DE19652407C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieversorgung eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von Schienenfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energiever­ sorgung eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von Schienenfahr­ zeugen, bei dem Bremsenergie eines bremsenden Schienenfahr­ zeugs zurückgespeist und Beschleunigung eines fahrenden Schienenfahrzeugs genutzt wird. Sie bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung mit rückgespeister Bremsenergie innerhalb eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von Schienenfahrzeugen mit einem in einer Unterstation vorgesehenen Steuermodul zur Erkennung und Koordinierung rückgespeister Bremsenergie.

Bahnbetriebe streben stets nach einem ökonomischen Einsatz der für die Aufrechterhaltung des Fahrbetriebs mit einer An­ zahl von Schienenfahrzeugen erforderlichen Energie. Die Ener­ gie wird üblicherweise aus einem Stromversorgungsnetz in ent­ lang der Fahrstrecken angeordnete sogenannte Unterwerke oder Unterstationen eingespeist und von dort zur Aufrechterhaltung eines komplexen Bahnprozesses über Hoch- oder Überspannungs­ leitungen den Schienenfahrzeugen zugeführt. Ein energetisch besonders günstiger Fahrbetrieb wird häufig dadurch aufrecht­ erhalten, daß am Fahrbetrieb beteiligte Schienenfahrzeuge weder während einer Anfahrphase mit einer maximal möglichen Beschleunigung angefahren noch während einer Geschwindig­ keitshaltephase mit einer zulässigen Höchstgeschwindigkeit gefahren werden. Bei diesem Konzept zur Energieversorgung des Fahrbetriebs bisher nicht berücksichtigt ist die Energiefrei­ setzung eines Schienenfahrzeugs während einer Bremsphase auf einen vorbestimmten Haltepunkt.

Angedacht wurde bisher eine Rückspeisung von während der Bremsphasen der Schienenfahrzeuge erzeugten sporadischen Stromspitzen in das den Unterstationen übergeordnete Strom­ netz. Auch wurde der Einsatz von elektrischen oder mechani­ schen Zwischenspeichern für die während der Bremsphasen von Schienenfahrzeugen freigesetzte Energie erwogen.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus dem Aufsatz "Bewertungskriterien zur Rückspeisefähigkeit von Triebfahr­ zeugen", R. Klinge; S. Röhlig in eb-Elektrische Bahnen 94 (1996)/7, S. 200-204 bekannt. Dieser Aufsatz befaßt sich mit der Beurteilung der Rückspeisefähigkeit von Triebfahrzeu­ gen unter verschiedenen elektrischen Wirkungsgrad-Betrach­ tungen und untersucht Möglichkeiten der Energieversorgung eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von Schienenfahrzeugen, bei dem Bremsenergie eines bremsenden Schienenfahrzeugs zur Beschleunigung eines fahrenden Schienenfahrzeugs zurückge­ speist und benutzt wird.

Die DD 261 485 A3 beschreibt ein Verfahren zur Energieversor­ gung eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von in einem Fahr­ netz verkehrenden Schienenfahrzeugen, wobei zur Verwertung angebotener Bremsenergie die Spannung des Fahrnetzes mittels elektronischer Streckenschalter abgesenkt wird. Zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens schlägt die DD 261 485 A3 eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zur Steuerung der Ener­ gieversorgung mit rückgespeister Bremsenergie innerhalb eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von Schienenfahrzeugen vor.

Dabei ist in einer Unterstation eine Steuereinrichtung zur Erkennung und Koordinierung rückgespeister Bremsenergie vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energieversorgung eines Fahrbetriebes mit einer Anzahl von Schienenfahrzeugen anzugeben, mit dem eine bedarfsweise und variable Bremsenergie-Nutzung erzielt wird. Auch soll eine besonders geeignete Vorrichtung zur Steuerung der Energiever­ sorgung angegeben werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dabei wird die von einem bremsenden Schienenfahrzeug oder Zug aufgrund des gene­ ratorischen Betriebs dessen Antriebsmotors erzeugte und in eine angeschlossene Unterstation rückgespeiste Bremsenergie auf ein anderes im Bereich dieser Unterstation fahrenden Schienenfahrzeugs übertragen und dort zu dessen Beschleuni­ gung genutzt. Dadurch wird eine erhebliche Energieeinsparung erzielt. Bremst ein Schienenfahrzeug oder Zug, so stellt z. B. die Unterstation des aktuell befahrenen Bereichs zunächst eine Energierückspeisung, d. h. eine Rückspeisung von Bremsenergie, fest. Die Unterstation fordert dann, vorzugs­ weise über Funk, die in deren Bereich fahrenden Schienen­ fahrzeuge oder Züge auf, diese Energie zu verwerten. Dies ermöglicht eine bedarfsweise und an die jeweilige Betriebs­ situation angepaßte Versorgung der fahrenden Fahrzeuge.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß während einer Zugfahrt zwischen zwei Haltepunkten üblicherweise vier Phasen durchlaufen werden, von denen eine Anfahr- oder Be­ schleunigungsphase und eine Geschwindigkeitshaltephase eine Energieaufnahme erfordern, während in einer Auslaufphase kei­ ne Energieaufnahme erforderlich ist und in einer Bremsphase eine Energierückspeisung erfolgt. Aufgrund der realistischen Annahme, daß nicht zu jedem beschleunigenden Schienenfahrzeug innerhalb des Wirkungsbereichs eines Unterwerks exakt zeit­ gleich ein bremsendes Schienenfahrzeug paßt, würde es prak­ tisch zeitweise nicht durch bremsende Schienenfahrzeuge ver­ wendbare Energie geben. Da allerdings gemäß einer weiteren Annahme ein Schienenfahrzeug üblicherweise nicht mit der höchst möglichen Leistung beschleunigt oder nicht mit der technisch erlaubten Höchstgeschwindigkeit fährt, könnte bei geeigneter Koordinierung diese Energie zur Steigerung der An­ fahrbeschleunigung oder zur Steigerung der aktuellen Ge­ schwindigkeit bis zur erlaubten Höchstgeschwindigkeit ver­ wendet werden.

Diese Koordinierung erfolgt zweckmäßigerweise in derjenigen Unterstation, in dessen Bereich sich zeitgleich ein betriebs­ bedingt Energie rückspeisendes Schienenfahrzeug und ein fah­ rendes Schienenfahrzeug befinden, welches Energie aufzunehmen in der Lage ist. Die von dem bremsenden Schienenfahrzeug freigesetzte Bremsenergie wird in die Unterstation rückge­ speist; von dort ergeht daraufhin die Aufforderung an das fahrende Schienenfahrzeug zur Aufnahme der rückgespeisten Energie. Handelt es sich bei dem fahrenden Schienenfahrzeug um ein sich in der Beschleunigungsphase befindendes Schie­ nenfahrzeug, so wird eine Steigerung der Beschleunigung mit entsprechender Verkürzung der Beschleunigungsphase bewirkt. Alternativ kann diese Überschußenergie an ein sich in der Ge­ schwindigkeitshaltephase befindendes Schienenfahrzeug über­ tragen werden, so daß dieses bis zur erlaubten Höchstge­ schwindigkeit beschleunigen kann.

Im Anschluß an eine Bremsenergieaufnahme wird zweckmäßiger­ weise eine Auslaufphase des zusätzlich beschleunigten Schie­ nenfahrzeugs eingeleitet. Das durch die Aufnahme an Brems­ energie veränderte Geschwindigkeitsprofil des entsprechenden Schienenfahrzeugs führt durch eine verkürzte Geschwindig­ keitshaltephase und eine verlängerte Auslaufphase zu einer entsprechenden Energieeinsparung gegenüber einem Geschwindig­ keitsprofil ohne Bremsenergieaufnahme.

Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfin­ dungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Dabei sind zweckmäßigerweise in der Unterstation ein Steuermodul zur Erkennung und Koordinierung der zusätzlichen Energieauf­ nahme und auf dem Schienenfahrzeug ein Beschleunigungsmodul vorgesehenen, das eine vom Steuermodul erzeugte Aufforderung zur Beschleunigung umsetzt.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann für einen vollautomati­ schen Betrieb ein separates Beschleunigungsmodul auf dem Schienenfahrzeug vorgesehen sein. Insbesondere für einen halbautomatischen Betrieb ist das Beschleunigungsmodul jedoch als zusätzliche Funktion in das üblicherweise auf dem Trieb­ wagen des Schienenfahrzeugs angeordnete Fahrzeuggerät aufge­ nommen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch die gesteuerte Energieversorgung eines Schienenfahrzeugs mit Energierückspeisung und

Fig. 2a, b ein Geschwindigkeitsprofil eines Schienenfahrzeugs zwischen zwei Haltepunkten ohne bzw. mit Brems­ energieaufnahme.

Fig. 1 zeigt vereinfacht eine für eine Anzahl von Schienen­ fahrzeugen innerhalb eines Bahnbetriebssystems vorgesehene Unterstation 1, die aus einem übergeordneten Stromversor­ gungsnetz mit Energie SE (Energieeinspeisung) gespeist wird. Zur Aufrechterhaltung des Fahrbetriebs versorgt die Unter­ station 1 in üblicher Weise über Hoch- oder Überspannungslei­ tungen die in deren Bereich sich befindenden Schienenfahrzeu­ ge mit Energie VE (Energieversorgung), wobei nur ein Energie aufnehmendes Schienenfahrzeug 2 dargestellt ist.

Bremst ein Schienenfahrzeug oder Zug im Bereich dieser Unter­ station 1, so stellt diese zunächst eine Energierückspeisung, d. h. eine Rückspeisung von Bremsenergie BE, fest. Die Unter­ station 1 fordert dann, vorzugsweise über Funk, die in deren Bereich fahrenden Schienenfahrzeuge oder Züge auf, diese Energie BE zu verwerten. Die Koordinierung der Energieauf­ nahme erfolgt zweckmäßigerweise ereignisgesteuert über ein Steuermodul 3 der Unterstation 1, die eine entsprechende Auf­ forderung an das oder jedes Schienenfahrzeug 2 sendet. Ist die Rückspeisung von Bremsenergie BE beendet, so wird das Schienenfahrzeug 2 über das Ende der Rückspeisung informiert.

Die Steuerung der Energieaufnahme kann voll- oder halbautoma­ tisch erfolgen. Für eine vollautomatische Steuerung weist das Schienenfahrzeug 2 ein Beschleunigungsmodul 4 auf, das Teil eines Fahrzeuggerätes 5 oder zusätzlich zu diesem vorgesehen sein kann. Dabei erhält das Beschleunigungsmodul 4 vom Fahr­ zeuggerät 5 Daten D_v1, D_v2, D_P bezüglich der Höchstgeschwin­ digkeit v1 der Strecken und der Höchstgeschwindigkeit v2 des Schienenfahrzeugs 2 bzw. bezüglich des normalen Fahrpro­ fils P. Anhand dieser Daten D_v1, D_v2, D_P und weiteren vom Fahrzeuggerät 5 gesendeten Daten, wie z. B. aktueller Fahr­ zeugstandort und aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit, ermittelt das Beschleunigungsmodul 4 die Möglichkeit einer sinnvollen Umsetzung der von der Unterstation 1 gesendeten Aufforderung zur Beschleunigung. Im Anschluß an eine zusätzliche Beschleu­ nigung aufgrund zusätzlich aufgenommener Energie VE aus rück­ gespeister Bremsenergie BE steuert das Beschleunigungsmodul 4 das Schienenfahrzeug 2 automatisch in eine Auslaufphase, bis die ursprüngliche oder normale Geschwindigkeit wieder er­ reicht ist. Dazu gibt das Beschleunigungsmodul 4 ein ent­ sprechendes Steuersignal S_R an einen (nicht dargestellten) Energieregler des Schienenfahrzeugs 2 ab. Bedarfsweise kann der Triebfahrzeugführer die automatische Betätigung des Ener­ giereglers unterbrechen.

Für eine halbautomatische Steuerung erhält der Triebfahrzeug­ führer die Aufforderung zur Beschleunigung über z. B. ein op­ tisches oder akustisches Signal. Anhand eines entsprechend ausgelösten Steuerbefehls kann vom Schienenfahrzeug 2 zusätz­ liche Energie VE aufgenommen werden, bis das Signal erlischt. Duch manuelle Betätigung des Energiereglers wird anschlies­ send wiederum eine Ausroll- oder Auslaufphase eingeleitet.

Fig. 2 zeigt in einem Geschwindigkeits/- und Energie/Weg-Dia­ gramm ein herkömmliches Geschwindigkeitsprofil v(s) mit ent­ sprechendem Energieprofil E(s) eines Schienenfahrzeugs zwi­ schen zwei Haltepunkten A und B, wobei das durch die gestri­ chelte Linie dargestellte Energieprofil den Energieverbrauch oder die Energieaufnahme E(s) angibt. Das Geschwindigkeits­ profil v(s) umfaßt vier Phasen. Auf eine Anfahrphase a mit einer starken Energieaufnahme E(s) folgt üblicherweise eine Geschwindigkeitshaltephase b mit einer vergleichsweise schwa­ chen Energieaufnahme aus der Unterstation 1. Auf diese Ge­ schwindigkeitshaltephase b folgt üblicherweise eine Auslauf­ phase c, in der keine Energieaufnahme erforderlich ist. Auf diese Auslaufphase c folgt eine Bremsphase d auf den Halte­ punkt B hin, wobei während dieser Bremsphase d eine Rückspei­ sung von Bremsenergie BE in die Unterstation 1 erfolgt.

Wird die in die Unterstation 1 rückgespeiste Bremsenergie BE eines bremsenden Schienenfahrzeugs auf das fahrende oder an­ fahrende Schienenfahrzeug 2 übertragen, so ändert sich dessen Geschwindigkeitsprofil v'(s) aufgrund der Nutzung der rückge­ speisten Bremsenergie BE zur Beschleunigung. In Fig. 2b ist die Übertragung der zusätzlichen Bremsenergie BE für den Fall dargestellt, daß sich das Schienenfahrzeug 2 in der Geschwin­ digkeitshaltephase b befindet. Die schraffierte Fläche unter der Kurve der Energieaufnahme E(s) gibt die für die zusätz­ liche Beschleunigung erforderliche und durch die rückgespei­ ste Bremsenergie BE bereitgestellte Energie an. Nach dieser Zwischenbeschleunigung a' und einer weiteren Auslaufphase c' folgt eine weitere Geschwindigkeitshaltephase b', die bei gleichbleibender Gesamtfahrzeit auf vergleichsweise niedrigem Energieniveau erfolgen kann. In diesem Fall ist die rückge­ speiste Bremsenergie BE zur Erhöhung der aktuellen Geschwin­ digkeit genutzt worden, indem das Schienenfahrzeug 2 z. B. bis zur erlaubten Höchstgeschwindigkeit v1, 2 beschleunigt.

Befindet sich dagegen das Schienenfahrzeug 2 zum Zeitpunkt der Rückspeisung der Bremsenergie BE in der Anfahrphase a, so kann die durch die Rückspeisung zusätzlich verfügbare Ener­ gie BE in nicht näher dargestellter Art und Weise zur Erhöh­ ung der Beschleunigungsleistung herangezogen werden. In die­ sem Fall wird die Anfahrphase a vergleichsweise lang und die Steigung der Kurve nimmt in diesem Bereich zu. Nach einer sich an die verlängerte oder steilere Beschleunigungsphase a anschließenden vergleichsweise kurzen Geschwindigkeitshalte­ phase b erfolgt der Übergang in die Auslaufphase c, nach de­ ren Ende bei gleicher Gesamtfahrzeit der Punkt B erreicht wird.

Das hierdurch erreichte Geschwindigkeitsprofil v'(t) oder die hierdurch erreichte Fahrkurve entspricht somit nicht der üb­ licherweise als energieoptimale Fahrweise angenommenen Fahr­ weise. Da die Bremsenergie BE jedoch einer ansonsten unge­ nutzten Rückspeisung entnommen wird, ergibt sich insgesamt eine Verminderung des Energieverbrauchs. Das oder jedes Schienenfahrzeug, das die überschüssige Bremsenergie BE auf­ genommen hat, kann ohne Energieaufnahme bis zum Erreichen der normalen Fahrgeschwindigkeit ausrollen.

Bei einer vorzugsweise automatischen Verwertung der rückge­ speisten Bremsenergie BE wird vorzugsweise nach einem Algo­ rithmus verfahren, dem als ein Kriterium zugrunde liegt, daß ein sich in der Anfahr- oder Beschleunigungsphase a befinden­ des Schienenfahrzeug 2 den Haltepunkt oder die Haltestelle B früher erreicht und bedarfsweise bis zur erlaubten Höchstge­ schwindigkeit beschleunigt. Nach einem weiteren Kriterium kann ein sich in der Geschwindigkeitshaltephase b befindendes Schienenfahrzeug 2 bis zur Höchstgeschwindigkeit beschleuni­ gen. Ferner kann als ein Kriterium herangezogen werden, daß ein sich in der Auslaufphase c oder in der Bremsphase d be­ findendes Schienenfahrzeug keine zusätzliche Energie BE auf­ nimmt.

Gesteuert mittels des Steuermoduls 3 der Unterstation 1 er­ folgt die Zunahme der Energieaufnahme durch die rückgespeiste Bremsenergie BE vom beschleunigenden Schienenfahrzeug 2 zweckmäßigerweise langsam und nicht abrupt. Dies erhöht aus der Sicht der Fahrgäste den Fahrkomfort.

Claims (11)

1. Verfahren zur Energieversorgung eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von Schienenfahrzeugen, bei dem Bremsener­ gie (BE) eines bremsenden Schienenfahrzeugs zurückgespeist und zur Beschleunigung eines fahrenden Schienenfahrzeugs (2) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Energierückspeisung das oder die fahrende(n) Fahrzeug(e) (2) zur Aufnahme der rückgespeisten Energie auf­ gefordert wird bzw. werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bremsenergie (BE) in eine Unterstation (1) rückgespeist wird und von dort die Aufforderung zur Aufnahme der rückgespeisten Energie an das bzw. die fahrenden Schienenfahrzeug(e) (2) ergeht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bremsener­ gie (BE) von einem sich in einer Beschleunigungsphase (a) befindenden Schienenfahrzeug (2) aufgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bremsener­ gie (BE) von einem sich in einer Geschwindigkeitshaltepha­ se (d) befindenden Schienenfahrzeug (2) aufgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem im Anschluß an eine Bremsenergieaufnahme eine Auslaufphase (c') ohne Energieaufnahme eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Aufforderung zur Aufnahme rückgespeister Bremsenergie (BE) durch Funkübertragung erfolgt.

7. Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung mit rück­ gespeister Bremsenergie (BE) innerhalb eines Fahrbetriebs mit einer Anzahl von Schienenfahrzeugen (2) mit einem in einer Unterstation (1) vorgesehenen Steuermodul (3) zur Erkennung und Koordinierung rückgespeister Bremsenergie (BE), gekennzeichnet durch ein auf dem Schienenfahrzeug (2) vorgesehenes Beschleuni­ gungsmodul (4) zur Umsetzung einer Aufforderung des Steuermo­ duls (3) zur Beschleunigung unter Aufnahme von zurückgespeister Bremsenergie.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungsmodul dazu eingerichtet ist, bei Erhalt einer Aufforderung zur Aufnahme rückgespeister Bremsenergie unter Verwendung ihm zugänglicher Informationen über den ak­ tuellen Fahrverlauf des Fahrzeugs selbständig über die Auf­ nahme von Bremsenergie zur Beschleunigung oder Beibehaltung seiner Fahrgeschwindigkeit zu entscheiden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungsmodul Mittel zu einer Begrenzung der Stromaufnahme beinhaltet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungsmodul dazu eingerichtet ist, bei Erhalt einer Aufforderung zur Aufnahme rückgespeister Bremsenergie diese Aufforderung dem Bahnpersonal zugänglich zu machen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß daß zwischen dem Unterwerk und dem Fahrzeug eine Funküber­ tragung mindestens zur Übermittlung von ggf. zeitlich defi­ nierten Aufforderungen zur Aufnahme rückgespeister Bremsener­ gie vorgesehen ist.