BCS – BEMU Charging Station

Die Ladestation für Akkutriebfahrzeuge

Innovative, kompakte, betrieblich flexible und kostengünstige 50-Hz-Systemlösung zur Ladung von Akkutriebzügen für Fahrleitungsnennspannungen von 15 kV und 25 kV.

 

Grundeigenschaften technisches Konzept Dienstleistungen Systemvergleich

Berichterstattung über die Ladestation

MDR UM ZWEI vor Ort in Annaberg-Buchholz

(09/2023)

SRCC über die Digital Rail Convention 2023

Bericht über den Ladecontainer ab Minute 2 (09/2023)

Grundeigenschaften

Die Ladestation besteht aus Ladeunterwerk und Oberleitungsabschnitt für das Laden im Stillstand oder Oberleitungsinselanlage (OLIA)

Das Ladeunterwerk verzichtet auf eine Frequenzumformung und ist für Speisespannungen 

  • AC 15 kV 50 Hz und
  • AC 25 kV 50 Hz

konzipiert. Die Systemspannung AC 15 kV 50 Hz wird im Entwurf der prTS 50729 für das Laden von Akkumulatorfahrzeugen über Stromabnehmer in Stillstand zusätzlich spezifiziert.

Fahrzeuge für AC 15 kV 16,7 Hz sind grundsätzlich für den Betrieb mit 50 Hz umrüstbar. Im Allgemeinem ist dafür lediglich eine Anpassung der Software in der Fahrzeugsteuerung erforderlich. Hardwareanpassungen sind nicht zwingend. Die Spannungsebene von 15 kV wurden deshalb gewählt, da nicht alle Fahrzeuge aus Isolationsgründen und aufgrund der elektrotechnischen Ausrüstung auf 25 kV umgestellt werden können. 

Eine höhere Spannung ist für die Ladeleistung grundsätzlich von Vorteil, da der Strom am Kontaktpunkt Stromabnehmerschleifleiste/Fahrdraht die begrenzende Größe ist (80 A nach EN 50367). 

Das Ladeunterwerk für 50 Hz ist in zwei Baureihen in Leistungsgrößen für 1,2 MVA (ein Abgang), 2,4 MVA (zwei Abgänge) oder 3,6 MVA (drei Abgänge) beziehungsweise 2,0 MVA, 4,0 MVA oder 6,0 MVA konfigurierbar. Ein Abgang kann bis 1,2 MVA beziehungsweise 2,0 MVA belastet werden.

Unabhängig von der Höhe der Leistungsentnahme stellt der Symmetrierumrichter eine symmetrische Belastung des speisenden Netzes sicher. Im speisenden Netz vorhandenen Asymmetrien wirkt der Symmetrierumrichter entgegen.

Die Leistungsentnahme je Abgang (Fahrleitungsabschnitt) ist variabel und beliebig. Pro Fahrleitungsabschnitt können je nach Ausführung 1,2 MVA oder 2 MVA genutzt werden. Die Abschnitte müssen nicht gleichmäßig belastet werden. In einem Abschnitt können mehrere Fahrzeuge geladen werden, wenn deren Summenleistung die Maximalleistung pro Abgang nicht überschreitet. Es kann aber auch ein Fahrleitungsabschnitt allein mit dessen Maximallast betrieben werden.

Ladeunterwerke werden an Orten errichtet, an denen man mitunter nicht von einem besonders leistungsfähigen Energieversorgungsnetz ausgehen kann. Mit der Bereitstellung beispielsweise von Blindleistung kann das Netz am Abnahmepunkt gestützt werden. Die Spannungsqualität lässt sich aktiv durch die Umrichtersteuerung verbessern.

Der Einsatz leistungselektronischer Komponenten auf Triebfahrzeugen kann zu Netzrückwirkungen wie Oberschwingungen und Verzerrungsblindleistungsbedarf führen. Der aktive Symmetrierumrichter kann diesen mit seinem Filter entgegenwirken.

Der Symmetrierumrichter sorgt nicht nur für eine symmetrische Leistungsentnahme aus dem speisenden Netz, er kann darüber hinaus in diesem bereits vorhandene Asymmetrien aktiv reduzieren.

Das Ladeunterwerk wird entsprechend den Betreiberanforderungen vorkonfiguriert und vollständig ausgerüstet angeliefert und aufgestellt. Vor Ort müssen lediglich die Kabel des speisenden Mittelspannungs-Netzes und die Speise- und Rückleiterkabel angeschlossen und getestet, der Niederspannungsanschluss hergestellt, der Container an die Erdung angeschlossen und die Schutzfunktionen geprüft werden. Hierfür sind in etwa drei Tage ausreichend.
Des weiteren muss die Oberleitung (Oberleitungsstromschiene) errichtet werden. Hierfür stehen bei geeigneten Bodenverhältnissen Technologien wie das Bodenschild-Gründungsverfahren zur Verfügung, die einen ebenso schnellen Aufbau ermöglichen. Die Oberleitung kann in gleicher Zeit parallel zum Ladeunterwerk errichtet werden.

Die kurze Errichtungszeit erfordert nur eine geringe bis keine Beeinträchtigung des Bahnbetriebs während der Errichtung.
Aufgrund der kompakten Ausführung ist das Ladeunterwerk ebenso schnell rückbaubar und kann gegebenenfalls an einem anderen Ort wieder errichtet werden. Bei einer Oberleitung mit Bodenschild-Gründungsverfahren kann diese rückstandsfrei zurückgebaut und gegebenenfalls ebenso wiederverwendet werden.

Durch die Vorfertigung des Ladeunterwerks sind bauseits lediglich die Kabelzuführungen und Fundamente für das Ladeunterwerk einschließlich einer Erdungsanlage zu realisieren. Für temporäre Nutzungen ist ein ebener, tragfähiger Boden ausreichend.

Die Oberleitung ist aufgrund der Ausführung als Stromschienenoberleitung beispielsweise auf die Bahnsteiglänge begrenzt. Durch die starre Stromschiene muss kein Oberleitungsbereich angenommen werden, weswegen zusätzliche Erdungsmaßnahmen an metallenen Konstruktionen in diesem Bereich entfallen können (EN 50122-1).

Aufgrund der geringen Ausdehnung der Oberleitung ist die Beeinflussung benachbarter elektrischer Anlagen wie Signaltechnik und Telekommunikationstechnik gering und bedarf daher mitunter keiner weiteren zusätzlichen Maßnahmen. Diese Thematik ist im Einzelfall zu prüfen und nachzuweisen.

Aufgrund seiner Struktur wird die Ladeleistung lediglich über den Transformator übertragen. Der an der dritten Wicklung angeschlossene Symmetrierumrichter muss dabei lediglich die Symmetrierblindleistung erbringen, die stets kleiner als die Ladeleistung ist. Bei Lösungen mit mehr als einem Streckenabgang wird der Symmetrierumrichter weniger in Anspruch genommen, da diese Abgänge sich gegenseitig kompensieren. Bei gleichmäßiger Belastung von drei Abgängen ist die Belastung ohne aktiven Eingriff des Symmetrierumrichters symmetrisch. Das heißt, dass bei Lösungen mit mehr als einem Abgang die Energieeffizienz mit zunehmender Belastung steigt.
In Ladepausen wird der Symmetrierumrichter abgeschaltet und verursacht selbst keine Leerlaufverluste. 

Aufgrund seiner begrenzten Größe ist die Anlage planfeststellungsfrei.

Ein Einblick in das Ladeunterwerk

Technisches Konzept

Transportfähige Containerlösung

Hauptkomponenten​​

  • Mittelspannungs-Schaltanlage
  • Transformator
  • Symmetrierumrichter
  • Eigenbedarfsanlage
  • Schutz und Steuerung

Benötigte Anschlüsse

  • 3AC 10/20 kV 50 Hz (höhere Spannung auf Anfrage)
  • Niederspannung 3AC 400 V 50 Hz

Anwendungen

Laden von Fahrzeugen mit Akkumulatoren im Stillstand an Bahnsteigen und/oder in Abstellanlagen

Versorgung von Oberleitungsinselanlagen

Ladestation für elektrische Rangierlokomotiven auf nicht mit Oberleitung ausgerüsteten Gleisen

  • Werksverkehr
  • Anschlussbahnen
  • Hafenbahnen

Kenndaten

Eingang

  • 3 AC 10/20 kV 50 Hz
  • 3 AC 400 V 50 Hz (für Eigenbedarf und Steuerung)
  • Netzanschlussbedingungen nach VDE AR-N 4110 werden eingehalten

Ausgang

  • 1 AC 15 kV 50 Hz oder 1 AC 25 kV 50 Hz
    nach EN 50163 und prTS 50729
  • Leistungsreihen (Systemleistung)
    • 1,2 MVA/2,4 MVA/3,6 MVA
    • 2 MVA/4 MVA/6 MVA

Symmetrieumrichter Baureihe TIBS®-LC3

  • 1,2 MVA oder 2 MVA
  • Spannungsebene 825 V (Niederspannung)
  • wassergekühlt
  • elektronisch zuschaltbare Filter

Gebäude (bis 2,4 MVA bzw. 4 MVA Systemleistung)

  • Stahlcontainer, korrosionsgeschützt
  • lackiert in RAL-Farben, Verblendung möglich
  • Zugänge auf einer Seite
  • Kabelzuführung von unten
  • Abmessungen (Transportmaß, Länge x Tiefe x Höhe): 12,30 m x 3,30 m x 3,54 m
    aufgestellt zuzüglich Trittstufen und Entlüftungsdom
  • Gesamtmasse ausgerüstet: 24 ... 28 t

Oberleitungsbauart: TracFeed® OSS (Stromschienenoberleitung)


Dienstleistungen

Von der Planung bis zur Realisierung aus einer Hand (Ladeunterwerk und Oberleitung).

Beratung und Planung

Projektierung und Bau

Errichtung

Überwachung und Fernsteuerung

Instandhaltung

Projektstatus

Montage des Ladeunterwerks in Dohna abgeschlossen

Ladeunterwerk im Alstom-Werk Salzgitter mit Symmetrierumrichter

Aufbau der Ladestation in Annaberg-Buchholz

Systemvergleich

Vollumrichter / Frequenzumrichter

  • AC 15 kV 16,7 Hz möglich -> akzeptierte und genormte Fahrleitungsspannung
  • komplette Entkopplung zwischen speisendem Netz und Fahrleitungsnetz
  • Energiefluss vollständig bidirektional steuer- und regelbar
  • Netzdienstleistungen während des Ladens und in Ladepausen möglich
  • Lieferung von Blindleistung zur Netzstützung
  • Kompensation von Netzrückwirkungen (Harmonische)
  • Fahrbetrieb innerhalb von  Oberleitungsinseln
  • keine Aufteilung der Fahrleitungen notwendig, außer bei bewusster Teilung aus betriebstechnischen Gründen

Passive Lösung

  • preisgünstigste Lösung, da keine Leistungselektronik
  • kleine Bauform
  • Betonstation oder Containerlösung
  • schnelle Errichtung möglich
  • planfeststellungsfrei
  • Scott-Schaltung zusammengesetzt aus zwei Transformatoren
  • geringe technische Komplexität
  • im Betrieb hoher Wirkungsgrad
  • geringe OPEX (isolierte Betrachtung auf Anlage, ohne die Betriebsführung zu beachten)

Symmetrierumrichter

  • kleine Bauform, Container
  • schnelle Errichtung möglich
  • planfeststellungsfrei
  • schnelles Umsetzen oder Abbau
  • wesentlich günstiger, als Vollumrichterlösung, geringfügig höherer Aufwand im Vergleich zu passiven Lösung
  • Symmetrierung  im speisenden Netz unabhängig von der Leistungsabnahme
  • keine Aufteilung der Oberleitung in mehrere Sektoren notwendig, ggf. sinnvoll bei Skalierung
  • Netzdienstleistungen während des Ladens und in Ladepausen möglich
  • Lieferung von Blindleistung zur Netzstützung
  • Kompensation von Netzrückwirkungen (Harmonische)
  • Möglichkeit zur Skalierung bis Faktor 3 möglich bei gleicher Umrichtergröße;
    Bauleistung < Systemleistung (1/3 … 1)
  • Laden im Stillstand, grundsätzlich auch technisch für kleine Oberleitungsnetze geeignet
  • geringe Leerlaufverluste, da nur ein Transformator und Leistungselektronik und deren Nebenanlagen abschaltbar

Ladeunterwerke für 16,7-Hz-Anwendungen

Für Anwendungen, bei denen eine Lösung mit 50 Hz nicht in Frage kommt, bieten RPS und F&S Lösungen mit Vollumrichter in den Leistungsbereichen 2,5 MVA, 5 MVA oder 7,5 MVA.

Beispiel hierfür sind die in Ausführung befindlichen Ladeunterwerke für Schleswig-Holstein. Diese Ladeunterwerke sind in ihrem Aufbau kleine dezentrale Umrichterwerke, die jedoch nur für die Speisung eines Oberleitungsinselnetzes bis etwa 10 km Länge vorgesehen sind.

Diese Technik lässt sich auch auf elektrifizierten Regionalstrecken auch als Kleinunterwerk nutzen.

Veröffentlichungen und Downloads

Broschüre
TracFeed® BCS: Ladestationen für Akkumulator-Triebfahrzeuge

Beitrag in eb Elektrische Bahnen, Ausgabe 121 (2023)
Ladeunterwerk mit Symmetrierumrichter für AC 15 kV 50 Hz in Betrieb genommen

Beitrag in eb Elektrische Bahnen, Ausgabe 120 (2022)
Kooperationsprojekt ETA-Ladestation AC 15 kV 50 Hz

Beitrag in eb Elektrische Bahnen, Ausgabe 119 (2021)
50-Hz-Ladestationen: Konzept für Akkumulatortriebzüge mit Symmetrierumrichter

Ihr Kontakt zu uns

Ihre Anfrage wird sowohl an Rail Power Systems als auch an F&S Prozessautomation gesendet. 

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Anbieter und Projektpartner


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Sie bietet das gesamte Spektrum – beginnend von der ersten Fragestellung bis hin zur Umsetzung von Komplettlösungen in den Bereichen systemtechnische Auslegung, Fahrleitung, Bahnenergieversorgung, 50Hz-Anlagen und Großgeräte.



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In der F&S Group schaffen wir mit der F&S PROZESSAUTOMATION GmbH (1990) und der E&A Elektrotechnik und Automatisierung GmbH (2003) gemeinsam komplexe Lösungen. Die F&S PROZESSAUTOMATION GmbH, arbeitet seit über 30 Jahren erfolgreich im Bereich Automatisierungs- und Leittechnik sowie Stromrichter. Wir entwickeln, projektieren, produzieren und liefern Systemlösungen wie auch Produkte für Energieanlagen, Versorgungsnetze, Antriebs- und Verfahrenstechnik.


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