2021 Fiscal Year Research-status Report
Research on Distributed Wayside Energy Storage System for Energy Saving in DC electric Railway
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20K14725
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
小林 宏泰 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (30844063)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 直流電気鉄道 / 省エネルギー / 蓄電装置 / 地上蓄電システム / 回生エネルギー / 安定性解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
直流電気鉄道システムにおける回生電力に関して，更なる有効活用の余地がある。そこで本研究では，蓄電システムによる直流電気鉄道システムの高エネルギー効率化を目的とし，分散型地上蓄電システムを提案し，その協調制御法およびシステム設計法の確立を目指す。直流電気鉄道システムでは，システム内の電圧変動が非常に大きく，絶縁等の観点から決まるシステム内の電圧の適正範囲の制約から，流せる電流が制限されるという課題を抱える。このため，回生電力が制限され，エネルギー効率の低下を招く。そこで本研究では，蓄電装置を複数に分散して設置することで，1箇所に設置した場合よりも広範囲にわたって回生パワー吸収・加速アシスト効果が得られる分散型蓄電システムを提案する。
本年度は昨年度に引き続き，単体の地上蓄電システムの充放電制御系設計法の確立を実施した。ここで提案する設計法は，制御系の安定性と省エネルギー効果のトレードオフを考慮し，最適な充放電制御ゲインを決定することが可能となる。また，地上蓄電システムの充放電制御において，その効果範囲を拡大することは大きなインパクトがある。従来の制御法では，理想的な定電圧源としての動作を志向した架線と地上蓄電システムの接続点電圧のみを指標にして充放電制御を行う方法である。しかし，この従来手法では，定電圧源動作に基づいているが故に，充放電電力や充放電可能な物理的距離に制約があった。そこで本研究では，地上蓄電システム地上―車両間の相互通信を利用し，車両の速度や位置といった情報を積極的に用いることで，時々刻々変化するき電回路に合った可変電圧源動作を実現し，充放電電力の向上や効果範囲の拡大が可能な手法について検討を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度では，まずは地上蓄電システム単体を対象に，安定性を考慮した充放電制御系の設計法，およびき電回路情報に基づいた可変電圧制御法について検討を行った。一般的な集中型地上蓄電システムの充放電制御系ゲインに関して，安定性と省エネルギー効果のトレードオフがあることが知られている。しかし，このトレードオフ関係を陽に考慮した解析的な設計法はこれまで明らかにされておらず，試行錯誤的に保守的な値に設定しているのが現状である。そこで，本研究では，変電所・車両・地上蓄電システムから構成される対象システムについて，蓄電システムの充電・放電それぞれのケースについて解析モデルを導出して安定性解析を行うことで，安定性を損ねない範囲で最大の充放電制御ゲインの設計が可能となった。提案手法の妥当性は，ミニモデル実験によって検証を行い，設計したゲインを適用した場合でも，不安定になることなく充放電が可能であることを確認した。また，実スケールのき電シミュレーションを実施し，提案決定法による省エネルギー効果を検証した。この決定手法により，充放電制御ゲインの決定手順の簡略化につながるとともに，安定な条件で省エネルギー効果が高い充放電制御が可能となるだけでなく，本研究で提案する分散型地上蓄電システムの協調制御法を検討するうえで，安定性を陽に考慮することが可能となることが期待される。また，き電回路情報に基づいた可変電圧制御については，地上蓄電システムの電圧指令値決定法について検討を実施した。実スケールのき電シミュレーションにより，従来の定電圧制御に対して必要な時に電圧指令値を上下させることで，省エネルギー効果が向上することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
提案する分散型地上蓄電システムのメリットを十分に活かすためには，各蓄電システム間で協調制御を行うことが効果的である。そこで，2021年度に検討を行ったき電回路情報に基づいた可変電圧制御を分散型地上蓄電システムに応用し，その効果や課題について検討を行う。ここで提案する協調制御法については，ミニモデル実験で制御の動作検証をしたのち，実システムを模擬した数値シミュレーションで省エネルギー効果を検証する。なお，提案システムでは従来の集中型システムに対するコスト増加の懸念がある。そこで本研究では，コストに直結する要素としてエネルギー容量を挙げ，集中型地上蓄電システムのエネルギー容量と分散型地上蓄電システムのトータルエネルギー容量を合わせることで，従来システムから大幅なコスト増加を生じない範囲で検討を行う。
分散型地上蓄電システムの制御法の提案・検証が終わり次第，分散型地上蓄電システムの設計法確立に着手する。具体的には，評価指標として省エネルギー効果とコストをそれぞれ評価する設計指標を導入することで，最大の費用対効果を実現する見通しの良い設計を提案する。また，路線全体にわたって最大限の回生パワー吸収・再利用を実現しつつも，導入コストの観点から最小限のシステム分散数とするための分散蓄電システム間隔について，直流パワーフローに着目した検討を通じて明らかにする。
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画では，分散型地上蓄電システムのミニモデル実験を実施する予定であったが，新型コロナウイルス感染症対策の観点から計画を若干変更した。本年度は，従来の集中型地上蓄電システムの新たな充放電制御法を提案し，提案手法を実スケールのき電回路シミュレーションによって検証した。提案手法については，翌年度にミニモデル実験で検証を行うとともに，分散型地上蓄電システムへの応用についても実験検証を行う予定である。分散型を想定したミニモデル実験システム構築において，新たに直流回生電源が必要になるため，その購入に予算を使用する予定である。
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