DE102020111556A1 - Verfahren zur erweiterung eines dc-spannungsbereichs eines gleichrichters, gleichrichter zur durchführung des verfahrens und elektrolyseanlage - Google Patents

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Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Erweiterung eines DC-Spannungsbereichs eines Gleichrichters (1) zur Versorgung einer an einen DC-Gleichrichterausgang (8) des Gleichrichters (1) angeschlossenen DC-Last (20) aus einem mit dem Gleichrichter (1) verbundenen AC-Netz (30)- wobei ein AC/DC-Wandler (4) des Gleichrichters (1) eine Wandlerschaltung (40) mit Halbleiterschaltern (41) und dazu antiparallel verschalteten Freilaufdioden (42) umfasst,- wobei zwischen dem AC/DC-Wandler (4) und einem Netzanschlusspunkt (31), über den der Gleichrichter mit dem AC-Netz (30) verbunden ist, eine Induktivität L angeordnet ist,mit den Schritten:- Einstellen einer gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Sollam DC-Ausgang (4.2) des AC/DC-Wandlers (4) und/oder am DC-Gleichrichterausgang (8) durch Ansteuern der Halbleiterschalter (41) des AC/DC-Wandlers (4),- wobei, wenn die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Sollunter einem Wert einer Amplitude Û4einer Wechselspannung am AC-Eingang (4.1) des AC/DC-Wandlers (4) liegt, die Halbleiterschalter (41) des AC/DC-Wandlers (4) zum Austausch einer Blindleistung Q1(t) mit dem AC-Netz (30) angesteuert werden, die spannungssenkend auf die Amplitude Û4der AC-Spannung wirkt. Die Anmeldung umfasst weiterhin einen Gleichrichter (1) zur Durchführung des Verfahrens und eine Elektrolyseanlage (50) mit einem derartigen Gleichrichter (1).

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erweiterung eines DC-Spannungsbereiches eines Gleichrichters, einen Gleichrichter zur Durchführung des Verfahrens und eine Elektrolyseanlage mit einem derartigen Gleichrichter.
  • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Wasserstoff kann durch eine Elektrolysereaktion erfolgen, bei der Wasser in einem Elektrolyseur in seine Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird. Eine Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion wird dabei über eine an einem Eingang des Elektrolyseurs anliegende DC-Spannung eingestellt. Dabei wird die DC-Spannung üblicherweise durch einen Gleichrichter erzeugt, der eingangsseitig mit einem Wechselspannungs (AC) - Netz und ausgangsseitig mit dem Elektrolyseur als DC-Last verbunden ist. Als Gleichrichter werden oftmals aktiv gesteuerte einstufige Gleichrichter verwendet. Dabei umfasst eine Wandlerschaltung eines dem Gleichrichter zugeordneten AC/DC-Wandlers mehrere Halbleiterschalter, die jeweils eine antiparallel mit den Halbleiterschaltern verbundene Freilaufdiode aufweisen. Die antiparallel verschalteten Freilaufdioden führen dazu, dass eine minimale DC-Spannung am DC-Ausgang der AC/DC-Wandlers auf einen Wert einer Amplitude einer eingangsseitig an dem AC/DC-Wandler anliegenden Wechselspannung beschränkt ist. Mit anderen Worten, die minimale DC-Spannung am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers entspricht der Amplitude der eingangsseitig an dem AC/DC Wandler anliegenden Wechselspannung. Dies gilt zumindest für eine überwiegend kapazitive DC-Last am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers, die glättend auf die DC-Spannung wirkt, so dass ein Spannungsripple am DC-Ausgang vernachlässigbar ist. Mit steigendem ohmschen Anteil der DC-Last tritt der Spannungsripple am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers mehr hervor und die minimale DC-Spannung verschiebt sich zu geringfügig kleineren Werten. In diesem Fall ist es üblicherweise ausreichend, die minimale DC-Spannung am DC-Ausgang mit dem sogenannten Gleichrichtwert zu beschreiben. Der Gleichrichtwert entspricht dem arithmetischen Mittelwert der gleichgerichteten DC-Spannung und ist abhängig von der jeweils verwendeten Topologie des Gleichrichters, insbesondere dessen AC/DC-Wandlers.
  • Herkömmliche Elektrolyseure weisen üblicherweise eine sie charakterisierende Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) auf. Die I-U-Kennlinie lässt sich in zwei Bereiche aufteilen. Bei einer am Eingang des Elektrolyseurs anliegenden DC-Spannungen unterhalb einer kritischen Spannung Ucr erfolgt noch keine Elektrolysereaktion und damit auch kein stationärer Stromfluss. Vielmehr zeigt der Elektrolyseur hier ein vorwiegend kapazitives Verhalten, das durch eine Ausbildung von Doppelschichten in den Elektrolysezellen hervorgerufen wird. Erst bei Überschreitung der kritischen Spannung Ucr stellt sich eine Elektrolysereaktion ein, deren Geschwindigkeit mit zunehmender DC-Spannung steigt. In diesem Bereich fließt ein stationärer Strom, der die Elektrolysereaktion vorantreibt und der Elektrolyseur verhält sich hier vorwiegend wie eine ohmsche Last. Die maximal erlaubte DC-Spannung UDC,max ist durch eine Nennleistung oder Bauteileigenschaften des Elektrolyseurs begrenzt. Die Werte für die kritische Spannung Ucr und die maximal erlaubte DC-Spannung UDC,max sind abhängig von der Bauart des Elektrolyseurs und daher üblicherweise von Typ zu Typ verschieden.
  • Generell ist es wünschenswert, den Elektrolyseur mittels des Gleichrichters in einem gesamten Betriebsbereich für die am Eingang anliegende DC-Spannung, zumindest jedoch in einem Bereich knapp unterhalb der kritischen Spannung Ucr bis hin zu der maximal erlaubten DC-Spannung UDC,max stufenlos einstellen und betreiben zu können. Zusätzlich ist es gewünscht, hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und die damit verbundenen hohen DC-Spannungen am Eingang des Elektrolyseurs mit möglichst geringen Umwandlungsverlusten des Gleichrichters zu erzeugen. Um bei den einstufigen Gleichrichtern nun eine DC-Spannung am DC-Gleichrichterausgang unterhalb der kritischen Spannung Ucr zu generieren, kann, z.B. mittels eines Transformators die Amplitude der Wechselspannung am AC-Eingang der Wandlerschaltung auf einen entsprechend niedrigen Wert eingestellt werden. Daraus resultieren dann jedoch hohe Umwandlungsverluste, wenn im Betrieb des Elektrolyseurs hohe DC-Spannungen am DC-Gleichrichterausgang benötigt werden.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Schrift WO 2013 160486 A2 , ist ein Verfahren zur Spannungskorrektur an einem Verknüpfungspunkt eines AC-Netzes bekannt, über den eine regenerative Erzeugungsanlage mit dem AC-Netz verbunden ist. Dabei wird bei einer Abweichung einer Amplitude der Wechselspannung von ihrem zugeordneten Nominalwert Blindleistung zwischen der regenerativen Erzeugungsanlage und dem AC-Netz ausgetauscht. Die ausgetauschte Blindleistung wirkt in netzstützender Weise der Abweichung entgegen und verfolgt das Ziel, die Abweichung zu minimieren.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erweiterung eines DC-Spannungsbereiches eines aktiv gesteuerten, insbesondere eines einstufigen Gleichrichters anzugeben, mit dem eine DC-Spannung am DC-Ausgang des einstufigen Gleichrichters einerseits auf Werte knapp unterhalb einer kritischen Spannung Ucr eingestellt werden kann, selbst wenn die kritische Spannung einen Nominalwert der Amplitude der Wechselspannung unterschreitet. Dabei soll zusätzlich ein Einstellen hoher DC-Spannungen am DC-Gleichrichterausgang mit möglichst geringen Umwandlungsverlusten möglich sein. Das Verfahren soll möglichst einfach und kostengünstig durchführbar sein. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Gleichrichter, sowie eine Elektrolyseanlage mit einem derartigen Gleichrichter aufzuzeigen.
  • Lösung
  • Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Gleichrichter aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Die Aufgabe, eine Elektrolyseanlage mit einem derartigen Gleichrichter aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9, vorteilhafte Ausführungsformen des Gleichrichters in den Ansprüchen 11 bis 13 aufgeführt. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Elektrolyseanlage ist in dem Anspruch 15 wiedergegeben.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zielt auf eine Erweiterung eines DC-Spannungsbereichs eines Gleichrichters zur Versorgung einer an einen DC-Gleichrichterausgang angeschlossenen DC-Last aus einem Wechselspannungs (AC)
    • - Netz, wobei ein AC-Gleichrichtereingang des Gleichrichters über einen Netzanschlusspunkt mit dem AC-Netz verbundenen ist. Dabei weist der Gleichrichter einen AC/DC-Wandler mit einem AC-Eingang und einem DC-Ausgang auf, der eine Wandlerschaltung mit Halbleiterschaltern und dazu antiparallel verschalteten Freilaufdioden umfasst. Der AC-Eingang des AC/DC-Wandlers ist - gegebenenfalls über eine AC-Trenneinheit - mit dem AC-Gleichrichtereingang, der DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers mit dem DC-Gleichrichterausgang - gegebenenfalls über eine DC-Trenneinheit - verbunden. Zwischen dem AC-Eingang des AC/DC-Wandlers und dem Netzanschlusspunkt ist eine Induktivität L angeordnet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • - Einstellen einer gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers und/oder am DC-Gleichrichterausgang durch Ansteuern der Halbleiterschalter des AC/DC-Wandlers,
    • - wobei, wenn die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Soll unter einem Wert der Amplitude Û4 einer Wechselspannung am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers liegt, die Halbleiterschalter des AC/DC-Wandlers derart zum Austausch einer Blindleistung Q1(t) mit dem AC-Netz angesteuert werden, dass der Austausch der Blindleistung Q1(t) spannungssenkend auf die Amplitude Û4 am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers - und somit auch am AC-Eingang der Wandlerschaltung - wirkt. Durch die spannungssenkende Wirkung wird die Amplitude Û4 der Wechselspannung der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert. Dabei erfolgt die Annäherung der Amplitude Û4 an die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Soll derart, dass die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Soll auch erreicht wird, sofern ein erlaubter Austausch an Blindleistung mit dem AC-Netz, beispielsweise aufgrund einer Vorgabe eines Betreibers des AC-Netzes, die Annäherung nicht begrenzt.
  • Bei dem Gleichrichter kann es sich insbesondere um einen einstufigen Gleichrichter handeln, der frei von einem zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC-Gleichrichterausgang angeordneten DC/DC-Wandler ist. Der Gleichrichter kann ACseitig lediglich einen Phasenanschluss, alternativ aber auch mehrere Phasenanschlüsse aufweisen. Da der AC-Eingang des AC/DC-Wandlers dem AC-Eingang der Wandlerschaltung entspricht, zumindest jedoch niederimpedant mit ihm verbunden ist, entspricht auch die an dem AC-Eingang des AC/DC-Wandlers anliegende Amplitude Û4 derjenigen Amplitude, die am AC-Eingang der Wandlerschaltung anliegt.
  • Bei der Amplitude Û4 der am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers anliegenden AC-Spannung, wie auch bei der Amplitude Û7 der am AC-Gleichrichtereingang des Gleichrichters anliegenden AC-Spannung, kann es sich jeweils um die Amplitude der an einem Phasenleiter herrschenden Wechselspannung relativ zu einem Mittel- oder Sternpunkt eines Transformators, also die Amplitude der Sternspannung handeln. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Wandlerschaltung des AC/DC - Wandlers als eine Mittelpunktschaltung ausgelegt ist. In diesem Fall kann ein Ausgangsanschluss des DC Ausgangs mit dem Mittelpunkt des Transformators oder einem Neutralleiter des AC-Netzes verbunden sein. Alternativ kann es sich bei der Amplitude Û4 der am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers anliegenden AC-Spannung aber auch um die Amplitude einer zwischen zwei Phasenleitern des AC-Netzes herrschenden Wechselspannung, also um die Amplitude der verketteten Spannung handeln. Das gleiche gilt so auch für der Amplitude Û7 der an dem AC-Gleichrichtereingang des Gleichrichters anliegenden AC-Spannung. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Wandlerschaltung des AC/DC-Wandlers als sogenannte Brückenschaltung ausgelegt ist. In diesem Fall wird ein Transformator mit Mittelpunktanzapfung gar nicht benötigt, da ein Strom nur zwischen den Phasenleitern des AC-Netzes fließt. Beispielsweise sind bei einem dreiphasigen AC-Netz die Amplituden der Sternspannung und der verketteten Spannung über den Verkettungsfaktor √3 miteinander verknüpft.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Erkenntnis, dass ein Austausch von Blindleistung zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Netz über die dazwischen angeordnete Induktivität L eine Änderung in der Amplitude Û4 der an dem AC-Eingang des AC/DC-Wandlers anliegenden AC-Spannung bewirkt. Konkret kann die Amplitude Û4 der AC-Spannung über den Austausch einer Art von Blindleistung, beispielsweise induktiver Blindleistung, erniedrigt werden, während sie über den Austausch der komplementären Art von Blindleistung, beispielsweise kapazitiver Blindleistung, erhöht wird. Im Rahmen der Erfindung wird der Austausch der Blindleistung Q1(t) bewusst zur Änderung der Amplitude Û4 der Wechselspannung genutzt, um resultierend daraus die DC-Spannung am DC-Ausgang der Wandlerschaltung und, bei geschlossener DC-Trenneinheit somit auch am DC-Gleichrichterausgang zu beeinflussen. Soll beispielsweise eine DC-Betriebsspannung UDC,Soll am DC- Gleichrichterausgang - und somit auch am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers - eingestellt werden, die kleiner als die Amplitude Û4 der AC-Spannung am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers ist, so erfolgt temporär ein Austausch von Blindleistung Q1(t) mit dem AC-Netz. Dabei fließt ein der Blindleistung Q1(t) zugeordneter Strom über die Induktivität L und wirkt spannungssenkend auf die Amplitude Û4 der AC-Spannung. Auf diese Weise wird die Amplitude Û4 der an dem AC/DC-Wandler anliegenden AC-Spannung erniedrigt. Die erniedrigte Amplitude Û4 erzeugt über die Freilaufdioden der Wandlerschaltung ebenfalls einen erniedrigten Wert der DC-Spannung am DC-Ausgang der Wandlerschaltung und somit am DC-Gleichrichterausgang. Über die Menge an ausgetauschter Blindleistung Q1(t) lässt sich eine prozentuale Erniedrigung oder prozentuale Erhöhung der Amplitude Û4 relativ zu einer anfangs - d.h. vor dem Austausch von Blindleistung - vorhandenen Amplitude Û4 einstellen. Der temporäre Austausch der Blindleistung Q1(t) erfolgt nun so, dass die Amplitude Û4 am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers, und damit die DC-Spannung am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers, der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert wird, und - je nach maximal möglichem oder erlaubtem Austausch von Blindleistung Q1(t) - die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Soll auch erreicht.
  • Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik erfolgt der Austausch der Blindleistung Q1(t) zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Netz nicht mit dem Ziel, einer vorhandenen Abweichung einer Amplitude der AC-Spannung entgegenzuwirken und somit das AC-Netz zu stützen. Entgegen dem Stand der Technik verfolgt der Austausch der Blindleistung Q1(t) hier das Ziel, die Amplitude Û4 bewusst zumindest temporär von ihrem Nominalwert zu entfernen. Die bewusst herbeigeführte Abweichung der Amplitude von ihrem Nominalwert wird erfindungsgemäß dazu genutzt, die DC-Last, insbesondere einen Elektrolyseur, zumindest kurzzeitig mit einer niedrigen DC-Spannung an dessen Eingang zu betreiben, die ansonsten nicht erreicht würde. Die kurzzeitige Änderung der DC-Spannung, hier das Absenken der DC-Spannung, ist somit das eigentliche Ziel des Austauschs der Blindleistung Q1(t). Auf diese Weis wird nämlich ein möglichst lastfreies Verbinden oder Trennen der DC-Last, insbesondere des Elektrolyseurs, von dem Gleichrichter und daher ein schonender Betrieb der Trenneinheiten und auch des Elektrolyseurs ermöglicht.
  • Die Induktivität L ist, zumindest zu einem gewissen Anteil, üblicherweise ohnehin Bestandteil des Gleichrichters. Konkret ist bei den in Frage stehenden Gleichrichtern zur Dämpfung von hochfrequenten Störsignalen ein Filter zwischen dem AC-Gleichrichtereingang und dem AC-Eingang des AC/DC-Wandlers vorgesehen, der eine oder mehrere Filterdrosseln umfasst. Die eine oder mehreren Filterdrosseln können oft ohne, zumindest jedoch mit lediglich geringer Anpassung, als Teil der Induktivität L genutzt werden, über die der Austausch der Blindleistung Q1(t) mit dem AC-Netz erfolgt. Ein zusätzlicher Hardwareaufwand ist somit oft gar nicht, zumindest jedoch nur in geringem Maße erforderlich. Auch hinsichtlich der Halbleiterschalter der Wandlerschaltung ist für den Austausch an Blindleistung Q1(t) keine Hardwareanpassung, sondern allenfalls lediglich eine Software-Anpassung ihres Taktverfahrens erforderlich. Insgesamt ergibt sich eine relativ kostengünstige und aufwandsarme Anpassung eines herkömmlichen Gleichrichters, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
  • In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens weist die Blindleistung Q1(t), die zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Netz ausgetauscht wird, nahezu ausschließlich, zumindest jedoch zu einem überwiegenden Anteil, eine Verschiebungsblindleistung auf. Entsprechend beinhaltet sie keine oder nur einen unvermeidbaren Anteil an Verzerrungsblindleistung. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine gewünschte Sinusform der Wechselspannung auch beim Austausch der Blindleistung Q1(t) beibehalten wird.
  • In einer weiteren Variante des Verfahrens ist es möglich, dass der Austausch der Blindleistung Q1(t) zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Netz erst dann erfolgt, wenn die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,soll um einen bestimmten Differenzwert unterhalb dem Wert der Amplitude Û4 liegt. Beispielsweise kann der Austausch der Blindleistung dann erfolgen, wenn die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,soll zusätzlich zu dem Wert der Amplitude Û4 auch den Gleichrichtwert der Wechselspannung mit der Amplitude Û4 unterschreitet. Auf diese Weise kann bei einer DC-Last mit einem überwiegend ohmschen Anteil ein unnötiger Austausch der Blindleistung Q1(t) und eine damit verbundene gegebenenfalls unerwünschte Netzrückwirkung reduziert werden.
  • In einer Variante, bei der die ausgetauschte Blindleistung Q1(t) spannungssenkend auf die Amplitude Û4 der am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers anliegenden AC-Spannung wirkt, kann der Austausch der Blindleistung Q1(t) mit dem AC-Netz insbesondere in Verbindung mit einem elektrischen Verbinden und/oder in Verbindung mit einem elektrischen Trennen der DC-Last von dem Gleichrichter erfolgen. Der Begriff „in Verbindung mit“ ist hier im Sinne von „während und/oder kurz vor“ zu interpretieren. So kann beispielsweise der Austausch der Blindleistung Q1(t) während und/oder kurz vor dem Verbinden der DC-Last mit dem Gleichrichter erfolgen. Konkret kann bei einem Elektrolyseur als DC-Last die Spannung am Eingang des Elektrolyseurs bis knapp unterhalb der kritischen Spannung Ucr abgesenkt werden. Hierdurch kann das Verbinden, wie auch das Trennen des Elektrolyseurs von dem Gleichrichter möglichst lastfrei und schonend für die jeweilige Trenneinheit erfolgen. Auch ein Starten und/oder Beenden der Elektrolysereaktion kann so sanft und kontrolliert über eine Änderung der ausgetauschten Blindleistung Q1(t) erfolgen. Konkret kann bei einem Start der Elektrolysereaktion die ausgetauschte Blindleistung Q1(t) abnehmen, während gleichzeitig eine gewandelte Wirkleistung P(t) zunimmt. In entsprechender Weise kann bei einem Beenden der Elektrolysereaktion de gewandelte Wirkleistung abnehmen, während gleichzeitig die ausgetauschte Blindleistung zunimmt, um die DC-Spannung am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers weiter abzusenken.
  • Gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens kann der Austausch von Blindleistung Q1(t) nicht nur für eine Erniedrigung, sondern auch für eine Erhöhung der Amplitude Û4 der AC-Spannung genutzt werden. Im letzteren Fall können während einer bestimmten Betriebssituation der DC-Last, beispielsweise wenn die gewünschte DC-Betriebspannung UDC,Soll einen Spannungsschwellwert UTH erreicht oder übersteigt, die Halbleiterschalter des AC/DC-Wandlers derart zum Austausch einer weiteren Blindleistung Q2(t) mit dem AC-Netz angesteuert werden, dass der Austausch der weiteren Blindleistung Q2(t) spannungsanhebend auf die Amplitude Û4 am AC-Eingang der Wandlerschaltung wirkt. Auf diese Weise kann auch hier die Amplitude Û4 der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert werden. Bei der weiteren Blindleistung Q2(t) kann es sich um eine komplementäre Art der Blindleistung Q1(t) handeln. Mit anderen Worten, wenn es sich bei der Blindleistung Q1(t) um induktive Blindleistung handelt, kann es sich bei der weiteren Blindleistung Q2(t) um kapazitive Blindleistung handeln und umgekehrt. Durch den AC/DC-Wandler muss in diesem Fall zeitgleich zur Gleichrichtung der AC-Spannung ein geringeres Hochsetzen auf die am AC-Ausgang des AC/DC-Wandlers anliegende DC-Spannung erfolgen. Dies kann insgesamt zu einer Verringerung der Umwandlungsverluste des AC/DC-Wandlers führen.
  • Der Austausch der Blindleistung Q1(t) und/oder der weiteren Blindleistung Q2(t) kann eine Ermittlung eines Blindleistungs-Sollwertes auf Basis einer bekannten Spannungsänderungscharakteristik u(Q) in Abhängigkeit der zwischen dem AC-Eingang des AC/DC-Wandlers und dem Netzanschlusspunkt des AC-Netzes ausgetauschten Blindleistung Q umfassen. Konkret kann die bekannte Spannungsänderungscharakteristik u(Q)-Abhängigkeit beispielsweise einmalig über eine Messung ermittelt und in einem mit einer Steuerungseinheit des Gleichrichters verbundenen Datenspeicher abgespeichert werden. Alternativ dazu ist es möglich, dass der Austausch der Blindleistung Q1(t) und/oder der weiteren Blindleistung Q2(t) jeweils adaptiv und mittels einer mit der Steuerungseinheit verbundenen Regeleinheit erfolgt. Dabei kann ein Istwert für die am AC-Ausgang des AC/DC-Wandlers anliegende DC-Spannung UDC,4 detektiert werden, der detektierte Istwert mit der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll verglichen werden, und der Austausch der jeweiligen Blindleistung Q1,2 (t) so geregelt werden, dass der Istwert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert wird. Die Regeleinheit kann einen Proportional-Regler, einen Integral-Regler und/oder einen Differential-Regler umfassen.
  • Unabhängig davon, ob der Austausch der Blindleistung Q1(t) und/oder der weiteren Blindleistung Q2(t) nun mittels einer bekannten Spannungsänderungscharakteristik u(Q) oder aber adaptiv mittels einer Regeleinheit erfolgt, kann der Austausch der Blindleistung Q1(t) und/oder der Austausch der weiteren Blindleistung Q2(t) eine Änderung der Amplitude Û4 am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers von mindestens 10%, bevorzugt von mindestens 20%, besonders bevorzugt von mindestens 25% bezogen auf einen nominellen Wert der Amplitude Û4 generieren. Dabei ist die Menge der ausgetauschten Blindleistung Q1,2(t), die notwendig ist, um die entsprechende Änderung der Amplitude Û4 zu generieren, abhängig von dem Wert der Induktivität L zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Netzanschlusspunkt. Unter dem nominellen Wert der Amplitude Û4 ist hier derjenige Wert der Amplitude Û4 zu verstehen, der am AC-Eingang des AC/DC-Wandlers dann anliegt, wenn kein Austausch von Blindleistung Q1,2(t) zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Netz erfolgt.
  • In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann unter vorgegebenen Rahmenbedingungen ein netzdienstlicher Austausch von Blindleistung zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Netz, beispielsweise zum Zweck der Spannungshaltung erfolgen. Konkret kann dabei während eines Zustandes des AC-Netzes, bei dem die Amplitude Û7 der Wechselspannung am AC-Gleichrichtereingang von ihrem Nominalwert abweicht, ein Austausch einer dritten Blindleistung Q3(t) zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Netz erfolgen, die je nach Qualität der dritten Blindleistung Q3(t) eine spannungssenkende oder spannungsanhebende Wirkung auf die Amplitude Û7 der AC-Spannung hervorruft. Zum Zweck der Spannungshaltung ist die dritte Blindleistung Q3(t) dabei so gewählt, dass eine Wirkung auf die Amplitude Û7 resultiert, die der Abweichung von ihrem Nominalwert entgegengerichtet ist. Die vorgegebenen Rahmenbedingungen können ein Rundsteuersignal von und/oder eine vertragliche Vereinbarung mit einem Betreiber des AC-Netzes umfassen.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Induktivität eine zwischen dem AC/DC-Wandler und dem AC-Gleichrichtereingang angeordnete Filterdrossel umfassen, über die die Blindleistung Q1(t) und/oder die weitere Blindleistung Q2(t) mit dem AC-Netz ausgetauscht wird. Alternativ oder kumulativ kann die Induktivität eine Transformatorwicklung einer Sekundärseite eines dem Gleichrichter zugeordneten Transformators umfassen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Gleichrichter über einen Transformator mit dem AC-Netz verbunden ist, wobei der Gleichrichter an die Sekundärseite des Transformators und das AC-Netz an die Primärseite des Transformators angeschlossen ist. In einer derartigen Konfiguration kann zusätzlich an das AC-Netz, also auf der Primärseite des Transformators, zumindest eine weitere zur Blindleistungskompensation geeignete Anlage angeschlossen sein, die als Senke für die von dem AC/DC-Wandler mit dem AC-Netz ausgetauschte Blindleistung Q1(t) und/oder weitere Blindleistung Q2(t) wirkt. Die zur Blindleistungskompensation geeignete Anlage kann koordiniert mit dem Gleichrichter gesteuert werden, so dass deren Austausch von Blindleistung mit dem AC-Netz zeitgleich erfolgt. Indem die weitere Anlage als Senke für die von dem AC/DC-Wandler mit dem AC-Netz ausgetauschte Blindleistung wirkt, kann eine Netzrückwirkung der ausgetauschten Blindleistung auf das AC-Netz eliminiert, zumindest jedoch reduziert werden. Ein Betreiber des AC-Netzes muss daher keine seiner weiteren Anlagen vorhalten, die erforderlichenfalls die Blindleistungskompensation durchführen. Ein erlaubter Anteil an ausgetauschter Blindleistung mit dem AC-Netz kann so gegebenenfalls gesteigert werden.
  • Ein erfindungsgemäßer Gleichrichter wird durch einen aktiv gesteuerten Gleichrichter gebildet, der zur Versorgung einer DC-Last aus einem eine AC-Spannung aufweisenden AC-Netz ausgebildet ist. Der Gleichrichter umfasst:
    • - einen AC-Gleichrichtereingang mit mehreren Eingangsanschlüssen zum Anschluss des AC-Netzes, sowie einen DC-Gleichrichterausgang mit zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschluss der DC-Last, und
    • - einen AC/DC-Wandler, der einen mit dem AC-Gleichrichtereingang verbundenen AC-Eingang, einen mit dem DC-Gleichrichterausgang verbundenen DC-Ausgang, und eine zwischen dem AC-Eingang und dem DC-Ausgang angeordnete Wandlerschaltung aufweist. Die Wandlerschaltung des AC/DC-Wandlers weist aktiv steuerbare Halbleiterschalter und dazu antiparallel verschaltete Freilaufdioden auf. Neben der Gleichrichtfunktion ist der AC/DC-Wandler weiterhin zum Austausch von Blindleistung Q1,2(t) mit dem AC-Netz ausgelegt und eingerichtet. Der Gleichrichter umfasst zudem eine Steuerungseinheit zur Steuerung des AC/DC-Wandlers, insbesondere dessen Halbleiterschalter. Der Gleichrichter ist dadurch gekennzeichnet, dass er zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet ist.
  • Die mehreren Eingangsanschlüsse des Gleichrichters können lediglich einen Phasenanschluss und einen Neutralleiteranschluss umfassen. Alternativ dazu können sie jedoch auch mehrere Phasenanschlüsse und keinen oder einen Neutralleiteranschluss beinhalten. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren aufgeführten Vorteile.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Gleichrichter eine Regeleinheit aufweisen, die in Verbindung mit der Steuerungseinheit ausgelegt und eingerichtet ist, die mit dem AC-Netz ausgetauschte Blindleistung Q1(t), gegebenenfalls auch die weitere Blindleistung Q2(t) so einzustellen, dass die DC-Spannung am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll - möglichst bis auf ein Erreichen der DC-Betriebsspannung UDC,Soll - angenähert wird. Konkret kann dabei die Regeleinheit ausgelegt und eingerichtet sein,
    • - einen am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers und/oder eine am DC-Gleichrichterausgang anliegende DC-Spannung UDC,4 zu detektieren,
    • - die detektierte DC-Spannung UDC,4 mit der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll zu vergleichen, und
    • - in Verbindung mit der Steuerungseinheit den AC/DC-Wandler so zu steuern, dass die detektierte DC-Spannung UDC,4 der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert wird und die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Soll möglichst erreicht. Auf diese Weise ist der AC/DC-Wandler in der Lage, in adaptiver Weise auf eine aktuell vorliegende Spannungsänderungscharakteristik u(Q) zwischen dem AC-Eingang des AC/DC-Wandlers und dem Netzanschlusspunkt zu reagieren, ohne diese vorher ermitteln und gegebenenfalls abspeichern zu müssen. Alternativ ist es aber auch möglich, die Spannungsänderungscharakteristik u(Q) in Abhängigkeit der Blindleistung Q vorher zu ermitteln und die mit dem AC-Netz auszutauschende Blindleistung Q1(t) und/oder weitere Blindleistung Q2(t) entsprechend der ermittelten Spannungsänderungscharakteristik u(Q) einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Steuerungseinheit des Gleichrichters einen Datenspeicher aufweisen oder mit einem Datenspeicher verbunden sein, der zur Abspeicherung von ermittelten Wertepaaren eingerichtet ist, die die zuvor bestimmte Spannungsänderungscharakteristik u(Q) widerspiegeln.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Gleichrichter eine Filtereinheit mit einer Filterdrossel oder mehreren Filterdrosseln aufweisen. Dabei kann die zumindest eine Filterdrossel zwischen dem AC-Eingang des AC/DC-Wandlers und dem AC-Gleichrichtereingang angeordnet sein. Sie ist somit zumindest ein Teil der Induktivität, über die die Blindleistung Q1(t) und/oder die weitere Blindleistung Q2(t) mit dem AC-Netz ausgetauscht wird. Vorteilhafterweise kann eine Impedanz der Filterdrossel so bemessen sein, dass bei einem durch die Filterdrossel fließenden Nominalstrom I0 des Gleichrichters ein Spannungsabfall von mindestens 25%, bevorzugt von mindestens 35% besonders bevorzugt von mindestens 45% relativ zu der an dem AC-Gleichrichtereingang anliegenden AC-Spannung verursacht wird. Indem die Impedanz, und somit auch die Induktivität L der Filterdrossel derart dimensioniert ist, ergibt sich einerseits eine besonders effektive spannungssenkende Wirkung auf die Amplitude bei dem Austausch der Blindleistung Q1,2(t), sowie auch eine zusätzliche Strombegrenzung im Falle eines Kurzschlusses auf der DC-Seite. Die zusätzliche Strombegrenzung minimiert das Risiko, dass im Falle eines Kurzschlusses der DC-Last die Freilaufdioden der Wandlerschaltung beschädigt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage umfasst einen erfindungsgemäßen Gleichrichter und einen ausgangsseitig an den Gleichrichter angeschlossenen Elektrolyseur als DC-Last. Die Elektrolyseanlage kann zusätzlich einen Transformator umfassen, der mit seiner Sekundärseite mit dem AC-Gleichrichtereingang und mit seiner Primärseite über den Netzanschlusspunkt mit dem AC-Netz verbunden ist. Sofern die Elektrolyseanlage einen Transformator aufweist, kann sie zusätzlich eine zur Blindleistungskompensation geeignete Anlage zur Reduzierung einer Netzrückwirkung umfassen. Dabei ist die zur Blindleistungskompensation geeignete Anlage an der Primärseite des Transformators mit dem AC-Netz verbunden und wirkt als Senke für die von dem AC/DC-Wandler mit dem AC-Netz ausgetauschte Blindleistung Q1(t) und/oder weitere Blindleistung Q2(t). Auch hier ergeben sich die bereits in Verbindung mit dem Verfahren aufgeführten Vorteile.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen
    • 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage mit einem erfindungsgemäßen Gleichrichter;
    • 2 eine Ausführungsform einer Wandlerschaltung des erfindungsgemäßen Gleichrichters aus 1 ;
    • 3 einen zeitlichen Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform in schematischer Weise.
  • Figurenbeschreibung
  • In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage 50 illustriert. Die Elektrolyseanlage 50 beinhaltet einen Elektrolyseur 22 als DC-Last 20, einen erfindungsgemäßen Gleichrichter 1 und einen Transformator 32. Der Transformator 32 ist mit seiner Primärseite 32.P über einen Netzanschlusspunkt 31 mit einem Wechselspannungs (AC) - Netz 30 verbunden. Eine Sekundärseite 32.S des Transformators 32 ist mit einem AC-Gleichrichtereingang 7 des Gleichrichters 1 verbunden. Der Transformator 32 wandelt eine primärseitig anliegende AC-Spannung mit der Amplitude UNetz in eine sowohl sekundärseitig, als auch am AC-Gleichrichtereingang 7 anliegende AC-Spannung der Amplitude Û7 um. Ein DC-Gleichrichterausgang 8 des Gleichrichters 1 ist mit einem Eingang 21 des Elektrolyseurs 22 verbunden.
  • Bei dem Gleichrichter 1 handelt es sich um einen aktiv steuerbaren Gleichrichter, der ausgelegt ist, die eingangsseitige anliegende AC-Spannung in eine an einem DC-Gleichrichterausgang 8 anliegende DC-Spannung umzuwandeln, um mit der DC-Spannung UDC,Last den Elektrolyseur 22 zu versorgen. Hierzu umfasst der Gleichrichter 1 einen AC/DC-Wandler 4 mit einem AC-Eingang 4.1 und einem DC-Ausgang 4.2, der über eine Steuerungseinheit 9 gesteuert wird. Der AC-Eingang 4.1 ist über eine Filtereinheit 3 mit einer Filterdrossel 3.1 und einer Filterkapazität 3.2, sowie über eine AC-Trenneinheit 2 mit dem AC- Gleichrichtereingang 7 verbunden. Der DC-Ausgang 4.2 ist über eine DC-Trenneinheit 6 mit dem DC-Gleichrichterausgang 8 verbunden. Parallel zu dem DC-Ausgang 4.2 ist eine Ausgangskapazität 5 zur Glättung einer an dem DC-Ausgang 4.2 anliegenden DC-Spannung UDC,4 geschaltet. Die DC-Trenneinheit 6 weist zwei parallel zueinander angeordnete Strompfade auf. Ein erster Strompfad enthält eine Reihenschaltung eines Vorladewiderstandes und eines Trennschalters und dient der Vorladung des Elektrolyseurs 22. Der dazu parallel angeordnete zweite Strompfad enthält lediglich einen weiteren Trennschalter. Nach erfolgter Vorladung wird der Elektrolyseur 22 in seinem ohmschen Bereich betrieben, wobei der geschlossene weitere Trennschalter eine niederimpedante elektrische Verbindung zwischen dem DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 und dem Elektrolyseur 22 bereitstellt. Sowohl die DC-Trenneinheit 2 als auch die AC-Trenneinheit 6 werden von der Steuerungseinheit 9 des Gleichrichters 1 angesteuert.
  • Der erfindungsgemäße Gleichrichter 1 ist ausgelegt, durch entsprechende Ansteuerung von Halbleiterschaltern des AC/DC-Wandlers 4 Blindleistung Q1,2(t) über den Transformator 32 mit dem AC-Netz 30 auszutauschen. Ein der Blindleistung Q1,2(t) zugeordneter Strom fließt dabei über eine Induktivität L, die im in 1 illustrierten Fall aus Filterdrosseln 3.1 der Filtereinheit 3 und Wicklungen der Sekundärseite 32.S des Transformators 32 gebildet wird. Bei der Blindleistung Q1,2(t) handelt es sich nahezu ausschließlich, zumindest jedoch zu einem überwiegenden Anteil um Verschiebungsblindleistung. Der Austausch der Blindleistung Q1,2(t) führt, wie auch in Verbindung mit 2 und 3 näher erläutert, je nach Art der Blindleistung Q1,2(t) zu einer spannungssenkenden oder spannungsanhebenden Wirkung auf eine Amplitude Û4 der am AC-Eingang 4.1 des AC/DC-Wandlers 4 anliegenden AC-Spannung, mittels der ein DC-Spannungsbereich des Gleichrichters 1, insbesondere des AC/DC-Wandlers 4 erweitert wird. Die Menge an ausgetauschter Blindleistung kann einerseits über eine bekannte, beispielsweise einmalig ermittelte Spannungsänderungscharakteristik u(Q) in Verbindung mit der Steuerungseinheit 9 eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann der Gleichrichter 1 einen Datenspeicher 11 zur Abspeicherung von Wertepaaren aufweisen, die die zuvor ermittelte Spannungsänderungscharakteristik u(Q) widerspiegeln. Alternativ oder kumulativ kann der Gleichrichter 1 auch eine Regeleinheit 10 aufweisen, die ausgelegt ist, die am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4.2 anliegende DC-Spannung UDC,4 , gegebenenfalls auch die am AC-Eingang 4.1 anliegende AC-Spannung der Amplitude Û4, zu detektieren und die detektierte DC-Spannung UDC,4 mit einer gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,soll zu vergleichen, und ein Ergebnis des Vergleichs an die Steuerungseinheit 9 zu übermitteln. Die Steuerungseinheit 9 wiederum variiert die zwischen dem AC-Netz 30 und dem AC/DC-Wandler 4 ausgetauschte Blindleistung Q1,2(t) über eine entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter des AC/DC-Wanlders 4 so, dass die DC-Spannung UDC,4 der gewünschten Betriebsspannung UDC,soll angenähert wird und diese möglichst erreicht.
  • In 1 ist der Gleichrichter 1, die Transformatoreinheit 32 und das AC-Netz exemplarisch jeweils dreiphasig dargestellt. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass es sich hier um jeweils einphasig ausgebildete Komponenten handelt. Die Steuerungseinheit 9 des Gleichrichters 1 kann zudem mit einer Kommunikationseinheit (in 1 nicht dargestellt) verbunden sein. Auf diese Weise kann ein synchron erfolgendes Ansteuern weiterer Anlagen zur Blindleistungskompensation, die auf der Primärseite des Transformators an das AC-Netz angeschlossen sind, initiiert und koordiniert werden.
  • In 2 ist eine Ausführungsform des dem Gleichrichter 1 zugeordneten AC/DC-Wandlers 4 aus 1 detaillierter dargestellt. Wie auch der Gleichrichter 1 aus 1 ist der AC/DC-Wandler 4 exemplarisch als dreiphasiger AC/DC-Wandler 4 ausgebildet und umfasst eine Wandlerschaltung 40 mit insgesamt drei Brückenzweigen 45. Jeder der Brückenzweige 45 weist zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter 41 mit einer jeweils antiparallel verschalteten Freilaufdiode 42 auf. Die Freilaufdiode 42 kann als intrinsische Diode des jeweiligen Halbleiterschalters 41, oder als separate Diode ausgebildet sein. Bei den Halbleiterschaltern 41 kann es sich um MOSFET oder IGBT Halbleiterschalter handeln. Entsprechend der dreiphasigen Ausgestaltung der Wandlerschaltung 40 umfasst der AC-Eingang 4.1 des AC/DC-Wandlers 4 drei Eingangsanschlüsse, die jeweils mit einem Verbindungspunkt 46 der beiden Halbleiterschalter 41 des ihnen zugeordneten Brückenzweiges 45 verbunden sind. Der DC-Ausgang 4.2 des DC/AC-Wandlers 4 umfasst einen positiven (+) und einen negativen Ausgangsanschluss (-).
  • Bei der Umwandlung kann der AC/DC-Wandler 4 eine Wirkleistung P(t) vom AC-Eingang 4.1 zum DC-Ausgang 4.2, gegebenenfalls auch in umgekehrter Richtung vom DC-Ausgang zum AC-Eingang 4.1 transportieren. Zudem ist der AC/DC-Wandler 4 ausgebildet, eine Blindleistung Q1,2(t) zwischen dem AC-Eingang 4.1 des AC/DC-Wandlers 4 und dem an den AC-Eingang 4.1 angeschlossenen AC-Netz 30 (in 2 nicht explizit dargestellt) auszutauschen. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterschalter 41 von der (in 2 nicht explizit dargestellten) Steuerungseinheit 9 angesteuert. Über eine entsprechende Taktung der Halbleiterschalter 41 ist der AC/DC-Wandler 4 in der Lage, die am AC-Eingang 4.1 anliegende AC-Spannung in eine DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 zu wandeln. Dabei kann eine Höhe der gewandelten DC-Spannung, mit anderen Worten der DC-Spannungsbereich, Werte zwischen einer minimalen UDC,min und einer maximalen DC-Spannung UDC,max annehmen. Die minimale DC-Spannung UDC,min ist über die Freilaufdioden 42 nach unten hin auf einen Wert begrenzt, der - abgesehen von einer Durchlassspannung der Freilaufdioden 42 - der Amplitude Û4 der am AC-Eingang 4.2 anliegenden AC-Spannung entspricht. Aufgrund der Freilaufdioden 42 ist die Brückenschaltung 43 somit in der Lage, eine DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 zu erzeugen, die zwar größer, aber nicht kleiner, zumindest nicht signifikant kleiner als die Amplitude Û4 der eingangsseitig anliegenden AC-Spannung ist. Dabei nehmen die Umwandlungsverluste mit zunehmendem Verhältnis der ausgangsseitig anliegenden DC-Spannung UDC,4 zu der Amplitude Û4 der eingangsseitig anliegenden AC-Spannung zu. Indem nun der AC/DC-Wandler 4 über die Induktivität L, beispielsweise die Filterdrosseln 3.1 und/oder die der Sekundärseite des Transformators zugeordnete Induktivität Blindleistung Q1,2(t) mit dem AC-Netz 30 austauscht, resultiert eine spannungssenkende oder spannungsanhebende Wirkung auf die Amplitude Û4 der am AC-Eingang 4.1 anliegenden AC-Spannung. Dies wird detaillierter in 3 erläutert.
  • In 2 ist exemplarisch eine zweistufige Wandlerschaltung 40 mit zwei Spannungsstufen dargestellt. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch eine Wandlerschaltung mit mehr als lediglich zwei Spannungsstufen, beispielsweise eine dreistufige, oder eine fünfstufige Wandlerschaltung möglich. Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Wandlerschaltung als Mittelpunktschaltung ausgebildet ist. Hierbei kann ein Ausgangsanschluss (-) des DC-Ausgangs 4.2 mit einem Mittelpunktabgriff eines Transformators 32 verbunden sein, über den der AC/DC-Wandler 4 mit dem AC-Netz 30 verbunden ist. Alternativ kann er auch mit einem Neutralleiter des AC-Netzes 30 verbunden sein.
  • 3 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausführungsform, wie es mit der Regeleinheit 10 durchgeführt werden kann. Dargestellt sind hier Zeitverläufe von: der DC-Spannungen UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4, der Amplitude Û4 der AC-Spannung am AC-Eingang 4.1 des AC/DC-Wandlers 4 und der zwischen dem AC/DC-Wandler 4 und dem AC-Netz 30 über die Induktivität L ausgetauschten Blindleistung Q1(t). Dabei erzeugt in der 3 ein positiver Wert der ausgetauschten Blindleistung Q1(t) eine spannungssenkende Wirkung auf die Amplitude Û4 der AC-Spannung. Die einzelnen Zeitverläufe sind, wie in 3 neben der vertikalen Koordinatenachse illustriert, in unterschiedlichen Strichformen dargestellt. Exemplarisch spiegeln die Zeitverläufe einen Fall wider, wie er beispielsweise bei einem Verbinden des Elektrolyseurs 22 als DC-Last 20 mit dem aktiv gesteuerten Gleichrichter 1 auftreten kann.
  • Startpunkt ist ein Zustand, bei dem der Elektrolyseur 22 von dem Gleichrichter 1 getrennt ist. Eine Vorladung des Elektrolyseurs 22 ist jedoch bereits derart erfolgt, dass seine eingangsseitige DC-Spannung UDC,Last einen Wert knapp unterhalb der kritischen Spannung Ucr entspricht, so dass noch keine Elektrolysereaktion erfolgt. Für Zeiten t<tI wird zunächst keine Blindleistung Q1(t) zwischen dem AC/DC-Wandler 4 und dem AC-Netz 30 ausgetauscht, d.h. es gilt für t<tI Q1(t) = 0. Ein Wert der Amplitude Û4 der am AC-Eingang 4.1 anliegenden AC-Spannung liegt oberhalb der kritischen Spannung, um bei hoher Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion möglichst geringe Umwandlungsverluste zu erzeugen.
  • Zum Zeitpunkt tI wird nun der Elektrolyseanlage 50 signalisiert, dass der Gleichrichter 1 mit dem Elektrolyseur 22 verbunden werden soll. Um die Verbindung möglichst lastfrei, zumindest jedoch mit reduziertem Ausgleichsstrom durchzuführen, wird ein erster Wert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 ab dem Zeitpunkt tI ebenfalls auf die aktuell vorliegende DC-Spannung UDC,Last am Eingang des Elektrolyseurs 22 gesetzt. Damit ist der erste Wert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 kleiner als die Amplitude Û4 der am AC-Eingang 4.1 anliegenden AC-Spannung und, da die DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 bis auf eine Durchlassspannung der Freilaufdioden 42 der Amplitude Û4 entspricht, auch kleiner als die ausgangsseitig anliegende DC-Spannung UDC,4 . Es liegt somit eine relativ große Differenz ΔU(fI) zwischen der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 und der ausgangsseitig anliegenden DC-Spannung UDC,4 vor. Die Regeleinheit 10 detektiert die ausgangsseitig anliegende DC-Spannung UDC,4 , vergleicht sie mit der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 und übermittelt die Differenzspannung ΔU(fI) der Steuerungseinheit 9. In Reaktion darauf steuert die Steuerungseinheit 9 die Halbleiterschalter 41 der Wandlerschaltung 40 gemäß einer Erhöhung der mit dem AC-Netz 30 ausgetauschten Blindleistung Q1(tI) an. Die ausgetauschte Blindleistung Q1(t), insbesondere der ihr zugeordnete und über die Induktivität L fließende Strom, erzeugt eine spannungssenkende Wirkung auf die Amplitude Û4 der am AC-Eingang 4.1 anliegenden AC-Spannung. Dadurch nehmen der Wert der Amplitude Û4 und die entsprechende DC-Spannung UDC,4(t) am AC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 ab. In dem Zeitraum zwischen tI und tII wird nun fortwährend die aktuell vorliegende DC-Spannung UDC,4(t) von der Regeleinheit 10 detektiert und mit dem ersten Wert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 verglichen. Der Vergleich ergibt eine betragsmäßige Abnahme der Differenz ΔU(t), die wiederum der Steuerungseinheit 9 kommuniziert wird. Erneut steuert die Steuerungseinheit 9 die Halbleiterschalter 41 der Wandlerschaltung 40 mit dem Ziel einer weiteren Erhöhung der ausgetauschten Blindleistung Q1(t) an. Ein Anstieg der Blindleistung Q1(t), und demzufolge eine Abnahme der Amplitude Û4, wie auch der DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 erfolgt in dem Zeitraum zwischen tI und tII solange, bis die Differenz zwischen der DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 und dem ersten Wert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 verschwindet. Dies führt letztlich dazu, dass zum Zeitpunkt tII die Amplitude Û4 der eingangsseitigen AC-Spannung, wie auch die DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 den ersten Wert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 erreicht. Daher kann der Elektrolyseur 22 zum Zeitpunkt tII durch Schließen der DC-Trenneinheit 6 niederimpedant und möglichst lastfrei mit dem Gleichrichter 1 verbunden werden.
  • Ab dem Zeitpunkt tII wird der erste Wert UDC,Soll,1 der gewünschten DC-Betriebsspannung durch einen zweiten Wert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,2 ersetzt, bei dem nun eine Elektrolysereaktion erfolgen soll. Daher erfolgt in dem Zeitraum tII bis tIV eine rampenartige Annäherung der DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 an den nun gültigen zweiten Wert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,2. Dies ist begleitet von einer ebenfalls rampenartigen Abnahme der Blindleistung Q1(t) auf den Wert 0 in dem Zeitraum tII-tIII. Ab dem Zeitpunkt tIII wird keine Blindleistung Q1(t) mehr zwischen dem AC/DC-Wandler 4 und dem AC-Netz 30 ausgetauscht und die Amplitude Û4 der AC-Spannung am AC-Eingang 4.2 des AC/DC-Wandlers nimmt wieder ihren ursprünglichen bei t=0 vorliegenden Wert an.
  • Die in 3 illustrierten rampenartigen Verläufe der Blindleistung Q1(t) wie auch der DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 können auch steiler als dargestellt verlaufen und eine nahezu stufenartige zeitliche Änderung aufweisen.
  • In 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren, wie es in adaptiver Weise mittels der Regeleinheit 10 erfolgen kann, dargestellt. Hierbei ist keine detaillierte Kenntnis der Spannungsänderungscharakteristik u(Q) zwischen Netzanschlusspunkt 31 des AC-Netzes 30 und AC-Eingang 4.1 des AC/DC-Wandlers erforderlich. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, das Verfahren mit einer bekannten Spannungsänderungscharakteristik u(Q) durchzuführen. Anhand der bekannten Spannungsänderungscharakteristik u(Q) kann nach Detektion der am DC-Ausgang 4.2 des AC/DC-Wandlers 4 anliegenden DC-Spannung UDC,4 und Vergleich derselben mit dem ersten Werten der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,soll,1 die entsprechende Differenzspannung ΔU(fI) ermittelt werden. Durch einen Vergleich der ermittelten Differenzspannung ΔU(fI) mit der bekannten Spannungsänderungscharakteristik u(Q) kann die zur Einstellung des gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll,1 erforderliche Blindleistung Q1(t) ermittelt werden. In Reaktion darauf kann die Steuerungseinheit 9 die Halbleiterschalter 42 des AC/DC-Wandlers 4 zum Austausch der benötigten Blindleistung Q1(t) ansteuern. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde oben am Beispiel eines möglichst lastfreien Verbindens des Elektrolyseurs 22 mit dem Gleichrichter 1 erläutert. Alternativ oder kumulativ kann es jedoch auch in Verbindung mit einem lastfreien Trennen des Elektrolyseurs 22 von dem Gleichrichter 1 durch Öffnen der DC-Trenneinheit 6 erfolgen. Konkret kann über den temporär erfolgenden Austausch an Blindleistung Q1(t) die DC-Spannung UDC,4 am DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers 4, die bei niederimpedanter Verbindung des Gleichrichters 1 mit dem Elektrolyseur 22 ebenfalls an dessen Eingang 21 anliegt, kurz vor und während dem Öffnen der DC-Trenneinheit 6 unter die kritische Spannung Ucr abgesenkt werden, die zur Aufrecherhaltung der Elektrolysereaktion erforderlich ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gleichrichter
    2
    AC-Trenneinheit
    3
    Filtereinheit
    3.1
    Filterdrossel
    3.2
    Filterkapazität
    4
    AC/DC-Wandler
    4.1
    AC-Eingang (des AC/DC-Wandlers)
    4.2
    DC-Ausgang (des AC/DC-Wandlers)
    5
    Ausgangskapazität (des AC/DC-Wandlers)
    6
    DC-Trenneinheit
    7
    AC-Gleichrichtereingang
    8
    DC-Gleichrichterausgang
    9
    Steuerungseinheit
    10
    Regeleinheit
    11
    Datenspeicher
    20
    DC-Last
    21
    Eingang (der DC-Last)
    22
    Elektrolyseur
    30
    Wechselspannungsnetz (AC) - Netz
    31
    Transformator
    31.P
    Primärseite
    31.S
    Sekundärseite
    40
    Wandlerschaltung
    41
    Halbleiterschalter
    42
    Freilaufdiode
    43
    Eingang (der Wandlerschaltung)
    44
    Ausgang (der Wandlerschaltung)
    45
    Brückenzweig
    46
    Verbindungspunkt
    Q1(t), Q2(t)
    Blindleistung
    P(t)
    Wirkleistung
    ÛNetz, Û7, Û4
    Amplitude
    UDC,4
    DC-Spannung
    UDC,Soll
    DC-Spannung
    UDC,min, UDC,max
    DC-Spannung
    UTH
    Spannungsschwellwert
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013160486 A2 [0005]

Claims (17)

  1. Verfahren zur Erweiterung eines DC-Spannungsbereichs eines Gleichrichters (1) zur Versorgung einer an einen DC-Gleichrichterausgang (8) des Gleichrichters (1) angeschlossenen DC-Last (20) aus einem über einen Netzanschlusspunkt (31) mit einem AC-Gleichrichtereingang (7) des Gleichrichters (1) verbundenen AC-Netz (30) - wobei der Gleichrichter (1) einen AC/DC-Wandler (4) mit einem AC-Eingang (4.1) und einem DC-Ausgang (4.2) aufweist, der eine Wandlerschaltung (40) mit Halbleiterschaltern (41) und dazu antiparallel verschalteten Freilaufdioden (42) umfasst, - wobei zwischen dem AC-Eingang (4.1) des AC/DC-Wandlers (4) und dem Netzanschlusspunkt (31) eine Induktivität L angeordnet ist, mit den Schritten: - Einstellen einer gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll am DC-Ausgang (4.2) des AC/DC-Wandlers (4) und/oder am DC-Gleichrichterausgang (8) durch Ansteuern der Halbleiterschalter (41) des AC/DC-Wandlers (4), - wobei, wenn die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Soll unter einem Wert einer Amplitude Û4 einer Wechselspannung am AC-Eingang (4.1) des AC/DC-Wandlers (4) liegt, die Halbleiterschalter (41) des AC/DC-Wandlers (4) zum Austausch einer Blindleistung Q1(t) mit dem AC-Netz (30) angesteuert werden, die spannungssenkend auf die Amplitude Û4 der AC-Spannung am AC-Eingang (4.1) des AC/DC-Wandlers (4) wirkt, so dass die Amplitude Û4 der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert wird und diese möglichst erreicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ausgetauschte Blindleistung Q1(t) zwischen AC/DC-Wandler (4) und dem AC-Netz (30) zu einem überwiegenden Anteil eine Verschiebungsblindleistung aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Induktivität eine zwischen dem AC/DC-Wandler (4) und dem AC-Gleichrichtereingang (7) angeordnete Filterdrossel (3.1) und/oder eine Transformatorwicklung einer Sekundärseite (31.S) eines dem Gleichrichter (1) zugeordneten Transformators (31) umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dann, wenn die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,Soll einen Spannungsschwellwert UTH erreicht oder übersteigt, die Halbleiterschalter (41) des AC/DC-Wandlers (4) derart zum Austausch einer weiteren Blindleistung Q2(t) mit dem AC-Netz (30) angesteuert werden, dass der Austausch der weiteren Blindleistung Q2(t) spannungsanhebend auf die Amplitude Û4 der am AC-Eingang (4.1) des AC/DC-Wandlers (4) anliegenden AC-Spannung wirkt, so dass die Amplitude Û4 der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Austausch der Blindleistung Q1(t) und/oder der weiteren Blindleistung Q2(t) eine Ermittlung eines Blindleistungs-Sollwertes auf Basis einer bekannten Spannungsänderungscharakteristik u(Q) in Abhängigkeit der ausgetauschten Blindleistung Q zwischen dem AC-Eingang (4.1) des AC/DC-Wandlers (4) und dem Netzanschlusspunkt (31) des AC-Netzes (30) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Istwert der am DC-Ausgang (4.2) des AC/DC-Wandlers (4) anliegenden DC-Spannung UDC,4 detektiert wird, wobei der Istwert mit der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll verglichen wird, und wobei der Austausch der jeweiligen Blindleistung Q1,2 (t) mittels einer mit der Steuerungseinheit (9) verbundenen Regeleinheit (10) so geregelt wird, dass der Istwert der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Austausch der Blindleistung Q1(t) und/oder der Austausch der weiteren Blindleistung Q2(t) eine Änderung der Amplitude Û4 am AC-Eingang (4.1) des AC/DC-Wandlers (4) von mindestens 10%, bevorzugt von mindestens 20%, besonders bevorzugt von mindestens 25% bezogen auf einen nominellen Wert der Amplitude Û4 generiert.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Austausch der Blindleistung Q1(t) mit dem AC-Netz (30) in Verbindung mit einem elektrischen Verbinden und/oder einem elektrischen Trennen der DC-Last (20) von dem Gleichrichter (1) erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei unter vorgegebenen Rahmenbedingungen und während eines Zustandes des AC-Netzes (30), bei dem die Amplitude Û7 der Wechselspannung am AC-Gleichrichtereingang (7) von ihrem Nominalwert abweicht, ein Austausch einer dritten Blindleistung Q3(t) zwischen dem AC/DC-Wandler (4) und dem AC-Netz (30) erfolgt, so dass eine Wirkung auf die Amplitude Û7 resultiert, die der Abweichung von ihrem Nominalwert entgegengerichtet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Austausch der Blindleistung Q1(t) zwischen dem AC/DC-Wandler (4) und dem AC-Netz (30) erst erfolgt, wenn die gewünschte DC-Betriebsspannung UDC,soll zusätzlich zu dem Wert der Amplitude Û4 auch den Gleichrichtwert der Wechselspannung mit der Amplitude Û4 unterschreitet.
  11. Aktiv gesteuerter Gleichrichter (1) zur Versorgung einer DC-Last (20) aus einem eine AC-Spannung aufweisenden AC-Netz (30), umfassend: - einen AC-Gleichrichtereingang (7) mit mehreren Eingangsanschlüssen zum Anschluss des AC-Netzes (30), sowie einen DC-Gleichrichterausgang (8) mit zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschluss der DC-Last (20), - einen AC/DC-Wandler (4), der einen AC-seitigen mit dem AC-Gleichrichtereingang (7) verbundenen AC-Eingang (4.1), einen DC-seitigen mit dem DC-Gleichrichterausgang (8) verbundenen DC-Ausgang (4.2), und eine zwischen dem AC-Eingang (4.1) und dem DC-Ausgang (4.2) angeordnete Wandlerschaltung (40) aufweist, - wobei die Wandlerschaltung (40) des AC/DC-Wandlers (4) aktiv steuerbare Halbleiterschalter (41) und dazu antiparallel verschaltete Freilaufdioden (42) umfasst, und - wobei der AC/DC-Wandler (4) zum Austausch von Blindleistung Q1,2(t) mit dem AC-Netz (30) ausgelegt ist, und - wobei der Gleichrichter (1) weiterhin eine Steuerungseinheit (9) zur Steuerung des AC/DC-Wandlers (4), insbesondere dessen Halbleiterschalter (41) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1), zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgelegt und eingerichtet ist.
  12. Gleichrichter (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1) eine Regeleinheit (10) aufweist, die ausgelegt und eingerichtet ist, einen am DC-Ausgang (4.2) des AC/DC-Wandlers (4) und/oder eine am DC-Gleichrichterausgang (8) anliegende DC-Spannung UDC,4 zu detektieren, die detektierte DC-Spannung UDC,4 mit einer gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll zu vergleichen und in Verbindung mit der Steuerungseinheit (9) den AC/DC-Wandler (4) so zu steuern, dass die detektierte DC-Spannung UDC,4 der gewünschten DC-Betriebsspannung UDC,Soll angenähert wird und diese möglichst erreicht.
  13. Gleichrichter (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (9) einen Datenspeicher (11) aufweist oder mit einem Datenspeicher (11) verbunden ist, der zur Abspeicherung einer Spannungsänderungscharakteristik u(Q) in Abhängigkeit der Blindleistung Q eingerichtet ist.
  14. Gleichrichter (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1) zusätzlich eine Filtereinheit (3) mit einer Filterdrossel (3.1) aufweist, wobei eine Impedanz der Filterdrossel (3.1) so bemessen ist, dass bei einem durch die Filterdrossel (3.1) fließenden Nominalstrom I0 ein Spannungsabfall von mindestens 25%, bevorzugt von mindestens 35% besonders bevorzugt von mindestens 45% relativ zu der an dem AC-Gleichrichtereingang (7) anliegenden AC-Spannung U7 verursacht wird.
  15. Elektrolyseanlage (50) mit einem Gleichrichter (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14 und einem ausgangsseitig an den Gleichrichter (1) angeschlossenen Elektrolyseur (22) als DC-Last (20).
  16. Elektrolyseanlage (50) nach Anspruch 15, zusätzlich umfassend einen Transformator (32), der mit seiner Sekundärseite (32.S) mit dem AC-Gleichrichtereingang (7) und mit seiner Primärseite (32.P) über den Netzanschlusspunkt (31) mit dem AC-Netz (30) verbunden ist.
  17. Elektrolyseanlage (50) nach Anspruch 16, weiterhin umfassend eine zur Blindleistungskompensation geeignete Anlage zur Reduzierung einer Netzrückwirkung, die an der Primärseite (32.P) des Transformators (32) mit dem AC-Netz (30) verbunden ist und die als Senke für die von dem AC/DC-Wandler (4) mit dem AC-Netz (30) ausgetauschte Blindleistung Q1(t) und/oder weitere Blindleistung Q2(t) wirkt.
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