DE102007047165A1

DE102007047165A1 - Energieversorgung

Info

Publication number: DE102007047165A1
Application number: DE200710047165
Authority: DE
Inventors: Markus Engel; Robert Frankenberg; Harald Karl; Wolfgang Spaeth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16
Also published as: RU2010116169A; US8310099B2; RU2480355C2; BRPI0817734A2; CN101809840A; JP5114568B2; WO2009043768A2; JP2010541525A; US20100213765A1; CN101809840B; WO2009043768A3

Abstract

Es wird eine Energieversorgung entlang einer Trasse angegeben, umfassend (i) mindestens eine Verteilerstation, an deren Eingang eine erste Spannung anliegt und die an ihrem Ausgang eine zweite Spannung bereitstellt, wobei die zweite Spannung niedriger oder höher als die erste Spannung ist; und (ii) mehrere Komponenten, die entlang der Trasse angeordnet sind, wobei die Komponente von der zweiten Spannung versorgt wird und ein Netzteil aufweist, anhand dessen die zweite Spannung auf eine dritte Spannung transformierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgung.
Komponenten, insbesondere verschiedenartige Verbraucher sind entlang linienförmiger Trassen angeordnet. Beispiele für derartige Trassen sind ein Fahrweg, eine Transrapid-Strecke, eine Pipeline, eine Strasse, eine Bahntrasse oder eine Telekommunikationsleitung.
Eine derartige Komponente benötigt oftmals elektrische Komponenten, z. B. zur Verstärkung von Signalen, zur Überwachung von Anlagenzuständen oder zur dezentralen Steuerung einer Anlage.
Dabei sind die Komponenten häufig in ähnlichen räumlichen Abständen zueinander angeordnet, z. B. alle 5 km.
Die Komponenten weisen bspw. einen relativ moderaten Energieverbrauch (ca. < 1 KW) auf, da häufig elektronische Schaltungen und weniger Antriebe mit elektrischer Energie versorgt werden.
Auch ist oftmals entlang der Trasse keine sonstige Infrastruktur zur Energieversorgung vorhanden, anhand derer eine Energieversorgung der Komponenten erfolgen könnte.
Aufgrund der Länge der Trasse, z. B. 10 km bis 100 km, ist eine elektrische Versorgung mittels einer 230 V-Netzspannung ungünstig, da der Spannungsfall auf den Versorgungsleitungen zu hoch wäre bzw. der notwendige Kabelquerschnitt der Kabel zu unverhältnismäßig hohen Kabelkosten führen würde.
Aus diesem Grund erfolgt die Versorgung in der Regel über eine Mittelspannung.
1 zeigt eine Anordnung zur Energieversorgung einer Trasse 101 entlang derer mehrere Komponenten 102 bis 107 angeordnet sind. In dem Beispiel von 1 werden jeweils zwei Komponenten mit einer 230 V-Netzspannung versorgt, die von einer Verteilstation 108, 109 und 110 bereitgestellt wird. Eine Mittelspannung in Höhe von 15 kV versorgt die Verteilstationen 108 bis 110.
Jede Komponente umfasst im Wesentlichen die Geräte, die als Last (Load) an die 230 V-Netzspannung angeschlossen sind.
Dieser Ansatz weist insbesondere die folgenden Nachteile auf:

a. Die Verteilstationen 108 bis 110 sind teuer. Sie müssen errichtet und betrieben (z. B. überwacht) werden und enthalten neben einem Transformator auch die jeweils notwendige Mittelspannungstechnik.
b. Zusätzlich zu den Mittelspannungskabeln parallel zur Trasse werden noch die Stichleitungen zu den Komponenten (230 V-Netzleitungen) benötigt. Gerade bei langen Trassen ergeben sich daraus erhebliche Kabelkosten.
c. Für den Betrieb der Mittelspannungstechnik ist speziell ausgebildetes Personal notwendig. Weiterhin wird durch die verhältnismäßig hohe Spannung viel Bauraum benötigt.
d. Die einzelnen Verbraucher in der Komponente lasten die vorhandenen Kabel ineffizient aus.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine aus Anlagensicht günstige Lösung zur Energieversorgung der Komponenten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Energieversorgung entlang einer Trasse angegeben umfassend

– mindestens eine Verteilerstation an deren Eingang eine erste Spannung anliegt und die an ihrem Ausgang eine zweite Spannung bereitstellt, wobei die zweite Spannung niedriger oder höher als die erste Spannung ist;
– mehrere Komponenten, die entlang der Trasse angeordnet sind, wobei die Komponente von der zweiten Spannung versorgt wird und ein Netzteil aufweist anhand dessen die zweite Spannung auf eine dritte Spannung transformierbar ist.

Hierbei ist es von Vorteil, dass nur die zweite Spannung, die niedriger als die erste Spannung ist, zur Versorgung der Komponenten dient. Die hohe erste Spannung wird nur in der mindestens einen Verteilerstation transformiert.
Eine Weiterbildung ist es, dass die erste Spannung eine Mittelspannung ist. Insbesondere kann die erste Spannung eine Spannung im Bereich von 5 kV bis 20 kV sein.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die zweite Spannung eine Niederspannung ist. Insbesondere kann die zweite Spannung eine Spannung kleiner (gleich) 1000 V sein.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die zweite Spannung eine Wechselspannung ist. Alternativ könnte die zweite Spannung auch eine Gleichspannung sein. Weiterhin ist es möglich, dass die zweite Spannung als Drehstromsystem ausgeführt ist.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass anhand des Netzteils die zweite Spannung auf eine geregelte dritte Spannung transformiert wird, wobei die dritte Spannung eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung ist. Dabei kann insbesondere die dritte Spannung eine Spannung in Höhe von 12 V, 24 V, 48 V, 110 V, 230 V umfassen.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Komponente einen Verbraucher oder Anschlüsse für einen Verbraucher umfasst, wobei der Verbraucher entlang der Trasse angeordnet ist. Dabei kann der Verbraucher eine Regeleinheit für die Trasse umfassen.
Eine nächste Weiterbildung ist es, dass die Komponente die folgenden Einheiten umfasst:

– einen Eingangstransformator;
– eine Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur, die mit dem Eingangstransformator verbunden ist;
– einen Spannungsregler, der mit der Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur verbunden ist;
– einen Wechselrichter, der mit dem Spannungsregler verbunden ist, wobei der Wechselrichter die dritte Spannung erzeugt.

Alternativ kann die Komponente auch die folgenden Einheiten umfassen:

– einen Eingangstransformator;
– einen Spannungsregler, der mit dem Eingangstransformator verbunden ist;
– einen Wechselrichter, der mit dem Spannungsregler verbunden ist, wobei der Wechselrichter die dritte Spannung erzeugt.

Weiterhin kann die Komponente Zwischenkreiskondensator umfassen, der vor dem Wechselrichter angeordnet ist.
Auch kann die Komponente einen Gleichstromsteller umfassen, sofern die zweite Spannung eine Gleichspannung ist.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die (linienförmige) Trasse umfasst:

– einen Fahrweg;
– eine Transrapid-Strecke;
– eine Pipeline;
– eine Strasse;
– eine Bahntrasse;
– eine Telekommunikationsleitung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.
Es zeigt:
2 eine Energieversorgung entlang einer Trasse, insbesondere von mehreren Komponenten, die entlang der Trasse angeordnet sind, sowie einen möglichen Aufbau einer Komponente.
2 zeigt eine Energieversorgung entlang einer Trasse 201, insbesondere von mehreren Komponenten 202 bis 206 und 210, die entlang der Trasse 201 angeordnet sind.
Eine Energieeinspeisung erfolgt am Anfang der Trasse 201 über die Mittelspannung 207 in einer Höhe von beispielsweise 15 KV.
Alternativ ist auch eine Einspeisung am Ende oder in der Mitte bzw. eine redundante Einspeisung an mehreren Stellen der Trasse 201 möglich.
Die Mittelspannung 207 wird über eine Verteilerstation 209 auf eine Niederspannung 208 transformiert.
Die Versorgung der Komponenten 202 bis 206 und 210 erfolgt über die Niederspannung 208, die vorzugsweise kleiner als 1000 V ist. Vorteilhaft wird eine Spannung knapp unterhalb von 1000 V eingesetzt, um insbesondere einen niedrigen Kabelquerschnitt zu ermöglichen. Die Niederspannung 208 ist vorzugsweise als ein Wechselstromsystem ausgeführt. Alternativ kann die Niederspannung 208 als ein Drehstromsystem realisiert sein.
Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Verteilerstation 209 und somit die Mittelspannungsinfrastruktur nur einmal (pro Verteilerstation) benötigt wird.
Beispielhaft ist der Aufbau der Komponente 210 gezeigt. In der Komponente 210 ist zusätzlich zur Last 211 ein Netzteil 212 vorgesehen. Alternativ dazu kann die Last auch außerhalb der Komponente angeordnet sein.
Ein Eingangstransformator 213 reduziert die Spannung für die nachfolgenden Komponenten und stellt eine galvanische Trennung her. Aufgrund der Lage direkt am Eingang der Komponente können vorteilhaft zusätzliche Blitzschutzmaßnahmen vorgesehen sein. Am Ausgang des Eingangstransformators liegt eine Spannung an, die insbesondere auch bei maximaler Eingangsspannung (z. B. bei 1000 V) kleiner als eine Zwischenkreisspannung ist.
Der Eingangstransformator 213 ist mit einer Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur 214 verbunden, die für einen sinusförmigen Verlauf des Stroms im Kabel und damit für eine effiziente Ausnutzung des Kabels sorgt. Insbesondere ist die Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur 214 optional, mitunter kann sie, z. B. bei kleinen Lasten, entfallen.
Insbesondere durch die Länge des Kabels 208 zur Versorgung der Komponenten 202 bis 206 und 210 ergeben sich auf dem Kabel bei einem im Rahmen einer kosteneffizienten Auslegung minimalen Kabelquerschnitt erhebliche Spannungsfälle, d. h. die Eingangsspannung einer Komponente kann auf bis auf 50% der Ausgangsspannung der Verteilerstation 209 (also auf weniger als 500 V) absinken. Derartige Spannungsabfälle sowie sonstige Schwankungen der Eingangsspannung kompensiert das Netzteil 212.
Ein Spannungsregler 215 ist an den Ausgang der Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur 214 angeschlossen und erzeugt eine konstante Zwischenkreisspannung an einem Zwischenkreiskondensator 216 (ggf. ist auch ein alternativer Energiespeicher, z. B. ein Stromzwischenkreis einsetzbar).
Insbesondere misst der Spannungsregler 215 die Spannung des Zwischenkreises und steuert die Leistungsfaktorkorrektur 214 so an, dass im Zwischenkreis eine (nahezu) konstante Spannung entsteht.
Die Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur 214 und der Spannungsregler 215 können auch in einem eigenen (separaten) Schaltungsblock realisiert sein. Sie sorgen dafür, dass unabhängig von der Eingangsspannung eine konstante Zwischenkreisspannung zur Verfügung steht. Bei einer veränderlichen Zwi schenkreisspannung kompensiert bevorzugt ein nachgeschalteter Wechselrichter 217 diese Spannungsschwankungen.
Der Wechselrichter 217 erzeugt an seinem Ausgang aus der Zwischenkreisspannung eine konstante Ausgangsspannung, z. B. eine übliche Netzspannung in der Höhe von 230 V. Es kann bei Bedarf auch eine Gleichspannung in fester, z. B. 24 V, oder variabler Höhe bereitgestellt werden.
Durch Variation der Größe des Zwischenkreiskondensators 216 in Kombination mit einer zusätzlichen Strombegrenzung und einer Regelung im Wechselrichter 217 kann erreicht werden, dass impulsförmige Stromaufnahmen aus dem Zwischenkreiskondensator 216 entnommen und nicht auf dem 1000 V-Kabel 208 sichtbar werden (Pufferwirkung des Zwischenkreiskondensators 216). Solche impulsförmige Stromaufnahmen treten typischerweise beim (Ein-)Schalten von Verbrauchern auf. Durch diese Pufferfunktion kann das Kabel 208 effizient ausgelegt werden, da jeder Verbraucher nur seine durchschnittliche Leistung aus dem Stromversorgungskabel (1000 V) zieht und Stromspitzen, zum Beispiel bei besagtem Einschalten eines Verbrauchers, anhand des Zwischenkreiskondensators gepuffert werden.
Insbesondere für den Fall, dass die Niederspannung 208 eine Gleichspannung ist, können der Eingangstransformator 213 und die Leistungsfaktorkorrektur 214 durch einen DC-DC-Wandler ersetzt werden.
Weitere Vorteile:

a. Es muss keine hohe Mittelspannung entlang der Trasse geführt werden. Die Mittelspannung wird bevorzugt einmal einer Verteilerstation bereitgestellt. Ansonsten ist die gesamte Anlage in Niederspannungstechnik (bevorzugt kleiner 1000 V) aufgebaut. Dadurch lassen sich deutlich die Kosten für die Erstellung und den Betrieb reduzieren. Weiterhin ist der Anschluss der Komponente an das 1000 V-Kabel vereinfacht (Muffen).
b. Es ist nur ein einzelnes Kabel parallel zur Trasse notwendig. Eine zusätzliche Sternverkabelung ausgehend von der Verteilerstation kann entfallen. Hierdurch reduzieren sich erheblich Kosten bezüglich Kabel sowie Verlegung der Kabel.
c. Eine Leistungsfaktorkorrektur kann effizient bereitgestellt werden. Damit reduzieren sich Kosten für Kabel sowie Transformatoren.
d. Anhand der in der Komponente vorgesehenen Elektronik kann effizient ein Abblocken von Impulslasten erfolgen, was sich positiv auf die Kosten für Kabel sowie Transformatoren auswirkt.

Claims

Energieversorgung entlang einer Trasse umfassend – mindestens eine Verteilerstation (209) an deren Eingang eine erste Spannung (207) anliegt und die an ihrem Ausgang eine zweite Spannung (208) bereitstellt, wobei die zweite Spannung (208) niedriger oder höher als die erste Spannung (207) ist; – mehrere Komponenten (202–206, 210), die entlang der Trasse (201) angeordnet sind, wobei die Komponente (202–206, 210) von der zweiten Spannung (208) versorgt wird und ein Netzteil (212) aufweist anhand dessen die zweite Spannung (208) auf eine dritte Spannung transformierbar ist.
Energieversorgung nach Anspruch 1, bei der die erste Spannung eine Mittelspannung ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Spannung eine Spannung im Bereich von 5 kV bis 20 kV ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Spannung eine Niederspannung ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Spannung eine Spannung kleiner gleich 1000 V ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Spannung eine Wechselspannung ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Spannung als Drehstromsystem ausgeführt ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Spannung eine Gleichspannung ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der anhand des Netzteils die zweite Spannung auf eine geregelte dritte Spannung transformiert wird, wobei die dritte Spannung eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die dritte Spannung eine Spannung in Höhe von 12 V, 24 V, 48 V, 110 V, 230 V umfasst.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Komponente einen Verbraucher (211) oder Anschlüsse für einen Verbraucher umfasst, wobei der Verbraucher entlang der Trasse angeordnet ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Verbraucher eine Regeleinheit für die Trasse umfasst.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Komponente umfasst: – einen Eingangstransformator (213); – eine Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur (214), die mit dem Eingangstransformator (213) verbunden ist; – einen Spannungsregler (215), der mit der Einheit zur Leistungsfaktorkorrektur (214) verbunden ist; – einen Wechselrichter (212), der mit dem Spannungsregler (215) verbunden ist, wobei der Wechselrichter (212) die dritte Spannung erzeugt.
Energieversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Komponente umfasst: – einen Eingangstransformator; – einen Spannungsregler, der mit dem Eingangstransformator verbunden ist; – einen Wechselrichter, der mit dem Spannungsregler verbunden ist, wobei der Wechselrichter die dritte Spannung erzeugt.
Energieversorgung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der vor dem Wechselrichter ein Zwischenkreiskondensator (216) angeordnet ist.
Energieversorgung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Komponente einen Gleichstromsteller umfasst, sofern die zweite Spannung eine Gleichspannung ist.
Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trasse umfasst: – einen Fahrweg; – eine Transrapid-Strecke; – eine Pipeline; – eine Strasse; – eine Bahntrasse; – eine Telekommunikationsleitung.