キャパポストの車両走行試験

新技術特集
変換・可変速装置
電気二重層キャパシタの電鉄応用
― キャパポストの車両走行試験 ―
電気二重層キャパシタ，回生電力，電力貯蔵装置，省エネルギー
＊
平松正宣 Masanobu Hiramatsu
概要
電車のブレーキの一種である回生ブレーキは，運動エネ
ルギーを電気エネルギー（回生電力）に変換し，他の電気
負荷へ供給するシステムである。回生電力を消費する負荷
が無い場合，き電電圧が上昇し，回生ブレーキが動作でき
ない回生失効が発生し，電車運転に支障が生じる。
この問題を解決するため，電気二重層キャパシタを用い
た回生電力吸収装置（キャパポスト）を開発し，西武鉄道㈱
に納入した。本格運用前の2008年3月，車両走行試験を
行った。これにより，回生電力吸収装置が適用区間で有効
に動作することを確認した。
キャパポスト外観
証したので，その結果について紹介する。
1. まえがき
2. 適用線区
近年エネルギー問題や地球環境への意識が高ま
りつつある。鉄道システムでも効率化と経済性向
キャパポストは，第 1 図（a）に示すように西武
上，CO2排出量削減が望まれている。電車のブレー
鉄道西武線のα変電所とβ変電所の2か所（変電所
キの一種である回生ブレーキは，運動エネルギー
定格3000kW）に新設された。第 1 図（b）に各駅
を電気エネルギー（回生電力）に変換し，き電線
との距離や標高の関係を示す。この区間は単線区
へ返すものである。一方，電力貯蔵装置としての
間であり最大8両編成の電車が通過する。
電気二重層キャパシタ（EDLC：Electric Double
第 1 図に示すように，左側へ向かう場合は下り
Layer Capacitor）は，急速充放電特性が良好で長
勾配でありD駅からA駅までは平均勾配が−10‰
寿命，重金属類を含まないなど，エネルギー貯蔵
以上であり，特にD駅からC駅を経由してB駅まで
媒体として多くの特長を有する。そこで，電車の
に限っては，−25‰以上の連続下り勾配である。
ブレーキ使用時に生じる回生電力を，EDLCに充
この区間は単線区間である上，車両運転の間隔も
電し力行時に放電するキャパポストを採用するこ
長いため，回生機能付きの車両（回生車両）を走
とにより，鉄道システムを省エネルギー化できる。
行させても車両間融通で回生電力を他の力行状態
本稿では，装置の概要及び車両1編成と2編成での
の車両に供給して消費させることが難しい。その
走行試験を行い，キャパポストを用いた効果を検
ため，回生失効つまり回生電力の行き場がなく回
＊
基礎技術開発部
（8）
電気二重層キャパシタの電鉄応用
明電時報通巻323号 2009
上り方面
No.2
α変電所
（−0k826m）
― キャパポストの車両走行試験 ―
β変電所
6k320m
キャパ
ポスト
F1
第 1 表キャパポスト定格
西武鉄道!に納めたキャパポストの定格を示す。
下り方面
電気二重層
キャパシタ
キャパ
ポスト
F
F2
き電線
A駅
B駅
C駅
（−3k979m） 0k000m 3k600m
（基点）
D駅
6k300m
昇降圧
チョッパ
E駅
12k400m
使用電圧範囲
512∼1280V
最大電流
2000A
静電容量
20.25F
充電電圧
1690V
放電電圧
1600V
電力量
24.75MW・s
（a）キャパポストの設置場所
350
300 α変電所
E駅
D駅
250 キャパポスト
標 200
β変電所
C駅
高
キャパポスト
B駅
（m） 150
100 A駅（基点）
50
0
−5000
5000
10,000
15,000
0
B駅（基点）
からの距離（m）
回生電力吸収装置
（キャパポスト）
充電電圧：1690V
放電電圧：1600V
回生でき電電圧が上昇し，
キャパポストに充電
力行でき電電圧が低下し，
キャパポストより放電
回生（電力発生）
（b）適用線区の標高
第 1 図キャパポストの適用区間
力行（電力消費）
第 2 図キャパポストの動作イメージ
（a）はキャパポストと適用線区駅との距離を示し，（b）は適用線区の
標高と駅間距離を示す。
キャパポストが回生吸収のための充電開始電圧が1690Vであること
と，放電開始電圧は1600Vであることを示す。
生ブレーキを中止し機械ブレーキなどに移行する
き電線
ことが多くなる。そのことから，回生車両は走行
車両本数が増加するイベント開催日などに限定し
キャパポスト
て運用させていた。
フィルタ
L
この対策としてキャパポストを設置したもので
あり，力行状態の車両が存在しない場合でも回生電
チョッパ
力をキャパポストが吸収して回生失効を防止でき
るため，回生車両の本格的な導入が可能となった。
フィルタ
C
3. キャパポスト概要
3.1
42C
42R
Vc
抵抗器
装置容量と主回路構成
EDLC
レール
第 1 表に新設したキャパポストの定格を，第 2 図
に動作イメージを，第 3 図に主回路構成を示す。
ブレーキの動作には停止のための停止ブレーキと
第 3 図キャパポスト主回路構成図
速度を調整する抑速ブレーキの2種があるが，
キャパポストの主回路を示す。
EDLC容量はこの内の停止ブレーキ動作を8両1編
メイキャップ
成が行う場合の推定回生電力量よりも大きくなる
部には160V−4.5FのMEICAP 600S1形を288ユ
ように選定した。下り勾配では速度を調整する抑
ニット（8直列36並列）使用している。EDLC部の
速ブレーキ動作による回生電力が加わり，EDLC
最大充放電電流は2000Aであり，き電線（1500V）
が満充電になる。そこで，満充電に近くなると
とキャパポスト間の最大充放電電流は1500Aで
EDLCと抵抗器との併用で電力を吸収することに
ある。
より，回生失効を防止している。
3.2
装置の制御動作
この装置はき電線との間で以下のような充放電
充放電制御はチョッパで行い，IGBT（Insulated
動作を行っている。
Gate Bipolar Transistor）素子を採用した。EDLC
（9）
電気二重層キャパシタの電鉄応用
明電時報通巻323号 2009
No.2
― キャパポストの車両走行試験 ―
a き電線の電圧を監視しており，電圧が上昇し
た時には回生電力をEDLCに充電し，電圧が低下
駅名 Z駅
着 0：12：50
発 0：13：20
着
発
着
発
着
発
着
発
した場合には逆に放電する。
s 充電中にEDLCが満充電状態に近づき，EDLC
電圧Vcが1200Vに達すると，マグネットスイッチ
42RをONにして，EDLCと並列に抵抗器を接続し
ながら回生電力を吸収する。回生終了を検出する
と42RをOFFさせ抵抗器を切り離す。
着
発
d sの並列抵抗接続状態でもEDLCの充電が進み
着
発
着
発
着
発
着
電圧Vcが1250Vを超えた場合には，42CをOFFし
てEDLCを開放し，抵抗器のみで回生電力を吸収
させる。しかし回生が終了すると，EDLCから抵
A駅
B駅
0：17：00
0：17：30
0：22：20
0：23：20
C駅
0：27：40
0：28：10
D駅
E駅
0：31：30
0：32：00
0：37：30
0：50：00
1：11：00
1：05：00
1：06：00
1：00：00
1：00：30
0：55：50
0：56：20
抗器への放電を抑えるため，42RをOFFさせ抵抗
器を切り離した後，次の充放電に備えるため42Cを
ONさせている。この抵抗器は20秒間の連続通電が
第 4 図 1編成走行パターン
1編成での走行試験。各駅停車時間・発車時間を示す。
可能なように選定した。
4. 走行試験
4.1
走行試験の条件
営業運転後の深夜に，最大編成であ
る8両編成の試験車両を用いて試験を
行った
(1)(2)
。この8両の試験車の内，
モータを搭載しているのは6両である。
この試験条件は，試験車両以外に負荷
が無いため回生電力によりき電電圧が
上昇しやすく，回生失効になりやすい。
第 4 図に1編成のみで各駅での停車・
発車運転を行った場合の時間経過を示
駅名 X駅
着
発
着
発
着
発
着
発
着
発
着
発
着
発
着
発
着
発
着
発
着
発
着 2：48：00
Y駅
Z駅
A駅
1：40：20
1：51：30
2：03：30
B駅
1：45：30
1：46：30
C駅
2：41：40
2：42：10
2：37：50
2：38：20
2：56：00
2：56：30
3：00：10
2：27：40
2：28：40
2：50：00
2：51：00
E駅
1：41：00
1：50：50
1：52：10
2：14：40
2：14：40
2：33：40
2：34：10
D駅
2：22：40
2：23：10
2：45：00
2：45：30
2：18：00
2：19：00
2：40：50
2：41：20
2：12：10
2：24：30
2：35：00
す。第 5 図は2編成での走行パターン
であり，交差運転試験をB駅とD駅と
で行った場合を示す。
第 4 図と第 5 図の試験結果から，
第 5 図 2編成走行パターン
2編成での各駅停車・発車時間を示す。2編成交差ははじめにB駅で行い，次いでD駅で
行っていることを示す。
今回は第 2 表のようなパターンにつ
いて紹介する。1編成についてはパターン1と2のよ
うなD駅付近の上りと下りの勾配条件及びパター
ン4の全区間の3種類を示し，2編成についてはパ
第 2 表走行パターン一覧
試験結果への分析を行った走行パターンの一覧を示す。パターン1
∼3は，D駅での停車・発車について注目したものである。パターン
4は1編成走行全体，パターン5は2編成走行全体について注目したも
のである。
条件
ターン3のD駅での交差運転とパターン5の全区間
特徴
運転の2種類を示す。第 2 表の上段のパターン1∼3
パターン1
1編成上り勾配
D駅
力行支配的，回生少ない
はD駅付近に限定したものであり，下段のパター
パターン2
1編成下り勾配
D駅
回生支配的
パターン3
2編成交差運転
D駅
車両間で電力融通有
1編成D駅付近上り勾配（パターン1）
パターン4
1編成全区間
回生電力融通無
第 6 図（a）にD駅において1編成を上り勾配方向
パターン5
2編成全区間
車両間で電力融通有
ン4・5は全区間で計測したものである。
4.2 D駅付近での停車・発車試験
4.2.1
（ 10 ）
電気二重層キャパシタの電鉄応用
明電時報通巻323号 2009
No.2
― キャパポストの車両走行試験 ―
2000
き電電圧
＝80%
利用率（P2/P1）
1500
電電
圧流 500
（V）
（A）
0
−500
P1：回生電力量
7.0MW・s
EDLC電圧
1000
チョッパ
1次電流
回生吸収
放電
C駅停車
機器損失
1.4MW・s
D駅停車
＝19.4%
利用率（P2/P1）
P1：回生電力量
25.1MW・s
（a）パターン1 1編成上り勾配 D駅
き電電圧
機器損失
2.8MW・s
1500
1000
電電
圧流 500
（V）
（A）
0
EDLC電圧
−1000
0：54：05
P1：回生電力量
28.0MW・s
D駅停車
0：55：25
時刻
0：56：05
機器損失
6.2MW・s
0：56：45
2000
抵抗消費電力量
6.9MW・s
＝32.0%
利用率（P2/P1）
き電電圧
P2：放電電力量
52.3MW・s
P1：回生電力量
163.5MW・s
抵抗電流
1000
電電
圧流 500
（V）
（A）
0
EDLC電圧
機器損失
23.6MW・s
＝53.8%
利用率（P2/P1）
D駅停車
2：16：42
2：17：22
時刻
抵抗消費電力量
87.7MW・s
（d）パターン4 1編成全体
チョッパ1次電流
−500
−1000
2：16：02
P2：放電電力量
14.9MW・s
（c）パターン3 2編成交差運転 D駅
（b）パターン2 1編成下り勾配 D駅
1500
抵抗消費電力量
17.4MW・s
＝53.1%
利用率（P2/P1）
チョッパ1次電流
0：54：45
P2：放電電力量
4.9MW・s
（b）パターン2 1編成下り勾配 D駅
抵抗電流
−500
抵抗消費電力量
0MW・s
（a）パターン1 1編成上り勾配 D駅
−1000
0：27：03 0：28：23 0：29：43 0：31：03 0：32：23
時刻
2000
P2：放電電力量
5.6MW・s
2：18：02
P2：放電電力量
176.3MW・s
P1：回生電力量
328.0MW・s
（c）パターン3 2編成交差運転 D駅
機器損失
27.1MW・s
第 6 図キャパポスト電圧・電流波形
最上段のき電線の電圧が上昇しないように，充放電している。電流
は系の上側がき電からの回生吸収，下側がき電への放電を示す。
に停車及び発車をさせた場合のβ変電所における
試験結果を示す。上り勾配なので回生ブレーキは
抵抗消費電力量
124.6MW・s
（e）パターン5 2編成全体
第 7 図キャパポストの回生電力量フロー
第 2 表の運転パターン1∼5で，キャパポストが吸収した回生電力量
の移動フローを示す。
停止ブレーキのみとなる。そのためチョッパ一次
電流の充電電流は少なく，EDLCの電圧上昇も少
停車・発車させた。急な下り勾配であるため抑速
ないためEDLCのみで回生電力を充電している。
ブレーキによる回生電力が多い条件である。その
第 7 図（a）にこの計測期間の電力量フローを示す。
ため，当初はEDLCで充電しているが，途中から抵
キャパポストが充電した回生電力量のうち，き電
抗器と並列に接続された状態で充電している。回
線へ放電できた電力量を利用率とすると，80％の
生電力量が多く，他に回生電力を消費する負荷も
利用率となり，理論値とほぼ一致する良い結果と
無いという最悪条件であるため，き電電圧の高い
なった。
状態が長く続く。抵抗器の接続期間も長く，回生
4.2.2
1編成D駅付近下り勾配（パターン2）
電力の多くを抵抗器で消費しているため第 7 図（b）
第 6 図（b）では回生車両1編成を下り勾配でD駅
のように利用率は19.4％と悪くなった。
（ 11 ）
電気二重層キャパシタの電鉄応用
明電時報通巻323号 2009
4.2.3
No.2
― キャパポストの車両走行試験 ―
第 3 表走行試験まとめ
2編成D駅での交差運転（パターン3）
第 6 図（c）は回生車両2編成をD駅で交差運転さ
第 2 表のパターンごとでのキャパポストの回生吸収した電力量と利
用率を示す。
せたものである。この場合もう1編成の車両が回生
条件
電力を消費する負荷となる。つまり編成間で電力
特徴
回生吸収利用率
（MW・s）（%）
パターン1 1編成上り勾配力行支配的，
D駅
回生少ない
7.0
80.0
電機会が多くなり，EDLCと抵抗器が並列に接続
パターン2 1編成下り勾配回生支配的
D駅
25.1
19.4
された状態で充電する期間は第 6 図（b）より短く
パターン3 2編成交差運転車両間で
D駅
電力融通有
28.0
53.1
パターン4 1編成全区間
回生電力融通無
164.9
32.0
パターン5 2編成全区間
車両間で
電力融通有
328.0
53.8
の融通が行われる。このため，キャパポストの放
なる。その結果，このパターンでは第 7 図（c）の
ように利用率が53.1％とパターン2より大幅に改善
した。
4.3 全区間での運転試験
第 7 図（d）と（e）に全区間運転した時の回生電
動作する条件では利用率が低下しているが，編成
力量の利用率を調べたものを示す。（d）は1編成で
数を増やすとEDLCからの放電機会が増えるため
第 4 図のように全区間を往復した場合（パターン
利用率が改善できることも判明した。
4）であり，（e）は2編成で第 5 図のように交差運
転した場合（パターン5）である。
4.3.1
5. むすび
1編成での全区間走行試験（パターン4）
今回は実車両による試験を行って，試験車両が
1編成で全区間を運転した場合は，第 7 図（d）の
1編成と2編成の場合において電力貯蔵装置が適用
ように，下り勾配が連続し回生ブレーキを多用し
線区で有効に機能すること，及び回生失効を抑制
ている区間ではキャパポストが吸収した回生電力
できることを確認した。今回納入したものは，停
の放電機会が少なく，抵抗器で消費されている電
止ブレーキ時の回生吸収を重視した装置であった
力量が多い。そのため利用率も32％となった。
が，今後は電圧補償を重視した装置など他のシ
4.3.2
2編成の全区間成走行試験（パターン5）
リーズを充実させ，鉄道事業者の要望に応えてい
回生車両を2編成で運転すると第 7 図（e）のよう
く所存である。
に，キャパポストが吸収した電力量は1編成に比べ
最後に本装置製作・試験にあたり，ご指導・ご
およそ2倍になった。また，1編成でEDLCが満充
協力いただいた多くの関係者のみなさまに深く感
電となっていた下り勾配の回生ブレーキを多用す
謝の意を表する次第である。
る区間でも，もう1編成側が負荷となる場合がある
ため，利用率は53.8％とパターン4より改善された。
《参考文献》
a 本田ほか：「直流電気鉄道の電力回生エネル
4.4 試験結果のまとめ
第 2 表の走行パターンでの試験結果である
ギー吸収用キャパポストの適用」，平成20年電気学
第 7 図から，回生吸収電力量と利用率をまとめた
会全国大会講演論文集，Vol.5，No.5∼55，2008，
ものが第 3 表である。
pp.87∼88
キャパシタ容量を1編成が平坦な条件で停止ブ
s 平松ほか：「直流電気鉄道のための電力貯蔵装
レーキを行う場合の回生電力量を基準に選定して
置車両走行試験」，平成20年電気学会産業応用部門
いるため，第 3 表より，パターン1のように1編成
大会，Vol.3，No.3∼44，2008，pp.277∼280
で且つ上り勾配であれば，想定したようにEDLC
のみで停止時の回生エネルギーを吸収及び放電す
《執筆者紹介》
ることができている。
平松正宣 Masanobu Hiramatsu
更に第 6 図に示したように，パターン2や3のよ
うな下り勾配で抑速ブレーキによる回生が連続し
た場合でも，抵抗器を併用すれば回生失効に至ら
ないことも確認できた。また，ブレーキが長時間
（ 12 ）
電力変換装置の開発に従事

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