DE102010026451A1

DE102010026451A1 - Fahrdrahtdirekteinspeisung

Info

Publication number: DE102010026451A1
Application number: DE102010026451A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Beck
Original assignee: Adensis GmbH
Current assignee: Belectric GmbH
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-01-12

Abstract

Es wird ein System mit einem Photovoltaikgenerator (3) vorgeschlagen, der an die Eingangsklemmen eines Wechselrichters (5) angeschlossen ist, dessen Ausgangsklemmen an einen Verbraucher angeschlossen sind. Der Verbraucher ist ein elektrisch betriebenes Verkehrsnetz, an dessen Fahrleitungen (13) die Ausgangsklemmen des Wechselrichters (5) unter Zwischenschaltung eines Transformators (7), insbesondere eines einzigen Transformators, unmittelbar angeschlossen sind. Als Vorteil ergibt sich eine Reduzierung von Umwandlungsverlusten von der Solarenergie in die kinetische Energie der Züge, wobei bestenfalls ein zweiter Transformator (9), der die Züge mit Energie aus dem öffentlichen Netz (1) antreibt entfallen kann. Weiterhin ermöglicht der direkte Anschluss des Wechselrichters (5) dessen Einsatz als Phasenschieber für das Versorgungsnetz (11) des Bahnbetreibers.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System mit einem Photovoltaikgenerator, der an die Eingangsklemmen eines Wechselrichters angeschlossen ist, dessen Ausgangsklemmen an einen Verbraucher angeschlossen sind.
Der Verbraucher ist dabei üblicherweise ein elektrisches Versorgungsnetz, sei es bei kleineren Dachanlagen das eigene 230 Volt Spannungsnetz im Haus oder bei größeren Solaranlagen das öffentliche Versorgungsnetz auf der 480 Volt Drehstromebene. Bei beiden Verwendungen der Photovoltaikanlage wird zunächst die zur Zeit im Bereich von ca. 600 Volt liegende erzeugte Gleichspannung mittels des Wechselrichters in eine Wechselspannung gleicher Höhe umgewandelt. Die Wechselspannung wird dann einem ersten Transformator zugeführt, der die photovoltaisch erzeugte Eingangsspannung ausgangsseitig auf die herrschende Netzspannung hoch- oder herabtransformiert. Bei einer Hausanlage ist dies entsprechend herabtransformiert auf die 110 Volt oder 230 Volt Hausebene. Bei einem Großkraftwerk von mehreren Hundert KW Leistung wird die PV-Spannung mittels des ersten Transformators auf eine höhere Spannungsebene als die genannten 480 Volt, z. B. auf eine 20 KV Ebene, hochgespannt. Im öffentlichen Versorgungsnetz wird die photovoltaisch erzeugte Leistung zusammen mit anders erzeugter Leistung zu beliebigen Verbrauchern transportiert und dort mittels eines zweiten Transformators auf die gewünschte Verbraucherspannung transformiert.
Bei der Deutschen Bahn als Verbraucher ist dies die 15 KV Ebene, wobei die Bahn mit einer Frequenz von 16 2/3 Herz im Einphasensystem betrieben wird, was einen zusätzlichen Frequenzwandler, z. B. einen Synchron-Synchron Umformer, erforderlich macht. Andere Bahnen verwenden ein 25 KV Netz und zum Teil andere Frequenzen. Nicht zuletzt aus diesem Grund werden von den Bahnbetreibern zum Teil eigene Stromversorgungsnetze für die Bahnstromleitungen unterhalten, bei der Deutschen Bahn ist dies ein zweimal Einphasenleitungsnetz.
Aus diesem Sachverhalt leitet sich die Aufgabe vorliegender Erfindung ab, den Einsatz von photovoltaisch erzeugter Energie bei einem Verkehrsnetzbetreiber technisch einfacher zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verbraucher ein elektrisch betriebenes Verkehrsnetz ist, an dessen Fahrleitungen die Ausgangsklemmen des Wechselrichters unter Zwischenschaltung eines Transformators, insbesondere eines einzigen Transformators, unmittelbar angeschlossen sind. Unter dem Terminus „unmittelbar” wird dabei der Einspeiseweg als solches, also ohne weitere Umformer verstanden, unabhängig davon, ob eventuell weitere Bauelemente wie Trenner, Schalter und dergl. vorhanden sind.
Durch diese Maßnahme wird der Einsatz eines zweiten Transformators, der erst auf die Spannung des öffentlichen Versorgungsnetzes hochspannt, überflüssig. Die Direkteinspeisung der PV-Energie auf die Fahrleitungen erfordert auf Seiten des Wechselrichters eine höhere Qualität, weil durch das Anfahren und Abbremsen (Energierückeinspeisung im Rekuperationsbetrieb) ein Blindleistungsbezug der Elektromotoren aus dem Netz, beziehungsweise eine Blindleistungsrückgabe in das Netz erfolgt. Durch diese Spannungsinstabilität erhöht sich die Anforderung des Wechselrichters an den Spannungsbereich, in welchem die Ausgangsspannung des Wechselrichters angepasst werden muss. Hierdurch ist ein Mehraufwand am Wechselrichter unvermeidbar. Speziell die beim Anfahren eines Zuges niedrigere Betriebsspannung erfordert zur Bereitstellung der gleichen Leistung einen höheren Strom, mit der Folge, dass der Wechselrichter mit seinen Leitungen und Bauteilen größer ausgelegt sein muss. Dieser Mehraufwand auf der Wechselrichterseite wird durch die Einsparung eines Transformators zur Einspeisung in das öffentliche Netz überkompensiert.
Das Verkehrsnetz ist vorzugsweise Schienen – gebunden, wobei es insbesondere Oberleitungsfahrdrähte umfasst. Es kommen aber auch Schienenfahrzeuge mit eigenen Stromschienen in Betracht, wie sie bei U-Bahnen und S-Bahnen im Nahverkehr eingesetzt werden.
Als besonderer Vorteil ergibt es sich, dass der Wechselrichter als Blindleistungsregler eingesetzt werden kann. Sollte die Bahnbetriebsspannung durch das Anfahren/Abbremsen von Zügen schwanken, kann durch den Wechselrichter Blindleistung bereitgestellt, bzw. die Zugbedingte Abweichung kompensiert werden, um die Spannungsstabilität zu verbessern.
Um die zu verlegenden Kabelstrecken und damit die Anschlusskosten des Photvoltaikgenerators an die Fahrleitungen niedrig zu halten, ist es vorteilhaft, wenn er in einem Abstand zwischen 10 Meter und 2000 Meter von den Oberleitungsfahrdrähten entfernt angeordnet ist. Diese Maßnahme impliziert dazu einen besonderen mentalen Effekt, indem dem Fahrgast suggeriert wird, dass er unter Schonung der Umwelt reist, da er entlang der Fahrstrecke sieht, wie sein Zug von der Sonne angetrieben wird.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren.
Es zeigen:
1 die Nutzung einer Photovoltaikanlage für ein Verkehrssystem nach dem Stand der Technik; und
2 die erfindungsgemäße Nutzung einer Photovoltaikanlage für ein Verkehrssystem.
In der 1 ist mit 1 ein öffentliches Versorgungsnetz bezeichnet, an welches in bekannter Weise ein Photovoltaikgenerator 3 mittels eines Wechselrichters 5 zur Einspeisung von photovoltaisch erzeugter Energie angeschlossen ist. Zwischen dem Wechselrichter 5 und dem öffentlichen Netz 1 befindet sich zu diesem Zweck ein Transformator 7, der die Eingangsspannung des Wechselrichters 5 auf die des öffentlichen Netzes 1 hoch- oder heruntertransformiert. An das öffentliche Netz 1 ist über einen zweiten Transformator 9 ein eigenes Versorgungsnetz 11 für die Oberleitungsfahrdrähte 13 eines Bahnbetreibers angeschlossen, was durch eine Lokomotive symbolisiert ist. Ein weiterer, ein Gebäude 15 speisender zweiter Transformator 9' symbolisiert, dass andere Verbraucher an das öffentliche Nerz 1 angeschlossen sind. Der Bahnbetreiber hat zum Teil eigene Stromerzeuger (nicht gezeigt), die direkt die Spannung mit der vorliegenden Frequenz des Versorgungsnetzes 11 des Betreibers erzeugen. Zum anderen ist aber auch eine Stromentnahme aus dem öffentlichen Netz 1 vorgesehen, was bei Verwendung von Solarstrom zur Folge hat, dass zuerst die Verluste am ersten Transformator 7 anfallen, um die Wechselrichterspannung auf das Niveau des öffentlichen Netzes 1 zu bringen und dann ein zweites mal Verluste anfallen, um die Spannung vom öffentlichen Netz 1 auf die Spannung des Versorgungsnetzes 11 vom Betreiber zu bringen. Diese doppelten Verluste werden mit Hilfe der in der 2 gezeigten Anordnung vermieden. Damit kommt als Vorteil noch hinzu, dass der zweite Transformator 9 entfallen kann, wenn der Betreiber keine eigene Einspeisung vom öffentlichen Netz 1 benötigt.
In der 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch hier ist mit 1 ein öffentliches Versorgungsnetz bezeichnet, an welches beliebige Verbraucher, wie ein Gebäude 15, angeschlossen sind. Eine Photovoltaikanlage 3, ein Wechselrichter 5 und ein erster Transformator 7 finden in analoger Weise Verwendung.
Abweichend zu der 1 ist die Sekundärseite des ersten Transformators 7 direkt mit dem Einspeisenetz 11 für die Oberleitungsfahrdrähte 13 verbunden. Die photovoltaisch erzeugte, elektrische Energie wird also direkt von der Solaranlage auf das Betriebs- oder Einspeisenetz 11 der Bahn gegeben, was durch drei Pfeile 17 angedeutet ist. Es fallen keine weiteren Umwandlungsverluste an und bei der Dimensionierung des zweiten Transformators 9 kann die Leistung des Photovoltaikgenerators 3 außen vor gelassen werden, was zu einem kleineren zweiten Transformator 9 führt als es bei dem Versorgungssystem nach der 1 der Fall wäre.
Als besonderer Vorteil ergibt sich, dass insbesondere nachts, wenn der Solargenerator 3 nicht arbeitet, der Wechselrichter als Blindleistungslieferant zur Stabilisierung des Versorgungsnetzes 11 verwendet werden kann. Dies geschieht, indem beispielsweise beim Anfahren eines Zuges, also einem Vorgang bei dem die Elektromotoren durch Blindleistungsbezug eine Spannungsabsenkung erzeugen, der Wechselrichter dem Netz Blindleistung bereitstellt. Entsprechend wird beim Abbremsen Blindleistung bezogen.
Es ist noch anzumerken, dass bei Einspeisung in ein Verkehrsnetz auf Gleichstrombasis eine direkte Transformation der photovoltaisch erzeugten Gleichspannung auf die Ebene Spannungsebene des Verkehrsnetzes erfolgen sollte. Liegt an einem Oberleitungsfahrdraht zum Beispiel eine Spannung von 5 KV an und werden die Triebzüge mit Gleichstrommotoren angetrieben, so ist die photovoltaisch erzeugte Energie, die zur Zeit bei ca. 600 Volt DC liegt mittels eines Umrichters direkt auf die 5000 Volt hoch zu spannen. Der entsprechende Umrichter ist dann als Transformator (Gleichspannungstransformator) im Sinne vorliegender Erfindung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: öffentliches Netz
3: Photovoltaik-Generator
5: Wechselrichter
7: erster Transformator
9, 9': zweiter Transformator
11: Betreiber-seitiges Versorgungsnetz
13: Oberleitungsfahrdraht
15: Gebäude
17: Pfeile

Claims

System mit einem Photovoltaikgenerator (3), der an die Eingangsklemmen eines Wechselrichters (5) angeschlossen ist, dessen Ausgangsklemmen an einen Verbraucher angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher ein elektrisch betriebenes Verkehrsnetz ist, an dessen Fahrleitungen (13) die Ausgangsklemmen des Wechselrichters (5) unter Zwischenschaltung eines Transformators (7), insbesondere eines einzigen Transformators (7), unmittelbar angeschlossen sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkehrsnetz Schienen-gebunden ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrleitungen Oberleitungsfahrdrähte (13) umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (5) als Blindleistungsregler eingesetzt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (5) die photovoltaisch erzeugte Spannung auf eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 16 Herz und 17 Herz oder auf 25 Herz wandelt.
System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Photovoltaikgenerator (3) in einem Abstand zwischen 10 Meter und 2000 Meter von den Oberleitungsfahrdrähten (13) entfernt angeordnet ist.