DE102021203517A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren (100) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, das dazu vorgesehen ist, Wechselstrom und/oder Gleichstrom in ein Netz einzuspeisen.Es wird vorgeschlagen, dass das Verfahren einen ersten Regelungsverfahrensschritt (134), der eine, insbesondere stationäre, Vorsteuerung (136) umfasst, und einen zweiten Regelungsverfahrensschritt (138), der einen geschlossenen Regelkreis (140) umfasst, aufweist, wobei der erste Regelungsverfahrensschritt (134) und der zweite Regelungsverfahrensschritt (138) zur Regelung zumindest einer elektrischen Regelgröße (PAcNetGrid), insbesondere einer elektrischen Leistung, des Brennstoffzellensystems voneinander abhängig sind.

Description

• Stand der Technik
• Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen worden, wobei das Brennstoffzellensystem dazu vorgesehen ist, Wechselstrom und/oder Gleichstrom in ein Netz einzuspeisen.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, das dazu vorgesehen ist, Wechselstrom und/oder Gleichstrom in ein Netz einzuspeisen.
• Es wird vorgeschlagen, dass das Verfahren einen ersten Regelungsverfahrensschritt, der eine Vorsteuerung umfasst, und einen zweiten Regelungsverfahrensschritt, der einen geschlossenen Regelkreis umfasst, aufweist, wobei der erste Regelungsverfahrensschritt und der zweite Regelungsverfahrensschritt zur Regelung zumindest einer elektrischen Regelgröße, insbesondere einer elektrischen Leistung, des Brennstoffzellensystems voneinander abhängig sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft schnelle Regelung der zumindest einen elektrischen Regelgröße ermöglicht werden. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein Unterschwingen und/oder Überschwingen der zumindest einen elektrischen Regelgröße vorteilhaft vermieden werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können Stellgrößen vorteilhaft statisch und dynamisch, insbesondere „in situ“, begrenzt werden, insbesondere so früh wie möglich in einem Signalfluss. Zudem können Steuerroutinen durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vom Signalfluss vorgelagerte statische und dynamische Begrenzungen von Stellgrößen berücksichtigen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Anpassung der zumindest einen elektrischen Regelgröße besonders vorteilhaft erfolgen. Dadurch kann eine Schädigung eines Brennstoffzellen-Stacks des Brennstoffzellensystems und/oder eine Störung des Betriebs des Brennstoffzellensystems vorteilhaft vermieden werden. Des Weiteren kann dadurch ein vorteilhaft effizienter und langlebiger Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden. Ferner kann dadurch eine vorteilhaft netzkompatible Stromeinspeisung erfolgen.
• Besonders bevorzugt ist das Brennstoffzellensystem als ein Festoxidbrennstoffzellensystem ausgebildet. Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem stationär, insbesondere ortsfest, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem in einem Gebäude installiert. Unter einem „Netz“ soll vorzugsweise ein elektrisches Stromnetz verstanden werden, das zu einer Übertragung und/oder einer Verteilung elektrischer Energie, insbesondere in dem Gebäude und/oder zu und von dem Gebäude, vorgesehen ist. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Vorzugsweise wird die zumindest eine elektrische Regelgröße an einem Netzeinspeisungspunkt zwischen dem Brennstoffzellensystem und dem Netz angenommen und/oder gemessen.
• Vorzugsweise ist die zumindest eine elektrische Regelgröße als eine Regelgröße des Verfahrens ausgebildet. Vorzugsweise wird mittels des Verfahrens die zumindest eine elektrische Regelgröße, insbesondere die elektrische Leistung, geregelt. Vorzugsweise ist die zumindest eine elektrische Regelgröße die elektrische Leistung, die von dem Brennstoffzellensystem in das Netz eingespeist wird. Besonders bevorzugt ist die elektrische Leistung als eine Netto-Leistung ausgebildet, die in das Netz eingespeist wird. Bevorzugt umfasst die elektrische Leistung einen Wechselstrom oder Gleichstrom, der von dem Brennstoffzellensystem in das Netz eingespeist wird. Vorzugsweise wird die zumindest eine elektrische Regelgröße von dem Brennstoffzellensystem, insbesondere zumindest im Wesentlichen von zumindest einem Brennstoffzellen-Stack des Brennstoffzellensystems, erzeugt. Bevorzugt wird der Wechselstrom oder Gleichstrom von dem Brennstoffzellensystem, insbesondere zumindest im Wesentlichen von dem zumindest einen Brennstoffzellen-Stack des Brennstoffzellensystems, erzeugt.
• Vorzugsweise ist die Vorsteuerung als eine feed-forward-Steuerung ausgebildet. Unter einer „Vorsteuerung“ soll vorzugsweise eine Steuerung verstanden werden, bei der zumindest eine Störgröße gemessen und berücksichtigt wird, bevor die zumindest eine Störgröße ein zu regelndes System, insbesondere das Brennstoffzellensystem und/oder das Netz, beeinflusst. Vorzugsweise wird bei der Vorsteuerung zumindest eine Störgröße ermittelt und insbesondere mit zumindest einer Führungsgröße vereint. Vorzugsweise wird die zumindest eine Störgröße bei der Vorsteuerung ermittelt und zu der zumindest einen Führungsgröße addiert oder von der zumindest einen Führungsgröße subtrahiert. Bevorzugt basiert die Vorsteuerung auf einem mathematischen Modell eines Betriebsablaufs des Brennstoffzellensystems und einer Kenntnis über die zumindest eine Störgröße. Unter einer „stationären Vorsteuerung“ soll vorzugsweise eine Vorsteuerung verstanden werden, die zeitlich betrachtet zumindest zu einem Großteil in einem stationären Verhalten betrieben wird, bei dem sich relevante Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems, insbesondere zumindest eine Ausgangsgröße und zumindest eine Eingangsgröße der Vorsteuerung, in einem zeitlichen Verlauf zumindest im Wesentlichen nicht ändern. Unter dem Ausdruck „zumindest zu einem Großteil“ soll vorzugsweise zumindest 55 %, vorteilhaft zumindest 65 %, vorzugsweise zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 % und besonders vorteilhaft zumindest 95 % eines definierten Betriebszeitraums verstanden werden. Vorzugsweise ändern sich für die stationäre Vorsteuerung relevante Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems, insbesondere zumindest eine Ausgangsgröße und zumindest eine Eingangsgröße der Vorsteuerung, in einem zeitlichen Verlauf während des stationären Verhaltens zumindest im Wesentlichen nicht. Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll vorzugsweise verstanden werden, dass eine Abweichung von einem vorgegebenen Wert insbesondere weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 % und besonders bevorzugt weniger als 1 % des vorgegebenen Werts beträgt.
• Vorzugsweise ist der geschlossene Regelkreis als eine feedback-Regelung ausgebildet. Unter einem „geschlossenen Regelkreis“ soll vorzugsweise eine Regelung verstanden werden, bei der die zumindest eine Ausgangsgröße gemessen und berücksichtigt wird, insbesondere nachdem die zumindest eine Störgröße das zu regelnde System, insbesondere das Brennstoffzellensystem und/oder das Netz, beeinflusst hat. Vorzugsweise wird zumindest eine Ausgangsgröße aus dem ersten Regelungsverfahrensschritt als zumindest eine Eingangsgröße in dem zweiten Regelungsverfahrensschritt verwendet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass zumindest eine Ausgangsgröße aus dem zweiten Regelungsverfahrensschritt als zumindest eine Eingangsgröße in dem ersten Regelungsverfahrensschritt verwendet wird.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der zweite Regelungsverfahrensschritt nach dem ersten Regelungsverfahrensschritt ausgeführt wird. Durch diese Ausgestaltung kann die Vorsteuerung besonders vorteilhaft mit dem geschlossenen Regelkreis kombiniert werden. Des Weiteren kann dadurch eine vorteilhaft schnelle Regelung der zumindest einen elektrischen Regelgröße erreicht werden.
• Ferner wird vorgeschlagen, dass das Verfahren einen Limitierungsverfahrensschritt aufweist, in dem zumindest eine dynamische Limitierungsfunktion ausgeführt wird, die eine unstetige Änderung eines Netto-Leistungsbedarfs glättet. Durch diese Ausgestaltung kann ein Effekt von Schwankungen im Netto-Leistungsbedarf vorteilhaft reduziert werden. Ferner kann dadurch ein Unterschwingen und/oder Überschwingen der zumindest einen Regelgröße vorteilhaft vermieden werden. Durch diese Ausgestaltung kann des Weiteren eine vorteilhaft schnelle Regelung der zumindest einen elektrischen Regelgröße bereitgestellt werden. Unter einem „Netto-Leistungsbedarf“ soll vorzugsweise eine elektrische Leistung verstanden werden, die von einem Nutzer und/oder von dem Netz von dem Brennstoffzellensystem abgerufen und/oder verlangt wird. Vorzugsweise reduziert die zumindest eine dynamische Limitierungsfunktion eine zeitlich betrachtete Dynamik des Netto-Leistungsbedarfs. Vorzugsweise ist die zumindest eine dynamische Limitierungsfunktion dazu vorgesehen, eine Änderung des Netto-Leistungsbedarfs zu begrenzen. Besonders bevorzugt begrenzt die zumindest eine dynamische Limitierungsfunktion den Netto-Leistungsbedarf bezüglich einer maximal möglichen Änderung der durch das Brennstoffzellenmodul erzeugbaren Netto-Leistung. Unter einer „unstetigen Änderung“ soll vorzugsweise eine nicht-kontinuierliche Änderung verstanden werden. Unter „glätten“ soll vorzugsweise verstanden werden, dass ein, insbesondere ungleichmäßiger, Verlauf des Netto-Leistungsbedarfs über die Zeit derart gefiltert wird, dass Schwankungen im Netto-Leistungsbedarf ausgeglichen werden. Vorzugsweise wird die zumindest eine dynamische Limitierungsfunktion mittels eines Tiefpassfilters ausgeführt. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass die zumindest eine dynamische Limitierungsfunktion einen gleitenden Mittelwert des Netto-Leistungsbedarfs berechnet.
• Zudem wird vorgeschlagen, dass das Verfahren einen Überwachungsverfahrensschritt aufweist, in dem ein Skript eine unkontrollierte Degradation zumindest eines Brennstoffzellen-Stacks während des Betriebs, insbesondere eines Energiebetriebs, stoppt. Durch diese Ausgestaltung kann ein Unterschwingen und/oder Überschwingen der zumindest einen Regelgröße vorteilhaft vermieden werden. Des Weiteren kann dadurch eine Schädigung eines Brennstoffzellen-Stacks des Brennstoffzellensystems vorteilhaft vermieden werden, wenn Werte außerhalb eines für den Betrieb des Brennstoffzellensystems zulässigen Bereichs liegen. Unter einem „Skript“ soll vorzugsweise ein vordefinierter Prozess verstanden werden, bei dem zumindest eine Bedingung geprüft wird, wobei bei Erfüllung der zumindest einen Bedingung vorzugsweise zumindest eine Statusänderung vorgenommen wird. Vorzugsweise wird das Skript in dem Überwachungsverfahrensschritt automatisch ausgeführt. Unter einer „unkontrollierten Degradation“ soll vorzugsweise eine Degradation verstanden werden, die der zumindest eine Brennstoffzellen-Stack während des Betriebs des Brennstoffzellensystems erfährt, die jedoch über einen normalen Alterungsprozess des zumindest einen Brennstoffzellen-Stacks hinausgeht. Unter einem „Brennstoffzellen-Stack“ soll vorzugsweise ein Verbund aus mehreren Brennstoffzellen verstanden werden, die zusammen verbaut und/oder zusammengeschaltet sind.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in dem ersten Regelungsverfahrensschritt eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung abgeschätzt wird, wobei die Ausgangsgröße der Vorsteuerung ein geschätzter Wert für einen Strom ist. Durch diese Ausgestaltung kann eine vorteilhaft schnelle Regelung der zumindest einen Ausgangsgröße des Brennstoffzellensystems erfolgen. Vorzugsweise ist der geschätzte Wert für den Strom eine Zwischengröße für die zu regelnde zumindest eine elektrische Regelgröße. Unter „abschätzen“ soll vorzugsweise durch ein mathematisches Modell vorhersagen verstanden werden. Vorzugsweise wird die Ausgangsgröße der Vorsteuerung zumindest anhand zumindest einer Störgröße abgeschätzt.
• Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsgröße der Vorsteuerung in dem ersten Regelungsverfahrensschritt zumindest anhand von mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung abgeschätzt wird, die jeweils zumindest eine Degradationsrate zumindest eines Brennstoffzellen-Stacks oder ein geglätteter Netto-Leistungsbedarf sind. Durch diese Ausgestaltung kann eine vorteilhaft schnelle Regelung der zumindest einen Regelgröße des Brennstoffzellensystems erfolgen. Zudem kann dadurch ein Unterschwingen und/oder Überschwingen der zumindest einen Regelgröße des Brennstoffzellensystems vorteilhaft vermieden werden.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in dem ersten Regelungsverfahrensschritt zumindest eine weitere Ausgangsgröße der Vorsteuerung bestimmt wird, wobei die zumindest eine weitere Ausgangsgröße der Vorsteuerung eine Änderungsrate des geschätzten Werts für den Strom ist. Durch diese Ausgestaltung kann ein Unterschwingen und/oder Überschwingen der zumindest einen Regelgröße des Brennstoffzellensystems vorteilhaft vermieden werden.
• Zudem wird vorgeschlagen, dass in dem zweiten Regelungsverfahrensschritt eine Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises berechnet wird, wobei die Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises ein berechneter Wert für einen Strom ist. Durch diese Ausgestaltung kann eine vorteilhaft schnelle Regelung der zumindest einen Regelgröße des Brennstoffzellensystems erfolgen. Vorzugsweise ist der berechnete Wert für den Strom eine Zwischengröße für die zu regelnde zumindest eine elektrische Regelgröße.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises in dem zweiten Regelungsverfahrensschritt anhand von mehreren Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises berechnet wird, die jeweils zumindest eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung, eine gemessene Leistung oder ein geglätteter Netto-Leistungsbedarf sind. Durch diese Ausgestaltung kann eine vorherige Abschätzung aus der Vorsteuerung vorteilhaft in den geschlossenen Regelkreis einfließen. Durch diese Ausgestaltung kann eine vorteilhaft schnelle und vorteilhaft begrenzte Regelung der zumindest einen Regelgröße des Brennstoffzellensystems erfolgen. Vorzugsweise ist die gemessene Leistung als eine Netto-Leistung ausgebildet, die von dem Brennstoffzellensystem in das Netz eingespeist wird.
• Ferner wird vorgeschlagen, dass der geschlossene Regelkreis des zweiten Regelverfahrensschritts als ein PI-Regler ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung kann ein Vorteil eines P-Reglers, nämlich eine schnelle Reaktion, mit einem Vorteil eines I-Reglers, nämlich einer exakten Ausregelung ohne eine bleibende Regelabweichung, für eine Regelung der zumindest einen Regelgröße des Brennstoffzellensystems vorteilhaft kombiniert werden. Unter einem „PI-Regler“ soll vorzugsweise ein Regler mit einem proportionalen Anteil (P-Regler) und einem integralen Anteil (I-Regler) verstanden werden.
• Zudem wird das Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen, wobei das Brennstoffzellensystem zumindest einen Wechselrichter und zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Wechselrichter, insbesondere bezüglich der zumindest einen elektrischen Regelgröße, zu steuern und/oder zu regeln. Durch diese Ausgestaltung kann ein Brennstoffzellensystem mit einer besonders vorteilhaften Regelung der zumindest einen elektrischen Regelgröße, insbesondere der elektrischen Leistung, bereitgestellt werden. Dadurch kann eine vorteilhaft netzkompatible Stromeinspeisung erfolgen. Des Weiteren kann dadurch ein vorteilhaft effizientes und langlebiges Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem zumindest einen Brennstoffzellen-Stack auf. Bevorzugt ist der zumindest eine Brennstoffzellen-Stack dazu vorgesehen, elektrischen Strom, insbesondere Gleichstrom, zu erzeugen. Vorzugsweise weist der zumindest eine Brennstoffzellen-Stack mehrere Brennstoffzellen auf. Vorzugsweise weisen die mehreren Brennstoffzellen für eine elektrochemische Reaktion jeweils eine Anode, eine Elektrolytschicht und eine Kathode auf. Vorzugsweise ist der zumindest eine Wechselrichter dazu vorgesehen, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Vorzugsweise ist der zumindest eine Wechselrichter dazu vorgesehen, den durch den zumindest einen Brennstoffzellen-Stack erzeugten Strom umzuwandeln. Besonders bevorzugt ist der zumindest eine Wechselrichter dazu vorgesehen, den durch den zumindest einen Brennstoffzellen-Stack erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Vorzugsweise ist der zumindest eine Wechselrichter dazu vorgesehen, Wechselstrom in das Netz einzuspeisen. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll vorzugsweise eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll vorzugsweise eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Vorzugsweise ist die zumindest einen Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen, das Verfahren zumindest teilweise auszuführen, insbesondere für das Verfahren notwendige Rechenoperationen auszuführen. Vorzugsweise ist in der Speichereinheit zumindest eine Datenbank, insbesondere eine Look-Up-Tabelle, gespeichert, die für das Verfahren relevante Werte enthält. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit als eine zentrale Steuer- und/oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist, die dazu vorgesehen ist, das gesamte Brennstoffzellensystem zu steuern und/oder zu regeln. Alternativ kann die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit beispielsweise als ein Microcontroller in den zumindest einen Wechselrichter integriert sein. Grundsätzlich sind bei einer Anordnung und Wirkverbindung zwischen dem zumindest einen Brennstoffzellen-Stack, dem zumindest einen Wechselrichter und/oder der zumindest einen Steuer- und/oder Regeleinheit verschiedene, einem Fachmann mögliche Ausführungen denkbar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
• Figurenliste
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Es zeigen:
• 1 ein schematisches Wirkschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems,
• 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 3 eine schematische Darstellung eines Statusdiagramms in einem Überwachungsverfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• In der 1 ist ein Wirkschema eines Verfahrens 100 zum Betrieb eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, gezeigt. Das Brennstoffzellensystem ist zur Durchführung des Verfahrens 100 vorgesehen.
• Das Brennstoffzellensystem ist grundsätzlich dazu vorgesehen, Wechselstrom und/oder Gleichstrom in ein Netz einzuspeisen. Im vorliegenden Fall ist das Brennstoffzellensystem dazu vorgesehen, Wechselstrom in das Netz einzuspeisen. Das Brennstoffzellensystem ist stationär, insbesondere ortsfest, ausgebildet.
• Das Verfahren 100 ist zur elektrischen Ausgangsleistungsregelung vorgesehen. Das Verfahren 100 regelt zumindest eine elektrische Regelgröße P_AcNetGrid des Brennstoffzellensystems. Die zumindest eine elektrische Regelgröße P_AcNetGrid ist als eine Regelgröße des Verfahrens 100 ausgebildet. Die zumindest eine elektrische Regelgröße P_AcNetGrid ist als eine elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems ausgebildet. Die elektrische Leistung wird von dem Brennstoffzellensystem erzeugt und in das Netz eingespeist. Die zumindest eine elektrische Regelgröße P_AcNetGrid umfasst im vorliegenden Fall einen Wechselstrom (AC), der von dem Brennstoffzellensystem in das Netz eingespeist wird.
• Das Brennstoffzellensystem weist im vorliegenden Fall zwei nicht näher dargestellte Brennstoffzellen-Stacks auf. Das Brennstoffzellensystem weist einen ersten Brennstoffzellen-Stack und einen zweiten Brennstoffzellen-Stack auf. Grundsätzlich kann das Brennstoffzellensystem auch eine beliebige andere Anzahl an Brennstoffzellen-Stacks aufweisen. Die Brennstoffzellen-Stacks sind dazu vorgesehen, elektrischen Strom, insbesondere Gleichstrom, zu erzeugen. Die Brennstoffzellen-Stacks weisen jeweils mehrere Brennstoffzellen auf. Die mehreren Brennstoffzellen weisen für eine elektrochemische Reaktion jeweils eine Anode, eine Elektrolytschicht und eine Kathode auf.
• Das Brennstoffzellensystem weist zumindest einen nicht näher dargestellten Wechselrichter auf. Der zumindest eine Wechselrichter ist als ein DC/AC-Wechselrichter ausgebildet. Der zumindest eine Wechselrichter ist dazu vorgesehen, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Der zumindest eine Wechselrichter ist dazu vorgesehen, den durch die Brennstoffzellen-Stacks erzeugten Strom umzuwandeln. Der zumindest eine Wechselrichter ist dazu vorgesehen, den durch die Brennstoffzellen-Stacks erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Der zumindest eine Wechselrichter ist dazu vorgesehen, Wechselstrom in das Netz einzuspeisen.
• Das Brennstoffzellensystem weist zumindest eine nicht näher dargestellte Steuer- und/oder Regeleinheit auf. Die Steuer- und/oder Regeleinheit ist dazu vorgesehen, den zumindest einen Wechselrichter, insbesondere bezüglich der zumindest einen elektrischen Regelgröße P_AcNetGrid, zu steuern und/oder zu regeln. Die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit weist zumindest eine Steuerelektronik mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm auf. Die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit ist dazu vorgesehen, das Verfahren zumindest teilweise auszuführen, insbesondere für das Verfahren 100 notwendige Rechenoperationen auszuführen. In der Speichereinheit ist zumindest eine Datenbank, insbesondere eine Look-Up-Tabelle, gespeichert, die für das Verfahren relevante Werte enthält.
• Das Brennstoffzellensystem weist einen sogenannten „Net AC Power Controller At Plant Level“ (NAPCAPL) auf. Dieser wird zumindest teilweise durch die zumindest einen Steuer- und/oder Regeleinheit und den zumindest einen Wechselrichter ausgebildet.
• Das Brennstoffzellensystem weist eine Vorgabe 102 auf. Die Vorgabe 102 ist im vorliegenden Fall als eine Nutzervorgabe ausgebildet. Die Vorgabe 102 weist einen Wert für einen Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} auf.
• Das Brennstoffzellensystem weist einen State of Health Server 104 auf. Der State of Health Server 104 kann Teil der zumindest einen Steuer- und/oder Regeleinheit, insbesondere der zumindest einen Datenbank, sein. Der State of Health Server 104 weist eine erste Degradationsrate ra_AgeingStk1 für einen ersten Brennstoffzellen-Stack auf. Der State of Health Server 104 weist eine zweite Degradationsrate ra_AgeingStk2 für einen zweiten Brennstoffzellen-Stack auf. Der State of Health Server 104 weist einen Wert für eine Zellspannung U_CellStk1 des ersten Brennstoffzellen-Stacks auf. Der State of Health Server 104 weist einen Wert für eine Zellspannung u_CellStk2 des zweiten Brennstoffzellen-Stacks auf. Alternativ könnte der Wert für die Zellspannung u_CellStk1 und/oder der Wert für die Zellspannung u_CellStk2 jeweils auch als eine Stackspannung ausgebildet sein.
• Das Brennstoffzellensystem weist zumindest eine Sensoreinheit 106 auf. Im vorliegenden Fall weist die zumindest eine Sensoreinheit 106 zumindest einen Feldsensor auf. Die zumindest eine Sensoreinheit 106 ist als Hardware ausgebildet. Die zumindest eine Sensoreinheit 106 weist einen Wert für eine Spannung u_Stk1 des ersten Brennstoffzellen-Stacks auf. Die Spannung u_Stk1 des ersten Brennstoffzellen-Stacks ist gemessen. Die zumindest eine Sensoreinheit 106 weist einen Wert für eine Spannung u_Stk2 des zweiten Brennstoffzellen-Stacks auf. Die Spannung u_Stk2 des zweiten Brennstoffzellen-Stacks ist gemessen. Die zumindest eine Sensoreinheit 106 weist einen Wert für eine Netto-Leistung P_AcNetGrid auf, die an das Netz abgegeben wird. Die Netto-Leistung P_AcNetGrid ist gemessen. Die Netto-Leistung P_AcNetGrid ist im vorliegenden Fall als eine Netto-Wechselstromleistung ausgebildet.
• Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest einen Aktuator 154. Der zumindest eine Aktuator 154 ist im vorliegenden Fall Teil des zumindest einen Wechselrichters. Der zumindest eine Aktuator 154 ist dazu vorgesehen, eine als Stellgröße i_InvCpF ausgebildete Ausgangsgröße des Verfahrens 100 zu empfangen, um die elektrische Regelgröße P_AcNetGrid, insbesondere die elektrische Leistung, des Brennstoffzellensystems zu regeln, insbesondere einzustellen. Der zumindest eine Aktuator 154 ist als ein Feldaktuator ausgebildet.
• Das Brennstoffzellensystem weist zumindest eine Konfigurationsdatei 108 auf. In der Konfigurationsdatei 108 sind Betriebsparameter gespeichert. Die Konfigurationsdatei 108 weist einen Wert für einen minimal zulässigen Strom i_InvMin des Wechselrichters auf. Die Konfigurationsdatei 108 weist einen Wert für einen maximal zulässigen Strom i_InvMax des Wechselrichters auf. Die Konfigurationsdatei 108 weist einen Wert für eine minimal zulässige Stromänderung di_InvMin/dt auf. Die Konfigurationsdatei 108 weist einen Wert für eine maximal zulässige Stromänderung di_InvMax/dt auf. Die Konfigurationsdatei 108 weist weitere Parameter 110 auf.
• Das Brennstoffzellensystem weist eine Konstantendatei 112 auf. Die Konstantendatei 112 kann beispielsweise von einem Read-only-Memory umfasst sein. Die Konstantendatei 112 weist einen Wert für einen Anlagentyp j_PlantType des Brennstoffzellensystems auf.
• In der 2 ist das Verfahren 100 zum Betrieb des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Festoxidbrennstoffzellensystems, gezeigt.
• Das Verfahren 100 weist einen Limitierungsverfahrensschritt 114 auf. In dem Limitierungsverfahrensschritt 114 wird eine dynamische Limitierungsfunktion 116 ausgeführt, die eine unstetige Änderung des Netto-Leistungsbedarfs P_PwrNetAcDesi-red glättet (vgl. 1). Die dynamische Limitierungsfunktion 116 verarbeitet den Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} und die weiteren Parameter 110. Die dynamische Limitierungsfunktion 116 ist dazu vorgesehen, zumindest eine mathematische Funktion kontinuierlich zu machen. Ziel der dynamischen Limitierungsfunktion 116 ist, eine nicht-kontinuierliche Änderung in dem Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} gleichmäßiger zu machen. Beispielsweise wird eine schrittweise Änderung des Netto-Leistungsbedarfs P_{PwrNetAcDesired} in eine Art Rampe umgewandelt. Ein weiteres Ziel der dynamischen Limitierungsfunktion 116 ist, eine Dynamik des Netto-Leistungsbedarfs P_{PwrNetAcDesired} mithilfe zumindest eines Parameters der weiteren Parameter 110 zu verlangsamen. Das Brennstoffzellensystem, insbesondere eine gesamte Anlage, verfügt über eine eigene Dynamik, und es lohnt sich nicht, Änderungen eines Leistungsbedarfs zu berücksichtigen, die schneller sind als die Dynamik des Brennstoffzellensystems, insbesondere der Anlage, selbst. Die dynamische Limitierungsfunktion 116 reduziert die zeitlich betrachtete Dynamik des Netto-Leistungsbedarfs P_{PwrNetAcDesired}. Die dynamische Limitierungsfunktion 116 ist dazu vorgesehen, eine Änderung des Netto-Leistungsbedarfs P_{PwrNetAcDesired} zu begrenzen. Die dynamische Limitierungsfunktion 116 begrenzt den Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} bezüglich einer maximal möglichen Änderung einer durch die Brennstoffzellen-Stacks erzeugbaren Leistung. Die dynamische Limitierungsfunktion 116 bestimmt einen Wert für einen geglätteten Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesiredSat} (vgl. 1).
• Zur Ausführung der dynamischen Limitierungsfunktion 116 kann das Brennstoffzellensystem beispielsweise einen Tiefpassfilter aufweisen. Der Tiefpassfilter hat eine erste Ordnung. Der Tiefpassfilter weist einen Verstärkungskoeffizienten von 1 auf. Eine Berechnung der dynamischen Limitierungsfunktion 116 kann nach Gleichung (1) erfolgen. $$K\ast P_{PWTAcDesired}\left(t\right)=T\ast {\dot{P}}_{PWTAcDesiredSat}+P_{PWTAcDesiredSat}$$

  
• In Gleichung (1) ist der Verstärkungskoeffizient K auf 1 gesetzt. Die Zeitkonstante T ist in Sekunden angegeben. Bei einer schrittweisen Änderung von P_PwrAcDesired(t) erreicht ein Ausgangssignal P_{PwrAcDesiredSat}(t) nach drei mal T 95 % eines Eingangsschrittsignals.
• Das Verfahren 100 weist einen Überwachungsverfahrensschritt 118 auf. In dem Überwachungsverfahrensschritt 118 stoppt ein Skript 120 eine unkontrollierte Degradation der Brennstoffzellen-Stacks während des Betriebs, insbesondere eines Energiebetriebs (vgl. 1). Das Skript 120 ist als eine Funktion s_{uCellDriftMonitoring} abgebildet. Das Skript 120 verarbeitet den Wert für die Spannung u_Stk1 des ersten Brennstoffzellen-Stacks und den Wert für die Spannung U_Stk2 des zweiten Brennstoffzellen-Stacks. Das Skript 120 verarbeitet den Wert für den minimal zulässigen Wechselrichter-Strom i_InvMin und den Wert für den maximal zulässigen Wechselrichter-Strom i_InvMax. Das Skript 120 verarbeitet den Wert für die minimal zulässige Stromänderung di_InvMin/dt und den Wert für die maximal zulässige Stromänderung di_InvMax/dt. Das Skript 120 verarbeitet den Wert für die Zellspannung u_CellStk1 des ersten Brennstoffzellen-Stacks und den Wert für die Zellspannung u_CellStk2 des zweiten Brennstoffzellen-Stacks. Das Skript 120 verarbeitet den Wert für den Anlagentyp j_PlantType des Brennstoffzellensystems. Das Skript 120 bestimmt einen Wert für einen kontrollierten minimal zulässigen Strom i_InvMinMon des Wechselrichters. Das Skript 120 bestimmt einen Wert für einen kontrollierten maximal zulässigen Strom i_InvMaxMon des Wechselrichters. Das Skript 120 bestimmt einen Wert für eine kontrollierte minimal zulässige Stromänderung di_InvMinMon/dt. Das Skript 120 bestimmt einen Wert für eine kontrollierte maximal zulässige Stromänderung di_InvMaxMon/dt.
• Das Skript 120 kann als Statusdiagramm beschrieben werden (vgl. 3). In einem initialen Status 122 werden statische und dynamische Begrenzungen nicht modifiziert. Standardwerte, die von der Konfigurationsdatei 108 stammen, werden durchgereicht.
• Eine erste Bedingung 124 löst einen ersten Alarmstatus 126 aus. Die erste Bedingung 124 ist erfüllt, wenn ein Unterschied zwischen der gemessenen Spannung u_Stk1, u_Stk2 und der vorhergesagten Zellspannung u_CellStk1, u_CellStk2 größer ist als ein Wert x_Alarm1Level. Vorausgesetzt wird eine Messung eines Werts u_Stk/n_Cells eines Brennstoffzellen-Stacks. Die erste Bedingung 124 ist mit der Gleichung (2) erfüllt. $${\text{u}}_{\text{CellStk}}-{\text{u}}_{\text{Stk}}/{\text{n}}_{\text{Cells}}<{\text{x}}_{\text{Alarm1Level}}$$

  
• Der Wert x_Alarm1Level wird in mV angegeben. Der Wert x_Alarm1Level muss negativ sein. Wenn mehrere Brennstoffzellen-Stacks vorhanden sind, wird die erste Bedingung 124 erfüllt, sobald wenigstens einer der Brennstoffzellen-Stacks die Gleichung (2) erfüllt. In dem ersten Alarmstatus 126 wird eine aktuelle statische Begrenzung für den Strom i_InvMaxMon durch einen Wert i_Inv* ra_{StatAlarm1Level} ersetzt. Die Begrenzung des Stroms wird durch einen neuen Wert ersetzt, der berechnet wird, indem ein tatsächlicher Prozesswert „i_Inv“ mit einem positiven Faktor „ra_{StatAlarm1Level}“ kleiner als 1 multipliziert wird. In dem ersten Alarmstatus 126 wird die aktuelle dynamische Begrenzung di_InvMaxMon/dt durch einen Wert di_InvMaxMon/dt * ra_{DynAlarm1Level} ersetzt. Ein Faktor ra_{DynAlarm1Level} ist positiv und kleiner als 1.
• Eine zweite Bedingung 128 löst einen zweiten Alarmstatus 130 aus. Die zweite Bedingung 128 ist erfüllt, wenn ein Unterschied zwischen der gemessenen Spannung u_Stk1, u_Stk2 und der vorhergesagten Zellspannung u_CellStk1, U_CellStk2 größer ist als ein Wert x_Alarm2Level. Vorausgesetzt wird eine Messung des Werts u_Stk/n_Cells eines Brennstoffzellen-Stacks. Die zweite Bedingung 128 ist mit der Gleichung (3) erfüllt. $${\text{u}}_{\text{CellStk}}-{\text{u}}_{\text{Stk}}/{\text{n}}_{\text{Cells}}<{\text{x}}_{\text{Alarm1Level}}$$

  
• Der Wert x_Alarm2Level wird in mV angegeben. Der Wert x_Alarm2Level muss negativ und kleiner als der Wert x_Alarm1Level sein. In dem zweiten Alarmstatus 130 wird eine aktuelle statische Begrenzung für den Strom i_InvMaxMon durch einen Wert i_In-_vMaxMon * ra_{StatAlarm2Level} ersetzt. Die Begrenzung des Stroms wird durch einen neuen Wert ersetzt, der berechnet wird, indem ein zuletzt bekannter oberer Begrenzungswert „i_InvMaxMon“ mit einem positiven Faktor „ra_{StatAlarm1Level}“ kleiner als 1 multipliziert wird. In dem zweiten Alarmstatus 130 wird die aktuelle dynamische Begrenzung di_InvMaxMon/dt durch einen Wert di_InvMaxMon/dt * ra_{DynAlarm2Level} ersetzt. Ein Faktor ra_{DynAlarm2Level} ist positiv und kleiner als 1.
• Grundsätzlich wäre es in einer alternativen Ausgestaltung auch denkbar, dass bei einer Auslösung des zweiten Alarmstatus 130 und/oder des ersten Alarmstatus 126 der komplette elektrische Leistungsregler des „Net AC Power Controller At Plant Level“ deaktiviert wird. Eine Steuerung würde dann in einem stromgeführten Modus ablaufen, bei dem die elektrische Leistung nicht mehr geregelt wird.
• Eine dritte Bedingung 132 löst den initialen Status 122 aus. Dabei setzt eine Softwareroutine höherer Ordnung das in 3 gezeigte Statusdiagramm zurück.
• Das Verfahren 100 weist einen ersten Regelungsverfahrensschritt 134 auf (vgl. 2). Der erste Regelungsverfahrensschritt 134 umfasst eine Vorsteuerung 136 (vgl. 1). Die Vorsteuerung 136 ist als eine feed-forward-Steuerung ausgebildet. Im vorliegenden Fall ist die Vorsteuerung 136 als eine stationäre Vorsteuerung ausgebildet. Die stationäre Vorsteuerung 136 wird durch eine Funktion fi_InvFfc abgebildet.
• In dem ersten Regelungsverfahrensschritt 134 wird eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung 136 abgeschätzt, wobei die Ausgangsgröße der Vorsteuerung 136 ein geschätzter Wert für einen Strom i_invFfc ist. Der geschätzte Wert für den Strom i_In-v_Ffc ist eine Zwischengröße für die zu regelnde elektrische Regelgröße P_AcNetGrid. Die Funktion fi_InvFfc ermittelt einen zeitabhängigen Wert für den Strom i_InvFfc(t). Die Ausgangsgröße der Vorsteuerung 136 wird in dem ersten Regelungsverfahrensschritt 134 anhand von mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 abgeschätzt. Eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 ist die erste Degradationsrate ra_Ageingstk1 des ersten Brennstoffzellen-Stacks. Eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 ist die zweite Degradationsrate ra_AgeingStk2 des zweiten Brennstoffzellen-Stacks. Eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 ist der geglättete Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesiredSat}. Eine Eingangsgröße der mehrere Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 ist der Wert für den kontrollierten minimal zulässigen Strom i_InvMinMon des Wechselrichters. Eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 ist der Wert für den kontrollierten maximal zulässigen Strom i_InvMaxMon des Wechselrichters. Eine Eingangsgröße der mehrere Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 ist der Wert für die minimal zulässige Stromänderung di_InvMin/dt. Eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung 136 ist der Wert für die maximal zulässige Stromänderung di_InvMax/dt. Die Vorsteuerung 136 bestimmt einen Wert für einen geschätzten Strom i_InvFfc, insbesondere Gleichstrom, des Wechselrichters. Der Wert für den geschätzten Strom i_invFfc ist der Anteil der Stellgröße i_InvCpF, der von der Vorsteuerung 136 berechnet wird.
• Die folgenden Werte sind während des Betriebs veränderlich: Die Werte für i_InvMinMon, i_InvMaxMon entsprechend den minimal bzw. maximal zulässigen Stromwerten des Wechselrichters. Die Werte für di_InvMinMon/dt bzw. di_InvMaxMon/dt entsprechen den minimal bzw. maximal zulässigen Stromänderungswerten (angegeben pro Sekunde).
• Zu berücksichtigen ist ein zusätzlicher Stromverbrauch eines Luftgebläses des Brennstoffzellensystems aufgrund einer Alterung, insbesondere Degradation, der Brennstoffzellen-Stacks. Der zusätzliche Stromverbrauch kann mittels der Gleichungen (4), (5), (6), (7), (8) und (9) abgeschätzt werden. Der zusätzliche Stromverbrauch wird mittels der Gleichung (9) zum Ausdruck gebracht. $$\Delta n_{Air}=\frac{r{a}_{AgeingStk}\ast \left(u_{OCV}-R\ast i_{Inv}\right)\ast n_{cell}\ast i_{Inv}}{c{p}_{Air}\ast \left(t_{AirStkOut}-t_{AirStkin}\right)}$$

  

  $$\Delta p=a_0+a_1\ast {\dot{n}}_{Air}+a_2\ast {\dot{n}}_{Air}^2$$

  

  $${\dot{n}}_{Air}=\dot{n}°+{\dot{n}}_{Air}^2$$

  

  $$\Delta p=\Delta p°+\Delta p_{Ageing}$$

  

  $$\Delta p_{Ageing}=a_1\ast \Delta {\dot{n}}_{Air}+a_2\ast \Delta {\dot{n}}_{Air}^2+2\ast \dot{n}{°}_{Air}\ast {\dot{n}}_{Air}$$

  

  $$\Delta p_{PwrAirBlwr}=\frac{\Delta p_{Ageing}\ast \Delta {\dot{n}}_{Air}}{{\eta }_{Isen}\ast {\eta }_{ElMotor}}=ƒ\left(i_{Inv}^6;i_{Inv}^5;\dots ;i_{Inv}\right)$$

  
• Die Gleichung (9) wird in einem nächsten Schritt zur Berechnung des Werts i_Inv genutzt. Beziehungen zu undegradierten Brennstoffzellen-Stacks können über eine Look-Up-Tabelle mittels der Gleichungen (10) und (11) ermittelt werden. $$n{°}_{Air}={ƒ}_1\left(i{°}_{Inv}\right)$$

  

  $$i{°}_{Inv}={ƒ}_2\left(P_{PWTAcDesired}\right)$$

  
• Der Wert i_Inv wird über eine Gesamtgleichung (12) über die Netto-Leistung, insbesondere Netto-Wechselstromleistung, abgeschätzt. Eine verbrauchte elektrische Wechselstromleistung entspricht einer erzeugten elektrischen Gleichstromleistung multipliziert mit einem Wirkungsgrad des Wechselrichters. $$\begin{array}{l}{P}_{PWTAcNetDesired}+P_{PWTAcFix}+P{°}_{PWTAcAirBlwr}\left(i_{Inv}\right)+P_{PWTAcNgBlwr}\left(i_{Inv}\right)\\ +P_{PWTAcNgBlwr}\left(i_{Inv}\right)+P_{PWTAcAirBlwr}\left(r{a}_{AgeinStk};i_{Inv}\right)\\ ={\eta }_{Inv}\ast P_{PWrDcStk}\end{array}$$

  
• Eine Ableitung von P_PwrDcStk ergibt Gleichung (13). $$\begin{array}{l}{P}_{PWTAcNetDesired}+P_{PWTAcFix}+P{°}_{PWTAcAirBlwr}\left(i_{Inv}\right)+P_{PWTAcNgBlwr}\left(i_{Inv}\right)\\ +P_{PWTAcNgBlwr}\left(i_{Inv}\right)+P_{PWTAcAirBlwr}\left(r{a}_{AgeinStk};i_{Inv}\right)\\ ={\eta }_{Inv}\ast \left(u_{CellOcv}-R\ast i_{Inv}\right)\ast \left(1-r{a}_{AgingStk}\right)\ast i_{Inv}\ast n_{Cells}\end{array}$$

  
• Dabei lässt sich P°_PwrAcAirBlwr(i_Inv) mittels Gleichung (14), P_PwrAcAgbBlwr(I_Inv) mittels Gleichung (15) und P_PwrAcNgBlwr(l_Inv) mittels Gleichung (16) berechnen. $$\text{P}{°}_{\text{PwrAcAirBlwr}}\left({\text{I}}_{\text{Inv}}\right)={\text{a}}_0+{\text{a}}_1\ast {\text{i}}_{\text{Inv}}+{\text{a}}_2\ast {\text{i}}_{{\text{Inv}}^2}$$

  

  $$\text{P}{°}_{\text{PwrAcAirBlwr}}\left({\text{I}}_{\text{Inv}}\right)={\text{b}}_0+{\text{b}}_1\ast {\text{i}}_{\text{Inv}}+{\text{b}}_2\ast {\text{i}}_{{\text{Inv}}^2}$$

  

  $$\text{P}{°}_{\text{PwrAcAirBlwr}}\left({\text{I}}_{\text{Inv}}\right)={\text{c}}_0+{\text{c}}_1\ast {\text{i}}_{\text{Inv}}+{\text{c}}_2\ast {\text{i}}_{{\text{Inv}}^2}$$

  
• Zur Lösung der Gleichungen (14), (15) und (16) ist die Heranziehung einer Look-Up-Tabelle notwendig. Bei den Gleichungen (15) und (16) kann eine lineare Look-Up-Tabelle ausreichend sein. Bei den Gleichungen (15) und (16) ist zu berücksichtigen, dass der Stromverbrauch unabhängig von der Degradationsrate ra_AgeingStk ist. ΔP_PwrAcAirBlwr(ra_AgeingStk; i_Inv) ist ein Polynom 6. Ordnung in i_Inv. P_PwrAcFix ist ein fester Stromverbrauch des Brennstoffzellensystems, insbesondere der Anlage, selbst. Beim festen Stromverbrauch des Brennstoffzellensystems sind beispielsweise PLC, Display, Absperrventil, Sensoren etc. berücksichtigt. Die Gleichung (16) muss nach i_Inv aufgelöst werden, beispielsweise mittels eines Newton-Verfahrens oder analytisch durch Nutzung einer, insbesondere linearen oder quadratischen, Annäherung der Gleichung (16) für einen Bereich i_Inv = [i_InvMin ... i_In-_vMax]. Die Vorsteuerung 136 umfasst einen als dy/dt-Sättiger ausgebildeten Stellgrößenbegrenzer. Die Vorsteuerung 136 umfasst einen als y-Sättiger ausgebildeten weiteren Stellgrößenbegrenzer. Nach Annäherung von i_Inv wird eine dynamische Sättigung und danach eine statische Sättigung auf i_Inv angewendet, wobei die Parameter i_InvMinMon, I_InvMaxMon, di_InvMinMon/dt und di_InvMaxMon/dt verwendet werden. Ein Ausgangswert der statischen Sättigung ist der geschätzte Wert für den Strom J_InvFfc. Der geschätzte Wert für den Strom i_invFfc wird an einen zweiten Regelungsverfahrensschritt 138 übergeben.
• Bei einer Deaktivierung des „Net AC Power Controller At Plant Level“ ist der aktuelle Wert i_Inv manuell eingestellt. Bei einer Deaktivierung muss die Funktion weiterhin i_InvFfc berechnen, wie dies im Falle einer Aktivierung des „Net AC Power Controller At Plant Level“ der Fall wäre. Dies ist erforderlich, um einen kontinuierlichen Wert und keine schrittweise Änderung der Stellgröße i_InvCpF zu erhalten, wenn ein Benutzer des Brennstoffzellensystems zwischen einem aktivierten bzw. deaktivierten Status wechselt. Wenn „Net AC Power Controller At Plant Level“ deaktiviert ist, erfolgt eine weitere Berechnung von i_InvFfc mithilfe der gemessenen Netto-Leistung P_AcNetGrid und nicht mehr mit dem Netto-Leistungsbedarf P_PwrNetAcDe-_sired, welcher insbesondere als ein Nutzersollwert ausgebildet ist. Für diesen Zweck kann die gemessene Netto-Leistung P_AcNetGrid geglättet werden.
• Das Verfahren 100 weist den zweiten Regelungsverfahrensschritt 138 auf (vgl. 2). Der zweite Regelungsverfahrensschritt 138 umfasst einen geschlossenen Regelkreis 140 (vgl. 1). Der geschlossene Regelkreis 140 ist als eine feedback- Regelung ausgebildet. Der geschlossene Regelkreis 140 des zweiten Regelverfahrensschritts 138 ist als ein PI-Regler ausgebildet. Der zweite Regelungsverfahrensschritt 138 wird, insbesondere zeitlich betrachtet, nach dem ersten Regelungsverfahrensschritt 134 ausgeführt. Die stationäre Vorsteuerung 136 und der geschlossene Regelkreis 140 sind miteinander kombiniert. Die Vorsteuerung 136 ist als eine Erweiterung des geschlossenen Regelkreises 140 vorgesehen. Ziel des Verfahrens 100 ist, eine Regelung des Netto-Leistungsbedarfs P_Pwr-_NetAcDesired, der insbesondere von einem Nutzer vorgegeben wird, mittels des geschlossenen Regelkreises 140 so schnell wie möglich zu machen und gleichzeitig ein Unterschießen und/oder Überschießen zu verringern.
• In dem zweiten Regelungsverfahrensschritt 138 wird eine Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises 140 berechnet, wobei die Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises 140 ein berechneter Wert für einen Strom i_InvClc ist. Der berechnete Wert für den Strom i_InvClc ist eine Zwischengröße für die zu regelnde elektrische Regelgröße P_AcNetGrid. Die Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises 140 wird in dem zweiten Regelungsverfahrensschritt 138 anhand von mehreren Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises 140 berechnet. Die Ausgangsgröße der Vorsteuerung 136 aus dem ersten Regelungsverfahrensschritt 134 wird als eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen in dem zweiten Regelungsverfahrensschritt 138 verwendet. Eine Eingangsgröße der mehrere Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises 140 ist der geglättete Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesiredSat}. Eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises 140 ist die gemessene Leistung P_AcNetGrid. Die gemessene Leistung P_AcNetGrid ist im vorliegenden Fall als eine Netto-Leistung P_AcNetGrid ausgebildet. Eine Eingangsgröße der mehrere Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises 140 ist der Wert für den kontrollierten minimal zulässigen Strom i_InvMinMon des Wechselrichters. Eine Eingangsgröße der mehrere Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises 140 ist der Wert für den kontrollierten maximal zulässigen Strom i_InvMaxMon des Wechselrichters. Eine Eingangsgröße der mehrere Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises 140 ist der Wert für die minimal zulässige Stromänderung di_InvMin/dt. Eine Eingangsgröße der mehreren Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises 140 ist der Wert für die maximal zulässige Stromänderung di_InvMax/dt. Der geschlossene Regelkreis 140 umfasst einen als dy/dt-Sättiger ausgebildeten Stellgrößenbegrenzer. Der geschlossene Regelkreis 140 umfasst einen als y-Sättiger ausgebildeten weiteren Stellgrößenbegrenzer. Der geschlossene Regelkreis 140 bestimmt den Wert für den berechneten Strom i_InvClc des Wechselrichters.
• Der Pl-Regler berechnet den Wert für den Strom i_InvClc. Eine Berechnung des geschlossenen Regelkreises 140 muss nach einer Berechnung der Vorsteuerung 136 erfolgen. Grundsätzlich hat der PI-Regler einen begrenzten Aktionsradius. Für den Fall, dass der Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} größer als die Netto-Leistung P_PwrNetAcGrid ist, kann der PI-Regler eine Variable mit einem Wert ausgeben, der so hoch wie i_InvMaxMon - i_InvFfc ist. Es kann sinnvoll sein, eine Aktionsreichweite noch mehr zu begrenzen, insbesondere durch Genehmigung eines kleineren Wertes, beispielsweise: ra_PiController(i_InvMaxMon - i_InvFfc), wobei ra_PiController = [0...1]. Für den Fall, dass der Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} kleiner als die Netto-Leistung P_PwrNetAcGrid ist, kann der PI-Regler eine Variable mit einem Wert ausgeben, der so niedrig wie i_invFfc - i_InvMinMon ist. Es kann sinnvoll sein, eine Aktionsreichweite noch mehr zu begrenzen, insbesondere durch Genehmigung eines kleineren Wertes, beispielsweise: ra_PiController(i_InvFfc - i_InvMinMon), wobei ra_PiController = [0...1].
• In dem ersten Regelungsverfahrensschritt 134 wird zumindest eine weitere Ausgangsgröße der Vorsteuerung 136 bestimmt, wobei die zumindest eine weitere Ausgangsgröße der Vorsteuerung 136 eine Änderungsrate di_InvFfc/dt des geschätzten Werts für den Strom i_invFfc ist. Die Vorsteuerung 136 übermittelt zusätzlich zu ihrer aktuellen Ausgangsgröße, insbesondere Stellgröße, i_InvFfc, ihre aktuelle Änderungsrate di_InvFfc/dt des geschätzten Werts für den Strom i_InvFfc an den Pl-Regler. Die Änderungsrate di_InvFfc/dt beschreibt die Änderung von i_invFfc pro Zeiteinheit. Die Änderungsrate di_InvFfc/dt des geschätzten Werts für den Strom i_In-_vFfc ist in A s^-1 angegeben. Es wird eine maximale Änderungsrate di_InvMax/dt und eine minimale Änderungsrate di_InvMin/dt definiert.
• Der Pl-Regler errechnet eine Stellgröße i_InvClc, deren Änderungsrate innerhalb folgender Grenzen liegt: di_InvMin/dt - di_InvFfc/dt < di_InvClc/dt < di_InvMax/dt - di_InvFfc/dt. Diese Ungleichung lässt sich ebenso mit einer Gleichung der Stellgröße kombinieren: i_InvMin-Max(i_InvFfc; I_InvClc(k-1) + (di_InvMin - di_InvFfc)*Δt) < i_InvClc < i_InvMax-Min(i_InvFfc; I_InvClc(k-1) + (di-_InvMax - di_InvFfc)*Δt). Dabei entspricht Δt einem Software-Berechnungs-Zeitschritt. Die Vorsteuerung 136 schränkt die vom geschlossenen Regelkreis 140 errechnete Stellgröße auf zwei Ebene ein, nämlich über einen Stellgrößenbetrag an sich und über eine Stellgrößenrate.
• Der PI-Regler umfasst einen proportionalen Anteil (P-Anteil) und einen integralen Anteil (I-Anteil). Eine Berechnung des proportionalen Anteils muss zeitlich betrachtet vor einer Berechnung des integralen Anteils ablaufen.
• Zwischen der Vorsteuerung 136 und dem geschlossenen Regelkreis 140 herrscht eine Master-Slave-Beziehung. Dabei ist die Vorsteuerung 136 als Master ausgebildet und der geschlossene Regelkreis 140 als Slave. Die Master-Slave-Beziehung lässt sich ebenso innerhalb des geschlossenen Regelkreises 140, insbesondere in dem PI-Regler, anwenden. Der P-Anteil des PI-Reglers berechnet zuerst seine Stellgröße i_InvClcPpart. Anschließend berechnet der I-Anteil seine Stellgröße i_InvClclPart. Somit überträgt die Vorsteuerung 136 ihre Einschränkungen, insbesondere Stellgrößenbetrag und Stellgrößenrate, zuerst dem P-Anteil des PI-Reglers.
• Falls ein D-Anteil vorhanden ist, insbesondere falls statt dem PI-Regler ein PID-Regler verwendet wird, würde der D-Anteil vorrangig vor dem P-Anteil verarbeitet werden. Im geschlossenen Regelkreis 140 ergibt sich somit die folgende Prioritätsreihenfolge: 1. Vorsteuerung 136, 2. D-Anteil des Reglers, 3. P-Anteil des Reglers, 4. I-Anteil des Reglers. Die vorgeschlagene Prioritätsreihenfolge kombiniert mit einer Weitergabe von beiden Einschränkungen, insbesondere Stellgrößenbetrag i_InvFfc und Stellgrößenrate di_InvFfc/dt), nach der Prioritätsreihenfolge ist eine essenzielle Einstellung, um ein schnelles und überschwingungsfreies und/oder unterschwingungsfreies Einstellen der elektrischen Regelgröße P_AcNetGrid, insbesondere der elektrischen Netto-Leistung, zu gewährleisten. Die gemessene Leistung P_AcNetGrid wird für den geschlossenen Regelkreis 140 geglättet, falls ein D-Anteil verwendet wird.
• Der proportionale Teil wird auf einem klassischen Weg nach Gleichung (17) berechnet. $${\text{i}}_{\text{InvCkp}}={\text{K}}_{\text{p}}*\left({\text{P}}_{\text{PWTAcDesired}}-{\text{P}}_{\text{PWTNetAcDesired}}\right)$$

  
• Der Wert K_p muss positiv sein. Der Wert für den Strom i_InvClcP muss dynamisch gesättigt werden, bevor er in dem integralen Anteil weiterverarbeitet wird. Nach einer dynamischen Sättigung muss eine statische Sättigung ausgeführt werden. Wenn die statische Sättigung ausgeführt wird, soll der integrale Anteil einen Wert gleich 0 ausgeben. Eine obere Begrenzung für eine Berechnung der Sättigung ist i_InvMaxMon - i_InvFfc, wobei eine untere Begrenzung i_InvFfc - i_InvMinMon ist.
• Eine Berechnung des integralen Anteils erfolgt nach den folgenden Bereichen. Für den Fall, dass der Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} größer als die Leistung P_PwrNetAcGrid ist, kann i_InvClcl so hoch wie i_InvMaxMon - i_InvFfc - i_InvClcP sein. Für den Fall, dass der Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} kleiner als die Leistung P_Pwr-_NetAcGrid ist, kann i_InvClcl so niedrig wie i_InvFfc + i_IvClcP - i_InvMinMon sein. Für den Fall, dass der statische Sättiger des proportionalen Anteils den Wert i_InvClcl = 0 ergibt, werden keine weiteren Sättigungsschritte benötigt. Der Wert 0 kann dann direkt genutzt werden.
• Für den Fall, dass der Netto-Leistungsbedarf P_{PwrNetAcDesired} größer als die Leistung P_PwrNetAcGrid ist, gilt Gleichung (18). $${\text{i}}_{\text{InvClcl}}={\text{i}}_{\text{InvClcl k}}={\text{i}}_{\text{InvClcl k}-1}+{\text{K}}_{\text{i}}\ast \left({\text{P}}_{\text{PWTNetAcDesired}}-{\text{P}}_{\text{PWTNetAcDesired}}\right)$$

  
• In Gleichung (18) muss Ki positiv sein. Zuerst muss i_InvClcl dynamisch gesättigt werden. Nach diesem Schritt wird der Wert statisch gesättigt, wobei eine obere Begrenzung i_InvMaxMon - i_InvFfc - i_InvClcP und eine untere Begrenzung I_InvFfc + i_InvClcP - ί_In-_vMinMon genutzt werden.
• In einem letzten Schritt des zweiten Regelungsverfahrensschritts 138 wird der berechnete Strom i_InvClc mittels Gleichung (19) bestimmt. $${\text{i}}_{\text{InvCk}}={\text{i}}_{\text{InvCkP}}+{\text{i}}_{\text{InvClcl}}$$

  
• Der erste Regelungsverfahrensschritt 134 und der zweite Regelungsverfahrensschritt 138 sind zur Regelung der elektrischen Regelgröße P_AcNetGrid des Brennstoffzellensystems voneinander abhängig. Die elektrische Regelgröße P_AcNetGrid des Brennstoffzellensystems beschreibt eine in das Netz exportierte Wechselstrom-Leistung. Mittels des Verfahrens 100 wird die in das Netz exportierte Wechselstrom-Leistung geregelt. Zur Regelung der elektrischen Regelgröße P_AcNetGrid des Brennstoffzellensystems sind im vorliegenden Fall weitere Verfahrensschritte mit dem ersten Regelungsverfahrensschritt 134 und dem zweite Regelungsverfahrensschritt 138 kombiniert.
• Das Verfahren 100 weist einen Additionsverfahrensschritt 142 auf. In dem Additionsverfahrensschritt 142 wird mittels einer Additionsstelle 144 ein Wert für einen Strom i_InvCp des Wechselrichters bestimmt, welcher einen Einfluss der Vorsteuerung 136 und des geschlossenen Regelkreises 140 berücksichtigt. Die Additionsstelle 144 verarbeitet den Wert für den geschätzten Strom i_invFfc und den Wert für den berechneten Strom i_InvClc.
• Das Verfahren 100 weist einen ersten Begrenzungsverfahrensschritt 146 auf. In dem ersten Begrenzungsverfahrensschritt 146 wird ein erster Stellgrößenbegrenzer 148 ausgeführt. Der erste Stellgrößenbegrenzer 148 ist als ein, insbesondere letztmöglicher, dy/dt-Sättiger ausgebildet. Der erste Stellgrößenbegrenzer 148 verarbeitet den Wert für einen Strom i_InvCp. Der erste Stellgrößenbegrenzer 148 verarbeitet den Wert für die kontrollierte minimal zulässige Stromänderung di_InvMin-_Mon/dt und den Wert für die kontrollierte maximal zulässige Stromänderung di_In-_vMaxMon/dt. Der erste Stellgrößenbegrenzer 148 bestimmt einen Wert für einen gesättigten Strom i_InvSatCp des Wechselrichters.
• Das Verfahren 100 weist einen zweiten Begrenzungsverfahrensschritt 150 auf. In dem zweiten Begrenzungsverfahrensschritt 150 wird ein zweiter Stellgrößenbegrenzer 152 ausgeführt. Der zweite Stellgrößenbegrenzer 152 ist als ein, insbesondere letztmöglicher, y-Sättiger ausgebildet. Der zweite Stellgrößenbegrenzer 152 verarbeitet den Wert für den gesättigten Strom i_InvSatCp. Der zweite Stellgrößenbegrenzer 152 verarbeitet den Wert für den kontrollierten minimal zulässigen Strom i_InvMinMon und den Wert für den kontrollierten maximal zulässigen Strom i_In-vMaxMon. Der zweite Stellgrößenbegrenzer 152 bestimmt, insbesondere abschließend, die Ausgangsgröße i_InvCpF des zweiten Stellgrößenbegrenzers 152. Die Ausgangsgröße i_InvCpF des zweiten Stellgrößenbegrenzers 152 ist als eine Stellgröße des Verfahrens 100 ausgebildet. Zur Regelung der zumindest einen elektrischen Regelgröße P_AcNetGrid wird die Ausgangsgröße I_InvCpF als Stellgröße berechnet und/oder gesetzt. Die Ausgangsgröße i_InvCpF des zweiten Stellgrößenbegrenzers 152 ist als eine Steuerungsvorgabe des zumindest einen Wechselrichters, insbesondere des zumindest einen Aktuators 154, für den Strom, im vorliegenden Fall den Wechselstrom, der zu regelnden elektrischen Regelgröße P_AcNetGrid ausgebildet.
• Im vorliegenden Fall entspricht die Ausgangsgröße i_InvCpf einem Gleichstromsollwert, den der zumindest eine Wechselrichter zwischen dem zumindest einen Brennstoffzellen-Stack und dem Wechselrichter selbst einstellen soll. Denkbar wäre dabei, den Wechselstrom zwischen dem zumindest einen Wechselrichter und dem Netz vorzugeben. Dies ist jedoch sehr unständig bzw. nicht sehr schonend für den zumindest einen Brennstoffzellen-Stack, da der Brennstoffzellen-Stack Gleichstrom und nicht Wechselstrom „sieht“. Dabei erlaubt eine direkte Vorgabe des Gleichstroms mit entsprechenden Einschränkungen, beispielsweise einer Ratelimitierung, einen vorteilhaft schonenden Betrieb des zumindest einen Brennstoffzellen-Stacks.
• Alternativ zu dem zumindest einen Wechselrichter könnte das Brennstoffzellensystem zumindest einen DC-Setzer aufweisen, insbesondere wenn der Nutzer ein Wechselstromnetz betreibt. Dabei gilt auch, dass der zwischen dem zumindest einen Brennstoffzellen-Stack und dem zumindest einen DC-Setzer bestehende Gleichstrom über die Ausgangsgröße i_InvCpF gesetzt wird.
• Das Verfahren 100 wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kontinuierlich durchgeführt und wiederholt.
• Bei der vorangehenden Beschreibung kann in einer alternativen Ausgestaltung Wechselstrom analog auch durch Gleichstrom ersetzt sein.

Claims (11)

1. Verfahren (100) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, das dazu vorgesehen ist, Wechselstrom und/oder Gleichstrom in ein Netz einzuspeisen, gekennzeichnet durch einen ersten Regelungsverfahrensschritt (134), der eine, insbesondere stationäre, Vorsteuerung (136) umfasst, und einen zweiten Regelungsverfahrensschritt (138), der einen geschlossenen Regelkreis (140) umfasst, wobei der erste Regelungsverfahrensschritt (134) und der zweite Regelungsverfahrensschritt (138) zur Regelung zumindest einer elektrischen Regelgröße (P_AcNetGrid), insbesondere einer elektrischen Leistung, des Brennstoffzellensystems voneinander abhängig sind.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regelungsverfahrensschritt (138) nach dem ersten Regelungsverfahrensschritt (134) ausgeführt wird.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Limitierungsverfahrensschritt (114), in dem zumindest eine dynamische Limitierungsfunktion (116) ausgeführt wird, die eine unstetige Änderung eines Netto-Leistungsbedarfs (P_{PwrNetAcDesired}) glättet.
4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Überwachungsverfahrensschritt (118), in dem ein Skript (120) eine unkontrollierte Degradation zumindest eines Brennstoffzellen-Stacks während des Betriebs, insbesondere eines Energiebetriebs, stoppt.
5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Regelungsverfahrensschritt (134) zumindest eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung (136) abgeschätzt wird, wobei die zumindest eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung (136) ein geschätzter Wert für einen Strom (i_InvFfc) ist.
6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung (136) in dem ersten Regelungsverfahrensschritt (134) zumindest anhand von mehreren Eingangsgrößen der Vorsteuerung (136) abgeschätzt wird, die jeweils zumindest eine Degradationsrate zumindest eines Brennstoffzellen-Stacks oder ein geglätteter Netto-Leistungsbedarf (P_{PwrNetAcDesiredSat}) sind.
7. Verfahren (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Regelungsverfahrensschritt (134) zumindest eine weitere Ausgangsgröße der Vorsteuerung (136) bestimmt wird, wobei die zumindest eine weitere Ausgangsgröße der Vorsteuerung (136) eine Änderungsrate des geschätzten Werts für den Strom (i_InvFfc) ist.
8. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Regelungsverfahrensschritt (138) zumindest eine Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises (140) berechnet wird, wobei die zumindest eine Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises (140) ein berechneter Wert für einen Strom (i_InvClc) ist.
9. Verfahren (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ausgangsgröße des geschlossenen Regelkreises (140) in dem zweiten Regelungsverfahrensschritt (138) anhand von mehreren Eingangsgrößen des geschlossenen Regelkreises (140) berechnet wird, die jeweils zumindest eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung (136), eine gemessene Netto-Leistung (P_AcNetGrid) oder ein geglätteter Netto-Leistungsbedarf (P_{PwrNetAcDesiredSat}) sind.
10. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Regelkreis (140) des zweiten Regelverfahrensschritts (138) als ein PI-Regler ausgebildet ist.
11. Brennstoffzellensystem zur Durchführung eines Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch zumindest einen Wechselrichter und zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit, die dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Wechselrichter, insbesondere bezüglich zumindest einer elektrischen Regelgröße (P_AcNetGrid), zu steuern und/oder zu regeln.

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