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公開番号2024087548
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-01
出願番号2022202432
出願日2022-12-19
発明の名称鉄道システム、電力変換装置、運行管理装置、鉄道システムの制御方法
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人サンネクスト国際特許事務所
主分類B60L 7/14 20060101AFI20240624BHJP(車両一般)
要約【課題】制御系の安定性を向上しつつ、より大きな回生エネルギーを得ることが可能な鉄道システムを実現する。
【解決手段】鉄道システムにおいて、運行管理装置20は、車両制御装置11から送信される鉄道車両3の運行状態に関する車両情報を受信するとともに、車両情報に基づく所定の判断処理を行ってその判断結果を車両制御装置11に送信する。電力変換装置10は、回生運転時の制御安定性を重視した制御パタンと、回生運転時に得られる回生エネルギーを重視した制御パタンと、を有する。車両制御装置11は、運行管理装置20から送信された判断結果に基づいて制御パタンを選択する。電力変換装置10は、車両制御装置11により選択されたいずれかの制御パタンを用いて電動機5を制御する。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
電動機を有する鉄道車両に搭載され、前記鉄道車両の力行運転時には直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力することで前記電動機を駆動させ、前記鉄道車両の回生運転時には前記電動機が発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、
前記鉄道車両と遠隔で情報を送受信し、所望の路線に係る鉄道車両の運行を管理する運行管理装置と、
を有する鉄道システムであって、
前記運行管理装置は、前記鉄道車両から遠隔で送信される前記鉄道車両の運行状態に関する車両情報を受信するとともに、前記車両情報に基づく所定の判断処理を行ってその判断結果を前記鉄道車両に送信し、
前記電力変換装置は、前記回生運転時の制御安定性を重視した第１の制御パタンと、前記回生運転時に得られる回生エネルギーを重視した第２の制御パタンと、を有し、
前記運行管理装置から遠隔で送信された前記判断結果に基づいて前記第１の制御パタンまたは前記第２の制御パタンを用いて前記電動機を制御する
ことを特徴とする鉄道システム。
続きを表示（約 1,900 文字）【請求項２】
請求項１に記載の鉄道システムにおいて、
前記電力変換装置は、複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子と並列に接続されたフィルタキャパシタと、を備え、
前記第１の制御パタンと前記第２の制御パタンとは、前記フィルタキャパシタの電圧に対する前記電動機のｑ軸電流を減少させる傾きが異なる
ことを特徴とする鉄道システム。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の鉄道システムにおいて、
前記運行管理装置は、所定の範囲内における前記鉄道車両の数又は密度を計算し、前記数又は密度の計算結果に基づいて前記判断処理を行う
ことを特徴とする鉄道システム。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道システムにおいて、
前記運行管理装置は、前記鉄道車両の運行ダイヤに基づいて前記鉄道車両の数又は密度を計算する
ことを特徴とする鉄道システム。
【請求項５】
請求項１又は２のいずれかに記載の鉄道システムにおいて、
前記運行管理装置は、前記鉄道車両に前記直流電力を供給する直流架線に接続された変電設備の情報に基づいて前記判断処理を行う
ことを特徴とする鉄道システム。
【請求項６】
請求項１又は２のいずれかに記載の鉄道システムにおいて、
前記運行管理装置は、過去の軽負荷回生制御回数に基づいて前記判断処理を行う
ことを特徴とする鉄道システム。
【請求項７】
電動機を有する鉄道車両に搭載され、前記鉄道車両の力行運転時には直流電力を交流電力に変換して、前記電動機に出力することで前記電動機を駆動させ、前記鉄道車両の回生運転時には前記電動機が発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
前記回生運転時の制御安定性を重視した第１の制御パタンと、前記回生運転時に得られる回生エネルギーを重視した第２の制御パタンと、を有し、
前記鉄道車両と遠隔で情報を送受信し、所望の路線に係る鉄道車両の運行を管理する運行管理装置からの、前記鉄道車両の運行状態に関する車両情報に基づいて選択された前記第１の制御パタンまたは第２の制御パタンのいずれかを用いて、前記電動機を制御する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
鉄道車両と遠隔で情報を送受信し、所望の路線に係る鉄道車両の運行を管理する運行管理装置であって、
前記鉄道車両から送信される前記鉄道車両の運行状態に関する車両情報を受信し、
前記車両情報に基づく所定の判断処理を行ってその判断結果を、前記鉄道車両の電動機を制御する電力変換装置が、前記鉄道車両の回生運転時の制御安定性を重視した第１の制御パタンまたは前記回生運転時に得られる回生エネルギーを重視した第２の制御パタンを用いて前記電動機を制御するための情報として、前記鉄道車両に送信する
ことを特徴とする運行管理装置。
【請求項９】
電動機を有する鉄道車両と、前記鉄道車両と遠隔で情報を送受信し、所望の路線に係る鉄道車両の運行を管理する運行管理装置と、を有し、前記鉄道車両には、前記鉄道車両の力行運転時には直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力することで前記電動機を駆動させ、前記鉄道車両の回生運転時には前記電動機が発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換装置が搭載されている鉄道システムの制御方法であって、
前記運行管理装置が、前記鉄道車両から送信される前記鉄道車両の運行状態に関する車両情報を受信し、前記車両情報に基づく所定の判断処理を行ってその判断結果を前記鉄道車両に送信し、
前記電力変換装置が、前記運行管理装置から送信された前記判断結果に基づいて、前記回生運転時の制御安定性を重視した第１の制御パタンまたは前記回生運転時に得られる回生エネルギーを重視した第２の制御パタンを用いて前記電動機を制御する
ことを特徴とする鉄道システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の鉄道システムの制御方法において、
前記電力変換装置は、複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子と並列に接続されたフィルタキャパシタと、を備え、
前記第１の制御パタンと前記第２の制御パタンとは、前記フィルタキャパシタの電圧に対する前記電動機のｑ軸電流を減少させる傾きが異なる
ことを特徴とする鉄道システムの制御方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道システム、電力変換装置、運行管理装置および鉄道システムの制御方法に関する。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
地球温暖化への対応として、産業・インフラ機器のエネルギー効率の向上が求められている。架線を介して供給される電力を用いて電動機を駆動することにより走行する鉄道車両（電車）は、電動機を発電機として動作させることでブレーキ時の運動エネルギーを電気に変換する電力回生ブレーキが搭載されている。この電力回生ブレーキにより運動エネルギーを回生して得られる回生エネルギーは、電気エネルギーとして架線を介して他の車両へ供給され、他の車両の力行エネルギーとして利用することができる。そのため、電車はエネルギー効率の高いモビリティであると言える。
【０００３】
一方、電力回生ブレーキ動作中の鉄道車両（自車両）の周辺に他の力行車両がいない場合、自車両の電動機で得られた回生エネルギーを他車両に供給することができない。そのため、この場合には自車両に搭載される機器のうち、電動機と架線の間に接続される機器の直流電圧が上昇する。一般に鉄道車両では、搭載される機器の耐電圧等の制約により、直流電圧に上限が定められており、電力回生時の直流電圧をこの上限電圧以下に抑える必要がある。
【０００４】
そこで、電力回生時に直流電圧が上昇した場合、電力回生ブレーキの力を弱める軽負荷回生制御を行うことで直流電圧の上昇を抑制する技術が知られている。特許文献１には、インバータに並列に接続されたフィルタコンデンサの電圧が所定の閾値を超えた絞り込み領域にあるか否かを確認し、絞り込み領域にある場合にはｑ軸電流指令値Ｉｓｑ＊を減少させることで、軽負荷回生制御を行うことが記載されている。この軽負荷回生制御により、鉄道車両における電力回生時の直流電圧を上限値以下に抑制するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２００２－２５２９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者が、回生運転時において電力変換装置が行うｑ軸電流制御について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
軽負荷回生制御において、直流電圧が上限値以下のときにはなるべくｑ軸電流を減少させないようにすることで、得られる回生エネルギーの最大化を図ることができる。一方、直流電圧が上限値付近のときにｑ軸電流を急激に減少させると、制御の安定性が損なわれる。すなわち、軽負荷回生制御において、回生エネルギーの大きさと制御系の安定性はトレードオフの関係にある。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、こうしたトレードオフを改善することができないため、電力回生ブレーキによる回生エネルギーを十分に得ることができない場合や、車両に搭載される機器の制御が不安定となる場合がある。
【０００７】
本発明は上記課題を考慮してなされたものであり、その主な目的は、回生運転時において、制御系の安定性を向上しつつ、より大きな回生エネルギーを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲の構成を採用する。その一例を挙げるならば、電動機を有する鉄道車両に搭載され、前記鉄道車両の力行運転時には直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力することで前記電動機を駆動させ、前記鉄道車両の回生運転時には前記電動機が発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、前記鉄道車両と遠隔で情報を送受信し、所望の路線に係る前記鉄道車両の運行を管理する運行管理装置と、を有する鉄道システムであって、前記運行管理装置は、前記鉄道車両から遠隔で送信される前記鉄道車両の運行状態に関する車両情報を受信するとともに、前記車両情報に基づく所定の判断処理を行ってその判断結果を前記鉄道車両に送信し、前記電力変換装置は、前記回生運転時の制御安定性を重視した第１の制御パタンと、前記回生運転時に得られる回生エネルギーを重視した第２の制御パタンと、を有し、前記運行管理装置から遠隔で送信された前記判断結果に基づいて前記第１の制御パタンまたは前記第２の制御パタンを用いて前記電動機を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回生運転時において電力変換装置は、運行管理装置から遠隔で送信される所定の判断結果に基づいて、制御系の安定性が優先されるべき場合は制御安定性を重視した第１の制御パタンを、回生エネルギーを多く発生させることができる場合は回生エネルギーを重視した第２の制御パタンを用いて電動機を制御する。この最適な制御により、従来の制御安定性と回生エネルギーの大きさのトレードオフを改善し、制御系の安定性を向上しつつ、より大きな回生エネルギーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の第１の実施形態に係る鉄道システムの概略図である。
本発明の第１の実施形態に係る鉄道システムの動作説明図である。
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の回路図である。
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の制御部の構成図である。
本発明の第１の実施形態に係る鉄道システムにおいて車両制御装置により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
本発明の第１の実施形態に係る鉄道システムにおいて運行管理装置により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
本発明を適用した場合の各信号のタイミングチャートの一例を示す図である。
従来技術と本発明における制御系の安定性と回生エネルギーの比較説明図である。
本発明の第２の実施形態に係る鉄道システムの動作説明図である。
本発明の第２の実施形態に係る鉄道システムにおいて運行管理装置により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の制御部の構成図である。
本発明の第３の実施形態に係る鉄道システムにおいて車両制御装置により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
本発明の第３の実施形態に係る鉄道システムにおいて運行管理装置により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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