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JP6901988B2 - Converter control device, electric vehicle control device, and converter control method - Google Patents
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Converter control device, electric vehicle control device, and converter control method Download PDF

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Description

本発明は、コンバータ、インバータ、及び蓄電池を具備した電気車におけるコンバータ制御装置等に関する。 The present invention relates to a converter control device and the like in an electric vehicle provided with a converter, an inverter, and a storage battery.

主回路に蓄電池を接続して搭載し、架線からの供給電力と蓄電池の放電電力との一方或いは両方によって主電動機を駆動する電気車の開発が進められている。このような電気車は、ハイブリッド電気車あるいはハイブリッド車両等とも呼ばれており、架線からの供給電力や回生エネルギーによって蓄電池を充電したり、非電化区間では蓄電池の放電電力によって主電動機を駆動して走行可能であるといった特徴がある(例えば、特許文献1参照)。 Development of an electric vehicle is underway in which a storage battery is connected to the main circuit and mounted, and the main electric motor is driven by one or both of the power supplied from the overhead wire and the discharge power of the storage battery. Such electric vehicles are also called hybrid electric vehicles or hybrid vehicles, and charge the storage battery by the power supplied from the overhead wire or regenerative energy, or drive the traction motor by the discharge power of the storage battery in the non-electrified section. It has a feature that it can run (see, for example, Patent Document 1).

特開2014−64397号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-64397

しかしながら、電気車における蓄電池を安全且つ長寿命に使用するためには、次の2つの課題がある、 However, in order to use the storage battery in an electric vehicle safely and for a long life, there are the following two problems.

蓄電池には、低温下での容量低下という短所があるため、寒冷地や冬期の走行時には、蓄電池の加温が必要である。蓄電池を加温する手法としては、外部にヒータを設置する手法や、蓄電池を充電或いは放電(まとめて「通電」という)して内部発熱させる手法がある。前者の手法では、外部装置を追加設置することになり、設置スペースやコストの他、内部発熱に比較して蓄電池が充分に暖まるまでに時間を要するといった問題がある。後者の手法では、放電によって充電率が低下する問題や、満充電に近い場合には充電電流の電流値に制約が生じるといった問題がある。 Since the storage battery has a disadvantage that the capacity decreases at low temperatures, it is necessary to heat the storage battery when driving in cold regions or in winter. As a method of heating the storage battery, there are a method of installing a heater outside and a method of charging or discharging the storage battery (collectively referred to as "energization") to generate heat internally. In the former method, an external device is additionally installed, and there is a problem that it takes time for the storage battery to warm up sufficiently as compared with the internal heat generation, in addition to the installation space and cost. In the latter method, there is a problem that the charging rate is lowered by discharging, and there is a problem that the current value of the charging current is restricted when the charging is close to full charge.

また、蓄電池の劣化の程度や寿命の目安となる蓄電池の内部抵抗を知る必要がある。内部抵抗は、通電電流を変化させて、そのときの蓄電池電圧の変化から正確に算出することができる。蓄電池の充電及び放電は一定直流電力で行われるため、内部抵抗を算出するためには、充電及び放電を一時中断する必要があるとともに、通電電流を変化させる必要がある。つまり、蓄電池充電及び放電を行いながら内部抵抗を正確に算出することは困難であるとともに、内部抵抗の測定用に通電電流を変化させる外部装置が必要となると、設置スペースやコストの問題も生じる。 In addition, it is necessary to know the degree of deterioration of the storage battery and the internal resistance of the storage battery, which is a measure of the life of the storage battery. The internal resistance can be accurately calculated from the change in the storage battery voltage at that time by changing the energizing current. Since charging and discharging of the storage battery are performed with constant DC power, it is necessary to temporarily suspend charging and discharging and to change the energizing current in order to calculate the internal resistance. That is, it is difficult to accurately calculate the internal resistance while charging and discharging the storage battery, and if an external device that changes the energizing current is required for measuring the internal resistance, problems of installation space and cost also occur.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、第1の目的とするところは、主回路に接続される蓄電池に対する効果的な加温を行う新たな技術を提案することである。また、第2の目的とするところは、蓄電池の内部抵抗をより正確に且つ任意のタイミングで算出可能とする新たな技術を提案することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a first object of the present invention is to propose a new technique for effectively heating a storage battery connected to a main circuit. The second object is to propose a new technology that enables the internal resistance of the storage battery to be calculated more accurately and at an arbitrary timing.

上記課題を解決するための第1の発明は、
コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するコンバータ制御装置であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成するリプル電流制御部、
を具備し、所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させるコンバータ制御装置である。
The first invention for solving the above problems is
In an electric vehicle including a converter, an inverter for driving and controlling a main electric motor, and a storage battery connected to a DC intermediate circuit between the converter and the inverter, a converter current and a given converter current command value are used. A converter control device that controls the converter.
Ripple current control unit that generates a reactive current command value consisting of a reactive current waveform with respect to the overhead wire voltage based on the voltage phase of the overhead wire voltage.
The converter control device is provided with the above, and controls to superimpose the reactive current command value on the converter current command value for a given time, and superimpose the ripple component on the charging current of the storage battery.

他の発明として、
コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するためのコンバータ制御方法であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成することと、
所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させることと、
を含むコンバータ制御方法を構成しても良い。
As another invention
In an electric vehicle including a converter, an inverter for driving and controlling a main electric motor, and a storage battery connected to a DC intermediate circuit between the converter and the inverter, a converter current and a given converter current command value are used. This is a converter control method for controlling the converter.
To generate a reactive current command value consisting of a reactive current waveform with respect to the overhead wire voltage based on the voltage phase of the overhead wire voltage.
Control is performed to superimpose the reactive current command value on the converter current command value for a given time, and the ripple component is superposed on the charging current of the storage battery.
A converter control method including the above may be configured.

この第1の発明等によれば、架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成し、コンバータ電流指令値に重畳することで、蓄電池の充電電流に含まれるリプル成分を増加することができる。蓄電池の充電電流に重畳したリプル成分を増加することによって、蓄電池の内部発熱を増大させ、蓄電池を効果的に加温することができる。充電電流に重畳するリプル電流によって、蓄電池の充電電流の平均値は変化しない。 According to the first invention or the like, it is possible to increase the ripple component contained in the charging current of the storage battery by generating a reactive current command value consisting of a reactive current waveform with respect to the overhead wire voltage and superimposing it on the converter current command value. it can. By increasing the ripple component superimposed on the charging current of the storage battery, the internal heat generation of the storage battery can be increased and the storage battery can be effectively heated. The average value of the charging current of the storage battery does not change due to the ripple current superimposed on the charging current.

第2の発明として、第1の発明のコンバータ制御装置であって、
前記リプル電流制御部は、前記蓄電池の電流を検出する検出器によって検出された蓄電池電流のリプル成分の実効値(以下「蓄電池リプル電流実効値」という)と、当該蓄電池リプル電流実効値の指令値である所与の指令値との差に基づいて、前記無効電流波形の振幅を決定する、
コンバータ制御装置を構成しても良い。
The second invention is the converter control device of the first invention.
The ripple current control unit has an effective value of the ripple component of the storage battery current detected by the detector that detects the current of the storage battery (hereinafter referred to as “storage battery ripple current effective value”) and a command value of the storage battery ripple current effective value. The amplitude of the invalid current waveform is determined based on the difference from a given command value.
A converter control device may be configured.

この第2の発明によれば、無効電流指令値である無効電流波形の振幅は、検出された蓄電池リプル電流実効値と、この蓄電池リプル電流実効値の指令値との差に基づいて決定される。これにより、例えば希望する加温の速さや環境温度等に応じて蓄電池リプル電流実効値の指令値を変えることで、必要に応じた蓄電池の加温が可能となる。 According to the second invention, the amplitude of the reactive current waveform, which is the reactive current command value, is determined based on the difference between the detected reactive current storage battery ripple current effective value and the command value of the reactive current ripple current effective value. .. As a result, for example, the storage battery can be heated as needed by changing the command value of the effective value of the ripple current of the storage battery according to the desired heating speed, environmental temperature, and the like.

第3の発明として、第2の発明のコンバータ制御装置であって、
前記蓄電池の電圧を検出する検出器によって検出された蓄電池電圧のリプル成分の実効値と、前記蓄電池リプル電流実効値とを用いて、前記蓄電池の内部抵抗を算出する蓄電池内部抵抗算出部、
を更に備えたコンバータ制御装置を構成しても良い。
The third invention is the converter control device of the second invention.
A storage battery internal resistance calculation unit that calculates the internal resistance of the storage battery using the effective value of the ripple component of the storage battery voltage detected by the detector that detects the voltage of the storage battery and the effective value of the storage battery ripple current.
A converter control device further provided with the above may be configured.

この第3の発明によれば、検出された蓄電池電圧のリプル成分の実効値と、蓄電池リプル電流実効値とを用いて、蓄電池の内部抵抗を算出することができる。これにより、蓄電池の充電及び放電を行いつつ、蓄電池の内部抵抗を算出することができる。 According to the third invention, the internal resistance of the storage battery can be calculated by using the detected effective value of the ripple component of the storage battery voltage and the effective value of the ripple current of the storage battery. As a result, the internal resistance of the storage battery can be calculated while charging and discharging the storage battery.

第4の発明は、
第1〜第3の何れかの発明のコンバータ制御装置を備えた電気車制御装置であって、前記電気車の起動時の暖機運転中に、前記コンバータ制御装置に対して、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行わせる電気車制御装置である。
The fourth invention is
An electric vehicle control device including the converter control device according to any one of the first to third aspects, wherein the converter current command is given to the converter control device during warm-up operation at the time of starting the electric vehicle. It is an electric vehicle control device that controls superimposing the invalid current command value on the value.

この第4の発明によれば、電気車の起動時の暖機運転中に、コンバータ電流指令値に無効電流指令値を重畳させて蓄電池リプル電流を増大する制御を行い、蓄電池を内部発熱させて加温することができる。 According to the fourth invention, during the warm-up operation at the time of starting the electric vehicle, the converter current command value is superposed with the reactive current command value to control the increase of the storage battery ripple current, and the storage battery is heated internally. Can be heated.

電気車の主回路構成の概略図。Schematic diagram of the main circuit configuration of an electric vehicle. コンバータ制御装置の制御ブロック図。The control block diagram of the converter control device. 無効電流制御を実行/非実行としたときの電圧及び電流の波形図。Waveform diagram of voltage and current when reactive current control is executed / not executed.

[回路構成]
図1は、本実施形態における電気車の主回路構成の概略図である。本実施形態の電気車は、交流電化区間を走行する電気車であり、主回路として、コンバータ12と、インバータ16と、主電動機18と、蓄電池20とを備えるとともに、電気車制御装置30を搭載している。本実施形態の電気車は、交流電化区間を走行可能であればよいため、交流電気車でも交直流電気車でもよい。
[Circuit configuration]
FIG. 1 is a schematic diagram of a main circuit configuration of an electric vehicle according to the present embodiment. The electric train of the present embodiment is an electric train that runs in an AC electrified section, and includes a converter 12, an inverter 16, a traction motor 18, a storage battery 20, and an electric train control device 30 as main circuits. doing. The electric vehicle of the present embodiment may be an AC electric vehicle or an AC / DC electric vehicle as long as it can travel in an AC electrified section.

コンバータ12は、PWMコンバータであり、入力側が主変圧器10の二次巻線に接続され、出力側が直流中間回路14に接続されている。直流中間回路14は、直流ステージとも呼ばれ、コンバータ12とインバータ16との間の直流に係る回路部分である。コンバータ12は、主変圧器10を介して架線1から供給される単相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ12の動作は、電気車制御装置30からのコンバータ電圧指令値vc_refに従ったPWM制御によって実現される。 The converter 12 is a PWM converter, and the input side is connected to the secondary winding of the main transformer 10 and the output side is connected to the DC intermediate circuit 14. The DC intermediate circuit 14 is also called a DC stage, and is a circuit portion related to direct current between the converter 12 and the inverter 16. The converter 12 converts the single-phase AC power supplied from the overhead wire 1 via the main transformer 10 into DC power. The operation of the converter 12 is realized by PWM control according to the converter voltage command value v c_ref from the electric vehicle control device 30.

なお、本実施形態では、説明の簡明化のため、電気車制御装置30のコンバータ制御装置32がコンバータ電圧指令値vc_refを生成・出力して、コンバータ12がゲートパルス信号を内部で生成することとして説明するが、コンバータ制御装置32がコンバータ電圧指令値vc_refを生成するとともに、このコンバータ電圧指令値vc_refを三角波キャリアと比較してゲートパルス信号を生成し、ゲートパルス信号をコンバータ12に出力する構成としてもよいことは勿論である。 In the present embodiment, for the sake of simplification of the explanation, the converter control device 32 of the electric vehicle control device 30 generates and outputs the converter voltage command value v c_ref , and the converter 12 internally generates the gate pulse signal. It described as, but together with the converter control unit 32 generates a converter voltage command value v C_ref, outputs the converter voltage command value v C_ref generates a gate pulse signal by comparing a triangular wave carrier, a gate pulse signal to the converter 12 Of course, it may be configured to be used.

直流中間回路14にはフィルタコンデンサCdcが設けられている。インバータ16は、入力側が直流中間回路14に接続され、出力側が主電動機18に接続されている。インバータ16は、フィルタコンデンサCdcを介して直流中間回路14の電圧である直流ステージ電圧vdcを入力し、三相交流電圧に変換して、駆動電力として主電動機18に供給する。 A filter capacitor C dc is provided in the DC intermediate circuit 14. The input side of the inverter 16 is connected to the DC intermediate circuit 14, and the output side is connected to the traction motor 18. The inverter 16 inputs the DC stage voltage vdc , which is the voltage of the DC intermediate circuit 14, via the filter capacitor Cdc , converts it into a three-phase AC voltage, and supplies it to the main electric power 18 as driving power.

蓄電池20は、直列接続されたフィルタリアクトルLを介して直流中間回路14に接続されており、直流ステージ電圧vdcとの相対電位差によって充電或いは放電を行う。 Battery 20 is connected to a DC intermediate circuit 14 via a series-connected filter reactor L f, to charge or discharge the relative potential difference between the DC stage voltage v dc.

電気車制御装置30は、コンバータ12を制御するコンバータ制御装置32と、充電制御部34と、無効電流制御部36とを有する。 The electric vehicle control device 30 includes a converter control device 32 that controls the converter 12, a charge control unit 34, and a reactive current control unit 36.

図2は、コンバータ制御装置32の制御ブロック図である。コンバータ制御装置32は、コンバータ制御部100と、リプル電流制御部120と、内部抵抗算出部140と、を有する。 FIG. 2 is a control block diagram of the converter control device 32. The converter control device 32 includes a converter control unit 100, a ripple current control unit 120, and an internal resistance calculation unit 140.

コンバータ制御部100は、蓄電池電流iと、直流ステージ電圧vdcと、架線電圧vと、コンバータ電流iと、蓄電池電流指令値ib_refと、無効電流指令値ic_refqとを入力し、コンバータ12に対するコンバータ電圧指令値vc_refを生成してコンバータ12を制御する。蓄電池電流iは、蓄電池20に直列接続された電流計による計測値であり、直流ステージ電圧vdcは、フィルタコンデンサCdcに並列接続された電圧計による計測値であり、架線電圧vは、主変圧器10の一次巻線に並列接続された計器用変圧器を介した電圧計による計測値または他の巻線電圧に基づく推定値であり、コンバータ電流iは、コンバータ12の入力側(交流側)に直列接続された電流計による計測値である。また、蓄電池電流指令値ib_refは、充電制御部34から入力され、無効電流指令値ic_refqは、リプル電流制御部120から入力される。 The converter control unit 100 inputs the storage battery current i b , the DC stage voltage v dc , the overhead wire voltage v p , the converter current i c , the storage battery current command value i b_ref, and the invalid current command value i c_refq. The converter 12 is controlled by generating a converter voltage command value v c_ref for the converter 12. The storage battery current i b is a value measured by a current meter connected in series to the storage battery 20, the DC stage voltage v dc is a value measured by a voltmeter connected in parallel to the filter capacitor C dc , and the overhead wire voltage v p is. , A value measured by a voltmeter via an instrument transformer connected in parallel to the primary winding of the main transformer 10 or an estimated value based on other winding voltages, and the converter current ic is the input side of the converter 12. It is a measured value by a current meter connected in series to (AC side). Further, the storage battery current command value i b_ref is input from the charge control unit 34, and the reactive current command value i c_refq is input from the ripple current control unit 120.

コンバータ制御部100の各演算ブロックの構成を、演算順序を追って説明する。すなわち、先ず、蓄電池平均電流制御部104が、蓄電池電流指令値ib_refと、LPF(Low Pass Filter)102によって抽出された蓄電池電流iの蓄電池平均電流ibaとに基づき、直流ステージ電圧指令値vdc_refを生成する。蓄電池平均電流制御部104は、例えば、蓄電池電流指令値ib_refと、蓄電池平均電流ibaとの差分Δiに対するPI制御によって、蓄電池平均電流ibaが蓄電池電流指令値ib_refに追従するように、直流ステージ電圧指令値vdc_refを生成する。 The configuration of each calculation block of the converter control unit 100 will be described in order of calculation. That is, first, the storage battery average current control unit 104 determines the DC stage voltage command value based on the storage battery current command value i b_ref and the storage battery average current i ba of the storage battery current i b extracted by the LPF (Low Pass Filter) 102. Generate v dc_ref. Battery average current control unit 104, for example, a battery current command value i B_ref, the PI control for the difference .DELTA.i b of the battery average current i ba, as battery average current i ba to follow the battery current command value i B_ref , DC stage voltage command value v dc_ref is generated.

次いで、直流ステージ電圧制御部106が、直流ステージ電圧指令値vdc_refと、直流ステージ電圧vdcとに基づき、コンバータ電流iのd軸電流指令値icd_refを生成する。直流ステージ電圧制御部106は、例えば、直流ステージ電圧指令値vdc_refと、直流ステージ電圧vdcとの差分Δvdcに対するPI制御によって、直流ステージ電圧vdcが直流ステージ電圧指令値vdc_refに追従するように、コンバータ電流iのd軸電流指令値icd_refを生成する。 Next, the DC stage voltage control unit 106 generates the d-axis current command value icd_ref of the converter current ic based on the DC stage voltage command value v dc_ref and the DC stage voltage v dc. DC stage voltage controller 106, for example, a DC stage voltage command value v dc_ref, the PI control for the difference Delta] v dc of the DC stage voltage v dc, dc stage voltage v dc follows the DC stage voltage command value v dc_ref As described above, the d-axis current command value icd_ref of the converter current i c is generated.

また、PLL(Phase Locked Loop)108が、架線電圧vの位相θを検出して出力し、sin演算器110が、この架線電圧vの位相θと一致した同相波形値を生成する。そして、乗算器112が、直流ステージ電圧制御部106によって生成されたコンバータ電流iのd軸電流指令値icd_refに、sin演算器110によって生成された同相波形値を乗算してコンバータ電流指令値ic_refdを生成する。続いて、加算器114が、コンバータ電流指令値ic_refdに、リプル電流制御部120から入力される無効電流指令値ic_refqを加算してコンバータ電流指令値ic_refを生成する。 Also, PLL (Phase Locked Loop) 108 is, detect and output phase θ of trolley voltage v p, sin calculator 110 generates an in-phase waveform value matched with the phase θ of the overhead line voltage v p. Then, the multiplier 112, the d-axis current command value i Cd_ref the converter current i c which is generated by the DC stage voltage control unit 106, the converter current command value by multiplying the in-phase waveform values generated by sin calculator 110 i c_refd is generated. Subsequently, the adder 114, the converter current command value i C_refd, generates the to the converter current command value i C_ref adding the reactive current command value i C_refq input from the ripple current control unit 120.

そして、コンバータ電流制御部116が、コンバータ電流指令値ic_refと、コンバータ電流iとに基づき、コンバータ電圧指令vc_refを生成する。コンバータ電流制御部116は、例えば、コンバータ電流指令値ic_refとコンバータ電流iとの差分Δiに対するPI制御によって、コンバータ電流iがコンバータ電流指令値ic_refに追従するように、コンバータ電圧指令値vc_refを生成する。 The converter current control unit 116, the converter current command value i C_ref, based on the converter current i c, generates a converter voltage command v c_ref. Converter current control unit 116, for example, by the PI control for the difference .DELTA.i c of the converter current command value i C_ref and converter current i c, as the converter current i c to follow the converter current command value i C_ref, the converter voltage command Generate the value v c_ref.

リプル電流制御部120は、蓄電池電流iと、蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refと、実行選択信号S1と、位相選択信号S2とを入力して、無効電流指令値ic_refqを生成し、この無効電流指令値ic_refqをコンバータ制御部100のコンバータ電流指令値ic_refに重畳させて、蓄電池電流iのリプル成分を制御する。蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refと、実行選択信号S1と、位相選択信号S2とは、無効電流制御部36から入力される。 Ripple current control unit 120, a battery current i b, a battery ripple current effective value command value I Br_ref, the execution selection signal S1, and inputs the phase selection signal S2, generates a reactive current command value i C_refq, the reactive current command value i C_refq superimposed on the converter current command value i C_ref of converter control unit 100 controls the ripple component of the storage battery current i b. The storage battery ripple current effective value command value I br_ref , the execution selection signal S1 and the phase selection signal S2 are input from the reactive current control unit 36.

リプル電流制御部120の各演算ブロックの構成を、演算順序を追って説明する。すなわち、先ず、周波数フィルタであるBPF(Band Pass Filter)122が、蓄電池電流iから架線電圧vの周波数fの2倍の周波数2fの周波数成分をリプル成分ibrとして抽出する。そして、抽出したリプル成分ibrの実効値を実効値演算器124が蓄電池リプル電流実効値Ibrとして算出する。次いで、加算器126が、蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refから蓄電池リプル電流実効値Ibrを差し引いて差分ΔIを算出する。続いて、PI制御器128が、この差分ΔIに対するPI制御を行って、蓄電池リプル電流実効値Ibrが蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refに追従するように、指令値Iを生成する。更に、リミッタ130が、指令値Iが、上限値Iqmaxを超えないように制限して、セレクタ132の一方の入力端子に出力する。 The configuration of each calculation block of the ripple current control unit 120 will be described in order of calculation. That is, first, BPF (Band Pass Filter) 122 is a frequency filter extracts from the storage battery current i b of the double frequency component of the frequency 2f p of the frequency f p of the overhead line voltage v p as a ripple component i br. Then, the extracted effective value of the ripple component i br the effective value calculator 124 calculates the battery ripple current effective value I br. Next, the adder 126 subtracts the storage battery ripple current effective value I br from the storage battery ripple current effective value command value I br_ref to calculate the difference ΔI b. Subsequently, the PI controller 128 performs PI control with respect to this difference ΔI b, and generates a command value I q so that the storage battery ripple current effective value I br follows the storage battery ripple current effective value command value I br_ref. .. Further, the limiter 130 limits the command value I q so as not to exceed the upper limit value I qmax , and outputs the output to one input terminal of the selector 132.

セレクタ132は、一方の入力端子にリミッタ130の出力値が入力され、他方の入力端子に固定値「0」が入力されており、実行選択信号S1に従って、入力端子の何れかを選択的に出力端子に接続する。実行選択信号S1は、無効電流制御を実行するか否かを指示する信号である。実行選択信号S1によって「実行」が指示されると、セレクタ132は、一方の入力端子を出力端子に接続することで、指令値Iを係数演算器134に出力させる。「非実行」が指示されると、他方の入力端子を出力端子に接続することで、「0」を係数演算器134に出力させる。 The selector 132 has an output value of the limiter 130 input to one input terminal and a fixed value "0" input to the other input terminal, and selectively outputs any of the input terminals according to the execution selection signal S1. Connect to the terminal. The execution selection signal S1 is a signal instructing whether or not to execute reactive current control. When "execution" is instructed by the execution selection signal S1, the selector 132 outputs the command value Iq to the coefficient calculator 134 by connecting one of the input terminals to the output terminal. When "non-execution" is instructed, "0" is output to the coefficient calculator 134 by connecting the other input terminal to the output terminal.

係数演算器134は、セレクタ132からの出力値に所定の係数Kを乗算してコンバータ電流iのq軸電流指令値icq_refを生成する。係数Kは、位相選択信号S2に従って「−1」或いは「1」が選択される。位相選択信号S2は、無効電流指令値ic_refqを遅れの無効電流とするか進みの無効電流とするかを指示する信号である。係数演算器134は、位相選択信号S2が「遅れ」の無効電流を指示する場合には「−1」を選択し、「進み」の無効電流を指示する場合には「1」を選択して、セレクタ132からの出力値に乗算する。 The coefficient calculator 134 multiplies the output value from the selector 132 by a predetermined coefficient K to generate the q-axis current command value i cq_ref of the converter current i c. As the coefficient K, "-1" or "1" is selected according to the phase selection signal S2. The phase selection signal S2 is a signal instructing whether the reactive current command value i c_refq is the delayed reactive current or the leading reactive current. The coefficient calculator 134 selects "-1" when the phase selection signal S2 indicates a "lag" reactive current, and selects "1" when it indicates a "lead" reactive current. , Multiplies the output value from selector 132.

また、cos演算器136は、コンバータ制御部100のPLL108によって検出された架線電圧vの位相θを90度進ませた進み波形値を生成する。そして、乗算器138が、進み波形値にコンバータ電流iのq軸電流指令値icq_refを乗算することで無効電流指令値ic_refqを生成する。 Furthermore, cos calculator 136 generates the waveform value advances is advanced 90 degrees phase θ of trolley voltage v p detected by PLL108 of converter control unit 100. Then, the multiplier 138 generates the reactive current command value i c_refq by multiplying the lead waveform value by the q-axis current command value i cq_ref of the converter current i c.

つまり、無効電流指令値ic_refqは、架線電圧vに対する遅れの無効電流波形、或いは、進みの無効電流波形であり、その振幅が、蓄電池リプル電流実効値Ibrと、蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refとの差分に応じた値となっている。 That is, reactive current command value i C_refq is reactive current waveform of the delay with respect to the overhead line voltage v p, or a reactive current waveform of the advance, the amplitude, the effective value I br battery ripple current, battery ripple current effective value command The value corresponds to the difference from the value I br_ref.

内部抵抗算出部140は、蓄電池電圧vを入力し、蓄電池20の内部抵抗値Zを算出する。内部抵抗算出部140の各演算ブロックの構成を、演算順序を追って説明する。すなわち、BPF142が、蓄電池電圧vから架線電圧vの周波数fの2倍の周波数2fの周波数成分をリプル成分vbrとして抽出する。次いで、抽出したリプル成分vbrの実効値を実効値演算器144が蓄電池リプル電圧実効値Vbrとして算出する。そして、乗除算器146が、蓄電池リプル電圧実効値Vbrを、蓄電池リプル電流実効値Ibrで除算することで蓄電池20の内部抵抗値Zを算出する。 Internal resistance calculation unit 140 inputs the battery voltage v b, and calculates the internal resistance value Z b of the battery 20. The configuration of each calculation block of the internal resistance calculation unit 140 will be described in order of calculation. That, BPF142 extracts the frequency component twice the frequency 2f p of the frequency f p of the overhead line voltage v p from the battery voltage v b as ripple component v br. Then, the extracted effective value of the ripple component v br effective value calculator 144 calculates a battery ripple voltage effective value V br. Then, the multiplier 146 divides the storage battery ripple voltage effective value V br by the storage battery ripple current effective value I br to calculate the internal resistance value Z b of the storage battery 20.

図1に戻り、充電制御部34は、蓄電池電流指令値Ic_refをコンバータ制御装置32に出力して、コンバータ制御装置32による蓄電池20の充電を制御する。 Returning to FIG. 1, the charge control unit 34 outputs the storage battery current command value I c_ref to the converter control device 32 to control the charge of the storage battery 20 by the converter control device 32.

無効電流制御部36は、蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refと、実行選択信号S1と、位相選択信号S2とをコンバータ制御装置32に出力することで、コンバータ制御装置32による、蓄電池電流iにリプル成分を重畳させる無効電流制御の実行を制御する。具体的には、実行選択信号S1を「実行」とすることで、無効電流制御を実行させ、実行選択信号S1を「非実行」とすることで、無効電流制御を実行させないようにすることができる。無効電流制御を実行させるときには、位相選択信号S2によって、無効電流指令値ic_refqを、「遅れ」の電流指令値とするか、「進み」の電流指令値とするかを指示することができる。また、蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refは、所望する蓄電池電流iのリプル成分の実効値の大きさに応じて設定することができる。無効電流制御を実行させると、無効電流指令値ic_refqがコンバータ電流指令値ic_refに重畳されることで、直流ステージ電圧vdcにリプル成分が重畳・増加されることとなる。この結果、蓄電池電流iにリプル成分が重畳・増加する。そして、蓄電池電流iのリプル成分によって蓄電池20が内部発熱し、これによって蓄電池20を加温することができる。 Reactive current control unit 36, a storage battery ripple current effective value command value I Br_ref, the execution selection signal S1, by outputting a phase selection signal S2 to the converter control unit 32, by the converter control unit 32, battery current i b Controls the execution of invalid current control that superimposes the ripple component on. Specifically, by setting the execution selection signal S1 to "execute", the reactive current control can be executed, and by setting the execution selection signal S1 to "non-execution", the reactive current control can be prevented from being executed. it can. When the reactive current control is executed, the phase selection signal S2 can be used to instruct whether the reactive current command value ic_refq is the “lag” current command value or the “advance” current command value. Also, the storage battery ripple current effective value command value I Br_ref can be set according to the magnitude of the effective value of the ripple component of the desired battery current i b. When executing the reactive current control, that reactive current command value i C_refq is superimposed on the converter current command value i C_ref, so that the ripple component is superimposed, increased DC stage voltage v dc. As a result, the ripple component increases superimposing and the battery current i b. The battery 20 is internally heated by the ripple component of the battery current i b, whereby it is possible to battery 20 is warmed.

また、蓄電池電流iのリプル成分によって蓄電池電圧vにもリプル成分が生じるため、内部抵抗算出部140による蓄電池20の内部抵抗値Zの算出が可能となる。無効電流制御が実行されていない場合、直流ステージ電圧vdcは直流電圧であるため、蓄電池電流i、及び、蓄電池電圧vそれぞれのリプル成分は無い又は非常に小さく、内部抵抗算出部140による除乗算器146を用いた内部抵抗値Zの算出は精度が低いものとなる。 Further, since the ripple component of the storage battery current i b also causes the ripple component of the storage battery voltage v b , the internal resistance value Z b of the storage battery 20 can be calculated by the internal resistance calculation unit 140. When the invalid current control is not executed, since the DC stage voltage vdc is a DC voltage, the ripple components of the storage battery current i b and the storage battery voltage v b are absent or very small, and the internal resistance calculation unit 140 determines. The calculation of the internal resistance value Z b using the demultiplexer 146 has low accuracy.

これらのことから、無効電流制御部36は、例えば、電気車の起動時の暖機運転中などの蓄電池20の加温が必要なときに無効電流制御を実行させることで、追加装置の必要が無く、蓄電池20を加温することができる。また、電気車の起動時の暖機運転中の他、所定時間(例えば、数時間)毎などの定期あるいは不定期に無効電流制御を実行させて蓄電池20の内部抵抗値Zを算出することで、例えば、蓄電池20の劣化状態の把握などをすることができる。 From these facts, the reactive current control unit 36 needs an additional device by executing the reactive current control when the storage battery 20 needs to be heated, for example, during warm-up operation at the time of starting the electric vehicle. The storage battery 20 can be heated without using it. Further, the internal resistance value Z b of the storage battery 20 is calculated by executing the invalid current control periodically or irregularly such as every predetermined time (for example, several hours) in addition to the warm-up operation at the start of the electric vehicle. Then, for example, the deteriorated state of the storage battery 20 can be grasped.

[動作]
図3は、無効電流制御における動作を説明するための図であり、回路シミュレーションによって求めたコンバータ制御装置32における架線電圧v、コンバータ電流i、及び、蓄電池電流iそれぞれの波形例を示している。図3(a)〜(c)は、蓄電池20を、比較的小さな蓄電池電流iで充電(小電流充電)する場合の波形例であり、図3(d)〜(f)は、蓄電池20を、比較的大きな蓄電池電流iで充電(大電流充電)する場合の波形例である。また、図3(a),(d)は、無効電流制御を行わない場合、すなわち、実行選択信号S1を「非実行」とした場合の波形例である。図3(b),(e)は、無効電流制御を行うとともに、遅れの無効電流指令値ic_refqとした場合、すなわち、実行選択信号S1を「実行」とし、位相選択信号S2を「遅れ」とした場合の波形例である。図3(c),(f)は、無効電流制御を行うとともに、進みの無効電流指令値ic_refqとした場合、すなわち、実行選択信号S1を「実行」とし、位相選択信号S2を「進み」とした場合の波形例である。また、図3(a)〜(f)は、何れも、蓄電池電流iの平均値Ibaが蓄電池電流指令値ib_refに一致するよう蓄電池平均電流制御を行っているとともに、図3(b),(c),(e),(f)は、蓄電池電流iのリプル成分の実効値Ibrが蓄電池リプル電流実効値指令値Ibr_refと一致するよう無効電流制御を行っている。
[motion]
Figure 3 is a diagram for explaining the operation in the reactive current control, overhead wire voltage v p, the converter current i c in the converter control device 32 as determined by circuit simulation, and shows the respective waveform example battery current i b ing. Figure 3 (a) ~ (c) is a battery 20, a waveform example when charged with a relatively small battery current i b (low current charging), FIG. 3 (d) ~ (f) is, battery 20 the is a waveform example of a case of charging (high current charging) with a relatively large battery current i b. Further, FIGS. 3A and 3D are waveform examples when the reactive current control is not performed, that is, when the execution selection signal S1 is set to “non-execution”. 3 (b) and 3 (e) show the case where the invalid current is controlled and the delay invalid current command value i c_refq is set, that is, the execution selection signal S1 is "execution" and the phase selection signal S2 is "delay". This is an example of a waveform in the case of. 3 (c) and 3 (f) show the case where the invalid current is controlled and the lead invalid current command value i c_refq is set, that is, the execution selection signal S1 is set to "execution" and the phase selection signal S2 is set to "lead". This is an example of a waveform in the case of. Further, FIG. 3 (a) ~ (f) are each, together with the mean value I ba battery current i b is performing battery average current control to match the battery current command value i B_ref, FIG 3 (b ), (c), (e ), (f) is performed reactive current control such that the effective value I br ripple component of the battery current i b matches the battery ripple current effective value command value I br_ref.

図3(a),(d)は、ともに無効電流制御を行わない場合であり、図3(a)の小電流充電の場合より、図3(d)の大電流充電の場合のほうが、蓄電池平均電流ibaが大きい。また、図3(a)が小電流充電であり、図3(d)が大電流充電であるため、コンバータ電流i及び蓄電池電流iの振幅は、図3(d)の大電流充電のほうが大きい。また、架線電圧vと、コンバータ電流iとは同位相である。また、蓄電池電流iに含まれるリプル成分は、図3(a)の小電流充電の場合には僅かであるが、図3(d)の大電流充電の場合には、蓄電池平均電流ibaが大きいため、含まれるリプル成分も大きくなっている。 3 (a) and 3 (d) show the case where the reactive current control is not performed, and the storage battery is more in the case of the large current charging in FIG. 3 (d) than in the case of the small current charging in FIG. 3 (a). The average current i ba is large. Further, a FIGS. 3 (a) small current charging, since 3 (d) is a large current charging, the converter current i c and accumulators current i b amplitude 3 large current charging (d) Is bigger. Moreover, the trolley voltage v p, the converter current i c in phase. Furthermore, the ripple component contained in the battery current i b is a little in the case of a small current charging in FIG. 3 (a), in the case of a large current charging of FIG. 3 (d), the storage battery average current i ba Because of the large size, the amount of ripple component contained is also large.

図3(a),(b)を比較すると、無効電流制御を行うことで、蓄電池電流iのリプル成分が増加していることがわかる。但し、蓄電池平均電流ibaは、無効電流制御を行う場合も行わない場合も同じであり、無効電流制御を行っても、蓄電池20の充電電流の実効値は変化しない。また、図3(b)では、遅れの無効電流指令値ic_refqがコンバータ電流指令値ic_refに重畳されるため、コンバータ電流iの振幅が増加するととともに、架線電圧vに対してコンバータ電流iの位相が遅れている。そして、コンバータ電流iが遅れ電流となることで、架線電圧vの振幅が僅かに低下している。 FIG. 3 (a), a comparison of (b), by performing reactive current control, it can be seen that the ripple component of the storage battery current i b is increased. However, the average current iba of the storage battery is the same regardless of whether the reactive current control is performed or not, and the effective value of the charging current of the storage battery 20 does not change even if the reactive current control is performed. Further, in FIG. 3 (b), the order reactive current command value i C_refq delay is superimposed on the converter current command value i C_ref, together with the amplitude increase of the converter current i c, the converter current to the overhead wire voltage v p The phase of ic is delayed. Then, by a current delay converter current i c, the amplitude of the overhead line voltage v p is slightly reduced.

図3(a),(c)を比較すると、同様に、無効電流制御を行うことで、蓄電池電流iのリプル成分が増加している。但し、蓄電池平均電流ibaは、無効電流制御を行う場合も行わない場合も同じである。また、図3(c)では、進みの無効電流指令値ic_refqがコンバータ電流指令値ic_refqに重畳されるため、コンバータ電流iの振幅が増加するとともに、架線電圧vに対してコンバータ電流iの位相が進んでいる。そして、コンバータ電流iが進み電流となることで、架線電圧vの振幅が僅かに上昇している。 FIG. 3 (a), a comparison of (c), likewise, by performing the reactive current control, the ripple component of the battery current i b is increased. However, the average current iba of the storage battery is the same whether or not the reactive current control is performed. Further, in FIG. 3 (c), the order reactive current command value i C_refq the advance is superimposed on the converter current command value i C_refq, with increasing amplitude of the converter current i c, the converter current to the overhead wire voltage v p The phase of ic is advanced. Then, by the current progress in the converter current i c, the amplitude of the overhead line voltage v p is slightly increased.

また、図3(d)〜(f)の大電流充電時においても、図3(d),(e)の比較、図3(d),(f)の比較は同様である。すなわち、無効電流制御を行うことで、蓄電池電流iのリプル成分が増加する。遅れの無効電流指令値ic_refqとすることで、コンバータ電流iが架線電圧vに対して遅れ、架線電圧vの振幅が僅かに減少する。一方、進みの無効電流指令値ic_refqとすることで、コンバータ電流iが架線電圧vに対して進み、架線電圧vの振幅が僅かに上昇する。 Further, the comparison of FIGS. 3 (d) and 3 (e) and the comparison of FIGS. 3 (d) and 3 (f) are the same even when the large current is charged in FIGS. 3 (d) to 3 (f). In other words, by performing a reactive current control, the ripple component of the battery current i b is increased. With a delay of reactive current command value i c_refq, converter current i c is delayed relative to the trolley voltage v p, the amplitude of the overhead line voltage v p decreases slightly. On the other hand, by a reactive current command value i C_refq the advance, the converter current i c advances against the overhead wire voltage v p, the amplitude of the overhead line voltage v p is slightly increased.

[作用効果]
このように、本実施形態によれば、架線電圧vに対する無効電流波形でなる無効電流指令値ic_refqを生成しコンバータ電流指令値ic_refに重畳することで、蓄電池電流iに含まれるリプル成分を増加させ、蓄電池20に生じる内部発熱を増大させて蓄電池20を効果的に加温することができる。蓄電池電流iに重畳するリプル電流は、架線電圧vに対する無効電流であるので、リプル成分の重畳によって蓄電池電流iの実効値ibaは変化しない。また、蓄電池電流iにリプル成分を重畳することで、蓄電池電圧vのリプル成分の実効値Vbrと、蓄電池リプル電流実効値Ibrとを用いて、蓄電池20の内部抵抗を算出することができる。つまり、蓄電池20の充電及び放電を行いつつ、蓄電池20の内部抵抗を算出することができる。また、これらの作用効果は、蓄電池20を小電流充電するときも、大電流充電するときも同様に奏される。したがって、任意のタイミングで蓄電池20の加温や、内部抵抗の算出を行うことができる。
[Action effect]
Thus, according to this embodiment, by superimposing the generated reactive current command value i C_refq consisting of reactive current waveform for trolley voltage v p converter current command value i C_ref, ripples contained in the battery current i b The components can be increased, the internal heat generation generated in the storage battery 20 can be increased, and the storage battery 20 can be effectively heated. Ripple current superimposed on battery current i b is because it is ineffective current with respect to the overhead line voltage v p, the effective value i ba battery current i b is not changed by the superimposition of the ripple component. Further, by superimposing the ripple component on the storage battery current i b , the internal resistance of the storage battery 20 is calculated using the effective value V br of the ripple component of the storage battery voltage v b and the effective value I br of the storage battery ripple current. Can be done. That is, the internal resistance of the storage battery 20 can be calculated while charging and discharging the storage battery 20. Further, these effects are similarly exhibited when the storage battery 20 is charged with a small current and when it is charged with a large current. Therefore, the storage battery 20 can be heated and the internal resistance can be calculated at an arbitrary timing.

1 架線
10 主変圧器
12 コンバータ
14 直流中間回路(直流ステージ)
16 インバータ
18 主電動機
20 蓄電池
30 電気車制御装置
32 コンバータ制御装置
100 コンバータ制御部、120 リプル電流制御部、140 内部抵抗算出部
34 充電制御部
36 無効電流制御部
1 Overhead line 10 Main transformer 12 Converter 14 DC intermediate circuit (DC stage)
16 Inverter 18 Traction motor 20 Storage battery 30 Electric vehicle control device 32 Converter control device 100 Converter control unit, 120 Ripple current control unit, 140 Internal resistance calculation unit 34 Charge control unit 36 Invalid current control unit

Claims (4)

コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するコンバータ制御装置であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成するリプル電流制御部であって、当該無効電流波形の振幅を、前記蓄電池の電流を検出する検出器によって検出された蓄電池電流のリプル成分の実効値(以下「蓄電池リプル電流実効値」という)と、当該蓄電池リプル電流実効値の指令値である所与の指令値との差に基づいて決定するリプル電流制御部
を具備し、所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させるコンバータ制御装置。
In an electric vehicle including a converter, an inverter for driving and controlling a main electric motor, and a storage battery connected to a DC intermediate circuit between the converter and the inverter, a converter current and a given converter current command value are used. A converter control device that controls the converter.
A ripple current control unit that generates an invalid current command value consisting of an invalid current waveform with respect to the overhead wire voltage based on the voltage phase of the overhead wire voltage, and is a detector that detects the amplitude of the invalid current waveform and the current of the storage battery. Ripple determined based on the difference between the effective value of the ripple component of the storage battery current detected by (hereinafter referred to as "storage battery ripple current effective value") and the given command value which is the command value of the storage battery ripple current effective value. Current control unit ,
A converter control device that controls to superimpose the reactive current command value on the converter current command value for a given time, and superimposes a ripple component on the charging current of the storage battery.
前記蓄電池の電圧を検出する検出器によって検出された蓄電池電圧のリプル成分の実効値と、前記蓄電池リプル電流実効値とを用いて、前記蓄電池の内部抵抗を算出する蓄電池内部抵抗算出部、
を更に備えた請求項に記載のコンバータ制御装置。
A storage battery internal resistance calculation unit that calculates the internal resistance of the storage battery using the effective value of the ripple component of the storage battery voltage detected by the detector that detects the voltage of the storage battery and the effective value of the storage battery ripple current.
Furthermore converter control apparatus according to claim 1 comprising a.
請求項1又は2に記載のコンバータ制御装置を備えた電気車制御装置であって、前記電気車の起動時の暖機運転中に、前記コンバータ制御装置に対して、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行わせる電気車制御装置。 The electric vehicle control device provided with the converter control device according to claim 1 or 2 , wherein the converter current command value is set to the converter control device during warm-up operation at the time of starting the electric vehicle. An electric vehicle control device that controls superimposition of invalid current command values. コンバータと、主電動機を駆動制御するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電池とを具備した電気車において、コンバータ電流と所与のコンバータ電流指令値とを用いて前記コンバータを制御するためのコンバータ制御方法であって、
架線電圧の電圧位相に基づいて、前記架線電圧に対する無効電流波形でなる無効電流指令値を生成することであって、当該無効電流波形の振幅を、前記蓄電池の電流を検出する検出器によって検出された蓄電池電流のリプル成分の実効値(以下「蓄電池リプル電流実効値」という)と、当該蓄電池リプル電流実効値の指令値である所与の指令値との差に基づいて決定して、当該無効電流指令値を生成することと
所与の時間、前記コンバータ電流指令値に前記無効電流指令値を重畳させる制御を行って、前記蓄電池の充電電流にリプル成分を重畳させることと、
を含むコンバータ制御方法。
In an electric vehicle including a converter, an inverter for driving and controlling a main electric motor, and a storage battery connected to a DC intermediate circuit between the converter and the inverter, a converter current and a given converter current command value are used. This is a converter control method for controlling the converter.
It is to generate an invalid current command value consisting of an invalid current waveform with respect to the overhead wire voltage based on the voltage phase of the overhead wire voltage, and the amplitude of the invalid current waveform is detected by a detector that detects the current of the storage battery. The invalidity is determined based on the difference between the effective value of the ripple component of the storage battery current (hereinafter referred to as "effective value of the storage battery ripple current") and the given command value which is the command value of the effective value of the storage battery ripple current. Generating the current command value and
Control is performed to superimpose the reactive current command value on the converter current command value for a given time, and the ripple component is superposed on the charging current of the storage battery.
Converter control method including.
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