高速鉄道イノベーションセンター信託

2x25kVの牽引システムにおいてオートトランスフォーマーが使用されると、故障の深刻度が増大します。放置された故障はコンポーネントの故障につながるため、システムの信頼性計画は不可欠です。本論文では、ノードアドミタンス行列に基づくアプローチを用いて、故障位置による故障電流の変化を推定する方法を提案します。さらに、堅牢な設計を確保するために、様々な事象発生時におけるシステムの解析を行い、静止型無効電力補償装置（SVC）を用いてシステムの性能を向上させます。あらゆる停電発生時に作動する最適な電圧補償アルゴリズムを提案します。変電所と区分け地点にSVCを設置した30kmのサンプル給電区間について、比較分析を行います。

本論文では、2x25kV牽引電力供給システム（TPSS）における最適な変電所配置間隔を決定するための、簡潔な手法を提示する。TPSSの重要な設計パラメータの一つである経済性は、牽引変電所（TSS）の設置数、あるいは変電所間の距離によって左右される。したがって本論文では、エネルギー損失および構成機器の設置に伴いTPSS全体で発生する総コストが、変電所配置間隔にいかなる影響を及ぼすかに焦点を当てる。変電所間の最適間隔を決定するにあたり、粒子群最適化（PSO）手法および解析的手法が用いられる。2x25kV TPSSを構成する個々の機器をモデル化し、電流注入アルゴリズムを用いた潮流計算を実行する。また、潮流シミュレーションを行い、最適な変電所配置間隔を決定するためのPythonコードを開発した。本提案手法によって得られた結果は、TPSSの総コストを最小化しつつ変電所間の最適間隔を決定するという本研究の目的と、極めて良好に合致するものであった。

パルス幅変調（PWM）電圧波形に関連する高調波スペクトルの解析的評価を二重フーリエ級数を用いて行うことは、計算負荷の極めて高い作業である。本論文では、規則的な対称サンプリング正弦波・三角波PWM制御により動作する2レベル電圧形インバータの出力電圧について、そのフーリエ係数を表す簡潔な閉形式表現を提示する。提案手法は「不連続点のフーリエ理論」に基づいており、積分計算を一切必要としない。提案する解析手法の妥当性を検証するため、シミュレーションおよび実験による結果を示す。

鉄道システムの電化、列車の運行速度の向上、および高速列車の導入に伴い、き電電力供給システムに関する詳細な検討の必要性が改めて高まっています。本稿では、き電供給システムに関する2つの技術規格、すなわちEN50163およびEN50388について概説します。これらの規格は、システム全体の安全かつ信頼性が高く、効率的で経済的な運用を実現するための、システム電圧レベルおよび力率条件に関連するものです。さらに本稿では、2×25kVき電システムの電気的セクション（区間）の一つを対象とした、詳細なシミュレーション解析の結果を提示します。当該セクション内に列車が位置し、一定量の電力を消費している状態における、架線およびき電線の電圧プロファイルが算出されています。架線電圧プロファイルに対する様々なシステムパラメータの相対的な影響度は、各シミュレーション実行ごとに異なるパラメータ設定を適用し、複数回にわたるシミュレーション解析を通じて評価されました。一連のシミュレーション解析の結果、き電変圧器の漏れリアクタンス、架線およびレールのインピーダンス、ならびに架線・レール・き電線間の相互インピーダンスが、その他のパラメータに比べてより大きな影響を及ぼすことが明らかになりました。また、列車の位置、消費電力、および運転力率の変化に伴う電圧プロファイルの変動についても、シミュレーション解析を通じて具体的に示されています。さらに、架線電圧の降下（電圧ディップ）という観点から見て、列車にとって最も厳しい運転条件となる位置（ワーストケース）が特定されました。最終的に、これらのシミュレーション解析の結果を活用し、関連するき電規格を遵守した上で、当該セクションを走行する単一の列車が取り込み可能な最大電力の許容範囲を、P-Q平面上に導出しています。