CN115552056A - 操作电解器的方法，执行该方法的连接电路、整流器和电解设备 - Google Patents
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Abstract
本申请描述了一种用于操作电解器(40)的方法，该电解器被设计和设置成借助于电解反应从水中产生氢，并且该电解器经由有源受控整流器(30)由交流电压电网(AC电网)(20)供电，该方法包括以下步骤：在输入电压UEl高于空载电压ULL的情况下，以正常操作模式操作电解器(40)，电解器的行为主要是电阻性的，在输入电压UEl低于空载电压ULL的情况下，以待机操作模式操作电解器(40)，电解器的行为主要是电容性的，以及在第一过渡持续时间#t1期间，从待机操作模式过渡到正常操作模式，其中，在待机操作模式期间，通过使电解器(40)的输入端(41)处的输入电压UEl保持高于不为0V的第一电压阈值UTH,1来减少第一过渡持续时间Δt1。本申请还描述了用于执行该方法的连接电路(1)、有源受控整流器(30)和电解设备(60)。
Description
发明的技术领域
本发明涉及用于操作电解器的方法、用于执行该方法的连接电路、整流器和电解设备，该电解器被设计和设置成借助于电解反应从水中产生氢。
现有技术
氢的产生通常通过电解器进行，该电解器借助于电解反应将水转化为其元素氢和氧。在此，电解器借助于有源受控整流器由交流电压电网(AC电网)供电。电解器通常具有电流电压特性曲线，该电流电压特性曲线通过所谓的空载电压ULL被分为两个范围。低于空载电压ULL时，电解器主要表现出电容性行为，电容性的行为由在电解器的电极处形成双层所引起。当电压低于空载电压时，还不发生电解反应，或者至少不会有明显的电解反应。当输入电压高于空载电压ULL时，电解器主要表现出电阻性行为，电阻性行为由在这些电压下发生的电解反应所引起。电解反应的速度以及因此例如氢的产生速率通过电解器的输入电压来控制，并且通常随着输入电压的增加而增加。
作为有源受控整流器，越来越多地采用如下整流器，该整流器具有晶体管，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)作为有源可控半导体开关。在此，相应的续流二极管与晶体管反并联连接。整流器的续流二极管导致，AC/DC转换器的DC转换器输出端处的(可以另外通过晶体管调节的)电压范围向下被限制到最小DC电压UW,min。该限制主要在于，在低于AC/DC转换器的输出端处的最小DC电压UW,min时，至少有一个续流二极管处于导通状态，由此在阳极侧施加的电压(排除续流二极管的正向电压)对应于续流二极管的在阴极侧施加的电压。此外，通常期望在功率消耗接近其额定功率的情况下，整流器方面以尽可能低的转换损耗为电解器供电。额定功率在此应理解为最大功率，在该最大功率下可以安全地连续操作电解器而不会对它造成损坏。额定功率可取决于电解器的各种部件及其相互作用，并且通常是制造商的规格。
所讨论的电解器通常在其空载电压ULL以及其额定电压之间具有一个大的输入电压范围。在此，额定电压是施加在电解器输入端处的电压，在该电压时电解器以其额定功率操作。如果现在通过合适的措施(例如，通过与整流器的AC输入端连接的变压器的相应设计)来确保AC/DC转换器的输出端处的最小DC电压UW,min低于电解器的空载电压ULL，则这因此通常与有源受控整流器在电解器的高输入电压下的高转换损耗有关。因此，最小DC电压UW,min通常高于电解器的空载电压ULL，但这使得电解器的平稳启动和平稳关断(Abregeln)变得困难。
当启动电解器时，必须对电解器相当大的容量进行充电。在预充电期间需要将电流限制到一个值，以防止对续流二极管造成损坏。具体地，通过限制电流的预充电电阻进行预充电。另一方面，期望对电容尽可能快地预充电，这需要尽可能小的电阻值。然而，欧姆电阻越低，其损耗功率就越高，并且其构件成本也越高。仅通过将电解器与整流器断开，才能实现例如制氢的暂停。然而，由于漏电电流无法完全被抑制，电解器再次放电(可能会很严重，取决于暂停的时间)，并且必须重新启动。现在，当操作耗电装置内(例如在工业设备内)的电解器时，电解器的这种长的充电持续时间和放电持续时间会干扰到耗电装置的有效能量管理并使其变得困难。具体地，在给定的条件下，不可能或至少很难将电解器引入到耗电装置的能量管理中。例如，期望缩短制氢时间，例如作为在计算时间段中耗电装置的调峰(Peak-Load-Shaving)的一部分，以便替代地在随后的计算时间段中继续制氢。这就要求预充电持续时间在几秒的范围内，有利地例如最多2s。
文献FR2972200A1中公开了一种用于电解NaCl水溶液的电解器的备用电源。在这种电解器中，即使在电解器的正常供电(由与整流器连接的AC电网供电)发生故障的情况下，即使是AC电网发生故障的情况，也有必要将电解器的输入端进行极化。为此，电解器的输入端经由整流器、电池、DC/DC转换器和二极管与AC电网连接。如果作为正常供电的AC电网发生故障，则电解器的输入端通过电池、DC/DC转换器和二极管保持极化。
文献DE 10 2019 200 238 A1公开了一种用于借助电解器还原二氧化碳的方法，其中通过在施加的保护电势和电解质冲洗下反复的再生阶段来抵消盐碱化。
文献WO 2020 132064 A1公开了一种用于操作碳氧化物(COX)还原反应器的方法。该方法包括在不同操作阶段期间切断、减少或以其他方式控制电流。
文献DE 10 2014 224 013 A1公开了一种借助于电解池的二氧化碳应用的方法，其中在休止模式下将保护电压施加到阴极上，如果不施加保护电压，电极会被电解质溶液侵蚀。
文献WP 2019/246433 A1公开了一种用于直流配电系统的操作方法。该方法包括使用有源整流器进行第一电压转换，该有源整流器将第一输入交流电压转换为第一输出直流电压并将其提供给直流总线。直流总线的第一输出直流电压作为第二输入直流电压输送给降压转换器的第二输入端，降压转换器经由第二电压转换将其转换为第二输出直流电压并且将其输送给直流负载，例如电解池堆。
文献DE 10 2018 133 641 A1描述了一种用于操作具有转换器(Umrichter)和电解器的电解装置的方法。转换器在交流电压侧经由去耦阻抗连接到交流电网上并且以电压注入的方式操作。电解器在直流侧连接到转换器。在对应于交流电压电网的额定频率并且在时间上恒定的电网频率下，电解装置以介于电解器的额定功率的50％和100％之间的电功率操作。利用该方法可以为交流电网提供瞬时备用功率。
发明任务
本发明的任务在于提出用于操作电解器的方法，利用该方法通过对水进行的电解反应，可以高度动态地调控电解器的制氢。特别地，在应用上述类型的有源受控整流器时，一方面可以暂时暂停制氢。在此，暂时暂停应尽可能延长几分钟至几小时的时间段。此外，应尽快从有电解反应(即制氢)的正常操作模式过渡到至少在很大程度上抑制了电解反应(即制氢)的待机操作模式，反之亦然。此外，本发明的任务还在于阐明适于执行该方法的连接电路和具有这种连接电路的整流器。此外，本发明的任务还在于阐明适用于执行该方法的电解设备。
解决方案
根据本发明，在上述类型的方法中，该任务通过独立权利要求1的特征来解决。阐明根据本发明的连接电路的任务通过独立权利要求11的特征来解决，阐明根据本发明的有源受控整流器的任务通过独立权利要求15的特征来解决。说明根据本发明的电解设备的任务通过独立权利要求18的特征来解决。该方法的有利实施方式在权利要求2至10中给出，该连接电路的有利实施方式在从属权利要求12至14中给出。从属权利要求16和17是针对有源受控整流器的有利实施方式。从属权利要求19和20是针对电解设备的有利实施方式。
发明描述
根据本发明的方法涉及电解器的操作，该电解器被设计和设置成借助于电解反应从水中产生氢。电解器通过有源受控整流器由交流电压电网(AC电网)供电。该方法包括以下步骤：
在输入电压UEl高于空载电压ULL的情况下，以正常操作模式操作电解器，电解器的行为主要是电阻性的，
在输入电压UEl低于电解器的空载电压ULL的情况下，以待机操作模式操作电解器，电解器的行为主要是电容性的，以及
在第一过渡持续时间Δt1期间，从待机操作模式过渡到正常操作模式，其中，在待机操作模式期间，通过使电解器的输入端处的输入电压UEl高于不为0V的第一电压阈值UTH,1，来减少第一过渡持续时间Δt1。
电解器被设置成通过电解反应从水中产生氢的电解器。这种电解器越来越多地在较大的耗电装置(例如，工业设备)中运行。在这种情况下，电解器可以一方面用于通过本地制氢来满足工业设备对氢的需求。另一方面，期望动态地调控电解器的电功率消耗，使得电解器可以参与对耗电装置的本地能量管理。为此目的，电解器一方面具有正常操作模式，其中进行电解反应，例如水分解成氢。电解反应在高于空载电压时进行，电解器的行为至少主要是电阻性的，必要时也可以是完全电阻性的。电解反应的速度影响电解器的电功率消耗，并由有源受控整流器通过电解器的输入电压UEl来控制。在输入电压UEl低于空载电压ULL的待机操作模式下，电解器的行为至少主要是电容性，必要时也可以是完全电容性的。在这里，没有电解反应，至少没有显著程度的电解反应。通过在待机操作模式下使电解器的输入电压UEl保持高于不为0V的第一电压阈值UTH,1，与电解器相关联的电容或固有电容即使在待机操作模式中也保持预充电到一定程度。因此，为了使电解器的输入电压UEl提高到高于空载电压的值，需要向电解器输送的电荷比例如在重新启动(其电容被完全放电的)电解器的情况下要少。由于需要输送的电荷较少，在待机操作模式和正常操作模式之间的过渡持续时间Δt1也可以保持得非常少，有源受控整流器和电解器之间的电流是相似的。由于过渡持续时间Δt1很短，待机操作模式中的电解反应的暂停和正常操作模式中的消耗功率的电解反应可以高度动态地进行，并且没有明显的死区时间。由于过渡持续时间Δt1很短，与过渡持续时间长的情况相比，可以将电解器的操作行为明显更好地结合到耗电装置的能量管理中。在此，使电解器的输入电压UEl保持高于第一电压阈值UTH,1可以不需要硬件耗费来实现，至少以减少的硬件耗费来实现。例如，通常可以使用已经存在的连接电路，这就是为什么在这种情况下不需要额外的硬件耗费的原因。因此，该方法的实施几乎不涉及额外的耗费，因此可以极低成本来实现。
通过在待机操作模式中使电解器的输入电压UEl保持高于不为0V的第一电压阈值UTH,1，从待机操作模式到正常操作模式的第一过渡持续时间Δt1可以减到最少，因为与之相关的电荷输送较少。但改变操作模式所需的较少程度的电荷输送不仅在从待机操作模式过渡到正常操作模式中有作用。更确切地说，由此也可以使从正常操作模式到待机操作模式的第二过渡持续时间Δt2减到最少。因此，该方法的有利变型方案可以包括以下步骤：
在第二过渡持续时间Δt2期间，从正常操作模式过渡到待机操作模式，其中，通过在待机操作模式期间使电解器的输入端的输入电压UEl保持高于不为0V的第一电压阈值UTH,1来减少第二过渡持续时间Δt2。
第一电压阈值UTH,1越接近空载电压，第一过渡持续时间Δt1就可以越短。然而，另一方面，需要考虑的是，电解反应不会在超过空载电压时突然开始。而是电解反应会在空载电压ULL附近窄的限定范围内开始，并且随着输入电压UEl的增加而在那里连续地急剧增加。因此，为了在待机操作模式下实现电解反应的安全暂停，必须与空载电压保持安全距离。根据该方法的一个有利的变型方案，第一电压阈值UTH,1可以对应于电解器的空载电压ULL的值的至少80％，优选至少90％。可替代地或补充地，电解器的输入端处的输入电压UEl可以在待机操作模式下保持比电解器的空载电压ULL低至少5％。这些值对应于电解器的空载电压ULL的最小80％和最大95％之间的公差带，特别优选是电解器的空载电压ULL的最小90％和最大95％之间的公差带。在这些公差带内，从待机操作模式到正常操作模式的第一过渡持续时间Δt1的值可以被限定为最大10s，优选最大为5s。
根据该方法的一个有利的实施方式，在待机操作模式下，通过经由预充电电阻和/或电感以定时方式将电解器的输入端与分配给有源受控整流器的AC/DC转换器的DC转换器输出端连接，可以使电解器的输入电压UEl保持高于第一电压阈值UTH,1。在此，有源受控整流器可以在输入侧保持与AC电网连接。通过这种方式，结合存在于AC/DC转换器内部的续流二极管，在DC转换器输出端处维持一DC电压，该DC电压可以完全大于电解器的空载电压ULL。定时连接可以借助于与预充电电阻串联或与电感串联布置的断路开关来实现。在电解器的输入端经由预充电电阻以定时方式与AC/DC转换器的DC转换器输出端连接的情况下，产生有电流流入电解器的输入端的有效时间窗口(断路开关闭合)和无电流流入电解器的输入端的非有效时间窗口(断路开关打开)。在有效时间窗口期间，电解器的输入电压UEl上升，而在非有效时间窗口期间，例如由于永远无法完全防止的泄漏电流，输入电压UEl再次下降。根据该方法的优选变型方案，电解器的输入端与DC转换器输出端的定时连接可以电压调控地进行，特别是借助于两点控制的方式进行。在此，电解器的输入电压UEl可以用作调控的反馈信号。在有源受控整流器和电解器的组合中，通常本来就存在一个与其串联布置的断路开关的预充电电阻，因此不产生额外费用。在电解器的输入端以定时方式经由电感与AC/DC转换器的DC转换器输出端连接的情况下，电感可以是DC/DC转换器的组成部分，特别是降压转换器的组成部分，该降压转换器布置在AC/DC转换器与整流器的DC输出端之间。在断路开关闭合时，产生通过电感节流的电流增加，并且在断路开关打开时，产生通过电感驱动的电流下降。在此，降压转换器可以在间隙(lückend)操作或非间隙操作中运行。
在该方法的一个优选实施方式中，AC/DC转换器的DC转换器输出端处的最小DC电压UW,min可以高于电解器的空载电压ULL。例如，这可以通过在输入侧连接在有源受控整流器上游的变压器的合适设计来实现，整流器经由该变压器与AC电网连接。具体地，变压器可以这样设计，使得将振幅为UAC的AC电网的AC电压变换成施加在整流器的AC输入端处的振幅为U1的AC电压，其中振幅U1连同在AC/DC转换器内存在的续流二极管，产生DC转换器输出端处的最小DC电压UW,min，该最小DC电压高于电解器的空载电压ULL。反过来说，如果电解器在高输入电压UEl下操作，则这种关于施加在DC转换器输出端处的最小DC电压UW,min的设计意味着最小化的转换损耗。
根据该方法的一个有利的实施方式，电解器可以附加地在预设的边界条件下在维护操作模式中操作，在该维护操作模式中，电解器的输入电压UEl低于危险临界电压值。例如，如果要对电解器和/或有源整流器进行维修和/或维护工作并且必须可靠地排除由于电击而造成的人身伤害，就会是这种情况。危险临界电压值可以根据具体国家进行定义。特别地，电解器的输入电压的值可以为0V。但这种维护操作模式与电解器的延长的预充电持续时间有关。然而，由于维护操作模式仅在少数情况下被采用，因此电解器的与此有关的延长的充电持续时间，必要时还有与此有关的延长的放电持续时间是可容忍的。
在该方法的另一实施方式中，电解器可以被分配给耗电装置(例如，工业设备)，并且与耗电装置的其他电消耗器和/或发电机一起与为耗电装置供电的AC电网连接。特别是在较大的耗电装置的情况下，通常会规定在一个计算时间段内AC电网所允许的最大能量供应。这为耗电装置的能量供应商提供了一个关于在计算时间段期间按时间平均计算要产生的电功率的规划基础。在计算时间段期间约定的最大能量的遵守通常通过耗电装置的能量管理系统EMS进行监测和控制。电解器代表了耗电装置的主要耗电器。因此，在该方法的一个实施方式中，电解器的操作和/或向电解器供电的至少一个部件的操作可以通过耗电装置的执行能量管理的控制单元来控制。特别地，为电解器供电的至少一个部件可以包括下文描述的连接电路和/或下文描述的有源整流器。在此，电解器的正常操作模式和待机操作模式之间的至少一次切换可以在计算时间段期间进行，其目的在于不超过耗电装置和能量供应商之间约定的计算时间段内的最大能量ΔE。在此特别有利地，第一过渡持续时间Δt1的值，必要时还有第二过渡持续时间Δt2的值低于计算时间段的持续时间最多5％时，特别是最多2％。通过这种方式，电解器可以特别有效地集成到耗电装置的EMS中。耗电装置的控制单元可以被构造成单独的控制单元。然而，对此可替代地，该控制单元也可以部分地或完全地实施在耗电装置的部件的本来就存在的控制单元中。
根据本发明的连接电路被布置在DC源和电解器之间。该连接电路包括：
输入端，其具有用于将连接电路与DC源连接的两个输入连接端；以及输出端，其具有用于将连接电路与电解器的输入端连接的两个输出连接端，
由预充电电阻和断路开关构成的串联电路或由电感和断路开关构成的串联电路，其中，串联电路将输入连接端中的一个与输出连接端中的相应的一个连接，
另一断路开关，该另一断路开关与预充电电阻、由预充电电阻和断路开关构成的串联电路或者由电感和断路开关构成的串联电路并联地布置，
测量单元，其用于确定施加在输出端处的DC电压UEl与施加在输入端处的DC电压UQ之间的电压差，以及
控制单元，其用于控制连接电路，特别是断路开关和另一断路开关。有特征地，根据本发明的方法，连接电路被设计和设置成结合DC源和必要时的耗电装置的执行能量管理的控制单元来操作电解器。
特别地，DC源可以是AC/DC转换器的DC转换器输出端，该DC转换器的AC转换器输入端与AC电网连接。AC/DC转换器可以与有源受控整流器相关联。连接电路的控制单元可以在通信上和/或在控制技术上与耗电装置的控制单元连接。得到与该方法相关的所述优点。
根据连接电路的有利的实施方式，断路开关可以包括半导体开关和/或电磁开关。在此，“和”特别地表示所谓的混合开关，该混合开关包括机电开关和与其并联布置的半导体开关。借助于混合开关可以抑制开关电弧，否则开关电弧在单独使用机电开关时就会出现。这同样适用于连接电路的另一断路开关。在连接电路的一个实施方式中，其中连接电路的串联电路通过断路开关和电感形成，连接电路可以被设计和设置成DC/DC转换器，特别是降压转换器。为此，连接电路可以具有另一半导体开关，该另一半导体开关将两个输入连接端中的另一输入连接端与断路开关和电感的连接点连接。另一半导体开关可以是二极管或有源受控半导体开关。
根据本发明的整流器被实施为有源受控整流器。整流器用于从具有AC电压的AC电网向电解器供电，并且包括：
AC输入端和DC输出端，该AC输入端具有用于连接AC电网的多个输入连接端，该DC输出端具有用于连接电解器的两个输出连接端，
具有转换器电路的AC/DC转换器，该转换器电路包括半导体开关和与其反并联地连接的续流二极管，以及
整流器(GR)控制单元，其用于驱动整流器的半导体开关。作为表征的特征，根据本发明的整流器还具有根据本发明的连接电路。
有源受控整流器可以是单级整流器，其不包含布置在AC/DC转换器和整流器的DC输出端之间的DC/DC转换器。例如，当连接电路的串联电路由断路开关和预充电电阻形成时就是这种情况。对此可替代地，整流器可以被构造成两级整流器，其包括布置在AC/DC转换器与整流器的DC输出端之间的DC/DC转换器。特别地，DC/DC转换器可以是降压转换器。例如，当连接电路的串联电路由断路开关和与断路开关串联地布置的电感形成时，就是这种情况。整流器的多个输入连接端可以包括相连接端和中性线连接端。可替代地，多个输入连接端可以包括多个相连接端，特别是三个相连接端。在多个相连接端的情况下，输入连接端可以附加地包括中性线连接端，但这不是强制性的。整流器的AC/DC转换器(以及因此整流器本身)可以对其转换的功率流进行双向操作。在此，AC/DC转换器可以电压调节地进行操作。在电压调节的操作中，AC/DC转换器和与其连接的AC电网之间的功率交换可以通过一个或更多个特性曲线，例如有功功率-频率-特性曲线和/或无功功率-电压-特性曲线来控制。这使得有源整流器能够以有利于电网或支持电网的方式尽可能即时反应地进行操作。GR控制单元可以被设计成，除了整流器的半导体开关之外，还控制整流器的其他部件，例如布置在AC/DC转换器的AC转换器输入端与整流器的AC输入端之间的AC分离单元。连接电路的控制单元可以被实施为单独的控制单元。对此可替代地，连接电路的控制单元可以是GR控制单元的组成部分，只要该GR控制单元的尺寸适当。在此，也得到已经结合该方法所列出的优点。
根据本发明的电解设备包括有源受控整流器和连接到有源受控整流器的输出侧上的电解器。电解设备可以直接地连接到为电解器供电的AC电网或通过分配给电解设备的变压器的中间连接来连接到为电解器供电的AC电网。在一个有利的实施方式中，电解设备可以具有信号装置，该信号装置被设计成发出电解器的当前操作模式的信号。特别地，由此可以指出电解器的待机操作模式，因为在该待机操作模式中不发生电解反应，并且—除了电解器的载压输入端和电解设备的可能的其他载压部件之外—在外观上与维护操作模式差别不大。可替代地或补充地，电解设备同样可以具有阻断装置，该阻断装置被设计成在待机操作模式中并且必要时也在正常操作模式中防止与电解设备的载压部件接触。只有当电解器或电解设备的其他载压部件放电到低于危险临界电压值的值时，阻断装置才有可能停用其阻断作用。通过这种方式，可以可靠地排除在其他情况由于接触载压部件而可能造成的人身伤害。
根据电解设备的有利的实施方式，电解设备可以被设计成耗电装置的一部分，并且可以通过耗电装置的执行能量管理的控制单元来控制。特别地，电解设备的电解器、连接电路和/或整流器可以通过分配给耗电装置的控制单元来控制。
本发明的有利的设计方案在以下说明书和从属权利要求中给出，其特征可以单独地并且以彼此任意的组合来应用。
附图简述
下面将借助附图对本发明进行说明。其中：
图1示出了根据本发明的电解设备的实施方式；
图2a示出了根据本发明的连接电路的第一实施方式；
图2b示出了根据本发明的连接电路的第二实施方式；
图3示出了在一实施方式中根据本发明的有源受控整流器的AC/DC转换器的电路拓扑；
图4示出了根据本发明方法的一实施方式的电解器的输入端处的输入电压UEl的时间曲线。
附图描述
在图1中，示出了根据本发明的电解设备60的实施例。电解设备60包含有源受控整流器30，该整流器在其AC输入端33处经由变压器31连接到交流电压电网(AC电网)20。整流器30的DC输出端34与电解器40的输入端41连接。有源受控整流器30包括AC分离单元35、用于减少/衰减高频干扰信号传播到AC电网20的滤波器单元36和AC/DC转换器37。AC/DC转换器37被设置成将施加在AC转换器输入端37.1处的振幅为
的AC电压转换为施加在DC转换器输出端37.2处的DC电压UW。为此，AC/DC转换器37的半导体开关由整流器控制单元(GR控制单元)39适当地驱动。GR控制单元39还能够驱动AC分离单元35，必要时还驱动整流器或电解设备的其他部件。在DC转换器输出端37.2和整流器的DC输出端34之间布置有根据本发明的连接电路1，该连接电路的输入端5与DC转换器输出端37.2连接，并且该连接电路的输出端6与整流器30的DC输出端34连接。此外，连接电路1还包括用于驱动其部件的控制单元7，该控制单元在图1中示例性地实施为GR控制单元39的组成部分。但可替代地，GR控制单元39和连接电路1的控制单元7也可以被分别实施为单独的控制单元。此外，电解设备60还包括信号装置42，用于发出电解器40的当前操作模式的信号。可选地，电解设备60还可以包括阻断装置(在图1中未示出)，该阻断装置在电解器40的待机操作模式和/或正常操作模式中防止人员与电解设备60的带电部件接触。
利用根据本发明的连接电路1(在图2中将更详细地阐述)，整流器30被设计和设置成根据本发明的整流器，以根据本发明的方法控制电解器40的操作。在此，可以在输入电压UEl高于电解器40的空载电压ULL的情况下以正常操作模式操作电解器40。在正常操作模式中，在电解器40中发生电解反应，例如将水分解成其组分氢和氧，其中电解器40基本上表现得像一个电阻性耗电装置。在此，借助于整流器30通过电解器40的输入电压UEl的变化来控制电解反应的速度。另外，电解器40可以在低于空载电压ULL的待机操作模式中操作，在待机操作模式中不发生电解反应，至少没有明显的电解反应，因此也没有电解器40的电功率消耗，至少没有明显的电功率消耗。
为了实现从待机操作模式到正常操作模式的第一过渡持续时间Δt1的低值以及从正常操作模式到待机操作模式的第二过渡持续时间Δt2的低值，电解器40的输入电压UEl在待机操作模式中也保持高于不为0V的第一阈值UTH,1。第一阈值UTH,1可以被选择为电解器40的空载电压ULL的80％，优选90％。但有利地，输入电压UEl不应超过电解器的空载电压95％的值。通过这种方式，第一过渡持续时间Δt1以及第二过渡持续时间Δt2的值可以被限制到1秒到几秒。借助于这种操作状态的动态变化，电解设备60可以有效地被集成到包括电解设备60的耗电装置(例如，工业设备)的能量管理系统中。
示例性的，变压器31以及整流器30在图1示出为三相整流器30。对此可替代地，AC电网、变压器31以及整流器30也可以被实施为单相部件，并且分别具有一个相线和中性线连接端。同样地，AC电网、变压器31以及整流器30也可以具有其他数量的相线，例如两个相线。在本发明的范围内，整流器30也可以直接连接到AC电网20，而其间没有连接变压器31。
在图2a中，示出了根据本发明的连接电路1的第一实施方式。连接电路1包括具有用于与DC源10连接的两个输入连接端5.1、5.2的输入端5和具有用于连接电解器40的两个输出连接端6.1、6.2的输出端6。特别地，DC源10可以是在输入侧与AC电网20连接的AC/DC转换器37。连接电路1的输入连接端5.1、5.2中的一个经由预充电电阻2和断路开关3的串联电路与输出连接端6.1、6.2中的相应的一个连接。与串联电路并联地布置有另一断路开关4。此外，连接电路1还包括测量单元8，该测量单元具有用于检测施加在输出端6处并且因此也施加在电解器40处的DC电压UEl的电压传感器9.2和用于检测施加在输入端5处的DC电压UQ的另一电压传感器9.2。附加地，测量单元8具有用于检测流经输出端6的电流I(t)的电流传感器9.1。断路开关3和另一断路开关4由连接电路1的控制单元7控制。此外，控制单元7被设置用于与测量单元8通信并且驱动测量单元8，这通过所示的虚线控制线路来表示。
在电解器40的正常操作模式中，连接电路1的另一断路开关4持续闭合，使得电解器40与DC源10低电阻地连接。在此，断路开关3可以是打开的或同样是闭合的。在电解器40的待机操作模式中，另一断路开关4持续打开。断路开关3以定时方式闭合和再次打开。在此，可以根据在输出端6处检测到的并且因此施加在电解器40的输入端41处的DC电压UEl，定时打开和闭合断路开关3。通过这种方式，可以实现电解器的输入电压UEl的两点控制，这导致了如结合图4所详细阐述的电解器的输入电压UEl的时间曲线。
在图2b中，示出了根据本发明的连接电路1的第二实施方式，该第二实施方式与根据图2a的连接电路的第一实施方式有许多共同之处。因此，在下文中将主要解释与连接电路的第一实施方式的不同之处，而关于共同之处请参考对图2a的论述。
根据第二实施方式，连接电路1被实施为DC/DC转换器，特别是被实施为降压转换器14。在此，连接电路1的第一输入连接端5.1经由断路开关3和电感11的串联电路与相应的输出连接端6.1连接。断路开关3在图2b中被实施为有源可控半导体开关并且通过控制单元7来驱动。此外，连接电路1还具有另一半导体开关12，该半导体开关12将断路开关3与电感11之间的连接点13与连接电路1的另一输入连接端5.2连接起来。在图2b中，另一半导体开关12被设计成有源可控半导体开关，该半导体开关同样由控制单元7驱动。但对此可替代地，将另一半导体开关12实施为二极管。连接电路1的另一断路开关4被设计成机电断路开关，并且与由断路开关3和电感11构成的串联电路并联地布置。
在电解器40的待机操作模式期间，通过适当地驱动断路开关3和另一半导体开关12，施加在输入端5处的DC电压UQ可以转换为施加在输出端6处的DC电压UEl。在此，另一断路开关4持续打开，并且通过定时操作断路开关3和另一半导体开关12，保持输出电压UEl高于第一电压阈值UTH,1。在正常操作模式期间，另一断路开关4持续闭合，使得第一输入连接端5.1与第一输出连接端6.1低阻抗地连接。另一半导体开关12在正常操作模式中持续打开。
在图3中，示出了图1的有源受控整流器30的AC/DC转换器37的实施方式。对应于图1的整流器30，AC/DC转换器37示例性地被设计成三相AC/DC转换器37，而没有单独的中性线连接端，并且包括具有总共三个桥臂51的转换器电路50。每个桥臂51具有两个串联连接的半导体开关52，给每个半导体开关分配有一个反并联连接的续流二极管53。续流二极管53可以被设计成相应的半导体开关52的本征二极管，或者被设计成单独的二极管。半导体开关52可以是MOSFET或IGBT半导体开关。对应于转换器电路50的三相设计方案，AC/DC转换器37的AC转换器输入端37.1包括三个输入连接端，输入连接端分别连接到分配给它们的桥臂51的两个半导体开关52的连接点54。AC/DC转换器37的DC转换器输出端37.2包括正输出连接端(+)和负输出连接端(-)。
AC/DC转换器37被设计成在转换功率时将有功功率P(t)从其AC转换器输入端37.1输送到其DC转换器输出端37.2，必要时也沿相反方向从其DC转换器输出端37.2输送到其AC转换器输入端37.1。此外，AC/DC转换器37还可以被设计成在AC/DC转换器37的AC转换器输入端37.1和与AC转换器输入端37.1连接的AC电网20(在图3中未明确示出)之间交换无功功率Q(t)。为了功率转换的目的，半导体开关52由整流器的(在图3中未明确示出的)GR控制单元39适当地驱动。在此，经转换的DC电压UW的电平(换句话说，DC电压范围)可以采用介于最小DC电压UW,min和最大直流电压UW,max之间的值。最小DC电压UW,min通过续流二极管53被限制到一值，该值(除续流二极管53的正向电压之外)与施加在AC转换器输入端37.1处的AC电压的振幅
相对应。由于续流二极管53，转换器电路50能够在DC转换器输出端37.2处产生DC电压UW，该DC电压UW大于而不小于，至少不明显小于在输入侧施加的AC电压的振幅
在此，转换损耗随着施加在输出侧的DC电压UW与在输入侧施加的AC电压的振幅
的比的增加而增加。为了减少在高DC电压时的转换损耗，AC转换器输入端37.1处的AC电压以及因此DC转换器输出端37.2处的最小DC电压可以高于电解器的空载电压ULL。这例如可以通过变压器31的相应设计来实现，AC/DC转换器37经由该变压器与AC电网29连接。
在图3中，示例性地示出了仅有两级电压的两级转换器电路50。但在本发明的范围内，也可以是具有两级以上电压的转换器电路50，例如三级或五级转换器电路。此外，在本发明的范围内，转换器电路可以被设计成中点电路。在此，DC转换器输出端37.2的输出连接端，例如负输出连接端(-)可以与和AC转换器输入端37.1连接的变压器31的中点抽头连接。可替代地，负输出连接端(-)也可以与AC电网20的中性线连接。
图4示出了根据本发明的方法的实施方式的、在从电解器40的待机操作模式转换到其正常操作模式期间电解器40的输入电压UEl的时间曲线。此外，在图4中还示出了在使用图2a的连接电路1的情况下，输入电压UEL在时间上布置在过渡之前的待机操作模式中和在时间上布置在过渡之后的正常操作模式中可能出现的时间曲线。
在待机操作模式中，输入电压UEl作为时间函数具有锯齿状的曲线，该曲线在(由第一电压阈值UTH,1形成的)下限值和上限值之间移动。在此，如此选择上限值，使得该上限值对应于电解器40的空载电压ULL的95％。由于在连接电路1的另一断路开关4持续打开的情况下，断路开关3定时的闭合和打开，产生锯齿状的曲线。锯齿状的曲线包括电解器40的临时充电阶段，其中输入电压UEl上升。在此，借助连接电路1的闭合的断路开关3和由此实现的流经预充电电阻2的电流I(t)对分配给电解器40的电容进行充电。输入电压UEl上升之后是放电阶段，并伴有电压下降。电压下降是由电解器40内无法完全防止的泄漏电流而产生的。在图4中，示出的电压下降的斜率纯粹是示例性的，并且根据出现的泄漏电流的大小，斜率也可以明显小于图4中所示的斜率。
在时间点t0，例如通过包括电解设备60的耗电装置的能量管理系统，向有源受控整流器30发出信号：电解器40应置于其正常操作模式中。为此，连接电路1的另一断路开关4闭合，并且电解器40与DC源10低电阻地连接，该DC源10由AC/DC转换器37与连接在上游的AC电网20形成。同时，AC/DC转换器37的半导体开关52通过GR控制单元39驱动，使得AC/DC转换器37在DC转换器输出端37.2处具有DC电压，该DC电压对应于在正常操作模式下其输入电压的期望的电压理论值UEl,Soll。由于电解器40的输入电压UEl在待机操作模式中已经接近空载电压ULL，因此在达到电压理论值UEl,Soll之前，仅需显著降低的电压变化，并且因此也仅需显著减少的输送到电解器40中的电荷。因此，相对于电解器从0V开始的预充电，待机操作模式和正常操作模式之间的第一过渡持续时间Δt1显著减少。这同样适用于电解器40从正常操作模式过渡到待机操作模式期间的第二过渡持续时间Δt2。
如果使用根据图2b的第二实施方式代替连接电路1的第一实施方式，则得到与图4所示的时间曲线相似的时间曲线。然而，待机操作模式中的锯齿状曲线可以有极小的且可忽略的电压差别，因此在那里可以近似设定时间上恒定的DC电压。
参考标记列表
1 连接电路
2 预充电电阻
3 断路开关
4 断路开关
5 输入端
5.1,5.2 输入连接端
6 输出端
6.1,6.2 输出连接端
7 控制单元
8 测量单元
9.1 电流传感器
9.2 电压传感器
10 DC源
11 电感
12 半导体开关
13 连接点
14 降压转换器
20 AC电网
30 整流器
31 变压器
33 AC输入端
34 DC输出端
35 AC分离单元
36 滤波器单元
37 AC/DC转换器
37.1 AC转换器输入端
37.2 DC转换器输出端
39 整流器(GR)-控制单元
40 电解器
41 (电解器的)输入端
50 转换器电路
51 桥臂
52 半导体开关
53 续流二极管。
Claims (20)
1.一种用于操作电解器(40)的方法，所述电解器被设计和设置成借助于电解反应从水中产生氢，并且所述电解器经由有源受控整流器(30)由交流电压(AC)电网(20)供电，所述方法包括以下步骤：
在输入电压UEl高于空载电压ULL的情况下，以正常操作模式操作所述电解器(40)，所述电解器(40)的行为主要是电阻性的，
在输入电压UEl低于空载电压ULL的情况下，以待机操作模式操作所述电解器(40)，所述电解器(40)的行为主要是电容性的，以及
在第一过渡持续时间Δt1期间，从所述待机操作模式过渡到所述正常操作模式，其中，在所述待机操作模式期间，通过使所述电解器(40)的输入端(41)处的所述输入电压UEl保持高于不为0V的第一电压阈值UTH,1来减少所述第一过渡持续时间Δt1。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压阈值UTH,1对应于所述空载电压ULL的值的至少80％，优选所述空载电压ULL的值的至少90％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述待机操作模式中，使所述电解器(40)的输入端(41)处的所述输入电压UEl保持比所述空载电压ULL低至少5％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
在第二过渡持续时间Δt2期间，从所述正常操作模式过渡到所述待机操作模式，其中，通过在所述待机操作模式期间使所述电解器(40)的输入端(41)处的所述输入电压UEl保持高于不为0V的第一电压阈值UTH,1来减少所述第二过渡持续时间Δt2。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述待机操作模式下，通过经由预充电电阻(2)和/或电感(11)以定时方式将所述电解器的输入端(41)与分配给所述整流器(30)的AC/DC转换器(37)的DC转换器输出端(37.2)连接，使所述电解器的所述输入电压UEl保持高于所述第一电压阈值UTH,1。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，借助于两点控制实现所述电解器(40)的输入端(41)与所述DC转换器输出端(37.2)的定时连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述AC/DC转换器(37)的DC转换器输出端(37.2)处的最小DC电压UW,min高于所述电解器(40)的所述空载电压ULL。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电解器(40)附加地在预设的边界条件下在维护操作模式中操作，在所述维护操作模式中，所述电解器(40)的所述输入电压UEl低于危险临界电压值，特别是为0V。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电解器(40)被分配给耗电装置，例如分配给工业设备，并且其中，所述电解器(40)的操作和/或向所述电解器(40)供电的部件的操作经由耗电装置的执行能量管理的控制单元来控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电解器(40)的所述正常操作模式和所述待机操作模式之间的至少一次切换是在计算时间段期间进行的，目的是不超过耗电装置和能源供应商之间针对所述计算时间段约定的最大能量ΔE。
11.一种在DC源(10)和电解器(40)之间的连接电路(1)，特别是在AC/DC转换器(37)的DC转换器输出端(37.2)与电解器(40)之间的连接电路(1)，所述AC/DC转换器的AC转换器输入端(37.1)与AC电网(20)连接，所述连接电路包括：
输入端(5)，所述输入端具有用于将所述连接电路(1)与所述DC源(10)连接的两个输入连接端(5.1、5.2)；以及输出端(6)，所述输出端具有用于将所述连接电路(1)与所述电解器(40)的输入端(41)连接的两个输出连接端(6.1、6.2)，
由预充电电阻(2)和断路开关(3)构成的串联电路或者由电感(11)和断路开关(3)构成的串联电路，其中，所述串联电路将所述输入连接端(5.1、5.2)中的一个与所述输出连接端(6.1、6.2)中的相应的一个连接，
另一断路开关(4)，所述另一断路开关与所述预充电电阻(2)、所述电感(11)并联地布置或者与所述串联电路并联地布置，
测量单元(8)，其用于确定施加在所述输出端(6)处的DC电压UEl和施加在所述输入端(5)处的DC电压UQ之间的电压差，以及
控制单元(7)，其用于控制所述连接电路(1)，特别是控制所述断路开关(3)和所述另一断路开关(4)，
其特征在于，
所述连接电路(1)被设计和设置成结合所述DC源以及必要时结合耗电装置的执行能量管理的控制单元，根据前述权利要求中任一项所述的方法来操作所述电解器(40)。
12.根据权利要求11所述的连接电路(1)，其中，所述断路开关(3)包括半导体开关和/或电磁开关。
13.根据权利要求11或12所述的连接电路(1)，其中，所述另一断路开关(4)由机电开关形成，所述机电开关可选地与半导体开关并联连接。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的连接电路(1)，其中，所述串联电路通过所述断路开关(3)和所述电感(11)形成，并且其中，所述连接电路(1)被设计和设置成DC/DC转换器，特别是降压转换器(14)。
15.一种有源受控整流器(30)，用于从具有AC电压的AC电网(20)向电解器(40)供电，所述整流器包括：
AC输入端(33)和DC输出端(34)，所述AC输入端具有用于连接所述AC电网(20)的多个输入连接端，所述DC输出端具有用于连接所述电解器(40)的两个输出连接端；
AC/DC转换器(37)，所述AC/DC转换器具有转换器电路，所述转换器电路包括半导体开关(52)和与所述半导体开关反并联地连接的续流二极管(53)，以及
整流器(GR)控制单元(39)，其用于驱动所述整流器(30)的半导体开关(52)，
其特征在于，
所述整流器(30)还具有根据权利要求11至14中任一项所述的连接电路(1)。
16.根据权利要求15所述的有源受控整流器(30)，其特征在于，所述连接电路(1)的串联电路由所述断路开关(3)和所述预充电电阻(2)形成，并且所述整流器(30)被设计成单级整流器(30)。
17.根据权利要求15所述的有源受控整流器(30)，具有根据权利要求13所述的连接电路(1)，使得所述整流器(30)被设计成两级整流器(30)，所述两级整流器包括布置在所述整流器(30)的所述AC/DC转换器(37)和所述DC输出端(6)之间的DC/DC转换器。
18.一种电解设备(60)，包括根据权利要求15至17中任一项所述的有源受控整流器(30)和连接到所述有源受控整流器(30)的输出侧上的电解器(40)。
19.根据权利要求18所述的电解设备(60)，具有信号装置(42)，所述信号装置被设计成发出所述电解器(40)的当前操作模式的信号，并且其中，所述电解设备(60)可选地还具有阻断装置，所述阻断装置被设计成在所述待机操作模式中并且必要时也在所述正常操作模式中防止与所述电解设备(60)的带电部件的接触。
20.根据权利要求18或19所述的电解设备(60)，其特征在于，所述电解设备(60)被构造成耗电装置的一部分，所述耗电装置通过所述耗电装置的执行能量管理的控制单元来控制。
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