Bahnstromumrichter Datteln 4

Bahnstrom

Bahnstrom

 

Die Bahn nutzt für die Versorgung ihrer elektrisch betriebenen Züge ein System, das von der öffentlichen Stromversorgung abweicht. Statt mit einer Frequenz von 50 Hertz (Hz) wird das Bahnstromnetz mit 16,7 Hz betrieben. Die Spannung beträgt 15.000 Volt (15 kV). Die Unterschiede erklären sich vorrangig aus den unterschiedlichen Anforderungen an die beiden Versorgungssysteme und den am Anfang des Jahrhunderts dafür zur Verfügung stehenden Möglichkeiten. Während die öffentlichen Netze grundsätzlich dreiphasigen Wechselstrom verwenden, um vor allem für Gewerbe und Industrie Drehstrom bereitstellen zu können, benötigt die Bahn für ihren Betrieb einphasigen Wechselstrom von hoher Spannung in einem einzigen hochliegenden Fahrdraht.

Die Beweggründe der Einführung des Einphasenwechselstroms zur Bahnstromversorgung mit höheren Fahrleitungsspannungen und einer Frequenz von 16 2/3 Hz waren, bei den größeren territorialen Ausdehnungen und Entfernungen der Bahnunterwerke, die gleichen hohen Leistungen der Lokomotiven beim Anfahren zu erreichen wie beim Gleichstrom. Deshalb kamen auch hier Reihenschluß-Kommutator-Motoren zum Einsatz. Bei dem Wechselstrommotor musste man aber beim Anfahren mit auftretendem „Bürstenfeuer" rechnen, was zur Zerstörung der Motoren führte. Zur Vermeidung dieser Erscheinungen, die sich durch konstruktive Vorkehrungen allein nicht beseitigen ließen, wurde als Kompromiss die Frequenz auf 16 2/3 Hz -das ist genau ein Drittel der im öffentlichen Netz üblichen 50 Hz- vermindert, um letztlich für den Motor gleichstromähnliche Verhältnisse zu erreichen.

Seit dem Übereinkommen der Ausführung elektrischer Zugförderung durch die drei deutschen Staaten - des Königreich Preußen, des Königreich Bayern und des Großherzogtums Baden um die Jahreswende 1912/13 - Einphasen-Wechselstrom mit 15 kV Nennspannung und der Frequenz 16 2/3 Hz, Stromzuführung durch die Oberleitung und Ableitung durch die Schiene einzuführen, wurde der Bahnstrom nach und nach auch für die Bahnen von Österreich, der Schweiz, Norwegens und Schwedens zum Standard. Erst nach dem zweiten Weltkrieg führte die Siliziumgleichrichtertechnik dazu, dass Lokomotiven problemlos auch mit 50 Hz gespeist werden können. Dieser Umstand führte und führt auch in jüngster Zeit immer wieder zur Diskussion der Frage des noch zeitgemäßen Systems. Da aber eine Änderung (zeitgleich, Erzeuger, Bahnunterwerke und Triebfahrzeuge zu erneuern) enorme Kosten verursachen würden, hält die Bahn auch weiterhin an dem einmal gewählten System fest.

Nach einer einjährigen Probephase wird seit 1995 eine Frequenz von 16,7 Hz im zentralen Bahnstromleitungsnetz verwendet.

Die Bahnstromversorgung gliedert sich zum einen in dezentral versorgte Netzteile und zum anderen in ein zentral versorgtes, bahneigenes 110 kV/16,7 Hz-Bahnstromleitungsnetz.

 

Bahnstromversorgung in Deutschland (schematisch):

Bahnstromversorgung Deutschland

Die dezentral versorgten 15 kV/16,7 Hz-Oberleitungsanlagen werden mittels Umformer (rotierende Motor-Generator-Maschinensätze) oder Umrichter (Leistungselektronik) direkt aus dem öffentlichen 50 Hz-Verbundnetz versorgt, wie es im rechten Teil der Abbildung dargestellt wird. Diese Versorgungsart findet sich im Wesentlichen im Nordosten Deutschlands.

Der weitaus größere Teil des elektrifizierten Streckennetzes wird dagegen in Deutschland aus dem zentralen Netz versorgt. Das bahneigene zentrale Netz hat als Hauptkomponente ein 110 kV/16,7 Hz-Freileitungsnetz, welches als Verteilnetz die Einspeisungen und die Unterwerke als Lasten miteinander verbindet. Die Einspeisungen bestehen aus:

    • Wasserkraftwerken (Laufwasser, Speicherwasser und Pumpspeicher)
    • Wärmekraftwerken (Kohle-, Gas- und Kernkraftwerke)
    • Netzkupplungen zum 50 Hz-Verbundnetz mittels Umformern oder Umrichtern

 

Die Bahnstromerzeugung durch Umformer oder Umrichter

zur direkten dezentralen Versorgung der Oberleitungsanlagen.

 

Umformer und Umrichter

 

Der statische Frequenzumrichter hat weitreichende Vorteile gegenüber dem rotierenden Frequenzumformer.

  • Freiluftaufstellung.
  • Geringer Aufwand bei Fundamenten.
  • Kurze Aufbau- und Inbetriebsetzung Zeiten.
  • Weniger Umweltbelastend.
  • Ca. 5 % besserer Wirkungsgrad.
  • Einfache Bedienung durch Menüführung.
  • Hochflexible Wirk- und Blindleistungsregelung.
  • Geringere Stillstandzeiten für Wartungsarbeiten.
  • Höhere Verfügbarkeit
  • Energiemanagement durch beidseitige Energieflussrichtung möglich.

 

110 kV-Bahnstromleitungsnetz der DB:

100 kV-Bahnstromnetz in Deutschland

 

Das 110 kV-Bahnstromversorgungsnetz der DB Energie hat eine Gesamtlänge von rund 7.754 km. Aus diesem Netz werden die z. Zt. 180 Unterwerke mit Energie versorgt. Diese transformieren den 110 kV/16,7 Hz Bahnstrom in das 15k V/16,7 Hz Oberleitungsnetz.

 

Bahnstromerzeugung mit Einphasenwechselstrom-Generator (Bahngenerator)

Die seit 1975 gebauten Bahnstromerzeuger sind von der Firma Siemens (aus einer Hand). Das aktuelle Maschinendesign basiert auf bestehenden Konstruktionen der ausgelieferten Maschinen. Der weltweit größte Generator für Einphasenwechselstrom in Neckarwestheim ist ein Unikat, der Kernkraftwerk-Block 1 wurde Ende Mai 2011 dauerhaft stillgelegt. Der Wirkungsgrad von 16,7 Hz Bahngeneratoren beträgt ca. 97 % und ist im Vergleich zu 50 Hz Generatoren um ca. 1 % niedriger.

 

Die seit 1975 gebauten Bahnstromerzeuger: 

Seit 1975 gebaute Bahnstromerzeuger

 

Bahnstromerzeuger Datteln TG2:

Bahnstromerzeuger Datteln TG2

 

Bahnstromumrichter

 

Umrichteranlage

Da die Bahnstromumrichterleistung von zunächst 303 MW (Ersatz für Datteln 1-3) um zusätzliche 110 MW erhöht wurde, war die Ausführung mit Standardumrichtern aufgrund begrenzt verfügbarer Anlagenfläche nicht darstellbar.

 

Gruppierung von 15 x 22 MW Umrichtern für eine Gesamtleistung von 303 MW:

Gruppierung von 15 x 22 MW Umrichtern

 

 

Daraus folgernd wurde folgendes Umrichter-Anlagen Konzept entwickelt:Umrichterkonzept

  • Vier Umrichterblöcke mit Blockleistungen größer 100 MW
  • Ein Hochspannungsanschluss je Block
  • Keine zusätzlichen Mittelspannungsschienen
  • Hohe Anforderung an Überlastfähigkeit, um volle Redundanz bei vier Blöcken zu gewährleisten

 

 

E.ON installiert am Standort Datteln den mit Abstand weltweit größten Bahnstromumrichter, welcher gleichzeitig die leistungsstärkste Einspeiseeinheit im Netz der DB-Energie darstellt. Beachtet man, dass die Peak-Leistung zur Hauptverkehrszeit 1.600 MW beträgt, wird die Bedeutung des Standorts für die Bahnstromversorgung ersichtlich. Mit ca. 400 MW Einspeiseleistung (413 MW bezogen auf die 50 Hz-Bezugsleistung) können am Netzknoten Datteln ein Viertel der Peak-Leistung der gesamten im 110 kV/16,7 Hz Bahnnetz anfallenden Last erzeugt werden.

 

Typischer Tagesgang im 110 kV-Netz der DB-Energie:

Tagesgang im 110 kV-Netz der DB Energie

Anlagenkonzept

Das Anlagenkonzept für Datteln 4 sieht vor, dass die vier Umrichtermodule mit ihrer 50 Hz-Netzseite direkt an das öffentliche 380.000 V (380 kV) Hochspannungs-Übertragungs-Netz über die Freiluftschaltanlage angeschlossen werden.

Vorteile dieses Konzepts gegenüber der Anbindung an die Generatorableitung (27 kV) sind:

  • Keine hohen kurzschlussfesten Anschlüsse.
    Das heißt, geringere Leitungsquerschnitte sowie keine zusätzlichen Generatorableitungsabschnitte.
  • Blockunabhängiger Betrieb.
    Revisionsarbeiten oder Störung am Kraftwerk führen nicht zum Ausfall des Umrichters. Andersherum können Störungen am Umrichter den Kraftwerksbetrieb nicht beeinflussen.
  • Keine Netzrückwirkungen auf den Generator und das Kraftwerkeigenbedarfsnetz in Form von harmonischen Spannungs- und Stromoberschwingungen.

Nachteile sind:

  • 380 kV-Schaltanlage notwendig
  • 380 kV-Transformator je Umrichtermodul

 

Konfiguration Umrichteranlage:

Konfiguration Umrichteranlage

 

 

Stromrichtertechnologie

Um eine hohe Zuverlässigkeit der Umrichter zu gewährleisten, basiert die gewählte Umrichtertechnik auf dem erprobten 15 MW-Standardumrichter-Konzept. Die eingesetzten Spannungszwischenkreisumrichter werden aus sogenannten IGCT-Doppelphasenmodulen aufgebaut, die in dieser Bauform auch im Antriebsbereich eingesetzt werden und sich durch höchste Verfügbarkeit auszeichnen.

 

 

Halbleiterelement IGCT

IGCT-ModukDer IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) hat einen ähnlichen Aufbau wie der Thyristor. Er kann durch einen kurzen Stromimpuls am Gate, wie beim Thyristor eingeschaltet werden.

Der IGCT vereint die bewährten Eigenschaften der Thyristoren, besonders deren niedrige Verluste und einer kostengünstigen Abschalttechnik. Durch die nicht benötigte Schutzbeschaltung eignet er sich damit besonders im Mittel- und Hochspannungsbereich.

Der IGCT ist eine Weiterentwicklung des GTO's. Er kann schneller als der GTO den Strom abschalten.

 

Abbildung Phasenmodul 15 MW-Standardumrichter:

Phasenmodul 15 MW-Standardumrichter

 


Abbildung Doppelphasenmodul:

Doppelphasenmodul

 

 

DoppelphasenmodulUmrichtereinheit:

Parallelschaltung 2 x 15 MW-DB-Standardumrichter

Wassergekühlte Dreipunkt-Doppelphasenmodulen
basierend auf 4,5 kV-IGCTs

50 Hz-Seite: 3 x 2 Doppelphasenmodule
5-Level-H-Brücke je Phase

16,7 Hz-Seite: 4 x 2 Doppelphasenmodule
4 x 5-Level-H-Brücke in Serienschaltung

 

 

Übersichtsschema Umrichtereinheit:

Übersichtsschema Umrichtereinheit

 

Umrichterblock

Ein 103 MW Umrichterblock besteht aus vier in Serie geschalteten Umrichtereinheiten, welche wiederum als direkte Parallelschaltung der Doppelphasenmodule von zwei 15 MW Standardumrichtern aufgebaut ist. Daraus resultiert die Überlastfähigkeit von bis zu 138 MW.

 

Übersichtsschema Umrichterblock:

Übersichtsschema Umrichterblock

 

Auf der 50 Hz-Eingangsseite summiert ein spezieller 400 kV/3,6 kV-Transformator je Phase die vier Spannungen der einzelnen Umrichtereinheiten auf.

 

Abbildung Transformator 50 Hz-Seite:

Transformator 50 Hz-Seite

 

In ähnlicher Weise werden auf der 16,7 Hz-Ausgangsseite mit Hilfe zweier in Serie geschalteter 55 kV/3,1 kV-Transformatoren die 16 Ausgangsspannungen (4 je Umrichtereinheit) aufsummiert. Auf Grund dieses Multilevel-Designs sind weder auf der 50 Hz-Eingangsseite als auch auf der 16,7 Hz-Ausgangsseite keinerlei Netzfilter zur Erfüllung der Anforderungen der Netzbetreiber bzgl. Netzrückwirkungen notwendig.

 

Abbildung Transformatoren 16,7 Hz-Seite pro Umrichterblock:

Transformatoren 16,7 Hz-Seite pro Umrichterblock

 

Jede der vier Umrichtereinheiten je Block ist in einem Stromrichtercontainer montiert, die mit vier zugehörigen 33 Hz Filterdrosseln zwischen den Transformatoren angeordnet sind. Die Leistungsanschlüsse an die Transformatoren sowie die externe 33 Hz Filterdrossel erfolgen über Durchführungen im Containerdach und entsprechende Verschienungen. Zwei zusätzliche Container, einer für die Steuerung und Regelung des jeweiligen Umrichterblocks und der andere für die Pumpenstation der blockinternen Wasserkühlung, sowie die Kühlwasser-Rückkühler sind in jedem Block seitlich angeordnet. Jeder Transformator ist dreiseitig von einer neun Meter hohen Brandschutzwand umgeben, innerhalb der jeweils eine Sprühwasserlöschanlage montiert ist. Alle vier Umrichterblöcke sind identisch aufgebaut und haben eine Grundfläche von jeweils 34 Meter x 45 Meter.

 

3D-Ansicht Umrichterblock:

3D-Ansicht Umrichterblock

 

Abbildung Umrichtereinheiten: 

Umrichtereinheiten

 

Bahnstromumrichteranlage

Die Bahnstromumrichter-Anlage kann bis zu 413 MW mit 50 Hz erzeugten Strom umwandeln und in das 16,7 Hz/110 kV-Hochspannungsnetz der DB Energie einspeisen. Diese Bahnstromumrichter-Anlage besteht aus vier identischen Umrichterblöcken und garantiert eine n-1-Redundanz. Das bedeutet, der mögliche Ausfall eines Umrichterblocks kann ohne Leistungseinbuße abgefangen werden. Zudem ist es dadurch möglich, notwendige Wartungsarbeiten an einzelnen Umrichterblöcken ohne Reduzierung der Übertragungsfähigkeit der Gesamtanlage durchzuführen.

 

Abbildung Umrichter-Anlage im Bau:

Umrichter-Anlage im Bau

 

 

3D-Ansicht Umrichter-Anlage:

3D-Ansicht Umrichter-Anlage

 

 

Abbildung fertiggestellte Umrichter-Anlage:

Fertiggestellte Umrichter-Anlage

 

Netzanbindung Bahnstrom-Umrichter-Anlage

Die 50 Hz-Seite der Umrichter-Anlage wird vom Kraftwerk Datteln 4 oder aus dem öffentlichen Netz über die
380 kV Schaltanlage mit Energie versorgt. Die Energieableitung auf der 16,7 Hz-Seite der Umrichteranlage wird über vier Freileitungen 110 kV/16,7 Hz an das DB-Schaltwerk Datteln geführt.

 

Netzeinbindung und Energieableitung:

Netzeinbindung und Energieableitung

 

 

 

Betriebsarten der Umrichter-Anlage

1   0-AusBetriebsarten der Umrichteranlage

    • Der Umrichter ist spannungsfrei
    • Der DC-Zwischenkreis ist entladen
    • Die Kühlanlage ist im Bereitschaftsstatus
      zum Erhalten der Leitfähigkeit

 2   BB-Betriebsbereit

    • Die Kühlung ist eingeschaltet
    • Der DC-Zwischenkreis ist geladen
    • Der 50 Hz-Transformator ist am Netz
    • Beide Stromumrichter sind blockiert
    • Der 16,7 Hz-Leistungsschalter ist offen

 3    UB-Umrichter Betrieb

    • Der Umrichter ist voll im Betrieb

 4    PSB-Phasenschieberbetrieb

    • Der bahnnetzseitige Stromrichter ist in Betrieb zur Regelung der Bahnnetzspannung (U/Q)
    • Der 50 Hz-Leistungsschalter ist offen und der 50 Hz-Stromrichter
      ist blockiert

 

  

Leittechnik

Über den vier Umrichterblöcken wird ein redundant aufgebauter Anlagenleitrechner installiert. Er steuert die Gesamtanlage und koordiniert den Einsatz der einzelnen Umrichterblöcke

Im Gegensatz zu bestehenden statischen Bahnstromumrichter-Anlagen ist für Datteln 4 ein gekoppelter Umrichter-Kraftwerksbetrieb nach der Vorgabe „Der Umrichter fährt dem Kraftwerksblock hinterher" vorgesehen. Dazu werden vom Lastverteiler zwei Sollwerte, die Blockleistung und die Umrichterleistung, an die Hauptleittechnik übertragen, um die Energieeinspeisung sowohl ins 50 Hertz- als auch 16,7 Herz-Netz zu regeln.

Es erfolgt eine leittechnische Darstellung des Bahnstromumrichters in der Kraftwerkswarte sowie im internen Lastverteiler. Die Fahrweise des Bahnstromumrichters erfolgt nach Fahrplanvorgaben der DB Energie an den internen Lastverteiler. Der interne Lastverteiler generiert kontinuierlich den Wirkleistungssollwert und übermittelt diesen gemeinsam mit einer Blockleistungsvorgabe an die Kraftwerkswarte, die die Kraftwerksleistung entsprechend regelt.

 

Leittechnik

 

  

Technische Daten der Umrichteranlage

 

Technische Daten:

Technische Daten Umrichteranlage