JP5391900B2 - 電気鉄道用き電線電圧補償装置における充電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道におけるき電線電圧補償装置に関する発明で、特に、き電線電圧補償装置の電力貯蔵装置に使用される電気二重層キャパシタの充電制御方法に関するものである。

電気鉄道においては、電気車の力行、回生時に、き電電圧の電圧降下、電圧上昇の発生を抑えるために、き電線電圧補償装置が設けられている。このき電線電圧補償装置は、電力変換装置と電力貯蔵装置から構成され、電力貯蔵装置には、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）が使用され、この電気二重層キャパシタは、電気車の回生電力を電力変換装置によってき電電圧一定制御にて充電されるように構成されている。

上記電力変換装置にてＥＤＬＣが、満充電に近づいた場合の制御方式には、後述する図１０に示すＥＤＬＣのみを用いる第１方式と第２方式と、後述する図１１に示すＥＤＬＣと抵抗を併用して回生電力を吸収する第３方式とがある。

前記第１方式と第２方式は、回生電力を満充電にて充電停止する制御方式であり、前記第３方式は、回生電力を吸収する制御方式である（特許文献１参照。）。

図１０は前記第１方式を示す概略構成図で、図１０において、１はき電線、２はレールで、き電線１とレール２との間には、電力変換装置６０が設けられ、この電力変換装置６０は、リアクトル３とコンデンサ４からなるスイッチング成分除去フィルタ５と、リアクトル３とコンデンサ４の共通接続点とレール２間に設けられる双方向チョッパ手段６とから構成され、双方向チョッパ手段６の上下２個の半導体スイッチング素子６ａ，６ｂの共通接続点とレール２の間に平滑化リアクトル７を介して電力貯蔵装置６１であるＥＤＬＣ８が設けられている。

なお、１０はき電電流検出部、１１はき電電圧検出部、１２はＥＤＬＣ電流検出部および１３はＥＤＬＣ電圧検出部である。

この従来から使用されている回生電力吸収制御として図１２の制御ブロック構成図を用いて、図１０に示す概略構成図の第１方式の制御動作について述べる。

図１２において、き電電圧検出値と、き電基準電圧値との偏差を偏差部２１で求め、その偏差部２１の偏差出力を規格化演算部２２に入力して、この規格化演算部２２で入力された値を定格値で割り算して規格演算出力値（例えば、定格電圧２０００Ｖで、入力電圧が１０００Ｖの場合、規格演算出力値として０．５となる。）を得る。この出力値は、ＰＩアンプ２３に入力されて、出力に電流指令値を得る。この電流指令値は、リミッタ２４に入力されて「０〜１」に制限処理された後、この制限処理された電流指令値とＥＤＬＣの充電電流検出値との偏差を偏差部２５で求め、その偏差出力がＰＩアンプ２６に供給され、ＰＩアンプ２６により双方向チョッパ手段６のデューティを決めるＰＩ制御出力を送出する。

ＰＩアンプ２６から送出されたＰＩ制御出力は、リミッタ２７で「０〜１」に制限処理されて双方向チョッパ手段６のデューティ比を制御するＤＵＴＹアンプ２８に入力される。このＤＵＴＹアンプ２８から出力されるデューティ比に見合ったＰＷＭ信号をＣＭＰ生成部２９で生成する。

３０はＡＮＤ回路部で、このＡＮＤ回路部３０には、回生電力が発生したときに図示しないシステムなどから送出される充電許可条件信号とゲート許可条件信号（充放電許可モード）が供給され、これら充電許可条件信号とゲート許可条件信号が満たされたとき、そのＡＮＤ回路部３０から出力信号が、ＡＮＤ回路部３１の第１入力端子に供給される。また、ＣＭＰ生成部２９で生成されたＰＷＭ信号が、ＡＮＤ回路部３１の第２入力端子に供給される。これら両入力端子に信号が供給された時に、ＡＮＤ回路部３１の出力からは、双方向チョッパ手段６を制御するゲート信号が送出され、そのゲート信号により双方向チョッパ手段６が制御されてＥＤＬＣ８への充電電流が制御される。

上記のように第１方式の制御動作を行う回生電力吸収制御では、単にＥＤＬＣの電圧条件だけで充電を行っている。

そこで、図１３の制御ブロック構成図に示す第２方式の回生電力吸収制御が考案された。図１３に示す制御ブロック構成図は、ＥＤＬＣ電圧を考慮し充電電流を絞って回生電力吸収制御を行うように改良したもので、以下図１２と異なる構成と動作について述べる。

図１３において、リミッタ２４と偏差部２５との電路に比較器３２を介挿し、この比較器３２と図１４に示すＥＤＬＣ電圧に依存して電流指令値を絞るフィルタ３３の出力を供給する。この比較器３２は、リミッタ２４を介して供給されるＰＩ制御からの電流指令値と、フィルタ３３により絞られた電流指令値（フィルタ出力α）とを比較して、比較器３２からは、小さい方の電流指令値が出力される。

比較器３２から出力された電流指令値とＥＤＬＣの充電電流検出値との偏差を偏差部２５で求める。求められた偏差出力は、ＰＩアンプ２６に供給されて、出力にＰＩ制御出力を得る。得られたＰＩ制御出力は、双方向チョッパ手段６のデューティを決めるもので、リミッタ２７を介して双方向チョッパ手段６のデューティ比を制御するＤＵＴＹアンプ２８に入力され、その後の処理は図１２に述べたように行われる。

また、図１１は第３方式を示す概略構成図で、図１０と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。この第３方式においては、ＥＤＬＣ８とスイッチ１４との第１直列体１５と、この第１直列体１５に抵抗１６とスイッチ１７との第２直列体１８とを並列接続して、両直列体１５，１８は双方向チョッパ手段６の上下２個の半導体スイッチング素子６ａ，６ｂの共通接続点とレール２の間に平滑化リアクトル７を介して構成されたものである。

この第３方式は、スイッチ１４、１７を閉じてＥＤＬＣ８と抵抗１６とを並列接続した後、更にＥＤＬＣ８の電圧が上昇し、かつ電気車の回生電力により、き電線電圧が閾値よりも高くなる場合、ＥＤＬＣ８のみを解列し、抵抗１６で回生電力を吸収する動作を行うものである。

上記の他に、ＥＤＬＣの電力貯蔵（蓄電）能力を最大限に発揮するために、定電流制御による充電を行い、ＥＤＬＣが満充電電圧Ｖ１に到達した後に、定電圧制御による充電（緩和充電）を行う方式がある（特許文献２参照。）。

特開２００１−２０６１１０号 特許４０２２３６２号

次に、電気車からの回生電力吸収時の問題点について述べる。
（１）まず、充電電流絞り無しの問題点（第１方式の問題点）
電圧条件だけで充電を行う場合、ＥＤＬＣ電圧が満充電の電圧を超えた時点で、回生電力吸収動作を突然停止してしまうと、次のような不具合が発生する。

き電電圧の上昇により、電気車側が回生電流を絞り込み機械ブレーキで制動を行うが、き電電圧の上昇が急な場合は、回生電流の絞り込みが間に合わなくなり、き電電圧が上昇しているにもかかわらず電気車から回生電力が発生するために、き電電圧が過電圧となる恐れがある。
（２）ＥＤＬＣ内部抵抗による問題点（第１、第３方式の問題点）
ＥＤＬＣには内部抵抗があるため、充電を停止すると、内部抵抗と充電電流によって電圧降下した分、充電停止直前よりもＥＤＬＣ電圧が低下してしまう恐れがある。

図１５はＥＤＬＣの等価回路図で、図１５において、Ｒは内部抵抗、Ｉは充電電流、ＲＩは電圧降下分を示す。

図１６はＥＤＬＣには内部抵抗があるため、そのＥＤＬＣが充電中に充電を停止すると、内部抵抗と充電電流によって電圧降下したときのＥＤＬＣ電圧が低下する様子を示す特性図である。

図１６において、上昇中の実線はＥＤＬＣ電圧Ｖ１１、破線はＥＤＬＣ電圧からＥＤＬＣ内部抵抗による電圧降下分を差し引いた電圧Ｖ１２で、ＥＤＬＣ電圧Ｖ１１は、時刻ｔ１でＥＤＬＣへの充電が停止になると、前記電圧Ｖ１１は、充電電流Ｉが供給されなくなるため、前記電圧Ｖ１１は、内部抵抗Ｒでの電圧降下分だけ電圧Ｖ１３まで低下する。

このため、充電停止後の電圧低下は、充電電流Ｉが多いほど、または、内部抵抗Ｒが高くなるほど、大きくなる。その結果、満充電との電圧差分まで充電可能であるＥＤＬＣを電力貯蔵装置として使用するには、不経済な充電方法になってしまう。
（３）ＥＤＬＣ電圧によるフィルタ（図１４に示す）での問題点（第２方式の問題点）
ＥＤＬＣ電圧に依存して電流指令値を絞るフィルタを用いた場合、ＥＤＬＣ電圧が充電電圧上限値「Ｖｅｄｌｃ」に達する前、つまり充電可能容量に余裕があるうちに、ＥＤＬＣへの充電電流を絞る動作を始めてしまうために、電気車からの回生電流が多いときに、ＥＤＬＣへ十分な充電ができなくなってしまう問題がある。また、ＥＤＬＣの内部抵抗が経年変化などにより増加すると、電流指令値による電圧降下により、図１７のように本来の電流指令値（フィルタ出力αｎ）が振動（この振動となる理由は後述する）を始める結果、シミュレーション結果として示す図１８のような振動ｖｉｂが発生して、き電電圧を不安定にする場合がある。

次に、上述した振動発生となる理由について述べる。ＥＤＬＣは、図１５に示したように内部抵抗Ｒがあり、経年変化で内部抵抗Ｒは上昇する。この内部抵抗ＲによりＥＤＬＣを充電する場合、ＥＤＬＣ電圧［測定値］は、次式のように充電電流無しの場合より電圧は高めになる。

Ｖｅｄｌｃ［測定値］＝内部抵抗Ｒ×充電電流＋Ｖｅｄｌｃ［電流無］
従って、ＥＤＬＣの内部抵抗Ｒが大きくなると、この内部抵抗による電圧降下も大きくなってしまう。

続いて、ＥＤＬＣの内部抵抗値が、当初設定より大きくなった場合のフィルタ特性図を、図１７に示す。この図１７に示すフィルタ特性図は、理解を容易にするために、内部抵抗値が当初設定の２倍になった場合を想定したもので、図１７において、傾斜の緩い線分Ｇの方が大きな内部抵抗値に対応した「望ましい」フィルタ（内部抵抗値が２倍なった場合に修正されるべきフィルタ）で、傾斜の急な線分Ｓの方が当初設定のフィルタ（当初の内部抵抗値でのフィルタ）である。

ここで、ＥＤＬＣが充電状態で、電圧値Ｖｅｄｌｃ（ｎ）のときを考える。このとき、電圧値Ｖｅｄｌｃ（ｎ）は次式のようになる。

Ｖｅｄｌｃ（ｎ）［測定値］＝内部抵抗×充電電流（ｎ）＋Ｖｅｄｌｃ（ｎ）［電流無］
図１７よりフィルタ出力はαｎ＋１となり、本来は、現在の内部抵抗に即したαｎが望ましい値である。このとき、αｎ＜αｎ＋１となり、次式に示すように電流指令値が望ましい値より大きくなる。

Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋１）［測定値］＝内部抵抗×充電電流（ｎ＋１）＋Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋１）［電流無］
すると、内部抵抗×電流による電圧降下によりＶｅｄｌｃ（ｎ＋１）がＶｅｄｌｃ’（ｎ）よりも高めの電圧となり、今度は、この高めに出たＶｅｄｌｃ（ｎ＋１）からスタートすることになる。なお、Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋１）は修正前（ＥＤＬＣ内部抵抗による電圧降下分）のフィルタによるＥＤＬＣ電圧、Ｖｅｄｌｃ’は修正後（ＥＤＬＣ内部抵抗による電圧降下分）のフィルタによるＥＤＬＣ電圧である。

Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋１）での電流指令値がαｎ＋２となり、今度は電流指令値が望ましい値より少なくなり、電圧値Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋２）（図１７には示していない）は次式に示すようになる。

Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋２）［測定値］＝内部抵抗×充電電流（ｎ＋２）＋Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋２）［電流無］
この時のＥＤＬＣ電圧は、望ましい値より低くなる。この低い電圧値Ｖｅｄｌｃ（ｎ＋２）に基づく電流指令値αｎ＋３（図示せず）は、今度は修正後のフィルタによる電流指令値よりも大きな電流を流す指令となる。こうして、フィルタの電流指令値が望ましい値よりも大→小→大→小→大→小・・・と繰り返して不安定になって行く。

以上より、フィルタの電流指令値が、大小を繰り返し、ＥＤＬＣ電圧が振動する。
（４）ＥＤＬＣと抵抗併用の問題点（第３方式の問題点）
この場合には、き電電圧安定という点では問題はないが、抵抗とＥＤＬＣが並列で充電の時、回生電流が少ないと、ＥＤＬＣから並列抵抗へ放電してしまい、電気エネルギーを無駄に消費してしまう問題がある。

また、ＥＤＬＣ解列直後のＥＤＬＣ電圧については、内部抵抗分の電圧降下により充電電圧上限値まで充電されにくくなってしまう問題がある。最もＥＤＬＣ電圧を高く充電完了できる条件は、ＥＤＬＣが抵抗と並列接続時に、Ｖｅｄｌｃ＝Ｖｒ≒Ｖｅｄｌｃ（充電電圧上限値）、かつＩｅｄｌｃ≒０の時ＥＤＬＣ解列のみである。抵抗が固定であることを考えると、ほぼ実現は不可能な条件である。
（５）定電流充電から定電圧放電に切替える方式における問題点（特許文献２の問題点）
この充電方式は、電気車の回生電力を積極的に吸収する制御でないため、き電電圧一定制御を行う制御でなく回生電力に応じた吸収を行わない。そのため、き電電圧変化に対応することができない問題がある。

本発明の目的は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ＥＤＬＣの電圧が充電電圧上限値に達しても、充電を急停止しないで、徐々に充電電流を減少させるために、回生電力によるき電電圧上昇を緩和するとともに、電気車側の回生絞り動作に余裕を持たせることができ、しかも、き電線過電圧故障の発生を防止することができ、また、ＥＤＬＣを充電電圧上限値に限りなく近くまで充電できるようにした電気鉄道用き電線電圧補償装置における充電制御方法を提供することにある。

上記の課題を達成するために、請求項１に係る発明は、電気鉄道における電気車の回生、力行時に発生するき電電圧の変動を抑えて、き電電圧の安定化を図るき電線電圧補償装置を設け、このき電線電圧補償装置は、電力変換装置と電力貯蔵装置から構成され、前記電力変換装置には双方向チョッパ手段を設け、前記電力貯蔵装置には電気二重層キャパシタを設けて、前記双方向チョッパ手段の制御により、電気車からの回生電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電制御方法において、
き電電圧検出値とき電基準電圧値との第１偏差を求めた後、この第１偏差の出力をＰＩ制御して第１電流指令値を得、
前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値と充電電圧検出値および既知の電気二重層キャパシタの充電電圧上限値とその内部抵抗値から前記充電電圧上限値以下となるその時点での最大充電電流値を求め、前記最大充電電流値が前記電気二重層キャパシタの充電電流上限値以上ならその充電電流上限値を、以下の場合にはその時点での前記最大充電電流値を第２電流指令値とするフィルタを用いて送出し、
前記第１電流指令値と前記フィルタを通して得られた前記第２電流指令値とを比較した後、第１、第２電流指令値の内、小さい方の電流指令値を充電電流指令値として得た後、
この充電電流指令値と前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値との第２偏差の出力をＰＩ制御し、そのＰＩ制御出力に基づいた前記双方向チョッパ手段のゲート信号を生成し、生成されたゲート信号により前記双方向チョッパ手段のゲート制御を行って、前記電気車の回生電力を吸収するようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記最大充電電流値は、下記式により求めることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、電気鉄道における電気車の回生、力行時に発生するき電電圧の変動を抑えて、き電電圧の安定化を図るき電線電圧補償装置を設け、このき電線電圧補償装置は、電力変換装置と電力貯蔵装置から構成され、前記電力変換装置には双方向チョッパ手段を設け、前記電力貯蔵装置には電気二重層キャパシタを設けて、前記双方向チョッパ手段の制御により、電気車からの回生電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電制御方法において、
き電電圧検出値とき電基準電圧値との第１偏差を求めた後、この第１偏差の出力をＰＩ制御して第１電流指令値を得、
前記電気二重層キャパシタの充電電圧検出値とその基準電圧値との第２偏差を求め、電気二重層キャパシタの充電電圧検出値が電流絞り開始電圧値を超えたときに、第２偏差の出力をＰＩ制御して得られた電気二重層キャパシタ電圧による電流絞り値を得、この電流絞り値と前記第１電流指令値との第３偏差を求めて得られた値を第２電流指令値とし、
前記第１電流指令値と第２電流指令値とを比較した後、第１、第２電流指令値の内、小さい方の電流指令値を充電電流指令値として得た後、
この充電電流指令値と前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値との第４偏差の出力をＰＩ制御し、そのＰＩ制御出力に基づいた前記双方向チョッパ手段のゲート信号を生成し、生成されたゲート信号により前記双方向チョッパ手段のゲート制御を行って、前記電気車の回生電力を吸収するようにしたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３において、前記第２電流指令値は、電気二重層キャパシタが過電圧にならないように電流絞り値を制御することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、電気鉄道における電気車の回生、力行時に発生するき電電圧の変動を抑えて、き電電圧の安定化を図るき電線電圧補償装置を設け、このき電線電圧補償装置は、電力変換装置と電力貯蔵装置から構成され、前記電力変換装置には双方向チョッパ手段を設け、前記電力貯蔵装置には電気二重層キャパシタを設けて、前記双方向チョッパ手段の制御により、電気車からの回生電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電制御方法において、
一定電流指令部の定電流指令値を第１電流指令値として得、
電気二重層キャパシタの充電電圧検出値とその基準電圧値との第１偏差を求め電気二重層キャパシタの充電電圧検出値が電流絞り開始電圧値を超えたときに、第１偏差の出力をＰＩ制御して得られた電気二重層キャパシタ電圧による電流絞り値と前記第１電流指令値との第２偏差を求めて得られた値を第２電流指令値とし、
前記第１電流指令値と第２電流指令値とを比較した後、両指令値の内、小さい方の指令値を充電電流指令値として得た後、
この充電電流指令値と前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値との第３偏差の出力をＰＩ制御し、そのＰＩ制御出力に基づいた前記双方向チョッパ手段のゲート信号を生成し、生成されたゲート信号により前記双方向チョッパ手段のゲート制御を行って、前記電気車の回生電力を吸収するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、ＥＤＬＣ電圧が充電電圧上限値に達しても、電力変換装置による制御により充電を急停止しないで、徐々に充電電流を減少させるため、回生電力によるき電電圧上昇を緩和することができるとともに、電気車側の回生絞り動作にも余裕ができるようになり、しかも、き電線過電圧故障の発生を防止することができるようになる。

また、本発明によれば、上記と同様の制御で充電電圧上限値に限りなく近くまで充電することができるとともに、より多くの電気エネルギーが充電できるようになり、抵抗などに無駄に消費する電力が無くなる利点がある。

さらに、本発明によれば、ＥＤＬＣ電圧が高くなってから、ＥＤＬＣへの充電電流絞りを動作させることができるために、電気エネルギーを無駄なく充電できるようになる。

さらにまた、本発明によれば、ＥＤＬＣが経年変化などで内部抵抗値が変化しても、充電電流絞りを内部抵抗値の変化に合わせて変更することなくＥＤＬＣに充電電圧上限値まで充電可能とすることができる等の利点が得られる。

上記の他、本発明によれば、ＥＤＬＣが満充電に近づいた場合、ＥＤＬＣが過電圧にならないように充電を終了させる際、充電電流を絞るための演算にＥＤＬＣ電圧のみを利用して充電電流を減少させる制御を行って、演算要素・演算回数・使用メモリ量を削減できる利点が得られる。

図１は、本発明の実施例１で使用される充電電流絞りを採用した回生電力吸収制御ブロック構成図である。 図２は、実施例１で使用されるＥＤＬＣ内部抵抗による電圧降下分を考慮したフィルタ特性図である。 図３は、図２のフィルタ特性を具体的な数値を用いて説明する図である。 図４は、実施例１で使用されるフィルタでの動作例を示すシミュレーション結果の説明図である。 図５は、本発明の実施例２で使用されるＥＤＬＣ電圧のみで充電電流絞りを行う、き電電圧一定制御での回生電力吸収制御ブロック構成図である。 図６は、本発明の実施例３で使用されるＥＤＬＣ電圧のみで充電電流絞りを行う、定電流制御での回生電力吸収制御ブロック構成図である。 図7は、ＥＤＬＣ電圧のみでの電流絞りを述べる説明図である。 図８は、シミュレーションき電電圧一定制御におけるＩｅｄｌｃ（ＥＤＬＣ充電電流値）−Ｖｅｄｌｃ（ＥＤＬＣ電圧値）軌跡を示す説明図である。 図９は、従来の第２方式における動作例で、図４と同じ回生電力の場合に、回生絞りが動作してしまう例の説明図である。 図１０は、ＥＤＬＣのみを用いて回生電力を充電する概略構成図である。 図１１は、ＥＤＬＣと抵抗を用いて回生電力を充電する概略構成図である。 図１２は、従来の回生電力吸収制御ブロック構成図である。 図１３は、従来のＥＤＬＣ電圧フィルタを用いた充電電流絞り採用の回生電力吸収制御ブロック構成図である。 図１４は、従来のＥＤＬＣ電圧によるフィルタ特性図である。 図１５は、ＥＤＬＣの等価回路図である。 図１６は、充電電流停止によるＥＤＬＣ電圧の低下を説明する図である。 図１７は、従来のＥＤＬＣ電圧フィルタにおける内部抵抗値が設定より大きくなった場合の動作例を示す説明図である。 図１８は、従来のＥＤＬＣ電圧フィルタで振動が発生したシミュレーション結果の説明図である。 図１９は、実施例１のフィルタを使用したときの動作例を示すシミュレーション結果の説明図である。 図２０は、図１９において、ＥＤＬＣの内部抵抗が設計時の２倍になったときのシミュレーション結果の説明図である。

以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例１で使用される充電電流絞りを採用した回生電力吸収制御の制御ブロック構成図で、図１２，図１３と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１において、図１０に示すき電電圧検出器１１で検出されたき電電圧検出値（以下き電圧）とき電基準電圧値との偏差を偏差部２１で求め、その偏差部２１の偏差出力を規格化演算部２２に入力して、この規格演算部２２で入力された値を定格値で割り算して規格演算出力値（例えば、定格電圧２０００Ｖで、入力電圧１０００Ｖの場合、規格演算出力値として０．５となる。）得る。この出力値は、ＰＩアンプ２３に入力されて、出力に電流指令値を得る。この電流指令値は、リミッタ２４に入力されて「０〜１」に制限処理される。

このリミッタ２４により制限処理された電流指令値と図２に示すＥＤＬＣの内部抵抗値を考慮して電流指令値を絞るフィルタ３４により絞られた新たな電流指令値とを比較器３２により比較して、小さい方の電流指令値を充電電流指令値として出力する。

比較器３２から出力された充電電流指令値とＥＤＬＣの充電電流検出値（図１０，図１１に示すＥＤＬＣ電流検出器１２で検出）との偏差を偏差部２５で求め、その偏差出力が、ＰＩアンプ２６に供給され、ＰＩアンプ２６により双方向チョッパ手段６のデューティを決めるＰＩ制御出力を送出する。

ＰＩアンプ２６から送出されたＰＩ制御出力は、リミッタ２７で「０〜１」に制限処理されて双方向チョッパ手段６のデューティ比を制御するＤＵＴＹアンプ２８に入力される。このＤＵＴＹアンプ２８から出力されるデューティ比に見合ったＰＷＭ信号をＣＭＰ生成部２９で生成する。

３０はＡＮＤ回路部で、このＡＮＤ回路部３０には、回生電力が発生したときに図示しないシステムなどから送出される充電許可条件信号とゲート許可条件信号（充放電許可モード）が供給され、これら充電許可条件信号とゲート許可条件信号が満たされたとき、そのＡＮＤ回路部３０から出力信号が、ＡＮＤ回路部３１の第１入力端子に供給される。また、ＣＭＰ生成部２９で生成されたＰＷＭ信号がＡＮＤ回路部３１の第２入力端子に供給される。これら両入力端子に信号が供給された時に、ＡＮＤ回路部３１の出力からは、図１０、図１１に示す双方向チョッパ手段６にゲート信号が与えられて、双方向チョッパ手段６の半導体スイッチング６ａ，６ｂが制御される。

図２は、上記実施例１で使用されるＥＤＬＣの内部抵抗による電圧降下分を考慮して電流指令値を絞るフィルタ３４のフィルタ特性図で、このフィルタ３４は、ＥＤＬＣ電流検出器１２（図１０、図１１に示す）で計測されたＥＤＬＣ充電電流値ｉ_EDLC（測定）と、ＥＤＬＣ電圧検出器１３（図１０、図１１に示す）で計測されたＥＤＬＣ電圧値Ｖ_EDLC（測定）、および既知のＥＤＬＣ最大充電電圧値Ｖ_EDLC（充電上限）とＥＤＬＣ内部抵抗値Ｒ_EDLC（内部）から、その時点での最大充電電流値ｉ_filterを次式により求めることにより構成される。

なお、最大充電電流値ｉ_filterは、ＥＤＬＣへの充電電流が最大電流以下になるようにリミッタを掛ける。

また、図２に示すフィルタ特性において、網線を施した部分は、電流指令値の絞りがかかる範囲である。

次に、図２のフィルタ特性の動作を図３に示す具体的な数値を用いて述べる。

図３において、ＥＤＬＣ電圧（以下Ｖｅｄｌｃ）［計測値］＝８５０Ｖ、ＥＤＬＣ電流＝１８００Ａの場合、
Ｖｅｄｌｃ［電流無し］＝Ｖｅｄｌｃ［計測］−０．１Ω×１８００Ａ＝６７０Ｖ
このときＥＤＬＣの内部抵抗値が０．１Ωであるとすると、（１０００Ｖ−６７０Ｖ）／０．１Ω＝３３００Ａまで充電しても、ＥＤＬＣ電圧が１０００Ｖを超えないことが推測できる。

この値をＥＤＬＣの基準値２０００Ａで規格化したものがフィルタ出力αである。

α＝｛１８００＋（１０００−８５０）／０．１｝／２０００＝｛１８００＋１５００｝／３３００＝１．６５
上記のようにして求められたαは、「１．６５」であるが、αの最大値は「１」であるからα＝１となる。

次に、Ｖｅｄｌｃ［計測値］＝１０２０Ｖ，ＥＤＬＣ電流８００Ａの場合
Ｖｅｄｌｃ［電流無し］＝９４０Ｖ、内部抵抗０．１×ＥＤＬＣ電流＝８０Ｖ
このときα＝｛８００＋（１０００−１０２０）／０．１｝／２０００＝６００／２０００＝０．３
上記からＥＤＬＣ電流の上限は６００Ａとなり、αは「０．３」となる。

更に、Ｖｅｄｌｃ［計測値］＝９５０Ｖ、ＥＤＬＣ電流＝４００Ａの場合
Ｖｅｄｌｃ［電流無し］＝９１０Ｖ、内部抵抗０．１×ＥＤＬＣ電流＝４０Ｖ
このときα＝｛４００＋（１０００−９５０）／０．１｝／２０００＝９００／２０００＝０．４５
上記からＥＤＬＣ電流の上限は９００Ａとなり、αは「０．４５」となる。

上記のようなフィルタ出力α特性を用いて、現在のＥＤＬＣ電圧とＥＤＬＣ電流から現在のＶｅｄｌｃ［電流無し］を推定し、充電電流の上限を求める。なお、フィルタ出力αは、次式から求める。

但し、Ｉｅｄｌｃ：計測されたＥＤＬＣ充電電流値、Ｖｅｄｌｃ［計測値］：計測されたＥＤＬＣ電圧値、Ｖｅｄｌｃ充電上限値：ＥＤＬＣ最大充電電圧値、Ｒｅｄｌｃ：ＥＤＬＣ内部抵抗値、Ｉｅｄｌｃ ｍａｘ：ＥＤＬＣ最大充電電流値である。

上記実施例１における充電制御方法は、満充電に近づいてもチョッパ制御に変更を加えないで行う。すなわち、電流指令値の上限をＥＤＬＣ電圧値［電流無し］を推定することで回生電力を絞る動作であり、Ｖｅｄｌｃ［計測値］が満充電に”遠い”場合は上限＝１、近くなると前記計算式で求めた値が働いてきて、Ｖｅｄｌｃ［計測値］が満充電近くになっても、チョッパの急激な停止制御を行わないようにゲート信号を送出する。

なお、本発明の実施例１では、次のような作用効果が得られる。
（ａ）ＥＤＬＣ電圧値が充電電圧上限値近くになっても充電を急停止しないで、徐々に充電電流を減少させるようにしたため、回生電力によるき電電圧の上昇を緩和させることができ、き電線が過電圧となることを防止することができる。
（ｂ）充電電圧上限値に限りなく近くまでＥＤＬＣ電圧値を充電できるために、エネルギー効率が上昇する。
（ｃ）図１９に示すように、ＥＤＬＣ電圧値が高くなってからＥＤＬＣ充電電流絞りを動作させるようにしたので、上記と同様にエネルギー効率が向上する。

本発明の実施例１におけるフィルタを使用したシミュレーション結果の動作例として、図２０に示すように、ＥＤＬＣの内部抵抗値が設計時の２倍に増加しても、絞りフィルタの修正は不要で、しかも充電絞りの動作も、充電開始から数秒程度（動作例では６〜７秒）経過してからとなり、従来のＥＤＬＣ電圧フィルタを使用した場合よりは長く回生電力を吸収する動作を行うことができる。

さらに、図４は実施例１の電圧降下分を考慮したフィルタを使用した充電シミュレーション結果の動作例で、充電シミュレーションの条件としては、ＥＤＬＣ電圧の充電電圧上限値：１２５０Ｖ、ＥＤＬＣ過電圧値：１４００Ｖ、き電線無負荷電圧値：１６５０Ｖ、き電線過電圧値：１９００Ｖ、ＥＤＬＣ最大電流２０００Ａ、シミュレーション時間１５秒相当（１５０，０００サンプル）、回生電流は、回生開始１．５秒で１０００Ａとなり、５秒継続後６秒かけて「０」Ａとなるものを用いている。

上記条件における動作例は、回生電力をＥＤＬＣに適用した、き電線電圧補償装置のみで吸収（回生絞りは不動作）したケースである。これに対して、図９は、従来の第２方式における動作例で、図４と同じ回生電力の場合には、回生絞りが動作してしまう例を示すもので、図９における絞り開始は、充電電圧上限値Ｖｅｄｌｃの８０％である。
（ｄ）ＥＤＬＣの内部抵抗が経年変化などで増加しても、充電電流絞りを、変更しなくて動作可能である。

この結果、ＥＤＬＣの内部抵抗が仮に２倍に増加しても、図２０に示すように安定して動作を行うことができる。

図５は、本発明の実施例２を示すき電電圧一定制御での回生電力吸収制御ブロック構成図で、この実施例２はき電電圧一定制御にてＥＤＬＣが満充電に近づいた場合、ＥＤＬＣ電圧Ｖｅｄｌｃのみで充電電流を減少させる方式である。なお、図５において、図１、図１２、図１３と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５において、図示破線で囲んだき電電圧一定制御部２０は、き電電圧検出値とき電基準電圧値との偏差を求める偏差部２１と、偏差出力を定格値で割り算して規格演算出力値を得る規格化演算部２２と、この出力値から電流指令値を得るＰＩアンプ２３と、この電流指令値を制限処理するリミッタ２４とで構成される。そして、リミッタ２４の出力には、き電電圧一定制御部２０による電流指令値が送出される。なお、このき電電圧一定制御部２０の出力値を第１電流指令値Ａとする。

図中符号５０はＥＤＬＣ電圧による電流絞り部で、この電流絞り部５０は、ＥＤＬＣ電圧Ｖｅｄｌｃが電流絞り開始電圧Ｖｆｕ１を超えて電流絞りの状態であるか判定出力Ｂ（後述するがＢ＝１は絞り動作中、Ｂ＝０は絞り不動作である。）を出力する判定器５１と、ＥＤＬＣ電圧ＶｅｄｌｃとＥＤＬＣ基準電圧Ｖｆｕとの偏差出力を求める偏差部５２と、求めた偏差出力が入力され、出力に演算出力値を得る規格演算部５３と、得られた出力値から第２電流指令値Ｄを得るＰＩアンプ５４と、サンプルホールド器５５からの出力と第１電流指令値Ａとが与えられる選択器５６と、選択器５６の出力値Ｃと前記第２電流指令値Ｄとの偏差を取る偏差部５７とから構成されている。

この電流絞り部５０からの出力値（偏差部５７からの出力値）は、比較器３２の一方の端子に供給され、また、比較器３２の他方の端子には、リミッタ２４により制限処理された第１電流指令値Ａが供給されて両者は比較され、比較器３２は両者の値の内、小さい方の値を充電電流指令値として送出する。その後の処理は、実施例１の動作と同様に行われる。

上記のように構成された実施例２において、ＥＤＬＣ電圧Ｖｅｄｌｃが電流絞り開始電圧Ｖｆｕ１を超えた場合、電流絞り動作が開始される。

なお、電流絞り終了の条件は、次の（１）から（３）の３つである。
（１）図７に示す電流絞り終了電圧Ｖｆｕ２を下回った場合、
（２）き電電圧一定制御による指令値が電流指令値を下回った場合（比較器３２の出力）、
（３）電力貯蔵装置の蓄電媒体であるＥＤＬＣが満充電であると判断した場合（充電中止となるので、電流絞りは終了となる。）である。

次に、上記実施例２のき電電圧一定制御部２０と電流絞り部５０との動作について述べる。上述したように、制御部２０の出力を第１電流指令値Ａとし、判定器５１の出力をＥＤＬＣ電圧が電流絞り開始電圧Ｖｆｕ１を超えているのか電流絞りの状態の判定出力Ｂが、判定器５１が「Ｖｅｄｌｃ＞Ｖｆｕ１（電流絞り開始電圧）」であると判定したとき、判定出力Ｂは「１」となってＰＩアンプ５４を電流絞り動作中とし、判定器５１が「Ｖｅｄｌｃ＜Ｖｆｕ２（電流絞り終了電圧）」であると判定したとき、判定出力Ｂは「０」となってＰＩアンプ５４の電流絞り動作を終了（絞り不動作）する。但し、Ｖｆｕ１≧Ｖｆｕ２である。

また、ＥＤＬＣ電圧による電流絞り部５０での選択器５６の出力を「Ｃ」とすると、判定出力Ｂ「０」の時は、選択器５６は入力１を選択するように構成されているので、出力は「Ｃ＝第１電流指令値Ａ」となる。その後、判定出力Ｂが「０→１」へ変化した場合、選択器５６は入力２を選択し、選択器５６の出力は、判定出力Ｂが「０→１」へ変化したときの「Ｃ」の値の瞬間値をサンプルホールド器５５で保持し、選択器５６の出力は「Ｃ」の値を保持する。

さらに、ＥＤＬＣ電圧による電流絞り部５０でのＰＩアンプ５４の出力を第２電流指令値Ｄとすると、この第２電流指令値Ｄが偏差部５７にて選択器５６から出力される「Ｃ」の値との偏差が取られて、偏差出力が比較器３２に供給され、この第２電流指令値Ｄにて電流絞り動作が行われる。この第２電流指令値Ｄを次式に示す。なお、第２電流指令値Ｄは、ＥＤＬＣ電圧Ｖｅｄｌｃが、電流絞り開始電圧Ｖｆｕ１を目標にＰＩ（比例積分）制御するように出力する電流指令値である。

Ｄ＝ｋｐ^*（Ｖｅｄｌｃ−Ｖｆｕ１）＋ｋｉ^*∫（Ｖｅｄｌｃ−Ｖｆｕ１）ｄｔ
但し、これは判定出力Ｂが「１」の期間のみである。

図６は、本発明の実施例３を示す定電流制御での回生電力吸収制御ブロック構成図で、この実施例３は定電流制御にてＥＤＬＣが満充電に近づいた場合、ＥＤＬＣ電圧Ｖｅｄｌｃのみで充電電流を減少させる方式である。なお、図６において、図１、図５、図１２、図１３と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示す実施例３において、電流一定制御部６５は、一定電流指令部からの定電流指令値が与えられるリミッタ２４から構成される。そして、リミッタ２４の出力には、電流一定制御部６５による電流指令値が送出される。なお、この電流一定制御部６５の出力値を第１電流指令値Ａとする。

定電流制御の場合は、第１電流指令値Ａと実施例２における選択器５６の出力値Ｃとは、同じ値となるため、この実施例３では、実施例２におけるサンプルホールド器５５と選択器５６を省いている。

図中符号６６は、ＥＤＬＣ電圧による電流絞り部で、この電流絞り部６６は、実施例２の構成と同様に判定器５１、偏差部５２、規格演算部５３やＰＩアンプ５４が設けられるとともに、ＰＩアンプ５４から得られた第２電流指令値Ｄと前記第１電流指令値Ａとの偏差を取る偏差部６７が設けられる。なお、判定器５１等の動作は、実施例２と同様に行われる。

電流絞り部６６からの出力値（偏差部６７からの出力値）は、比較器３２の一方の端子に供給され、また、比較器３２の他方の端子には、リミッタ２４からの第１電流指令値Ａが供給されて両者は比較され、比較器３２は両者の値の内、小さい方の値を充電電流指令値として送出する。その後の処理は、実施例１の動作と同様に行われる。

図７はＥＤＬＣ電圧のみでの電流絞り動作説明図で、図中網線部分は電流絞りがかかる範囲、また、Ｖｆｕ１は電流絞り開始電圧、Ｖｆｕ２は電流絞り終了電圧である。

図８は、実施例２におけるシミュレーションき電電圧一定制御Ｉｅｄｌｃ−Ｖｅｄｌｃ軌跡を描いた図で、図中ＳＴは電流絞り開始電圧、ＣＶは充電上限電圧、ＳＰは電流絞り終了電圧を示す。この図８からＥＤＬＣ電圧のみによる電流絞りで、充電上限電圧ＣＶまでＥＤＬＣ電圧が、低下することが確認できた。

１…き電線
６…双方向チョッパ手段
８…電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）
１０…き電電流検出部
１１…き電電圧検出部
１２…ＥＤＬＣ電流検出部
１３…ＥＤＬＣ電圧検出部
２１…偏差部
２２…規格化演算部
２３…ＰＩアンプ
２４…リミッタ
３２…比較器
３４…ＥＤＬＣの内部抵抗による電圧降下分を考慮したフィルタ

Claims (5)

1. 電気鉄道における電気車の回生、力行時に発生するき電電圧の変動を抑えて、き電電圧の安定化を図るき電線電圧補償装置を設け、このき電線電圧補償装置は、電力変換装置と電力貯蔵装置から構成され、前記電力変換装置には双方向チョッパ手段を設け、前記電力貯蔵装置には電気二重層キャパシタを設けて、前記双方向チョッパ手段の制御により、電気車からの回生電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電制御方法において、
   き電電圧検出値とき電基準電圧値との第１偏差を求めた後、この第１偏差の出力をＰＩ制御して第１電流指令値を得、
   前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値と充電電圧検出値および既知の電気二重層キャパシタの充電電圧上限値とその内部抵抗値から前記充電電圧上限値以下となるその時点での最大充電電流値を求め、前記最大充電電流値が前記電気二重層キャパシタの充電電流上限値以上ならその充電電流上限値を、以下の場合にはその時点での前記最大充電電流値を第２電流指令値とするフィルタを用いて送出し、
   前記第１電流指令値と前記フィルタを通して得られた前記第２電流指令値とを比較した後、第１、第２電流指令値の内、小さい方の電流指令値を充電電流指令値として得た後、
   この充電電流指令値と前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値との第２偏差の出力をＰＩ制御し、そのＰＩ制御出力に基づいた前記双方向チョッパ手段のゲート信号を生成し、生成されたゲート信号により前記双方向チョッパ手段のゲート制御を行って、前記電気車の回生電力を吸収するようにしたことを特徴とする電気鉄道用き電線電圧補償装置における充電制御方法。
2. 前記最大充電電流値は、下記式により求めることを特徴とする請求項１記載の電気鉄道用き電線電圧補償装置における充電制御方法。
   

   
3. 電気鉄道における電気車の回生、力行時に発生するき電電圧の変動を抑えて、き電電圧の安定化を図るき電線電圧補償装置を設け、このき電線電圧補償装置は、電力変換装置と電力貯蔵装置から構成され、前記電力変換装置には双方向チョッパ手段を設け、前記電力貯蔵装置には電気二重層キャパシタを設けて、前記双方向チョッパ手段の制御により、電気車からの回生電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電制御方法において、
   き電電圧検出値とき電基準電圧値との第１偏差を求めた後、この第１偏差の出力をＰＩ制御して第１電流指令値を得、
   前記電気二重層キャパシタの充電電圧検出値とその基準電圧値との第２偏差を求め、電気二重層キャパシタの充電電圧検出値が電流絞り開始電圧を超えたときに、第２偏差の出力をＰＩ制御して得られた電気二重層キャパシタ電圧による電流絞り値を得、この電流絞り値と前記第１電流指令値との第３偏差を求めて得られた値を第２電流指令値とし、
   前記第１電流指令値と第２電流指令値とを比較した後、第１、第２電流指令値の内、小さい方の電流指令値を充電電流指令値として得た後、
   この充電電流指令値と前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値との第４偏差の出力をＰＩ制御し、そのＰＩ制御出力に基づいた前記双方向チョッパ手段のゲート信号を生成し、生成されたゲート信号により前記双方向チョッパ手段のゲート制御を行って、前記電気車の回生電力を吸収するようにしたことを特徴とする電気鉄道用き電線電圧補償装置における充電制御方法。
4. 前記第２電流指令値は、電気二重層キャパシタが過電圧にならないように電流絞り値を制御することを特徴とする請求項３記載の電気鉄道用き電線電圧補償装置における充電制御方法。
5. 電気鉄道における電気車の回生、力行時に発生するき電電圧の変動を抑えて、き電電圧の安定化を図るき電線電圧補償装置を設け、このき電線電圧補償装置は、電力変換装置と電力貯蔵装置から構成され、前記電力変換装置には双方向チョッパ手段を設け、前記電力貯蔵装置には電気二重層キャパシタを設けて、前記双方向チョッパ手段の制御により、電気車からの回生電力を前記電気二重層キャパシタに充電する充電制御方法において、
   一定電流指令部の定電流指令値を第１電流指令値として得、
   電気二重層キャパシタの充電電圧検出値とその基準電圧値との第１偏差を求め、電気二重層キャパシタの充電電圧検出値が電流絞り開始電圧を超えたときに、第１偏差の出力をＰＩ制御して得られた電気二重層キャパシタ電圧による電流絞り値と前記第１電流指令基準値との第２偏差を求めて得られた値を第２電流指令値とし、
   前記第１電流指令値と第２電流指令値とを比較した後、両指令値の内、小さい方の指令値を充電電流指令値として得た後、
   この充電電流指令値と前記電気二重層キャパシタの充電電流検出値との第３偏差の出力をＰＩ制御し、そのＰＩ制御出力に基づいた前記双方向チョッパ手段のゲート信号を生成し、生成されたゲート信号により前記双方向チョッパ手段のゲート制御を行って、前記電気車の回生電力を吸収するようにしたことを特徴とする電気鉄道用き電線電圧補償装置における充電制御方法。

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