は、放電電圧指令３０２と、き電電圧４０と、の差が０になるように、放電電力指令値３０４を決定する。電圧調整器３０６は、充電電圧指令値３０５と、き電電圧４０と、の差が０になるように充電電力指令値３０７を決定する。切替器３０８は、放電と、充電と、待機と、のうち何れかを三者択一して判定し、判定された適切な動作モードを充放電指令値６０として出力する。

【0026】

切替器３０８は、動作モードが放電の場合、放電電力指令値３０４を、充放電指令値６０として出力する。切替器３０８は、動作モードが充電の場合、充電電力指令値３０７を、充放電指令値６０として出力する。切替器３０８は、動作モードが待機の場合、ゼロを充放電指令値６０として出力する。切替器３０８の動作モードの判定方法の一例は、下表１に示すとおりである。

【0027】

図３の制御装置３０において、放電電力指令値３０４と充電電力指令値３０７は、それぞれ正の場合に蓄電装置２０を放電、負の場合に蓄電装置２０を充電させるような指標であることから、両者の符号により動作モードを判定する。

【0028】

具体的には、放電電力指令値３０４が正、かつ、充電電力指令値が正の場合には放電、充電電力指令値３０７が負、かつ充電電力指令値が負の場合には充電、それ以外の場合は待機とする。

【0029】

【表1】

【0030】

図４は、図１における蓄電装置２０の出力特性を例示するグラフであり、横軸に充放電電流Ｄを示し、縦軸に蓄電装置電圧Ｂを示している。充電時には蓄電装置電圧Ｂが蓄電装置２０の充電上限電圧（第２所定値）ＶＣで一定となるように充電し、蓄電装置２０の充放電電流Ｄが最大充電電流ＩＣに達したならば、蓄電装置電圧Ｂが充電上限電圧ＶＣよりも上昇する。

【0031】

放電時の蓄電装置２０は、き電電流５０に応じた２種類の特性を示す。き電電流５０が閾値電流Ｉｔ未満の低負荷時に、蓄電装置２０は、第１出力特性４０１のように、蓄電装置電圧Ｂが低めの電圧ＶＤ０以下の場合に放電する。

【0032】

さらに、蓄電装置２０の充放電電流Ｄが最大放電電流ＩＤの重負荷に達したならば、蓄電装置電圧Ｂは、電圧ＶＤ０よりも下降する。

【0033】

また、き電電流５０が閾値電流Ｉｔ以上の重負荷時、蓄電装置２０は、第２出力特性４０２のように、蓄電装置電圧Ｂが高めの電圧ＶＤ１以下の場合に放電する。蓄電装置２０の充放電電流Ｄが最大放電電流ＩＤに達したならば、き電電圧４０が高めの電圧ＶＤ１よりも下降する。

【0034】

図５は、図１の蓄電システムの動作波形を例示するグラフであり、横軸に時間ｔを示し、縦軸に力行／回生電流（車両電流）Ａ、き電電圧４０、整流器出力電流Ｉ、蓄電装置電流Ｄ、及び、き電電流５０を示している。なお、回生電流Ａと、力行電流Ａと、不図示の補機電流Ａと、これら全部をまとめた車両電流Ａと、何れも共通の符号Ａで図５に示している。

【0035】

また、補機電流Ａについては、回生電力をいくらかでも消費して回生失効防止させる利用も考えられるが、そのためのオプション機能が煩雑になるので、ここでは便宜上、補機電流Ａは同一タイミングで力行電流Ａに含まれるか、又は無いものとみなして、説明を簡略化する。同様の理由で、本変電所３Ａのき電区間に在線する車両１は、１編成のみとする。

【0036】

補機電流Ａ及び力行電流Ａは、本変電所３Ａ→き電線２→車両１へと供給される。回生電流Ａは、車両１→き電線２→本変電所３Ａへと戻入される。き電電圧４０は、本変電所３Ａと、き電線２と、をつなぐ接続点における電圧である。

【0037】

き電電圧４０は、説明の便宜上の基準として、力行／回生電流Ａの無い無負荷電圧Ｖ０を想定し、これに対して、回生時は正に傾くが、力行時であっても負には傾かない。

【0038】

整流器出力電流Ｉは、整流器１０→き電線２へと供給される電流であり、逆方向に戻入されることはない。整流器出力電流Ｉは、電力系統４から受電した電力の消費につながるので、少ないほど省エネに寄与したことになる。

【0039】

極論すれば、回生電力の全てを貯蔵し、その電力で力行分を賄えるなら、整流器出力電流Ｉは不要となり、電力系統４から受電して消費する電力も無くせる。無くせないまでも、不図示の補機消費分及び各部のロス分を補うだけに極小化して省エネに寄与できる。

【0040】

蓄電装置電流Ｄは、蓄電装置２０と、き電線２との間を何れかの方向に流れる電流であり、負方向で充電し、正方向で放電する。負方向で充電中の蓄電装置電流Ｄの波形と、回生電流Ａの波形と、は同一形状であるが、回生電力の全てが蓄電装置２０に貯蔵されるわけではなく、所定の条件を満たす必要がある。

【0041】

図１及び図５において、き電区間には車両１のみ在線する状況を想定しているため、き電電流５０は、車両１の車両電流Ａと同一である。き電区間に複数の車両１が在線する場合、同一時間における複数の車両１それぞれ不図示の補機電流Ａ、及び力行電流Ａの合計を、回生電流Ａの合計で相殺した総量値が、き電電流５０となる。

【0042】

図５は、上述した各電圧及び電流それぞれの時系列波形を示しており、以下、時刻ｔ０～ｔ６の順に説明する。時刻ｔ０において、車両１が回生を開始し、き電線２へ回生電流Ａが流れると、き電電圧４０が上昇する。き電電圧４０が蓄電装置２０の充電上限電圧（第２所定値）ＶＣ（図４）に達すると、蓄電装置２０が力行電流Ａを充電する。

【0043】

時刻ｔ１において、車両１が回生電流の供給を停止すると、き電電圧４０が無負荷電圧Ｖ０に安定し、蓄電装置２０は充電を停止する。時刻ｔ２において、車両１が力行を開始し、力行電流が流れると、整流器１０が電線２を経由して車両１へ力行電流を供給する。時刻ｔ３において、き電電流５０が閾値電流Ｉｔを上回ると、蓄電装置２０が電圧ＶＤ１（図６も参照）で放電を開始し、き電電圧４０がＶＤ１となり、整流器１０は電流の供給を停止する。

【0044】

時刻ｔ４において、蓄電装置２０の蓄電装置電流Ｄが出力の上限に達すると、き電電圧４０が無負荷電圧Ｖ０に下降し、蓄電装置２０の電流だけでは不足する分を整流器１０が供給する。時刻ｔ５において、減少した力行電流の全てを蓄電装置２０の放電電流だけで賄えるようになると、整流器１０は出力を停止し、き電電圧４０は、蓄電装置２０の放電電圧であるＶＤ１となる。

【0045】

時刻ｔ６において、力行電流Ａが閾値電流Ｉｔを下回ると蓄電装置２０は放電を停止し、き電電圧４０が無負荷電圧Ｖ０に下降、蓄電装置２０に代わって、整流器１０が力行電流Ａを供給する。以上のように、図１～図５の本変電所３Ａは、出力時の電圧変動の小さい整流器１０を採用する。

【0046】

本変電所３Ａから電力供給するき電区間に車両１を走行させる蓄電システムによれば、車両１の回生と力行に適応した蓄電装置２０の充放電を実現し、回生電力を有効活用するとともに、回生失効を防止できる。

【実施例0047】

本発明の実施例２に係る蓄電システムについて、図６及び図７を用いて説明する。図６は、本発明の実施例２に係る制御装置３１を例示する機能ブロック図及び動作説明グラフである。図６の目標電圧切替器３０１は、き電電流５０から整流器１０の寿命等を考慮した実用的な安定出力電流の上限（以下、「安定出力電流」又は「第３所定値」ともいう）Ｉｓを差し引いた値を目標に、電流制御器６０１が放電電圧指令値３０２を決定する。なお、安定出力電流Ｉｓ≦閾値電流Ｉｔである。

【0048】

図６の動作説明グラフは、目標電圧切替器３０１が放電電圧指令値３０２を出力する際の動作について、図４に示した、ＶＤ１と、Ｖ０と、ＶＤ０と、の大小関係に基づいて説明するためのグラフである。グラフに示す放電電圧指令値３０２は、き電電流５０－第３所定値Ｉｓが、０よりも小さいときは無負荷電圧Ｖ０より低めの電圧ＶＤ０を出力し、０以上のときは無負荷電圧Ｖ０より高めの電圧ＶＤ１を出力する。

【0049】

図７は、図６の制御装置３１の動作波形を例示するグラフであり、横軸に時間ｔを示し、縦軸に車両電流（補機／力行／回生電流）Ａ、き電電圧４０、整流器出力電流Ｉ、蓄電装置電流Ｄ、及びき電電流５０を示している。図７の時刻ｔ０から時刻ｔ３までの挙動は、図５の実施例１と同じである。

【0050】

図６及び図７に示す実施例２の蓄電システムは、実施例１の蓄電システムに対し、以下の点が相違する。時刻ｔ３において、力行電流Ａが安定出力電流Ｉｓを上回ると蓄電装置２０が放電を開始する。整流器１０は、その安定出力電流Ｉｓを維持し、車両電流Ａの不足分を蓄電装置２０が放電して補填する。

【0051】

時刻ｔ６において、力行電流Ａが整流器１０の安定出力電流Ｉｓを下回ると、蓄電装置２０は放電を停止する。時刻ｔ３から時刻ｔ６にかけて、き電電圧４０は、無負荷電圧Ｖ０に一致する。以上のように、図６及び図７に示す実施例２の蓄電システムによれば、図５の実施例１と同様の効果に加え、き電電圧４０の頻回な変動を抑制することができる。

【0052】

図８は、図６の制御装置３１の変形例に係る制御装置３２を例示する機能ブロック図である。図６の制御装置３１から電圧調整器３０３を省略し、図８の制御装置３２に示すように、電流制御器６０１から放電電力指令値３０４の出力を直接決定しても良い。