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公開番号2024098358
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-23
出願番号2023001822
出願日2023-01-10
発明の名称電源システム
出願人株式会社東芝,東芝インフラシステムズ株式会社
代理人弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
主分類H02M 3/00 20060101AFI20240716BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約
【課題】小型化および低コスト化を実現するとともに、早期故障を回避する電源システムを提供する。
【解決手段】実施形態による電源システムは、直流電源1と、直流電源1から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器2と、電力変換器2の動作を制御する変換器制御部5と、電力変換器2の温度情報および電力変換器1の制御指令値の少なくともいずれかに基づいて所定期間における電力変換器2の寿命消費量を算出する第1寿命評価部7と、寿命消費量を積算した積算値と予め設定された寿命計画とを用いて電力変換器2の出力を調整するための変換器制御部5への指令値を生成する負荷管理制御部8と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、
前記電力変換器の温度情報および前記電力変換器の制御指令値の少なくともいずれかに基づいて所定期間における前記電力変換器の寿命消費量を算出する第１寿命評価部と、
前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備えた電源システム。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記電力変換器は複数のパワー半導体素子を備え、
前記電力変換器の温度情報は、前記パワー半導体素子のジャンクション温度の時系列情報、前記パワー半導体素子を含むモジュールのケース温度の時系列情報、および、前記所定期間における前記パワー半導体素子のジャンクション温度の最大値の少なくともいずれかを含む、請求項１記載の電源システム。
【請求項３】
前記時系列情報のサンプリング周期は１ｓ以下である、請求項２記載の電源システム。
【請求項４】
前記所定期間は前記電力変換器の負荷サイクルの１周期以上の期間であり、
前記寿命消費量は、前記パワー半導体素子の温度変化による熱疲労解析を行うことにより算出される、請求項３記載の電源システム。
【請求項５】
前記電力変換器は複数のパワー半導体素子を備え、
前記第１寿命評価部は、前記制御指令値に基づく前記パワー半導体素子のオン時間により、前記パワー半導体素子の前記寿命消費量を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項６】
前記電力変換器は複数のパワー半導体素子を備え、
前記負荷管理制御部は、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数の変更する前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項７】
前記直流電源は、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールを含むき電回路であり、
前記負荷は、電気車を走行させるための複数の電動機および前記電動機を駆動する複数の第２電力変換器を備え、
前記電気車の荷重情報に応じて複数の前記電動機のトルクを変更する編成制御システムを更に備えたシステムであって、
前記負荷管理制御部は、前記積算値に応じて、前記電気車の最高速度を調整するように前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項８】
前記直流電源は、架線およびレールもしくは第３軌条およびレールを含むき電回路であり、
前記負荷は、電気車を走行させるための複数の電動機および前記電動機を駆動する複数の第２電力変換器を備え、
前記電気車の荷重情報に応じて複数の前記電動機のトルクを変更する編成制御システムを更に備えたシステムであって、
前記負荷管理制御部は、前記積算値に応じて、前記電気車の加速度および減速度を調整するように前記指令値を算出する、請求項１記載の電源システム。
【請求項９】
蓄電池と、
前記蓄電池から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、
前記蓄電池に関する情報に基づいて所定期間における前記蓄電池の寿命消費量を算出する第２寿命評価部と、
前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備えた電源システム。
【請求項１０】
前記蓄電池に関する情報は、前記蓄電池のエネルギー容量および内部抵抗値の少なくともいずれかを含む、請求項９記載の電源システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電源システムに関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
例えば直流電気鉄道の電力供給システムである直流き電システムは、負荷変動が激しく、き電線電圧変動が大きい特性になっている。また、直流き電システムでは、ダイオード整流器を用いて直流電源を生成することが一般的であるため、交流電源系統への電源回生は、回生インバータを設置しなければ実施することができず、回生車の回生電流を吸収する十分な負荷が回生車周辺に存在しなければ、回生車は回生失効に陥ることになる。
【０００３】
上記のような電圧変動や回生失効に対応するため、直流電気鉄道車両に蓄電池を設置することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許第6786012号公報
特許第5377538号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、架線の電圧に応じて充電と放電とを繰り返す直流き電システムでは、複数の列車の加減速に伴い架線電圧の変動が発生するため、蓄電池の充放電のパターンが一律に定まらない。また、鉄道車両駆動用の電力変換装置では、荷重条件や列車ダイヤ、信号システム等によって負荷パターンが定型化できないこともある。そのため、蓄電池や電力変換器の寿命が設計期待値より短命となり、早期に故障に至るというリスクがあった。早期故障のリスクを回避するために、装置寿命として十分に余裕を持った設計を行うと、装置規模が大型化したり、高コスト化したりする傾向があった。
【０００６】
本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、小型化および低コスト化を実現するとともに、早期故障を回避する電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態による電源システムは、直流電源と、前記直流電源から出力された電力を所定の電力に変換して負荷へ出力する電力変換器と、前記電力変換器の動作を制御する変換器制御部と、前記電力変換器の温度情報および前記電力変換器の制御指令値の少なくともいずれかに基づいて所定期間における前記電力変換器の寿命消費量を算出する第１寿命評価部と、前記寿命消費量を積算した積算値が予め設定された寿命計画に追従するように前記電力変換器の出力を調整するための前記変換器制御部への指令値を算出する負荷管理制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、第１実施形態の電力変換装置を含む電力供給システムの一構成例を概略的に示す図である。
図２は、電力変換装置のパワー半導体素子の一構成例を概略的に示した図である。
図３は、蓄電池および電力変換器の寿命計画の一例を概略的に示す図である。
図４は、図１に示す蓄電池の充放電特性の一例を概略的に示した図である。
図５は、本実施形態の電源システムにおいて、電力変換器の寿命評価値を用いた電力変換器の制御動作の一例について説明するための図である。
図６は、図５に示す変換器制御部の一構成例を概略的に示した図である。
図７は、本実施形態の電源システムにおいて、蓄電池の寿命評価値を用いた電力変換器の制御動作の一例について説明するための図である。
図８は、図７に示す変換器制御部の一構成例を概略的に示した図である。
図９は、本実施形態の電源システムにおいて、蓄電池の寿命評価値を用いた電力変換器の制御動作の他の例について説明するための図である。
図１０は、第２実施形態の電源システムを含む編成制御システムの一構成例を概略的に示す図である。
図１１は、第２実施形態の電源システムにより制御される鉄道車両の走行方法の一例を概略的に示す図である。
図１２は、第２実施形態の電源システムにより制御される鉄道車両の走行方法の他の例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の電源システムについて図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の電源システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電源システム１０は、負荷３である電気車（電気車を走行させるための電動機及びそれを駆動する電力変換器）へ電力を供給するとともに負荷３から回生される電力を蓄電池１へ充電するシステムであって、蓄電装置と、電力変換装置と、監視制御装置と、インタフェース部９と、を備えている。
【００１０】
なお、負荷３は、架線およびレール若しくは第３軌条およびレールで構成されるき電回路と、複数の電気車と、を含んでいてもよい。その場合には、電源システム１０は、き電回路を介して複数の電気車へ電力を供給する。
（【００１１】以降は省略されています）

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