CN219513973U - 用于大电流负载的供电装置和具有供电装置的设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于大电流负载(31)的供电装置(30)。在此，供电装置包括直流电压转换器(32)，其布置在上电压侧和下电压侧(次级侧)之间。本实用新型的特征在于，直流电压转换器包括第一子变流器(33)和第二子变流器(34)，其中子变流器在变流器串联电路中彼此连接在第一和第二初级侧直流电压极之间，其中第二子变流器连接在第一和第二次级侧直流电压极之间，其中子变流器分别具有至少一个交流电压接头，该交流电压接头借助耦合装置(54)彼此连接，从而实现在第一子变流器和第二子变流器之间的电功率的交换，其中次级侧直流电压极被设置为与大电流负载连接。本实用新型还涉及一种用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备(200)，其包括供电装置。

Description

用于大电流负载的供电装置和具有供电装置的设备
技术领域
本实用新型涉及一种用于大电流负载的供电装置。
背景技术
大电流负载是需要多于1kA、尤其多于5kA的大电流的耗电器。关于大电流负载的示例是电弧炉和电解装置。产业规模(尤其在100MW以上的功率范围内)的大电流负载的供电或连接目前大多在使用高压或中压组件和相应的功率电子器件的情况下实施。这尤其包括高压和中压变压器、大电流整流器电路和类似物。然而，目前使用的解决方案不能随功率扩展或者只能有条件地随功率扩展：当功率增加时，用于变压器和整流器电路或功率电子器件的成本的份额比例过大地增加。
连接海上风电场(Offshore-Windpark)以向电解装置供应能量的可能示例在图1和图2中示出。在图1中，由多个风力涡轮机2a-2c组成的风电场1以分散的方式连接。为此，每个风力涡轮机2a-2c通过自己的涡轮机固有的发电机3a-3c和涡轮机固有的变流器4a-4c并且通过与相应的风力涡轮机相关联的变压器5a-5c(具有也相关联的整流器6a-6c)与相应的电解装置7a-7c连接。借助电解装置7a-7c产生的燃气被输送给中央海上燃气终端8并且随后借助合适的燃气运输基础设施(例如燃气管道、LNG油轮或重整甲醇)9运输到陆地。
风电场的中央集成在图2中示出。根据图2的示例，风力涡轮机1a-lc通过中央海上变压器10与中央整流器11连接。中央整流器11供应电能以用于运行电解装置12。在图1和图2中示出的实现示例只能在海上区域中以非常大的开销执行。在这些解决方案中，尤其需要特定于燃气的海上基础设施和下游的加工和运输系统，以便将化学结合的能量从海上区域运输到岸上区域。
根据现有技术的用于电解装置21的供电装置20的示例在图3中示出。供电装置20包括基于晶闸管的变流器22，其可以在交流电压侧借助电网变压器24与交流电压网络连接。变流器电流IDC和变流器电压VDC可以在变流器22的直流电压侧产生并且可以用于为电解装置21供电。可以看出，供电装置20的可扩展性相对有限。随着电解装置21的增加的电连接功率，可以预期在功率电子器件方面的、尤其电网变压器24和变流器22的整流器电路的比例过大地增加的成本。
出于上述原因，存在对在产业规模的大电流负载的能源供应方面的创新解决方案的高需求。
实用新型内容
本实用新型的技术问题在于，提出一种用于大电流负载的供电装置，该供电装置尤其在高功率的情况下尽可能高效且低成本并且尽可能可靠。
根据本实用新型，该技术问题通过一种用于大电流负载的供电装置来解决，该供电装置具有电压转换器，其中，电压转换器包括第一子变流器和第二子变流器，其中，子变流器在变流器串联电路中彼此连接在第一和第二初级侧直流电压极之间，其中，第二子变流器连接在第一和第二次级侧直流电压极之间，其中，子变流器分别具有至少一个交流电压接头，其借助耦合装置彼此连接，从而实现在第一和第二子变流器之间的电功率的交换，其中，次级侧直流电压极被设置为与大电流负载连接。电压转换器的初级侧直流电压极包括初级侧直流电压接头，其用于与初级侧直流电压网络连接。同时，电压转换器的次级侧直流电压极包括次级侧直流电压接头，其用于与次级侧直流电压网络连接。由于变流器串联电路的介电强度大于两个子变流器之一的介电强度，因此初级侧直流电压网络可以具有大于次级侧直流电压网络的运行电压的运行电压。因此可以将初级侧直流电压接头称为上电压侧并且将次级侧直流电压接头称为下电压侧。耦合装置被设置为将存在于第一子变流器处的过剩功率传输到第二子变流器。根据本实用新型的供电装置的一个优点是其在要产生的电压方面以及在要供应的输出电流方面的可扩展性。此外，与现有技术相比，根据本实用新型的供电装置示出更高的功率电子效率和必要时在耦合装置中使用的变压器的更低的电流负载。
第一子变流器适当地包括至少一个第一相支路，该第一相支路在第一初级侧直流电压极和第一次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第一相支路中布置有功率半导体和第一交流电压接头。此外，第二子变流器包括至少一个第二相支路，该第二相支路在第一次级侧直流电压极和第二次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第二相支路中布置有功率半导体和第二交流电压接头，其中，交流电压接头借助耦合装置彼此连接。功率半导体合适地是可控制的可接通和/或关断的功率半导体开关，该功率半导体开关可以借助适当的调节装置或控制装置进行控制。每个相支路中的功率半导体的相应数量基本上是任意的，并且可以适配于相应的应用。供电装置在电压方面的可扩展性尤其由可相应地确定的所使用的功率半导体的数量得出。供电装置在电流方面的可扩展性由以下事实得出：每个子变流器中的相支路的数量基本上也是任意的并且可以适配于相应的应用。为此目的，每个子变流器可以为此包括多个并联连接的例如相同地构造的相支路。
耦合装置合适地包括耦合变压器，其初级侧或初级绕组与第一子变流器的第一交流电压接头连接，并且次级侧或次级绕组与第二子变流器的第一交流电压接头连接。以这种方式，实现了具有交流电压接头之间的电流隔离的两个子变流器的电感耦合。为了能够实现到所连接的交流电压系统中的附加的分支，也可以适当地使用具有相似功能性的三绕组变压器或耦合装置，如下面还要进一步解释的那样。
如上面已经讨论的，供电装置可以特别有利地在大电流负载中使用，该大电流负载是电解装置(或燃料电池)或电弧炉装置。
根据本实用新型的一种实施方式，第二子变流器是电网换相子变流器、尤其是基于晶闸管的子变流器。电网换相变流器的特征尤其在于，换相过程在其运行中通常由所连接的电网确定。电网换相(line-commutated)变流器可以包括能够接通但不能关断的功率半导体。与之相应地，基于晶闸管的子变流器在其相支路中、优选地在每个相支路中包括晶闸管的串联电路。电网换相子变流器的使用有利地允许了鲁棒的系统设计并且可以在特别大的功率范围上进行扩展。
第二子变流器可以是无源子变流器、尤其是基于二极管的子变流器。基于二极管的子变流器在其每个相支路中包括功率二极管的串联电路。通过使用诸如二极管的无源功率半导体可以实现特别鲁棒的系统设计。
根据本实用新型的另一种实施方式，第二子变流器是基于双晶闸管的子变流器(反并联晶闸管)。为此，子变流器在其每个相支路中包括晶闸管开关单元的串联电路，其中，每个晶闸管开关单元具有反并联连接的晶闸管。借助这种双向晶闸管桥可以实现能量反馈。在连接了可逆的电解装置/燃料电池装置的情况下，H2的转换回电能会在工艺过程中导致更低的直流电压，因此此处的特别的优势在于，下电压侧的直流电压可以可变地降低至0kV。
在此应该注意的是，上面讨论的所有电网换相(line-commutated)拓扑都可以设计为六脉冲(sechs-pulsig)，但也可以设计为更高的脉冲(12，18，...)。此外，相应的子变流器可以被设计为具有任意的相数量。
根据本实用新型的一种优选的实施方式，第一子变流器是所谓的模块化多电平变流器(modular multilevelconverter，MMC)。MMC在(每个)相支路中包括开关模块的串联电路。每个开关模块具有可关断的功率半导体和以开关模块电容器形式的能量存储器。开关模块可以在相支路中适当地分组，从而形成两个换流器臂，在这两个换流器臂之间布置有交流电压接头。如果第一子变流器被设计为MMC并且第二子变流器被设计为电网换相变流器或无源变流器，则MMC的优异的电压可扩展性可以以特别有利的方式与第二子变流器的高载流能力相结合。
第一子变流器可以包括开关模块、尤其半桥开关模块，借助该开关模块可以产生单极性的开关模块电压。这类开关模块的特征尤其在于，在其接头处可以产生正的开关模块电压(其对应于存在于相关开关模块的能量存储器处的能量存储器电压)或零电压。这种开关模块的优点是其相对简单的结构和在运行中的相对较低的损耗。在该配置中，可以实现供电装置的特别高的效率。
作为对此的替换，第一子变流器可以包括开关模块、尤其全桥开关模块，借助该开关模块可以产生双极性的开关模块电压。全桥开关模块的特征在于，在其接头处可以产生双极性的电压、即正的和负的开关模块电压。开关模块电压的量值基本上对应于存在于全桥开关模块的能量存储器处的能量存储器电压。这类开关模块具有优点，即在必要时能够建立反电压。因此，可以防止或避免下电压侧(大电流侧)对直流故障的反馈。因此，以这种方式，在上电压侧发生短路的情况下，可以有利地实现对子变流器的保护。
根据本实用新型的一种实施方式，第一子变流器和第二子变流器都包括半桥开关模块和/或全桥开关模块。如果第一和第二子变流器都基于晶体管或设计为MMC，则次级侧或者说直流下电压侧的直流电压电流和直流电压转换器处的次级侧输出电压都可以几乎最优地设置。此外，可以有利地将电流谐波和电压谐波的份额最小化。作为对此的替换，尤其第二子变流器可以由于相对较低的直流输出电压而被设计为现有技术中已知的2电平或3电平变流器。
可能有利的是，设置直流电压断路器，该直流电压断路器与初级侧或上电压侧的直流电压极之一连接。这种直流电压断路器(DC Breaker)可以用于防止在直流电压转换器的上电压侧上的短路。
电压转换器优选地被设计用于初级侧电压与次级侧电压之间的电压变换比为2到20的电压转换。直流电压转换器的功率范围优选地位于1MW和1000MW之间。上电压侧上的直流电压匹配于功率范围地扩展为大约从1kV直至高于1MV边界。
合适地，两个子变流器分别至少双相地设计。因此，第一子变流器包括至少一个第三相支路，该第三相支路在第一初级侧直流电压极和第一次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第三相支路中布置有功率半导体和第三交流电压接头。相应地，第二子变流器包括至少一个第四相支路，该第四相支路在第一次级侧直流电压极和第二次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第四相支路中布置有功率半导体和第二交流电压接头。该布置可以以所示方式相应地扩展到三相或更多相。
根据本实用新型的一种优选的实施方式，耦合装置具有耦合接头，该耦合接头被设置为用于将设备与交流电压网络连接。由此可以将功率与交流电压网络进行交换。以这种方式，可以将供电装置与直流电压网络和交流电压网络连接。耦合接头优选地是耦合变压器的三次绕组。每个子变流器也可以与之相关地设置2绕组变压器而不是3绕组变压器。
考虑到进一步增加下电压侧的连接功率或电压转换器的下电压侧上的直流电流，供电装置或电压转换器可以包括第三子变流器，其在变流器并联电路中与第二子变流器连接。第三子变流器和必要时另外的子变流器可以但不一定必须以与第二子变流器相同的方式设计。
本实用新型还涉及一种用于将电能转换为化学能以产生氢气/燃气的设备。这样的过程例如可以存在于电解中，在电解中，电能被转换为作为化学能的能量载体的燃气。燃气例如可以是氢气。在电解之后，所产生的燃气借助相应的管线(例如管道)输送到消耗地点。
这种设备可以在前面已经描述的将风电场连接到电解装置的语境中使用。
本实用新型要解决的技术问题是，说明一种这样的设备，其在制造和运行中尽可能低成本并且尽可能可靠。
根据本实用新型，该技术问题通过一种用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备来解决，该设备包括能量产生装置以及根据本实用新型的供电装置，借助该能量产生装置可以提供电能并且借助直流电传输线路可以传输电能，其中，供电装置在初级侧与直流电传输线路连接。根据本实用新型的设备的优点尤其由根据本实用新型的供电装置的已经提及的优点得出。
能量产生装置适当地包括整流器，能量产生装置借助该整流器与直流电传输线路连接。因此，电能首先被馈入到交流电压网络中并且借助整流器转换为直流电压。这实现了例如风电场的连接，该风电场通常产生交流电压。整流器也可以是单向整流器、例如二极管整流器。
根据本实用新型的一种实施方式，直流电压转换器的耦合装置具有与供电网络连接的耦合接头。因此，供电装置可以在初级侧与整流器连接并且在次级侧与电解装置连接。附加地，供电装置可以与供电网络连接。以这种方式，使得能够将通过直流电压网络或直流电压导线传输的能量用于，一方面为电解装置供应能量，另一方面例如在必要时将过剩的能量馈入到供电网络中或者还根据需要进行提取。附加地，可以将化学结合的能量作为电流重新反馈到供电网络中并且将氢气在没有附加的再转换装置的情况下转换回电能(可逆的电解/燃料电池运行)。
附图说明
下面结合图1至图19更详细地阐述本实用新型。
图1示出了连接海上风电场以向电解装置供应能量的示例；
图2示出了连接海上风电场以向电解装置供应能量的示例；
图3示出了根据现有技术的用于电解装置的供电装置的示例；
图4以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第一实施例；
图5以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第二实施例；
图6以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第三实施例；
图7以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第四实施例；
图8以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第五实施例；
图9以示意图示出了用于根据本实用新型的供电装置的开关模块的示例；
图10以示意图示出了用于根据本实用新型的供电装置的开关模块的另一种示例；
图11以示意图示出了用于根据本实用新型的供电装置的子变流器的示例；
图12以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第六实施例；
图13以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第七实施例；
图14以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第八实施例；
图15以示意图示出了根据本实用新型的供电装置的第九实施例；
图16以示意图示出了根据本实用新型的用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备的第一实施例；
图17以示意图示出了根据本实用新型的用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备的第二实施例；
图18以示意图示出了根据本实用新型的用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备的第三实施例；
图19以示意图示出了根据本实用新型的用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备的第四实施例。
具体实施方式
在图4中示出了用于大电流负载的供电装置30。在图4所示的示例中，大电流负载是电解装置31。
供电装置30包括直流电压转换器32。直流电压转换器32包括第一子变流器33和第二子变流器34，其在变流器串联电路中彼此连接，该变流器串联电路在第一初级侧直流电压极35和第二初级侧直流电压极36之间延伸。
第一子变流器33三相地设计。该第一子变流器包括第一相支路37、第三相支路38和第五相支路39。三个相支路37-39分别将第一初级侧直流电压极35与第一次级侧直流电压极41连接。第一相支路37具有第一交流电压接头40a，第三相支路38具有第三交流电压接头40b，第五相支路39具有第五交流电压接头40c。第一子变流器33是模块化多电平变流器(MMC)。在第一子变流器33的第一变流器臂中布置有开关模块SM的串联电路，该第一变流器臂在第一初级侧直流电压极35和第一交流电压接头40a之间延伸。下面参照图9和图10更详细地讨论根据在此示出的示例的开关模块SM的结构。每个开关模块SM通常包括多个可关断的功率半导体(例如可关断的晶体管)和通常以开关模块电容器的形式的模块固有的能量存储器。在第一交流电压接头40a和第一次级侧直流电压极41之间的第一子变流器33的第二变流器臂包括开关模块SM的另一个串联电路。两个变流器臂还具有臂电感LArm。第一子变流器33的其余两个相支路以与第一相支路37基本上类似的方式构造。
第二子变流器34是基于二极管的、无源的、三相地设计的变流器。该第二子变流器包括第二相支路43、第四相支路44和第六相支路45，其将第一次级侧直流电压极41与第二次级侧直流电压极42连接。三个相支路43-45中的每个相支路分别具有相关联的交流电压接头46a、46b或46c。三个相支路43-45中的每个相支路还具有两个变流器臂：在第一次级侧直流电压极41和分别相关联的交流电压接头46a-c之间的第一变流器臂或上变流器臂，以及在相关联的交流电压接头46a-c和第二次级侧直流电压极42之间的第二变流器臂或下变流器臂。第二子变流器34的每个变流器臂都包括大功率二极管47、48、49、50、51和52的串联电路。
第二初级侧直流电压极53与第二次级侧直流电压极42直接连接。
存在于初级侧直流电压极35、53处的初级侧电压被称为VDC1。存在于次级侧直流电压极41、42处的次级侧电压被称为VDC2。初级侧电流IDC1在初级侧流动，次级侧电流IDC2在次级侧流动。
供电装置30还包括耦合装置54，其用于在子变流器33、34之间的能量交换。耦合装置54将第一子变流器33的交流电压接头40a-c与第二子变流器34的交流电压接头46a-c连接。耦合装置54包括耦合变压器55，其具有连接到第一子变流器33的初级侧或初级绕组56并且具有连接到第二子变流器34的次级侧或次级绕组57。
供电装置30还包括调节装置(但是未图形地示出)，其用于执行电压、电流和/或功率调节。调节装置可以包括控制单元，该控制单元被设置为控制供电装置30的所有可控制的功率半导体。
在图5中示出了另一种供电装置60。相同和相似的部件和元件在图4和图5中设有相同的附图标记。此外，这也适用于下面的图6至图8。为清楚起见，下面仅讨论图4的供电装置30和供电装置60之间的区别。
与供电装置30相比，供电装置60包括直流电压转换器32，其第二子变流器34是基于晶闸管的。这意味着，在三个相支路43-45的每个相支路中或在六个相应的变流器臂的每个变流器臂中都布置有晶闸管61-66的串联电路。
在图6中示出了供电装置70。与图5的供电装置60的区别在于相支路43-45的每个变流器臂中的开关单元71-76(的串联电路)，其分别包括反并联连接的晶闸管。双晶闸管电路(反并联晶闸管)的使用允许能量反馈到所连接的交流电压网络77中，而无需反转直流电压。为此，在耦合变压器55处设置三次绕组78，借助该三次绕组可以将供电装置70与交流电压网络77连接。
在图7中示出了供电装置80。与图6的供电装置70的区别在于，第一子变流器33的开关模块SM具体地被设计为半桥开关模块HB。下面结合图9详细地讨论半桥开关模块HB的结构。
供电装置80还包括直流电压断路器81(DC Breaker)，其布置在第一初级侧直流电压极35处，从而直流电压转换器32通过直流电压断路器81与初级侧直流电压网络或直流电压导线连接。在初级侧直流电压侧发生故障情况(例如短路)时，可以借助直流电压断路器81保护直流电压转换器。
在图8中示出了用于为大电流负载31供电的供电装置82。与前面图中的供电装置的区别在于，两个子变流器33和34都被设计为模块化多电平变流器。相应地，相支路37-39或43-45分别包括开关模块的串联电路，该开关模块分别具有功率半导体开关和开关模块固有的能量存储器。在此，在总共十二个变流器臂的每个变流器臂中都设置有半桥开关模块HB和全桥开关模块FB，该十二个变流器臂分别在直流电压极35、41、42、53之一和交流电压接头40a-c、46a-c之一之间延伸。下面结合图9和图10更详细地讨论半桥开关模块和全桥开关模块的结构。借助全桥开关模块，直流电压转换器32可以在故障情况下得到保护，因为全桥开关模块适于建立反电压，该反电压可以减少或防止通过直流电压转换器32的短路电流。
图9示出了半桥开关模块101。半桥开关模块101具有两个接头X1和X2。接头X1例如可以将半桥开关模块101与另外的半桥开关模块的接头X2连接，从而形成半桥开关模块的串联电路。
半桥开关模块101包括以绝缘栅双极晶体管(IGBT)形式的第一半导体开关102，续流二极管103与该第一半导体开关反并联连接。此外，半桥开关模块101包括以IGBT形式的第二半导体开关104，续流二极管105与该第二半导体开关反并联连接。两个半导体开关102和104的导通方向被整流。第一接头X1布置在两个半导体开关102和104之间的电位点113处。第二接头X2与第二半导体开关104的发射极连接。
以大功率电容器106形式的能量存储器与两个半导体开关102、104并联地布置。在由箭头指示的运行电流方向的情况下，通过适当地控制半导体开关102、104可以接通或桥接电容器106，从而在接头X1、X2处存在开关模块电压Vm，该开关模块电压对应于在电容器106上下降的电压VC或者对应于零电压。
在图10中示意性地示出了全桥开关模块108的示例。全桥开关模块108具有以IGBT形式的第一半导体开关109和以IGBT形式的第二半导体开关111，续流二极管110与该第一半导体开关反并联连接，续流二极管112与该第二半导体开关反并联连接。两个半导体开关109和111的导通方向被整流。全桥开关模块108还包括以IGBT形式的第三半导体开关113和以IGBT形式的第四半导体开关115，续流二极管114与该第三半导体开关反并联连接，续流二极管116与该第四半导体开关反并联连接。两个半导体开关113和115的导通方向被整流。半导体开关109和111及其相关联的续流二极管110、112因此形成串联电路，该串联电路与由半导体开关113、115和相关联的续流二极管114和116形成的串联电路并联连接。以大功率电容器117形式的能量存储器与两个串联电路并联地布置。第一接头X1布置在半导体开关109、111之间的电位点118处，第二接头X2布置在半导体开关113、115之间的电位点119处。
通过适当地控制功率半导体109、111、113和115，可以在给定的电流im的情况下通过开关模块产生在接头X1、X2处下降的开关模块电压Vm，该开关模块电压对应于在电容器117处下降的能量存储器电压VC、对应于在电容器117处下降但具有相反的极性的能量存储器电压或者对应于零电压。
在图11中示出了子变流器120，其可以用作前面附图的直流电压转换器32的第一和/或第二子变流器33或34。子变流器120三相地设计并且包括六个变流器臂121-126，该六个变流器臂分别在直流电压极127、128之一和交流电压接头129-131之一之间延伸。在每个变流器臂121-126中都布置有开关元件的串联电路(在图形上由单个开关元件132表示)，其中，每个开关元件132包括可关断的半导体开关133(如在图中示出的IGBT，或者IGCT、GTO或类似物)和与该半导体开关反并联连接的二极管134。子变流器120通常被称为2电平变流器。
在图12中示出了设计用于双极配置的供电装置130。该供电装置适用于为第一和第二大电流负载131和132供电。
供电装置130包括第一直流电压转换器133和第二直流电压转换器134。第一电压转换器133具有第一变流器串联电路，该第一变流器串联电路具有第一子变流器135和第二子变流器136，该第一子变流器和第二子变流器在第一直流电压极137和第二直流电压极138之间延伸，该第二直流电压极由接地回线或专用金属回路导体(DMR)形成。第一直流电压转换器133被设置为将初级侧电压VDC,I转换为次级侧电压VDC,II。流经第一直流电压转换器133的电流以IDC,I和IDC,II标识。第二直流电压转换器134具有第一变流器串联电路，该第一变流器串联电路具有第三子变流器139和第二子变流器140，该第三子变流器和第二子变流器在第二直流电压极138和第三直流电压极141之间延伸。第二直流电压转换器134被设置为将在所示示例中对应于电压VDC,I的初级侧电压转换为在所示示例中对应于电压VDC,II的次级侧电压。流经第一直流电压转换器133的电流以IDC,I和IDC,II标识。两个直流电压转换器133和134分别具有到外部交流电压网络的交流电压连接142、143。
供电装置150的另一种配置在图13中示出。供电装置150包括具有三个子变流器152-154的直流电压转换器151。供电装置150被设置为将初级侧直流端子电压2*VDC,I转换为次级侧直流端子电压2*VDC,II，以便为大电流负载155供电。特别是从变压器设计的角度来看，供电装置150的设计是有利的。可以看出，在第二或者说中间子变流器153处只需要一个(而不是两个)大电流变压器。
在图14中示出了供电装置160。供电装置将初级侧电压VDC,I转换为次级侧电压VDC,II，以便为大电流负载161供电。在图14中，流经供电装置160的电流在初级侧以IDCI表示并且相应地在次级侧以IDCII表示。
类似于例如图7的供电装置80，供电装置160包括具有两个子变流器163和164的直流电压转换器162。然而，与所述供电装置80区别在于，直流电压转换器162附加地包括另外的子变流器165和166。另外的子变流器165、166布置在与第二子变流器164的并联电路中。由于子变流器的并联电路，可以提供更高的次级侧电流IDC,II，而不用增加各个子变流器本身的载流能力。
图15示出了另一种供电装置170。相同和相似的元件或部件在图14和图15中设有相同的附图标记。为清楚起见，下面仅更详细地讨论供电装置170与图14的供电装置160之间的区别。
与供电装置160的区别在于，示例性地示出的供电装置170包括三个并联连接的次级侧接头173-175，其用于与三个大电流负载161、171和172连接。以这种方式，供电装置170被设置为同时为三个大电流负载161、171和172供电。在此需要注意的是，在直流下电压侧并联连接的系统/大电流负载的数量不限于三个，而是可以可变地根据装置的要求进行扩展。这在电解系统的标准化以及在这种装置的运行管理和维护方面恰好是被认为是有利的。
在图16中示出了用于将电能转换为化学能以产生燃气的示例性设备200。设备200包括能量产生和能量馈入装置201。能量馈入装置201包括风力涡轮机202、203、204，该风力涡轮机具有相关联的发电机205-207、风力涡轮机变流器208-210和中压变压器211-213，风能借助该风力涡轮机转换为电能并且馈入到第一交流电压网络214中。整流器215被提供和设置为将第一交流电压网络214的交流电压转换为直流电压并将其馈入到直流电压网络或直流电压导线/直流电压连接216中。能量馈入装置201可以布置在海上区域中。
被提供为直流电压和直流电流的来自风能的功率通过直流电压连接216传输到陆地(以线222表示)，在陆地上，直流电压借助逆变器217转换为交流电压并且馈入到第二交流电压网络或供电网络218中。该设备还包括所谓的直流斩波器(DC-Chopper)219，其被设置为将过剩的能量转换为损失热量。
该设备还包括供电装置220，其用于为以电解装置形式的大电流负载221供电，借助该电解装置，将电能转换为化学能以产生燃气，其中，化学能存储在所产生的燃气(例如H2)中并且为了进一步的传输而被处理。例如，在图4至图15中示出的供电装置的实施例之一可以用作供电装置220。
在图17中示出了用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备230。相同和相似的元件或部件在图16和图17中设有相同的附图标记。为清楚起见，下面仅更详细地讨论在设备230和图16的设备200之间的区别。此外，这也适用于下面的图18和图19。
与设备200的区别在于，设备230包括被设计为二极管整流器的整流器231。这尤其在整流器的制造、安装和运行成本方面具有优势。
在图18中示出了类似于图17的设备230的设备240。与设备230的区别在于，在设备240中省去了直流斩波器。取而代之的是供电装置241，该供电装置被设置为在次级侧与大电流负载242以及用于存储电能的装置243(超级电容器(Super-Caps)或高性能电池系统)或用于热量存储或热量耦合输出的系统连接。上面提及的装置243具有用于缓冲功率不平衡的高度动态特性在此是特别有利的。
在图19中示出了类似于图18的设备240的特别有利的设备250。与设备240的区别在于，在设备250中，具有用于纳入大电流应用252的装置251的完全集成的装置方案附加地承担了逆变器的作用，用于将直流电压转换为交流电压以馈入到供电网络218中(借助高压变压器253)。
同时，装置251除了大电流应用252之外与装置254连接，以用于将直流功率转换为可继续使用的能量。
装置252和254具有用于缓冲功率不平衡的高度动态特性在此是特别有利的。装置252和254的双向负载流特性也是特别有利的。
尤其为了电力和燃气市场的柔性化并实现完全集成的部门耦合，装置252被设置为不仅用于电解运行并且用于燃料电池运行是特别有利的。在此，“质子交换膜(ProtonExchange Membrane，PEM)”电解或所谓的高温电解的高动态特性是特别有利的。
为此，具有双向负载流装置的装置251的根据本实用新型的电路拓扑是特别有利的。

Claims (20)

1.一种用于大电流负载(31)的供电装置(30)，具有电压转换器(32)，其特征在于，所述电压转换器(32)包括第一子变流器(33)和第二子变流器(34)，其中，所述子变流器(33，34)在变流器串联电路中彼此连接在第一和第二初级侧直流电压极(35，36)之间，其中，所述第二子变流器(34)连接在第一和第二次级侧直流电压极(41，42)之间，其中，所述子变流器分别具有至少一个交流电压接头(40a-c，46a-c)，所述交流电压接头借助耦合装置(54)彼此连接，从而实现在所述第一子变流器和所述第二子变流器之间的电功率的交换，其中，所述次级侧直流电压极(41，42)被设置为与所述大电流负载(31)连接，
其中，所述第二子变流器(34)是无源子变流器或者所述第二子变流器(34)是基于双晶闸管的具有反并联晶闸管的子变流器。
2.根据权利要求1所述的供电装置(30)，其特征在于，
-所述第一子变流器(33)包括至少一个第一相支路(37)，所述第一相支路在所述第一初级侧直流电压极(35)和所述第一次级侧直流电压极(41)之间延伸，并且在所述第一相支路中布置有功率半导体和第一交流电压接头(40a)，并且
-所述第二子变流器(34)包括至少一个第二相支路(43)，所述第二相支路在所述第一次级侧直流电压极(41)和所述第二次级侧直流电压极(42)之间延伸，并且在所述第二相支路中布置有功率半导体(47，50)和第二交流电压接头(46a)，其中，
-所述交流电压接头(40a，46a)借助所述耦合装置(54)彼此连接。
3.根据权利要求1或2所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述耦合装置(54)包括耦合变压器(55)，所述耦合变压器的初级侧(56)与所述第一子变流器(33)的第一交流电压接头(40a-c)连接并且次级侧(57)与所述第二子变流器(34)的第一交流电压接头(46a-c)连接。
4.根据权利要求1或2所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述大电流负载(31)是电解装置或电弧炉装置。
5.根据权利要求1或2所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述第一子变流器(33)是模块化多电平变流器。
6.根据权利要求1或2所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述第一子变流器(33)包括开关模块，借助所述开关模块能够产生单极性的开关模块电压。
7.根据权利要求1或2所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述第一子变流器(33)包括开关模块，借助所述开关模块能够产生双极性的开关模块电压。
8.根据权利要求1或2所述的供电装置(82)，
其特征在于，所述第一子变流器和所述第二子变流器(33，34)都包括半桥开关模块(43)和/或全桥开关模块(VB)。
9.根据权利要求1或2所述的供电装置(80)，
其特征在于，设置直流电压断路器(81)，所述直流电压断路器与初级侧直流电压极之一连接。
10.根据权利要求1或2所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述电压转换器被设计用于初级侧电压与次级侧电压之间的电压变换比为2到20的电压转换。
11.根据权利要求1或2所述的供电装置(30)，
其特征在于，两个子变流器(33，34)分别至少双相地设计。
12.根据权利要求1或2所述的供电装置(70)，
其特征在于，所述耦合装置(54)具有耦合接头(78)，所述耦合接头被设置为用于将设备与交流电压网络(77)连接。
13.根据权利要求12所述的供电装置(70)，
其特征在于，所述耦合接头(78)是耦合变压器(55)的三次绕组。
14.根据权利要求1或2所述的供电装置(160)，
其特征在于，所述供电装置(160)包括第三子变流器(165)，所述第三子变流器在变流器并联电路中与所述第二子变流器(164)连接。
15.根据权利要求1所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述第二子变流器(34)是基于二极管的子变流器。
16.根据权利要求6所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述开关模块是半桥开关模块。
17.根据权利要求7所述的供电装置(30)，
其特征在于，所述开关模块是全桥开关模块。
18.一种用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备(200)，其特征在于，所述设备具有
-能量产生装置(201)，借助所述能量产生装置能够提供电能并且借助直流电传输线路(216)能够传输电能，
-根据上述权利要求中任一项所述的供电装置(220)，其中，所述供电装置(220)在初级侧与所述直流电传输线路(216)连接。
19.根据权利要求18所述的设备(200)，
其特征在于，所述能量产生装置包括整流器(215)，所述能量产生装置(201)借助所述整流器与所述直流电传输线路(216)连接。
20.根据权利要求18所述的设备(250)，
其特征在于，电压转换器的耦合装置具有耦合接头(255)，所述耦合接头与供电网络(218)连接。
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