CN113228448B - 电解设备和用于提供用于交流电网的瞬时备用功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种用于运行具有变流器(12)和电解装置(11)的电解设备(10)的方法，该变流器在交流电压侧通过去耦电感(13)连接到交流电网(15)且从交流电网(15)吸收交流有效功率，该电解装置在直流电压侧连接到变流器(12)且在相应于交流电网(15)的额定频率且随时间不变的电网频率的情况下、以在电解装置(11)的额定功率的50％与100％之间的电功率运行，其中电压施加地运行变流器(12)，从而直接根据在交流电网(15)中电网频率的变化和/或变化率改变从交流电网(15)吸收的交流有效功率。此外本发明还描述一种电解设备以及一种用于提供用于交流电网的瞬时备用功率的方法。

Description

电解设备和用于提供用于交流电网的瞬时备用功率的方法

技术领域

本发明涉及一种具有变流器的电解设备、一种用于运行具有变流器的电解设备的方法以及一种用于提供用于交流电网的瞬时备用功率的方法。

背景技术

在构成为跨区域的联合电网的交流电网中，由于在馈入的电功率与吸收的电功率之间的不平衡可以出现电网频率与交流电网的额定频率的偏差。该不平衡并继而频率偏差可以通过如下方式阻止：可以将电功率馈入交流电网和/或从交流电网吸收电功率的设备改变由其馈入或吸收的功率。特别是在超过额定频率的频率的情况下可以降低馈入的功率或提高吸收的功率，而在低于额定频率的频率的情况下提高馈入的功率或降低吸收的功率。

直接或间接反应于频率偏差的功率的相应变化称为调节功率。在一些交流电网中、特别是在欧洲联合电网中，在时间上连续构成的分级中组织该调节功率的产生。第一调节级——所谓的瞬时调节——通过如下设备确保，该设备直接和紧接着反应于频率变化地改变其功率。在第二调节级——所谓的初级调节，其在持续的频率偏差的情况下起作用——中，采用如下设备，该设备根据特性曲线、根据电网频率与额定频率的偏差有针对性地调节其功率。在第三级——所谓的次级调节——中，计划地阻止在交流电网中可能持续的或可预见的功率平衡，其方式是：由上级控制装置指示设备适合地改变其电功率。

由现有技术已知如下设备，该设备在交流电网与以直流电流运行的直流单元之间交换电功率。直流单元可以包括发电机，例如光伏发电机，其功率在逆变器中被转换且馈入交流电网中。文献DE102005046919A1公开一种借助电解设备暂存由风力产生的电风能的方法，从而风力设备可以提供调节功率。由文献EP2705175A1已知包括电解系统的能量管理系统，由此可以提供调节功率。

这样的设备的变流器在此通常电流施加地运行，其方式是：用于直流功率的期望值转变为用于交流电流的相应的期望值且将该交流电流馈入交流电网中。直流单元也可以包括直流负载、例如欧姆电阻、电机或电化学设备，其借助电流施加的变流器运行，该变流器从交流电网吸收交流功率且作为直流功率提供给直流负载。对于该电流施加的变流器同样预给定用于直流功率的期望值，其在调节器中变换为用于可从交流电网吸收的交流电流的期望值，从而交流功率是直流功率的函数。

这样的变流器特别是可以构成为晶闸管整流器或自控制的IGBT变流器，其根据频率测量与交流电网同步。在频率变化的情况下，在匹配直流功率的期望值且紧接着将交流功率匹配为新的水平之前，该频率测量必须首先振荡到新的频率。对此，电流施加的变流器不可以直接对交流电网中的频率变化做出反应。基于该延迟的反应，通过如此传统电流施加运行的变流器与交流电网连接的直流负载不适用于提供瞬时调节功率或瞬时备用。

由文献DE102016115182A1已知用于在交流电网中提供瞬时备用的方法，其中电流施加的变流器的功率借助电流调节器调节到瞬时备用期望值。期望值由PLL调节回路的相位误差信号产生，PLL调节回路将交流电网的交流电压用作输入变量。电流施加的变流器在此证实为相比于电压施加的变流器是有利的，特别是在作为能源的光伏发电机中。

由文献EP2182626A1已知用于运行变流器的方法，其中可选择地或组合地借助电压施加和/或电流施加的调节来操控半导体开关。由此应将在文献EP2182626A1中详细描述的不同调制类型的特征有利地相互组合，所述不同调制类型产生变流器的电压施加或电流施加的性能。

在开始所述的第一调节级的范围中用于瞬时调节的设备特别是包括所谓将功率馈入电网中的同步发电机或者从电网吸收功率的同步电机。这样的同步发电机和同步电机通常包括转动的质量，其具有固有的惯性。同步电机和同步发电机通过其对于本领域内技术人员众所周知的电性能有助于电网频率的稳定化，其方式是：其电功率基于固有惯性与在交流电网的交流电压与旋转的质量的转动频率之间的相位差有关。换言之，通过其惰性的飞轮质量(Schwungmassen)，同步发电机或同步电机可以直接对频率变化做出反应且也可以直接阻止该频率变化。

在此，根据现有技术可以这样认为：仅仅利用直流电压侧的设备可以模仿同步发电机的性能，该直流电压侧的设备直接通过电压施加的变流器与电网连接。这样的变流器——其中用于功率半导体开关的开关命令由用于变流器的输入侧的交流电压的交流期望值导出——直接地、亦即没有调节延迟地对电网频率变化做出反应。因此，直流电压侧的设备也必须可以直接消耗或输出能量且为此直接连接到变流器的中间电路。这样的直流电压侧的设备例如包括电池，该电池通过调节电压的变流器与电网连接且可以直接消耗或输出能量。在此，由于用于匹配直流电压的可能的直流/直流转换器的调节延迟大幅阻碍电压施加的调节或者甚至使得其变得不可能。这特别是也适用于单级的变流器，光伏发电机连接到其上，且以接近电网整流电压的光伏电压运行该光伏发电机，从而小的直流电压骤降(Spannungseinbrüche)已经可能导致由变流器馈入的交流电流的极大的变形；必须借助直流源的适合的调节阻止这样的骤降。

由文献DE102010030093A1已知用于控制在交流电网与连接到交流电网的设备之间电能交换的一种装置和一种方法，其中，所述设备可以包含负载、产生器和/或能量存储器。该装置包括变流器，其中可以根据有效功率-频率-静态调节与交流电网交换的功率。附加地，变流器具有所谓的同步电机仿真器，借助所述同步电机仿真器变流器描绘同步电机的动态性能。由此特别是应在暂态和/或次暂态的时间范围中实现电网频率支持，其中，设备对电网频率变化的反应可以有差异地实现，亦即电网频率的时间变化率越高，功率的变化越大。作为负载在此应用欧姆电阻或电机，必要时结合用于热能、机械能或化学能的能量存储器。由此负载的功率能力的一部分或者在能量存储器中存储的或可存储的能量的一部分可用于电网支持。

同步电机仿真的另外的实施方式例如由文献DE102006047792A1已知，其中所谓的虚拟同步电机(VISMA)用于电网支持，其中，通过微分方程的不断求解接近同步电机的性能；由文献EP3376627A1已知同步电机仿真的另外的实施方式，其中描述了电压施加的变流器(电压源型逆变器，VSI)，其调节包括用于产生虚拟惯性的结构，从而变流器模仿同步发电机的性能。

由文献EP1286444B1已知所谓的用于逆变器的有差模式调节(Droop-Mode-Regelung)，其中，根据频率静态f(P)和电压静态U(Q)运行逆变器，从而逆变器直接对在交流电网中随着有效功率的变化的频率变化做出反应，且对此适用于与另外的逆变器的并行运行且特别是适用于岛屿网络(Inselnetz)的形成。

由文献US7645931已知一种具有连接到交流电网的变流器、光伏发电机和电解装置的设备，其中，电解装置持续运行在具有相应功率的优化的运行点中，其中，用于电解装置运行的电功率或者从光伏发电机通过直流电压转换器或者从交流电网通过变流器引导至电解装置。

由文献EP2894722B1已知一种用于给电解装置供以直流电流的装置，其中整流器的半导体结构组件、特别是其晶闸管分为两组，其中，所述组中的每一个组直接布置在电解装置的两个直流连接端中的一个上。整流器可以通过至少一个变压器连接至中间电压电网，且借助晶闸管的控制可以在整流器的最大输出功率的20％与50％之间的范围中调节整流器的输出功率。

发明内容

本发明基于的任务在于，提供一种用于运行连接到交流电网上的电解设备的方法以及一种电解设备，由此可以运行电解装置且同时可以提供瞬时备用功率用于交流电网的电网频率的稳定化。

在用于运行具有变流器和电解装置的电解设备的方法中，该变流器在交流电压侧通过去耦电感连接到交流电网且从交流电网吸收交流有效功率，该电解装置在直流电压侧连接到变流器且在相应于交流电网的额定频率且随时间不变的电网频率的情况下以在电解装置的额定功率的50％与100％之间的电功率运行，其中，电压施加地运行变流器，从而直接根据在交流电网中电网频率的变化和/或变化率改变从交流电网吸收的交流有效功率。

特别是相比于用于运行电解设备的常规方法，根据本发明的方法的特征在于，电压施加地运行变流器。这例如表示：在变流器的调节中预给定用于变流器的输入侧的交流电压的期望值，且变流器如此表现，使得尽可能达到该额定电压，特别是与随后流动的电流无关。此外，变流器的电压施加的运行包括：从交流电网吸收的交流电流如此与电网频率有关，使得电网频率的变化导致从交流电网吸收的功率的直接变化，特别是与如下无关：怎样的下沉部(Senke)连接在变流器的与交流电网相对置的端部上。功率的变化在此特别是可以与电网频率的变化率成正比。

正是根据电网频率的变化，功率的直接变化也属于同步电机的固有性能。相比之下，电流施加的运行具有固有延迟，其方式是：预给定交流电流的期望值，其中，在最好的情况下可以间接在频率变化的情况下匹配该期望值，以使得频率稳定化，例如通过P(f)特性曲线。

以从交流电网吸收的交流有效功率的变化的形式的伴随电压施加的运行的对电网频率的变化的直接反应可以直接转移给电解装置，即使电解装置自身不能够进行所转换的功率的相应快速的变化。尽管如此，交流有效功率的变化可以通过变流器直接传递给电解装置，例如借助由变流器在电解装置上施加的直流电压的相应变化。直流电压的变化通过电解装置的电压-电流特性曲线引起由电解装置消耗的功率的变化。电解装置在此根据本发明在变化之前、亦即运行在其额定功率的50％与100％之间不变的电网频率下，其中，电解装置的额定功率位于电解装置的最大功率之下且特别是可以相应于具有电解装置的最大效率的功率。

因此可以降低或提高电解装置的直流功率，这导致电解装置中物质转换的变化。在此，电解装置可以基于其构成仅仅在如下情况下持续处理由于直流功率的变化短期出现的或多或少转换(Mehr-bzw.Minderumsatz)，即如果用于电解装置的运行的另外的措施发生，例如由泵至电解质循环的输送功率的变化或产生的气体的导出。这些另外的措施即便如此具有比较高的惯性，从而电解装置运行的稳定化在施加的电压的跳跃式变化之后仅仅能够延迟地实现。

另一方面，变流器的电压施加的运行的特征在于，从交流电网吸收的有效功率的变化基本上与电网频率的变化和/或电网频率的变化率有关，从而如果不再发生电网频率的变化，亦即特别是如果变化率等于零，那么有效功率返回到初始值。由此，如果电网频率又稳定化，那么在电解装置中的物质转换也返回到相应的初始值。

如果如此稳定化的电网频率与交流电网的额定频率具有偏差，那么初级调节功率的提供和瞬时备用功率自动地不再需要。电解设备那么仅仅对于比较短的时间间隔提供瞬时备用功率，从而电解装置中物质转换的惯性——这使得泵和通风设备的高负荷运转变得需要——不再起作用。在电网频率的变化期间发生的或多或少转换因此可以在电解装置中被缓冲，例如其方式是：在电网频率稳定化之后，容忍在电解装置中的短期的超压或低压且通过随后的措施又消除在电解装置运行中这样的短期的超压或低压。

本发明因此基于的认识在于，连接到一个调节电压的变流器上的直流负载不必须强制能够将从交流电网获得的交流功率的变化同样快速地转换为用于常规的目的的直流功率的变化。更准确地说，足够的是，直流负载可以至少短期处理且必要时在内部缓冲该变化的直流功率。在此，特别是电解装置证实为特别有利的直流负载，因为一方面可以直接促使电解装置进行直流功率的变化，例如其方式是变流器改变在电解装置上的直流电压；而另一方面在电解装置中固有地发生所述缓冲，从而电解装置的同样固有的惯性不阻碍直流功率的至少短期的变化。因此，虽然不仅欧姆负载而且能源或能量存储器都不连接到变流器，但是根据本发明可以实现电解设备的电压施加的性能。

在变流器的电压施加的运行的范围中，变流器可以提供瞬时备用功率。为此可以应用调节结构，该调节结构模仿同步电机相对于频率变化的性能。该性能以与传统的发电站相似的方式使得电网频率稳定化。替代地，可以应用在开头所述的有差模式调节，该有差模式调节包括频率-功率特性曲线。这样的调节同样能够使得电网频率稳定化且附加地可以包括电压-无功功率特性曲线，借助电压-无功功率特性曲线除了电网频率之外也可以使电网频率稳定化且必要时可以构成岛屿网络或使岛屿网络稳定化，再者另外的能量产生单元可以连接到该岛屿网络中。

从交流电网吸收的交流有效功率的变化导致在电解装置上直流电压的变化，其中，在电解装置上直流电压的变化导致由电解装置消耗的直流功率的相应于交流有效功率的变化的变化。由此，可以将从交流电网吸收的交流有效功率的变化直接作为由电解装置消耗的直流功率的变化传递给电解装置。

在方法的一个实施方式中，借助第一直流电压转换器(DC/D转换器)可以产生在电解装置与变流器之间的电压变换比。由此，相对于由变流器在直流电压侧可调节的电压范围，可以扩展在电解装置上直流电压的调节范围，从而电解装置的功率消耗也可以在另一范围上调节。

此外，变流器可以与在直流电压侧连接的光伏发电机交换电功率，其中，光伏发电机与电解装置并联地与直流电压中间电路连接。在此，由光伏发电机产生的电功率可选择地馈入电解装置或交流电网中。由此可以成本有利地给电解装置供以再生地产生的电功率，否则该电功率必须从交流电网获得。

在方法的另一实施方式中，变流器可以与直流电压侧连接的电池交换电功率，其中，电池通过第二直流电压转换器与电解装置并联地与直流电压中间电路连接。电池能够实现暂存电功率，且电池可以将来自电网的功率消耗在时间上与电解装置功率去耦。

在方法的该实施方式中，其中直流/直流转换器布置在变流器与直流电压侧的单元之间，直流/直流转换器可以用于直流电压中间电路的电压的稳定化。具体地，直流/直流转换器的调节可以包括预控制，其中，借助预控制、根据在电网电压与变流器的输入端上的交流电压之间的相位差调节直流/直流转换器的直流电流期望值。相位差可以在d-q坐标系统中被再处理且与来自电网的功率消耗成正比。由此促使直流/直流转换器已经在相位差变化的情况下改变其功率，且不仅仅对直流电压中间电路中电压的变化做出反应。

预控制用于根据电网频率的变化直接修改直流/直流转换器的直流电流阈值。由此似乎预知在直流电压中间电路上电压的变化，该电压的变化基于交流有效功率反应于电网频率的变化的变化而出现。直流/直流转换器的调节因此如下设计，从而直流/直流转换器在电网频率变化时直接使直流电压中间电路稳定化。在电网频率快速变化的情况下、亦即在电网频率的高变化率的情况下——其相应地引起大的相位差并因此引起交流功率的特别大的变化——直流/直流转换器必须快速地补充提供或降低能量，以便防止中间电路电压的下降或过高。为此，通过在电网电压与变流器电压之间的相位phi预控制用于直流/直流转换器的直流电流阈值，且如此提高调节的动态。

直流电压中间电路上电压的稳定化可以由第一直流/直流转换器和连接在其上的电解装置和/或必要时由第二直流/直流转换器和连接在其上的电池实施。相位差在此可以直接或者通过相应的滤波器影响直流/直流转换器的时钟(Taktung)。

根据本发明的电解设备包括电解装置，该电解装置与变流器连接且通过变流器从交流电网吸收交流有效电功率，其特征在于，变流器设置成电压施加地运行，从而交流电网中电网频率的变化引起从交流电网吸收的交流有效功率的直接变化。本发明基于如下认识：变流器的伴随电压施加的运行的对电网频率的变化的直接反应可以以从交流电网吸收的交流有效功率的变化的形式直接转移给电解装置。虽然电解装置自身不能够持续进行转换的功率的相应快速的变化，然而一方面可以直接促使电解装置进行直流功率的变化，例如其方式是变流器改变在电解装置上的直流电压；而另一方面缓冲在由外部施加的功率与自身静态的直流功率期望值之间的短期偏差。

在一个实施方式中，电解设备可以包括第一直流电压转换器(直流/直流转换器)，其布置在电解装置与变流器之间。由此，相对于由变流器在直流电压侧可调节的电压范围，可以扩展在电解装置上电压的调节范围，从而电解装置的功率消耗也可以在另一范围上调节。

在另一实施方式中，电解设备可以包括光伏发电机，光伏发电机在直流电压侧与电解装置并联地与电解设备的直流电压中间电路连接。借助光伏发电机可以给电解装置有利地供以再生地产生的电功率，否则该电功率必须从交流电网获得。

在另一实施方式中，电解设备可以包括电池，电池在直流电压侧通过第二直流/直流转换器与电解装置并联地与电解设备的直流电压中间电路连接。该电池能实现暂存电功率，且电池可以将来自电网的功率消耗在时间上与电解装置功率去耦。

在用于借助变流器提供用于交流电网的瞬时备用功率的方法中，变流器从交流电网吸收交流电功率且给电解装置供以直流电功率，电压施加地运行变流器，从而交流电网中电网频率的变化引起从交流电网吸收的交流有效功率的直接变化。在此，特别是电解装置证实为用于电压施加的变流器的有利的直流负载，因为一方面可以直接对于直流功率的变化促动电解装置，例如其方式是变流器改变在电解装置上的直流电压；而另一方面在电解装置中发生电能的缓冲，从而尽管电解装置的固有的惯性，电解装置也良好地承受直流功率短期的变化并因此良好地支持交流有效功率的短期变化以便支持在瞬时调节的范围中的电网频率。

在根据本发明的方法的范围中在正常运行下、亦即特别是在相应于交流电网的额定频率的电网频率的情况下，从交流电网吸收的和供给电解装置的功率可以相应于电解装置的额定功率的50％与100％之间。电解装置在此具有位于额定功率之上的最大功率，其中，额定功率特别是可以相应于如下运行点：该运行点的特征在于电解装置的最大效率。因此，电解装置可以根据原理消耗位于额定功率之上的直流功率，特别是如果在该运行点仅仅短时地运行电解装置。

在方法的一个实施方式中，如果电网频率的变化引起交流功率的变化且供给电解装置的直流功率位于电解装置的运行范围之外，那么变流器可以与在直流电压侧连接的电池交换电功率。在此，运行范围可以由在电解装置的额定功率的10％与20％之间的下应用功率与在电解装置的额定功率的110％与120％之间的上最大功率来限界。电池可以通过直流/直流转换器与电解设备并联地与变流器的直流电压中间电路连接。

在方法的另一实施方式中，变流器可以与直流电压侧连接的光伏发电机交换电功率。在正常运行下，亦即特别是在相应于交流电网的额定频率的电网频率的情况下，可以在最大功率的运行点运行光伏发电机且以额定功率运行电解装置。如果出现电网频率的变化，该变化促使变流器降低瞬时馈入的交流功率或提高瞬时吸收的交流功率，那么降低光伏发电机的功率。然而如果出现电网频率的变化，该变化促使变流器提高瞬时馈入的交流功率或降低瞬时吸收的交流功率，那么降低电解装置的直流功率。由此瞬时备用在任何时间沿两个方向可供使用。

附图说明

在下文中根据在附图中示出的实施例进一步阐明和描述本发明。

图1示出根据本发明的电解设备，其具有变流器和电解装置；

图2示出具有变流器和多个直流负载的设备；

图3示出另一电解设备，其具有变流器、直流电压转换器和电解装置；

图4示出根据图3的电解设备，其具有控制设备；

图5示出根据图3或4的电解设备，其具有光伏发电机；

图6示出用于运行根据图3、4或5的设备的方法；

图7示意性地示出在设备中的电功率，以根据图6的方法运行该设备；

图8示出另一电解设备，其具有变流器、电解装置、直流电压转换器和能量存储器；以及

图9示出根据图8的电解设备，其包括另一直流电压转换器和光伏发电机。

具体实施方式

图1示出电解设备10，其具有电解装置11和变流器12。变流器12通过交流电压侧的输入端12a、去耦电感13——优选扼流线圈——以及电网连接点14与交流电网15连接且从交流电网15吸收电功率。电解装置11与变流器12的直流电压侧的输出端12b连接且由变流器12供以电功率。

变流器12可以具有直流电压中间电路且优选地实施为三相，从而变流器12可以与三相交流电网15连接，以便从交流电网15吸收三相交流电功率。变流器12可以尤其构成为自控制的晶体管变流器，其中，这样的变流器12的晶体管可以由IGBT和/或MOSFET组成。

电解装置11基本上表示直流负载且由变流器12供以直流功率。由电解装置11消耗的直流功率在此通过电流-电压特性曲线与施加在电解装置11上的电压有关，该电压在此相应于在变流器12的输出端12b处的电压。电流-电压特性曲线可以根据电解装置11的类型和实现方式具有不同的应用电压和坡度，其中，通常在电解装置11允许的输入电压范围中存在电流与电压之间的单调关系，从而所施加的电压越高，由电解装置11消耗的直流功率越高。

电解装置11具有额定功率，其中可以以优化的效率运行电解装置11。额定功率由处在电解装置11允许的输入电压范围中的额定电压和对此所属的额定电流组成。原则上，在额定电压之上的输入电压也是允许的且导致更高的功率消耗，其中，电解装置11的总效率在额定功率之上下降，例如基于用于辅助机组(例如泵等)的提高的功率需求。

变流器12给电解装置11供以直流功率，该直流功率可以根据交流电网15的当前电网频率的变化通过变流器12来调节，特别是其方式是：通过变流器12根据交流电网15的当前电网频率的变化来调节在变流器12的输出端12b上的电压并继而调节电解装置11的输入电压。

如果当前的电网频率相应于额定频率且是不变的，那么如此运行变流器12，使得给电解装置11供给等于或小于电解装置11的额定功率的直流功率。优选地，可以将直流功率在不变的电网频率的情况下调节到在电解装置的额定功率的50％与100％之间的值。

变流器12具有未进一步示出的半导体开关，其布置在桥电路中且由未示出的控制单元如此操控，使得调节从交流电网15通过变流器12至电解装置11的电功率流。在此，可以通过半导体开关的适合的时钟如此调节在变流器12的电网侧的输入端12a上的交流电压，使得通过去耦电感13形成在交流电网15中的电网电压与变流器12的输入端12a上的交流电压之间的相位差。

借助这样的调节可以通过预给定用于相位差的期望值来调节期望的交流有效电功率。期望的交流有效电功率由通过变流器12在直流电压侧要输出的和要供给电解装置的直流电功率的期望值产生。该直流电流期望值在变流器12的控制单元中变换为用于在电网电压与在变流器12上输入侧的交流电压之间的相位差的相应的期望值，从而用于相位角的期望值是期望的直流负载电流的函数。在此，如果相位差相对于π是小的，那么通过变流器12从交流电网15吸收的交流有效电功率近似与出现的相位差成正比。

另一方面，通过变流器12自身将在电网电压与在变流器12的输入端12a上的交流电压之间的相位差调节到期望值，其中，实际流动的交流有效功率与实际上存在怎样的相位差有关。由此电网频率的变化——其必然引起相位差的变化——直接导致从交流电网15获得的交流有效电功率的很大程度上成比例的变化。

交流电网15中的频率变化那么与相位角的变化相关，从而吸收的交流有效功率在电网频率变化的情况下同样直接变化。对此变流器12电压施加地表现，其方式是：在频率下降的情况下直接降低从交流电网15吸收的交流有效功率，而在频率提高的情况下直接提高从交流电网15吸收的交流有效功率。

图2示出具有多个直流负载21、22、23和变流器12的设备20。变流器12在输入侧通过电网连接点14与交流电网15连接且从交流电网15吸收电功率。直流负载21、22、23分别通过开关21a、22a、23a中的一个与直流电压中间电路16连接且由变流器12供以电功率。作为直流负载21、22、23在此不仅可应用电解装置11而且欧姆负载，特别是加热电阻或其他电阻，其例如用于表面整理或金属处理。

直流负载21、22、23可以通过开关21a、22a、23a分别与变流器12连接或与变流器12分离。由此，全部流动的直流功率可以匹配在变流器12的直流电压中间电路16上给定的电压的情况下，其方式是：仅仅给直流负载21、22、23的一部分供给电功率，其中，通过适合地操控开关21a、22a、23a选择负载21、22、23中具体要供给的部分。

图3示出具有根据图1的电解装置11和变流器12的电解设备10，其中，附加地在电解装置11与变流器12之间布置有直流电压转换器或直流/直流转换器32，其能实现在变流器12的直流电压侧的输出端12b上或在直流电压中间电路16上的电压与在电解装置11上的电压之间的电压变换比(Spannungsübersetzung)。直流/直流转换器32例如可以构成为升压调节器或降压调节器或者升降压调节器和/或设立为用于双向功率流。

这样的直流/直流转换器32对于本领域技术人员在不同的实施方式中是已知的，其主要包括用于调节电压转变的具有时钟的半导体开关。特别是直流/直流转换器32可以实施为用于由变流器12至电解装置11的单向功率流的降压调节器，其将直流电压中间电路16的电压转换成在电解装置11上相对此更小的电压，其中，变换比例如可以借助占空比来调节。

图4示出变流器12的控制的细节。控制设备41产生用于变流器12以及直流/直流转换器32的控制信号，其特别是预给定变流器12和直流/直流转换器32的半导体开关的操控。控制信号可以由控制设备41根据用于直流电功率的期望值预给定，其中，直流功率的实际值例如可以根据电流和电压测量来确定，电流和电压测量特别是可以布置在直流/直流转换器32与电解装置11之间。控制设备41求取适合的占空比，必须以该适合的占空比运行直流/直流转换器32，以便调节在电解装置11上适合的电压，从而电解装置11消耗直流额定功率。因为直流电压中间电路16的电压至少如交流电网15的经整流的电网电压那么大，所以直流/直流转换器32能实现：不同于根据图1的实施方式，施加比经整流的电网电压显著更小的电压给电解装置11。

给定的占空比的前提条件是在直流/直流转换器32的两侧上的电压相互成比例。因此，如果不跟踪(nachgeführt)占空比，直流电压中间电路16的电压变化引起在电解装置11上成比例的电压变化。传统的控制能够以一定的延迟跟踪占空比，其中，可以跟随不同的上级的调节目标。特别是可以将在电解装置11上的电压并继而直流功率保持不变。替代地，可以将直流电压中间电路16的电压保持不变。

变流器12可以如结合图1所述那样电压施加地运行，其方式是：特别是根据在电网电压与在变流器12的输入端12a上的交流电压之间的相位角，在频率下降的情况下直接降低从交流电网15吸收的交流有效功率且在频率提高的情况下直接提高从交流电网15吸收的交流有效功率。如果直流功率保持不变，交流有效功率的这样的直接变化导致直流电压中间电路16的相应的电压变化。甚至不变的直流功率不足以阻止基于根据频率改变的交流有效功率引起的直流电压中间电路16的电压变化。因此，必须使得直流功率匹配于交流功率，其中，根据直流电压中间电路16的电压跟踪用于直流功率的期望值以便稳定化这些同样的电压是间接的且相应延迟的反应。

因此，控制设备41由在去耦电感13之前和之后电压的时间分辨的测量确定在交流电网15中电网电压与在变流器12的输入端12a上的交流电压之间的瞬时相位差。该相位差可以在控制设备41中用于预控制直流/直流转换器32的期望值。由此，已经反应于相位差的变化地匹配用于直流功率的期望值并因此匹配直流/直流转换器32的占空比。该匹配已经在出现直流电压中间电路16的显著的电压变化之前发生，该显著的电压变化伴随交流有效功率的变化，特别是如果基于反应于相位差的变化对变流器12的电压施加的控制改变交流有效功率。由此极大提高整个调节段(Regelungsstrecke)的动态。

图5示出具有光伏发电机51的电解设备10，该光伏发电机与电解装置11并联地与变流器12的直流电压中间电路16连接。光伏发电机51的电功率可以通过直流电压中间电路16的电压调节地且可选择地馈入电解装置11中或者通过变流器12与交流电网15交换。在此，根据直流电压中间电路16上的电压来调节光伏发电机51的运行点，而电解装置11上的电压可以与之无关地通过直流/直流转换器32来调节。

图6示意性地示出用于借助根据图5的电解设备10提供调节功率的方法的示例性流程。在电解设备10的正常运行中，例如在交流电网15中补偿的功率平衡的情况下，其中交流电网15具有相应于交流电网15的额定频率且在很大程度上不变的额定频率(图5中的步骤S1)，可以在具有最大可能的功率P_MPP的运行点运行光伏发电机51且可以以其额定功率P_Nenn运行电解装置(步骤S2)。

在电网频率变化的情况下，电解设备10的变流器12随着交流有效功率的变化做出反应(步骤S3)。从步骤S3起，方法根据功率平衡的符号——其导致电网频率的变化——在交流电网15中功率不足的情况下分支到步骤S4a和S5a，而在交流电网15中功率过剩的情况下分支到步骤S4b和S5b。

在步骤S5a中，在电解设备10中实现交流功率的阻碍交流电网15中的功率不足的变化，其方式是：相对于额定功率P_Nenn降低电解装置11的直流功率P_Last。光伏发电机51的光伏功率P_PV可以不变地保持在P_MPP。

在步骤S5b中，在电解设备10中交流功率的阻碍交流电网15中的功率过剩的变化具有相反的符号且可以通过如下方式实现：相对于额定功率P_Nenn提高电解装置11的直流功率P_Last。这然而特别是在如下情况下证实为不利的，即如果最大功率仅仅略微位于在电解装置11的额定功率之上和/或电解装置11的效率在其额定功率之上的直流功率的情况下极大地下降。因此，附加或替代地在步骤S5b中，相对于最大可能的功率P_MPP降低光伏功率P_PV。这此外随时能够实现，特别是也在晚上，即如果最大可能的功率P_MPP等于零的情况下，其方式是：直流功率反馈送到光伏发电机51中。

直流功率P_Last和P_PV特别是在根据图5或图9的电解设备10中可以相互分开地调节。通过直流电压中间电路16上的电压调节光伏功率P_PV，而电解装置11的直流功率P_Last由直流电压中间电路16上的电压和直流/直流转换器32的可调节的变换比产生。因此，通过以根据图6的方法运行电解设备10能够实现提供用于交流电网15的稳定化的瞬时备用功率，其中，通过降低电解装置11的直流功率实现用于消除功率不足的调节功率，以及通过调节光伏发电机51实现用于消除功率过剩的调节功率。

图7示意地示出根据交流电网15中的功率平衡调节功率的提供的示例性分配。

在补偿的功率平衡的情况下，其特别是可以通过如下方式表达：电网频率是不变的且特别是相应于交流电网15的额定频率，以最大可能的功率P_MPP运行光伏发电机51且以额定功率P_Nenn运行电解装置11。电解装置11的额定功率P_Nenn是设备特征且因此可以假定为在很大程度上不变的。功率P_PV和P_Last的当前的总和并继而还有与交流电网15通过变流器12交换的交流功率因此基本上与到光伏发电机51上的当前的太阳辐射有关。交流功率因此可以在正常运行下根据环境条件位于在电解装置11的额定功率P_Nenn(例如晚上，没有太阳辐射)与在电解装置11的额定功率P_Nenn和光伏发电机51的额定功率之间的差之间。在可能的特别情况下，其中电解装置11的额定功率和光伏发电机51的额定功率相同，交流功率在正常运行下因此位于P_Nenn与零之间。

在交流电网15中功率不足的情况下，降低给电解装置11供给的直流功率P_Last，而此外光伏功率P_PV可以相应于最大可能的光伏功率P_MPP。作为用于功率不足的度量可以特别是应用电网频率的变化率，从而功率变化例如与电网频率的变化率成正比；这可以类似地适用于功率过剩。

此外，在交流电网15中功率过剩的情况下，以其额定功率P_Nenn运行电解装置11。原则上也可以以大于P_Nenn的功率运行电解装置11，然而通常仅仅以降低的效率和/或仅仅短期地。为了阻碍交流电网15中的功率过剩，因此附加地或替代地降低从光伏发电机51吸收的功率P_PV。在此，光伏功率P_PV可以等于零且为负，亦即将直流功率反馈入光伏发电机51中且在那里被消耗。因为最大可能的光伏功率P_MPP如所描述的那样暂时可以是非常小的，例如在晚上，光伏功率P_PV的降低也可以仅仅通过如下方式实现：根据交流电网15中的功率过剩提高馈入光伏发电机51中的功率。

在特定的配置中，电解装置11的额定功率P_Nenn可以几乎相应于光伏发电机51的额定功率P_Peak。在该情况下，电解装置11的完全的额定功率P_Nenn可用于对交流电网15中的功率不足做出反应，而至少光伏发电机51的完全的额定功率P_Peak可随时、特别是也在晚上用于对交流电网15中的功率过剩做出反应。总体上，通过如此配置的电解设备10因此提供具有在相同的数量级上的正和负的调节功率的优化的对称的调节功率带。

原则上可以考虑电解设备10的多种另外的配置，例如具有电解装置11作为主组成部分——其在正常运行下运行在额定功率P_Nenn的大约50％——和具有相对小的额定功率P_PV＜P_Nenn的光伏发电机51的中间变型。在此，光伏发电机51承担对交流电网15中的功率过剩做出反应的功率变化的一部分。在此，光伏发电机的额定功率P_Peak越大，在正常运行下也可以更高地选择电解装置11的额定功率P_Last。

另一中间变型包括如下电解设备10，其具有光伏发电机51作为主要组成部分——其在正常运行下以最大可能的功率P_MPP运行——以及具有相对小的额定功率P_Nenn＜P_Peak的电解装置11。在此，电解装置11承担对交流电网15中的功率不足做出反应的功率变化，从而可以提供对称的调节功率带，其由一方面电解装置11的额定功率P_Nenn以及另一方面光伏发电机51在需要时大小相同的调节组成且因此仅仅与额定功率P_Nenn有关或使得该额定功率P_Nenn完全对于瞬时备用可用。

图8示出电解设备10的另一实施方式，其具有变流器12和电解装置11。相比于图1，根据图8的电解设备10附加地包括电池81，电池81通过直流/直流转换器82与电解装置11并联地与变流器12的直流电压中间电路16连接。直流/直流转换器82可以特别是如此控制在直流电压中间电路16与电池81之间的功率交换，使得直流电压中间电路16上的电压稳定化，其中，必要时可以应用类似于图4的预控制。此外，对于根据图8的电解设备10的具体的配置通过电池81提供另一自由度，以便排除用于提供对称的调节功率带作为瞬时备用的各个份额例如，对交流电网15中的功率不足做出反应的功率变化可以完全通过将电解装置11的直流功率P_Last降低到其额定功率P_Nenn之下的一个值来实现，而对交流电网15中的功率过剩做出反应的功率变化完全通过将直流功率馈入电池81中来实现；在电池中由此存储的能量又可以用于电解装置11的运行。

图9示出电解设备10的另一实施方式，其具有变流器12和通过直流/直流转换器32与变流器12连接的电解装置11。相比于图3，根据图9的电解设备10附加地包括：电池81，其类似于图8通过另一直流/直流转换器82与变流器12的直流电压中间电路16连接；以及光伏发电机51，其类似于图5同样与变流器12的直流电压中间电路16连接，必要时通过在此未示出的第三直流/直流转换器。根据图9的电解设备10由此基本上组合根据图5和图8的电解设备10的特征且因此也具有其优点。

附图标记列表：

10、20 电解设备

11 电解装置

12 变流器

12a 输入端

12b 输出端

13 去耦电感

14 电网连接点

15 交流电网

21、22、23 直流负载

21a、22a、23a 开关

32 直流电压转换器(直流/直流转换器)

41 控制设备

51 光伏发电机(PV发电机)

S1-S3 方法步骤

S4a、S4b方法步骤

S5a、S5b方法步骤

81 电池

82 直流电压转换器(直流/直流转换器)

Claims (15)

1.一种用于运行电解设备(10)的方法，所述电解设备具有变流器(12)和电解装置(11)，其中，所述变流器在交流电压侧通过去耦电感(13)连接到交流电网(15)且从所述交流电网(15)吸收交流有效功率，且所述电解装置在直流电压侧连接到所述变流器(12)，其中，如果所述交流电网(15)的电网频率相应于额定频率且随时间不变，则通过借助所述变流器(12)调节所述电解装置(11)处的直流电压，以在所述电解装置(11)的额定功率的50％与100％之间的电功率运行所述电解装置(11)，其中，电压施加地运行所述变流器(12)，其方式是：在所述变流器(12)的调节中，由所述变流器(12)的输入侧的交流电压的交流期望值导出用于所述变流器(12)的功率半导体开关的开关命令，从而直接根据在所述交流电网(15)中的电网频率的变化和/或在所述交流电网(15)中的电网频率的变化率来改变从所述交流电网(15)吸收的交流有效功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变流器(12)提供瞬时备用功率，其中，所述变流器(12)模仿同步电机相对于频率变化的性能或者使用有差模式控制，所述有差模式控制包括频率-功率特性曲线。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从所述交流电网(15)吸收的交流有效功率的变化导致在所述电解装置(11)上的直流电压的变化，其中，在所述电解装置(11)上的直流电压的变化导致由所述电解装置(11)消耗的直流功率的以下变化：所述变化相应于所述交流有效功率的变化。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，借助第一直流电压转换器(32)产生在所述电解装置(11)与所述变流器(12)之间的可调节的电压变换比。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述变流器(12)与在所述直流电压侧连接的光伏发电机(51)交换电功率，其中，所述光伏发电机(51)与所述电解装置(11)并联地与直流电压中间电路(16)连接，其中，由所述光伏发电机(51)产生的电功率可选择地馈入所述电解装置(11)或所述交流电网(15)中。

6.根据权利要求4的方法，其中，所述变流器(12)与直流电压侧连接的电池(81)交换电功率，其中，所述电池(81)通过第二直流电压转换器(82)与所述电解装置(11)并联地与直流电压中间电路(16)连接。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一直流电压转换器(32)使得所述直流电压中间电路(16)的电压稳定化，且所述第一直流电压转换器(32)的调节包括预控制，其中，借助所述预控制根据在电网电压与所述变流器(12)的输入端(12a)上的交流电压之间的相位差来调节所述第一直流电压转换器(32)的直流电流期望值。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二直流电压转换器(82)使得所述直流电压中间电路(16)的电压稳定化，且所述第二直流电压转换器(82)的调节包括预控制，其中，借助所述预控制根据在电网电压与所述变流器(12)的输入端(12a)上的交流电压之间的相位差来调节所述第二直流电压转换器(82)的直流电流期望值。

9.一种电解设备(10)，所述电解设备具有变流器(12)和电解装置(11)，所述电解装置与变流器(12)连接且通过所述变流器(12)从交流电网(15)吸收交流有效电功率，其特征在于，所述变流器(12)设置成电压施加地运行，其方式是：在所述变流器(12)的调节中，由所述变流器(12)的输入侧的交流电压的交流期望值导出用于所述变流器(12)的功率半导体开关的开关命令，从而所述交流电网(15)中的电网频率的变化引起从所述交流电网(15)吸收的有效功率的直接变化，其中，如果所述交流电网(15)的电网频率相应于额定频率且随时间不变，则通过借助所述变流器(12)调节所述电解装置(11)处的直流电压，从所述交流电网(15)吸收的和供给所述电解装置(11)的有效功率相应于所述电解装置(11)的额定功率的50％与100％之间。

10.根据权利要求9所述的电解设备(10)，其中，在所述电解装置(11)与所述变流器(12)之间布置有具有可调节的电压变换比的第一直流电压转换器(32)。

11.根据权利要求9或10所述的电解设备(10)，其中，光伏发电机(51)在直流电压侧与所述电解装置(11)并联地与所述电解设备(10)的直流电压中间电路(16)连接。

12.根据权利要求9或10所述的电解设备(10)，其中，电池在直流电压侧通过第二直流电压转换器(82)与所述电解装置(11)并联地与所述电解设备(10)的直流电压中间电路(16)连接。

13.一种用于借助变流器(12)提供用于交流电网(15)的瞬时备用功率的方法，所述变流器从所述交流电网(15)吸收交流电功率且给电解装置(11)供以直流电功率，其中，电压施加地运行所述变流器(12)，其方式是：在所述变流器(12)的调节中，由所述变流器(12)的输入侧的交流电压的交流期望值导出用于所述变流器(12)的功率半导体开关的开关命令，从而所述交流电网(15)中的电网频率的变化引起从所述交流电网(15)吸收的交流功率的直接变化，其中，如果所述交流电网(15)的电网频率相应于额定频率且随时间不变，则通过借助所述变流器(12)调节所述电解装置(11)处的直流电压，从所述交流电网(15)吸收的和供给所述电解装置(11)的有效功率相应于所述电解装置(11)的额定功率的50％与100％之间。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，如果电网频率的变化引起所述交流功率的变化且供给所述电解装置(11)的直流功率位于所述电解装置(11)的运行范围之外，那么所述变流器(12)与在直流电压侧连接的电池(81)交换电功率，其中，所述运行范围由下应用功率与上最大功率来限界，其中，所述下应用功率在所述电解装置(11)的额定功率的10％与20％之间，且所述上最大功率在所述额定功率的80％与100％之间，其中，所述电池(81)通过直流电压转换器与所述电解装置(11)并联地与所述变流器(12)的直流电压中间电路(16)连接。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述变流器(12)与直流电压侧连接的光伏发电机(51)交换电功率，其中，在相应于所述交流电网(15)的额定频率的电网频率的情况下，在最大功率的运行点处运行所述光伏发电机(51)且以额定功率运行所述电解装置(11)，其中，如果出现所述电网频率的以下变化，那么降低所述光伏发电机(51)的功率：所述变化促使所述变流器(12)降低瞬时馈入的交流功率或提高瞬时吸收的交流功率，其中，如果出现所述电网频率的以下变化，那么降低所述电解装置(11)的直流功率：所述变化促使所述变流器(12)提高瞬时馈入的交流功率或降低瞬时吸收的交流功率。