Redakteure
Marco Stienecker, Institute for Power Generation and Storage System (PGS), E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University
Arne Hinz, Institute for Power Generation and Storage System (PGS), E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University
Prof. Dr. ir. Dr. h. c. Rik W. De Doncker, Institute for Power Generation and Storage System (PGS), E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University
Bei der Übertragung von elektrischer Energie über lange Strecken wird seit Jahrzehnten auf Gleichspannung gesetzt. Die Leitungsverluste sind geringer als beim Betrieb mit Wechselspannung, da der Blindleistungsbedarf der Freileitungen und Leistungskabel entfallen. Bei langen Übertragungsstrecken werden die zusätzlichen Verluste kompensiert, die bei der Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung und zurück auftreten, wodurch der wirtschaftliche Betrieb der Verbindung sichergestellt ist.
Aber auch die Einführung von Gleichspannung in der Verteilnetzebene bringt Vorteile für das Gesamtsystem mit sich. Hocheffiziente Hochleistungsgleichspannungswandler mit galvanischer Trennung, die unterschiedliche Gleichspannungsnetze miteinander verbinden können, ermöglichen inhärent die Leistungsflusssteuerung. Gleichzeitig können Spannungsabfälle im Netz durch die Möglichkeit der dynamischen Anpassung des Übertragungsverhältnisses kompensiert werden.
Ein entscheidender Vorteil von Mittelspannungsgleichstromnetzen ergibt sich aus dem steigenden Anteil von leistungselektronischen Systemen im Netz. Dieser ergibt sich aus zunehmenden regenerativen Energien, wie Windenergie und Photovoltaik, Energiespeichersystemen, drehzahlvariablen Antrieben und (Schnell-) Ladegeräten für die Elektromobilität. Diese Systeme arbeiten intern mit Gleichspannung oder frequenzvariabler Wechselspannung, weshalb beim Anschluss ans Wechselspannungsnetz ein leistungselektronischer Umrichter benötigt wird. Beim Anschluss an ein Gleichspannungsnetz kann diese Umwandlung vereinfacht werden oder sogar ganz wegfallen, wodurch sich Kosten und Verluste einsparen lassen.
Durch die hohe Dynamik und Effizienz der Gleichspannungswandler ist auch die Energieversorgung von Gleichstrombahnen aus Gleichspannungsnetzen eine attraktive Alternative zu bestehenden Strukturen. Geeignete Topologien können zudem den bidirektionalen Leistungsfluss ermöglichen, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad in der Systemauslegung und Betriebsführung gegeben ist.
Bild 1: Klassisches Unterwerk einer Gleichstrombahn
Derzeit werden Gleichstrombahnen aus dem Drehstromnetz gespeist. Die Verbindung zwischen diesem und dem Fahrdraht wird hierbei über Unterwerke realisiert, welche im Wesentlichen, wie in Bild 1 dargestellt, aus einem Transformator zur Anpassung des Spannungsniveaus und einem Gleichrichter zur Umwandlung des Drehstroms in Gleichstrom bestehen. Bei dem Gleichrichter handelt es sich meist um einen passiven Diodengleichrichter [1].
Diese Systeme sind zuverlässig und robust, haben jedoch den Nachteil, dass die regenerierte Bremsenergie nur lokal bereitgestellt werden kann. Eine Rückspeisung in das Mittelspannungsnetz ist mit diesem System technisch nicht möglich und aufgrund des befürchteten negativen Einflusses auf die Netzstabilität auch nicht erwünscht. Dadurch können nur anfahrende Züge in der Nähe eines bremsenden Zugs dessen rückgespeiste Energie aufnehmen. Dies hat zur Folge, dass ein Großteil der regenerierten Bremsenergie mittels Bremswiderständen in Wärme umgewandelt werden muss.
Ein gleichstromgespeistes Bahnstromunterwerk, welches an ein Mittelspannungsgleichstromnetz angeschlossen ist, wäre dagegen in der Lage die regenerierte Bremsenergie in das Verteilnetz zurück zu speisen ohne die Netzstabilität des Gleichstromnetzes zu gefährden. Somit könnten alle Züge des Bahnsystems erreicht werden, wodurch die regenerierte Bremsenergie besser genutzt werden könnte.
Bild 2: Gleichspannungsgespeistes Unterwerk
Die Struktur des zukünftigen gleichstromgespeisten Unterwerks ist in Bild 2 dargestellt. Als Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) wird die Dual-Active Bridge (DAB) Umrichtertopologie eingesetzt. Diese Topologie ermöglicht einen bidirektionalen Energiefluss zwischen Fahrdraht und Versorgungsnetz und ist darüber hinaus mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99,2 % [2] um 2,2 % [1] effizienter als die bisherige Transformator-Gleichrichter-Kombination. Die galvanische Trennung wird über einen Mittelfrequenztransformator gewährleistet. Daneben wird die Anlage gegenüber der konventionellen Lösung aus Bild 1 kompakter durch das geringere Volumen des Mittelfrequenztransformators.
Wie oben bereits erwähnt, können Energiespeichersysteme effizienter in das System eingebunden werden. So ermöglicht das Mittelspannungsgleichstromnetz zusammen mit den bidirektionalen Unterwerken den Betrieb eines zentralen Energiespeichers, welcher Energie aus dem gesamten Bahnnetz aufnehmen kann.
Ferner können durch die oben beschriebenen Vorteile von gleichstrombasierten Verteilnetzen effizienter Ladestationen mit hohen Leistungen zum schnellen Laden von Elektrofahrzeugen in das System integriert werden. Auf diese Weise könnte mit geringem Aufwand eine Ladeinfrastruktur geschaffen werden, welche unter anderem einen Elektrobusbetrieb ermöglichen würde.
Bild 3: Gleichstromgespeistes Unterwerk für Vollbahnen
Neben Gleichstrombahnen können zudem Vollbahnen (15 kV, 16,7 Hz) über Mittelspannungsgleichstromnetze effizient mit Energie versorgt werden. In diesem Fall müsste an den entsprechenden Einspeisepunkten lediglich ein einphasiger Wechselrichter zur Erzeugung der Fahrdrahtspannung installiert werden. Bei einer zusätzlichen Anpassung des Spannungsniveaus wird durch den Einsatz einer DAB, wie in Bild 3 zu sehen ist, zusätzlich die galvanische Trennung zwischen Fahrdraht und Versorgungsnetz sichergestellt.
Bei der Energieversorgung von Vollbahnen können somit durch die Gleichstromtechnologie ebenfalls Kosten und Verluste reduziert werden. Aufgrund der Möglichkeit eines bidirektionalen Leistungsflusses kann zudem die Bremsenergie in das speisende Gleichspannungsnetz zurückgeführt werden.
Durch den Einsatz von hocheffizienten gleichspannungsgespeisten Unterwerken werden Verluste und somit auch Kosten reduziert. Da die galvanische Trennung in den Gleichstromwandlern mit Mittelfrequenztransformatoren (ca. 1 – 10 kHz) sichergestellt wird, können durch die kompaktere Bauform gegenüber 50 Hz- und 16,7 Hz-Transformatoren Material und Kosten eingespart werden. Somit lassen sich die Anschaffungskosten für die Netzanbindung von Vollbahnen (15 kV, 16,7 Hz) um ca. 34 % reduzieren. Weiterhin lassen sich aufgrund der höheren Effizienz von ca. 1,8 % Einspeiseverluste gegenüber dem klassischen Konzept reduzieren und Leerlaufverluste nahezu eliminieren.
Die Netzanbindungskosten von Gleichstrombahnen sind momentan bei der Energieversorgung durch Gleichstromnetze ca. 70 % höher. Die höheren Kosten eines gleichspannungsgespeisten Unterwerks werden jedoch über die Lebensdauer des Unterwerks durch die um ca. 2,2 % höhere Effizienz im Nennarbeitspunkt und durch die nahezu vollständig eliminierten Leerlaufverluste, sowie durch die optimale Nutzung der rückgespeisten Bremsenergie kompensiert. Darüber hinaus wird der Anschluss und Betrieb von Ladestationen, Energiespeichern und regenerativen Energiequellen simpler, effizienter und robuster.
[1] R. D. White. “DC electrification supply system design”. Railway Electrification Infrastructure and Systems (REIS 2013), 6th IET Professional Development Course on. 2013, pp. 57–85.
[2] R. W. de Doncker. “Power electronic technologies for flexible DC distribution grids”. Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE-ASIA), 2014 International. 2014, pp. 736–743.
