(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-15
(45)【発行日】2023-11-24
(54)【発明の名称】交流き電システム
(51)【国際特許分類】
B60M 3/06 20060101AFI20231116BHJP
H02J 3/06 20060101ALI20231116BHJP
H02J 3/36 20060101ALI20231116BHJP
H02J 3/32 20060101ALI20231116BHJP
H02J 3/46 20060101ALI20231116BHJP
【ＦＩ】
B60M3/06 B
B60M3/06 A
H02J3/06
H02J3/36
H02J3/32
H02J3/46
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019215514
(22)【出願日】2019-11-28
(65)【公開番号】P2021084548
(43)【公開日】2021-06-03
【審査請求日】2022-10-19
(73)【特許権者】
【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】加藤 哲也
(72)【発明者】
【氏名】瀬谷 稔
【審査官】井古田 裕昭
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１１７９９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２０５９７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０１６１０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１２６２９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０４０３４８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６０Ｍ ３／０６
Ｈ０２Ｊ ３／０６
Ｈ０２Ｊ ３／３６
Ｈ０２Ｊ ３／３２
Ｈ０２Ｊ ３／４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
隣接するき電区間を形成する第一のき電線と第二のき電線とに跨って電力融通を可能に接続された電力変換器を備えた交流き電システムであって、前記第一のき電線を介して第一の車両に電力供給する第一の電源と、
前記第二のき電線を介して第二の車両に電力供給する第二の電源と、
前記第二の電源と前記第二のき電線の間に接続された蓄電装置と、
前記電力変換器に電力融通を求める要求電力量と前記蓄電装置に対して充電又は放電させる電力量を指示する充放電指令とを生成する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記き電区間を走行する車両から生ずる回生電力の配分先として、前記蓄電装置よりも前記電力変換器を優先するとともに、前記第二の電源からの受電電力と、前記蓄電装置の充放電電力と、の差に基づいて前記要求電力量を生成する、
交流き電システム。
【請求項2】
前記制御装置は、所定の観測情報及び所定の制御条件に基づいて、前記要求電力量及び前記充放電指令を生成し、前記観測情報は、少なくとも、前記第二の電源からの受電電力と、前記蓄電装置の充放電電力と、を取得する
請求項１に記載の交流き電システム。
【請求項3】
前記制御装置は、前記観測情報としてさらに前記第一の電源からの受電電力と前記電力変換器の出力電力とを取得するとともに、取得された前記第一の電源からの受電電力と、前記第二の電源からの受電電力と、前記蓄電装置の充放電電力と、前記電力変換器の出力電力と、に基づいて前記要求電力量又は前記充放電指令を生成する、請求項２に記載の交流き電システム。
【請求項4】
前記制御装置は、前記第二の電源からの受電電力と前記充放電電力の差と、前記第一の電源からの受電電力と前記電力変換器の出力電力の差と、に基づいて、前記要求電力量を生成する、請求項３に記載の交流き電システム。
【請求項5】
隣接するき電区間を形成する第一のき電線と第二のき電線とに跨って電力融通を可能に接続された電力変換器を備えた交流き電システムであって、
前記第一のき電線を介して第一の車両に電力供給する第一の電源と、
前記第二のき電線を介して第二の車両に電力供給する第二の電源と、
前記第二の電源と前記第二のき電線の間に接続された蓄電装置と、
前記電力変換器に電力融通を求める要求電力量と前記蓄電装置に対して充電又は放電させる電力量を指示する充放電指令とを生成する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記き電区間を走行する車両から生ずる回生電力の配分先として、前記蓄電装置よりも前記電力変換器を優先するとともに、前記第二の電源からの受電電力から前記蓄電装置の充放電電力の成分を分離することで前記要求電力量を生成する、
交流き電システム。
【請求項6】
隣接するき電区間を形成する第一のき電線と第二のき電線とに跨って電力融通を可能に接続された電力変換器を備えた交流き電システムであって、
前記第一のき電線を介して第一の車両に電力供給する第一の電源と、
前記第二のき電線を介して第二の車両に電力供給する第二の電源と、
前記第二の電源と前記第二のき電線の間に接続された蓄電装置と、
前記電力変換器に電力融通を求める要求電力量と前記蓄電装置に対して充電又は放電させる電力量を指示する充放電指令とを生成する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記き電区間を走行する車両から生ずる回生電力の配分先として、前記蓄電装置よりも前記電力変換器を優先するとともに、前記第二の電源からの受電電力と前記蓄電装置の充放電電力の差に基づいて前記充放電指令を生成する、
交流き電システム。
【請求項7】
前記第二の電源は三相交流を供給し、該第二の電源と前記第二のき電線との間に三相交流と単相交流とを相数変換可能な変圧器を介在し、
前記変圧器の三相交流側に接続された前記蓄電装置は、前記三相交流と直流とを双方向に変換可能な三相交流適応型の交直変換器を有する、
請求項１～６の何れか１項に記載の交流き電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電気鉄道の交流き電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
電気鉄道におけるエネルギー効率の向上を図るため、回生ブレーキにより発生した電力（回生電力）の有効活用が注目されている。回生ブレーキとは、車両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、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することで再利用が可能となる。回生ブレーキにより発生した回生電力は、架線を介して、他の列車の駆動用電力へと供給されてきた。
【0003】
ただし、架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駆動中の車両（以下、「力行車両」ともいう）が不在となる場合には回生電力を活用できない。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に活用する技術が必要とされている。
【0004】
このような課題に対する技術として、特許文献１により電鉄き電線の制御装置およびシステムが開示されている。この公報では、隣接するき電区間を電力変換器を介して接続し、電力変換器がき電区間の間で電力を融通することで、回生電力を供給できるき電区間を拡大し、回生電力の活用機会を向上することを可能としている。
【0005】
さらに、特許文献２に開示された電力変換器および電力変換器の制御方法では、特許文献１の電力変換器の構成に蓄電装置を組み込むことで、回生電力の活用機会を一層向上することを可能としている。すなわち、特許文献２の技術では、隣接したき電区間のどちら側にも力行車両が不在となる場合においても、回生電力を蓄電装置に充電することで回収し、これを力行車両が現れた際に放電することで有効に活用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１４－１０４９６２号公報
【文献】特開２０１４－１１７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献１の電力変換器を既に備えた路線に対して特許文献２の電力変換器を導入するためには、既設の電力変換器を、一式交換する必要があり、導入費用が高くなるという問題がある。すなわち、蓄電装置を含まない既設の電力変換器から、蓄電装置を備えた電力変換器へと機能向上させるには、既設の電力変換器に対して、単に蓄電装置を付設すれば足りるというものではない。
【0008】
まず、既設の電力変換器は、単相交流のき電線どうし隣接する区間に跨って、電力融通する第１機能がある。これに対し、特許文献２の構成に適合させるためには第２機能が必要である。この第２機能は、電力変換器に実質上組み込まれる蓄電装置に対し、電力融通する機能である。これら、第１機能と第２機能を併せ持ちながら、合理的に統合制御された電力変換器を実現するには、既設の電力変換器の構成に適合した蓄電装置の設計と制御の開発が必要となり容易でない。
【0009】
また、導入費用を抑えて第２機能を安直に実現するため、電力変換器の制御とは独立した制御によって、回生電力を充電する蓄電装置を設置することも考えられる。そのような独立制御の場合、電力変換器と蓄電装置とを合理的に統合制御することが困難である。その結果、回生電力を活用する電力変換器と蓄電装置と双方の機能が競合し、不安定動作や非効率な動作配分が引き起こされ、導入設備の利用効率が悪化するという問題がある。
【0010】
より具体的には、隣接するき電区間に跨る交流き電系統において、力行車両不在のため消費され難い回生電力を隣接する区間へ融通しようとする電力変換器と、同じ発生源の回生電力を充電しようとする蓄電装置と、両方が同時に作動した場合に両者が電力を取り合うように干渉する。その結果、エネルギー効率と安定化の観点から不合理な現象、例えば、回生電力の配分が定まらないような現象が引き起こされる。
【0011】
本発明は、かかる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、電力変換器と蓄電装置との干渉を回避するとともに、回生電力の活用率、さらに導入設備の利用効率を向上するようにした交流き電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。すなわち、隣接するき電区間を形成する第一のき電線と第二のき電線とに跨って電力融通を可能に接続された電力変換器を備えた交流き電システムであって、第一のき電線を介して第一の車両に電力供給する第一の電源と、第二のき電線を介して第二の車両に電力供給する第二の電源と、第二の電源と第二のき電線の間に接続された蓄電装置と、電力変換器に電力融通を求める要求電力量と蓄電装置に対して充電又は放電させる電力量を指示する充放電指令とを生成する制御装置と、を備え、制御装置は、所定の観測情報及び所定の制御条件に基づいて、要求電力量及び充放電指令を生成し、観測情報は、少なくとも、第二の電源からの受電電力と、蓄電装置の充放電電力と、を取得し、制御条件は、き電区間を走行する車両から生ずる回生電力の配分として、蓄電装置よりも電力変換器を優先する。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、電力変換器と蓄電装置との干渉を回避するとともに、回生電力の活用率、さらに導入設備の利用効率を向上するようにした交流き電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施例１に係る交流き電システムの系統構成図である。
【図2】本発明の実施例１に係る制御のブロック線図である。
【図6】本発明の実施例２に係る交流き電システムの系統構成図である。
【図7】本発明の実施例２に係る制御のブロック線図である。
【図11】本発明の実施例３に係る交流き電システムの系統構成図である。
【図12】本発明の実施例４に係る交流き電システムの系統構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
【実施例1】
【0016】
図１は、本発明の実施例１に係る交流き電システムの系統構成図である。図１に示す交流き電システム１４は、第一の車両１ａと、第二の車両１ｂと、第一のき電線２ａと、第二のき電線２ｂと、第一の電源４ａと、第二の電源４ｂと、電力変換器５と、蓄電装置６と、制御装置７から構成される。第一の車両１ａは、第一のき電線２ａとの間で電力の授受を可能にパンタグラフ等の接触子で摺接しながら走行する。
【0017】
第一の車両１ａが力行する際には第一のき電線２ａから電力の供給を受ける。第一の車両１ａが回生する際には第一のき電線２ａへ電力を供給する。第一のき電線２ａは、第一の電源４ａと第一の結節点１２ａで接している。第一の車両１ａが力行する際には、第一の電源４ａから電力の供給を受ける。第一の車両１ａが回生する際には、第一の電源４ａへ電力を供給する。
【0018】
第二の車両１ｂは、第二のき電線２ｂとの間で電力の授受を可能にパンタグラフ等の接触子で摺接しながら走行する。第二の車両１ｂが力行する際には第二のき電線２ｂから電力の供給を受ける。第二の車両１ｂが回生する際には第二のき電線２ｂへ電力を供給する。第二のき電線２ｂは、第二の電源４ｂと第二の結節点１２ｂで接している。第二の車両１ｂが力行する際には、第二の電源４ｂから電力の供給を受ける。第二の車両１ｂが回生する際には、第二の電源４ｂへ電力を供給する。
【0019】
ここで、第一のき電線２ａが給電する区間を第一のき電区間１３ａと呼ぶ。同様に、第二のき電線２ｂが給電する区間を第二のき電区間１３ｂと呼ぶ。蓄電装置６は、第二の結節点１２ｂと第二の電源４ｂの間に接続されており、充放電指令１０に従って充放電する。充放電指令１０は、後に詳述する制御装置７が生成する。
【0020】
電力変換器５は、第一のき電線２ａと第二のき電線２ｂに跨って接続されており、第一のき電線２ａから第二のき電線２ｂへ電力を融通する。このとき、電力変換器５は、後述するように、第一の要求電力量１１ａと第二の要求電力量１１ｂを相殺する。なお、第一のき電線２ａと第二のき電線２ｂとは絶縁されており、電力変換器５を介せずに相互に電力融通されることはない。
【0021】
電力変換器５は、第一の要求電力量１１ａとして、第一の電源４ａから受電する第一の受電電力８ａが与えられる。また、電力変換器５は、第二の要求電力量１１ｂとして、制御装置７が出力する値を与えられる。制御装置７は、第二の電源４ｂから受電する第二の受電電力８ｂと蓄電装置６の充放電電力９を入力とし、蓄電装置６の充電よりも優先して、電力変換器５が第一のき電線２ａと第二のき電線２ｂとの間で、回生電力を融通するように第二の要求電力量１１ｂと充放電電力１０を出力する。
【0022】
これにより、交流き電システム１４は、電力変換器５を経由して供給できるような、隣接するき電区間１３ａ，１３ｂの相手側から、電力融通を受けられたならば、第一の電源４ａ、第二の電源４ｂ、及び蓄電装置６からの電力供給を受けないか、又は軽減することを可能にする。特に、上述した相手側から受けた電力融通だけで充足できるならば、蓄電装置６の利用頻度を少なくし、充足できない分だけを充放電電力９で補填する。
【0023】
図２は、本発明の実施例１に係る制御のブロック線図である。すなわち、図２は、実施例１に係る交流き電システム１４における制御装置７の処理を例示する。第二の受電電力８ｂの符号としては、正を供給(第二の電源４ｂから第二のき電線２ｂへ向かう電力)、負を逆潮(第二のき電線２ｂから第二の電源４ｂへ向かう電力)と定義し、充放電電力９の符号としては、正を充電、負を放電と定義する。
【0024】
制御装置７は電力変換器５による電力融通を蓄電装置６の充放電よりも優先させる。その概念として、第二の要求電力量１１ｂは、第二の受電電力８ｂから充放電電力９を分離し、蓄電装置６が停止させた状態に相当する第二の受電電力８ｂが与えられる。具体的には、第二の要求電力量１１ｂとして、第二の受電電力８ｂから充放電電力９を差し引いた値が与えられる。これにより、上述した隣接するき電区間１３ａ，１３ｂの相手側（１３ａ）から受けた電力融通だけで充足できるならば、蓄電装置６の利用頻度を少なくし、充足できない分だけを充放電電力９で補填する。
【0025】
また、充放電指令１０としては、電力変換器５が動作している下で、第二の結節点１２ｂから第二の電源４ｂへと向かう電力を与える。具体的には、充放電指令１０として、充放電電力９から第二の受電電力８ｂを差し引いた値を与える。これにより、制御装置７は、第二の結節点１２ｂから第二の電源４ｂへと向かう回生電力の仕向けについて、蓄電装置６に追加充電可能な空き容量がある限り、第二の電源４ｂへ戻さずに正の充放電電力９だけで吸収させる。
【0026】
また、制御装置７は、蓄電装置６に追加充電可能な空き容量に制限があるときは、可能な限り正の充放電電力９で吸収させて、そこからあふれる分だけを第二の電源４ｂへ戻す。つまり、回生電力の配分について、できるだけ電力系統へは戻さずに、鉄道施設のみで吸収して再利用するように、制御装置７が制御する。その方が効率的である。
【0027】
図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂは、実施例１に係る交流き電システム１４の動作を示す説明図である。これら図３Ａ～図５Ｂは、図１に示した実施例１に係る交流き電システム１４の系統構成上に、電力潮流を重ねて示した図である。これらの図では、挙動が異なる６つの条件毎の電力潮流３１を矢印で明示することにより、それぞれの効果を説明する。なお、電力潮流３１の太さは電力の強度に対応する。
【0028】
図３Ａは第一の車両１ａが力行中、第二の車両１ｂが回生中であり、かつ、回生電力が力行電力より小さい場合である。この場合、電力変換器５は第一の車両１ａの力行電力と第二の車両１ｂの回生電力を相殺するように、第二のき電区間１３ｂから第一のき電区間１３ａに電力を融通する。
【0029】
これにより、第一の結節点１２ａにおいては、第一の車両１ａの力行電力のうち、第二の車両１ｂの回生電力からの供給で不足する分が第一の電源４ａから供給される。また、第二の結節点１２ｂにおいては、流れる電力が０であり、蓄電装置６は充放電しない。このため、第二の電源４ｂへの電力は０となる。
【0030】
このように、第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力が第一のき電区間１３ｂの力行電力として全て活用できる場合には、蓄電装置６が充放電することなく、第二のき電区間１３ｂに発生した全ての回生電力が第一のき電区間１３ａの力行電力として活用される。回生電力が力行電力として活用された分、電源からの供給される電力を削減できる。
【0031】
図３Ｂは第一の車両１ａが回生、第二の車両１ｂが力行しており、かつ、回生電力が力行電力より大きい場合である。この場合、図３Ａの場合の電力潮流３１が反転し、第一のき電区間１３ａに発生した全ての回生電力が第二のき電区間１３ｂの力行電力として活用される。回生電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。
【0032】
図４Ａは第一の車両１ａが力行中、第二の車両１ｂが回生中であり、かつ、回生電力が力行電力より大きい場合である。この場合、電力変換器５は第一の車両１ａの力行電力と第二の車両１ｂの回生電力を相殺するように、第二のき電区間１３ｂから第一のき電区間１３ａに電力を融通する。
【0033】
これにより、第一の結節点１２ａにおいては、第一の電源４ａから供給される電力が０となる。また、第二の結節点１２ｂにおいては、第二の車両１ｂの回生電力のうち、第一の車両１ａで消費しきれない余剰分が流入する。このため、蓄電装置６が第二の結節点１ｂに流入する回生電力の余剰分を充電する。これにより、第二の電源４ｂへと流れる電力は０となる。
【0034】
このように、第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力の一部のみしか第一のき電区間１３ｂの力行電力として活用できない場合には、第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力は、第一のき電区間１３ａの力行電力として活用され、余剰分が蓄電装置６に充電される。
【0035】
回生電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。充電された回生電力は、放電する機会に活用され、電源が供給する電力の削減に寄与する。
【0036】
図４Ｂは第一の車両１ａが回生、第二の車両１ｂが力行しており、かつ、回生電力が力行電力より小さい場合である。この場合、図３Ｂの場合の電力潮流３１が反転し、第二のき電区間１３ｂの力行電力は、第一のき電区間１３ａの回生電力と、蓄電装置６に充放電電力により供給される。
【0037】
回生電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。さらに、蓄電装置６の充放電電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。
【0038】
図５Ａは、第一の車両１ａと第二の車両１ｂが共に回生中の場合である。
この場合、第一の車両１ａの電力と第二の車両１ｂの電力は相殺できないため、電力変換器５は動作しない。
この場合、第一の車両１ａの電力と第二の車両１ｂの電力は相殺できないため、電力変換器５は動作しない。
【0039】
このため、第一の結節点１２ａにおいては、第一の車両１ａの回生電力が第一の電源４ａに流れる。また、第二の結節点１２ｂにおいては、第二の車両１ｂの回生電力が全て流入する。このため、蓄電装置６が第二の結節点１ｂに流入する回生電力を充電する。これにより、第二の電源４ｂへと流れる電力は０となる。
【0040】
このように、第一のき電区間１３ａの回生電力と第二のき電区間１３ｂの双方で回生電力が発生した場合には、第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力が蓄電装置６に充電される。充電された回生電力は、放電する機会に活用され、電源が供給する電力の削減に寄与する。すなわち電力事業者から購入する電力使用量を削減し、省エネで電気料金の節約になる。
【0041】
図５Ｂは第一の車両１ａと第二の車両１ｂが共に力行している場合である。この場合、図５Ａに示した電力潮流３１が反転し、第二のき電区間１３ｂの力行電力は、蓄電装置６の充放電電力により供給される。この充放電電力が力行電力として活用された分、上述のように、省エネで電気料金の節約になる。
【0042】
以上のように、実施例１に係る交流き電システム１４によれば、電力変換器５による融通により力行電力として消費され、残留分のみが蓄電装置６に充電するように回生電力が配分される。その結果、化学的エネルギー変換を伴うことで電力変換効率が相対的に低い蓄電装置６による利用を抑制することができる。
【0043】
また、交流き電システム１４によれば、回生電力の充電と同じように、放電機会が得られ、充電した回生電力を力行電力として活用することができる。このように、電力変換器５と蓄電装置６が競合することなく動作させ、回生電力の利用機会と利用効率を向上することが可能となる。すなわち、蓄電装置６との機能干渉を回避するとともに、電力損失を抑制するように回生電力を配分することで、回生電力の活用率を向上させ、低コスト化を実現することが可能である。
【実施例2】
【0044】
図６は本発明の実施例２に係る交流き電システムの系統構成図である。図６に示す実施例２の交流き電システム１５は、実施例１に対し、つぎの相違点がある。すなわち、実施例１の交流き電システム１４の制御装置７に対し、実施例２の制御装置７ａへの入力として第一の受電電力８ａと電力変換器５の融通電力４１を追加した。さらに、その制御装置７ａは、第一のき電区間１３ａを走行する第一の車両１ａの回生電力又は力行電力を蓄電装置６に対して充放電するように、第二の要求電力量１１ｂと充放電指令１０を出力する点が異なる。
【0045】
図７は、本発明の実施例２に係る制御のブロック線図である。すなわち、図７は、実施例２に係る交流き電システム１５における制御装置７ａの処理を例示する。第一の受電電力８ａの符号として、正を供給(第一の電源４ａから第一のき電線２ａへ向かう電力)、負を逆潮(第一のき電線２ａから第一の電源４ａへ向かう電力)と定義し、融通電力４１の符号としては、正を第一のき電線２ａから第二のき電線２ｂへ向かう融通電力、負を第二のき電線２ｂから第一のき電線２ａへ向かう融通電力と定義する。第二の受電電力８ｂの符号、および、充放電電力９の符号としては、実施例１と同様に定義する。
【0046】
制御装置７ａは電力変換器５による電力融通を蓄電装置６の充放電よりも優先させるとともに、第一の車両１ａの電力を蓄電装置６に充放電させるため、実施例１の第二の要求電力量１１ｂに対し、第一の車両１ａの電力を強制的に第二のき電線２ｂへ融通するように仮想負荷を加算して与える。
【0047】
具体的には、第二の受電電力８ｂから充放電電力９を差引いた値に対し、第一の車両１ａの電力の逆数に対応する融通電力４１から第一の受電電力８ａを差し引いた値を加算して与える。
【0048】
なお、蓄電装置６の能力以上の電力を融通することを回避するため、蓄電装置６の出力限界に対応するリミッタ５１を挿入する。また、充放電指令１０としては、充放電電力９から第二の受電電力８ｂを差し引いた値を与え、実施例１と同様である。
【0049】
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂは、実施例２に係る交流き電システム１５の動作を示す説明図である。これら図８Ａ～図１０Ｂは、実施例１の構成図上に、挙動が異なる６つの条件毎の電力潮流３１を矢印で明示することにより、それぞれの効果を説明する。ここでも、電力潮流３１の太さは電力の強度に対応する。
【0050】
図８Ａは、図６の系統構成において、第一の車両１ａが力行中、第二の車両１ｂが回生中であり、かつ、回生電力が力行電力より小さい場合の電力潮流図である。この潮流の場合、電力変換器５は第一の車両１ａの力行電力に相当する電力を第二のき電区間１３ｂから第一のき電区間１３ａに融通する。これにより、第一の結節点１２ａにおいては、第一の電源４ａから供給される電力が０となる。一方、第二の結節点１２ｂにおいては、第一の車両１ａの力行電力のうち、第二の車両１ｂの回生電力からの供給で不足する分の負荷が発生する。
【0051】
このため、蓄電装置６が第二の結節点１２ｂの負荷に対応して放電する。これにより、第二の電源４ｂから供給される電力は０となる。このように、第一のき電区間１３ａに発生した力行電力が第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力より大きい場合には、第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力が第一のき電区間１３ａの力行電力として活用され、なお不足する力行電力に対して蓄電装置６の放電により供給される。回生電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。さらに、充放電電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。その結果、上述のように、省エネで電気料金の節約になる。
【0052】
図８Ｂは、図６の系統構成において、第一の車両１ａが回生中、第二の車両１ｂが力行中であり、かつ、回生電力が力行電力より大きい場合の電力潮流図である。この潮流の場合、図８Ａの電力潮流が反転し、第一のき電区間１３ａに発生した回生電力が、第二のき電区間１３ｂの力行電力として活用され、余剰分が蓄電装置６に充電される。
【0053】
回生電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。充電された回生電力は、放電する機会に活用され、電源からの供給電力削減に寄与する。
【0054】
図９Ａは、図６の系統構成において、第一の車両１ａが力行中、第二の車両１ｂが回生中であり、かつ、回生電力が力行電力より大きい場合の電力潮流図である。この潮流の場合、電力変換器５は第一の車両１ａの力行電力と第二の車両１ｂの回生電力を相殺するように、第二のき電区間１３ｂから第一のき電区間１３ａに電力を融通する。
【0055】
これにより、第一の結節点１２ａにおいては、第一の電源４ａから供給される電力が０となる。また、第二の結節点１２ｂにおいては、第二の車両１ｂの回生電力のうち、第一の車両１ａで消費しきれない余剰分が流入する。このため、蓄電装置６が第二の結節点１ｂに流入する回生電力の余剰分を充電する。これにより、第二の電源４ｂへと流れる電力は０となる。
【0056】
このように、第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力の一部のみしか第一のき電区間１３ｂの力行電力として活用できない場合には、第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力は、第一のき電区間１３ａの力行電力として活用され、余剰分が蓄電装置６に充電される。回生電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。充電された回生電力は、放電する機会に活用され、電源が供給する電力の削減に寄与する。
【0057】
図９Ｂは、図６の系統構成において、第一の車両１ａが回生、第二の車両１ｂが力行しており、かつ、回生電力が力行電力より小さい場合の電力潮流図である。この潮流の場合、図９Ａの電力潮流３１が反転し、第二のき電区間１３ｂの力行電力は、第一のき電区間１３ａの回生電力と、蓄電装置６に充放電電力により供給される。
【0058】
回生電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。さらに、充放電電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。
【0059】
図１０Ａは、図６の系統構成において、第一の車両１ａと第二の車両１ｂが共に回生中の電力潮流図である。この潮流の場合、電力変換器５は第一の車両１ａの回生電力を、第二のき電区間１３ｂに融通する。これにより、第一の結節点１２ａにおいては、第一の電源４ａへと向かう電力は０となる。一方、第二の結節点１２ｂにおいては、第一の車両１ａの回生電力と第二の車両１ｂの回生電力の合計が流入する。このため、蓄電装置６が第二の結節点１２ｂの電力を充電する。これにより、第二の電源４ｂへと流れる電力は０となる。
【0060】
このように、第一のき電区間１３ａの回生電力と第二のき電区間１３ｂの双方で回生電力が発生した場合には、第一のき電区間１３ａに発生した回生電力と第二のき電区間１３ｂに発生した回生電力が蓄電装置６に充電される。充電された回生電力は、放電する機会に活用され、電源が供給する電力の削減に寄与する。
【0061】
図１０Ｂは、図６の系統構成において、第一の車両１ａと第二の車両１ｂが共に力行中の電力潮流図である。この潮流の場合、図１０Ａの電力潮流３１が反転し、蓄電装置６が放電した電力は、第二のき電区間１３ｂの力行電力に供給されると共に、第一のき電区間１３ａの力行電力にも供給される。充放電電力が力行電力として活用された分、電源から供給される電力を削減できる。
【0062】
以上のように、実施例２により、実施例１の効果に加え、第一の車両１ａで発生する回生電力を蓄電装置６に充放電させることで、回生電力の利用機会を向上することが可能となる。
【実施例3】
【0063】
図１１は、本発明の実施例３に係る交流き電システムの系統構成図である。図１１に示す実施例３の交流き電システム１６は、図１に示す実施例１の交流き電システム１４に対し、つぎの相違点を有する。まず、第一のき電線２ａと第一の電源４ａとの間に、第一の変圧器３ａを備える。同様に、第二のき電線２ｂと第一の電源４ｂとの間に、第二の変圧器３ｂを備える点が実施例１の形態とは異なる。
【0064】
これら第一の変圧器３ａ、又は第二の変圧器３ｂとして、例えば、スコット結線変圧器が採用できる。スコット結線変圧器とは、三相から二相に変換する変圧器で、電力系統の三相電源から交流き電に必要な単相負荷を上り方面/下り方面の二系統に割り当てるために一般的に使用されている。
【0065】
図１１において、第一の変圧器３ａは、その一次側に三相電源として第一の電源４ａを接続し、二次側に単相負荷として第一のき電線２ａが接続され、３/２相変換するとともに２系統に分割する。同様に、第二の変圧器３ｂは、その一次側に三相電源として第二の電源４ｂを接続し、二次側に単相負荷として第二のき電線２ｂが接続され、３/２相変換するとともに２系統に分割する。なお、第一、第二の変圧器３ａ，３ｂは、何れも、一次側から二次側へ一方行の電力潮流に限らず、その逆潮流も可能である。
【0066】
図１１に示す実施例３の交流き電システム１６は、制御装置７が観測情報を取得するため、第一の受電電力８ａの測定点を第一の変圧器３ａより第一の電源４ａ側、第二の受電電力８ｂの測定点を第二の変圧器３ｂより第二の電源４ｂ側とする。これにより取得される観測情報は、図１に示した実施例1の交流き電システム１４と同様になり、実施例１と同じ効果が得られる。なお、実施例３の交流き電システム１６は、つぎのような背景の下に技術的意義が見出される。
【0067】
一般的な三相交流の電力系統を支援することに適応した蓄電システム（以下、「三相交流用蓄電装置」ともいう）の技術がある。近年、この三相交流用蓄電装置は、産業用蓄電システムと呼ばれるほどに、防災、ピークカット、ピークシフトの用途、又は再生可能エネルギーを活用するために広く普及されており、量産効果と市場での競争原理により合理的価格で提供されている。
【0068】
その技術は、蓄電池に組み合わせて三相交流の電力系統における潮流変化に対応可能なインバータやコンバータ等の交直変換機能、及びその制御機能にも波及しており、これら一式をユニット調達することも容易になっている。
【0069】
一方、用途が限定される単相交流用蓄電装置は、現在のところ、普及が進んでいない。したがって、これを導入するためには、単相交流の電力系統における潮流変化を検出するセンサ類、潮流変化に対応可能なインバータやコンバータ等の交直変換機能、及びその制御機能に至る全部を設計開発することを余儀なくされる。しかし、当該技術を適用する事業者は、そのようにして導入費用が膨らむことを避けたい。
【0070】
そこで、導入費用を抑えるため、単相交流用蓄電装置を用いず、一般的な三相交流用蓄電装置の完成ユニット等を電気鉄道に適用することが考えられる。この場合、図１１に示すように、三相交流用蓄電装置６ａは、単相交流側の電力変換器５からは独立し、三相交流側に接続される。このような構成による実施例３の交流き電システム１６は、実施例１の交流き電システム１４と同じ効果が得られることに加えて、設備導入費用が軽減できるので、実施される可能性が高い。
【実施例4】
【0071】
図１２は、本発明の実施例４に係る交流き電システムの系統構成図である。図１２に示す実施例４の交流き電システム１７も、図１１に示した実施例３の交流き電システム１６と同様に、第一、第二の変圧器３ａ，３ｂを備えている。第一、第二の変圧器３ａ，３ｂは、それぞれが、一系統の三相電源を３/２相変換するとともに、二系統の単相負荷に分割する。第一、第二の変圧器３ａ，３ｂは、何れも、一次側から二次側へ一方行の電力潮流に限らず、その逆潮流も可能である点でも同様である。
【0072】
図１２に示す実施例４の交流き電システム１７は、制御装置７ａが観測情報を取得するため、第一の受電電力８ａの測定点を第一の変圧器３ａより第一の電源４ａ側、第二の受電電力８ｂの測定点を第二の変圧器３ｂより第二の電源４ｂ側とすることで、観測値は実施例２と同様となる。このような構成による実施例４の交流き電システム１７は、実施例２の交流き電システム１５と同等の優れた効果が得られることに加えて、なお、設備導入費用が軽減できるので、実施される可能性が極めて高い。
【0073】
本発明の実施形態に係る交流き電システム１４～１７は、つぎのように総括される。
＜実施例１～４＞
［１］図１～図１２に示した交流き電システム１４～１７は、隣接するき電区間１３ａ，１３ｂを形成する第一のき電線２ａと第二のき電線２ｂとに跨って電力融通を可能に接続された電力変換器５，５を備えた。この交流き電システム１４～１７は、さらに、第一の電源４ａと、第二の電源４ｂと、蓄電装置６，６ａと、制御装置７，７ａと、を備えた。
＜実施例１～４＞
［１］図１～図１２に示した交流き電システム１４～１７は、隣接するき電区間１３ａ，１３ｂを形成する第一のき電線２ａと第二のき電線２ｂとに跨って電力融通を可能に接続された電力変換器５，５を備えた。この交流き電システム１４～１７は、さらに、第一の電源４ａと、第二の電源４ｂと、蓄電装置６，６ａと、制御装置７，７ａと、を備えた。
【0074】
第一の電源４ａは、第一のき電線２ａを介して第一の車両１ａに電力供給する。第二の電源４ｂは、第二のき電線２ｂを介して第二の車両１ｂに電力供給する。蓄電装置６と、第二の電源４ｂと第二のき電線２ｂの間に接続される。制御装置７は、要求電力量１１ａ，１１ｂ及び充放電指令１０を、所定の観測情報と、所定の制御条件と、に基づいて生成する。
【0075】
要求電力量１１ａ，１１ｂは、電力変換器５，５に対して電力融通を求める電力量である。充放電指令１０は、蓄電装置６に対して充電又は放電させる電力量を指示する。観測情報は、第二の電源４ｂからの受電電力８ｂと、蓄電装置６，６ａの充放電電力９と、である。制御条件は、き電区間１３ａ，１３ｂを走行する車両１ａ，１ｂから生ずる回生電力の配分として、蓄電装置６，６ａよりも電力変換器５，５を優先する。その理由は、電気的変換のみを伴う電力変換器５，５の方が、電気から化学的エネルギーへの変換を伴う蓄電装置６よりもエネルギー変換効率が高いからである。
【0076】
また、交流き電システム１４～１７において、き電区間１３ａ，１３ｂを力行する車両がなく、もっぱら回生状態の車両１ａ，１ｂから生ずる回生電力が自然には吸収されないとき、制御条件がつぎのように規定されている。すなわち、自然には吸収先の無い回生電力の配分として、制御装置７，７ａは、蓄電装置６，６ａよりも電力変換器５，５を優先するように制御条件がプログラムされている。この制御条件を実現するためのプログラムを実行するコンピュータを制御装置７，７ａに具備しても良いが、他の電子回路で実現しても構わない。
【0077】
ここで、図１の交流き電システム１４、及びその符号のみを用いて説明する。制御装置７は、第二の電源４ｂからの受電電力８ｂと、蓄電装置６の充放電電力９と、を観測情報として検出し、両者の絶対値及び大小関係を参照した上で、上述の制御条件を実現するように、要求電力量１１ｂ及び充放電指令１０それぞれの値を最適に調整して生成する。多様な潮流に応じた中の一例として、第二の電源４ｂからの受電電力８ｂが、大きければ、第二のき電線２ｂには多くの回生電力を配分する余地があるので、電力変換器５によって電力融通するが、そうでなければ充放電電力９により吸収させる。
【0078】
自然の潮流による吸収先の無い回生電力は、上述した理由による低効率の蓄電装置６に充電されるよりも、先に高効率の電力変換器５だけで、隣接するき電区間１３ａ，１３ｂの相手側へと融通できないかを試行される。それで吸収できない場合に限って、行き場の無い回生電力を蓄電装置６に充電させることで吸収する。これにより、もっぱら回生状態の車両１ａ，１ｂしか在線していなくとも、これらに回生ブレーキが有効に作用する。
【0079】
逆に、き電区間１３ｓ，１３ｂにそれぞれ在線する車両１ａ，１ｂの何れかが力行中であれば、蓄電装置６から放電させる前に、まず電力変換器５を経由して供給できるような、隣接するき電区間１３ａ，１３ｂの相手側から電力融通を受けられないかどうかを優先的に試行して、足りなければ蓄電装置６から放電させる。
【0080】
このように制御条件として、高効率の電力変換器５を多用するように、制御装置７がそのプログラムにより明確に規定して実行するので、高効率を維持できる。その結果、隣接するき電区間１３ａ，１３ｂに跨る既設の電力変換器５を生かしつつ、その電力融通機能を増進するために付設された蓄電装置６を不具合なく活用できる。すなわち、交流き電システム１４～１７は、電力変換器５と蓄電装置６の動作干渉を回避するとともに、回生電力の活用率、さらに導入設備利用率を向上することが可能となる。
【0081】
＜実施例１＞
［２］上記［１］において、制御装置７は、制御条件を実現させるため、観測情報における受電電力８ｂと充放電電力９との差に基づいて要求電力量１１ｂを生成する。すなわち、制御装置７は、観測情報における受電電力８ｂから充放電電力９を差し引いた値を要求電力量１１ｂとして与える。つまり、制御装置７は、要求電力量１１ｂとしては、受電電力８ｂから充放電電力９を差し引き計算することにより分離し、あたかも蓄電装置６が停止した状態に相当する受電電力８ｂを与える。そのように制御装置７が制御すれば、上述の制御条件を実現させられる。すなわち、電力融通は、蓄電装置６の充放電よりも電力変換器５に優先して配分される。
［２］上記［１］において、制御装置７は、制御条件を実現させるため、観測情報における受電電力８ｂと充放電電力９との差に基づいて要求電力量１１ｂを生成する。すなわち、制御装置７は、観測情報における受電電力８ｂから充放電電力９を差し引いた値を要求電力量１１ｂとして与える。つまり、制御装置７は、要求電力量１１ｂとしては、受電電力８ｂから充放電電力９を差し引き計算することにより分離し、あたかも蓄電装置６が停止した状態に相当する受電電力８ｂを与える。そのように制御装置７が制御すれば、上述の制御条件を実現させられる。すなわち、電力融通は、蓄電装置６の充放電よりも電力変換器５に優先して配分される。
【0082】
［３］上記［１］において、制御装置７，７ａは、制御条件を実現させるため、観測情報における受電電力８ｂから充放電電力９の成分を分離することで要求電力量１１ｂを生成しても良い。これにより、制御装置７，７ａは、観測情報における受電電力８ｂから充放電電力９を分離し、あたかも蓄電装置６，６ａが停止した状態に相当する受電電力８ｂを与える。そのように制御装置７，７ａが制御すれば、上述の制御条件を実現させられる。すなわち、電力融通は、蓄電装置６，６ａの充放電よりも電力変換器５に優先して配分される。
【0083】
［４］上記［１］において、制御装置７，７ａは、制御条件を実現させるため、第二の電源４ｂからの受電電力８ｂと充放電電力９の差に基づいて充放電指令１０を生成しても良い。これにより、制御装置７，７ａは、生成された充放電指令１０を用いて制御条件を実現させることが可能である。
【0084】
＜実施例２＞
つぎに、図６～図１０Ｂに示した本発明の実施例２に係る交流き電システム１５について総括する。
［５］上記［１］に含まれた、図６に示す実施例２の交流き電システム１５において、制御装置７ａは、観測情報として、さらに第一の電源４ａからの受電電力８ａと、電力変換器５の出力電力４１と、を取得する。これらを用いるように、制御装置７ａは、第一の電源４ａからの受電電力８ａと、第二の電源４ｂからの受電電力８ｂと、蓄電装置６の充放電電力９と、電力変換器５の出力電力４１と、に基づいて、要求電力量１１ａ，１１ｂ及び充放電指令１０を生成する。
つぎに、図６～図１０Ｂに示した本発明の実施例２に係る交流き電システム１５について総括する。
［５］上記［１］に含まれた、図６に示す実施例２の交流き電システム１５において、制御装置７ａは、観測情報として、さらに第一の電源４ａからの受電電力８ａと、電力変換器５の出力電力４１と、を取得する。これらを用いるように、制御装置７ａは、第一の電源４ａからの受電電力８ａと、第二の電源４ｂからの受電電力８ｂと、蓄電装置６の充放電電力９と、電力変換器５の出力電力４１と、に基づいて、要求電力量１１ａ，１１ｂ及び充放電指令１０を生成する。
【0085】
実施例２の交流き電システム１６によれば、制御装置７ａは、多面的に広範囲で検出される観測情報を取得して追加する。すなわち、制御装置７ａは、隣接するき電区間１３ａ，１３ｂのうち電力供給する蓄電装置６から遠い第一の電源４ａからの受電電力８ａと、電力変換器５の出力電力４１と、を観測情報に追加する。その結果、上述の制御条件をより精密に実現させることが可能である。
【0086】
［６］上記［５］の交流き電システム１６において、制御装置７ａは、図７に示す制御のブロック線図の演算処理を観測情報に対して実行しても良い。すなわち、制御装置７ａは、第二の電源４ｂからの受電電力８ｂと充放電電力９の差に基づいて、要求電力量１１ｂを生成しても良い。また、制御装置７ａは、第一の電源４ａからの受電電力８ａと電力変換器５の出力電力４１の差に基づいて、要求電力量１１ｂを生成するようにしても良い。
【0087】
このように、制御装置７ａは、観測情報とその演算処理について、第一の電源４ａからの受電電力８ａと電力変換器５の出力電力４１の差を用いて多様化しても良い。このとき、上述した第二の電源４ｂからの受電電力８ｂと充放電電力９の差も併用し、これらに基づいて、要求電力量１１ａ，１１ｂを生成する。その結果、上述の制御条件をより精密に実現させることが可能である。
【0088】
＜実施例３，４＞
［７］図１１に示す実施例３の交流き電システム１６、及び、図１２に示す実施例４の交流き電システム１７は、上記［１］において、第二の電源４ｂは三相交流を供給するものである。この第二の電源４ｂと第二のき電線２ｂとの間に、三相交流と単相交流とを相数変換可能な変圧器３ｂを介在させる。三相交流適応型の蓄電装置６ａは、変圧器３ｂの三相交流側に接続されている。この蓄電装置６ａは、三相交流と直流とを双方向に変換可能な三相交流適応型の交直変換器（不図示）を具備している。
［７］図１１に示す実施例３の交流き電システム１６、及び、図１２に示す実施例４の交流き電システム１７は、上記［１］において、第二の電源４ｂは三相交流を供給するものである。この第二の電源４ｂと第二のき電線２ｂとの間に、三相交流と単相交流とを相数変換可能な変圧器３ｂを介在させる。三相交流適応型の蓄電装置６ａは、変圧器３ｂの三相交流側に接続されている。この蓄電装置６ａは、三相交流と直流とを双方向に変換可能な三相交流適応型の交直変換器（不図示）を具備している。
【0089】
現状では、単相交流用蓄電装置に対する需要と供給が未成熟で、その調達が困難ある。一方、三相交流用蓄電装置ならば、調達容易である。そこで、三相と単相と相数変換可能な変圧器３ｂを介在し、その変圧器３ｂの三相交流側に蓄電装置６ａを接続する。
【0090】
換言すれば、電気鉄道用の単相交流用蓄電装置は、普及が進んでいないため調達困難ある。そこで、図１１及び図１２に示す実施例３，４の交流き電システム１６，１７では、無理せずに、調達容易な三相交流適応型の蓄電装置６ａを用いる。その蓄電装置６ａは、三相と単相と相数変換可能な変圧器３ｂの三相交流側（一次側）に接続されることにより、一般的に普及している産業用蓄電システムの技術で高効率に電力融通機能を増進できる。
【符号の説明】
【0091】
１ａ：第一の車両、１ｂ：第二の車両
２ａ：第一のき電線、２ｂ：第二のき電線
３ａ：第一の変圧器、３ｂ：第二の変圧器
４ａ：第一の電源、４ｂ：第二の電源
５：電力変換器
６，６ａ：蓄電装置
７，７ａ：制御装置
８ａ：第一の受電電力、８ｂ：第二の受電電力
９：充放電電力
１０：充放電指令
１１ａ：第一の要求電力量、１１ｂ：第二の要求電力量
１２ａ：第一の結節点
１２ｂ：第二の結節点
１３ａ：第一のき電区間
１３ｂ：第二のき電区間
３１：電力潮流
４１：融通電力
５１：リミッタ
２ａ：第一のき電線、２ｂ：第二のき電線
３ａ：第一の変圧器、３ｂ：第二の変圧器
４ａ：第一の電源、４ｂ：第二の電源
５：電力変換器
６，６ａ：蓄電装置
７，７ａ：制御装置
８ａ：第一の受電電力、８ｂ：第二の受電電力
９：充放電電力
１０：充放電指令
１１ａ：第一の要求電力量、１１ｂ：第二の要求電力量
１２ａ：第一の結節点
１２ｂ：第二の結節点
１３ａ：第一のき電区間
１３ｂ：第二のき電区間
３１：電力潮流
４１：融通電力
５１：リミッタ
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】