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JP2001260718A - 電鉄用直流電力供給設備 - Google Patents

電鉄用直流電力供給設備

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Publication number
JP2001260718A
JP2001260718A JP2000073282A JP2000073282A JP2001260718A JP 2001260718 A JP2001260718 A JP 2001260718A JP 2000073282 A JP2000073282 A JP 2000073282A JP 2000073282 A JP2000073282 A JP 2000073282A JP 2001260718 A JP2001260718 A JP 2001260718A
Authority
JP
Japan
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storage device
layer capacitor
double layer
power
electric double
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000073282A
Other languages
English (en)
Inventor
Yoshifumi Mochinaga
芳文 持永
Yoshinobu Nakamichi
好信 中道
Shinichi Hase
伸一 長谷
Tadashi Kamimura
正 上村
Hideo Watanabe
秀夫 渡辺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meidensha Corp
Railway Technical Research Institute
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Railway Technical Research Institute
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Meidensha Corp, Railway Technical Research Institute, Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd filed Critical Meidensha Corp
Priority to JP2000073282A priority Critical patent/JP2001260718A/ja
Publication of JP2001260718A publication Critical patent/JP2001260718A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギー蓄積装置として、蓄電池を使用す
ると急速充放電ができない。また、電気二重層キャパシ
タを使用すると大容量の充放電ができない。 【解決手段】 電力蓄積装置として蓄電池１１と電気二
重層キャパシタ１２を併設する。コントローラ１３はス
イッチ回路１３Ａ，１３Ｂによって蓄電池と電気二重層
キャパシタの充放電を個別に制御すると共に解列ができ
るようにし、昇降圧チョッパ１３Ｃによってき電線との
間の充放電を制御する。コントローラは、蓄電池と電気
二重層キャパシタに個別に設け、個別の充放電制御を行
う構成も含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギー蓄積装
置を設けた電鉄用直流電力供給設備に係り、特にエネル
ギー蓄積装置の電力蓄積装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電鉄用電力供給設備は、主な負荷が電気
車になるため、他の一般の配電系統負荷とは電力供給能
力として特異なものが要求される。
【０００３】（１）急激な負荷変動に追従可能であるこ
と。すなわち、電気鉄道の負荷である電気車は、複数台
がランダムに加速・定速・減速・停止等の運転状態変化
をしており、急激に変動する負荷に対して応答性よく電
力を供給できる設備が要求される。
【０００４】（２）長時間にわたって安定した電力供給
が可能であること。すなわち、電気車には、特急電車な
ど長距離をノンストップ運転するものが含まれ、その運
転時間にわたって安定した電力供給能力が要求される。
【０００５】（３）負荷の平準化が望まれる。すなわ
ち、急激な負荷変動は変電所からみて負荷の急変を伴
う。また、電気車の運転台数は朝夕のラッシュ時に運転
本数が多く、昼間の閑散時間帯では運転本数が少なくな
る。これら負荷の変化に対して変電所側からみて負荷の
平準化が電力変換効率の向上等から要求される。
【０００６】これら要求事項に対応できるものとして、
エネルギー蓄積装置を設ける方法が提案されている。例
えば、蓄電池設備をエネルギー蓄積装置として利用する
試験が、ＪＲ可部線中島駅で昭和５４年から５年間実施
され、その報告書も公表されている。
【０００７】他の方法として、直流き電システムにおい
て、電気車からの回生電力をき電線側に設けたエネルギ
ー蓄積装置に直流電力として回生させるシステムが提案
されている（例えば、特開平１１−９１４１５号公
報）。このエネルギー蓄積装置は、図５に示す構成にさ
れる。整流器１からき電線に直流電力を供給するにおい
て、整流器１の直流側に電流制御回路（昇降圧チョッ
パ）２と直流電力蓄積装置（二次電池、電力用キャパシ
タ、電気二重層キャパシタ）３からなるエネルギー蓄積
装置を設備し、電気車が回生状態にある場合は電流制御
回路２を通して直流電力蓄積装置３を充電し、電気車が
力行状態にある場合は直流電力蓄積装置３から電流制御
回路２を通して放電させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のエネルギー蓄積
装置において、蓄電池や電気二重層キャパシタを電力蓄
積手段としている。
【０００９】蓄電池により電力蓄積する場合、蓄電池は
長時間のエネルギー蓄積および蓄積量に優れた大容量電
力蓄積装置になるが、急速充放電特性で劣り、立ち上が
りの速い回生電力等の充電に遅れが生じたり、電気車の
始動・加速時等の負荷急変に追従した放電に遅れが生
じ、き電線電圧の急変や回生失効を招いてしまう。
【００１０】電気二重層キャパシタにより電力蓄積する
場合、電気二重層キャパシタは急速充放電性能に優れた
高速電力蓄積装置になり、回生車両等からのエネルギー
の吸収や、負荷急変に応動できる。しかし、電気二重層
キャパシタは、蓄電池に比べてエネルギー蓄積量に劣る
し、自然放電量も大きく、長時間にわたる電力蓄積には
適さない。
【００１１】本発明の目的は、急速充放電性能と長時間
の電力蓄積および電力蓄積量に優れる電鉄用直流電力供
給設備を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気二重層キ
ャパシタなどの急速充放電能力をもつ高速電力蓄積装置
と、蓄電池（二次電池）などの長時間の電力蓄積ができ
かつ電力蓄積量の大きい大容量電力蓄積装置とを併設し
たエネルギー蓄積装置とし、充放電初期には高速電力蓄
積装置により急速充放電し、長時間の充放電には大容量
電力蓄積装置により充放電するようにしたもので、以下
の構成を特徴とする。
【００１３】き電線に直流電力を供給する整流器または
順変換器に並列に設けられ、負荷の変化に応じてき電線
からの充電で直流電力を蓄積およびき電線への直流電力
の放電を行うエネルギー蓄積装置を設けた電鉄用直流電
力供給設備において、前記エネルギー蓄積装置は、急速
充放電能力をもつ高速電力蓄積装置と、長期間の電力蓄
積ができかつ電力蓄積量の大きい大容量電力蓄積装置
と、き電線に対する初期の充放電電流は前記高速電力蓄
積装置からの充放電制御で行い、その後の長時間または
大電流の充放電電流は前記大容量電力蓄積装置からの充
放電制御で行うコントローラとを備えたことを特徴とす
る。
【００１４】また、前記コントローラは、前記高速電力
蓄積装置と前記大容量電力蓄積装置との間を解列できる
スイッチ回路を介して両装置の充放電を一括制御する構
成にしたことを特徴とする。
【００１５】また、前記コントローラは、前記高速電力
蓄積装置と前記大容量電力蓄積装置を個別に充放電制御
する構成にしたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
電鉄用電力供給設備であり、エネルギー蓄積装置の主回
路構成図を示す。
【００１７】変電所では従来と同様に、交流電源から整
流器（または順変換器）１０によって定格電圧になる直
流電力に変換してき電線側に供給する。
【００１８】電力蓄積装置は、大容量電力蓄積装置とし
ての蓄電池１１と、高速電力蓄積装置として電気二重層
キャパシタ１２を併設する。これら蓄電池１１及び電気
二重層キャパシタ１２は、入出力コントローラ１３を通
して、さらに高速しゃ断器１４や断路器１５を通してき
電線とレール間に接続される。
【００１９】コントローラ１３は、蓄電池１１側に直列
に設けたスイッチ回路１３Ａと、電気二重層キャパシタ
１２側に直列に設けたスイッチ回路１３Ｂによって、蓄
電池１１と電気二重層キャパシタ１２の併設を可能に
し、これら装置の充放電を一括制御するために、き電線
側との間には、昇降圧チョッパ１３Ｃを設ける。
【００２０】スイッチ回路１３Ａ、１３Ｂは、スイッチ
手段にする半導体スイッチと、これに逆並列接続したダ
イオードで構成する。スイッチ回路１３Ａでは、蓄電池
１１からの放電タイミングを半導体スイッチで制御可能
にし、ダイオードによって任意タイミングでの充電を可
能にする。スイッチ回路１３Ｂでは、電気二重層キャパ
シタ１２への充電タイミングを半導体スイッチで制御可
能にし、ダイオードによって任意タイミングでの放電を
可能にする。
【００２１】これにより、電気二重層キャパシタ１２と
蓄電池１１を直接に並列接続する場合の不都合を解消す
る。
【００２２】すなわち、蓄電池１１は、定電圧電源に近
い特性を呈し、充電量による端子電圧の変化が少ない。
一方、電気二重層キャパシタ１２は、充電量により端子
電圧が変化する。したがって、両者を直接に並列接続す
ると、蓄電池から電気二重層キャパシタに充電電流が流
れ、電気二重層キャパシタは常に蓄電池と同じ電圧にな
る。このとき、電気二重層キャパシタによるき電線との
間の急速充放電は、高い電圧範囲のみで行われ、急速充
放電効果を低下させる。そこで、スイッチ回路１３Ａ，
１３Ｂを設けることで、電気二重層キャパシタを常に蓄
電池電圧よりも低くしておくことで急速充放電効果を高
める。
【００２３】また、電気二重層キャパシタは自然放電量
が大きく、これを蓄電池と並列接続しておくと、蓄電池
に蓄積されたエネルギーが電気二重層キャパシタを通し
て自然放電してしまう。そこで、両者の間にスイッチ回
路１３Ａ，１３Ｂを設けることにより、蓄電池から電気
二重層キャパシタを通した自然放電を防止できるように
する。
【００２４】次に、昇降圧チョッパ１３Ｃは、例えば、
図２に示す構成で実現される。ＩＧＢＴで示す半導体ス
イッチＳＷ１，ＳＷ２を直列接続し、これらスイッチＳ
Ｗ１，ＳＷ２にそれぞれ逆並列にフライホイールダイオ
ードＤ１，Ｄ２を設けて上下アームを構成し、上下アー
ムの接続点から直流リアクトルＬを介して電気二重層キ
ャパシタ１２や蓄電池１１との間を接続する。
【００２５】昇降圧チョッパ１３Ｃによる電気二重層キ
ャパシタ１２等の降圧充電は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２
の両端に印加される直流電圧に対して、スイッチＳＷ１
をチョッパ動作させ、そのオン期間にはスイッチＳＷ１
からリアクトルＬを通して電気二重層キャパシタ１２等
に充電電流を供給し、そのオフ期間にはリアクトルＬの
電流エネルギーを電気二重層キャパシタ１２→ダイオー
ドＤ２の経路で電気二重層キャパシタ１２等に充電電流
を供給する。
【００２６】昇降圧チョッパ１３Ｃを通した電気二重層
キャパシタ１２等からの昇圧放電は、スイッチＳＷ２を
チョッパ動作させ、そのオン期間には電気二重層キャパ
シタ１２等からリアクトルＬに短絡電流を流すことでリ
アクトルＬに電流エネルギーを蓄積し、そのオフ期間に
リアクトルＬからダイオードＤ１を通してき電線側に放
電する。
【００２７】昇降圧チョッパ１３Ｃの高圧側に設けるコ
ンデンサＣとリアクトルＤＣＬは、電気二重層キャパシ
タ１２等から昇降圧チョッパ１３Ｂを通した充放電電流
に含まれる高調波（チョッパ動作による高調波）を抑制
するためのものである。この高調波抑制は、沿線の通信
障害や鉄道信号機器への障害および車内ラジオ等への障
害を防止する。
【００２８】以上までの構成によるエネルギー蓄積制御
は、コントローラ１３によりなされ、電気車からの回生
電力等でき電線電圧が一定値（充電開始電圧）以上にな
ったことを検出したときに昇降圧チョッパ１３Ｃを充電
制御する。この充電制御の初期には、スイッチ回路１３
Ｂのスイッチをオンさせ、電気二重層キャパシタ１２に
よる急速充電を得、この急速充電で電気二重層キャパシ
タ１２が蓄電池電圧程度まで上昇したときにスイッチ回
路１３Ａのダイオードが導通し、その後の大きな充電電
流を蓄電池１１側に流す。このとき、スイッチ回路１３
Ｂの半導体スイッチは強制オフになる。
【００２９】逆に、コントローラ１３は、き電線電圧が
一定値（放電開始電圧）以下になったことを検出したと
きに昇降圧チョッパ１３Ｃを放電制御する。この放電制
御の初期には、電気二重層キャパシタ１２からスイッチ
回路１３Ｂのダイオードを通して急速放電を得、この急
速放電で電気二重層キャパシタ１２がある程度の電圧ま
で下降したときにスイッチ回路１３Ａの半導体スイッチ
をオンさせ、蓄電池１１から大きな放電電流を供給す
る。
【００３０】したがって、エネルギー蓄積装置によるき
電線への充放電は、図３に示すようになり、充電電流及
び放電電流の初期には電気二重層キャパシタ１２による
高速充放電電流（斜線部分）を流し、その後の長い時間
の充放電には蓄電池１１による充放電になる。
【００３１】これにより、電気二重層キャパシタ１２と
蓄電池１１の併設にも電気二重層キャパシタは充電時に
は蓄電池よりも低い電圧にしておき、この電圧から蓄電
池電圧程度までの急速充電を行うことができる。また、
電気二重層キャパシタからの放電時には蓄電池電圧程度
の電圧から蓄電池電圧よりも十分に低い電圧まで放電さ
せることができる。これら広い電圧範囲による充放電に
より、急速充放電効果を高めることができる。
【００３２】また、蓄電池１１から電気二重層キャパシ
タ１２への放電は、スイッチ回路１３Ａ，１３Ｂで阻止
することができ、蓄電池１１から電気二重層キャパシタ
１２側への自然放電を防止できる。
【００３３】図４は、本発明の他の実施形態を示す。同
図は、蓄電池１１と電気二重層キャパシタ１２にそれぞ
れ専用のコントローラ１６Ａ，１６Ｂを設けて併設する
場合である。コントローラ１６Ａ，１６Ｂは、例えば図
２で示す昇降圧チョッパ１３Ｃとその制御装置を設け
る。
【００３４】本実施形態では、蓄電池１１と電気二重層
キャパシタ１２をコントローラ１６Ａ，１６Ｂで個別に
充放電制御できるため、蓄電池１１から電気二重層キャ
パシタへの自然放電を防止し、しかも急速充放電機能と
長期間充放電機能を持たせることができる。さらに、蓄
電池１１の電圧と電気二重層キャパシタの電圧を独立さ
せた制御ができ、電気二重層キャパシタの急速充放電効
果を一層高めることができる。なお、スイッチ回路１３
Ａ，１３Ｂとその制御回路は不要になる。
【００３５】以上までの実施形態において、急速充放電
を得る高速電力蓄積装置として電気二重層キャパシタの
場合を示すが、これは電力用キャパシタとすることがで
きる。長期間の大電流の充放電を得る大容量電力蓄積装
置として蓄電池の場合を示すが、これは蓄電池のみで構
成するに限らず、燃料電池等を併設する構成にできる。
【００３６】また、本実施形態では、エネルギー蓄積装
置を設けることから、従来と同様に、閑散線区のき電シ
ステムでの負荷の平準化対策としても有効となるのは勿
論である。すなわち、閑散時間帯または夜間に蓄電池の
充電を行い、ラッシュ時間帯に蓄電池から放電すること
で時間帯の負荷平準化を行う。また、特急電車の休止時
間帯には蓄電池の充電を行い、特急電車の運転時間帯に
は蓄電池から放電することで負荷時間帯の平準化を行
う。
【００３７】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、充放電
初期には高速電力蓄積装置により急速充放電し、長時間
の充放電には大容量電力蓄積装置により充放電するよう
にしたため、電気車の始動・回生時等による負荷急変に
追従した充放電ができると共に、特急電車の運転時間帯
などにおける負荷平準化した電力供給ができる。
【００３８】また、蓄電池と電気二重層キャパシタの併
設にも、スイッチ回路をもつコントローラや個別のコン
トローラを設けることにより、電気二重層キャパシタに
よる自然放電を起こすことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す主回路構成図。
【図２】実施形態における昇降圧チョッパの回路例。
【図３】実施形態における充放電電流の波形図。
【図４】他の実施形態を示す回路構成図。
【図５】エネルギー蓄積装置の概略構成図。
【符号の説明】
１０…整流器 １１…蓄電池 １２…電気二重層キャパシタ １３、１６Ａ、１６Ｂ…コントローラ １３Ａ、１３Ｂ…スイッチ回路 １３Ｃ…昇降圧チョッパ
フロントページの続き (72)発明者 中道 好信 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 長谷 伸一 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 上村 正 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内 (72)発明者 渡辺 秀夫 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内 Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA04 CC02 DA07 DA15 FA08

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 き電線に直流電力を供給する整流器また
    は順変換器に並列に設けられ、負荷の変化に応じてき電
    線からの充電で直流電力を蓄積およびき電線への直流電
    力の放電を行うエネルギー蓄積装置を設けた電鉄用直流
    電力供給設備において、 前記エネルギー蓄積装置は、 急速充放電能力をもつ高速電力蓄積装置と、 長期間の電力蓄積ができかつ電力蓄積量の大きい大容量
    電力蓄積装置と、 き電線に対する初期の充放電電流は前記高速電力蓄積装
    置からの充放電制御で行い、その後の長時間または大電
    流の充放電電流は前記大容量電力蓄積装置からの充放電
    制御で行うコントローラとを備えたことを特徴とする電
    鉄用直流電力供給設備。
  2. 【請求項２】 前記コントローラは、前記高速電力蓄積
    装置と前記大容量電力蓄積装置との間を解列できるスイ
    ッチ回路を介して両装置の充放電を一括制御する構成に
    したことを特徴とする請求項１に記載の電鉄用直流電力
    供給設備。
  3. 【請求項３】 前記コントローラは、前記高速電力蓄積
    装置と前記大容量電力蓄積装置を個別に充放電制御する
    構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の電鉄用直
    流電力供給設備。
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