專利名稱：電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，作為這種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的文獻(xiàn)，已知記載在特開2001-47894號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)1)以及特開2001-71820號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中的技術(shù)。
在以往的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)中，用斯科特接線變壓器的把三相交流電源變換為二相，作為兩個(gè)單相交流饋電線的電源而被使用，從各個(gè)交流饋電線經(jīng)過導(dǎo)電弓架向電車負(fù)載供電。兩個(gè)單相交流饋電線以變電站為界，在不同方向分為M座和T座。M座和T座的電壓是從上述斯科特接線變壓器輸出的2相電壓中的各個(gè)單相電壓，具有90°相位差。
M座的負(fù)載(電車)與T座的負(fù)載(電車)不同，如果從變壓器來看，成為兩相不平衡負(fù)載例如也有，M座的負(fù)載(電車)進(jìn)行動(dòng)力運(yùn)行，T座的負(fù)載(電車)進(jìn)行再生運(yùn)行的情況。從三相電源來看，也成為三相不平衡負(fù)載，引起電壓畸變，對于與同一個(gè)電力系統(tǒng)連接的其它電設(shè)備產(chǎn)生惡劣影響。
日本國的電力系統(tǒng)以富士川為界，分為東日本的50Hz系統(tǒng)和西日本的60Hz系統(tǒng)。對于頻率60Hz的交流饋電線，在從50Hz的電力系統(tǒng)接收供電的情況下，需要M/G裝置等50Hz/60Hz的頻率變換器。最近，與旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(M/G裝置)并聯(lián)設(shè)置靜止形頻率變換器(PWM順變器+PWM逆變器)。
上述三相不平衡負(fù)載導(dǎo)致增大上述M/G裝置(或者靜止形頻率變換器)的容量，存在成為不經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)的問題。
另一方面，供給到電車的電壓在變電站附近，從M座的電源切換為T座的電源，需要用于進(jìn)行該切換的切換區(qū)。在電車每次通過切換區(qū)時(shí)，暫時(shí)成為無電源(停電)，使搭載在電車中的順變器或者逆變器的動(dòng)作停止，進(jìn)而，在恢復(fù)供電以后，需要使順變器/逆變器再次起動(dòng)。在該期間，電車成為蛇行運(yùn)行，不能夠得到加速力或者制動(dòng)力，不僅使車輛的加減速性能降低，而且強(qiáng)行進(jìn)行乘坐心情惡劣的運(yùn)行。
圖62表示以往的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例的框圖。圖中，SUP1表示第1三相交流電源(60Hz)，SUP0表示第2三相交流電源(50Hz)，M/G表示旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(50Hz/60Hz頻率變換器)，M-TR1、M-TR2表示三相變壓器，SS1～SS3表示變電站，CB1～CB11表示三相交流開關(guān)，CBm1～CBm6、CBt1～CBt6表示單相交流開關(guān)，S-TR1～S-TR3表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a、Fb表示拉通單相的交流饋電線，DS1～DS3表示M座/T座之間的區(qū)域過渡區(qū)間(切換區(qū))，KS1～KS4表示連接變電站之間的區(qū)域開關(guān)，Train表示列車負(fù)載。
旋轉(zhuǎn)形頻率變換器M/G從第2三相交流電源SUP0(50Hz)生成第1三相交流電源SUP1(60Hz)，例如，把10極的同步電動(dòng)機(jī)M與12極的同步發(fā)電機(jī)G機(jī)械性地結(jié)合構(gòu)成。如果用50Hz電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M，則旋轉(zhuǎn)速度成為N＝600rpm，發(fā)電機(jī)G發(fā)生頻率60Hz的三相電壓。該M/G裝置設(shè)置在頻率變換所中。由M/G裝置生成的三相-60Hz的電壓源經(jīng)過交流送電線，輸送到電氣化鐵路的變電站SS1～SS3。
例如，在變電站SS1中，經(jīng)過交流開關(guān)CB3、CB4配電三相-60Hz，輸送到變電站內(nèi)的配電線。進(jìn)而，由斯科特接線變壓器S-TR1，把三相交流電壓變換為二相交流電壓，生成M座以及T座的二相交流。在斯科特接線變壓器S-TR1的二相輸出電壓中，M座輸出經(jīng)過單相交流開關(guān)CBm1以及CBm2例如與東京方向的交流饋電線Fa、Fb連接。另外，T座輸出經(jīng)過單相交流開關(guān)CBt1以及CBt2，例如與大阪方向的交流饋電線Fa、Fb連接。在變電站SS1中的M座/T座的交流饋電線之間設(shè)置區(qū)域過渡區(qū)間(切換區(qū))DS1。
另外，在變電站SS2中，經(jīng)過交流開關(guān)CB5、CB6，配電三相-60Hz，輸送到變電站內(nèi)的配電線。進(jìn)而，由斯科特接線變壓器S-TR2，把三相交流電壓變換為二相交流電壓，生成M座以及T座的二相交流。在斯科特接線變壓器S-TR2的二相輸出電壓中，T座輸出經(jīng)過三相交流開關(guān)CBt3以及CBt4與東京方向的交流饋電線Fa、Fb連接。另外，M座輸出經(jīng)過單相交流開關(guān)CBm3以及CBm4，與大阪方向的交流饋電線Fa、Fb連接。
在變電站SS2中的M座/T座的交流饋電線之間設(shè)置區(qū)域過渡區(qū)間(切換區(qū))DS2。另外，來自變電站SS1的T座交流饋電線和來自變電站SS2的T座交流饋電線通過區(qū)域開關(guān)KS2進(jìn)行電結(jié)合或者電分離。
即，在由于某種事故，不能夠從變電站SS2供電的情況下，通過閉合區(qū)域開關(guān)KS2，從變電站SS1延長供電給T座電壓，能夠確保向列車的供電。另外，在通常的運(yùn)行下，通過閉合開關(guān)KS2，也能夠進(jìn)行變電站SS1與變電站SS2的并聯(lián)運(yùn)行，能夠使交流饋電線的電壓穩(wěn)定。
進(jìn)而，在變電站SS3中，經(jīng)過交流開關(guān)CB7、CB8，配電三相-60Hz，輸送到變電站內(nèi)的配電線。進(jìn)而，由斯科特接線變壓器S-TR3，把三相交流電壓變壓為二相交流電壓，生成M座以及T座的二相交流。在斯科特接線變壓器S-TR3的二相輸出電壓中，M座輸出經(jīng)過單相交流開關(guān)CBm5以及CBm6，連接到東京方面的交流饋電Fa、Fb。另外，T座輸出經(jīng)過單相交流開關(guān)CBt5以及CBt6，連接到大阪方向的交流饋電線Fa、Fb。
在變電站SS3的M座/T座的交流饋電線之間設(shè)置區(qū)域過渡區(qū)間(切換區(qū))DS3。另外，來自變電站SS2的M座交流饋電線和來自變電站SS3的M座的交流饋電線通過區(qū)域開關(guān)KS3進(jìn)行電結(jié)合或者電分離。
即，在由于某種事故，不能夠從變電站SS2供電的情況下，通過閉合區(qū)域開關(guān)KS3，從變電站SS3延長供電M座電壓，能夠確保對列車的供電。
在這樣的以往的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)中，斯科特接線變壓器的M座負(fù)載和T座負(fù)載基本上不一致，通常成為不平衡負(fù)載。根據(jù)情況，有時(shí)在M座中連接動(dòng)力運(yùn)行列車負(fù)載，在T座中連接再生列車，根據(jù)該不平衡負(fù)載，有時(shí)在斯科特接線變壓器或者M(jìn)/G裝置等設(shè)備中強(qiáng)行帶來很大的負(fù)擔(dān)。另外，特意再生的功率也不能在M座/T座之間互換，對于電力系統(tǒng)成為難以對付的問題。
在圖62的情況下，最終由M/G裝置負(fù)擔(dān)不平衡功率，雖然在第2交流電源(電力系統(tǒng))SUP0中不產(chǎn)生影響，但是M/G裝置需要留有余量制造，成為不經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。例如，在三相平衡的功率中，在采取最大50MW的情況下，M/G裝置也準(zhǔn)備50MW就很充分，而像耐壓單相負(fù)載50MW的功率那樣制造M/G裝置，需要相當(dāng)于三相×50MW＝150MW的M/G裝置。
另外，在圖62的情況下，不平衡功率最終由電力系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，從而使該電力系統(tǒng)的電壓畸變，對于連接到該電力系統(tǒng)中的其它電氣設(shè)備產(chǎn)生不良影響。從這樣的情況出發(fā)，在專利文獻(xiàn)1的發(fā)明中，為了使三相不平衡電流成為最小限度，像斯科特接線變壓器那樣在饋電用變壓器上，并聯(lián)連接把三相交流電力變換為直流電力，把該直流電力變換為單相交流電力的交直變換系統(tǒng)。在這種情況下，交直變換系統(tǒng)提供補(bǔ)償電流以平衡在饋電用變壓器中產(chǎn)生的系統(tǒng)一側(cè)的不平衡電流。
另一方面，在從列車觀察的情況下，以往的交流饋電系統(tǒng)存在以下的問題。圖63表示在圖62的系統(tǒng)中的變電站SS1中的M座/T座之間的區(qū)域過渡期間(切換區(qū))DS1的結(jié)構(gòu)。圖中，SUP1表示第1交流電源(三相-60Hz)，S-TR表示斯科特接線變壓器，CBm1、CBm2、CBt1、CBt2表示單相交流開關(guān)，SWm1、SWm2、SWt1、SWt2表示開關(guān)，F(xiàn)m1、Fm2表示M座交流饋電線，F(xiàn)t1、Ft2表示T座交流饋電線，F(xiàn)d1、Fd2表示切換區(qū)的交流饋電線，Train1、Train2表示列車。這里，假定右側(cè)是東京方面，左側(cè)是大阪方面。
由斯科特接線變壓器S-TR，把三相交流電壓變換成二相交流電壓，經(jīng)過開關(guān)CBm1、CBm2把M座電壓VM施加到東京方面的交流饋電線Fm1、Fm2上。另外，經(jīng)過開關(guān)CBt1、CBt2，把T座電壓VT施加到大阪方面的交流饋電Ft1、Ft2上。
例如，在列車Train從M座交流饋電線Fm1移動(dòng)到T座交流饋電線Ft1的情況下，在無電區(qū)段Fd1中，進(jìn)行以下的動(dòng)作。當(dāng)列車Train位于Fm1時(shí)，預(yù)先釋放開關(guān)SWt1，閉合開關(guān)SWm1。在列車Train進(jìn)入到Fd1以后，釋放開關(guān)SWm1，成為停電狀態(tài)。于是，列車Train檢測出停電，使車上的驅(qū)動(dòng)裝置(PWM順變器+VVVF逆變器)的運(yùn)行暫時(shí)停止，在蛇行狀態(tài)下使列車行走(只是靠列車的慣性行走)。
接著，在一定時(shí)間以后，閉合開關(guān)SWt1，在交流饋電線Fd1上施加T座的電壓VT，使得恢復(fù)供電。列車Train檢測出恢復(fù)供電，按照與T座電壓VT的相位一致的控制，開始上述驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行。對于列車的饋電電壓由于從M座電壓VM改變?yōu)門座電壓VT，因此在相位同步控制的切換方面需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間。
如果考慮從這樣的停電檢測到再次起動(dòng)為止的時(shí)間和列車速度，則上述切換區(qū)Fd1的長度需要超過km的距離。不能夠期望該區(qū)間內(nèi)的列車的加速控制或者減速控制(再生制動(dòng))。即列車Train從東京到大阪，在每次經(jīng)過變電站時(shí)必須反復(fù)進(jìn)行上述運(yùn)行停止和再次起動(dòng)，具有破壞乘坐心情，降低列車的加減速性能等問題。
作為解決該問題的方案，也考慮在所有的變電站中設(shè)置把三相交流變換為單相交流的電力變換器，把在這里生成的單相交流例如在東京-大阪之間拉通。然而，這樣就必須撤換掉已經(jīng)存在的設(shè)備(M/G裝置或者斯科特接線變壓器等)，全部更換成新的設(shè)備。另外，即使只在一個(gè)變電站更換，生成單相交流，從鄰接的變電站輸出M座/T座的二相電壓，也不能夠拉通單相交流，必須在多個(gè)變電站同時(shí)更換新的設(shè)備。通常使列車的運(yùn)行停止在公共利益上很困難，即使在夜間進(jìn)行設(shè)備更換也有時(shí)間上的制約，非常難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)而完成的，目的在于提供能夠有效利用已經(jīng)存在的設(shè)備，構(gòu)筑遍及多個(gè)變電站拉通了單相交流饋電線的經(jīng)濟(jì)的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，另外，能夠沒有切換區(qū)，謀求簡化電車控制，能夠提高車輛的加減速性能，能夠改善乘坐心情的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的還在于提供能夠謀求動(dòng)力運(yùn)行列車與再生列車的電力互換，補(bǔ)償伴隨著單相負(fù)載的不平衡功率，謀求平衡從交流電源供給的三相電流的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供在電力系統(tǒng)(第2三相交流電源)的頻率與交流饋電線的頻率不同的情況下，減輕已經(jīng)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(M/G裝置)的負(fù)擔(dān)，將來能夠容易地向靜止形頻率變換器更換的結(jié)構(gòu)的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)。
本發(fā)明是使用把三相電力變換成為二相電力的變壓器，得到兩個(gè)單相饋電線的電源，同時(shí)從上述各單相饋電線經(jīng)過集電裝置，向電車負(fù)載供電的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，特征是具備在從上述變壓器的一方的單相交流到另一方的單相交流之間，能夠連續(xù)互換或者連續(xù)供給電力的裝置。
另外，本發(fā)明是遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，特征是，上述多個(gè)變電站中至少一個(gè)變電站具備把三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在上述變壓器的二相輸出端子的一方的一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第1電力變換器；在上述變壓器的二相輸出端子的另一方的一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第2電力變換器；用上述第1以及第2電力變換器補(bǔ)償由上述變壓器的負(fù)載等產(chǎn)生的不平衡電流，控制用于作為平衡電流的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元。
另外，本發(fā)明是遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，特征是，上述多個(gè)變電站的至少一個(gè)具備把三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一方的一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線的變壓器；在上述變壓器的二相輸出端子的一方的一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第1電力變換器；在上述變壓器的二相輸出端子的另一方一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第2電力變換器；控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償由上述變壓器的負(fù)載等產(chǎn)生的不平衡電流的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；在上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子之間授受功率的蓄能裝置。
另外，本發(fā)明是遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，特征是，上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一個(gè)一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的二極管整流器。
另外，本發(fā)明是遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，特征是，上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一個(gè)一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；與上述直流平滑電容器之間授受功率的蓄能裝置；控制向上述蓄能裝置的充放電電流的充放電電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的二極管整流器。
進(jìn)而，本發(fā)明是遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，特征是，上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一個(gè)一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的第3電力變換器。
進(jìn)而，本發(fā)明是遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，特征是，上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一個(gè)一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的二極管整流器；在該二極管整流器的交流端子上經(jīng)過電抗器連接了交流端子的第3電力變換器；使該第3電力變換器按照一定的脈沖圖形動(dòng)作，通過調(diào)整該第3電力變換器的交流側(cè)端子電壓對于上述第2三相交流電源的電壓的相位角，控制從上述第2三相交流電源供給的輸入電流或者有效功率，控制施加到上述直流平滑電容器上的電壓的第3電力變換器的控制單元。
如果依據(jù)本發(fā)明，則提供在謀求有效運(yùn)用已經(jīng)設(shè)置的交流饋電系統(tǒng)設(shè)備的同時(shí)，拉通單相交流的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，能夠謀求沒有以往的連接M座/T座之間的切換區(qū)，向電車負(fù)載連續(xù)地供電以及簡化電車控制，提高車輛加減速性能，改善乘坐心情。另外，能夠謀求動(dòng)力運(yùn)行列車與再生列車的電力互換，補(bǔ)償伴隨單相負(fù)載的不平衡功率或者無效功率以及高次諧波，謀求平衡從交流電源供給的三相電流。進(jìn)而，減輕已經(jīng)設(shè)置的M/G裝置(旋轉(zhuǎn)形頻率變換器)的負(fù)載，作為當(dāng)該裝置老化時(shí)的替代單元，能夠提供經(jīng)濟(jì)的靜止形頻率變換器。
另外，如果依據(jù)本發(fā)明，則在有效地利用大部分已經(jīng)存在的設(shè)備的同時(shí)，能夠遍及多個(gè)變電站拉通單相交流，通過沒有以往成為必需的切換區(qū)，能夠簡化車輛一側(cè)的控制(特別是相位同步信號(hào)的切換或者車上順變器/逆變器的控制停止和再次起動(dòng)等)，不僅提高列車的加速·減速性能，還謀求改善乘坐心情。


圖1是表示本發(fā)明的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的框圖。
圖2是本發(fā)明第1實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖3是圖2中的二相電力互換裝置PPC的具體的主電路結(jié)構(gòu)例的框圖。
圖4是圖3中的電壓型變換器CNVm1的具體的主電路結(jié)構(gòu)例的框圖。
圖5是用于說明圖4的電壓型變換器CNVm1的動(dòng)作的交流輸出電壓波形圖。
圖6是本發(fā)明的第1實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的框圖。
圖7是動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。
圖8是再生運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。
圖9是表示圖2的裝置的分析結(jié)果的動(dòng)作波形例的波形圖。
圖10是本發(fā)明第2實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖11是用于說明圖10的裝置的動(dòng)作的各部分動(dòng)作波形圖。
圖12是表示本發(fā)明裝置的補(bǔ)償電流控制單元的第3實(shí)施方式的框圖。
圖13是表示本發(fā)明裝置的補(bǔ)償電流控制單元的第4實(shí)施方式的框圖。
圖14是由圖13的控制單元控制時(shí)的電壓·電流矢量圖。
圖15是表示本發(fā)明的補(bǔ)償電流控制單元的第5實(shí)施方式的框圖。
圖16是由圖15的控制單元控制時(shí)的電壓·電流矢量圖。
圖17是表示本發(fā)明的補(bǔ)償電流控制單元的第6實(shí)施方式的框圖。
圖18是由圖16的控制單元控制時(shí)的電壓·電流矢量圖。
圖19是表示本發(fā)明的補(bǔ)償電流控制單元的第7實(shí)施方式的框圖。
圖20是由圖19的控制單元控制時(shí)的電壓·電流矢量圖。
圖21是本發(fā)明第8實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖22是表示圖21的裝置中的蓄能裝置的其它例子的框圖。
圖23是本發(fā)明第8實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的框圖。
圖24是本發(fā)明第8實(shí)施方式中的蓄能裝置的主電路結(jié)構(gòu)和控制電路的框圖。
圖25是圖23的控制電路中的電力指令發(fā)生器Fe(x)的特性例。
圖26是由圖23的控制電路控制時(shí)的M座、T座電壓·電流矢量圖。
圖27是表示本發(fā)明第9實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)框圖。
圖28是本發(fā)明第10實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖29是本發(fā)明第10實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的電壓指令發(fā)生器Fd(x)的特性圖。
圖30是上述補(bǔ)償電流控制單元的電壓指令發(fā)生器Fd(x)的其它的特性圖。
圖31是本發(fā)明第10實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。
圖32是本發(fā)明第10實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的框圖。
圖33是上述補(bǔ)償電流控制單元的動(dòng)作特性圖。
圖34是本發(fā)明第11實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖35表示本發(fā)明第11實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的電壓指令發(fā)生器Fd(x)的特性圖形。
圖36是本發(fā)明第11實(shí)施方式中的蓄能裝置的電力指令發(fā)生器Fe(x)的特性圖。
圖37是本發(fā)明第11實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。
圖38是本發(fā)明第11實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的其它例子的框圖。
圖39是本發(fā)明第11實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的運(yùn)行特性圖。
圖40是本發(fā)明第12實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)框圖。
圖41是本發(fā)明第12實(shí)施方式中的第3電壓型自激式電力變換器的主電路結(jié)構(gòu)及其控制電路的框圖。
圖42是用于說明上述電壓型自激式電力變換器的動(dòng)作的等效電路圖。
圖43是圖42的等效電路中的電壓·電流矢量圖。
圖44是本發(fā)明第12實(shí)施方式的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的上述第3電壓型自激式電力變換器的動(dòng)作波形圖。
圖45是本發(fā)明第12實(shí)施方式的再生運(yùn)行時(shí)的上述第3電壓型自激式電力變換器的動(dòng)作波形圖。
圖46是上述第12實(shí)施方式中的第3電壓型自激式電力變換器的控制電路的其它例子的框圖。
圖47是本發(fā)明第12實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的框圖。
圖48是上述補(bǔ)償電流控制單元的電力指令發(fā)生器Fs(x)的特性圖。
圖49是本發(fā)明第12實(shí)施方式電的氣鐵道交流饋電系統(tǒng)的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。
圖50是本發(fā)明第13實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖51是本發(fā)明第13實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的框圖。
圖52是本發(fā)明第13實(shí)施方式中的第3電壓型自激式電力變換器的控制電路的框圖。
圖53是本發(fā)明第14實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖54是本發(fā)明第14實(shí)施方式中的混合變換器的主電路結(jié)構(gòu)及其控制電路的框圖。
圖55是上述混合變換器的一相部分的動(dòng)作的說明圖。
圖56是本發(fā)明第14實(shí)施方式的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的混合變換器的動(dòng)作波形圖。
圖57是本發(fā)明第14實(shí)施方式中的混合變換器的控制電路的其它例子的框圖。
圖58是本發(fā)明第14實(shí)施方式中的補(bǔ)償電流控制單元的框圖。
圖59是上述補(bǔ)償電流控制單元的電力指令發(fā)生器Fs(x)的特性圖。
圖60是上述補(bǔ)償電流控制單元的電力指令發(fā)生器Fs(x)的其它的特性圖。
圖61是本發(fā)明第14實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。
圖62是以往的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖63是用于說明以往的交流饋電系統(tǒng)中的M座/T座之間的區(qū)域過渡區(qū)間的動(dòng)作的框圖。
具體實(shí)施例方式
以下，根據(jù)附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1是表示本發(fā)明的所有實(shí)施方式中共同的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的整體的結(jié)構(gòu)的框圖。圖中，SUP1表示第1三相交流電源(60Hz)，SUP0、SUP2表示第2三相交流電源(50Hz)，M/G表示旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(50Hz/60Hz頻率變換器)，M-TR1、M-TR2表示三相變壓器，SS1～SS3表示變電站，CB1～CB11表示三相交流開關(guān)，CBm1～CBm6表示單相交流開關(guān)，S-TR1～S-TR3表示斯科特接線變壓器，PPC1～PPC3表示具有頻率變換器功能的二相電力互換裝置，F(xiàn)a、Fb表示單相拉通交流饋電線，Ks1～Ks4表示區(qū)域開關(guān)，Train表示列車負(fù)載。
本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)的目的在于通過有效運(yùn)用已經(jīng)設(shè)置的設(shè)備(M/G裝置或者斯科特接線變壓器等)的同時(shí)拉通三相交流饋電線，取消以往的區(qū)域過渡區(qū)間(切換區(qū))。
旋轉(zhuǎn)形頻率變換器M/G從第2三相交流電源SUP0(50Hz)生成第1三相交流電源SUP1(60Hz)，例如，把10極的同步電動(dòng)機(jī)M與12極的同步發(fā)電機(jī)G機(jī)械性地結(jié)合來構(gòu)成。如果用50Hz電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M，則旋轉(zhuǎn)速度成為N＝600rpm，發(fā)電機(jī)G發(fā)生頻率60Hz的三相電壓。這里，并聯(lián)運(yùn)行兩臺(tái)M/G裝置，確保所需要的容量。該M/G裝置設(shè)置在頻率變換所中。由該M/G裝置生成的三相-60Hz的電壓源經(jīng)過交流輸電線，輸送到電氣化鐵路的變電站SS1～SS3。
例如，在變電站SS1中，經(jīng)過交流開關(guān)CB3、CB4配電三相-60Hz，輸送到變電站內(nèi)的配電線。進(jìn)而，由斯科特接線變壓器S-TR1，把三相交流電壓變換成二相交流電壓，生成M座以及T座的二相交流。該斯科特接線變壓器S-TR1的二相輸出電壓中，僅把一相(M座)連接到單相饋電線Fa、Fb。CBm1、CBm2是單相交流開關(guān)，F(xiàn)a是上行列車的交流饋電線，F(xiàn)b是下行列車的交流饋電線。這時(shí)，上述變壓器S-TR1的T座繞組成為無負(fù)載。
二相電力互換裝置PPC1由三相變壓器TRa1、整流器REC1、第1電壓型自激式電力變換器CNV11、第2電壓型自激式電力變換器CNV12、直流平滑電容器Cd1以及單相變壓器TRm1、TRt1構(gòu)成，謀求上述斯科特接線變壓器S-TR1、S-TR2的M座、T座之間的電力互換的同時(shí)，進(jìn)行50Hz/60Hz頻率變換。即，整流器REC1把三相交流(50Hz)變換成直流，把該直流電供給到直流平滑電容器Cd1，進(jìn)而，經(jīng)過第1電壓型自激式電力變換器CNV11變換成單相交流，把電力供給到交流饋電線Fa、Fb。由此，能夠成為對于該M/G裝置的容量不足或者故障的后備。
在其它的變電站SS2、SS3中也同樣構(gòu)成，只有M座連接到交流饋電線，T座成為無負(fù)載。這時(shí)，二相電力互換裝置PPC2、PPC3謀求斯科特接線變壓器S-TR2、S-TR3的M座、T座之間的電力互換。
區(qū)域開關(guān)KS1～KS4把單相拉通的交流饋電線分開在各變電站SS1～SS3中，通過閉合開關(guān)Ks1～Ks4，能夠進(jìn)行變電站之間的并聯(lián)運(yùn)行或者延長饋電。
如上所述，在本發(fā)明的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)中在有效地運(yùn)用已經(jīng)存在的大部分設(shè)備的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)單相拉通的交流饋電系統(tǒng)，可以得到以下的效果。首先，從利用該交流饋電線的電車來看的情況下，不需要以往的M座/T座之間的切換，沒有切換區(qū)域區(qū)間的停電。其結(jié)果，簡化車輛一側(cè)的控制(特別是相位同步信號(hào)的切換或者車上順變器/逆變器的控制停止和再次起動(dòng)等)，不僅提高列車的加速/減速性能，還謀求改善乘坐心情。另一方面，在地面一側(cè)來看，能夠有效運(yùn)用已經(jīng)存在的大部分設(shè)備，在M/G裝置或者斯科特接線變壓器老化的情況下，能夠順序更換或者使其靜止，從運(yùn)行方面來看也能夠提供經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。進(jìn)而，由于謀求二相平衡，能夠補(bǔ)償無效功率或者高次諧波電流，因此對于斯科特接線變壓器或者M(jìn)/G裝置成為理想的負(fù)載，能夠在電源系統(tǒng)中提供良好的電氣化鐵路饋電系統(tǒng)。另外，在單相交流饋電線的頻率(60Hz)與電源系統(tǒng)的頻率(50Hz)不同的區(qū)間中，通過組合把50Hz的三相交流變換為直流的整流器(順變器)和二相電力互換裝置，能夠謀求降低已設(shè)置的M/G裝置的容量，對于該M/G裝置等老化，作為靜止形頻率變換器的置換成為可能。
第1實(shí)施方式圖2是表示本發(fā)明的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的第1實(shí)施方式的框圖。圖中，SUP1表示三相交流電源，TR表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，CNV1、CNV2表示電壓型自激式電力變換器，Cd表示直流平滑電容器，CONT1表示經(jīng)過電力變換器CNV1、CNV2以及單相變壓器TRm、TRt輸出的平衡上述的二相不平衡的補(bǔ)償電流(補(bǔ)償電流檢測值)IMc、ITc的控制單元。補(bǔ)償電流IMc、ITc如未圖示的霍爾CT那樣，通過分別把電流檢測器配置在例如圖2的箭頭位置能夠進(jìn)行檢測。
斯科特接線變壓器TR把三相交流電源Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM與VT具有90°的相位差。除去斯科特變壓器TR以外，作為把三相電壓變換為二相電壓的變壓器的接線方法，有變形伍得布里奇接線變壓器等。
M座輸出連接到單相交流饋電線Fa，T座成為開路(無負(fù)載)。第1電壓型自激式電力變換器CNV1的單相輸出端子經(jīng)過單相變壓器TRm連接到M座端子，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子經(jīng)過單相變壓器TRt連接到T座端子。電力變換器CNV1、CNV2以及平滑電容器Cd構(gòu)成二相電力互換裝置PPC。
補(bǔ)償電流控制單元CONT1由直流電壓控制電路Vd-Cont、補(bǔ)償電流指令電路Ic-Ref、電流控制電路IMc-Cont、ITc-Cont以及脈寬調(diào)制控制電路PWM1、PWM2構(gòu)成。
直流電壓控制電路Vd-Cont檢測施加到上述直流平滑電容器Cd上的電壓Vd，把指令值Vd*與電壓Vd進(jìn)行比較，通過把它們的差放大，作為輸入電流的波峰值指令I(lǐng)sm*。
補(bǔ)償電流值令電路Ic-Ref通過在該波峰值指令I(lǐng)sm*上乘以與上述二相電壓VM、VT同步的單位正弦波sinωt、cosωt，生成輸入電流指令值IMs*和Its*。
IMs*＝Ism*×sinωtITs*＝Ism*×cosωt接著，檢測二相負(fù)載電流IML、ITL，通過從該負(fù)載電流檢測值IML、ITL分別減去上述輸入電流指令值IMs*、ITs*，生成從電力變換器CNV1以及CNV2發(fā)生的補(bǔ)償電流的指令值IMc*、ITc*。
IMc*＝IML-IMs*ITc*＝ITL-ITs*但在這種情況下，由于T座的負(fù)載電流ITL＝0，因此ITc*＝-ITs*。
電流控制電路IMc-Cont把補(bǔ)償電流IMc與上述指令值IMc*進(jìn)行比較，放大它們的差，生成電壓指令值e1*，輸入到電力變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。電力變換器CNV1輸出與上述電壓指令值e1*成比例的電壓VMc，進(jìn)行控制使得補(bǔ)償電流IMc與其指令值IMc*一致。其結(jié)果，M座的輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IMs*。
也同樣控制T座的電流控制電路ITc-Cont，把補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述指令值ITc*進(jìn)行比較，放大它們的差，生成電壓指令值e2*，將其輸入到電力變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。電力變換器CNV2輸出與上述電壓指令值e2*成比例的電壓VTc，進(jìn)行控制使得補(bǔ)償電流ITc與其指令值ITc*一致。成為ITc＝ITc*，T座的輸入電流ITs也成為ITs＝ITs*。
即，斯科特接線變壓器TR的M座以及T座的電流IMs、ITs的波峰值是相同的ISm*，被控制成與各自的電壓VM、VT同相的正弦波電流。其結(jié)果，成為從上述交流電源SUP1僅供給三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流，能夠在電源系統(tǒng)中構(gòu)筑良好的系統(tǒng)。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，增加上述波峰值指令I(lǐng)sm*，增加來自交流電源SUP1的供給功率Ps，成為比負(fù)載功率PL大，Ps-PL的部分在上述直流平滑電容器Cd中作為能量存儲(chǔ)。其結(jié)果Vd增加，被控制成Vd＝Vd*。反之，在Vd＞Vd*的情況下，減少波峰值指令I(lǐng)sm*，成為Ps＜PL，減少直流平滑電容器Cd的存儲(chǔ)能量，也被控制成Vd＝Vd*。
圖3表示二相電力互換裝置PPC的具體的主電路結(jié)構(gòu)例的框圖。圖中，CNVm1～CNVmn是構(gòu)成第1電壓型自激式電力變換器CNV1的n臺(tái)單相全橋接線的電壓型變換器，Trm1～Trmn是n臺(tái)單相變壓器，一次繞組串聯(lián)連接，連接到斯科特接線變壓器TR的M座繞組端子。該單相變壓器Trm1～Trmn的二次繞組連接到各電壓型變換器CNVm1～CNVmn的交流端子。
另外，CNVt1～CNVtn是構(gòu)成第2電壓型自激式電力變換器CNV2的n臺(tái)單相全橋接線電壓型變換器，Trt1～Trtn是n臺(tái)單相變壓器，一次繞組串聯(lián)連接，連接到斯科特接線變壓器TR的T座繞組端子。該單相變壓器Trt1～Trtn的二次繞組連接到各電壓型變換器CNVt1～CNVtn的交流端子。
Cd1～Cdn是直流平滑電容器，分割并連接到單相全橋接線的電壓型變換器CNVm1～CNVmn和CNVt1～CNVtn的直流側(cè)端子。另外，該直流側(cè)端子并聯(lián)連接。
通過把n臺(tái)單相輸出變換器串聯(lián)復(fù)用接線，謀求電力變換器CNV1、CNV2的大容量化，以較低的通斷頻率，改善補(bǔ)償電流IMc、ITc的電流控制響應(yīng)，能夠減少伴隨著PWM控制的高次諧波電流。
圖4表示單相全橋接線的電壓型變換器CNVm1的具體的主電路結(jié)構(gòu)例的框圖。圖中、Sa、Sb、Sc、Sd表示自消弧元件，Da、Db、Dc、Dd表示高速二極管，Trm1表示單相變壓器，Cd1表示直流平滑電容器。
圖5表示單相全橋接線的電壓型變換器CNVm1的交流輸出電壓Vc1的波形(一個(gè)脈沖)，具體如下。
Sa和Sd接通(Sb和Sc斷開)時(shí)，Vc1＝+VdSb和Sc接通(Sa和Sd斷開)時(shí)，Vc1＝-VdSa和Sc接通(Sb和Sd斷開)時(shí)，Vc1＝0Sb和Sd接通(Sa和Sc斷開)時(shí)，Vc1＝0即，能夠發(fā)生三段(+Vd、0、-Vd)的電壓，進(jìn)而，通過增加脈沖數(shù)，能夠謀求更細(xì)致的控制和減少高次諧波。
另外，如圖3所示，通過串連復(fù)用接線，能夠增大變換器的容量和降低高次諧波。
圖6表示本發(fā)明系統(tǒng)的補(bǔ)償電流控制單元CONT1的具體的結(jié)構(gòu)例的框圖。圖中，F(xiàn)d(x)表示電壓指令發(fā)生器，C1～C3表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，M1、M2表示乘法器，AD1～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。在本實(shí)施方式中，電壓指令發(fā)生器Fd(x)輸出一定的直流電壓指令Vd*。
由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，生成輸入電流的波峰值指令I(lǐng)sm*。
乘法器M1求與斯科特接線變壓器TR的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt，乘以上述輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*，輸出輸入電流指令I(lǐng)Ms*＝Ism*×sinωt。
乘法器M2求與斯科特接線變壓器TR的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，乘以上述輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*，輸出輸入電流指令I(lǐng)Ts*＝Ism*×cosωt。
由加減法器AD1，從M座負(fù)載電流IML的檢測值減去上述M座輸入電流指令值IMs*，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。
同樣，由加減法器AD3，從T座負(fù)載電流ITL的檢測值減去上述T座輸入電流指令值ITs*，求T座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。當(dāng)然，在上述單相變壓器TRm的漏電感小的情況下，有時(shí)也在該變壓器TRm的一次或者二次繞組中串聯(lián)插入電抗器Lsmo。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。該輸入電流IMs成為與M座電壓VM同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。
該輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝ITL-ITc*＝ITL-(ITL-ITs*)＝ITs*。該輸入電流ITs成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。其中，T座負(fù)載電流成為ITL＝0。
上述斯科特接線變壓器TR的M座、T座的電流IMs和ITs成為相同的振幅值Ism*，相位錯(cuò)開90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。
其結(jié)果，不僅能夠減輕上述斯科特接線變壓器TR1的容量，還能夠減輕第1交流電源SUP1的設(shè)備或者N/G裝置的容量。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd低于指令值Vd*的情況下，上述波峰值指令I(lǐng)Sm*增加，來自交流電源SUP1的供給功率Ps1增加，大于負(fù)載功率PL(av)，Ps1-PL(av)的部分在上述直流平滑電容器Cd中作為能量存儲(chǔ)。其結(jié)果Vd增加，控制成Vd＝Vd*。反之，在成為Vd＞Vd*的情況下，波峰值指令I(lǐng)sm*減小，成為Ps1＜PL(av)，減少直流平滑電容器Cd的存儲(chǔ)能量，也控制成Vd＝Vd*。
圖7表示與交流饋電線Fa連接的電車動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。T座負(fù)載電流ITL＝0，M座負(fù)載電流IML成為對于電壓VM滯后一些的相位θ。負(fù)載功率PL＝VM×IML×cosθ，如果假設(shè)損失非常小，則與輸入功率Ps＝VM×IMs+VT×ITs相等。M座的有效功率PMs與T座的有效功率PTs相等，從斯科特接線變壓器的M座繞組供給負(fù)載功率PL的一半，從T座繞組供給剩下的一半。
從T座繞組供給的功率PTs＝PL/2由第2電壓型自激式電力變換器CNV2再生，供給到直流平滑電容器Cd。即，成為ITc＝-ITs。
進(jìn)而，其功率PL/2經(jīng)過第1電壓型自激式電力變換器CNV1供給到單相交流饋電線Fa。這時(shí)，包括負(fù)載的無效功率QL＝VM×ILN×sinθ在內(nèi)，也從上述第1電壓型自激式電力變換器CNV1供給，從斯科特接線變壓器TR的M座繞組只供給有效功率PMs＝PL/2。
圖8表示與交流饋電線Fa連接的電車Load再生運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。再生功率PL的一半在斯科特接線變壓器TR的M座繞組中流過，剩下的一半經(jīng)過第1電壓型自激式電力變換器CNV1→直流平滑電容器Cd→第2電壓型自激式電力變換器CNV2，在T座繞組中流過。這時(shí)，負(fù)載的無效功率QL由第1電壓型自激式電力變換器CNV1補(bǔ)償。
圖9表示在M座采取動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果，(a)的波形表示M座的電壓VM、T座的電壓VT，(b)的波形表示M座的負(fù)載電流IML、T座的負(fù)載電流ITL，(c)的波形表示M座的補(bǔ)償電流IMc、T座的補(bǔ)償電流ITc，(d)的波形表示M座的輸入電流IMs、T座的輸入電流ITs。如用該(b)的波形所示，T座的負(fù)載電流ITL成為ITL≈0，M座補(bǔ)償電流IMc成為動(dòng)力運(yùn)行，T座補(bǔ)償電流ITc成為再生電流。其結(jié)果斯科特接線變壓器TR的M座的繞組電流IMs與T座的繞組電流ITs的振幅相等，而且電壓波形的相位錯(cuò)開90°。即，被控制成平衡了M座的繞組電流IMs和T座的繞組電流ITs的正弦波電流。
第2實(shí)施方式圖10是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。
圖中，SUP1表示三相交流電源，TR表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，CNV1、CNV2表示電壓型自激式電力變換器，Cd表示直流平滑電容器，Lf、Cf表示構(gòu)成LC濾波器的電抗器和電容，CONT1表示由上述電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的控制單元。
斯科特接線變壓器TR把三相交流電源Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM與VT具有90°的相位差。
M座輸出連接到單相交流饋電線Fa，T座成為開路(無負(fù)載)。第1電壓型自激式電力變換器CNV1的單相輸出端子連接到M座端子，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子連接到T座端子。決定電抗器Lf值和電容器Cf的值，使LC濾波器(Lf、Cf)在交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍頻率上諧振。
補(bǔ)償電流控制單元CONT1由直流電壓控制電路Vd-Cont、補(bǔ)償電流指令電路Ic-Ref、電流控制電路IMc-Cont、ITc-Cont以及脈寬調(diào)制控制電路PWM1、PWM2構(gòu)成。
直流電壓控制電路Vd-Cont檢測施加到上述直流平滑電容器Cd上的電壓Vd，與指令值Vd*進(jìn)行比較，通過把它們的差放大，作為輸入電流的波峰值指令I(lǐng)sm*。
補(bǔ)償電流值令電路Ic-Ref通過在該波峰值指令I(lǐng)sm*上乘以與上述二相電壓VM、VT同步的單位正弦波sinωt、cosωt，生成輸入電流指令值IMs*和Its*。
IMs*＝Ism*×sinωtITs*＝Ism*×cosωt接著，檢測二相負(fù)載電流IML、ITL，通過從該負(fù)載電流檢測值IML、ITL分別減去上述輸入電流指令值IMs*、ITs*，生成從電力變換器CNV1以及CNV2發(fā)生的補(bǔ)償電流的指令值IMc*、ITc*。
IMc*＝IML-IMs*ITc*＝ITL-ITs*但在這種情況下，由于T座的負(fù)載電流ITL＝0，因此ITc*＝-ITs*。
電流控制電路IMc-Cont把補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述指令值IMc*進(jìn)行比較，放大它們的差，生成電壓指令值e1*，輸入到電力變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。電力變換器CNV1輸出與上述電壓指令值e1*成比例的電壓VMc，進(jìn)行控制使補(bǔ)償電流IMc與其指令值IMc*一致。其結(jié)果，M座的輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IMs*。
也同樣控制T座的電流控制電路ITc-Cont，成為ITc＝ITc*，T座的輸入電流ITs也成為ITs＝ITs*。
即，斯科特接線變壓器TR的M座以及T座的電流IMs、ITs的波峰值是相同的ISm*，被控制成與各自的電壓VM、VT同相的正弦波電流。其結(jié)果，成為從上述交流電源SUP1僅供給三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流，能夠在電源系統(tǒng)中構(gòu)筑良好的系統(tǒng)。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，增加上述波峰值指令I(lǐng)sm*，增加來自交流電源SUP1的供給功率Ps，成為比負(fù)載功率PL大，Ps-PL的部分在上述直流平滑電容器Cd中作為能量存儲(chǔ)。其結(jié)果，Vd增加，被控制成Vd＝Vd*。反之，在Vd＞Vd*的情況下，減少波峰值指令I(lǐng)sm*，成為Ps＜PL，減少直流平滑電容器Cd的存儲(chǔ)能量，也被控制成Vd＝Vd*。
圖11表示與單相交流饋電線Fa連接的例如新干線負(fù)載Load的電壓VM、電流IML、電力PL以及直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd的波形例。
負(fù)荷電流IML對于M座電壓VM僅滯后相位角θ。單相負(fù)載功率PL對于交流饋電線的頻率f1＝60Hz，以其2倍的頻率(120Hz)變動(dòng)。
即，當(dāng)M座電壓VM＝Vsm×sinωt，負(fù)載電流IML＝ILm×sin(ωt-θ)時(shí)，功率PL成為PL＝Vsm×sinωt×ILm×sin(ωt-θ)＝(Vsm×ILm/2){cosθ-cos(2·ωt-θ)}第1項(xiàng)是恒定值，與從上述交流電源SUP1經(jīng)過斯科特接線變壓器TR供給的功率Ps一致。第2項(xiàng)是功率變動(dòng)部分ΔPL，以電源頻率的2倍的頻率變動(dòng)。
在用直流平滑電容器Cd吸收伴隨著該單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL的情況下，施加到該直流平滑電容器Cd上的電壓Vd的變動(dòng)部分ΔVd與負(fù)載功率PL成比例，與直流平滑電容器Cd的容量成反比。
即，在直流平滑電容器Cd中流過的電流Icap當(dāng)把直流電壓的平均值記為Vdo時(shí)，成為IcapΔPL/Vdo＝-{Vsm×ILm/(2·Vdo)}·cos(2·ωt-θ)因此，直流電壓Vd的變動(dòng)部分ΔVd成為ΔVd＝(1/Cd)∫Icap·dt-{Vsm×ILm/(4·Vdo·ω·Cd)}×sin(2·ωt-θ)例如，在電源頻率f1＝60Hz，負(fù)載功率PL＝20MW(功率因數(shù)＝0.95)，直流電壓Vdo＝8kV，Cd＝10mF時(shí)，直流平滑電容器Cd中流過的電流Icap的峰值成為Icap(peak)＝20MW/0.95/8kV≈2632A，這時(shí)的電壓變動(dòng)ΔVd是峰值，成為ΔVd(peak)≈349V。
直流電壓的變動(dòng)ΔVd對第1以及第2自激式電力變換器CNV1、CNV2的補(bǔ)償電流控制產(chǎn)生影響，帶來補(bǔ)償電流的畸變。為了把直流電壓變動(dòng)ΔVd抑制為很小，需要加大電容器Cd的容量，而如果使Cd的容量過大，則成為不經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。
在圖10的實(shí)施方式中，在上述直流平滑電容器Cd上并聯(lián)連接使諧振頻率與上述單相交流饋電線的頻率的2倍附近一致的LC濾波器。
例如，在電源頻率f1＝60Hz時(shí)，準(zhǔn)備使諧振頻率與2×f1＝120Hz一致的LC濾波器。即，當(dāng)Cf＝4mF時(shí)，Lf＝0.44mH。由該LC濾波器電路吸收上述Icap，抑制上述直流電壓的變動(dòng)ΔVd。另外，雖然為了吸收伴隨著電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2的PWM控制的高次諧波電流，不能夠沒有直流平滑電容器Cd，但能夠大幅度減少Cd的容量，可謀求裝置的體積小、重量輕和降低成本。
如上所述，通過用LC濾波器吸收伴隨著以交流饋電線的頻率的2倍變動(dòng)的單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL，來抑制上述直流電壓的變動(dòng)ΔVd。其結(jié)果，能夠減小直流平滑電容器Cd的容量，而且能夠大幅度地降低直流電壓的變動(dòng)ΔVd。在負(fù)載急劇變化等過渡時(shí)雖然擔(dān)憂由LC濾波器引起的電振蕩現(xiàn)象，然而由于通過上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行直流電壓控制，因此能夠提供起到使電振蕩衰減的阻尼作用的穩(wěn)定的系統(tǒng)。
第3實(shí)施方式圖12是表示本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)的從上述第1以及第2自激式電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的控制單元的第3實(shí)施方式的框圖。
圖中，Kff表示比例元件，C1～C3表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，M1、M2表示乘法器，AD1～AD5表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2是脈寬調(diào)制控制電路。
單相負(fù)載Load的功率PL以交流饋電線的頻率f1的2倍頻率變動(dòng)。把該負(fù)載功率PL的檢測值進(jìn)行時(shí)間平均，求負(fù)載功率的平均值PL(av)。接著，經(jīng)過比例元件Kff，生成與上述負(fù)載功率平均值PL(av)成比例的前向補(bǔ)償?shù)挠行щ娏鞑ǚ逯抵噶領(lǐng)smff*。
在從斯科特接線變壓器TR的M座以及T座繞組分別各供給一半負(fù)載功率PL的情況下，上述波峰值指令I(lǐng)smff當(dāng)把電壓VM以及VT波峰值作為Vsm時(shí)，成為如下所示。即成為PL(av)＝VM×IMs+VT×ITs＝Vsm·sinωt×Ismff·sinωt+Vsm·cosωt×Ismff·cosωt＝Vsm·Ismf f由此求出Ismff*＝PL(av)/Vsm因此，Kff＝1/Vsm。
另一方面，由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，生成另外的輸入電流的波峰值指令I(lǐng)smo*。
進(jìn)而，由加減法器AD5，把來自電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)的輸出信號(hào)Ismo*與上述比例元件Kff的輸出信號(hào)Ismff*相加，生成新的有效電流波峰值指令I(lǐng)sm*＝Ismo*+Ismff*。
乘法器M1求解與斯科特接線變壓器TR的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt，乘以上述輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*，輸出輸入電流指令I(lǐng)Ms*＝Ism*×sinωt。另外，乘法器M2求解與斯科特接線變壓器TR的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，乘以上述輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*，輸出輸入電流指令I(lǐng)Ts*＝Ism*×cosωt。
由加減法器AD1，從M座負(fù)載電流IML的檢測值減去上述M座輸入電流指令值IMs*，求解M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。
同樣，由加減法器AD3，從T座負(fù)載電流ITL的檢測值減去上述T座輸入電流指令值ITs*，求T解座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把該信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。該輸入電流IMs成為與M座電壓VM同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。
該輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝ITL-ITc*＝ITL-(ITL-ITs*)＝ITs*。該輸入電流ITs成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。其中，T座負(fù)載電流成為ITL＝0。
上述斯科特接線變壓器TR的M座、T座的電流IMs和ITs成為相同的振幅值Ism*，相位錯(cuò)開90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，上述波峰值指令I(lǐng)smo*增加，來自交流電源SUP1的供給功率Ps增加，成為比負(fù)載功率PL大，Ps-PL的部分在上述直流平滑電容器Cd中作為能量存儲(chǔ)。其結(jié)果，Vd增加，被控制成Vd＝Vd*。反之，在Vd＞Vd*的情況下，波峰值指令I(lǐng)smo*減少，成為Ps＜PL，減少直流平滑電容器Cd的存儲(chǔ)能量，也被控制Vd＝Vd*。
在負(fù)載功率PL急劇變化的情況下，與該負(fù)載功率平均值PL(av)成比例的前向補(bǔ)償?shù)挠行щ娏鞑ǚ逯抵噶領(lǐng)smff*也變化，能夠盡早地提供與負(fù)載功率平均值PL(av)一致的二相平衡有效電流指令值IMs*、ITs*，能夠抑制過渡時(shí)的直流電壓Vd的變動(dòng)。
第4實(shí)施方式圖13是表示本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)補(bǔ)償電流的控制單元的第4實(shí)施方式的框圖。圖中，C1～C3表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，INV表示反相電路，M2表示乘法器，Km表示比例元件，AD2、AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，經(jīng)過反相電路INV，生成T座的有效電流波峰值指令I(lǐng)Tcm*。
求與斯科特接線變壓器TR的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，由后面的乘法器M2乘以上述輸入電流波峰值指令I(lǐng)Tcm*的反相值，輸出T座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITcm*×cosωt。
另一方面，使M座負(fù)載電流IML的檢測值經(jīng)過比例元件Km，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*。能夠在0～1之間選擇比例常數(shù)Km，例如取為Km＝0.5。即，M座補(bǔ)償電流指令指令值成為IMc*＝IML/2。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-IML/2＝IML/2。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。
該輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，因?yàn)門座負(fù)載電流為ITL＝0，從斯科特接線變壓器TR供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝-ITc*＝-ITcm*×cosωt。該輸入電流ITs成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，偏差εv成為正的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償電流的波峰值指令I(lǐng)Tcm*以負(fù)的值增加，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的補(bǔ)償電流ITc＝-ITs與T座電壓VT反相流過。其結(jié)果從斯科特接線變壓器TR的T座繞組經(jīng)過第2電壓型自激式電力變換器CNV2，在直流平滑電容器Cd上供給有效功率PTs＝VT×ITs，使直流電壓Vd上升。
反之，在Vd＞Vd*時(shí)，偏差εv成為負(fù)的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償電流的波峰值指令I(lǐng)Tcm*以正的值增加，補(bǔ)償電流ITc＝-ITs，與T座電壓VT同相增加，有效功率PTs從直流平滑電容器Cd返回到T座繞組。其結(jié)果，控制成Vd＝Vd*。
圖14表示由圖13的控制單元控制的情況下的動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)的電壓·電流矢量圖。M座負(fù)載電流IML比M座電壓VM滯后相位角θ流過。當(dāng)取為Km＝0.5時(shí)，來自第1電壓型自激式電力變換器CNV1的補(bǔ)償電流IMc被控制成IMc＝IML/2。由此，直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd降低，成為Vd*＞Vd。T座的補(bǔ)償電流波峰值指令I(lǐng)Tcm*以負(fù)的值增加，對于電壓VT流過反相的補(bǔ)償電流ITc。T座繞組的電流ITs是補(bǔ)償電流ITc的反相值，所以從T座繞組經(jīng)過第2電壓型自激式電力變換器CNV2向直流平滑電容器Cd供給功率PTs，控制成Vd*＝Vd。
從M座繞組供給的電流IMs成為IMs＝IML-IMc＝IML/2。對于T座輸入電流ITs，M座輸入電流IMs的相位成為(90°+θ)，雖然殘存一些電流不平衡，但是補(bǔ)償電流IMc可以負(fù)擔(dān)負(fù)載電流IML的無效成分的一半，能夠抑制電力變換器CNV1的容量。
第5實(shí)施方式圖15是表示本發(fā)明的補(bǔ)償電流控制單元的其它例子的第5實(shí)施方式的框圖。圖中，C1～C3表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，INV表示反相電路，M2、M3表示乘法器，Km、Kp表示比例元件，AD2、AD4、AD5表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，經(jīng)過反相電路INV，生成T座的有效電流波峰值指令I(lǐng)Tpm*。
求與斯科特接線變壓器TR的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，由后面的乘法器M2乘以上述有效電流波峰值指令I(lǐng)Tpm*，輸出T座有效補(bǔ)償電流指令值ITcp*＝ITpm*×cosωt。
另外，檢測負(fù)載的無效功率QL，生成與其時(shí)間平均值QL(av)成比例的T座無效電流波峰值指令I(lǐng)Tqm*。Kp是這時(shí)的比例常數(shù)，例如，提供比例常數(shù)Kp以便負(fù)擔(dān)負(fù)載的無效功率QL(av)的一半。求與斯科特接線變壓器TR的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt，由后面的乘法器M3，乘以上述無效電流波峰值指令I(lǐng)Tqm*，輸出T座無效補(bǔ)償電流指令I(lǐng)Tcq*＝ITqm*×sinωt。
接著，由加減法器AD5，把上述T座有效補(bǔ)償電流指令I(lǐng)Tcp*與T座無效補(bǔ)償電流指令I(lǐng)Tcq*相加，求T座的補(bǔ)償電流指令值ITc*。
另一方面，使M座負(fù)載電流IML的檢測值經(jīng)過比例元件Km，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*。能夠在0～1之間選擇比例常數(shù)Km，在此取Km＝0.5。因此，M座補(bǔ)償電流指令指令值成為IMc*＝IML/2。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-IML/2＝IML/2。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述T座補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。該輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，因?yàn)門座負(fù)載電流成為ITL＝0，所以從斯科特接線變壓器TR供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝-ITc*＝-(ITpm*×cosωt+Itqm*×sinωt)。該輸入電流ITs對于T座電壓VT僅滯后負(fù)載功率因素角θ。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，偏差εv成為正的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償有效電流的波峰值指令I(lǐng)Tpm*以負(fù)的值增加，T座輸入電流ITs＝-ITc的有效成分增加，從斯科特接線變壓器TR的T座繞組經(jīng)過第2電壓型自激式電力變換器CNV2，在直流平滑電容器Cd上供給有效功率PTs，使直流電壓Vd上升。
反之，在Vd＞Vd*時(shí)，偏差εv成為負(fù)的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償電流的波峰值指令I(lǐng)Tpm*以正的值增加，輸入電流ITs＝-ITc的有效成分為負(fù)，有效功率PTs從直流平滑電容器Cd返回到T座繞組。其結(jié)果，控制成Vd＝Vd*。
圖16表示由圖15的控制單元所控制的情況下的動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)的電壓·電流矢量圖。M座負(fù)載電流IML比M座電壓VM僅滯后相位角θ流過。當(dāng)取Km＝0.5時(shí)，來自第1電壓型自激式電力變換器CNV1的補(bǔ)償電流IMc被控制成IMc＝IML/2。從M座繞組供給的電流IMs成為IMs＝IML-IMc＝IML/2。IMc＝IMs對于M座電壓VM，僅滯后負(fù)載功率角θ。
另一方面，提供T座補(bǔ)償電流ITc的有效成分使直流電壓Vd與指令值Vd*一致，在Vd＝Vd*的穩(wěn)定狀態(tài)下，與上述M座補(bǔ)償電流IMc的有效成分的反相值相等。進(jìn)而，如果把T座補(bǔ)償電流ITc的無效成分如上所述設(shè)定為負(fù)載電流IML的無效成分的1/2，則T座補(bǔ)償電流ITc對于M座補(bǔ)償電流IMc，成為振幅相同，滯后相位角90°。
T座輸入電流Its因?yàn)槭荌Ts＝ITc，所以對于M座輸入電流IMs，成為振幅相同，超前相位角90°，對于T座電壓，僅滯后相位角θ。
其結(jié)果，平衡斯科特接線變壓器TR的M座以及T座繞組的電流，從三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的電流。
如果依據(jù)本控制方式，則M座以及T座繞組的電流IMs、ITs雖然成為滯后負(fù)載功率角θ的相位，但是成為被二相平衡了的電流。另外，補(bǔ)償電流IMc、ITc的振幅一致，能夠把兩臺(tái)電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2設(shè)定成相同的容量。
第6實(shí)施方式圖17是表示本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)中的補(bǔ)償電流控制單元的第6實(shí)施方式的框圖。圖中，C1～C3表示比較器，GV(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，INV表示反相電路，M1、M2表示乘法器，KL表示比例元件，AD2～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，生成T座的有效電流波峰值指令I(lǐng)Tsm*。
求與斯科特接線變壓器TR的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，由后面的乘法器M2乘以上述輸入電流波峰值指令I(lǐng)Tsm*，求T座輸入電流指令值ITs*＝ITsm*×cosωt。由加減法器AD3，生成M座補(bǔ)償電流指令電值ITc*＝ITL-ITs*。其中，由于T座負(fù)載電流ITL＝0，因此成為ITc*＝-ITs*。
另一方面，檢測負(fù)載功率PL＝VM×IML×cosθ，求其時(shí)間平均值PL(av)。經(jīng)過比例元件KL，例如在取為KL＝0.5時(shí)，把相當(dāng)于該負(fù)載功率平均值PL(av)1/2的部分作為M座補(bǔ)償有效電流的波峰值指令I(lǐng)Mcm*，由乘法器M1，乘以與M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IMcm*×sinωt。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc的情況下，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*。在補(bǔ)償電流IMc中由于不包括無效成分，因此M座輸入電流IMs中包括負(fù)載電流IML的有效成分的一半和所有IML的無效成分。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。
該輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc的情況下，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，T座負(fù)載電流成為ITL＝0，從斯科特接線變壓器TR供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝-ITc*＝-ITcm*×cosωt。該T座輸入電流ITs被控制成對于T座電壓VT同相的正弦波電流。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，偏差εv成為正的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償電流的波峰值指令I(lǐng)Tpm*以負(fù)的值增加。同時(shí)，T座輸入電流ITs＝-ITc增加，從斯科特接線變壓器TR的T座繞組經(jīng)過第2電壓型自激式電力變換器CNV2，在直流平滑電容器Cd上供給有效功率PTs，使直流電壓Vd上升。
反之，在Vd＞Vd*時(shí)，偏差εv成為負(fù)的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償電流的波峰值指令I(lǐng)Tcm*以正的值增加，輸入電流ITs＝-ITc的有效成分為負(fù)，有效功率PTs從直流平滑電容器Cd返回到T座繞組。其結(jié)果，控制成Vd＝Vd*。
圖18表示由圖17的控制單元控制的情況下的動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)的電壓·電流矢量圖。M座負(fù)載電流IML比M座電壓VM滯后相位角θ流過。來自第1電壓型自激式電力變換器CNV1的補(bǔ)償電流IMc被控制成與M座電壓同相。從M座繞組供給的電流IMs成為IMs＝IML-IMc，控制成包括負(fù)載電流IML的有效成分的一半和所有的IML的無效成分。
另一方面，提供T座補(bǔ)償電流ITc的有效成分，使得直流電壓Vd與指令值Vd*一致，在Vd＝Vd*的穩(wěn)定狀態(tài)下，對于上述M座補(bǔ)償電流IMc成為振幅相同，相位滯后了90度的矢量。T座輸入電流ITs是ITs＝-ITc，被控制成對于T座電壓VT同相的正弦波。
如果依據(jù)本控制方式，則M座以及T座的補(bǔ)償電流IMc、ITc成為負(fù)載電流IML的有效成分的KL＝0.5倍，能夠把兩臺(tái)電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2設(shè)定成相同的容量，不需要補(bǔ)償負(fù)載的無效功率QL。其結(jié)果能夠謀求降低自激式電力變換器CNV1、CNV2的容量。
第7實(shí)施方式圖19是表示本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)中的補(bǔ)償電流控制單元的又一個(gè)例子的第7實(shí)施方式的框圖。圖中，C1～C3表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，INV表示反相電路，M1、M2表示乘法器，KL表示比例元件，AD1～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，生成T座輸入電流的波峰值指令I(lǐng)Tsm*。
求與斯科特接線變壓器TR的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，由后面的乘法器M2乘以上述波峰值指令I(lǐng)Tsm*，求T座補(bǔ)償電流指令值ITs*＝ITsm*×cosωt。由加減法器AD3生成M座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。其中，由于T座負(fù)載電流ITL＝0，因此成為ITc*＝-ITs*。
另一方面，檢測負(fù)載功率PL＝VM×IML×cosθ，求其時(shí)間平均值PL(av)。經(jīng)過比例元件KL，例如在取為KL＝0.5時(shí)，把相當(dāng)于該負(fù)載功率平均值PL(av)的1/2的部分作為M座輸入電流的波峰值指令I(lǐng)Msm*，由乘法器M1，乘以與M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt，求M座輸入電流指令值IMs*＝IMsm*×sinωt。
由加減法器AD1從負(fù)載電流IML的檢測值減去上述輸入電流指令值IMs*，生成M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR所供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。即，M座輸入電流IMs被控制成與M座電壓VM同相的正弦波。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。該輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，因?yàn)門座負(fù)載電流為ITL＝0，所以從斯科特接線變壓器TR所供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝-ITc*＝-ITcm*×cosωt。該輸入電流ITs被控制成對于T座電壓VT同相的正弦波電流。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，偏差εv成為正的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償有效電流的波峰值指令I(lǐng)Tcm*以負(fù)的值增加。因此，T座輸入電流Its＝-ITc增加，從斯科特接線變壓器TR的T座繞組經(jīng)過第2電壓型自激式電力變換器CNV2，在直流平滑電容器Cd上供給有效功率PTs，使直流電壓Vd上升。
反之，在Vd＞Vd*時(shí)，偏差εv成為負(fù)的值，把其放大·反相了的上述T座補(bǔ)償電流的波峰值指令I(lǐng)Tcm*以正的值增加，輸入電流ITs＝-ITc的有效成分為負(fù)，有效功率PTs從直流平滑電容器Cd返回到T座繞組。其結(jié)果，直流電壓Vd減少，控制成Vd＝Vd*。
圖20表示由圖19的控制單元控制時(shí)的動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)的電壓·電流矢量圖。M座繞組的電流IMs以及T座繞組的電流ITs被控制成分別與M座電壓VM以及T座的電壓VT同相。在成為直流電壓Vd＝Vd*的穩(wěn)定狀態(tài)下，其振幅值也一致，成為被二相平衡了的正弦波電流，從三相交流電源SUP1供給的三相電流也成為平衡了的正弦波電流。
第8實(shí)施方式圖21是表示本發(fā)明第8實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。圖中，SUP1表示三相交流電源，TR表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，CNV1、CNV2表示電壓型自激式電力變換器，Cd表示平滑電容器，ESS表示蓄能裝置。
斯科特接線變壓器TR把三相交流電源Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM與VT具有90°的相位差。另外，作為把三相電壓變換為二相電壓的變壓器的接線方法，有變形伍得布里奇接線變壓器等。
M座輸出連接到單相交流饋電線Fa，T座成為開路(無負(fù)載)。第1電壓型自激式電力變換器CNV1的單相輸出端子連接到M座端子，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子連接到T座端子。在該第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2的直流側(cè)端子上連接平滑電容器Cd，進(jìn)而，并聯(lián)連接與該直流平滑電容器Cd進(jìn)行能量授受的蓄能裝置ESS。
第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2與在圖3以及圖4中說明過的部件同樣構(gòu)成。為了加大容量和降低高次諧波，使用輸出變壓器TRm、TRt，進(jìn)行串聯(lián)(或者并聯(lián))復(fù)合運(yùn)行。
蓄能裝置ESS例如由雙向斷路器CHO、直流電抗器Ld以及雙電荷層電容EDLC構(gòu)成。
圖22表示其蓄能裝置ESS的主電路結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式。圖中，Cd表示直流平滑電容器，CHO表示雙向斷路器，Ld表示直流電抗器，EDLC表示雙電荷層電容。
雙向斷路器由自消弧元件Sx、Sy，高速二極管Dx、Dy構(gòu)成，通過PWM控制，控制輸出電壓Vcho。即，當(dāng)把直流平滑電容器Cd上的施加電壓記為Vd時(shí)，成為Sx接通(Sy斷開)時(shí)，Vcho＝+VdSy接通(Sx斷開)時(shí)，Vcho＝0。
該輸出電壓Vcho的平均值Vcho(av)對于斷路器的開關(guān)周期T，當(dāng)把自消弧元件Sx的接通周期記為Ton(Sy的接通周期成為T-Ton)時(shí)，成為Vcho(av)＝(Ton/T)×Vd。
雙電荷層電容EDLC是大容量的電容器，具有能夠快速充放電，壽命長等特征。施加到該雙電荷層電容EDLC上的電壓Ved比施加到上述直流平滑電容器Cd上的電壓Vd低。
在直流電抗器Ld中，施加雙向斷路器CHO的輸出電壓Vcho與雙電荷層電容EDLC的電壓Ved的差電壓，通過調(diào)整該差電壓(Vcho-Ved)，能夠控制直流電抗器Ld的電流Ied。
圖23表示控制圖21的裝置中的第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2的補(bǔ)償電流控制電路CONT1，圖24表示控制雙向斷路器裝置CHO的充放電電流控制電路CONT2。圖中，C1～C5表示比較器，Gv(S)、H(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，M1、M2表示乘法器，F(xiàn)e(x)表示電壓指令發(fā)生器，DV表示除法器，AD1～AD4、AD6～AD8表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)、Gi3(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1～PWM3表示脈寬調(diào)制控制電路。
如以下那樣控制從第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc。
由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，生成輸入電流的波峰值指令I(lǐng)sm*。
乘法器M1求與斯科特接線變壓器TR的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt，乘以上述輸入電壓波峰值指令I(lǐng)sm*，輸出輸入電流指令I(lǐng)Ms*＝Ism*×sinωt。
乘法器M2求與斯科特接線變壓器TR的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，乘以上述輸入電壓波峰值指令I(lǐng)sm*，輸出輸入電流指令I(lǐng)Ts*＝Ism*×cosωt。
由加減法器AD1從M座負(fù)載電流IML的檢測值減去上述M座輸入電流指令值IMs*，求解M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。
同樣，由加減法器AD3從T座負(fù)載電流ITL的檢測值減去上述T座輸入電流指令值ITs*，生成T座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。當(dāng)然，在上述單相變壓器TRm的漏電感小的情況下，有時(shí)也在該變壓器TRm的一次或者二次繞組一側(cè)串聯(lián)插入電抗器Lsmo。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。該輸入電流IMs成為與M座電壓VM同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把該信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。該輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流IMc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝ITL-ITc*＝ITL-(ITL-ITs*)＝ITs*。該輸入電流ITs成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。其中，T座負(fù)載電流ITL＝0。
上述斯科特接線變壓器TR的M座、T座的電流IMs和ITs成為相同的振幅值Ism*，相位錯(cuò)開了90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因素＝1的正弦波電流。
另一方面，蓄能裝置ESS的雙向斷路器CHO由圖24所示的控制電路CONT2進(jìn)行如下的控制。首先，檢測負(fù)載功率PL，求其時(shí)間平均值PL(av)，輸入到電壓指令發(fā)生器Fe(x)。電壓指令發(fā)生器Fe(x)依照該負(fù)載功率PL(av)，提供從交流電源SUP1供給的有效功率指令Pso*。
另外，檢測雙電荷層電容EDLC上的施加電壓Ved，由比較器C4，求與指令值Ved*的偏差εed＝Ved*-Ved。通過把該偏差εed積分，求補(bǔ)償功率指令ΔPs*，輸入到加減法器AD6。
在加減法器AD6中，把來自上述功率指令發(fā)生器Fe(x)的輸出信號(hào)Pso*與上述補(bǔ)償功率指令ΔPs*相加，生成從上述交流電源SUP1供給的有效功率的指令Ps*＝Pso*+ΔPs*。
進(jìn)而，由后面的加減法器AD7，取得負(fù)載功率檢測值PL(av)與上述有效功率指令值Ps*的差，生成從雙電荷層電容EDLC輸出的有效功率指令值Ped*＝PL(av)-Ps*。除法器DV用EDLC上的施加電壓Ved除上述有效功率指令值Ped*，求在直流電抗器Ld中流過的電流的指令值Ied*。
由比較器C5生成該電流指令值Ied*與在上述直流電抗器Ld中流過的電流Ied的檢測值的偏差εied＝Ied*-Ied，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi3(S)，把該偏差εied反相放大，把其輸出信號(hào)e3*輸入到加減法器AD8。在加減法器AD8中，在上述信號(hào)e3*上加入與雙電荷層電容EDLC的電壓Ved相當(dāng)?shù)男盘?hào)Eed*，把控制信號(hào)echo輸入到斷路器裝置CHO的脈寬調(diào)制控制電路PWM3中。脈寬調(diào)制控制電路PWM3向斷路器裝置的自消弧元件Sx、Sy傳送選通信號(hào)，從斷路器裝置CHO發(fā)生與上述輸入信號(hào)echo*成比例的電壓Vcho。
在Ied*＞Ied時(shí)，上述偏差εied成為正的值，把其反相放大了的信號(hào)e3*成為負(fù)的值，使向上述PWM控制電路PWM3的控制信號(hào)echo*減少。其結(jié)果，斷路器裝置CHO的輸出電壓Vcho減少，直流電抗器Ld上的施加電壓Ved-Vcho增加，使電流Ied增加。
反之，在Ied*＜Ied時(shí)，上述偏差εied成為負(fù)的值，把其反相放大了的信號(hào)e3*成為正的值，使向上述PWM控制電路PWM3的控制信號(hào)echo*增加。其結(jié)果，斷路器裝置CHO的輸出電壓Vcho增加，直流電抗器Ld上的施加電壓Ved-Vcho減少，使電流Ied減少。
這樣，在直流電抗器Ld中流過的電流Ied被控制成與其指令值Ied*相一致。
例如，使來自電壓指令發(fā)生器Fe(x)的輸出信號(hào)Pso*恒定，取補(bǔ)償信號(hào)ΔPs*＝0時(shí)，從交流電源SUP1供給的有效功率的指令值Ps*＝Pso*+ΔPs*成為恒定，如果增加動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載功率PL(av)，則從蓄能裝置ESS供給的功率指令值Ped*＝PL(av)-Ps*增加，使直流電抗器Ld的電流Ied＝Ied*沿著圖21的箭頭方向(放電方向)增加。其結(jié)果，雙電荷層電容EDLC的存儲(chǔ)能量減少，其施加電壓Ved也下降。
其結(jié)果，成為Ved*＞Ved，其偏差εed成為正的值，使電壓控制補(bǔ)償電路H(S)的輸出信號(hào)ΔPs*逐漸增加，增加從交流電源SUP1供給的有效功率的指令值Ps*。從而，從蓄能裝置ESS供給的功率指令值Ped*＝PL(av)-Ps*減少，進(jìn)而成為負(fù)的值。所謂Ped*＜0就是Ied＝Ied*也為負(fù)，電流的朝向成為與圖中的箭頭相反。即，充電電流供給到雙電荷層電容EDLC，使電壓Ved逐漸升高。最終控制成Ved＝Ved*。在雙電荷層電容EDLC的容量大的情況下，伴隨著上述充放電的施加電壓Ved的變化小，大致成為Ved≈Ved*。
圖25表示圖24的功率指令發(fā)生器Fe(x)的特性例，動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載功率PL(av)達(dá)到PLa以前，作為Pso*＝k·PL(av)提供功率指令值Pso*。其中，k是比例常數(shù)，可以在k＝0～1的范圍內(nèi)選擇。如果作為k＝1提供，則Pso*＝PL(av)，成為從交流電源SUP1提供負(fù)載功率PL(av)的全部有效功率。
如果PL(av)超過設(shè)定值PLa，則有效功率指令值Pso*＝Psa*，成為恒定。這時(shí)，負(fù)載功率PL(av)與從交流電源SUP1供給的功率Pso的差的功率Ped＝PL(av)-Pso由蓄能裝置ESS供給。
另外，在再生運(yùn)行中，直到負(fù)載功率PL(av)到達(dá)-PLb，作為Pso*＝k·PL(av)提供功率指令值Pso*。在k＝1時(shí)，成為Pso*＝PL(av)，進(jìn)行控制以便在交流電源SUP1中把再生負(fù)載功率PL(av)的所有有效功率進(jìn)行再生。
如果再生功率PL(av)超過設(shè)定值-PLb，則有效功率指令值Pso*＝-Psb*，成為恒定。這時(shí)，向蓄能裝置ESS再生Ped＝PL(av)-Pso的功率。
一般，在電氣化鐵路中，動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載的時(shí)間長，再生負(fù)載的時(shí)間短。在圖25的功率指令發(fā)生器Fe(x)的特性中，把動(dòng)力運(yùn)行一側(cè)的上限值Psa*設(shè)定為較大，把再生一側(cè)的下限值Psb*設(shè)定為較小。由此，向蓄能裝置ESS的充放電能量W＝Ped×t平均為0，能夠使雙電荷層電容EDLC上的施加電壓成為Ved＝Ved*。在EDLC上的施加電壓Ved從指令值Ved*偏離的情況下如上所述，修正功率指令ΔPs*發(fā)揮作用，進(jìn)行控制以便逐漸地成為Ved＝Ved*。
另外，如上所述，通過使比例常數(shù)k＝1，負(fù)載功率在-PLb*＜PL(av)＜PLa*的范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，成為Ps＝PL(av)，不需要從蓄能裝置ESS供給功率Ped。即，只有在超過上述設(shè)定值時(shí)，才發(fā)生向雙電荷層電容EDLC的能量授受，而由于在時(shí)間方面是短時(shí)間，因此具有還能夠把該雙電荷層電容EDLC的容量抑制為很小的優(yōu)點(diǎn)。
圖26表示用圖23、圖24的控制電路控制時(shí)的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。T座負(fù)載電流ITL＝0，M座負(fù)載電流IML成為對于電壓VM延遲若干相位θ。負(fù)載功率PL＝VM×IML×cosθ，等于來自交流電源SUP1的供給功率Ps與來自蓄能裝置ESS的供給功率Ped之和。
從交流電源SUP1供給的電流IMs以及ITs被控制成分別與M座電壓VM以及T座電壓VT同相的正弦波，輸入功率Ps成為Ps＝IMs×VM+ITs×VT。另外，從第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2供給的補(bǔ)償電流IMc以及ITc分別成為
IMc＝IML-IMsITc＝ITL-ITs＝-ITs在M座補(bǔ)償電流IMc中，包括從蓄能裝置ESS供給的有效功率Ped，從交流電源SUP1供給Ps＝PL-Ped。
M座有效功率PMs與T座的有效功率PTs相等，從斯科特接線變壓器的M座繞組供給Ps＝PL-Ped的一半，剩下的一半從T座繞組供給。
從T座繞組供給的功率PTs＝Ps/2由第2電壓型自激式功率變換器CNV2再生，供給到直流平滑電容器Cd。即，ITc＝-ITs。
進(jìn)而，其功率與Ps/2經(jīng)過第1電壓型自激式功率變換器CNV1，供給到單相交流饋電線Fa。這時(shí)，包括從蓄能裝置ESS供給的有效功率Ped和負(fù)載的無效功率QL＝VM×IML×sinθ在內(nèi)，從上述第1電壓型自激式功率變換器CNV1供給，從斯科特接線變壓器TR的M座繞組只供給有效功率PMs＝Ps/2。
第1以及第2電壓型自激式功率變換器CNV1、CNV2在M座/T座之間進(jìn)行功率互換，其功率容量相同。然而，在設(shè)置了蓄能裝置ESS的情況下，在該蓄能裝置ESS與單相饋電線之間授受的功率經(jīng)過在單相交流饋電線一側(cè)(M座)連接了交流輸出端子的第1電壓型自激式功率變換器CNV1進(jìn)行授受。
通過把上述第1電壓型自激式功率變換器CNV1的輸出容量設(shè)定為比上述第2電壓型自激式功率變換器CNV2的輸出容量大，能夠增大與蓄能裝置ESS之間授受的功率，能夠增加對于峰值負(fù)載功率的補(bǔ)償量，能夠減少三相交流電源的負(fù)載分擔(dān)。換言之，能夠謀求降低變電站設(shè)備容量。
如上所述，在本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)中，存儲(chǔ)電車負(fù)載的再生能量，通過在動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)釋放其能量，能夠有效利用能量，以及能夠截?cái)鄟碜匀嘟涣麟娫碨UP1的供給功率Ps的峰值。即，能夠?qū)崿F(xiàn)單相拉通交流饋電系統(tǒng)，謀求降低變電站設(shè)備容量以及節(jié)電。
第9實(shí)施方式圖27是表示本發(fā)明第9實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。圖中，SUP1表示三相交流電源，TR表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，CNV1、CNV2表示電壓型自激式功率變換器，Cd表示直流平滑電容器，Lf、Lf表示構(gòu)成LC濾波器的電抗器和電容器，ESS表示蓄能裝置。
與圖21的實(shí)施方式的不同之點(diǎn)在于在直流平滑電容器Cd上并聯(lián)連接LC濾波器。控制方式與在圖21的裝置中說明過的相同。對于M座電壓VM，負(fù)載電流IML滯后相位角θ。單相負(fù)載功率PL對于交流饋電線的頻率f1＝60Hz，按照其2倍的頻率(120Hz)變動(dòng)。
即，當(dāng)M座電壓VM＝Vsm×sinωt，負(fù)載電流IML＝ILm×sin(ωt-θ)時(shí)，功率PL成為PL＝Vsm×sinωt×ILm×sin(ωt-θ)＝(Vsm×ILm/2){cosθ-cos(2·ωt-θ)}第1項(xiàng)是恒定值，與從上述交流電源SUP1經(jīng)過斯科特接線變壓器TR所供給的功率Ps一致。第2項(xiàng)是變動(dòng)部分ΔPL，按照電源頻率的2倍頻率變動(dòng)。
在由直流平滑電容器Cd吸收伴隨著該單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL的情況下，施加到該直流平滑電容器Cd上的電壓Vd的變動(dòng)部分ΔVd與負(fù)載功率PL成正比，與直流平滑電容器Cd的容量成反比。
即，在直流平滑電容器Cd中流過的電流Icap當(dāng)把直流電壓的平均值記為Vdo時(shí)，成為IcapΔPL/Vdo＝-{Vsm×ILm/(2·Vdo)}·cos(2·ωt-θ)因此，直流電壓Vd的變動(dòng)部分ΔVd成為ΔVd＝(1/Cd)∫Icap·dt-{Vsm×ILm/(4·Vdo·ω·Cd)}×sin(2·ωt-θ)例如，在電源頻率f1＝60Hz，負(fù)載功率PL＝20MW(功率因數(shù)＝0.95)，直流電壓Vdo＝8kV，Cd＝10mF時(shí)，在直流平滑電容器Cd中流過的電流Icap的峰值成為Icap(peak)＝20MW/0.95/8kV≈2632A，這時(shí)的電壓變動(dòng)ΔVd是峰值，成為ΔVd(peak)≈349V。
直流電壓的變動(dòng)ΔVd在第1以及第2自激式電力變換器CNV1、CNV2的補(bǔ)償電流控制中產(chǎn)生影響，帶來補(bǔ)償電流的畸變。為了把直流電壓變動(dòng)ΔVd抑制為很小，需要增大電容器Cd的容量，成為不經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。
在圖27的實(shí)施方式中，在上述直流平滑電容器Cd上并聯(lián)連接在上述單相交流饋電線頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。例如，在電源頻率f1＝60Hz的情況下，準(zhǔn)備在2·f1＝120Hz與諧振頻率一致的LC濾波器。即，在取為Cf＝4mF時(shí)，Lf＝0.44mH。由該LC濾波器電路吸收上述Icap，抑制上述直流電壓的變動(dòng)ΔVd。另外，雖然為了吸收伴隨著電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2的PWM控制的高次諧波電流而不能夠省略直流平滑電容器Cd，但是能夠大幅度減少Cd的容量，能夠謀求裝置的體積小、重量輕和降低成本。
如上所述，通過用LC濾波器吸收伴隨著以交流饋電線的頻率的2倍變動(dòng)的單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL，來抑制上述直流電壓的變動(dòng)ΔVd。其結(jié)果能夠減小直流平滑電容器Cd的容量，而且能夠大幅度地降低直流電源的變動(dòng)ΔVd。在負(fù)載急劇變化等的過渡時(shí)，雖然擔(dān)憂由LC濾波器引起的電振蕩現(xiàn)象，然而由于由上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行直流電壓控制，因此起到使電振蕩衰減的阻尼作用，能夠提供穩(wěn)定的系統(tǒng)。
另外，在上述的實(shí)施方式中，說明了在第1電壓型自激式電力變換器CNV1與第2電壓型自激式電力變換器CNV2的連接點(diǎn)之間，連接了直流平滑電容器Cd的例子，而為了達(dá)到本發(fā)明的目的，也并不一定需要之。另外，在上述的實(shí)施方式中，作為構(gòu)成二相電力互換裝置的電力變換器，說明了使用第1電壓型自激式電力變換器CNV1和第2電壓型自激式電力變換器CNV2的情況，但也可以不限于這些器件。
進(jìn)而，在上述的實(shí)施方式中，作為蓄能裝置的結(jié)構(gòu)之一的蓄能單元，作為例子舉出了雙電荷層電容，但并不限于此，還能夠使用可快速充放電的二次電池等。
在上述的實(shí)施方式中，作為把三相電力變換為二相電力的變壓器，作為例子舉出了斯科特接線變壓器，但不一定限于這種變壓器。
第10實(shí)施方式圖28是本發(fā)明第10實(shí)施方式的電鐵道交流饋電系統(tǒng)的框圖。圖中，SUP1是第1交流電源，SUP0、SUP2是第2交流電源，M/G是旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(M/G裝置)，TR1是斯科特接線變壓器、Fa是單相交流饋電線，Load是電車負(fù)載，TRm、TRt是單相變壓器，CNV1、CNV2是電壓型自激式電力變換器，Cd是直流平滑電容器，Lf、Cf是構(gòu)成LC濾波器的電抗器和電容器，TR2是三相變壓器，REC是二極管整流器，CONT1是控制從電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的補(bǔ)償電流控制單元。
補(bǔ)償電流控制單元CONT1由直流電壓控制電路Vd-CONT、補(bǔ)償電流指令發(fā)生電路Ic-ref、補(bǔ)償電流控制電路IMc-CONT、ITc-CONT以及脈寬調(diào)制控制電路PWM1、PWM2構(gòu)成。
M/G裝置在第2交流電源SUP0(三相-50Hz)與第1交流電源SUP1(三相-60Hz)之間進(jìn)行頻率變換。該M/G裝置設(shè)置在頻率變換所內(nèi)，從第1交流電源SUP1(三相-60Hz)到變電站用交流輸電線輸電。即，一般，頻率變換所與設(shè)置了其下級設(shè)備的變電站相距一定的距離。
斯科特接線變壓器TR1把第1交流電源SUP1的三相交流電壓Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM和VT具有90°的相位差。另外，作為把三相電壓變換為二相電壓的變壓器的接線方法，有變形伍德布里奇接線變壓器等。
M座輸出連接到單相交流饋電線Fa，T座成為開路(無負(fù)載)。第1電壓型自激式電力變換器CNV1的單相輸出端子連接到M座端子，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子連接到T座端子。另外，在第2交流電源SUP2(三相-50Hz)上，經(jīng)過三相變壓器TR2，連接二極管整流器REC的交流端子，在上述直流平滑電容器Cd上連接該二極管整流器REC的直流輸出端子。LC濾波器(Lf、Cf)選擇電抗器Lf和電容器Cf的值，使其在交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍的頻率上諧振。
圖28的裝置的補(bǔ)償電流控制單元CONT1的具體的結(jié)構(gòu)例與圖3相同。但是，在本實(shí)施方式中，電壓指令發(fā)生器Fd(x)依照負(fù)載功率PL的時(shí)間平均值PL(av)，提供施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd的指令值Vd*，設(shè)定其特性圖形，以便調(diào)整二極管整流器REC的直流輸出電流Irec。
圖29表示電壓指令發(fā)生器Fd(x)的特性例，表示對于負(fù)載功率PL的時(shí)間平均值PL(av)的直流電壓指令值Vd*。在PL(av)＞0的情況下，即，在動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載的情況下，隨著負(fù)載功率PL(av)增加，直流電壓指令值Vd*下降。其結(jié)果，直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd＝Vd*也下降，來自二極管整流器REC的輸出電流Irec與負(fù)載功率PL(av)成比例增加。換言之，考慮包括變壓器TR2的二極管整流器REC的電壓調(diào)節(jié)，提供上述直流電壓指令值Vd*。
從二極管整流器REC供給的功率為Prec＝Irec×Vd的情況下，經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1供給的功率成為Ps1＝PL(av)-Prec，能夠使該斯科特接線變壓器TR1或者第1交流電源SUP1的設(shè)備以及M/G裝置的容量減輕與來自二極管整流器的供給功率Prec相當(dāng)?shù)牟糠帧．?dāng)然，這時(shí)的斯科特接線變壓器TR1的M座繞組以及T座繞組的電流IMs、ITs成為被二相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。
在PL(av)＜0的情況下，即，電車再生運(yùn)行的情況下，直流電壓指令值Vd*＝Vdo*成為恒定，而且，其設(shè)定電壓Vdo*設(shè)定成比二極管整流器REC的無負(fù)載整流電壓Vreco高。
二極管整流器REC由于不具有把功率向第2交流電源SUP2再生的功能，因此從電車再生的功率全部經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1，由第1交流電源SUP1再生。這時(shí)，設(shè)Vdo*＞Vreco，以便不從二極管整流器REC供給無用的電流Irec。
圖30表示電壓指令發(fā)生器Fd(x)的其它的特性例，表示對于負(fù)載功率PL的時(shí)間平均值PL(av)的直流電壓指令值Vd*。在這種情況下，負(fù)載功率PL(av)包括再生運(yùn)行在內(nèi)，PL(av)＜PLo，直流電壓指令值Vdo*＝恒定。其中，使Vdo*＞Vreco，以正的值提供功率設(shè)定值PLo。
在PL(av)＞PLo時(shí)，隨著負(fù)載功率PL(av)增加，直流電壓指令值Vd*下降。其結(jié)果，直流平滑電容器Cd上的施加電壓VT＝Vd*也下降，來自二極管整流器REC的輸出電流Irec與(PL(av)-PLo)成比例增加。
即，在負(fù)載功率PL(av)小于設(shè)定功率PLo的區(qū)域中，來自二極管整流器REC的供給功率成為Prec＝Irec×Vd＝0，包括再生功率在內(nèi)，所有的負(fù)載功率PL(av)經(jīng)過斯科特接線電壓器TR1授受。在PL(av)＞PLo時(shí)，來自二極管整流器REC的供給功率Prec與(PL(av)-PLo)成比例增加。該部分能夠減輕斯科特接線變壓器TR1或者M(jìn)/G裝置等的負(fù)載分擔(dān)。
例如，使PL(av)＞PLo，在提供電壓指令值Vd*使Prec＝(PL(av)-PLo)的情況下，經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1供給的動(dòng)力運(yùn)行功率Ps1成為Ps1＝PLo，可以預(yù)先準(zhǔn)備與其相對應(yīng)的容量的斯科特接線變壓器TR1。
圖31是用圖28的裝置動(dòng)力運(yùn)行連接到交流饋電線Fa上的電車負(fù)載Load時(shí)的M座、T座電壓·電流矢量圖。T座負(fù)載電流ITL＝0，M座負(fù)載電流IML成為對于電壓VM滯后若干相位θ。
如果假設(shè)負(fù)載功率PL＝VM×IML×cosθ，損失非常小，則該負(fù)載功率PL等于從斯科特接線變壓器TR1供給的功率Ps1＝VM×IMs+VT×ITs與經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Prec＝Irec×Vd之和。
斯科特接線變壓器TR1的M座繞組電流MS以及T座繞組電流ITs分別與M座電壓VM以及T座電壓VT同相，成為功率因數(shù)＝1的正弦波電流。另外，其振幅值Ism相同，成為二相平衡電流。
從第1電壓型自激式電力變換器CNV1供給的補(bǔ)償電流IMc成為負(fù)載電流矢量IML與M座繞組電流矢量IMs的差矢量。當(dāng)把該M座補(bǔ)償電流IMc的有效電流記為IMcp時(shí)，從上述二極管整流器REC供給的功率成為Prec＝Irec×Vd＝(IMcp-IMs)×VM。
另一方面，因?yàn)閺牡?電壓型自激式電力變換器CNV2供給的補(bǔ)償電流ITc成為ITL＝0，故ITc＝-ITs。從T座繞組供給的功率PTs＝ITs×VT由第2電壓型自激式電力變換器CNV2再生，供給到直流平滑電容器Cd。該有效功率PTs經(jīng)過第1電壓型自激式電力變換器CNV1，供給到單相交流饋電線Fa。
與交流饋電線Fa連接的電車Load再生運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖在本實(shí)施方式中也如圖8所示。二極管整流器REC由于不能夠再生功率，因此再生功率經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1，返回到第1交流電源SUP1。再生功率PL的一半流過斯科特接線變壓器TR1的M座繞組，剩下的一半經(jīng)過第1電壓型自激式電變換器CNV1→直流平滑電容器Cd→第2電壓型自激式電力變換器CNV2，流過T座繞組。這時(shí)，負(fù)載的無效功率QL由第1電壓型自激式電力變換器CNV1補(bǔ)償。
一般，在電氣化鐵路中，動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的功率比再生運(yùn)行時(shí)的功率大。特別是，在本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)中，由于在動(dòng)力運(yùn)行電車與再生電車之間自動(dòng)地進(jìn)行功率互換，因此經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1再生的功率不太大。從而，對于動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載PL，通過從二極管整流器REC供給負(fù)載功率的一部分，能夠加大降低斯科特接線變壓器TR1或者M(jìn)/G裝置的容量的效果。
與單相交流饋電線Fa連接的電車Load的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座電壓VM、負(fù)載電流IML、負(fù)載功率PL以及直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd的波形例與圖11所示的相同。但在本實(shí)施方式的情況下，功率PL的公式PL＝Vsm×sinωt×ILm×sin(ωt-θ)＝(Vsm×ILm/2){cosθ-cos(2·ωt-θ)}中的第1項(xiàng)是恒定值，與從交流電源SUP1經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1供給的功率Ps1和經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Prec之和一致。而且，第2項(xiàng)是功率變動(dòng)部分ΔPL，以電源頻率的2倍的頻率變動(dòng)。
在本實(shí)施方式中，通過也用LC濾波器吸收伴隨著以交流饋電線的頻率的2倍變動(dòng)的單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL，抑制上述直流電壓的變動(dòng)ΔVd。其結(jié)果，能夠減小直流平滑電容器Cd的容量，而且，能夠大幅度地降低直流電壓的變動(dòng)ΔVd。另外，雖然在急劇變化等過渡時(shí)擔(dān)憂由LC濾波器產(chǎn)生的電振蕩現(xiàn)象，但是由于用上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行直流電壓控制，因此起到使電振蕩衰減的阻尼作用，能夠提供穩(wěn)定的系統(tǒng)。
另外，通過穩(wěn)定直流電壓Vd，穩(wěn)定上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行的補(bǔ)償電流控制，謀求提高控制性能。另外，該電力變換器CNV1、CNV2的耐壓范圍還能夠降低與電壓變動(dòng)ΔVd減小的部分相當(dāng)?shù)牧?，能夠提供廉價(jià)的裝置。
第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2在M座/T座之間進(jìn)行功率互換，而其功率容量相同。而從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Prec經(jīng)過第1電壓型自激式電力變換器CNV1，供給到單相拉通交流饋電線的電車負(fù)載。通過把第1電壓型自激式電力變換器CNV1的輸出容量設(shè)定為比上述第2電壓型自激式電力變換器CNV2的輸出容量大，能夠加大從二極管整流器REC供給的功率，能夠相應(yīng)地減輕已經(jīng)設(shè)置的M/G裝置(頻率變換器)的負(fù)擔(dān)。
圖32是表示與第10實(shí)施方式的交流饋電系統(tǒng)的補(bǔ)償電流控制單元CONT1的圖3不同的具體例子的框圖。圖中，F(xiàn)s(x)表示功率指令發(fā)生器，Ks表示比例元件，ASW表示開關(guān)電路，SH表示電平檢測器，C1～C3表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，M1、M2表示乘法器，AD1～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
單相負(fù)載Load的功率PL以交流饋電線的頻率f1的2倍的頻率變動(dòng)。把負(fù)載功率PL的檢測值進(jìn)行時(shí)間平均，求負(fù)載功率的平均值PL(av)。
由輸入功率指令發(fā)生器Fs(x)，生成與負(fù)載功率平均值PL(av)相對應(yīng)的有效功率指令值Ps1*，經(jīng)過比例元件Ks，變換成有效電流波峰值指令I(lǐng)sma*，輸入到開關(guān)電路ASW的a側(cè)端子。
另一方面，由比較器C1，把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，生成另外的有效電流波峰值指令I(lǐng)smb*，輸入到開關(guān)電路ASW的b側(cè)端子。
電平檢測器SH輸入負(fù)載功率PL(av)，判斷比設(shè)定電平PLo大還是小，向開關(guān)電路ASW傳送切換信號(hào)LB。
在PL(av)＞PLo時(shí)，電平檢測器SH的輸出信號(hào)LB＝1，把開關(guān)電路ASW連接到a一側(cè)，把有效電流波峰值指令I(lǐng)sm*＝Isma*輸入到乘法器M1、M2。即，基于輸入功率指令值Ps1*，控制補(bǔ)償電流。
另外，在PL(av)＜PLo時(shí)，電平檢測器SH的輸出信號(hào)LB＝0，把開關(guān)電路ASW連接到b一側(cè)，把有效電流波峰值指令I(lǐng)sm*＝Ismb*輸入到乘法器M1、M2。即，基于來自直流電壓控制電路Gv(S)的輸出信號(hào)Ismb*，控制補(bǔ)償電流。
圖33(a)是表示上述輸入功率指令發(fā)生器Fs(x)的特性的圖，圖33(b)是表示電平檢測器SH的動(dòng)作的圖。輸入功率指令發(fā)生器Fs(x)依照負(fù)載功率PL(av)，提供從上述第1交流電源SUP1供給的有效功率的指令值Ps1*，例如，如以下那樣發(fā)生指令值Ps1*。即，在把某個(gè)設(shè)定功率值取為PLo＞0時(shí)，成為當(dāng)PL(av)＜PLo時(shí)，Ps1*＝PL(av)當(dāng)PL(av)＞PLo時(shí)，Ps1*＝Pso*＝恒定在圖32中，比例元件Ks把上述有效功率指令值Ps1*變換為二相有效電流的波峰值Isma*，在把斯科特接線變壓器TR1的二相電壓的波峰值記為Vsm時(shí)，比例常數(shù)Ks＝1/Vsm。即，Isma*＝Ps1*/Vsm。
求與斯科特接線變壓器TR1的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt，由乘法器M1乘以輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*，將輸入電流指令I(lǐng)Ms*＝Ism*×sinωt進(jìn)行輸出。另外，求與斯科特接線變壓器TR1的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt，由乘法器M2乘以上述輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*，將輸入電流指令I(lǐng)Ts*＝Ism*×cosωt進(jìn)行輸出。
由加減法器AD1從M座負(fù)載電流IML的檢測值減去上述M座輸入電流指令值IMs*，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。
同樣，由加減法器AD3從T座負(fù)載電流ITL的檢測值減去上述T座輸入電流指令值ITs*，求T座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與上述補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。該輸入電流IMs成為與M座電壓VM同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與上述補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。
輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝ITL-ITc*＝ITL-(ITL-ITs*)＝-ITs*。該輸入電流Its成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。其中，T座負(fù)載電流ITL＝0。
斯科特接線變壓器TR1的M座、T座的電流IMs、ITs成為相同振幅值Ism*，相位錯(cuò)開了90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。
在圖33中，當(dāng)負(fù)載功率PL(av)＜PLo時(shí)，從電平檢測器SH輸出LB＝0，把開關(guān)電路ASW連接到b一側(cè)，控制成直流電壓Vd*＝Vdo*＝恒定。這時(shí)，通過把該電壓指令值Vdo*設(shè)定為比二極管整流器REC的無負(fù)載整流電壓Vreco高，二極管整流器REC的直流輸出電流Irec為0，從第1交流電源SUP1供給或者再生所有的負(fù)載功率PL(av)。
在直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd比指令值Vd*低的情況下，有效電流波峰值指令I(lǐng)smb*增加，來自交流電源SUP1的供給功率Ps1增加，成為比負(fù)載功率PL(av)大，在直流平滑電容器Cd中作為能量存儲(chǔ)Ps1-PL(av)的部分。其結(jié)果，Vd增加，控制成Vd＝Vd*。反之，在Vd＞Vd*時(shí)，波峰值指令I(lǐng)smb*減少，成為Ps1＜PL(av)，減少直流平滑電容器Cd的存儲(chǔ)能量，也控制成Vd＝Vd*。
另一方面，當(dāng)PL(av)＞PLo時(shí)，來自電平檢測器SH的輸出信號(hào)成為LB＝1，把開關(guān)電路連接到a一側(cè)，控制成輸入功率Ps1*＝PLo＝恒定。通過把來自第1交流電源SUP1的輸入功率限制成Ps1*＝PLo＝恒定，隨著負(fù)載功率PL(av)增加，直流電壓Vd下降，二極管整流器REC的直流電流Irec增加。即，從二極管整流器REC自動(dòng)地供給Prec＝PL(av)-PLo的功率，直流電壓Vd也在該狀態(tài)下穩(wěn)定。
在本發(fā)明的補(bǔ)償電流控制單元中，具有不需要把握二極管整流器REC的電壓調(diào)整率，通過決定來自第1交流電源SUP1的輸入功率Ps1*，自動(dòng)地調(diào)整來自二極管整流器REC的供給功率Prec的優(yōu)點(diǎn)。另外，作為上述輸入功率指令發(fā)生器Fs(x)的特性，例如，通過在PL(av)＞PLo下，使Ps1*＝PLo+k·PL(av)，能夠調(diào)整來自二極管整流器REC的功率Prec，能夠優(yōu)化負(fù)載分擔(dān)。其中，在設(shè)定值PLo＞0時(shí)，比例常數(shù)k＝0～1。
第11實(shí)施方式圖34是本發(fā)明第11實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。圖中，SUP1表示第1交流電源，SUP0、SUP2表示第2交流電源，M/G表示旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(M/G裝置)，TR1表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，CNV1、CNV2表示電壓型自激式電力變換器，Cd表示直流平滑電容器，Lf、Cf表示構(gòu)成LC濾波器的電抗器和電容器，TR2表示三相變壓器，REC表示二極管整流器，ESS表示蓄能裝置，CONT1表示從上述電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的控制單元，CONT2表示上述蓄能裝置的控制單元。
補(bǔ)償電流控制單元CONT1由直流電壓控制電路Vd-CONT、補(bǔ)償電流指令發(fā)生電路Ic-ref、補(bǔ)償電流控制電路IMc-CONT、ITc-CONT以及脈寬調(diào)制控制電路PWM1、PWM2構(gòu)成。
M/G裝置在第2交流電源SUP0(三相-50Hz)與第1交流電源SUP1(三相-60Hz)之間進(jìn)行頻率變換。一般該M/G裝置設(shè)置在頻率變換所內(nèi)，從第1交流電源SUP1(三相-60Hz)到變電站用交流輸電線輸電。即，頻率變換所與設(shè)置了其下級設(shè)備的變電站相距一定的距離。
斯科特接線變壓器TR1把第1交流電源SUP1的三相交流電壓Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM和VT具有90°的相位差。
M座輸出連接到單相交流饋電線Fa，T座成為開路(無負(fù)載)。第1電壓型自激式電力變換器CNV1的單相輸出端子連接到M座端子，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子連接到T座端子。
另外，在第2交流電源SUP2(三相-50Hz)上，經(jīng)過三相變壓器TR2連接二極管整流器REC的交流端子，把該二極管整流器REC的直流輸出端子連接到直流平滑電容器Cd上。
蓄能裝置ESS與上述直流平滑電容器Cd之間授受功率，例如，由雙向斷路器CHO和作為二次電池的雙電荷層電容EDLC等構(gòu)成。在再生列車多，功率富裕的情況下，通常把其功率向第1交流電源SUP1返回(再生)，把再生功率的一部分或者全部存儲(chǔ)在蓄能裝置ESS中。所存儲(chǔ)的能量當(dāng)動(dòng)力運(yùn)行列車負(fù)載變多時(shí)釋放，謀求能量的有效利用。由此，能夠謀求節(jié)省電費(fèi)，降低從交流電源觀看時(shí)的峰值負(fù)載功率，能夠降低變電站設(shè)備容量。
LC濾波器(Lf、Cf)決定電抗器Lf和電容器Cf的值，以便在交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍的頻率上諧振。
通過用LC濾波器吸收伴隨著以交流饋電線頻率的2倍的頻率變動(dòng)的單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL，抑制上述直流電壓的變動(dòng)ΔVd。其結(jié)果，能夠減小直流平滑電容器Cd的容量，而且，能夠大幅度地降低直流電壓的變動(dòng)ΔVd。雖然在負(fù)載急劇變化等過渡時(shí)擔(dān)憂由LC濾波器產(chǎn)生的電振蕩現(xiàn)象，但是由于用上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行直流電壓控制，因此起到使電振蕩衰減的阻尼作用，能夠提供穩(wěn)定的系統(tǒng)。
通過穩(wěn)定直流電壓Vd，穩(wěn)定由上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行的補(bǔ)償電流控制或者蓄能裝置ESS的控制，謀求提高控制性能。另外，該電力變換器CNV1、CNV2或者斷路器裝置CHO的耐壓范圍還能夠降低與電壓變動(dòng)ΔVd減小的部分相當(dāng)?shù)牧?，能夠提供更廉價(jià)的裝置。
在本實(shí)施方式中，控制第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2的補(bǔ)償電流控制電路CONT1與圖33所示的相同。其中，在本實(shí)施方式的情況下，電壓指令發(fā)生器Fd(x)依照負(fù)載功率PL的時(shí)間平均值PL(av)，提供施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd的指令值Vd*，設(shè)定其特性圖形以便調(diào)整二極管整流器REC的直流輸出電流Irec。
圖35是表示電壓指令發(fā)生器Fd(x)的特性圖形的一個(gè)例子的圖，負(fù)載功率當(dāng)PL(av)＜0(再生運(yùn)行)時(shí)，成為Vd*＝Vdo*＝恒定，當(dāng)PL(av)＞0(動(dòng)力運(yùn)行)時(shí)，作為Vd*＝Vdoo*-kv×PL(av)，具有電壓調(diào)整率。其中，Vdoo*是二極管整流器REC的無負(fù)載整流電壓，取為Vdo*＞Vdoo*。
如果加大比例常數(shù)kv，則電壓調(diào)整率增大，從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Ps2＝Prec的比例增加，反之，如果減少比例常數(shù)kv，則減小電壓調(diào)整率，從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Ps2＝Prec的比例減少。
與上述相同，控制從第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc。由此，斯科特接線變壓器TR1的M座、T座的電流IMs和ITs成為相同的振幅值Ism*，相位錯(cuò)開了90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。
蓄能裝置ESS的主電路結(jié)構(gòu)與圖22所示的相同，控制電路的結(jié)構(gòu)與圖24所示的相同，如以下那樣動(dòng)作。
雙向斷路器CHO由自消弧元件Sx、Sy，高速二極管Dx、Dy構(gòu)成，通過脈寬調(diào)制控制(PWM控制)，控制輸出電壓Vcho。即，當(dāng)把直流平滑電容器Cd上的施加電壓記為Vd時(shí)，成為Sx接通(Sy斷開)時(shí)，Vcho＝+VdSy接通(Sx斷開)時(shí)，Vcho＝0。
該輸出電壓Vcho的平均值Vcho(av)對于斷路器的開關(guān)周期T，當(dāng)把自消弧元件Sx的接通周期記為Ton(Sy的接通周期成為T-Ton)時(shí)，成為Vcho(av)＝(Ton/T)×Vd。
雙電荷層電容EDLC是大容量的電容器，具有能夠快速充放電，壽命長等特征。施加到該雙電荷層電容EDLC上的電壓Ved比施加到上述直流平滑電容器Cd上的電壓Vd低。
在直流電抗器Ld中，施加雙向斷路器CHO的輸出電壓Vcho與雙電荷層電容EDLC的電壓Ved的差電壓，通過調(diào)整該差電壓(Vcho-Ved)，能夠控制直流電抗器Ld的電流Ied。
蓄能裝置ESS的雙向斷路器CHO如以下那樣控制。首先，檢測負(fù)載功率PL，求其時(shí)間平均值PL(av)，輸入到第2電壓指令發(fā)生器Fe(x)。第2電壓指令發(fā)生器Fe(x)依照該負(fù)載功率PL(av)，提供從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的有效功率指令之和(＝Ps1*+Ps2*)。
另外，檢測雙電荷層電容EDLC上的施加電壓Ved，由比較器C4，求與指令值Ved*的偏差εd＝Ved*-Ved。通過把該偏差εed積分，求補(bǔ)償功率指令ΔPs*，輸入到加減法器AD6。
在加減法器AD6中，把來自上述功率指令發(fā)生器Fe(x)的輸出信號(hào)Pso*與補(bǔ)償功率指令ΔPs*相加，生成從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的有效功率的和指令Ps*＝Pso*+ΔPs*。
進(jìn)而，由后面的減法器AD7，取得負(fù)載功率檢測值PL(av)與有效功率指令值Ps*的差，生成從雙電荷層電容EDLC輸出的有效功率指令值Ped*＝PL(av)-Ps*。除法器DV用EDLC上的施加電壓Ved除上述有效功率指令值Ped*，求在直流電抗器Ld中流過的電流的指令值Ied*。
由比較器C5生成該電流指令值Ied*與在上述直流電抗器Ld中流過的電流Ied的檢測值的偏差εied＝Ied*-Ied，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi3(S)，把該偏差εied反相放大，把其輸出信號(hào)e3*輸入到加減法器AD8。在加減法器AD8中，在輸出信號(hào)e3*上加入與雙電荷層電容EDLC的電壓Ved相當(dāng)?shù)难a(bǔ)償信號(hào)Eed*，把控制信號(hào)echo*輸入到斷路器裝置CHO的脈寬調(diào)制控制電路PWM3中。脈寬調(diào)制控制電路PWM3向斷路器裝置的自消弧元件Sx、Sy傳送選通信號(hào)，從斷路器裝置CHO發(fā)生與輸入信號(hào)echo*成比例的電壓Vcho。
在Ied*＞Ied時(shí)，上述偏差εied成為正的值，把其反相放大了的信號(hào)e3*成為負(fù)的值，使向PWM控制電路PWM3的控制信號(hào)echo*減少。其結(jié)果，斷路器裝置CHO的輸出電壓Vcho減少，直流電抗器Ld上的施加電壓Ved-Vcho增加，使電流Ied沿著圖32的箭頭方向增加。
反之，在Ied*＜Ied時(shí)，偏差εied成為負(fù)的值，把其反相放大了的信號(hào)e3*成為正的值，使向PWM控制電路PWM3的控制信號(hào)echo*增加。其結(jié)果，斷路器裝置CHO的輸出電壓Vcho增加，直流電抗器Ld上的施加電壓Ved-Vcho減少，使電流Ied減少。這樣，直流電抗器Ld中流過的電流Ied被控制成與其指令值Ied*一致。
例如，使來自電壓指令發(fā)生器Fe(x)的輸出信號(hào)Pso*恒定，在取為補(bǔ)償信號(hào)ΔPs*＝0的情況下，從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的有效功率之和的功率指令值Ps*＝Pso*+ΔPs*成為恒定，如果增加動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載功率PL(av)，則從蓄能裝置ESS供給的功率指令值Ped*＝PL(av)-Ps*增加，使直流電抗器Ld的電流Ied＝Ied*沿著圖32的箭頭方向(放電方向)增加。其結(jié)果，雙電荷層電容EDLC的存儲(chǔ)能量減少，其施加電壓Ved也下降。
其結(jié)果，成為Ved*＞Ved，其偏差εed成為正的值，使電壓控制補(bǔ)償電路H(S)的輸出信號(hào)ΔPs*逐漸增加，增加從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的有效功率之和的功率指令值Ps*。從而，從蓄能裝置ESS供給的功率指令值Ped*＝PL(av)-Ps*減少，進(jìn)而成為負(fù)的值。Ped*＜0意味著Ied＝Ied*也為負(fù)，電流的朝向成為與圖中的箭頭相反。即，充電電流供給到雙電荷層電容EDLC，使電壓Ved逐漸升高。最終控制成使得Ved＝Ved*。在雙電荷層電容EDLC的容量大的情況下，伴隨著充放電的施加電壓Ved的變化小，大致成為Ved≈Ved*。
圖36表示第2功率指令發(fā)生器Fe(x)的特性例，動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載功率PL(av)在達(dá)到PLa以前，作為Pso*＝k·PL(av)提供功率指令值Pso*。其中，k是比例常數(shù)，可以在k＝0～1的范圍內(nèi)選擇。如果作為k＝1提供，則Pso*＝PL(av)，成為從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2提供負(fù)載功率PL(av)的全部有效功率。從第1交流電源SUP1供給的功率PLs1和從第2交流電源SUP2供給的功率PLs2的比例根據(jù)圖35中說明過的電壓指令發(fā)生器Fd(x)的特性，即，直流電壓Vd的調(diào)整特性決定。例如，在Pso＝Ps1+Ps2為恒定的情況下，如果增大直流電壓調(diào)整率，則從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Ps2＝Prec的比例增加，從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1減少。
如果PL(av)超過設(shè)定值PLa，則有效功率指令值Pso*＝PLa，成為恒定。這時(shí)，成為從蓄能裝置ESS供給負(fù)載功率PL(av)與從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的功率Pso的差功率Ped＝PL(av)-Pso＝PL(av)-PLa。
另外，在再生運(yùn)行中，直到負(fù)載功率PL(av)到達(dá)-PLb以前，作為Pso*＝k·PL(av)提供功率指令值Pso*。在k＝1時(shí)，成為Pso*＝PL(av)，由于二極管整流器REC不能夠進(jìn)行功率再生，因此控制成在交流電源SUP1中把再生負(fù)載功率PL(av)的全部有效功率進(jìn)行再生。
如果再生功率PL(av)超過設(shè)定值-PLb，則有效功率指令值Pso*＝-Psb*，成為恒定。這時(shí)，向蓄能裝置ESS再生Ped＝PL(av)-Pso＝PL(av)+PLb的功率。
一般，在電氣化鐵路中，動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載的時(shí)間長，再生負(fù)載的時(shí)間短。在圖36的功率指令發(fā)生器Fe(x)的特性中，把動(dòng)力運(yùn)行一側(cè)的上限值PLa設(shè)定為較大，把再生一側(cè)的下限值PLb設(shè)定為較小。由此，向蓄能裝置ESS的充放電能量W＝Ped×t平均為0，能夠使雙電荷層電容EDLC上的施加電壓成為Ved≈Ved*。在EDLC上的施加電壓Ved從指令值Ved*偏離的情況下，如上所述，修正功率指令ΔPs*發(fā)揮作用，逐漸地控制成Ved＝Ved*。
另外，通過使比例常數(shù)k＝1，負(fù)載功率在-PLb＜PL(av)＜PLa的范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，成為Pso＝PL(av)，不需要從蓄能裝置ESS供給功率Ped。即，只有在超過上述設(shè)定值時(shí)，才發(fā)生向雙電荷層電容EDLC的能量授受，而由于在時(shí)間方面是短時(shí)，因此具有還能夠把該雙電荷層電容EDLC的容量抑制為很小的優(yōu)點(diǎn)。
圖37表示圖34的裝置的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。T座負(fù)載電流ITL＝0，M座負(fù)載電流IML成為對于電壓VM延遲若干相位θ。
負(fù)載功率PL＝VM×IML×cosθ，等于來自第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2的供給功率Pso＝Ps1+Ps2與來自蓄能裝置ESS的供給功率Ped之和。
來自第1交流電源SUP1的經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1供給的電流IMs以及ITs被控制成分別與M座電壓VM以及T座電壓VT同相的正弦波，輸入功率Ps1成為Ps1＝IMs×VM+ITs×VT。
另外，從第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2供給的補(bǔ)償電流IMc以及ITc分別成為IMc＝IML-IMsITc＝ITL-ITs＝-ITs在M座補(bǔ)償電流IMc中，包括從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Ps2＝Prec和從蓄能裝置ESS供給的有效功率Ped，從第1交流電源SUP1供給Ps1＝PL-(Ped+Ps2)。
M座有效功率PMs與T座的有效功率PTs相等，從斯科特接線變壓器的M座繞組供給Ps1＝PL-(Ped+Ps2)的一半，剩下的一半從T座繞組供給。從T座繞組供給的功率PTs＝Ps1/2由第2電壓型自激式功率變換器CNV2再生，供給到直流平滑電容器Cd。即，成為ITc＝-ITs。
進(jìn)而，其功率Ps1/2經(jīng)過第1電壓型自激式功率變換器CNV1，供給到單相交流饋電線Fa。這時(shí)，包括從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Ps2和從蓄能裝置ESS供給的有效功率Ped和負(fù)載的無效功率QL＝VM×ILM×sinθ在內(nèi)，從上述第1電壓型自激式功率變換器CNV1供給，從斯科特接線變壓器TR的M座繞組只供給有效功率PMs＝Ps1/2。
第1以及第2電壓型自激式功率變換器CNV1、CNV2在M座/T座之間進(jìn)行功率互換，其功率容量相同。然而，在設(shè)置了蓄能裝置ESS的情況下，在該蓄能裝置ESS與單相饋電線之間授受的功率經(jīng)過在單相交流饋電線一側(cè)(M座)連接了交流輸出端子的第1電壓型自激式功率變換器CNV1授受。
通過把上述第1電壓型自激式功率變換器CNV1的輸出容量設(shè)定為比上述第2電壓型自激式功率變換器CNV2的輸出容量大，能夠增大從二極管整流器REC供給的功率，能夠相應(yīng)地減輕已經(jīng)設(shè)置的M/G裝置(頻率變換器)的負(fù)載。另外，能夠增大與蓄能裝置ESS之間授受的功率，能夠增加對于峰值負(fù)載功率的補(bǔ)償量，能夠減少第1三相交流電源SUP1的負(fù)載分擔(dān)。換言之，能夠謀求降低變電站設(shè)備容量。
如上所述，在本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)中，存儲(chǔ)電車負(fù)載的再生能量，通過在動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載時(shí)釋放其能量，能夠有效利用能量，以及能夠截?cái)鄟碜缘?三相交流電源SUP1的供給功率Ps1的峰值。即，能夠?qū)崿F(xiàn)單相拉通交流饋電系統(tǒng)，謀求降低變電站設(shè)備容量以及節(jié)電。
圖38是表示圖34的裝置的補(bǔ)償電流控制電路CONT1的其它例子的具體結(jié)構(gòu)的框圖。圖中，F(xiàn)s(x)表示第1電力指令發(fā)生器，Ks表示比例元件，ASW表示開關(guān)電路，SH表示電平檢測器，C1～C3表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，M1、M2表示乘法器，AD1～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
單相負(fù)載Load的功率PL以交流饋電線的頻率f1的2倍的頻率變動(dòng)。把該負(fù)載功率PL的檢測值進(jìn)行時(shí)間平均，求負(fù)載功率的平均值PL(av)。由第1功率指令發(fā)生器Fs(x)生成與負(fù)載功率平均值PL(av)相對應(yīng)的第1有效功率指令值Ps1*，經(jīng)過比例元件Ks，變換成有效電流波峰值指令I(lǐng)sma*，輸入到開關(guān)電路ASW的a側(cè)端子。
另一方面，由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流平滑電容器Cd上的施加電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，用后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其偏差εv＝Vd*-Vd進(jìn)行比例或者積分放大，生成另外的輸入電流的波峰值指令I(lǐng)smb*，輸入到開關(guān)電路ASW的b側(cè)端子。
電平檢測器SH輸入負(fù)載功率PL(av)，判斷比設(shè)定電平PLo大還是小，向開關(guān)電路ASW傳送切換信號(hào)LB。
在PL(av)＞PLo的情況下，成為電平檢測器SH的輸出信號(hào)LB＝1，把開關(guān)電路ASW連接到a一側(cè)，把有效電流波峰值指令I(lǐng)sm*＝Isma*輸入到乘法器M1、M2。即，基于第1功率指令值Ps1*，控制補(bǔ)償電流。
這時(shí)，也如上述那樣，補(bǔ)償電流IMc以及ITc被控制成與各個(gè)指令值IMc*以及ITc*一致，其結(jié)果，斯科特接線變壓器TR1的M座繞組電流IMs以及T座繞組電流ITs被控制為如下IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IMs*＝Isma*×sinωtITs＝ITL-ITc＝-ITc＝ITc*＝Isma*×cosωt即，從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1被控制成與上述的功率指令值Ps1*一致。
另外，在PL(av)＜PLo的情況下，電平檢測器SH的輸出信號(hào)LB＝0，把開關(guān)電路ASW連接到b一側(cè)，把有效電流波峰值指令I(lǐng)sm*＝Ismb*輸入到乘法器M1、M2。即，基于來自直流電壓控制電路的信號(hào)Ismb*，控制補(bǔ)償電流。
通過把電壓指令值Vd*設(shè)定為比二極管整流器REC的無負(fù)載整流電壓Vreco高，當(dāng)PL(av)＜PLo時(shí)，從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率Ps2成為0。
另一方面，與在圖24中說明過的相同來控制蓄能裝置ESS。即，檢測負(fù)載功率PL，求其時(shí)間平均值PL(av)，輸入到第2功率指令發(fā)生器Fe(x)。第2功率指令發(fā)生器Fe(x)根據(jù)負(fù)載功率時(shí)間平均值PL(av)，提供從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的有效功率指令的和Pso*(＝Ps1*+Ps2*)。
另外，檢測雙電荷層電容EDLC上的施加電壓Ved，由比較器C4，求與指令值Ved*的偏差εed＝Ved*-Ved。通過把該偏差εed積分，求補(bǔ)償功率指令ΔPs*，輸入到加減法器AD6。
在加減法器AD6中，把來自上述功率指令發(fā)生器Fe(x)的輸出信號(hào)Pso*與上述補(bǔ)償功率指令ΔPs*相加，生成從上述第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的有效功率之和的指令Ps*＝Pso*+ΔPs*。
進(jìn)而，由后面的加減法器AD7，取得負(fù)載功率檢測值PL(av)與有效功率指令值Ps*的差，生成從雙電荷層電容EDLC輸出的有效功率指令值Ped*＝PL(av)-Ps*。除法器DV用EDLC上的施加電壓Ved除上述有效功率指令值Ped*，求在直流電抗器Ld中流過的電流的指令值Ied*。
由比較器C5生成該電流指令值Ied*與在上述直流電抗器Ld中流過的電流Ied的檢測值的偏差εied＝Ied*-Ied，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi3(S)，把該偏差εied反相放大，把其輸出信號(hào)e3*輸入到加減法器AD8。在加減法器AD8中，在上述信號(hào)e3*上加入與雙電荷層電容EDLC的電壓Ved相當(dāng)?shù)男盘?hào)Eed*，把控制信號(hào)echo*輸入到斷路器裝置CHO的脈寬調(diào)制控制電路PWM3中。
如上所述，控制成Ied＝Ied*，從蓄能裝置ESS供給的功率Ped被控制成Ped＝Ped*＝PL(av)-Ps*。
在Ved*＞Ved的情況下，由于ΔPs*增加，Ps*也增加，因此Ped＝Ped*減少或者成為負(fù)的值。其結(jié)果，雙電荷層電容EDLC上的施加電壓Ved上升，被控制成Ved*＝Ved。反之，在Ved*＜Ved的情況下，ΔPs*減少，同樣被控制成為Ved*＝Ved。
如上所述，由圖24的控制電路CONT2的第2電壓指令發(fā)生器Fe(x)，決定從第1交流電源SUP1以及第2交流電源SUP2供給的有效功率指令的和Pso*(＝Ps1*+Ps2*)，另外，由于由圖38的控制電路CONT1，決定從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1＝Ps1*，因此從第2交流電源SUP2經(jīng)過二極管整流器REC供給的功率自動(dòng)地成為Ps2＝Pso*-Ps1*。即，與二極管整流器REC的電壓調(diào)整率無關(guān)，能夠設(shè)定來自第1交流電源SUP1的供給功率Ps1和來自第2交流電源SUP2的供給功率Ps2＝Prec的分配，能夠進(jìn)行最佳的負(fù)載分擔(dān)下的運(yùn)行。
圖39表示圖34的裝置的其它的運(yùn)行特性例，對于負(fù)載功率PL(av)，圖38的第1功率指令發(fā)生器Fs(x)使得在0≤PL(av)≤PLa1的范圍內(nèi)，Ps1*＝PL(av)在PL(av)＞PLa1下，Ps1*＝PLa1＝恒定另外，在PL(av)＜0下，把直流電壓指令控制成Vd*＝恒定。
進(jìn)而，圖24的第2電壓指令發(fā)生器Fe(x)使得在PL(av)＜-PLb下，Pso*＝PL(av)+PLb在-PLb≤PL(av)＜0的范圍內(nèi)，Pso*＝0在0≤PL(av)≤PLa2的范圍內(nèi)，Pso*＝PL(av)在PL(av)＞PLa2下，Pso*＝PLa2＝恒定。
其結(jié)果，如果假定ΔPs*＝0，則從蓄能裝置ESS供給或者向ESS再生的功率的指令值Ped*＝PL(av)-Ps*成為在PL(av)＜-PLb下，Ped*＝-PLb＝恒定在-PLb≤PL(av)＜0的范圍內(nèi)，Ped*＝PL(av)在0≤PL(av)≤PLa2的范圍內(nèi)，Ped*＝0在PL(av)＞PLa2下，Ped*＝PL(av)-PLa2另外，從第1交流電源SUP1供給或者向SUP1再生的功率Ps1成為在PL(av)＜-PLb下，Ps1＝Pso*＝PL(av)+PLb在-PLb≤PL(av)＜0的范圍內(nèi)，Ps1＝Pso*＝0在0≤PL(av)≤PLa1的范圍內(nèi)，Ps1＝Ps1*＝PL(av)
在PL(av)＞PLa1下，Ps1＝Ps1*＝PLa1＝恒定進(jìn)而，從二極管整流器REC供給的功率Prec＝Ps2成為在PL(av)＜PLa1下，Prec＝0在PLa1≤PL(av)≤PLa2的范圍內(nèi)，Prec＝PL(av)-PLa1在PL(av)＞PLa2下，Prec＝Pso*-Ps1*＝PLa2-PLa1＝恒定即，在再生運(yùn)行下，在-PLb＜PL(av)＜0的范圍內(nèi)，把全部再生功率存儲(chǔ)到蓄能裝置ESS中，其范圍以外的再生功率(PL(av)+PLb)返回到第1交流電源SUP1。由此，使能量存儲(chǔ)優(yōu)先，把所存儲(chǔ)的能量供給到下一個(gè)動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載，能夠謀求節(jié)約電費(fèi)。另外，在蓄能裝置ESS的存儲(chǔ)能量過于增加的情況下，上述的補(bǔ)償功率ΔPs*發(fā)揮作用，使該能量存儲(chǔ)量幾乎保持為恒定。
另外，在動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載下，首先，從第1交流電源SUP1供給功率Ps1＝PL(av)，接著，經(jīng)過二極管整流器REC，供給功率Ps2＝Prec＝PL(av)-PLa1，進(jìn)而，如果負(fù)載增加，則從蓄能裝置ESS供給Ped＝PL(av)＝PLa2。
由此，能夠自由地選擇來自第1交流電源SUP1供給的供給功率Ps1、來自第2交流電源SUP2的供給功率Ps2＝Prec以及來自蓄能裝置ESS的供給功率的分配，能夠有效地運(yùn)用已經(jīng)設(shè)置的設(shè)備(M/G裝置或者斯科特接線變壓器等)以及有效利用能量而產(chǎn)生的電費(fèi)的節(jié)約。
在本實(shí)施方式的裝置中，能夠減少經(jīng)過已經(jīng)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(M/G裝置)以及斯科特變壓器TR1供給的功率Ps1，謀求降低以往設(shè)備的容量，使得設(shè)備更新容易。另外，與現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)形頻率變換器(M/G裝置)相比較，二極管整流器REC能夠利用為廉價(jià)、高效的靜止形50Hz/60Hz頻率變換器。
另外，能夠把再生功率的一部分或者全部存儲(chǔ)在蓄能裝置ESS中，當(dāng)動(dòng)力運(yùn)行列車負(fù)載多時(shí)釋放所存儲(chǔ)的能量，能夠謀求有效利用能量。由此，能夠謀求節(jié)約電費(fèi)，能夠降低從交流電源觀看時(shí)的峰值負(fù)載功率，能夠降低變電站設(shè)備容量。
第12實(shí)施方式圖40是本發(fā)明第12實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。圖中，SUP1表示第1交流電源，SUP2表示第2交流電源，TR1表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，CNV1、CNV2表示電壓型自激式電力變換器，Cd表示直流平滑電容器，Lf、Cf表示構(gòu)成LC濾波器的電抗器和電容器，TR2表示三相變壓器，CNV3表示第3電壓型自激式電力變換器(固定頻脈沖相位控制變換器)，CONT1表示控制從電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的補(bǔ)償電流控制單元，CONT3表示第3電壓型自激式電變換器CNV3的控制電路。
補(bǔ)償電流控制單元CONT1由有效功率指令發(fā)生電路Ps1-ref、補(bǔ)償電流指令發(fā)生電路Ic-ref、補(bǔ)償電流控制電路IMc-Cont、ITc-Cont以及脈寬調(diào)制控制電路PWM1、PWM2構(gòu)成。
另外，控制電路CONT3由直流電壓控制電路Vd-Cont、有效電流控制電路Iq-Cont以及相位控制電路PHC構(gòu)成。
斯科特接線變壓器TR1把第1三相交流電源SUP1(三相-60Hz)的三相交流電壓Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM與VT具有90°的相位差。另外，作為把三相電壓變換為二相電壓的變壓器的接線方法，有變形伍得布里奇接線變壓器等。M座輸出連接到單相交流饋電線Fa，T座成為開路(無負(fù)載)。第1電壓型自激式電力變換器CNV1的單相輸出端子連接到M座端子，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子連接到T座端子。另外，在第2交流電源SUP2(三相-50Hz)上，經(jīng)過三相變壓器TR2連接固定脈沖相位控制變換器CNV3的交流端子，把該變換器CNV3的直流輸出端子連接到上述直流平滑電容器Cd上。
決定電抗器Lf和電容器Cf的值，使得并聯(lián)連接在直流平滑電容器Cd上的LC濾波器(Lf、Cf)在交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍頻率上諧振。通過用LC濾波器吸收伴隨著以交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍變動(dòng)的單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL，抑制直流電壓的變動(dòng)ΔVd。其結(jié)果，能夠減小直流平滑電容器Cd的容量，而且，能夠大幅度地降低直流電壓的變動(dòng)ΔVd。雖然在負(fù)載急劇變化等過渡時(shí)擔(dān)憂由LC濾波器產(chǎn)生的電振蕩現(xiàn)象，但是由于用固定脈沖相位控制變換器CNV3進(jìn)行直流電壓控制，因此起到使電振蕩衰減的阻尼作用，能夠提供穩(wěn)定的系統(tǒng)。
另外，通過穩(wěn)定直流電壓Vd，穩(wěn)定上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行的補(bǔ)償電流控制或者上述第3電壓型自激式電力變換器CNV3進(jìn)行的控制，謀求提高控制性能。另外，該電力變換器CNV1、CNV2、CNV3的耐壓范圍還能夠降低與電壓變動(dòng)ΔVd減小的部分相當(dāng)?shù)牧?，能夠提供廉價(jià)的裝置。
第3電壓型自激式電力變換器CNV3是以一定的脈沖圖形(例如，1脈沖、3脈沖、5脈沖、……等)動(dòng)作的固定脈沖相位控制變換器，在使直流電壓Vd恒定的情況下，交流側(cè)輸出電壓Vc的振幅值恒定。即，通過調(diào)整對于第2交流電源SUP2的電壓Vs(Vr、Vs、Vt)的變換器CNV3的交流側(cè)輸出電壓Vc(Vcr、Vcs、Vct)的相位角，控制輸入電流Is(Ir、Is、It)。
在本實(shí)施方式的裝置中，通過動(dòng)力運(yùn)行/再生運(yùn)行，能夠由第3電壓型自激式電力變換器CNV3把直流電壓Vd＝Vd*控制成幾乎恒定，由于不需要采用電壓調(diào)整，因此能夠相應(yīng)地提高第1以及第2自激式電力變換器CNV1、CNV2的電壓利用率。
圖41表示圖40的裝置的第3電壓型自激式電力變換器CNV3的具體的主電路結(jié)構(gòu)及其控制電路。圖中，SUP2是第2交流電源，TR2是三相變壓器，Cd是直流平滑電容器，與圖40重復(fù)。另外，CNV3是三相橋形接線的電壓型自激式電力變換器，由自消弧元件S1～S6、高速二極管D1～D6構(gòu)成。另外，作為控制電路CONT3，準(zhǔn)備比較器C1、C5，電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)，電流控制補(bǔ)償電路Giq(S)，坐標(biāo)變換器Z，同步相位信號(hào)發(fā)生器PLL，相位控制電路PHC。以下，說明該控制電路的動(dòng)作。
圖42是表示用于說明圖41的電壓型自激式電力變換器(固定脈沖相位控制變換器)CNV3的動(dòng)作的交流側(cè)等效電路(一相部分)的圖，Vs表示第2交流電源SUP2的電源電壓，Vc表示變換器CNV3的交流側(cè)輸出電壓，Ls表示變壓器TR2的漏電感(或者交流電抗器)，Is表示輸入電流。
另外，圖43是等效電路中的電壓·電流矢量圖，在對于電源電壓Vs，把變換器CNV3的交流電壓Vc的相位角錯(cuò)開了的情況下，在交流電抗器Ls上施加差電壓Vs-Vc＝j(luò)ωLs·Is，流過輸入電流Is。在假設(shè)電源電壓Vs的振幅值與變換器CNV3的交流電壓Vc的基波振幅值相等的情況下，對于電源電壓Vs的輸入電流Is的相位成為/2。因此，輸入功率因數(shù)成為cos(/2)。
變換器CNV3的交流電壓Vc的基波振幅值根據(jù)直流電壓Vd決定，由于根據(jù)來自負(fù)載一側(cè)(這種情況下，是第1以及第2電壓型自激式電變換器CNV1、CNV2)的請求決定直流電壓Vd，因此由變壓器TR2，使電源電壓(變壓器TR2的二次電壓)Vs與變換器CNV3的交流電壓Vc的振幅值一致。
如果加大相位角，則電抗器Ls上的施加電壓增加，輸入電流Is也增加。如果使相位角成為負(fù)，則電抗器Ls上的施加電壓jωLs·Is的朝向翻轉(zhuǎn)，輸入電流成為Is’那樣的矢量，能夠把功率在電源SUP2中再生。當(dāng)然，如果使相位角＝0，則能夠使輸入電流Is＝0。
圖44表示動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的固定脈沖(1脈沖)相位控制變換器CNV3的動(dòng)作波形例，表示一相部分。變換器CNV3作為通常的三相橋形接線的電壓型自激式電力變換器，作為R相部分，考慮上支路的自消弧元件S1和下支路的自消弧元件S4，考慮與它們分別反向并聯(lián)連接的高速二極管D1、D4。
對于電源電壓Vr，變換器CNV3的交流電壓Vcr滯后相位角。在把電壓Vr與Vcr的基波振幅值取為相同的情況下，輸入電流Ir成為比電源電壓Vr滯后/2的電流。這里，為了使說明簡單，省略電流Ir的高頻成分，采用正弦波電流。
在電流Ir＞0時(shí)，如果使自消弧元件S4接通(元件S1斷開)，則交流輸出電壓成為Vcr＝-Vd/2，在下支路S4中流過電流IS4。當(dāng)電流Ir＞0時(shí)，ωt＝0下，如果使自消弧元件S4斷開，接通元件S1，則交流輸出電壓Vcr＝+Vd/2，成為IS4＝0。電流Ir通過上支路的高速二極D1流過，直到電流Ir反相，流過ID1＝Ir。如果成為電流Ir＜0，則由于元件S1接通，因此在元件S1中流過電流IS1。在相位角ωt＝π下，如果斷開自消弧元件S1，接通元件S4，則電壓Vcr再次成為Vcr＝-Vd/2，成為IS1＝0，在下支路的高速二極管D4中流過電流ID4。
自消弧元件S1以及S4的切斷電流Imax如果把輸入電流Ir的波峰值記為Im，則成為Imax＝Im×sin(/2)，例如，如果使控制相位角＝20°，則Imax＝0.174×Im。即，在輸入電流Ir的零交叉附近進(jìn)行自消弧元件S1、S4的開關(guān)(接通/斷開動(dòng)作)動(dòng)作，自消弧元件S1、S4的最大切斷電流Imax能夠?qū)τ陔娏鞑ǚ逯礗m抑制為充分小。其結(jié)果，能夠使用電流切斷容量小的元件，能夠提供經(jīng)濟(jì)的變換器。另外，能夠降低開關(guān)損失，謀求降低冷卻設(shè)備容量。進(jìn)而，變換器CNV3的交流電壓Vcr成為矩形波電壓，其基波成分的波峰值Vcm成為Vcm＝(4/π)×(Vd/2)＝1.273×(Vd/2)，能夠得到大于等于直流電壓(Vd/2)的值。即，與通常的PWM控制變換器相比較，具有電壓利用率高，在用相同耐壓的自消弧元件構(gòu)成的情況下，能夠發(fā)生更大的輸出的優(yōu)點(diǎn)。
圖45是表示在再生運(yùn)行的固定脈沖(1脈沖)相位控制變換器CNV3的動(dòng)作波形的圖，表示一相部分。對于電源電壓Vr，變換器CNV3的交流電壓Vcr超前相位角。輸入電流Ir反相，成為對于電源電壓Vr滯后π-/2的相位。輸入功率Pr＝Vr×Ir為負(fù)，能夠在電源SUP2中再生功率。這時(shí)的輸入功率因數(shù)成為cos(π-/2)＝cos(/2)，也能夠以高功率因數(shù)運(yùn)行。
在ωt＝0下，如果接通元件S1(S4斷開)，則成為Vcr＝+Vd/2，Ir＞0，因此在高速二極管D1中流過電流ID1＝Ir。如果電流Ir反相，則在自消弧元件S1中開始流過電流，流過IS1＝Ir。在ωt＝π下，如果斷開元件S1，接通元件S4，則在高速二極管D4中流過電流ID4，進(jìn)而，通過電流Ir反相，在元件S4中開始流過IS4＝Ir。
在再生運(yùn)行下，輸入電流Ir的大部分經(jīng)過自消弧元件S1或者S4流過，而這時(shí)由于在電流Ir的零交叉附近進(jìn)行自消弧元件S1、S4的開關(guān)(接通/斷開)動(dòng)作，因此元件S1、S4的最大切斷電流Imax對于電流Ir的波峰值Im，成為Imax＝Im×sin(/2)，例如，如果使＝20°，則成為Imax＝0.174×Im。
以上為了使說明簡單，把變換器CNV3的控制脈沖數(shù)取為1脈沖進(jìn)行了說明，而把控制脈沖數(shù)取為3脈沖、5脈沖、……等也同樣能夠控制。為了減少輸入電流Ir的高次諧波，增加控制脈沖數(shù)是有效的，而在這種情況下，也在輸入電流Ir的零交叉附近進(jìn)行開關(guān)(接通/斷開動(dòng)作)動(dòng)作，能夠把自消弧元件的最大切斷電流Imax抑制為很小。另外，變換器CNV3的電壓利用率即使在增加了脈沖數(shù)的情況下，也能夠確保接近上述1脈沖運(yùn)行時(shí)的電壓利用率附近的值。
在圖41中，施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd由固定脈沖相位控制變換器CNV3進(jìn)行如下控制。以直流電壓指令值Vd*＝恒定進(jìn)行說明。
由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，把其偏差εv輸入到電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)，通過進(jìn)行比例或者積分放大，求從第2交流電源SUP2供給的有效電流指令值Iq*。另外，檢測來自第2交流電源SUP2的三相輸入電流Ir、IS、It，由坐標(biāo)變換器把它們進(jìn)行三相/dq變換，分為有效電流Iq和無效電流Id。由比較器C5把有效電流指令值Iq*與有效電流檢測值Iq進(jìn)行比較，把其偏差εq輸入到后面的電流控制補(bǔ)償電路Giq(S)，通過進(jìn)行比例或者積分放大，求控制相位信號(hào)*。
在相位控制電路PHC中，輸入與第2交流電源SUP2的三相電壓Vr、Vs、Vt同步的相位基準(zhǔn)信號(hào)θr、θs、θt，與控制相位信號(hào)*進(jìn)行比較，生成變換器CNV3的選通信號(hào)。變換器的交流電壓Vcr、Vcs、Vct對于電源電壓Vr、Vs、Vt，錯(cuò)開相位角＝*，能夠控制輸入電流Ir、Is、It的有效成分Iq。
在Iq*＞Iq的情況下，控制相位信號(hào)*(滯后)增加，增加輸入電流Ir、Is、It的有效成分Iq。反之，在Iq*＜Iq的情況下，控制相位信號(hào)*(滯后)成為負(fù)的值，減少輸入電流Ir、Is、It的有效成分Iq。由此，控制成Iq*＝Iq。
在Vd*＞Vd的情況下，偏差εv成為正的值，用電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其放大，增加有效電流指令值Iq*。由此，從第2交流電源SUP2供給功率Ps2，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd增加，控制成Vd*＝Vd。反之，在成為Vd*＜Vd的情況下，偏差εv成為負(fù)的值，使有效電流指令值Iq*成為負(fù)的值。由此，向第2交流電源SUP2再生功率Ps2，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd減少，也控制成Vd*＝Vd。
圖46是圖40的裝置的第3電壓型自激式電力變換器CNV3的控制電路CONT3的其它的框圖。圖中，C1表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，PHC表示相位控制電路。
檢測施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd。由比較器C1，把電壓指令值Vd*與電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，求偏差εv＝Vd*-Vd。由后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把該偏差εv進(jìn)行比例或者積分放大，作為相位控制指令*，輸入到相位控制電路PHC。即，從直流電壓控制電路Gv(S)直接向相位控制電路PHC傳送相位控制信號(hào)*。
在Vd*＞Vd的情況下，偏差εv為正，使控制相位角指令*增加。該控制相位角指令*決定對于第2交流電源SUP2的電壓Vs的變換器CNV3的交流電壓Vc的延遲相位角，如在圖43中說明過的那樣，通過使*＝增加，輸入電流Is增加。其結(jié)果，從電源SUP2供給的有效功率Ps2增加，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd上升，控制成使得Vd*＝Vd。反之，在Vd*＜Vd的情況下，偏差εv為負(fù)，控制相位角指令*減少或者成為負(fù)的值(超前相位)。如果＜0，則在圖22的矢量圖中，變換器CNV3的直流電壓成為Vc’，輸入電流Is的矢量的朝向反相，在交流電源SUP2中再生有效功率Ps2。其結(jié)果，直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd下降，也控制成Vd*＝Vd。如上所述，能夠省略輸入電流控制電路(局部回路)，能夠謀求簡化控制電路。
圖47是表示控制從圖40的裝置的上述第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的補(bǔ)償電流控制單元CONT1的具體結(jié)構(gòu)。圖中，F(xiàn)s(x)表示電力指令發(fā)生器，Ks表示比例元件，C2、C3表示比較器，M1、M2表示乘法器，AD1～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
如以下那樣控制從第1交流電源SUP1(三相-60Hz)供給的功率Ps1。電力指令發(fā)生器Fs(x)依照負(fù)載功率PL的時(shí)間平均值PL(av)，提供從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1的指令值Ps1*，通過乘以比例常數(shù)Ks，作為斯科特接線變壓器TR1的M座、T座繞組電流IMs、ITs的波峰值指令I(lǐng)sm*。
由乘法器M1把輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*和與斯科特接線變壓器TR1的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt相乘，輸出M座輸入電流指令I(lǐng)Ms*＝Ism*×sinωt。由乘法器M2把輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*和與斯科特接線變壓器TR1的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt相乘，輸出T座輸入電流指令I(lǐng)Ts*＝Ism*×cosωt。
由加減法器AD1，從M座負(fù)載電流IML的檢測值減去M座輸入電流指令值IMs*，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。同樣，由加減法器AD3，從T座負(fù)載電流ITL的檢測值減去T座輸入電流指令值ITs*，求T座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。其中，ITL＝0。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。該輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。當(dāng)然，在單相變壓器TRm的漏電感小的情況下，有時(shí)也在該變壓器TRm的一次或者二次繞組上串聯(lián)插入電抗器Lsmo。
在IMc*＞IMc時(shí)，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc時(shí)，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR1供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。該輸入電流IMs成為與M座電壓VM同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。
在ITc*＞ITc時(shí)，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc時(shí)，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR1供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝ITL-ITc*＝ITL-(ITL-ITs*)＝ITs*。該輸入電流ITs成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。其中，T座負(fù)載電流成為ITL＝0。斯科特接線變壓器TR1的M座、T座的電流IMs和ITs成為相同的振幅值Ism*，相位錯(cuò)開了90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從第1三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。這樣，不僅能夠減少斯科特接線變壓器TR1的容量，還能夠減少第1交流電源SUP1的設(shè)備或者M(jìn)/G裝置的容量。
圖48表示圖47的控制電路CONT1的電力指令發(fā)生器Fs(x)的特性的一個(gè)例子，對于負(fù)載功率PL(av)，如以下那樣提供來自第1交流電源SUP1的功率指令值Ps1*。即，當(dāng)采取設(shè)定值PLo時(shí)，在-PLo＜PL(av)＜+PLo的范圍內(nèi)，成為Ps1*＝PL(av)，從第1交流電源SUP1供給或者再生全部的負(fù)載功率PL。另外，在PL(av)＜-PLo下，使Ps1*＝-PLo＝恒定，另外，在PL(av)＞+PLo下，使Ps1*＝+PLo＝恒定。即，在再生運(yùn)行時(shí)，在PL(av)＜-PLo的情況下，在第1交流電源SUP1中再生的功率成為Ps1＝-PLo＝恒定，該范圍以外的再生功率(PL(av)-PLo)經(jīng)過固定脈沖相位控制變換器CNV3，在第2交流電源SUP2中再生。
另外，在動(dòng)力運(yùn)行下，在PL(av)＞+PLo的情況下，從第1交流電源SUP1供給的功率成為Ps1＝+PLo＝恒定，該范圍以外的供給功率(PL(av)-PLo)經(jīng)過固定脈沖相位控制變換器CNV3，從第2交流電源SUP2供給。
由此，在本實(shí)施方式中，能夠不增加已經(jīng)存在的設(shè)備(M/G裝置或者斯科特接線變壓器等)的容量，而增加向電車負(fù)載的供給功率或者再生功率的容量，能夠提供經(jīng)濟(jì)的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)。
圖49是圖40的裝置的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)M座、T座的電壓·電流矢量圖。T座負(fù)載電流ITL＝0，M座負(fù)載電流IML對于電壓VM成為滯后若干相位θ。負(fù)載功率是PL＝VM×IML×cosθ，與來自第1交流電源SUP1的供給功率Ps1以及來自第2交流電源SUP2的供給功率Ps2的和Pso＝Ps1+Ps2相等。
來自第1交流電源SUP1的經(jīng)過斯特特接線變壓器TR1供給的電流IMs以ITs被控制成分別與M座電壓VM以及T座電壓VT同相的正弦波，輸入功率Ps1成為Ps1＝IMs×VM+ITs×VT。另外，從第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2供給的補(bǔ)償電流IMc以及ITc分別成為IMc＝IML-ImsITc＝ITL-ITs＝-ITs在M座補(bǔ)償電流IMc中，包括從第2交流電源SUP2經(jīng)過固定脈沖相位控制變換器CNV3供給的有效功率Ps2和負(fù)載的無效功率QL在內(nèi)，從第1交流電源SUP1供給有效功率Ps1＝PL-Ps2。
M座的有效功率PMs＝IMs×VM與T座的有效功率PTs＝ITs×VT相等，從斯科特接線變壓器TR1的M座繞組供給有效功率Ps1的一半，剩下的一半從T座繞組供給。從T座繞組供給的功率PTs＝Ps1/2由第2電壓型自激式電力變換器CNV2再生，供給到直流平滑電容器Cd。即，成為Tc＝-ITs。進(jìn)而，其功率Ps1/2經(jīng)過第1電壓型自激式電力變換器CNV1供給到單相交流饋電線Fa。這時(shí)，包括從第2交流電源SUP2經(jīng)過固定脈沖相位控制變換器CNV3供給的功率Ps2和負(fù)載的無效功率QL＝VM×ILM×sinθ在內(nèi)，從第1電壓型自激式電力變換器CNV1供給，從斯科特接線變壓器TR1的M座繞組只供給有效功率PMs＝IMs×VM＝Ps1/2。
通過把第1電壓型自激式電力變換器CNV1的輸出容量設(shè)定為大于第2電壓型自激式電力變換器CNV2的輸出容量，能夠加大從第2交流電源SUP2供給的功率Ps2，能夠相應(yīng)地使從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1減小，換言之，能夠謀求降低已經(jīng)存在的M/G裝置(頻率變換器)或者斯科特接線變壓器等的設(shè)備容量。
第13實(shí)施方式圖50是本發(fā)明第13實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。圖中，SUP1表示第1交流電源，SUP2表示第2交流電源，TR1表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，SWt、SWm、SW1、SW2表示開關(guān)，CNV1、CNV2表示電壓型自激式電力變換器，Cd表示直流平滑電容器，Lf、Cf表示構(gòu)成LC濾波器的電抗器和電容器，TR2表示三相變壓器，CNV3表示固定脈沖相位控制變換器，CONT1表示控制上述電變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的補(bǔ)償電流控制單元，CONT3表示上述固定脈沖相位控制變換器CNV3的控制電路。
斯科特接線變壓器TR1把第1交流電源SUP1(三相-60Hz)的三相交流電壓Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM與VT具有90°的相位差。斯科特接線變壓器TR1的M座繞組經(jīng)過開關(guān)SWm連接到交流饋電線Fa。另外，第1電壓型自激式電變換器CNV1的單相輸出端子經(jīng)過單相變壓器TRm以及開關(guān)SW1連接到交流饋電線Fa。進(jìn)而，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子經(jīng)過單相變壓器TRt以及開關(guān)SWt連接到斯科特接線變壓器TR1的T座端子。通常的運(yùn)行下，以投入開關(guān)SWt、SWm以及SW1，釋放開關(guān)SW2的狀態(tài)運(yùn)行。
另外，在第2交流電源SUP2(三相-50Hz)上，經(jīng)過三相變壓器TR2連接固定脈沖相位控制變換器CNV3的交流端子，把該變換器CNV3的直流輸出端子連接到上述直流平滑電容器Cd。與直流平滑電容器Cd并聯(lián)連接的LC濾波器(Lf、Cf)決定電抗器Lf和電容器Cf的值，以便在交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍的頻率上諧振。通過用LC濾波器吸收伴隨著以交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍變動(dòng)的單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL，抑制直流電壓的變動(dòng)ΔVd。其結(jié)果，能夠減小直流平滑電容器Cd的容量，能夠大幅度地降低直流電壓的變動(dòng)ΔVd。雖然在負(fù)載急劇變化等過渡時(shí)擔(dān)憂由LC濾波器引起的電振蕩現(xiàn)象，但是由于由固定脈沖相位控制變換器CNV3進(jìn)行直流電壓控制，因此起到使電振蕩衰減的阻尼作用，能夠提供穩(wěn)定的系統(tǒng)。
變換器CNV3是以一定的脈沖圖形(例如，1脈沖、3脈沖、5脈沖、……等)動(dòng)作的電壓型自激式電力變換器，在使直流電壓Vd成為恒定時(shí)，交流側(cè)輸出電壓Vc的振幅值成為恒定。因此，通過調(diào)整對于第2交流電源SUP2的電壓Vs(Vr、Vs、Vt)的變換器CNV3的交流側(cè)輸出電壓Vc(Vcr、Vcs、Vct)的相位角，控制輸入電流Is(Ir、Is、It)。其動(dòng)作由于已經(jīng)在圖41～圖45中說明過，因此省略。
圖51是表示圖50的裝置的補(bǔ)償電流控制單元CONT1的圖，圖52是表示變換器CNV3的控制電路CONT3的具體的結(jié)構(gòu)的圖。圖中，ASW1～ASW4表示信號(hào)切換器，F(xiàn)s(x)表示電力指令發(fā)生器，Ks表示比例元件，C1～C3、C6表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，M1、M2表示乘法器，AD1～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)、Giq(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路，PHC表示相位控制電路。
施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd由固定脈沖相位控制變換器CNV3進(jìn)行如下控制。以直流電壓指令值Vd*＝恒定進(jìn)行說明。由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，把其偏置εv輸入到電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)，通過進(jìn)行比例或者積分放大，求從第2交流電源SUP2供給的有效電流指令值Iq*。另外，檢測來自第2交流電源SUP2的三相輸入電流Ir、Is、It，通過把它們進(jìn)行坐標(biāo)變換(三相/dq變換)，分為有效電流Iq和無效電流Id。
由比較器C6把有效電流指令值Iq*與有效電流檢測值Iq進(jìn)行比較，把其偏差εq輸入到后面的電流控制補(bǔ)償電路Giq(S)，通過進(jìn)行比例或者積分放大，求控制相位信號(hào)*。
在相位控制電路PHC中，輸入與第2交流電源SUP2的三相電壓Vr、Vs、Vt同步的相位基準(zhǔn)信號(hào)θr、θs、θt，與控制相位信號(hào)*進(jìn)行比較，生成變換器CNV3的選通信號(hào)。變換器的交流電壓Vcr、Vcs、Vct對于電源電壓Vr、Vs、Vt，僅錯(cuò)開控制相位角*，控制輸入電流Ir、Is、It的有效成分Iq。在Iq*＞Iq的情況下，控制相位信號(hào)*(滯后)增加，增加輸入電流Ir、Is、It的有效成分Iq。反之，在Iq*＜Iq的情況下，控制相位信號(hào)*(滯后)成為負(fù)的值，減少輸入信號(hào)Ir、Is、It的有效成分Iq。由此，控制成Iq*＝Iq。在Vd*＞Vd的情況下，偏差εv成為正的值，用電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把其放大，增加有效電流指令值Iq*。由此，從第2交流電源SUP2供給功率Ps2，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd增加，控制成Vd*＝Vd。反之，在Vd*＜Vd的情況下，偏差εv成為負(fù)的值，使有效電流指令值Iq*成為負(fù)的值。由此，向第2交流電源SUP2再生功率Ps2，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd減少，也控制成Vd*＝Vd。
另一方面，當(dāng)把信號(hào)切換器ASW1～ASW4全部連接到b一側(cè)時(shí)，如以下那樣控制從第1交流電源SUP1(三相-60Hz)供給的功率Ps1。
電力指令發(fā)生器Fs(x)依照負(fù)載功率PL的時(shí)間平均值PL(av)，提供從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1的指令值Ps1*，通過乘以比例常數(shù)Ks，作為斯科特接線變壓器TR1的M座、T座繞組電流IMs、ITs的波峰值指令I(lǐng)sm*。
由乘法器M1把輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*和與斯科特接線變壓器TR1的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt相乘，輸出M座輸入電流指令I(lǐng)Ms*＝Ism*×sinωt。由乘法器M2把輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*和與斯科特接線變壓器TR1的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt相乘，輸出T座輸入電流指令I(lǐng)Ts*＝Ism*×cosωt。
由加減法器AD1，從M座負(fù)載電流IML的檢測值減去M座輸入電流指令值IMs*，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。同樣，由加減法器AD3，從T座負(fù)載電流ITL的檢測值減去上述T座輸入電流指令值ITs*，求T座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。其中，ITL＝0。由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。當(dāng)然，在單相變壓器TRm的漏電感小的情況下，有時(shí)也在該變壓器TRm的一次或者二次繞組上串聯(lián)插入交流電抗器Lsmo。在IMc*＞IMc的情況下，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc的情況下，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR1供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。該輸入電流IMs成為與M座電壓VM同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到上述電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。
輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。在ITc*＞ITc的情況下，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc的情況下，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。
其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR1供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝ITL-ITc*＝ITL-(ITL-ITs*)＝ITs*。
該輸入電流ITs成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。其中，T座負(fù)載電流成為ITL＝0。
斯科特接線變壓器TR1的M座、T座的電流IMs和ITs成為相同的振幅值Ism*，相位錯(cuò)開了90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從第1三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。其結(jié)果，不僅能夠減少斯科特接線變壓器TR1的容量，還能夠減少第1交流電源SUP1的設(shè)備或者M(jìn)/G裝置的容量。
考慮在圖50的裝置中，由于某些原因，第1交流電源SUP1(三相-60Hz)發(fā)生故障，不能夠饋電的情況。這種情況下，暫時(shí)停止裝置的運(yùn)行，釋放連接到斯科特接線變壓器TR1的M座繞組以及T座繞祖上的開關(guān)SWm、SWt。然后，投入開關(guān)SW2，把第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子連接到單相交流饋電線Fa。即，對于單相交流饋電線Fa，并聯(lián)連接第1電壓型自激式電力變換器CNV1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV2。
這里，由圖51的控制電路把信號(hào)切換器ASW1～ASW4全部切換到a一側(cè)，再次開始運(yùn)行。通過把信號(hào)切換器ASW1連接到a一側(cè)，使從第1交流電源SUP1饋電的有效功率的指令值Ps1*＝0。因此成為IMs*＝0，ITs*＝0。另外，通過把信號(hào)切換器ASW2和ASW3連接到a一側(cè)，分別向加減法器AD1以及AD3各輸入負(fù)載電流IML的1/2。從而，從第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2供給的補(bǔ)償電流指令值IMc*、ITc*分別以IMc*＝IML/2-IMs*＝IML/2和ITc*＝IML/2-ITs*＝IML/2提供。進(jìn)而，通過把信號(hào)切換器ASW4連接到a一側(cè)，把與M座電壓VM(單相交流饋電Fa的電壓)成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*輸入到加減法器AD4。由此，第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2發(fā)生與補(bǔ)償信號(hào)EM*成比例的電壓VM，而且，控制成各分擔(dān)負(fù)載電流IML的1/2。
這樣，如果依據(jù)本實(shí)施方式，則在即使停止來自一個(gè)變電站的饋電，通過來自相鄰變電站的饋電，確立單相交流饋電線Fa的電壓VM的情況下，通過使用以其電壓VM為基準(zhǔn)的補(bǔ)償信號(hào)EM*，能夠?qū)崿F(xiàn)單相拉通的交流饋電系統(tǒng)。另外，第3電壓型自激式電力變換器(固定脈沖相位控制變換器)CNV3進(jìn)行控制使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd與指令值Vd*＝恒定一致。即，成為從第2交流電源SUP2供給全部負(fù)載功率PL。這時(shí)，在單相交流饋電線Fa中，由于經(jīng)過第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2供給功率，因此能夠有效地靈活運(yùn)用第2電壓型自激式電力變換器CNV2，能夠減輕第1電壓型自激式電力變換器CNV1的負(fù)載。
第14實(shí)施方式圖53是本發(fā)明第14實(shí)施方式的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的框圖。圖中，SUP1表示第1交流電源，SUP2表示第2交流電源，TR1表示斯科特接線變壓器，F(xiàn)a表示單相交流饋電線，Load表示新干線電車負(fù)載，TRm、TRt表示單相變壓器，CNV1、CNV2表示電壓型自激式電力變換器，Cd表示直流平滑電容器，Lf、Cf表示構(gòu)成LC濾波器的電抗器和電容器，TR2表示三相變壓器，HB-CNV表示混合變換器，CONT1表示控制從電力變換器CNV1、CNV2輸出的補(bǔ)償電流IMc、ITc的補(bǔ)償電流控制單元，CONT3表示混合變換器HB-CNV的控制電路。
補(bǔ)償電流控制單元CONT1由有效功率指令發(fā)生電路Ps1-ref、補(bǔ)償電流指令發(fā)生電路Ic-ref、補(bǔ)償電流控制電路IMc-Cont、ITc-Cont以及脈寬調(diào)制控制電路PWM1、PWM2構(gòu)成。另外，控制電路CONT3由直流電壓控制電路Vd-Cont、有效電流控制電路Iq-Cont以及相位控制電路PHC構(gòu)成。
斯科特接線變壓器TR1把第1三相交流電源SUP1(三相-60Hz)的三相交流電壓Vu、Vv、Vw變換為二相交流電壓VM、VT，該二相電壓VM與VT具有90°的相位差。
M座輸出連接到單相交流饋電線Fa，T座成為開路(無負(fù)載)。第1電壓型自激式電力變換器CNV1的單相輸出端子經(jīng)過單相變壓器TRm連接到斯科特接線變壓器TR1的M座端子，第2電壓型自激式電力變換器CNV2的單相輸出端子經(jīng)過單相變壓器TRt連接到斯科特接線變壓器TR1的T座端子。另外，在第2交流電源SUP2(三相-50Hz)上，經(jīng)過三相變壓器TR2連接混合變換器HB-CNV的交流端子，把該混合變換器HB-CNV的直流輸出端子連接到上述直流平滑電容器Cd。
決定電抗器Lf和電容器Cf的值，使得并聯(lián)連接在直流平滑電容器Cd上的LC濾波器(Lf、Cf)在交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍頻率上諧振。通過用LC濾波器吸收伴隨著以交流饋電線的頻率(60Hz)的2倍變動(dòng)的單相負(fù)載的功率變動(dòng)部分ΔPL，抑制直流電壓的變動(dòng)ΔVd。
其結(jié)果，在本實(shí)施方式中，能夠減小直流平滑電容器Cd的容量，而且，能夠大幅度地降低直流電壓的變動(dòng)ΔVd。雖然在負(fù)載急劇變化等過渡時(shí)擔(dān)憂由LC濾波器產(chǎn)生的電振蕩現(xiàn)象，但是由于用固定脈沖相位控制變換器CNV3進(jìn)行直流電壓控制，因此起到使電振蕩衰減的阻尼作用，能夠提供穩(wěn)定的系統(tǒng)。另外，通過穩(wěn)定直流電壓Vd，還穩(wěn)定由第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2進(jìn)行的補(bǔ)償電流控制或者混合變換器進(jìn)行的控制，謀求提高控制性能。另外，電力變換器CNV1、CNV2或者混合變換器HB-CNV的耐壓范圍還能夠降低與電壓變動(dòng)ΔVd減小的部分相當(dāng)?shù)牧?，能夠提供更廉價(jià)的裝置。
混合變換器HB-CNV是把電力用二極管整流器REC與電壓型自激式電力變換器CNV組合起來的部件，通過調(diào)整以一定的脈沖圖形(例如，1脈沖、3脈沖、5脈沖、……等)動(dòng)作的變換器HB-CNV的交流側(cè)輸出電壓Vc(Vcr、Vcs、Vct)的對于第2交流電源SUP2的電壓Vs(Vr、Vs、Vt)的相位角，控制輸入電流Is(Ir、Is、It)的有效成分Iq，其結(jié)果，控制施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd。
在本實(shí)施方式的裝置中，通過動(dòng)力運(yùn)行·再生運(yùn)行，直流電壓Vd＝Vd*能夠由混合變換器HB-CNV控制成幾乎恒定，由于不需要采用電壓調(diào)整，能夠相應(yīng)地提高第1以及第2自激式電力變換器CNV1、CNV2的電壓利用率。
圖54是表示圖53的裝置的混合變換器HB-CNV的具體的主電路結(jié)構(gòu)及其控制電路CONT3的圖。第2交流電源SUP2、三相變壓器TR2以及直流平滑電容器Cd與圖53重復(fù)描繪。圖中，REC是電力用二極管整流器，由電力用二極管PD1～PD6構(gòu)成。另外，CNV是電壓型自激式電力變換器，由自消弧元件S1～S6和高速二極管D1～D6構(gòu)成。La是交流電抗器，起到抑制伴隨著自消弧元件S1～S6的開關(guān)動(dòng)作，在電力用二極管PD1～PD6中流過的恢復(fù)電流的作用。另外，作為控制電路CONT3，準(zhǔn)備比較器C1、C6，電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)，電流控制補(bǔ)償電路Giq(S)，坐標(biāo)變換器Z，同步相位信號(hào)發(fā)生器PLL，相位控制電路PHC。
施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd由混合變換器HB-CNV進(jìn)行如下控制。以直流電壓指令值Vd*＝恒定進(jìn)行說明。由比較器C1把直流電壓指令值Vd*與直流電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，把其偏差εv輸入到電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)，通過進(jìn)行比例或者積分放大，求從第2交流電源SUP2供給的有效電流指令值Iq*。另外，檢測來自第2交流電源SUP2的三相輸入電流Ir、Is、It，通過把它們進(jìn)行坐標(biāo)變換(三相/dq變換)，分為有效電流Iq和無效電流Id。由比較器C6把有效電流指令值Iq*與有效電流檢測值Iq進(jìn)行比較，把其偏差εq輸入到后面的電流控制補(bǔ)償電路Giq(S)，通過進(jìn)行比例或者積分放大，求控制相位信號(hào)*。
在相位控制電路PHC中，輸入與第2交流電源SUP2的三相電壓Vr、Vs、Vt同步的相位基準(zhǔn)信號(hào)θr、θs、θt，與控制相位信號(hào)*進(jìn)行比較，生成混合變換器HB-CNV的選通信號(hào)。混合變換器HB-CNV的交流電壓Vcr、Vcs、Vct如上所述，對于電源電壓Vr、Vs、Vt，錯(cuò)開相位角＝*，能夠控制輸入電流Ir、Is、It的有效成分Iq。在Iq*＞Iq的情況下，控制相位信號(hào)*(滯后)增加，增加輸入電流Ir、Is、It的有效成分Iq。相反地，在Iq*＜Iq的情況下，控制相位信號(hào)*(滯后)成為負(fù)的值，減少輸入信號(hào)Ir、Is、IT的有效成分Iq。由此，控制成Iq*＝Iq。另外，在成為Vd*＞Vd的情況下，偏差εv成為正的值，用電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)將其放大，增加有效電流指令值Iq*。由此，從第2交流電源SUP2供給功率Ps2，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd增加，控制成使得Vd*＝Vd。反之，在成為Vd*＜Vd的情況下，偏差εv成為負(fù)的值，使有效電流指令值Iq*成為負(fù)的值。由此，向第2交流電源SUP2再生功率Ps2，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd減少，也控制成Vd*＝Vd。
以下，說明本實(shí)施方式的裝置中混合變換器HB-CNV的動(dòng)作。圖55是表示用于說明混合變換器HB-CNV的動(dòng)作的一相部分的主電路結(jié)構(gòu)的圖。圖中，PD1、PD4表示電力用二極管，S1、S4表示自消弧元件，D1、D4表示高速二極管，La表示交流電抗器，Vd表示直流平滑電容器Cd上的直流施加電壓。輸入電流Is是交流，說明假定沿著圖中的箭頭方向流動(dòng)的情況。
在模式(i)之前，經(jīng)過電力用二極管PD1流過電流Is。在模式(i)中，如果自消弧元件S4接通，則輸入電流Is經(jīng)過交流電抗器La，在自消弧元件S4中流過。這時(shí)，在電力用二極管PD1中，從直流電壓Vd沿著PD1→交流電抗器La→自消弧元件S4的路徑流過恢復(fù)電流。抑制該恢復(fù)電流的(di/dt)的是交流電抗器La。如果沒有該交流電抗器La，則在電力用二極管PD1或者自消弧元件S4中流過過大的恢復(fù)電流，將引起損失增大或者元件破壞。
接著，在模式(ii)中，如果斷開自消弧元件S4，接通S1，則交流電抗器La的電流Ia不是立即成為0，而是經(jīng)過高速二極管D1流動(dòng)。在接著的模式(iii)中，高速二極管D1的電流逐漸衰減，電流向電力用二極管PD1移動(dòng)。即，一般，由于與電力用二極管PD1的正向壓降VFa相比較，高速二極管D1的正向壓降VFb大，因此根據(jù)其差電壓(Vb-Va)，交流電抗器La的電流衰減，輸入電流Is從高速二極管D向電力用二極管PD1移動(dòng)。最終，如模式(iv)那樣，輸入電流Is成為經(jīng)過電力用二極管PD1流動(dòng)。交流電抗器La還起到抑制下支路的電力用二極管PD4的恢復(fù)電流的作用。
圖56表示動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的混合變換器HB-CNV的動(dòng)作波形例，表示一相部分(R相)?；爝^變換器HB-CNV是把三相橋形接線的電力二極管整流器REC與電壓型自激式電力變換器CNV組合起來的部件，作為R相部分，考慮電力用二極管PD1、PD4，自消弧元件S1、S4以及與該自消弧元件S1、S4的每一個(gè)反向并聯(lián)連接的高速二極管D1、D4。
變換器HB-CNV的交流電壓Vcr對于電源電壓Vr滯后相位角。在使電壓Vr與Vcr的基波振幅值相同時(shí)，輸入電流Ir比電源電壓Vr延遲/2的電流。這里，為了使說明簡單，省略電流Ir的高次諧波成分，采用正弦波電流。當(dāng)電流Ir＞0時(shí)，如果接通自消弧元件S4(元件S1斷開)，則交流輸出電壓成為Vcr＝-Vd/2，在下支路自消弧元件S4中流過電流IS4。當(dāng)電流Ir＞0時(shí)，在ωt＝0下，如果斷開自消弧元件S4，接通元件S1，則交流輸出電壓成為Vcr＝+Vd/2，成為IS4＝0。電流Ir首先通過上支路的高速二極管D1，流過ID1，如上所述，由于高速二極管D1的正向壓降Vb大于電力用二極管PD1的正向壓降Va，因此交流電抗器La的電流Ia逐漸衰減，轉(zhuǎn)向流入電力用二極管PD1。即，ID1衰減，IPD1增加，最終成為IPD1＝Ir。直到電流Ir反相為止，流過IPD1＝Ir。而且，如果電流成為Ir＜0，則由于元件S1接通，因此在元件S1中流過電流IS1。
在相位角ωt＝π下，如果斷開自消弧元件S1，接通元件S4，則電壓Vcr再次成為Vcr＝-Vd/2，IS1＝0，首先，電流ID4在下支路的高速二極管D4中流動(dòng)。由于高速二極管D4的正向壓降Vb大于電力用二極管PD4的正向壓降Va，因此交流電抗器La的電流Ia逐漸衰減，轉(zhuǎn)向流入電力用二極管PD4。即，ID4衰減，IPD4增加，最終成為IPD4＝Ir。直到電流Ir再次反相為止，流過IPD4＝Ir。
自消弧元件S1以及S4的切斷電流Imax如果把輸入電流Ir的波峰值記為Im，則成為Imax＝Im×sin(/2)，例如，如果取控制相位角＝20°，則成為Imax＝0.174×Im。即，在輸入電流Ir的零交叉附近進(jìn)行自消弧元件S1、S4的開關(guān)(接通/斷開動(dòng)作)動(dòng)作，自消弧元件S1、S4的最大切斷電流Imax相對于電流波峰值Im能夠抑制為充分小。其結(jié)果，在本實(shí)施方式中，能夠使用變流器的容量小的元件，能夠提供經(jīng)濟(jì)的變換器。另外，能夠減少開關(guān)損失，謀求降低冷卻設(shè)備容量。進(jìn)而，混合變換器HB-CNV的交流電壓Vcr為矩形波電壓，其基波成分的波峰值Vcm成為Vcm＝(4/π)×(Vd/2)＝1.273×(Vd/2)能夠得到大于等于直流電壓(Vd/2)的值。即，與通常的PWM控制變換器相比較，電壓利用率高，在用相同耐壓的自消弧元件構(gòu)成的情況下，具有能夠發(fā)生更大的輸出的優(yōu)點(diǎn)。S相、T相也同樣地被控制。
如上所述，在構(gòu)成本實(shí)施方式的裝置的混合變換器HB-CNV中，動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的輸入電流Ir、Is、It的大部分通過電力用二極管PD1～PD6流動(dòng)，抑制在自消弧元件S1～S6或者高速二極管D1～D6中流過的電流。因此，在動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載功率大于再生功率的電氣化鐵路系統(tǒng)中，能夠進(jìn)行高效率的運(yùn)行，另外，如果與以往的PWM變換器相比較，則具有能夠提供更經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
圖57是圖53的裝置的混合變換器HB-CNV的控制電路CONT3的其它的框圖。圖中，C1表示比較器，Gv(S)表示電壓控制補(bǔ)償電路，PHC表示相位控制電路。
檢測施加到直流平滑電容器Cd上的電壓Vd。由比較器C1，把電壓指令值Vd*與電壓檢測值Vd進(jìn)行比較，求偏差εv＝Vd*-Vd。由后面的電壓控制補(bǔ)償電路Gv(S)把該偏差εv進(jìn)行比例或者積分放大，作為相位控制指令*，輸入到相位控制電路PHC。即，從直流電壓控制電路Gv(S)直接向相位控制電路PHC傳送相位控制信號(hào)*。在Vd*＞Vd的情況下，偏差εv成為正，使控制相位角指令*增加。該控制相位角指令*決定對于第2交流電源SUP2的電壓Vs的變換器CNV3的交流電壓Vc的延遲相位角，通過使*＝增加，輸入電流Is增加。其結(jié)果，從電源SUP2供給的有效功率Ps2增加，使直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd上升，控制成Vd*＝Vd。
反之，在Vd*＜Vd的情況下，偏差εv為負(fù)，控制相位角指令*減少或者成為負(fù)的值(超前相位)。如果成為＜0，則輸入電流Is的矢量的朝向反相，在交流電源SUP2中再生有效功率Ps2。其結(jié)果，直流平滑電容器Cd上的施加電壓Vd下降，也控制成Vd*＝Vd。如上所述，能夠省略輸入電流控制電路(局部回路)，能夠謀求簡化控制電路。
圖58表示圖53的裝置的第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2的補(bǔ)償電流控制單元CONT1的具體結(jié)構(gòu)。圖中，F(xiàn)s(x)表示電力指令發(fā)生器，Ks表示比例元件，C2、C3表示比較器，M1、M2表示乘法器，AD1～AD4表示加減法器，Gi1(S)、Gi2(S)表示電流控制補(bǔ)償電路，PWM1、PWM2表示脈寬調(diào)制控制電路。
如以下那樣控制從第1交流電源SUP1(三相-60Hz)供給的功率Ps1。電力指令發(fā)生器Fs(x)依照負(fù)載功率PL的時(shí)間平均值PL(av)，提供從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1的指令值Ps1*，通過乘以比例常數(shù)Ks，作為斯科特接線變壓器TR1的M座、T座繞組電流IMs、ITs的波峰值指令I(lǐng)sm*。
由乘法器M1把輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*和與斯科特接線變壓器TR1的M座電壓VM同步的單位正弦波sinωt相乘，輸出M座輸入電流指令I(lǐng)Ms*＝Ism*×sinωt。由乘法器M2把輸入電流波峰值指令I(lǐng)sm*和與斯科特接線變壓器TR1的T座電壓VT同步的單位正弦波cosωt相乘，輸出T座輸入電流指令I(lǐng)Ts*＝Ism*×cosωt。由加減法器AD1，從M座負(fù)載電流IML的檢測值減去M座輸入電流指令值IMs*，求M座補(bǔ)償電流指令值IMc*＝IML-IMs*。同樣，由加減法器AD3，從T座負(fù)載電流ITL的檢測值減去T座輸入電流指令值ITs*，求T座補(bǔ)償電流指令值ITc*＝ITL-ITs*。其中，ITL＝0。
由比較器C2把M座補(bǔ)償電流檢測值IMc與補(bǔ)償電流指令值IMc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)把其偏差εm＝IMc*-IMc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD2。在加減法器AD2中，把與M座電壓VM成比例的補(bǔ)償信號(hào)EM*加入到電流控制補(bǔ)償電路Gi1(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)em*輸入到變換器CNV1的脈寬調(diào)制控制電路PWM1。第1電壓型自激式電力變換器CNV1發(fā)生與該輸入信號(hào)em*成比例的電壓VMc。
輸出電壓VMc與M座電源電壓VM的差(VMc-VM)施加到單相變壓器TRm的漏電感Lsm上，流過補(bǔ)償電流IMc。當(dāng)然，在單相變壓器TRm的漏電感小的情況下，有時(shí)也在該變壓器TRm的一次或者二次繞組上串聯(lián)插入電抗器Lsmo。
在IMc*＞IMc的情況下，偏差εm為正，進(jìn)行控制使信號(hào)em*增加，增加補(bǔ)償電流IMc，使IMc*＝IMc。反之，在IMc*＜IMc的情況下，偏差εm為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)em*減少，減少補(bǔ)償電流IMc，也使IMc*＝IMc。其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR1供給的M座輸入電流IMs被控制成IMs＝IML-IMc＝IML-IMc*＝IML-(IML-IMs*)＝IMs*。該輸入電流IMs成為與M座電壓VM同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。
同樣，由比較器C3把T座補(bǔ)償電流檢測值ITc與補(bǔ)償電流指令值ITc*進(jìn)行比較，由后面的電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)把其偏差εt＝ITc*-ITc進(jìn)行放大，輸入到加減法器AD4。在加減法器AD4中，把與T座電壓VT成比例的補(bǔ)償信號(hào)ET*加入到電流控制補(bǔ)償電路Gi2(S)的輸出信號(hào)上，把其信號(hào)et*輸入到變換器CNV2的脈寬調(diào)制控制電路PWM2。第2電壓型自激式電力變換器CNV2發(fā)生與該輸入信號(hào)et*成比例的電壓VTc。
輸出電壓VTc與T座電源電壓VT的差(VTc-VT)施加到單相變壓器TRt的漏電感Lst上，流過補(bǔ)償電流ITc。在ITc*＞ITc的情況下，偏差εt為正，進(jìn)行控制使信號(hào)et*增加，增加補(bǔ)償電流ITc，使ITc*＝ITc。反之，在ITc*＜ITc的情況下，偏差εt為負(fù)，進(jìn)行控制使信號(hào)et*減少，減少補(bǔ)償電流ITc，也使ITc*＝ITc。其結(jié)果，從斯科特接線變壓器TR1供給的T座輸入電流ITs被控制成ITs＝ITL-ITc＝ITL-ITc*＝ITL-(ITL-ITs*)＝ITs*。
該輸入電流ITs成為與T座電壓VT同相(功率因數(shù)＝1)的正弦波電流。其中，T座負(fù)載電流成為ITL＝0。
斯科特接線變壓器TR1的M座、T座的電流IMs和ITs成為相同的振幅值Ism*，相位錯(cuò)開了90°的二相平衡電流。其結(jié)果，從第1三相交流電源SUP1供給的電流也成為被三相平衡了的功率因數(shù)＝1的正弦波電流。其結(jié)果，不僅能夠減少斯科特接線變壓器TR1的容量，還能夠減少第1交流電源SUP1的設(shè)備或者M(jìn)/G裝置的容量。
圖59是表示圖58的電力指令發(fā)生器Fs(x)的特性例，對于負(fù)載功率PL(av)，如以下那樣提供來自第1交流電源SUP1的功率指令值Ps1*。
Ps1*＝k×PL(av)(式中，k＝0～1)例如，在取k＝0.5時(shí)，從第1交流電源SUP1供給負(fù)載功率PL(av)的一半，從第2交流電源SUP2供給剩下的一半。即，從第2交流電源SUP2經(jīng)過混變換器HB-CNV供給(或者再生)的功率Ps2成為Ps2＝Phb＝PL(av)-Ps1*＝(1-k)·Ps1*通過改變系數(shù)k，能夠調(diào)整從第1交流電源SUP1供給(或者再生)的功率Ps1和從第2交流電源SUP2供給(或者再生)的功率Ps2的分配。
圖60是表示圖58的電力指令發(fā)生器Fs(x)的其它特性例的圖，對于負(fù)載功率PL(av)，如以下那樣提供來自第1交流電源SUP1的功率指令值Ps1*。即，在采用設(shè)定值PLo時(shí)，在-PLo＜PL(av)＜+PLo的范圍內(nèi)，使Ps1*＝PL(av)，從第1交流電源SUP1供給或者再生全部負(fù)載功率PL。在PL(av)＜-PLo下，使Ps1*＝-PLo＝恒定，另外，在PL(av)＞+PLo下，使Ps*＝+PLo＝恒定。
即，在再生運(yùn)行下，在PL(av)＜-PLo的情況下，使在第1交流電源SUP1中再生的功率成為Ps1＝-PLo＝恒定，該范圍以外的再生功率(PL(av)-PLo)經(jīng)過混合變換器HB-CNV，在第2交流電源SUP2中再生。另外，在動(dòng)力運(yùn)行下，在PL(av)＞+PLo的情況下，使從第1交流電源SUP1供給的功率成為Ps1＝+PLo＝恒定，該范圍以外的供給功率(PL(av)-PLo)經(jīng)過混合變換器HB-CNV，從第2交流電源SUP2供給。
由此，如果依據(jù)本實(shí)施方式，則能夠不增加已經(jīng)存在的設(shè)備(M/G裝置或者斯特接線變壓器等)的容量，而增加向電車負(fù)載的供給功率或者再生功率的容量，能夠提供經(jīng)濟(jì)的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)。
圖61是圖53的裝置的動(dòng)力運(yùn)行時(shí)的M座、T座的電壓·電流矢量圖。T座負(fù)載電流ITL＝0，M座負(fù)載電流IML成為對于電壓VM滯后若干相位θ。負(fù)載功率是PL＝VM×IML×cosθ，與來自第1交流電源SUP1的供給功率Ps1以及來自第2交流電源SUP2的供給功率Ps2的和Pso＝Ps1+Ps2相等。
從第1交流電源SUP1經(jīng)過斯科特接線變壓器TR1供給的電流IMs以及ITs被控制成分別與M座電壓VM以及T座電壓VT同相的正弦波，輸入電流Ps1成為Ps1＝IMs×VM+ITs×VT另外，從第1以及第2電壓型自激式電力變換器CNV1、CNV2供給的補(bǔ)償電流IMc以及ITc分別成為IMc＝IML-IMsITc＝ITL-ITs＝-ITs在M座補(bǔ)償電流IMc中，包括從第2交流電源SUP2經(jīng)過混合變換器HB-CNV供給的有效功率Ps2和負(fù)載的無效功率QL，從第1交流電源SUP1供給有效功率Ps1＝PL-Ps2。
M座的有效功率PMs＝IMs×VM與T座的有效功率PTs＝ITs×VT相等，成為從斯科特接線變壓器TR1的M座繞組供給有效功率Ps1的一半，從T座繞組供給剩下的一半。
從T座繞組供給的功率PTs＝Ps1/2由第2電壓型自激式電力變換器CNV2再生，供給到直流平滑電容器Cd。即，成為ITc＝-ITs。進(jìn)而，其功率Ps1/2經(jīng)過第1電壓型自激式電力變換器CNV1供給到單相交流饋電線Fa。這時(shí)，包括從第2交流電源SUP2經(jīng)過混合變換器HB-CNV供給的功率Ps2和負(fù)載的無效功率QL＝VM×ILM×sinθ在內(nèi)，從第1電壓型自激式電力變換器CNV1供給，成為從斯科特接線變壓器TR1的M座繞組只供給有效功率PMs＝IMs×VM＝Ps1/2。
在本實(shí)施方式中，通過使第1電壓型自激式電力變換器CNV1的輸出容量大于第2電壓型自激式電力變換器CNV2的輸出容量，能夠加大從第2交流電源SUP2供給的功率Ps2，能夠相應(yīng)地減小從第1交流電源SUP1供給的功率Ps1。換言之，能夠謀求減少已經(jīng)存在的M/G裝置(頻率變換器)或者斯科特接線變壓器等的設(shè)備容量。
權(quán)利要求
1.一種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)使用把三相電力變換成為二相電力的變壓器，得到兩個(gè)單相饋電線的電源的同時(shí)，從上述各單相饋電線經(jīng)過集電裝置，向電車負(fù)載供電，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)的特征在于，具備在從上述變壓器的一方的單相交流到另一方的單相交流之間，能夠連續(xù)互換或者連續(xù)供給電力的裝置。
2.一種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線，其特征在于上述多個(gè)變電站中至少一個(gè)變電站具備把三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在上述變壓器的二相輸出端子的一方的一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第1電力變換器；在上述變壓器的二相輸出端子的另一方的一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第2電力變換器；用上述第1以及第2電力變換器補(bǔ)償由上述變壓器的負(fù)載等產(chǎn)生的不平衡電流，控制用于作為平衡電流的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子連接的直流平滑電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子連接的直流平滑電容器；與上述直流平滑電容器并聯(lián)連接，在上述交流饋電線的頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2～4的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元具備進(jìn)行控制使施加到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的電壓與指令值一致的直流電壓控制電路；在來自上述直流電壓控制電路的輸出信號(hào)上乘以分別與上述二相交流電壓同步的單位正弦波信號(hào)，輸出二相平衡有效電流指令值的有效電流指令電路；通過分別從負(fù)載電流檢測值減去上述二相平衡有效電流指令值，輸出補(bǔ)償電流指令值的補(bǔ)償電流指令電路；依照上述補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求2～4的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元具備檢測負(fù)載功率，求其時(shí)間內(nèi)的負(fù)載功率的平均值的電路；求與上述負(fù)載功率的平均值成比例的前向補(bǔ)償?shù)挠行щ娏鞑ǚ逯抵噶畹碾娐?；進(jìn)行控制使施加到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的電壓與指令值一致的直流電壓控制電路；在來自上述直流電壓控制電路的輸出信號(hào)上加入上述前向補(bǔ)償?shù)挠行щ娏鞑ǚ逯档募訙p法器；在來自上述加減法器的輸出信號(hào)上乘以分別與上述二相交流電壓同步的單位正弦波信號(hào)，輸出二相平衡有效電流指令值的有效電流指令電路；通過從負(fù)載電流檢測值分別減去上述二相平衡有效電流值，輸出補(bǔ)償電流值的補(bǔ)償電流指令電路；依照上述補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求2～4的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元檢測負(fù)載電流，進(jìn)行控制以便從上述第1電力變換器輸出與該負(fù)載電流成比例的補(bǔ)償電流，而且，控制從上述第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流，使施加到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的電壓與指令值一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求2～4的任一項(xiàng)所述電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元求出負(fù)載有效功率的時(shí)間平均，依照各負(fù)載功率平均值，控制從上述第1電力變換器輸出的補(bǔ)償電流，而且，控制從上述第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流，使施加到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的電壓與指令值一致。
9.一種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線，其特征在于上述多個(gè)變電站中至少一個(gè)變電站具備把三相交流電壓變壓成二相交流電壓，僅把該二相輸出端子中一方的一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線的變壓器；在上述變壓器的二相輸出端子的一方的一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第1電力變換器；在上述變壓器的二相輸出端子的另一方的一相上連接交流輸出端子，把交流電力變換成直流電力的第2電力變換器；控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償由上述變壓器的負(fù)載等產(chǎn)生的不平衡電流的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；在上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子之間授受電力的蓄能裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于在上述單相交流饋電線一側(cè)連接了交流輸出端子的上述第1電力變換器的輸出容量比上述第2電力變換器的輸出容量大。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述蓄能裝置具備雙向直流斷路器裝置、該斷路器裝置的控制電路、直流電抗器、儲(chǔ)能單元，上述斷路器裝置的控制電路依照施加到上述儲(chǔ)能單元上的電壓的值，控制上述雙向斷路器裝置，以便調(diào)整在上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子之間授受的功率。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子連接的直流平滑電容器。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子連接的直流平滑電容器；與上述直流平滑電容器并聯(lián)連接，在上述交流饋電線的頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。
14.根據(jù)權(quán)利要求9～13的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元具備進(jìn)行控制使施加到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子之間的電壓與指令值一致的直流電壓控制電路；在來自上述直流電壓控制電路的輸出信號(hào)上乘以分別與上述二相交流電壓同步的單位正弦波信號(hào)，輸出二相平衡有效電流指令值的有效電流指令電路；通過分別從負(fù)載電流檢測值減去上述二相平衡有效電流指令值，輸出補(bǔ)償電流指令值的補(bǔ)償電流指令電路；依照上述補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制電路。
15.一種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線，其特征在于上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的二極管整流器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元當(dāng)負(fù)載功率小于設(shè)定功率值時(shí)，決定二相平衡有效電流指令值，使施加到上述直流平滑電容器上的電壓與指令值一致，當(dāng)上述負(fù)載功率超過設(shè)定功率值時(shí)，依照該負(fù)載功率，提供從上述第1三相交流電源供給的有效功率的指令值，從該有效功率值決定二相平衡有效電流指令值，通過從負(fù)載電流檢測值分別減去該有效電流指令值來求出補(bǔ)償電流指令值，根據(jù)該補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元具備進(jìn)行控制使施加到上述直流平滑電容器上的電壓與指令值一致的直流電壓控制電路；在來自上述直流電壓控制電路的輸出信號(hào)上乘以與上述二相交流電壓同步的單位正弦波信號(hào)，輸出二相平衡有效電流指令值的有效電流指令電路；通過從負(fù)載電流檢測值分別減去該二相平衡有效電流指令值，輸出補(bǔ)償電流指令值的補(bǔ)償電流指令電路；根據(jù)該補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制電路。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元把再生運(yùn)行時(shí)施加到上述直流平滑電容器上的電壓的指令值設(shè)定成高于上述二極管整流器的無負(fù)載整流電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元在動(dòng)力運(yùn)行時(shí)，依照與上述交流饋電線連接的電車負(fù)載的功耗的大小，控制施加到上述直流平滑電容器上的電壓，以便調(diào)整從上述二極管整流器供給的直流功率。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元當(dāng)動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載功率小于設(shè)定功率值時(shí)，把上述直流電壓指令值設(shè)定為高于上述二極管整流器的無負(fù)載整流電壓，來控制施加到上述直流平滑電容器上的電壓，在動(dòng)力運(yùn)行負(fù)載功率超過了設(shè)定功率值時(shí)，依照該負(fù)載功率的大小，控制施加到上述直流平滑電容器上的電壓，以便調(diào)整從上述二極管整流器供給的直流功率。
21.根據(jù)權(quán)利要求15～20的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述直流平滑電容器并聯(lián)連接，在上述交流饋電線的頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。
22.根據(jù)權(quán)利要求15～20的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于使在上述單相交流饋電線一側(cè)連接了交流輸出端子的上述第1電力變換器的輸出容量大于上述第2電力變換器的輸出容量。
23.一種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線，其特征在于上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；與上述直流平滑電容器之間授受功率的蓄能裝置；控制向上述蓄能裝置的充放電電流的充放電電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的二極管整流器。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元具備依照負(fù)載功率提供直流電壓指令值的電壓指令單元；進(jìn)行控制使得施加到上述直流平滑電容器上的電壓與來自該電壓指令單元的指令值一致的直流電壓控制電路；在來自該直流電壓控制電路的輸出信號(hào)上乘以與上述二相交流電壓同步的單位正弦波信號(hào)，輸出二相平衡有效電流指令值的有效電流指令電路；通過從負(fù)載電流檢測值分別減去該二相平衡有效電流指令值，輸出補(bǔ)償電流指令值的補(bǔ)償電流指令電路；根據(jù)該補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制電路。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元在動(dòng)力運(yùn)行時(shí)，依照與上述交流饋電線連接的電車負(fù)載的功耗的大小，控制施加到上述直流平滑電容器上的電壓，以便調(diào)整從上述二極管整流器供給的直流功率。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元當(dāng)負(fù)載功率小于設(shè)定功率值時(shí)，決定二相平衡有效電流指令值，使得施加到上述直流平滑電容器上的電壓與指令值一致，當(dāng)負(fù)載功率超過了設(shè)定功率值時(shí)，依照該負(fù)載功率，提供從上述第1三相交流電源供給的有效功率的指令值，從該有效功率值決定二相平衡有效電流指令值，通過從負(fù)載電流檢測值分別減去該有效電流指令值求出補(bǔ)償電流指令值，依照該補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流。
27.根據(jù)權(quán)利要求23～26的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述直流平滑電容器并聯(lián)連接，在上述交流饋電線的頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。
28.根據(jù)權(quán)利要求23～26的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述蓄能裝置的充放電電流控制單元依據(jù)負(fù)載功率，決定從上述第1三相交流電源供給的功率與從上述第2三相交流電源經(jīng)過二極管整流器供給的功率的和功率指令值，通過從上述負(fù)載功率的檢測值減去該和功率指令值，求與上述蓄能裝置之間授受的功率指令值，基于該功率指令值，控制向上述蓄能裝置的充放電電流。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述蓄能裝置的充放電電流控制單元求補(bǔ)償功率指令值，使得該蓄能裝置的蓄能量成為大致恒定，把該補(bǔ)償功率指令值加到上述和功率指令值上進(jìn)行控制。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述直流平滑電容器并聯(lián)連接，在上述交流饋電線的頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。
31.一種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線，其特征在于上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的第3電力變換器。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于使在上述單相交流饋電線一側(cè)連接了交流輸出端子的上述第1電力變換器的輸出容量大于上述第2電力變換器的輸出容量。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元依照負(fù)載功率，決定從上述第1交流電源供給的有效功率指令值，從該有效功率指令值求二相平衡有效電流指令值，通過從負(fù)載電流檢測值分別減去該二相平衡有效電流指令值，求補(bǔ)償電流指令值，依照該補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流。
34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于構(gòu)成為把上述第2電力變換器的交流輸出端子從上述變換器的單相輸出端子脫離，使其能夠并聯(lián)到上述第1電力變換器的輸出端子上。
35.根據(jù)權(quán)利要求31～34的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述第3電力變換器控制從上述第2交流電源供給的輸入電流，使在上述直流平滑電容器上的施加電壓與指令值一致。
36.根據(jù)權(quán)利要求31～34的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述第3電力變換器按照一定的脈沖圖形動(dòng)作，通過調(diào)整相對于上述第2三相交流電源的電源電壓的該第3電力變換器的交流側(cè)端子電壓的相位角，控制從上述第2三相交流電源供給的輸入電流。
37.根據(jù)權(quán)利要求31～34的任一項(xiàng)所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述第3電力變換器按照一定的脈沖圖形動(dòng)作，通過調(diào)整相對于上述第2三相交流電源的電源電壓的上述第3電力變換器的交流側(cè)端子電壓的相位角，控制施加到上述直流平滑電容器上的電壓。
38.根據(jù)權(quán)利要求31所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述直流平滑電容器并聯(lián)連接，在上述交流饋電線的頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。
39.一種電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，該電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)遍及多個(gè)變電站，拉通單相交流饋電線，其特征在于上述多個(gè)變電站中的至少一個(gè)變電站具備具有第1頻率的第1三相交流電源；把該第1三相交流電源的三相交流電壓變壓成二相交流電壓，在該二相輸出端子中，僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的一相(M座)上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的另一相(T座)上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；具有第2頻率的第2三相交流電源；把該第2三相交流電源的三相交流變換為直流，向上述直流平滑電容器供給直流功率的二極管整流器；在該二極管整流器的交流端子上經(jīng)過電抗器連接了交流端子的第3電力變換器；使該第3電力變換器按照一定的脈沖圖形動(dòng)作，通過調(diào)整相對于上述第2三相交流電源的電壓的該第3電力變換器的交流側(cè)端子電壓的相位角，控制從上述第2三相交流電源供給的輸入電流或者有效功率，控制施加到上述直流平滑電容器上的電壓的第3電力變換器的控制單元。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述補(bǔ)償電流控制單元依照負(fù)載功率，決定從上述第1三相交流電源供給的有效功率指令值，從該有效功率指令值求二相平衡有效電流指令值，通過從負(fù)載電流檢測值分別減去該二相平衡有效電流指令值，求補(bǔ)償電流指令值，根據(jù)該補(bǔ)償電流指令值，控制從上述第1以及第2電力變換器輸出的補(bǔ)償電流。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述第3電力變換器控制從上述第2三相交流電源供給的輸入電流，使得在上述直流平滑電容器上的施加電壓與指令值一致。
42.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于上述第3電力變換器控制相對于上述第2三相交流電源的電壓的上述第3電力變換器的交流側(cè)端子電壓的相位角，使得在上述直流平滑電容器上的施加電壓與指令值一致。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的電氣化鐵路交流饋電系統(tǒng)，其特征在于，具備與上述直流平滑電容器并聯(lián)連接，在上述交流饋電線的頻率的2倍附近與諧振頻率一致的LC濾波器。
全文摘要
本發(fā)明的交流饋電系統(tǒng)謀求沒有切換區(qū)，簡化電車控制，多個(gè)變電站中的一個(gè)具備具有第1頻率的第1三相電源；把該第1三相電源的三相交流變換成二相交流，在二相輸出端子中僅把一相輸出端子連接到上述單相交流饋電線上的變壓器；在該變壓器的二相輸出端子的M座上連接了交流輸出端子的第1電力變換器；在該變壓器的二相輸出端子的T座上連接了交流輸出端子的第2電力變換器；連接到上述第1以及第2電力變換器的共同直流端子上的直流平滑電容器；控制從上述第1以及第2電力變換器發(fā)生的補(bǔ)償電流的補(bǔ)償電流控制單元；具有第2頻率的第2三相電源；把該第2三相電源的三相交流變換為直流，向直流平滑電容器供給直流功率的二極管整流器。
文檔編號(hào)B60M3/02GK1792665SQ20051013813
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者結(jié)城和明, 伊藤健治, 田中茂 申請人:株式會(huì)社東芝