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(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】P2024053275
(43)【公開日】2024-04-15
(54)【発明の名称】直流き電システム
(51)【国際特許分類】
B60M 3/02 20060101AFI20240408BHJP
B60M 3/06 20060101ALI20240408BHJP
H02J 1/00 20060101ALI20240408BHJP
【ＦＩ】
B60M3/02 D
B60M3/06 D
H02J1/00 304A
H02J1/00 306B
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022159415
(22)【出願日】2022-10-03
(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】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】谷内田 貴行
(72)【発明者】
【氏名】藤井 俊行
【テーマコード（参考）】
5G165
【Ｆターム（参考）】
5G165CA01
5G165DA07
5G165EA01
5G165GA09
5G165HA01
(57)【要約】
【課題】路線の一方端にしか変電所がない線区における直流き電線の電圧降下を補償することができる、高電圧直流き電方式を採用した直流き電システムを提供する。
【解決手段】直流き電線Ｔは、変電所１０から直流き電電圧ＶＴの供給を受ける。高電圧直流き電線Ｆは、直流き電線Ｔに並設され、直流き電電圧ＶＴよりも高い直流き電電圧ＶＦを有する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、変電所１０と直流き電線Ｔの終端との間に位置する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａと直流き電線Ｔの終端との間に位置する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電圧ＶＴと第１の参照電圧との偏差に応じた直流電力を、直流き電線Ｔと高電圧直流き電線Ｆとの間で授受するように双方向の直流／直流変換を実行する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、直流き電電圧ＶＦが第２の参照電圧となるように双方向の直流／直流変換を実行する。
【選択図】図１
【解決手段】直流き電線Ｔは、変電所１０から直流き電電圧ＶＴの供給を受ける。高電圧直流き電線Ｆは、直流き電線Ｔに並設され、直流き電電圧ＶＴよりも高い直流き電電圧ＶＦを有する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、変電所１０と直流き電線Ｔの終端との間に位置する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａと直流き電線Ｔの終端との間に位置する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電圧ＶＴと第１の参照電圧との偏差に応じた直流電力を、直流き電線Ｔと高電圧直流き電線Ｆとの間で授受するように双方向の直流／直流変換を実行する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、直流き電電圧ＶＦが第２の参照電圧となるように双方向の直流／直流変換を実行する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
変電所から第１の直流き電電圧の供給を受けて、線路を走行する電気車に直流電力を供給する第１の直流き電線と、
前記第１の直流き電線に並設され、前記第１の直流き電電圧よりも高い第２の直流き電電圧を有する第２の直流き電線と、
前記変電所と前記第１の直流き電線の終端との間に位置し、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間に接続された第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と、
前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と前記第１の直流き電線の前記終端との間に位置し、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間に接続された、少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置とを備え、
前記少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記第１の直流き電電圧と所定の第１の参照電圧との偏差に応じた直流電力を、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間で授受するように、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間で双方向の直流／直流変換を実行し、
前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記第２の直流き電電圧が所定の第２の参照電圧となるように、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間で双方向の直流／直流変換を実行する、直流き電システム。
前記第１の直流き電線に並設され、前記第１の直流き電電圧よりも高い第２の直流き電電圧を有する第２の直流き電線と、
前記変電所と前記第１の直流き電線の終端との間に位置し、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間に接続された第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と、
前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と前記第１の直流き電線の前記終端との間に位置し、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間に接続された、少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置とを備え、
前記少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記第１の直流き電電圧と所定の第１の参照電圧との偏差に応じた直流電力を、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間で授受するように、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間で双方向の直流／直流変換を実行し、
前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記第２の直流き電電圧が所定の第２の参照電圧となるように、前記第１の直流き電線と前記第２の直流き電線との間で双方向の直流／直流変換を実行する、直流き電システム。
【請求項2】
前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記第１の直流き電線の前記終端に最も近い前記変電所に配置される、請求項１に記載の直流き電システム。
【請求項3】
前記少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、複数の第２のＤＣ／ＤＣ変換装置を含み、
前記複数の第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と前記第１の直流き電線の前記終端との間に、互いに離間して配置される、請求項１に記載の直流き電システム。
前記複数の第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と前記第１の直流き電線の前記終端との間に、互いに離間して配置される、請求項１に記載の直流き電システム。
【請求項4】
前記少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、
前記第１の直流き電圧が前記第１の参照電圧よりも大きいときに、前記偏差に応じた直流電力を、前記第１の直流き電線から前記第２の直流き電線に供給し、
前記第１の直流き電圧が前記第１の参照電圧よりも小さいときに、前記偏差に応じた直流電力を、前記第２の直流き電線から前記第１の直流き電線に供給する、請求項１から３のいずれか１項に記載の直流き電システム。
前記第１の直流き電圧が前記第１の参照電圧よりも大きいときに、前記偏差に応じた直流電力を、前記第１の直流き電線から前記第２の直流き電線に供給し、
前記第１の直流き電圧が前記第１の参照電圧よりも小さいときに、前記偏差に応じた直流電力を、前記第２の直流き電線から前記第１の直流き電線に供給する、請求項１から３のいずれか１項に記載の直流き電システム。
【請求項5】
前記少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記偏差の大きさが閾値未満である場合には、双方向の直流／直流変換を実行しない、請求項４に記載の直流き電システム。
【請求項6】
前記第１のＤＣ／ＤＣ変換装置は、
前記第２の直流き電圧が前記第２の参照電圧よりも大きいときに、前記第２の直流き電線から前記第１の直流き電線に直流電力を供給し、
前記第２の直流き電圧が前記第２の参照電圧よりも小さいときに、前記第１の直流き電線から前記第２の直流き電線に直流電力を供給する、請求項１から３のいずれか１項に記載の直流き電システム。
前記第２の直流き電圧が前記第２の参照電圧よりも大きいときに、前記第２の直流き電線から前記第１の直流き電線に直流電力を供給し、
前記第２の直流き電圧が前記第２の参照電圧よりも小さいときに、前記第１の直流き電線から前記第２の直流き電線に直流電力を供給する、請求項１から３のいずれか１項に記載の直流き電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、直流き電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特開２０２０－４０４５５号公報（特許文献１）には、線路を走行する電気車に直流き電線を介して直流電力を供給する直流き電システムが開示されている。この直流き電システムでは、直流き電線に対して高電圧直流き電線を並設し、直流き電線と高電圧直流き電線との間に設けられた電力変換装置を用いて、直流き電線および高電圧直流き電線の間で直流電力を融通することにより、直流き電電圧の高電圧化する「高電圧直流き電方式」を採用している。
【0003】
特許文献１に記載される直流き電システムでは、直流き電線に直流電力を供給する変電所毎に電力変換装置が併設されるとともに、当該変電所と隣り合う他の変電所との中間に、複数の電力変換装置が互いに間隔を置いて配置されている。これら複数の電力変換装置の各々は、直流き電線の直流き電電圧と、高電圧直流き電線の直流き電高電圧とが所定の比率となるように、直流き電電圧の変化に対応して直流き電高電圧を増減する制御を行うように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－４０４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１では、直流き電電圧と直流き電高電圧との比率を所定の比率に保つように、複数の電力変換装置が直流き電高電圧の調整を協調して行うことにより、複数の電力変換装置がそれぞれ接続されている複数の地点の間には、各地点における直流き電電圧を反映して、直流き電高電圧の電圧勾配が形成される。この電圧勾配に従って直流き電線および高電圧直流き電線に直流電流が流れることにより、複数の変電所からの直流電力を力行している電気車に供給することができる。また、他の電気車が回生ブレーキにより生成した回生電力を、力行している電気車に供給することができる。
【0006】
しかしながら、路線の一方端にしか変電所がなく、当該路線の他方端（終端）が行き止まりとなっている線区（例えば、盲腸線）においては、特許文献１に記載される技術の適用が困難になることが懸念される。
【0007】
例えば、当該線区を他の電気車が走行していない状況下では、変電所から線路を走行している電気車に対して直流電力が供給されることになる。このような場合、変電所から電気車の走行位置までの距離が大きくなるに従って、直流き電線の抵抗および負荷電流の大きさに比例して、直流き電線における電圧降下が大きくなるために、電気車の走行に支障が生じる虞がある。そのため、当該線区において電気車が走行できる範囲が、直流き電電圧が電気車の走行に必要な下限値を下回らない範囲に制限されることになる。
【0008】
上述したように特許文献１では、変電所毎、または、隣接する変電所の中間に所定の間隔を隔てて配置された複数の電力変換装置によって、直流き電電圧の変化に対応して、直流き電電圧と直流き電高電圧とが所定の比率に保つように、直流き電高電圧が増減されるものの、直流き電電圧の電圧降下を補償する観点については考慮されていない。
【0009】
本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、路線の一方端にしか変電所がない線区における直流き電線の電圧降下を補償することができる、高電圧直流き電方式を採用した直流き電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本開示のある局面によれば、直流き電システムは、第１の直流き電線と、第２の直流き電線と、第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と、少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置とを備える。第１の直流き電線は、変電所から第１の直流き電電圧の供給を受けて、線路を走行する電気車に直流電力を供給する。第２の直流き電線は、第１の直流き電線に並設され、第１の直流き電電圧よりも高い第２の直流き電電圧を有する。第１のＤＣ／ＤＣ変換装置は、変電所と第１の直流き電線の終端との間に位置し、第１の直流き電線と第２の直流き電線との間に接続される。少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、第１のＤＣ／ＤＣ変換装置と第１の直流き電線の終端との間に位置し、第１の直流き電線と第２の直流き電線との間に接続される。少なくとも１つの第２のＤＣ／ＤＣ変換装置は、第１の直流き電電圧と所定の第１の参照電圧との偏差に応じた直流電力を、第１の直流き電線と第２の直流き電線との間で授受するように、第１の直流き電線と第２の直流き電線との間で双方向の直流／直流変換を実行する。第１のＤＣ／ＤＣ変換装置は、第２の直流き電電圧が所定の第２の参照電圧となるように、第１の直流き電線と第２の直流き電線との間で双方向の直流／直流変換を実行する。
【発明の効果】
【0011】
本開示によれば、高電圧直流き電方式を採用した直流き電システムにより、路線の一方端にしか変電所がない線区における直流き電線の電圧降下を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施の形態１に係る直流き電システムの構成を説明する概略ブロック図である。
【図2】ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａの構成例を示す回路ブロック図である。
【図3】制御部４２ＡによるＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａの制御を説明するための図である。
【図4】ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの構成例を示す回路ブロック図である。
【図5】電圧制御部６０の動作を説明するための図である。
【図6】電気車が力行している場合における直流き電システムの動作を説明する図である。
【図7】複数の電気車が走行している場合における直流き電システムの動作を説明する図である。
【図8】実施の形態２に係る電圧制御部の動作を説明するための図である。
【図9】実施の形態３に係る直流き電システムの構成を説明する概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰り返さないものとする。
【0014】
［実施の形態１］
＜直流き電システムの構成＞
図１は、実施の形態１に係る直流き電システムの構成を説明する概略ブロック図である。実施の形態１に係る直流き電システム１００は、線路Ｒ上を走行する電気車３０に直流電力を供給するシステムである。直流き電システム１００は、路線の一方端にしか変電所１０がなく、路線の他方端（終端）が行き止まりとなっている線区に適用され得る。
＜直流き電システムの構成＞
図１は、実施の形態１に係る直流き電システムの構成を説明する概略ブロック図である。実施の形態１に係る直流き電システム１００は、線路Ｒ上を走行する電気車３０に直流電力を供給するシステムである。直流き電システム１００は、路線の一方端にしか変電所１０がなく、路線の他方端（終端）が行き止まりとなっている線区に適用され得る。
【0015】
図１に示すように、直流き電システム１００は、電気車３０に対して直流電力を供給する直流き電線Ｔと、高電圧直流き電線Ｆと、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａと、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂとを備える。
【0016】
直流き電線Ｔ、高電圧直流き電線Ｆおよび線路Ｒは、線路Ｒ上を走行する電気車３０に電力を送るための送電線を構成する。線路Ｒの終端に対応して、直流き電線Ｔおよび高電圧直流き電線Ｆの各々は終端を有している。
【0017】
直流き電線Ｔは、変電所１０から直流電力の供給を受ける。変電所１０は、図示しない発電所から送られる交流電力を直流電力に変換して直流き電線Ｔに供給する。変電所１０は、例えば、ダイオード整流器、または、ＰＷＭ（パルス幅変調）整流器などを含んで構成される。変電所１０は、直流き電線Ｔの終端に最も近い変電所に相当する。直流き電線Ｔの直流き電電圧ＶＴの標準値は、例えば１５００Ｖである。直流き電線Ｔは「第１の直流き電線」の一実施例に対応し、直流き電電圧ＶＴは「第１の直流き電電圧」の一実施例に対応する。
【0018】
高電圧直流き電線Ｆは、直流き電線Ｔに並設されている。高電圧直流き電線Ｆの直流き電電圧ＶＦは、直流き電電圧ＶＴよりも高い。直流き電電圧ＶＦの標準値は、例えば６０００Ｖである。高電圧直流き電線Ｆは「第２の直流き電線」の一実施例に対応し、直流き電電圧ＶＦは「第２の直流き電電圧」の一実施例に対応する。
【0019】
ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡおよびＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電線Ｔと高電圧直流き電線Ｆとの間に接続されている。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡおよびＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの各々は、双方向のＤＣ／ＤＣ変換装置である。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡおよびＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂにおける双方向のＤＣ／ＤＣ変換によって、直流き電線Ｔと高電圧直流き電線Ｆとの間で電力が授受される。
【0020】
具体的には、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、変電所１０と直流き電線Ｔの終端との間に位置している。好ましくは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、変電所１０またはその近傍に位置している。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆへ電力を供給する場合に、直流き電電圧ＶＴを昇圧して高電圧直流き電線Ｆに出力する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔへ電力を供給する場合に、直流き電電圧ＶＦを降圧して直流き電線Ｔに出力する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは「第１のＤＣ／ＤＣ変換装置」の一実施例に対応する。
【0021】
ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａと直流き電線Ｔの終端との間に位置している。図１のようにＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂが１台である場合には、好ましくは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電線Ｔの終端またはその近傍に位置している。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆへ電力を供給する場合に、直流き電電圧ＶＴを昇圧して高電圧直流き電線Ｆに出力する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔへ電力を供給する場合に、直流き電電圧ＶＦを降圧して直流き電線Ｔに出力する。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは「第２のＤＣ／ＤＣ変換装置」の一実施例に対応する。
【0022】
ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡとＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂとは、双方向のＤＣ／ＤＣ変換の制御構成が異なる。以下では、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡおよびＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの各々の構成および動作について説明する。
【0023】
＜ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａの構成例＞
図２は、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａの構成例を示す回路ブロック図である。図２に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、低電圧側直流端子Ｔ１と、高電圧側直流端子Ｔ３と、負側直流端子Ｔ２，Ｔ４と、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａと、制御部４２Ａと、電圧検出器４４とを含んで構成される。
図２は、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａの構成例を示す回路ブロック図である。図２に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、低電圧側直流端子Ｔ１と、高電圧側直流端子Ｔ３と、負側直流端子Ｔ２，Ｔ４と、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａと、制御部４２Ａと、電圧検出器４４とを含んで構成される。
【0024】
低電圧側直流端子Ｔ１は直流き電線Ｔに接続され、低電圧側直流端子Ｔ２は線路Ｒに接続される。高電圧側直流端子Ｔ３は高電圧直流き電線Ｆに接続され、高電圧側直流端子Ｔ４は線路Ｒに接続される。
【0025】
ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａは、低電側直流端子Ｔ１，Ｔ２と高電圧側直流端子Ｔ３，Ｔ４との間に接続される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａは、複数の半導体スイッチング素子および複数のダイオードを含む周知のものである。図２の例では、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａは、チョッパ回路であり、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、およびリアクトルＬ１を含む。
【0026】
ＩＧＢＴＱ１のコレクタは高電圧側直流端子Ｔ３に接続され、そのエミッタはノードＮ１に接続される。ＩＧＢＴＱ２のコレクタはノードＮ１に接続され、そのエミッタは負側直流端子Ｔ２，Ｔ４に接続される。ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートは、それぞれ制御部４２Ａからのゲート信号Ｇ１，Ｇ２を受ける。
【0027】
ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれＩＧＢＴＱ１，Ｑ２に逆並列に接続される。リアクトルＬ１は、ノードＮ１と低電圧側直流端子Ｔ１との間に接続され、電磁エネルギーを蓄える。
【0028】
降圧動作時、ゲート信号Ｇ１が一定周期でＨレベルおよびＬレベルにされてＩＧＢＴＱ１が一定周期でオンおよびオフされる。ゲート信号Ｇ２はＬレベルに維持されてＩＧＢＴＱ２はオフ状態に維持される。
【0029】
ＩＧＢＴＱ１がオンされると、高電圧直流き電線ＦからＩＧＢＴＱ１、リアクトルＬ１および直流き電線Ｔを介して線路Ｒに電流が流れ、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに直流電力が供給されるとともに、リアクトルＬ１に電磁エネルギーが蓄えられる。
【0030】
ＩＧＢＴＱ１がオフされると、リアクトルＬ１の一方端子から直流き電線Ｔ、線路ＲおよびダイオードＤ２を介してリアクトルＬ１の他方端子に電流が流れ、リアクトルＬ１の電磁エネルギーが放出される。
【0031】
ゲート信号Ｇ１の一周期Ｔ１内におけるゲート信号Ｇ１がＨレベルにされる時間Ｔ２の割合Ｔ２／Ｔ１は、デューティ比Ｄ１と呼ばれる。デューティ比Ｄ１を増大させると直流き電電圧ＶＴが上昇し、デューティ比Ｄ１を減少させると直流き電電圧ＶＴが低下する。したがって、デューティ比Ｄ１を調整することにより、直流き電電圧ＶＴを所望の電圧に調整することが可能となっている。
【0032】
昇圧動作時、ゲート信号Ｇ２が一定周期でＨレベルおよびＬレベルにされてＩＧＢＴＱ２が一定周期でオンおよびオフされる。ゲート信号Ｇ１はＬレベルに維持されてＩＧＢＴＱ１はオフ状態に維持される。
【0033】
ＩＧＢＴＱ２がオンされると、直流き電線ＴからリアクトルＬ１およびＩＧＢＴＱ２を介して線路Ｒに電流が流れ、リアクトルＬ１に電磁エネルギーが蓄えられる。
【0034】
ＩＧＢＴＱ２がオフされると、直流き電線ＴからリアクトルＬ１およびダイオードＤ１を介して高電圧直流き電線Ｆに電流が流れ、直流き電線Ｔから高電圧き電線Ｆに直流電力が供給されるともに、リアクトルＬ１の電磁エネルギーが放出される。
【0035】
ゲート信号Ｇ２の一周期Ｔ３内におけるゲート信号Ｇ２がＨレベルにされる時間Ｔ４の割合Ｔ４／Ｔ３は、デューティ比Ｄ２と呼ばれる。デューティ比Ｄ２を増大させると直流き電電圧ＶＦが上昇し、デューティ比Ｄ２を減少させると直流き電電圧ＶＦが低下する。したがって、デューティ比Ｄ２を調整することにより、直流き電電圧ＶＦを所望の電圧に調整することが可能となっている。
【0036】
電圧検出器４４は、直流き電電圧ＶＦを検出する。電圧検出器４４による検出信号は制御部４２Ａに送られる。制御部４２Ａは、電圧検出器４４の出力信号などに基づいてゲート信号Ｇ１，Ｇ２を生成することにより、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａを制御する。
【0037】
制御部４２Ａは、直流き電電圧ＶＦが一定になるように、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａを制御するように構成される。具体的には、制御部４２Ａは、直流き電電圧ＶＦと、予め定められた参照電圧ＶＦＲとを比較し、その比較結果に応じて、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａに昇圧動作および降圧動作を選択的に実行させる。参照電圧ＶＦＲは、例えば、直流き電電圧ＶＦの標準値（６０００Ｖ）に設定される。
【0038】
ＶＦ＞ＶＦＲである場合には、制御部４２Ａは、降圧動作を実行するように、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａを制御する。高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔへ電力を供給されることによって直流き電電圧ＶＦが低下し、直流き電電圧ＶＦが参照電圧ＶＦＲに一致すると、制御部４２Ａは、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａの降圧動作を停止させる。
【0039】
ＶＦ＜ＶＦＲである場合には、制御部４２Ａは、昇圧動作を実行するように、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａを制御する。直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆへ電力が供給されることによって直流き電電圧ＶＦが上昇し、直流き電電圧ＶＦが参照電圧ＶＦＲに一致すると、制御部４２Ａは、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａの昇圧動作を停止させる。
【0040】
ＶＦ＝ＶＦＲである場合には、制御部４２Ａは、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａを停止状態とする。
【0041】
図２に示すように、制御部４２Ａは、減算器５０と、制御器５２と、ゲート信号生成部５４とを含む。制御部４２Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、および入出力回路を含んで構成される。ＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを実行することで、減算器５０、制御器５２、およびゲート信号生成部５４の機能を実現することができる。あるいは、制御部４２Ａの少なくとも一部については、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの回路を用いて構成することが可能である。また、制御部４２Ａの少なくとも一部について、アナログ回路によって構成することも可能である。
【0042】
減算器５０は、電圧検出器４４により検出される直流き電電圧ＶＦと参照電圧ＶＦＲとの偏差ΔＶＦを算出する。
【0043】
制御器５２は、直流き電電圧ＶＦを参照電圧ＶＦＲに追従させるためのフィードバック制御により、デューティ比Ｄ１，Ｄ２の指令値であるデューティ比指令値Ｄａ＊を生成する。制御器５２は、偏差ΔＶＦを規定値よりも小さくするための制御演算を実行することによりデューティ比指令値Ｄａ＊を生成する。ＶＦ＞ＶＦＲの場合には、デューティ比指令値Ｄａ＊は、降圧動作時のデューティ比Ｄ１の指令値であるデューティ比指令値Ｄ１ａ＊となる。ＶＦ＜ＶＦＲの場合には、デューティ比指令値Ｄａ＊は、昇圧動作時のデューティ比Ｄ２の指令値であるデューティ比指令値Ｄ２ａ＊となる。ＶＦ＝ＶＦＲの場合には、デューティ比指令値Ｄａ＊＝０となる。
【0044】
ゲート信号生成部５４は、図示しないキャリア信号生成部および比較器を含む。キャリア信号生成部は、三角波状のキャリア信号を生成する。比較器は、デューティ比指令値Ｄａ＊とキャリア信号との高低を比較し、比較結果を示すゲート信号Ｇ１，Ｇ２を出力する。
【0045】
降圧動作時には、ゲート信号Ｇ１はデューティ比指令値Ｄａ＊（Ｄａ＊＝Ｄ１ａ＊）に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ２はＬレベルに維持される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａは、ゲート信号Ｇ１によって駆動され、直流き電電圧ＶＦを直流き電電圧ＶＴに変換する。
【0046】
昇圧動作時には、ゲート信号Ｇ２はデューティ指令値Ｄａ＊（Ｄａ＊＝Ｄ２ａ＊）に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ１はＬレベルに維持される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａは、ゲート信号Ｇ２によって駆動され、直流き電電圧ＶＴを直流き電電圧ＶＦに変換する。
【0047】
図３は、制御部４２ＡによるＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａの制御を説明するための図である。図３には、直流き電電圧ＶＴと直流き電電圧ＶＦとの関係が示される。図３の横軸は直流き電電圧ＶＴを示し、縦軸は直流き電電圧ＶＦを示す。上述したように制御部４２Ａは、直流き電電圧ＶＦが一定になるように、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａを制御する。そのため、直流き電電圧ＶＴの大きさによらず、直流き電電圧ＶＦは一定値（参照電圧ＶＦＲに相当）に維持される。
【0048】
＜ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの構成例＞
図４は、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの構成例を示す回路ブロック図である。図４に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、低電圧側直流端子Ｔ１と、高電圧側直流端子Ｔ３と、負側直流端子Ｔ２，Ｔ４と、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂと、制御部４２Ｂと、電圧検出器４６と、電流検出器４８とを含んで構成される。
図４は、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの構成例を示す回路ブロック図である。図４に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、低電圧側直流端子Ｔ１と、高電圧側直流端子Ｔ３と、負側直流端子Ｔ２，Ｔ４と、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂと、制御部４２Ｂと、電圧検出器４６と、電流検出器４８とを含んで構成される。
【0049】
低電圧側直流端子Ｔ１は直流き電線Ｔに接続され、低電圧側直流端子Ｔ２は線路Ｒに接続される。高電圧側直流端子Ｔ３は高電圧直流き電線Ｆに接続され、高電圧側直流端子Ｔ４は線路Ｒに接続される。
【0050】
ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、低電側直流端子Ｔ１，Ｔ２と高電圧側直流端子Ｔ３，Ｔ４との間に接続される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、複数の半導体スイッチング素子および複数のダイオードを含む周知のものである。図４の例では、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、チョッパ回路であり、図２に示したＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａと同じ構成を有している。
【0051】
電圧検出器４６は、直流き電電圧ＶＴを検出し、その検出値を示す信号を制御部４２Ｂに与える。電流検出器４８は、リアクトルＬ１に流れる電流（リアクトル電流）ＩＬを検出し、その検出値を示す信号を制御部４２Ｂに与える。
【0052】
制御部４２Ｂは、電圧検出器４６および電流検出器４８の出力信号などに基づいてゲート信号Ｇ１，Ｇ２を生成することにより、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂを制御する。制御部４２Ｂは、直流き電電圧ＶＴと、予め定められた参照電圧ＶＴＲとの偏差に応じた直流電力を出力するように、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂを制御するように構成される。
【0053】
図４に示すように、制御部４２Ｂは、電圧制御部６０と、電力検出部６２と、減算器６４と、制御器６６と、ゲート信号生成部６８とを含む。制御部４２Ｂは、ＣＰＵ、メモリ、および入出力回路を含んで構成される。ＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを実行することで、電圧制御部６０、電力検出部６２、減算器６４、制御器６６およびゲート信号生成部６８の機能を実現することができる。あるいは、制御部４２Ｂの少なくとも一部については、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣなどの回路を用いて構成することが可能である。また、制御部４２Ｂの少なくとも一部について、アナログ回路によって構成することも可能である。
【0054】
電圧制御部６０は、電圧検出器４６により検出される直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じて、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂから出力される直流電力ＰＯの指令値である直流電力指令値ＰＯ＊を生成する。図５は、電圧制御部６０の動作を説明するための図である。図５には、直流き電電圧ＶＴとＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂの直流電力指令値ＰＯ＊との関係が示されている。図５の横軸は直流き電電圧ＶＴを示し、縦軸は直流電力指令値ＰＯ＊を示す。
【0055】
本明細書では、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに電力（電流）が供給される方向を「正」と定義し、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆに電力（電流）が供給される方向を「負」と定義する。
【0056】
図５に示すように、ＶＴ＞ＶＴＲの場合には、ＰＯ＊＜０となる。すなわち、ＶＴ＞ＶＴＲの場合には、負の直流電力指令値ＰＯ＊に従って、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆに電力が供給される。一方、ＶＴ＜ＶＴＲの場合には、ＰＯ＊＞０となる。すなわち、ＶＴ＜ＶＴＲの場合には、正の直流電力指令値ＰＯ＊に従って、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに電力が供給される。
【0057】
直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴが大きくなるに従って、直流電力指令値ＰＯ＊の絶対値は大きくなる。なお、ＶＴ＝ＶＴＲの場合には、ＰＯ＊＝０となる。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは停止状態となる。
【0058】
図５において、ＶＴＨは直流き電電圧ＶＴの上限値を示し、ＶＴＬは直流き電電圧ＶＴの下限値を示す。上限値ＶＴＨは、電気車３０の許容電圧（耐圧）以下の任意の電圧とすることができる。下限値ＶＴＬは、電気車３０の走行に必要な下限値以上の任意の電圧とすることができる。
【0059】
下限値ＶＴＬから上限値ＶＴＨまでの電圧範囲において、直流電力指令値ＰＯ＊は、直流き電電圧ＶＴと比例関係を有している。この比例関係を示す直線の傾きは、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂの制御応答性によって決まる。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂの制御応答性を高めるに従って、直線の傾きが急峻になる。ただし、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂの制御応答性が高くなるほど、高電圧直流き電線Ｆおよび直流き電線Ｔの間の電力の授受に起因して、直流き電電圧ＶＴおよび／または直流き電電圧ＶＦの過渡変動が増大する虞がある。したがって、直線の傾きは、直流き電電圧ＶＴおよび直流き電電圧ＶＦの安定性を考慮して適宜に設定することができる。
【0060】
図４に戻って、電圧制御部６０は、図５に示す直流電力指令値ＰＯ＊と直流き電電圧ＶＴとの関係を参照することにより、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに基づいて、直流電力指令値ＰＯ＊を生成する。電圧制御部６０は、直流き電電圧ＶＴと直流電力指令値ＰＯ＊との関係を示す関係式またはテーブルを予め用意しておくことにより、当該関係式またはテーブルを用いて、直流き電電圧ＶＴから直流電力指令値ＰＯ＊を生成することができる。
【0061】
電力検出部６２は、電流検出器４８により検出されるリアクトル電流ＩＬおよび電圧検出器４６により検出される直流き電電圧ＶＴに基づいて、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂから出力される直流電力ＰＯを算出する。
【0062】
減算器６４は、直流電力指令値ＰＯ＊と、電力検出部６２により算出された直流電力ＰＯとの偏差ΔＰＯを算出する。
【0063】
制御器６６は、直流電力ＰＯを直流電力指令値ＰＯ＊に追従させるためのフィードバック制御により、デューティ比Ｄ１，Ｄ２の指令値であるデューティ比指令値Ｄｂ＊を生成する。ＰＯ＊＞０の場合には、デューティ比指令値Ｄｂ＊は、降圧動作時のデューティ比Ｄ１の指令値であるデューティ比指令値Ｄ１ｂ＊となる。ＰＯ＊＜０の場合には、デューティ比指令値Ｄｂ＊は、昇圧動作時のデューティ比Ｄ２の指令値であるデューティ比指令値Ｄ２ｂ＊となる。ＰＯ＊＝０の場合には、デューティ比指令値Ｄｂ＊＝０となる。
【0064】
ゲート信号生成部６８は、図示しないキャリア信号生成部および比較器を含む。キャリア信号生成部は、三角波状のキャリア信号を生成する。比較器は、デューティ比指令値Ｄｂ＊とキャリア信号との高低を比較し、その比較結果を示すゲート信号Ｇ１，Ｇ２を出力する。
【0065】
降圧動作時には、ゲート信号Ｇ１はデューティ比指令値Ｄｂ＊（Ｄｂ＊＝Ｄ１ｂ＊）に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ２はＬレベルに維持される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、ゲート信号Ｇ１によって駆動され、直流き電電圧ＶＦを直流き電電圧ＶＴに変換する。
【0066】
昇圧動作時には、ゲート信号Ｇ２はデューティ指令値Ｄｂ＊（Ｄｂ＊＝Ｄ２ｂ＊）に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ１はＬレベルに維持される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、ゲート信号Ｇ２によって駆動され、直流き電電圧ＶＴを直流き電電圧ＶＦに変換する。
【0067】
【0068】
（第１動作例）
図６は、電気車３０が力行している場合における直流き電システム１００の動作を説明する図である。図６では、電気車３０は、変電所１０と線路Ｒの終端との間を走行している。電気車３０には変電所１０から直流電力が供給される。図６中の矢印Ａ１（実線）は、実施の形態１に係る直流き電システム１００による直流電力の流れを表している。図６中の矢印Ａ２（破線）は、従来の直流き電システムによる直流電力の流れを表している。なお、従来の直流き電システムとは、高電圧直流き電線Ｆを有しない一般的な直流き電システムである。
図６は、電気車３０が力行している場合における直流き電システム１００の動作を説明する図である。図６では、電気車３０は、変電所１０と線路Ｒの終端との間を走行している。電気車３０には変電所１０から直流電力が供給される。図６中の矢印Ａ１（実線）は、実施の形態１に係る直流き電システム１００による直流電力の流れを表している。図６中の矢印Ａ２（破線）は、従来の直流き電システムによる直流電力の流れを表している。なお、従来の直流き電システムとは、高電圧直流き電線Ｆを有しない一般的な直流き電システムである。
【0069】
従来の直流き電システムでは、変電所１０から直流き電線Ｔを経由して電気車３０に電力が供給される。この場合、直流き電線Ｔの直流き電電圧ＶＴに、変電所１０から電気車３０の走行位置までの距離に応じた電圧降下が生じる。この電圧降下によって直流き電電圧ＶＴが電気車３０の走行に必要な下限値を下回ると、電気車３０の走行に支障が生じる虞がある。そのため、電気車３０の走行可能範囲は、直流き電電圧ＶＴが下限値を下回らない範囲に制限されてしまう。
【0070】
一方、実施の形態１に係る直流き電システム１００では、直流き電線Ｔの電圧降下によって直流き電電圧ＶＴが参照電圧ＶＴＲよりも低くなったことに応じて、変電所１０と線路Ｒの終端との間に配置されたＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じた直流電力ＰＯを出力する。
【0071】
具体的には、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの内部において、制御部４２Ｂは、図５に示した直流電力指令値ＰＯ＊と直流き電電圧ＶＴとの関係を参照することにより、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに基づいて、直流電力指令値ＰＯ＊を生成する。ＶＴ＜ＶＴＲであるため、直流電力指令値ＰＯ＊は正の値となる。制御部４２Ｂは、直流電力ＰＯを直流電力指令値ＰＯ＊に追従させるためのフィードバック制御により、デューティ比指令値Ｄｂ＊を生成する。ＰＯ＊＞０の場合、デューティ比指令値Ｄｂ＊は、降圧動作時のデューティ比指令値Ｄ１ｂ＊となる。制御部４２Ｂは、デューティ比指令値Ｄｂ＊とキャリア信号との高低を比較し、その比較結果を示すゲート信号Ｇ１，Ｇ２を出力する。ゲート信号Ｇ１はデューティ比指令値Ｄ１ｂ＊に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ２はＬレベルに維持される。
【0072】
ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２によって駆動され、直流き電電圧ＶＦを直流き電電圧ＶＴに変換する。このＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂの降圧動作によって、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔへ直流電力が供給される。そして、直流き電線Ｔから電気車３０に直流電力が供給される。
【0073】
ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂによる直流き電線Ｔへの電力供給によって、高電圧直流き電線Ｆの直流き電電圧ＶＦが低下して参照電圧ＶＦＲよりも低くなったことに応じて、変電所１０の近傍に配置されたＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、直流き電電圧ＶＦが一定になるようにＤＣ／ＤＣ変換を実行する。
【0074】
具体的には、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａの内部において、制御部４２Ａは、直流き電電圧ＶＴを参照電圧ＶＴＲに追従させるためのフィードバック制御により、降圧動作時におけるデューティ比指令値Ｄ１ａ＊を生成するとともに、直流き電電圧ＶＦを参照電圧ＶＦＲに追従させるためのフィードバック制御により、昇圧動作時のデューティ比指令値Ｄ２ａ＊を生成する。
【0075】
ＶＦ＜ＶＦＲであるため、制御部４２Ａは、デューティ比指令値Ｄａ＊として、昇圧動作時のデューティ比指令値Ｄ２ａ＊を選択する。制御部４２Ａは、デューティ比指令値Ｄａ＊とキャリア信号との高低を比較し、その比較結果を示すゲート信号Ｇ１，Ｇ２を出力する。
【0076】
ゲート信号Ｇ２は昇圧動作時のデューティ比指令値Ｄ２ａ＊に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ１はＬレベルに維持される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａは、ゲート信号Ｇ２によって駆動され、直流き電電圧ＶＴを直流き電電圧ＶＦに変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａの昇圧動作によって、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆへ直流電力が供給される。
【0077】
このようにＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂが降圧動作を実行するとともに、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａが昇圧動作を実行することにより、矢印Ａ１に示すように、変電所１０からＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａ、高電圧直流き電線Ｆ、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂおよび直流き電線Ｔを経由して、電気車３０に直流電力が供給されることになる。
【0078】
上記構成によれば、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの降圧動作によって、直流き電線Ｔの電圧降下を補償することができる。これによると、図６に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂを線路Ｒの終端付近に配置することで、終端付近を走行する電気車３０に対しても直流き電線Ｔの電圧降下を補償することが可能となる。したがって、路線の一方端にしか変電所１０がない線区において、電気車３０の走行可能範囲に対する制限を解消することができる。
【0079】
また、変電所１０から高電圧直流き電線Ｆを通じて電気車３０に直流電力が送られるため、直流き電線Ｔを通じて直流電力を送る従来の直流き電システムと比較して、負荷電流が小さくなるため、直流き電損失を削減することができる。
【0080】
（第２動作例）
図７は、複数の電気車３０Ａ，３０Ｂが変電所１０と線路Ｒの終端との間を走行している場合における直流き電システム１００の動作を説明する図である。図７では、電気車３０Ｂが線路Ｒの終端付近で回生ブレーキを掛け、電気車３０Ａが変電所１０付近を力行している場合を想定している。
図７は、複数の電気車３０Ａ，３０Ｂが変電所１０と線路Ｒの終端との間を走行している場合における直流き電システム１００の動作を説明する図である。図７では、電気車３０Ｂが線路Ｒの終端付近で回生ブレーキを掛け、電気車３０Ａが変電所１０付近を力行している場合を想定している。
【0081】
図７中の矢印Ａ３（実線）は、実施の形態１に係る直流き電システム１００による直流電力の流れを表している。図７中の矢印Ａ４（破線）は、従来の直流き電システムによる直流電力の流れを表している。なお、従来の直流き電システムとは、高電圧直流き電線Ｆを有しない一般的な直流き電システムである。
【0082】
従来の直流き電システムでは、電気車３０Ｂが回生ブレーキによる回生電力を生成し、生成した回生電力を直流き電線Ｔに逆潮流した場合には、直流き電線Ｔを通じて、電気車３０Ｂの近傍を走行する他の電気車３０Ａに対して回生電力を供給することができる。
【0083】
しかしながら、電気車３０Ｂの許容電圧の制限によって、回生電力の出力電圧は所定の上限値までに制限される。また、回生電流が直流き電線Ｔを流れると、回生電流の大きさに比例した電圧降下が発生する。そのため、電気車３０Ａが電気車３０Ｂから離れている場合には、電圧降下を抑えるために回生電流の大きさが制限されることから、電気車３０Ｂに対して遠方に位置している電気車３０Ａに回生電力を供給することが困難となってしまう。このような場合には、回生電力として生成できるはずの電気エネルギーが、電気車３０Ｂにおける機械ブレーキの熱として消費されることになり、回生電力を有効に利用することができなくなる。
【0084】
一方、実施の形態１に係る直流き電システム１００では、電気車３０Ｂが生成した回生電力の逆潮流によって直流き電電圧ＶＴが参照電圧ＶＴＲよりも上昇したことに応じて、変電所１０と線路Ｒの終端との間に配置されたＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じた直流電力ＰＯを出力する。
【0085】
具体的には、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの内部において、制御部４２Ｂは、図５に示した直流電力指令値ＰＯ＊と直流き電電圧ＶＴとの関係を参照することにより、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに基づいて、直流電力指令値ＰＯ＊を生成する。ＶＴ＞ＶＴＲであるため、直流電力指令値ＰＯ＊は負の値となる。制御部４２Ｂは、直流電力ＰＯを直流電力指令値ＰＯ＊に追従させるためのフィードバック制御により、デューティ比指令値Ｄｂ＊を生成する。ＰＯ＊＜０の場合には、デューティ比指令値Ｄｂ＊は、昇圧動作時のデューティ比指令値Ｄ２ｂ＊となる。制御部４２Ｂは、デューティ比指令値Ｄｂ＊とキャリア信号との高低を比較し、その比較結果を示すゲート信号Ｇ１，Ｇ２を出力する。ゲート信号Ｇ２はデューティ比指令値Ｄ２ｂ＊に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ１はＬレベルに維持される。
【0086】
ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２によって駆動され、直流き電電圧ＶＴを直流き電電圧ＶＦに変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂの昇圧動作によって、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆへ直流電力が供給される。これにより、直流き電線Ｔの電圧上昇が補償される。
【0087】
ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂによる高電圧直流き電線Ｆへの電力供給によって、高電圧直流き電線Ｆの直流き電電圧ＶＦが上昇して参照電圧ＶＦＲよりも高くなったことに応じて、変電所１０近傍に配置されたＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、直流き電電圧ＶＦが一定になるようにＤＣ／ＤＣ変換を実行する。
【0088】
具体的には、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａの内部において、制御部４２Ａは、直流き電電圧ＶＴを参照電圧ＶＴＲに追従させるためのフィードバック制御により、降圧動作時におけるデューティ比指令値Ｄ１ａ＊を生成するとともに、直流き電電圧ＶＦを参照電圧ＶＦＲに追従させるためのフィードバック制御により、昇圧動作時のデューティ比指令値Ｄ２ａ＊を生成する。
【0089】
ＶＦ＞ＶＦＲであるため、制御部４２Ａは、デューティ比指令値Ｄａ＊として、降圧動作時のデューティ比指令値Ｄ１ａ＊を選択する。制御部４２Ａは、デューティ比指令値Ｄａ＊とキャリア信号との高低を比較し、その比較結果を示すゲート信号Ｇ１，Ｇ２を出力する。
【0090】
ゲート信号Ｇ１は降圧動作時のデューティ比指令値Ｄ１ａ＊に応じた値のデューティ比を有し、ゲート信号Ｇ２はＬレベルに維持される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａは、ゲート信号Ｇ１によって駆動され、直流き電電圧ＶＦを直流き電電圧ＶＴに変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ａの降圧動作によって、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔへ直流電力が供給される。直流き電線Ｔへ供給された直流電力は、変電所１０の付近で力行している電気車３０Ａに供給される。
【0091】
このようにＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂが昇圧動作を実行するとともに、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａが降圧動作を実行することにより、矢印Ａ３に示すように、回生ブレーキにより電気車３０Ｂが発生した回生電力は、直流き電線Ｔ、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂ、高電圧直流き電線Ｆ、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａおよび直流き電線Ｔを経由して、力行している電気車３０Ａに供給されることになる。
【0092】
上記構成によれば、回生ブレーキを掛けた電気車３０Ｂが発生した回生電力を、電気車３０Ｂから離れて力行している電気車３０Ａに対しても供給することができる。したがって、回生電力を有効に利用することができる。
【0093】
また、高電圧直流き電線Ｆを通じて回生電力が送られるため、直流き電線Ｔを通じて回生電力を送る従来の直流き電システムと比較して、回生電流が小さくなり、結果的に直流き電損失を削減することができる。したがって、回生電力の利用効率を向上させることが可能となる。
【0094】
［実施の形態２］
上述した実施の形態１に記載の直流き電システム１００では、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じて降圧動作および昇圧動作を選択的に実行することによって、直流き電線Ｔの電圧降下および電圧上昇を補償することができる。また、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、高電圧直流き電線Ｆの直流き電圧ＶＦが一定になるように昇圧動作および降圧動作を選択的に実行することによって、高電圧直流き電線Ｆを通じて、変電所１０または電気車３０Ａと電気車３０Ｂとの間で直流電力を授受することができる。
上述した実施の形態１に記載の直流き電システム１００では、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じて降圧動作および昇圧動作を選択的に実行することによって、直流き電線Ｔの電圧降下および電圧上昇を補償することができる。また、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、高電圧直流き電線Ｆの直流き電圧ＶＦが一定になるように昇圧動作および降圧動作を選択的に実行することによって、高電圧直流き電線Ｆを通じて、変電所１０または電気車３０Ａと電気車３０Ｂとの間で直流電力を授受することができる。
【0095】
しかしながら、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡとＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂとの間でＤＣ／ＤＣ変換の制御にずれが生じた場合には、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａが接続される地点における直流き電電圧ＶＴおよび直流き電電圧ＶＦと、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂが接続される地点における直流き電電圧ＶＴおよび直流き電電圧ＶＦとの間に、ずれが生じてしまう場合がある。このような場合には、直流き電線Ｔと高電圧直流き電線Ｆとの間、および／または、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡとＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂとの間に循環電流が発生する可能性がある。循環電流が発生することによって、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡおよびＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの損失が増大するため、直流き電システム１００の効率を低下させることが懸念される。
【0096】
実施の形態２では、循環電流の発生を抑制するための手法について説明する。実施の形態２に係る直流き電システム１００の構成は、実施の形態１に係る直流き電システム１００の構成と同じであるため、説明を省略する。
【0097】
実施の形態２に係る直流き電システム１００は、実施の形態１に係る直流き電システム１００とは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの制御構成が異なる。実施の形態２においても、図４で説明したように、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの内部において、制御部４２Ｂは、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じた直流電力を出力するように、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂを制御するように構成される。具体的には、電圧制御部６０は、電圧検出器４６により検出される直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じて、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂから出力される直流電力ＰＯの指令値である直流電力指令値ＰＯ＊を生成する。
【0098】
図８は、実施の形態２に係る電圧制御部６０の動作を説明するための図であって、図５と対比される図である。図８には、直流き電電圧ＶＴとＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂの直流電力指令値ＰＯ＊との関係が示されている。図８の横軸は直流き電電圧ＶＴを示し、縦軸は直流電力指令値ＰＯ＊を示す。
【0099】
図８において、図５と異なる点は、直流き電電圧ＶＴと直流電力指令値ＰＯ＊との関係に、不感帯を設けている点である。不感帯は、直流き電電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴの絶対値が予め定められた閾値Ｖｔｈ以下となる領域に設けられている。不感帯では、ＰＯ＊＝０に設定される。
【0100】
これによると、偏差ΔＶＴの絶対値が閾値Ｖｔｈ以下となる領域（不感帯）では、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換の実行を停止して直流電力を出力しないように制御される。一方、直流き電電圧ＶＴが不感帯を超えて上昇すると、負の直流電力指令値ＰＯ＊に従って、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、昇圧動作を実行するように制御される。これにより、直流き電線Ｔから高電圧直流き電線Ｆに電力が供給される。反対に、直流き電電圧ＶＴは不感帯を超えて低下すると、正の直流電力指令値ＰＯ＊に従って、ＤＣ／ＤＣ変換器４０Ｂは、降圧動作を実行するように制御される。これにより、高電圧直流き電線Ｆから直流き電線Ｔに電力が供給される。
【0101】
このように参照電圧ＶＴＲに対する直流き電電圧ＶＴの偏差ΔＶＴの絶対値が小さい領域に、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂが直流電力を出力しない、すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂを停止させる不感帯を設けたことによって、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０ＡとＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂとの制御のずれに起因して循環電流が発生することを抑制することができる。
【0102】
［実施の形態３］
上述した実施の形態１では、変電所１０と線路Ｒの終端との間に１台のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂを配置する構成例について説明したが、変電所１０と線路Ｒの終端との間に、複数のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂを配置する構成としてもよい。
上述した実施の形態１では、変電所１０と線路Ｒの終端との間に１台のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂを配置する構成例について説明したが、変電所１０と線路Ｒの終端との間に、複数のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂを配置する構成としてもよい。
【0103】
図９は、実施の形態３に係る直流き電システム１００の構成を説明する概略ブロック図である。図９に示すように、直流き電システム１００は、直流き電線Ｔと、高電圧直流き電線Ｆと、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａと、複数（例えば２台）のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂとを備える。
【0104】
ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、変電所１０と直流き電線Ｔの終端との間に位置している。好ましくは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａは、変電所１０またはその近傍に位置している。
【0105】
複数のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ａと直流き電線Ｔの終端との間に位置している。好ましくは、複数のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂは、直流き電線Ｔの終端との間に、互いに離間して配置されている。
【0106】
図９には、直流き電線Ｔの直流き電電圧ＶＴのグラフが併せて示されている。当該グラフの横軸は線路Ｒ上を力行している電気車３０の走行位置を示し、縦軸は走行位置における直流き電電圧ＶＴを示している。
【0107】
直流き電線Ｔには、変電所１０から電気車３０の走行位置までの距離に応じた電圧降下が発生する。この電圧降下は、直流き電線Ｔの抵抗および負荷電流に比例し、変電所１０からの距離が大きくなるに従って大きくなる。
【0108】
複数のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂの各々は、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂが接続される地点における直流き電圧ＶＴと参照電圧ＶＴＲとの偏差ΔＶＴに応じた直流電力を出力するように構成されている。そのため、直流き電線Ｔの各地点における電圧降下を補償することができる。
【0109】
これによると、複数のＤＣ／ＤＣ変換装置２０Ｂを互いに離間して配置することによって、電気車３０の走行可能範囲に対する制限を解消することができる。したがって、路線の一方端にしか変電所１０がなく、路線の他方端（終端）が行き止まりとなっている線区の長さを拡張することが可能となる。
【0110】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0111】
１０ 変電所、２０Ａ，２０Ｂ ＤＣ／ＤＣ変換装置、３０，３０Ａ，３０Ｂ 電気車、４０Ａ，４０Ｂ ＤＣ／ＤＣ変換器、４２Ａ，４２Ｂ 制御器、４４，４６ 電圧検出器、４８ 電流検出器、５０，６４ 減算器、５２，６６ 制御器、５４，５８ ゲート信号生成部、６０ 電圧制御部、６２ 電力検出部、１００ 直流き電システム、Ｑ１～Ｑ４ ＩＧＢＴ、Ｄ１～Ｄ４ ダイオード、Ｆ 高電圧直流き電線、Ｔ 直流き電線、Ｒ 線路、Ｔ１，Ｔ２ 低電圧側直流端子、Ｔ３，Ｔ４ 高電圧側直流端子、ＶＦ，ＶＴ 直流き電電圧、ＶＦＲ 参照電圧、ＰＯ＊ 直流電力指令値。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】