DE102022113100A1

DE102022113100A1 - Verfahren zum vormagnetisieren eines mittelspannungstransformators, steuereinheit und elektrolyseanlage

Info

Publication number: DE102022113100A1
Application number: DE102022113100.9A
Authority: DE
Inventors: Ralf Juchem; Dirk Hermeling; Andreas Falk; Klaus Rigbers
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023227342A1

Abstract

Das Schutzrecht betrifft ein Verfahren zum Vormagnetisieren eines Mittelspannungstransformators (T1), welcher eingerichtet ist, eine Spannungstransformation zwischen einer Mittelspannung eines Mittelspannungsnetzes (MVG) auf einer Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) und einer Niederspannung auf einer Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) durchzuführen, und welcher auf seiner Niederspannungsseite über einen Gleichrichter (12) mit einem Elektrolyseur (10) verbunden ist. In einem ersten Betriebszustand (BZ1) ist der Mittelspannungstransformator (T1) von dem Mittelspannungsnetz (MVG) getrennt, wobei in dem ersten Betriebszustand (BZ1) zumindest ein Nebenaggregat (20) des Elektrolyseurs (10) über eine weitere Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei das Verfahren im ersten Betriebszustand die Schritte aufweist:A1) Verbinden der Niederspannungsseite mit der weiteren Energieversorgung undA2) Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators (T1) mittels der weiteren Energieversorgung.Das Schutrzrecht betrifft weiter eine Steuereinheit (Ctrl) und eine Elektrolyseanlage.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Schutzrecht betrifft ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Vormagnetisieren eines Mittelspannungstransformators sowie eine Elektrolyseanlage.
STAND DER TECHNIK
In einer Elektrolyseanlage kann ein Elektrolyseur über einen Mittelspannungstransformator und einen Gleichrichter aus einem Mittelspannungsnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Mittelspannungsnetze sind ein Teil des AC-Versorgungsnetzes zur Verteilung elektrischer Energie auf Strecken im Bereich einiger Kilometer bis zu 100 km. Sie werden üblicherweise mit dreiphasiger Wechselspannung im Bereich von 10 kV bis 30 kV betrieben.
Für Wartungsarbeiten an einem Elektrolyseur oder bei einer Notfallabschaltung des Elektrolyseurs ist vorgesehen, dass der den Elektrolyseur versorgende Gleichrichter sicher vom Mittelspannungsnetz getrennt werden kann. Die Trennung des Gleichrichters vom elektrischen Versorgungsnetz kann durch große und teure Niederspannungs-AC-Schalter erfolgen, die zwischen einem Niederspannungseingang des Gleichrichters und einem Mittelspannungstransformator am Versorgungsnetz angeordnet sind. Diese Niederspannungs-AC-Schalter sind dafür ausgelegt, den gesamten Versorgungsstrom des Elektrolyseurs zu schalten und sind daher groß und teuer. Zwischen Mittelspannungstransformator und Versorgungsnetz ist regelmäßig (zusätzlich) eine Trenneinrichtung angeordnet, z. B. in Form einer Mittelspannungsschaltanlage (Medium Voltage Switch Gear - MVSG), , die den Mittelspannungstransformator vom Mittelspannungsnetz trennen kann und damit grundsätzlich dem gleichen Zweck wie die Niederspannungs-AC-Schalter dienen kann, nämlich die Elektrolyseanlage vom Versorgungsnetz zu trennen.
Dennoch können die Niederspannungs-AC-Schalter nicht einfach durch die MVSG ersetzt werden, weil jedes Zuschalten einer MVSG auf einen unmagnetisierten Transformator eine lebensdauerverkürzende Belastung, z. B. für den Transformator, darstellt. Daher werden die nötigen Schalthandlungen der MVSG in der Regel stark limitiert, d.h. die MVSG wird möglichst selten geschaltet und die Trennung lieber auf der Niederspannungsseite mittels der Niederspannungs-AC-Schalter durchgeführt.
AUFGABE
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme im Stand der Technik einfach und/oder kostengünstig zu lösen.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 sowie durch eine Elektrolyseanlage gemäß Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
BESCHREIBUNG
Ein Mittelspannungstransformator ist eingerichtet, eine Spannungstransformation zwischen einer Mittelspannung eines Mittelspannungsnetzes auf einer Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators und einer Niederspannung auf einer Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators durchzuführen. Bei einem Verfahren zum Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators ist der Mittelspannungstransformator auf seiner Niederspannungsseite über einen Gleichrichter mit einem Elektrolyseur verbunden. In einem ersten Betriebszustand ist der Mittelspannungstransformator, z. B. durch geöffnete Schalter einer Mittelspannungsschaltanlage, von dem Mittelspannungsnetz getrennt. In dem ersten Betriebszustand wird zumindest ein Nebenaggregat des Elektrolyseurs über eine weitere Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt. Bei einem Nebenaggregat des Elektrolyseurs kann es sich um Komponenten der Elektrolyseanlage handeln, die für den Betrieb des Elektrolyseurs notwendig sind, beispielsweise um Pumpen, Wärmetauscher, etc.. In dem ersten Betriebszustand ist die Elektrolyseanlage von dem Mittelspannungsnetz getrennt und damit von der elektrischen Energieversorgung über das Mittelspannungsnetz getrennt. Die Energieversorgung der Nebenaggregate ist in diesem ersten Betriebszustand über die weitere Energieversorgung sichergestellt.
Bei dem Verfahren zum Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators wird in einem Schritt A1 die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators mit der weiteren Energieversorgung verbunden. In einem Schritt A2 wird der Mittelspannungstransformator mittels der weiteren Energieversorgung vormagnetisiert. Beim Vormagnetisieren wird der Mittelspannungstransformator zunächst auf seiner Niederspannungsseite mit einer Speisespannung versorgt, so dass der Kern des Mittelspannungstransformators vormagnetisiert werden kann, bevor seine Mittelspannungsseite mit einer Mittelspannung verbunden wird. Hierdurch kann ein zu hoher Einschaltstrom vermieden werden, durch den zum Beispiel der Eisenkern des Mittelspannungstransformators in eine unerwünschte Sättigung getrieben werden würde.
Durch das Verfahren kann damit auf AC-Schalter zwischen dem Mittelspannungstransformator und dem Gleichrichter des Elektrolyseurs verzichtet werden, was den Aufbau vereinfacht und mit Kosteneinsparungen verbunden ist. Die Mittelspannungsschaltanlage kann somit auch zur sicheren Trennung des Gleichrichters vom Mittelspannungsnetz verwendet werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Vormagnetisieren in Schritt A2 über einen Niederspannungstransformator. Der Niederspannungstransformator ist dabei zwischen der weiteren Energieversorgung und der Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine Spannungsanpassung zwischen der Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators und der weiteren Energieversorgung durch den Niederspannungstransformator erfolgen kann.
In einem zweiten Betriebszustand kann der Mittelspannungstransformator mit dem Mittelspannungsnetz verbunden sein, zum Beispiel durch geschlossene Schalter, welche zwischen der Mittelspannungstransformator und dem Mittelspannungsnetz angeordnet sind. Bei diesen Schaltern kann es sich zum Beispiel um eine Mittelspannungsschaltanlage handeln. Insbesondere kann ausgehend vom ersten Betriebszustand der zweite Betriebszustand hergestellt werden, indem in einem Schritt B der Mittelspannungstransformator mit dem Mittelspannungsnetz durch Schließen von Schaltern einer Mittelspannungsschaltanlage verbunden wird. Insbesondere kann ausgehend vom zweiten Betriebszustand der erste Betriebszustand hergestellt werden, indem in einem Schritt C der Mittelspannungstransformator von dem Mittelspannungsnetz durch Öffnen von Schaltern der Mittelspannungsschaltanlage getrennt wird.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Nebenaggregat sowohl im ersten Betriebszustand als auch im zweiten Betriebszustand aus der weiteren Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird. Dabei kann die weitere Energieversorgung insbesondere ein Niederspannungsnetz umfassen. Bei dem Niederspannungsnetz kann es sich z. B. um ein 230 V Dreiphasenwechselstromnetz handeln. Das zumindest eine Nebenaggregat kann dabei aus dem Niederspannungsnetz mit Energie versorgt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass im zweiten Betriebszustand das zumindest eine Nebenaggregat aus dem Mittelspannungsnetz über den Mittelspannungstransformator mit elektrischer Energie versorgt wird. In dieser Ausführungsform kann die weitere Energieversorgung für zum Beispiel einen Notbetrieb vorgesehen sein, wenn der Mittelspannungstransformator vom Mittelspannungsnetz getrennt ist. Die weitere Energieversorgung kann dieser Ausführungsform dann eine Notstromversorgung des zumindest einen Nebenaggregats sicherstellen. Die weitere Energieversorgung kann zu diesem Zweck zum Beispiel eine Gleichspannungsquelle wie eine Batterie umfassen.
In einer Ausführungsform kann die weitere Energieversorgung, die zur Notversorgung dienen kann, einen aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter, z. B. einen batteriegespeisten Wechselrichter aufweisen. Der Wechselrichter wirkt dabei zur Notversorgung und/oder zum Vormagnetisieren bevorzugt netzbildend. Der Wechselrichter kann in Schritt A2 zum Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators im ersten Betriebszustand in einem Schritt i ein Inselnetz aufbauen, welches durch den Wechselrichter auf das Mittelspannungsnetz synchronisiert wird. Zum Aufbau des Inselnetzes in Schritt i kann der Wechselrichter in einem Schritt i1 dabei zunächst seine Ausgangsspannung auf 0 V reduzieren und in i2 optional das zumindest eine Nebenaggregat abschalten. Danach kann der Wechselrichter das Inselnetz aufbauen, indem die vom Wechselrichter eingestellte Ausgangsspannung auf das Mittelspannungsnetz synchronisiert wird. Nach dem Synchronisieren auf das Mittelspannungsnetz kann danach das Mittelspannungsnetz mit dem Mittelspannungstransformator über die Mittelspannungsschaltanlage verbunden werden und n den zweiten Betriebszustand übergegangen werden. Danach kann in einem Schritt ii das zumindest eine Nebenaggregat zugeschaltet werden, und in dem zweiten Betriebszustand über den Mittelspannungstransformator aus dem Mittelspannungsnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Wechselrichters zur Vormagnetisierung und als Ersatzstromversorgung, ggf. unterbrechungsfreie Stromversorgung, für Nebenaggregate des Elektrolyseurs dienen kann. Diese Verwendung für beide Zwecke kann zur Kostensenkung beitragen.
Die weitere Energieversorgung kann als Notstromversorgung ausgeführt sein, die das zumindest eine Nebenaggregat dann mit Notstrom versorgt, wenn der Mittelspannungstransformator vom Mittelspannungsnetz getrennt ist und deshalb über den Mittelspannungstransformator aus dem Mittelspannungsnetz keine Energieversorgung des zumindest einen Nebenaggregats möglich ist. Die Notstromversorgung, auch Ersatzstromversorgung, kann dabei so ausgebildet sein, dass sie beim Übergang vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand anspringt und eine weitere Versorgung des zumindest einen Nebenaggregats mit elektrischer Energie sicherstellt. Zusätzlich kann auch vorgesehen sein, für zumindest ein weiteres Nebenaggregat eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) sicherzustellen. Dies ist nicht nur eine Ersatzstromversorgung, welche eine Unterbrechung der Versorgung der Nebenaggregate aufweisen kann, sondern eine unterbrechungsfreie Energieversorgung für Nebenaggregate, die eine komplett unterbrechungsfreie Energieversorgung erfordern, wie z. B. Computersysteme zur Steuerung der Elektrolyseanlage.
Für den Fall einer Gleichspannungsquelle als Bestandteil der weiteren Energieversorgung kann die unterbrechungsfreie Stromversorgung zum Beispiel durch den Wechselrichter sichergestellt werden, oder durch einen weiteren Wechselrichter. Für letzteren Fall kann z. B. der weitere Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung sorgen und der erstgenannte Wechselrichter kann für die Ersatzstromversorgung sorgen, die auch Unterbrechungen haben darf. Die Versorgung über das Mittelspannungsnetz betrifft also die eigentliche Versorgung des Nebenaggregats und des weiteren Nebenaggregats im Normalbetrieb, also zum Beispiel im zweiten Betriebszustand. In diesem Betriebszustand sollen die Nebenaggregate und weitere Nebenaggregate aus anderen Stromquellen betreibbar sein, insbesondere über den Mittelspannungstransformator aus dem Mittelspannungsnetz also aus der gleichen Quelle wie der Elektrolyseur. Fällt diese Stromquelle aus, so soll z. B. die Batterie über den Wechselrichter die Versorgung des zumindest einen Nebenaggregats übernehmen, und z. B. die Batterie über den weiteren Wechselrichter die unterbrechungsfreie Energieversorgung des zumindest einen weiteren Nebenaggregats.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die weitere Energieversorgung ein Niederspannungsnetz, welches zum Beispiel einem Dreiphasen-Spannungsnetz mit 230 Volt Effektiv-Spannung entsprechen kann. Über dieses Niederspannungsnetz kann das zumindest eine Nebenaggregat und/oder das weitere Nebenaggregat im ersten Betriebszustand und/oder im zweiten Betriebszustand mit elektrischer Energie versorgt werden. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann das Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators in Schritt A2 direkt aus dem Niederspannungsnetz erfolgen oder über einen Umrichter erfolgen. Der Umrichter kann zum Beispiel zweistufig ausgeführt sein. Der zweistufige Umrichter kann zum Beispiel einen AC/DC-Wandler und einen nachgeschalteten DC/AC-Wandler aufweisen. Das zumindest eine Nebenaggregat und/oder weitere Nebenaggregat kann direkt aus dem Niederspannungsnetz versorgt werden. Das zumindest eine Nebenaggregat und/oder das weitere Nebenaggregat kann ebenfalls optional auch über den Umrichter versorgt werden. Bei der Versorgung des zumindest einen Nebenaggregats und/oder des weiteren Nebenaggregats im ersten Betriebszustand ist der Umrichter bevorzugt netzbildend. Für verschiedene Nebenaggregate sind auch Mischformen denkbar.
Zur Begrenzung des Einschaltstromes zu Beginn des Vormagnetisierens kann der Niederspannungstransformator, der die weitere Energieversorgung mit dem Mittelspannungstransformator verbindet, optional eine Reihenimpedanz aufweisen, welche - bevorzugt über einen Kurzschlussschalter - kurzschließbar ist. Das Kurzschließen erfolgt dann bevorzugt nach dem Vormagnetisieren, z. B. nach dem Einschwingen, durch Schließen des Kurzschlussschalters.
Eine Steuereinheit zum Vormagnetisieren eines Mittelspannungstransformators ist mit einer weiteren Energieversorgung sowie einem AC-Schalter verbunden. Der AC-Schalter ist zwischen der weiteren Energieversorgung und der Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators angeordnet. Die Steuereinheit ist eingerichtet, im ersten Betriebszustand die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators durch Schließen des AC-Schalters mit der weiteren Energieversorgung zu verbinden und die weitere Energieversorgung so anzusteuern, dass der Mittelspannungstransformator mittels der weiteren Energieversorgung vormagnetisiert wird. Hierfür ist die Steuereinheit bevorzugt eingerichtet, den ersten Betriebszustand festzustellen und den ersten Betriebszustand gegebenenfalls durch Öffnen von Schaltern der Mittelspannungsschaltanlage herzustellen. Insbesondere ist die Steuereinheit eingerichtet, eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen. Der beschriebene AC-Schalter ist für das Führen des Stromes zum Vormagnetisieren ausgelegt, kann kleiner und deshalb preisgünstiger ausgeführt werden als AC-Schalter, die den gesamten Elektrolysestrom schalten müssen.
In einer Elektrolyseanlage ist ein Mittelspannungstransformator auf seiner Mittelspannungsseite mit einem Mittelspannungsnetz verbindbar. Der Mittelspannungstransformator ist eingerichtet, eine Spannungstransformation zwischen der Mittelspannung auf seiner Mittelspannungsseite und einer Niederspannung auf seiner Niederspannungsseite durchzuführen. Die Elektrolyseanlage weist einen Elektrolyseur auf, welcher über einen Gleichrichter mit dem Mittelspannungstransformator verbunden ist. In einem ersten Betriebszustand ist der Mittelspannungstransformator von dem Mittelspannungsnetz getrennt. In dem ersten Betriebszustand kann zumindest ein Nebenaggregat des Elektrolyseurs über eine weitere Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden. Im ersten Betriebszustand ist außerdem die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators über einen AC-Schalter so mit der weiteren Energieversorgung verbindbar, dass der Mittelspannungstransformator mittels der weiteren Energieversorgung vormagnetisierbar ist. Die weitere Energieversorgung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass Nebenaggregate des Elektrolyseurs über die weitere Energieversorgung mit Energie versorgbar sind, auch wenn die Hauptenergieversorgung der Elektrolyseanlage von dem Mittelspannungsnetz getrennt ist.
Eine Elektrolyseanlage weist bevorzugt eine zuvor beschriebene Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Vormagnetisieren eines Mittelspannungstransformators,
2-4 zeigen schematisch Ausführungsformen einer Elektrolyseanlage.

In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt schematisch ein Beispiel eines Verfahrens zum Vormagnetisieren eines Mittelspannungstransformators T1 in einer Elektrolyseanlage, wie sie beispielhaft in den 2-5 dargestellt ist. In einem ersten Betriebszustand BZ1 der Elektrolyseanlage ist der Mittelspannungstransformator T1 von einem Mittelspannungsnetz MVG getrennt. In einem zweiten Betriebszustand BZ2 ist vorgesehen, einen Elektrolyseur 10 der Elektrolyseanlage über den Mittelspannungstransformator T1 und einen Gleichrichter 12 aus dem Mittelspannungsnetz MVG mit elektrischer Energie zu versorgen. In dem ersten Betriebszustand BZ1 ist der Mittelspannungstransformator T1 von dem Mittelspannungsnetz MVG getrennt, es kann also keine Versorgung mit elektrischer Energie des Elektrolyseurs 10 über den Mittelspannungstransformator T1 aus dem Mittelspannungsnetz MVG erfolgen. In dem in 1 ebenfalls dargestellten zweiten Betriebszustand BZ2 der Elektrolyseanlage ist der Mittelspannungstransformator T1 mit dem Mittelspannungsnetz MVG verbunden und es kann eine Versorgung mit elektrischer Energie des Elektrolyseurs 10 über den Mittelspannungstransformator T1 und den Gleichrichter 12 erfolgen.
Der Elektrolyseur 10 weist Nebenaggregate 20, 22 wie zum Beispiel Kühlmittel- oder Wasserstoffpumpen oder Ähnliches auf, die über eine weitere Energieversorgung im ersten Betriebszustand BZ1 mit Energie versorgbar sind. Bei dem Verfahren zum Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators T1 wird im ersten Betriebszustand BZ1 in einem Schritt A1 die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators T1 mit der weiteren Energieversorgung verbunden. In einem Schritt A2 erfolgt dann das Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators T1 mittels der weiteren Energieversorgung. In den 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen der weiteren Energieversorgung dargestellt.
Durch das Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators T1 können zum Beispiel zu hohe Einschaltströme und eine Sättigung eines Ferritkerns des Mittelspannungstransformators T1 beim Verbinden mit dem Mittelspannungsnetz MVG vermieden werden. Dies erhöht die Lebensdauer des Mittelspannungstransformators T1. In einem Schritt B kann dann durch Schließen von Schaltern einer Mittelspannungsschaltanlage MVSG der Mittelspannungstransformator T1 mit dem Mittelspannungsnetz MVG verbunden werden. Durch diese Verbindung in Schritt B wird der erste Betriebszustand BZ1 in den zweiten Betriebszustand BZ2 übergeführt.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Elektrolyseanlage dargestellt. Der Elektrolyseur 10 weist im dargestellten Beispiel drei Nebenaggregate 20 auf. Der Mittelspannungstransformator T1 ist über die Mittelspannungsschaltanlage MVSG mit dem Mittelspannungsnetz MVG verbindbar. Der Elektrolyseur 10 ist über einen DC-Schalter DCS mit dem Gleichrichter 12 verbindbar. Über den Mittelspannungstransformator T1 und den Gleichrichter 12 ist bei geschlossenen Schaltern DCS und MVSG eine Versorgung des Elektrolyseurs 10 mit elektrischer Energie aus dem Mittelspannungsnetz MVG möglich.
Eine Steuereinheit Ctrl ist eingerichtet, über einen Spannungsmesser V die Spannung am Mittelspannungsnetz MVG zu messen. Die Steuereinheit Ctrl ist weiter eingerichtet, einen Wechselrichter 14 sowie die Mittelspannungsschaltanlage MVSG anzusteuern. Die Steuereinheit Ctrl kann weiter eingerichtet sein, den Gleichrichter 12 und/oder den DC-Schalter DCS anzusteuern (nicht dargestellt).
Die Nebenaggregate 20 werden im zweiten Betriebszustand BZ2 bei geschlossenen Schaltern der Mittelspannungsschaltanlage MVSG sowie geschlossenem ersten AC-Schalter ACS1 und geschlossenem zweiten AC-Schalter ACS2 aus dem Mittelspannungsnetz MVG über den Mittelspannungstransformator T1 mit elektrischer Energie versorgt. Optional wird die Spannung auf der Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators T1 durch einen Niederspannungstransformator T2 auf eine für die Nebenaggregate 20 passende Spannung transformiert.
im ersten Betriebszustand BZ1 sind die Schalter der Mittelspannungsschaltanlage MVSG geöffnet. Der Elektrolyseur 10 wird also nicht (mehr) mit elektrischer Energie versorgt. Die Versorgung der Nebenaggregate 20 über den Mittelspannungstransformator T1 ist also ebenfalls unterbrochen. Im ersten Betriebszustand BZ1 können die Nebenaggregate stattdessen über eine Batterie BAT mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Nebenaggregate 20 sind hierfür über einen Wechselrichter 14 und den zweiten AC-Schalter ACS2 mit der Batterie Bat verbunden. Der Wechselrichter 14 wird durch die Steuereinheit Ctrl angesteuert und die Nebenaggregate 20 so mit elektrischer Energie aus der Batterie Bat versorgt. Die weitere Energieversorgung umfasst hier die Batterie Bat. In einem solchen ersten Betriebszustand BZ1 kann z. B. der Elektrolyseur 10 gewartet werden. Hierfür muss der Elektrolyseur 10 vom Mittelspannungsnetz MVG getrennt sein, aber die Nebenaggregate 20, zum Beispiel die Pumpen können für die Dauer der Wartung weiterhin zur Verfügung stehen. Es ist ebenfalls möglich, über den Wechselrichter 14 und die Batterie Bat eine Ersatzstromversorgung der Nebenaggregate 20 zu ermöglichen, welche z. B. bei Ausfall des Mittelspannungsnetzes MVG einsetzt.
Ausgehend von einem solchen ersten Betriebszustand BZ1 kann der Mittelspannungstransformator T1 vormagnetisiert werden, indem der Wechselrichter 14 in einem Schritt i1 seine Ausgangsspannung auf 0 V reduziert. Danach können in einem Schritt i2 optional die Nebenaggregate 20 abgeschaltet werden. Dies kann durch die Steuereinheit Ctrl durch Öffnen des zweiten AC-Schalters ACS2 geschehen. Danach kann der Wechselrichter 14 ein Inselnetz aufbauen, indem er im netzbildenden Betrieb - angesteuert durch die Steuereinheit Ctrl - seine Ausgangsspannung auf die Spannung des Mittelspannungsnetzes MVG synchronisiert. Die Steuereinheit Ctrl ist über den Spannungsmesser mit dem Mittelspannungsnetz MVG verbunden. Die Steuereinheit Ctrl kann dann den Wechselrichter 14 entsprechend ansteuern. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters 14 wird insbesondere in Bezug auf Amplitude und Phase auf die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators T1 synchronisiert. Nach der Synchronisation wird durch Schließen des ersten AC-Schalters ACS1 der Wechselrichter 14 mit dem Mittelspannungstransformator T1 verbunden. Optional kann zwischen dem Wechselrichter 14 und dem ersten AC-Schalter ACS1 der Niederspannungstransformator T2 angeordnet sein. Durch Verbindung des Wechselrichters 14 mit der Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators T1 kann der Mittelspannungstransformator T1 aus der Batterie Bat vormagnetisiert werden. Nach erfolgter Vormagnetisierung kann die Steuereinheit Ctrl die Schalter der Mittelspannungsschaltanlage MVSG schließen und hierdurch der Mittelspannungstransformator T1 mit dem Mittelspannungsnetz MVG verbunden werden. Danach kann durch Schließen des zweiten AC-Schalters ACS2 eine Versorgung der Nebenaggregate 20 über den Mittelspannungstransformator T1, den ersten AC-Schalter ACS1, den optionalen Transformator T2 und den zweiten AC-Schalter ACS2 erfolgen.
In 3 ist eine Elektrolyseanlage dargestellt, welche im Vergleich zu der Elektrolyseanlage von 2 zusätzlich ein weiteres Nebenaggregat 22 aufweist. Das weitere Nebenaggregat kann in dem zweiten Betriebszustand BZ2 aus einer nicht dargestellten Stromversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden, beispielsweise ebenfalls aus dem Mittelspannungsnetz MVG. Im ersten Betriebszustand BZ1 kann das weitere Nebenaggregat 22 aus der Batterie Bat über einen weiteren Wechselrichter 24 mit elektrischer Energie versorgt werden. Der weitere Wechselrichter 24 ermöglicht dabei eine unterbrechungsfreie Stromversorgung des weiteren Nebenaggregats 22. Der weitere Wechselrichter 24 ist hierfür ein netzbildender Wechselrichter, vorzugsweise mit belastbarem N-Leiter. Durch die Belastbarkeit des N-Leiters kann das weitere Nebenaggregat 22 insbesondere als asymmetrische Last ausgebildet sein. Bei dem weiteren Nebenaggregat 22 kann es sich z. B. um eine kritische Last wie eine Computersteuerung der Elektrolyseanlage handeln. Das Zurverfügungstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung bedeutet, dass der weitere Wechselrichter 24 so von der Steuereinheit Ctrl angesteuert wird, dass bei Ausfall der Energieversorgung für das weitere Nebenaggregat 22 unterbrechungsfrei eine Energieversorgung über die Batterie Bat und den weiteren Wechselrichter 24 sichergestellt wird.
Demgegenüber kann der Wechselrichter 14 elektrische Leistung für Nebenaggregate 20, die z. B. als symmetrische Lasten ausgebildet sind, zur Verfügung stellen. Diese Nebenaggregate können dann z. B. so ausgelegt sein, dass sie einen kurzeitigen Ausfall der Versorgungsleistung während der Vormagnetisierung des Mittelspannungstransformators T1 verkraften. Dies trifft z. B. auf Kühlmittel-Pumpen zu.
Optional ist es möglich, das weitere Nebenaggregat 22 in analoger Weise, wie die Nebenaggregate 20 in dem zweiten Betriebszustand BZ2 aus dem Mittelspannungsnetz MVG mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierfür würde dann das weitere Nebenaggregat in analoger Weise, wie die Nebenaggregate 20 mit dem Mittelspannungstransformator T1 verbunden.
In der in 4 dargestellten Elektrolyseanlage weist die weitere Energieversorgung ein Niederspannungsnetz LVG auf. In einer Ausführungsform kann das Niederspannungsnetz LVG leistungsbeschränkt sein. Über dieses Niederspannungsnetz LVG können die Nebenaggregate 20 mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Versorgung der Nebenaggregate 20 mit elektrischer Energie ist dabei im ersten und im zweiten Betriebsmodus BZ1, BZ2 möglich. Die Nebenaggregate 20 können dabei direkt an das Niederspannungsnetz LVG angeschlossen sein. Eine Trennung der Nebenaggregate 20 von dem Niederspannungsnetz LVG kann beispielsweise über den zweiten AC-Schalter ACS2 erfolgen.
Das Niederspannungsnetz LVG ist über einen Umrichter 26 und einen optionalen Niederspannungstransformator T2 über den ersten AC-Schalter ACS1 mit der Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators T1 verbindbar. In dem ersten Betriebszustand BZ1 kann somit der Mittelspannungstransformator T1 aus dem Niederspannungsnetz LVG über den Umrichter 26 und den optionalen Niederspannungstransformator T2 bei geschlossenem ersten AC Schalter ACS 1 vormagnetisiert werden. Dabei fließt elektrische Energie aus dem Niederspannungsnetz LVG in die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators T1. Der Umrichter 26 kann zum Beispiel zweistufig ausgebildet sein und einen Gleichrichter 18 und einen nachgeschalteten Wechselrichter 16 aufweisen. Angesteuert werden kann der Umrichter 26 mit seinen beiden Komponenten Gleichrichter 18 und Wechselrichter 16 durch die Steuereinheit Ctrl. Durch die Verwendung einer solchen Umrichters 26 kann die Spannung des Niederspannungsnetz LVG optimal an den Vormagnetisierungsvorgang angepasst werden.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, die Nebenaggregate 20 über den Umrichter 26 aus dem Niederspannungsnetz LVG mit elektrischer Energie zu versorgen. In dieser Ausführungsform wäre dann zum Beispiel der zweite AC-Schalter ACS2 mit dem Ausgang des Umrichters 26 verbunden und der Umrichter 26 wirkt netzbildend.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem die Nebenaggregate 20 aus dem Niederspannungsnetz LVG mit elektrischer Energie versorgt werden können. Eine Versorgung ist, wie in dem Ausführungsbeispiel zu 4, im ersten und im zweiten Betriebszustand BZ1, BZ2 möglich. Die Nebenaggregate 20 können über den zweiten AC-Schalter ACS2 mit dem Niederspannungsnetz LVG verbunden oder von diesem getrennt werden. Das Niederspannungsnetz LVG kann zum Beispiel leistungsbeschränkt sein und ein Vorladen des Mittelspannungstransformators T1 kann, wie in 5 dargestellt, über einen Niederspannungstransformator T2 mit vorgeschalteter Reihenimpedanz Imp erfolgen. In dem ersten Betriebszustand BZ1 kann also die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators T1 aus dem Niederspannungsnetz LVG vormagnetisiert werden. Nach dem Einschwingen kann die Reihenimpedanz Imp durch einen Kurzschlussschalter KS überbrückt werden. Die Reihenimpedanz Imp mit dem Kurzschlussschalter KS ist dabei optional. Eine Beschränkung des Vormagnetisierungsstromes kann auch durch die Streuinduktivität des Niederspannungstransformators T2 erfolgen.
Die in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen können auch untereinander kombiniert werden. Z. B. kann die weitere Energieversorgung ein Niederspannungsnetz LVG und eine Batterie Bat aufweisen. Eine solche Kombination würde dann z. B. ermöglichen, die Nebenaggregate 20 und das weitere Nebenaggregat 22 im ersten und zweiten Betriebszustand BZ1, BZ2 aus dem Niederspannungsnetz LVG, ggf über den Umrichter 26, zu versorgen. Bei einem Ausfall des Niederspannungsnetzes LVG könnte die Batterie Bat über den Wechselrichter 14 und den weiteren Wechselrichter 24 die Ersatzstromversorgung für die Nebenaggregate 20 sowie die unterbrechungsfreie Stromversorgung für das weitere Nebenaggregat 22 sicherstellen. Das Vormagnetisieren kann dann wahlweise aus der Batterie Bat oder dem Niederspannungsnetz LVG erfolgen.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Elektrolyseur
12: Gleichrichter
14: Wechselrichter
16: Wechselrichter des Umrichters
18: Gleichrichter des Umrichters
20: Nebenaggregat
22: weiteres Nebenaggregat
24: weiterer Wechselrichter
26: Umrichter
BZ1, BZ2: Betriebszustände
MVG: Mittelspannungsnetz
MVSG: Mittelspannungsschaltanlage
T1: Mittelspannungstransformator
T2: Niederspannungstransformator
ACS1: erster AC-Schalter
ACS2: zweiter AC Schalter
DCS: DC Schalter
V: Spannungsmesser
Ctrl: Steuereinheit
Bat: Batterie
LVG: Niederspannungsnetz
KS: Kurzschlussschalter
Imp: Reihenimpedanz

Claims

Verfahren zum Vormagnetisieren eines Mittelspannungstransformators (T1), welcher eingerichtet ist, eine Spannungstransformation zwischen einer Mittelspannung eines Mittelspannungsnetzes (MVG) auf einer Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) und einer Niederspannung auf einer Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) durchzuführen, und welcher auf seiner Niederspannungsseite über einen Gleichrichter (12) mit einem Elektrolyseur (10) verbunden ist, wobei in einem ersten Betriebszustand (BZ1) der Mittelspannungstransformator (T1) von dem Mittelspannungsnetz (MVG) getrennt ist, wobei in dem ersten Betriebszustand (BZ1) zumindest ein Nebenaggregat (20) des Elektrolyseurs (10) über eine weitere Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei das Verfahren im ersten Betriebszustand die Schritte aufweist: A1) Verbinden der Niederspannungsseite mit der weiteren Energieversorgung und A2) Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators (T1) mittels der weiteren Energieversorgung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mittelspannungstransformator (T1) über einen Niederspannungstransformator (T2) mit der weiteren Energieversorgung verbunden ist, sodass das Vormagnetisieren über den Niederspannungstransformator (T2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem zweiten Betriebszustand (BZ2) der Mittelspannungstransformator (T1) mit dem Mittelspannungsnetz (MVG) verbunden ist und der Elektrolyseur (10) aus dem Mittelspannungsnetz (MVG) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei nach dem Vormagnetisieren der zweite Betriebszustand (BZ2) hergestellt wird durch: B) Verbinden des Mittelspannungstransformators (T1) mit dem Mittelspannungsnetz (MVG) mittels einer Mittelspannungsschaltanlage (MVSG).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die weitere Energieversorgung einen aus einer Gleichspannungsquelle (Bat) gespeisten Wechselrichter (14) aufweist, welcher in Schritt A2) zum Vormagnetisieren des Mittelspannungstransformators (T1) im ersten Betriebszustand (BZ1) in einem Schritt i) ein Inselnetz aufbaut, welches auf das Mittelspannungsnetz (MVG) synchronisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zum Aufbau des Inselnetzes in Schritt i) die folgenden Schritte ausgeführt werden: i1) Reduzieren der Ausgangsspannung auf 0V durch den Wechselrichter (14) und i2) optional Abschalten des zumindest einen Nebenaggregats (20).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei nach dem Verbinden des Mittelspannungstransformators (T1) mit dem Mittelspannungsnetz (MVG) in Schritt B) in einem Schritt ii) das zumindest eine Nebenaggregat (20) zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das zumindest eine Nebenaggregat (20) in dem zweiten Betriebszustand (BZ2) aus dem Mittelspannungsnetz (MVG) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die weitere Energieversorgung einen weiteren aus der Gleichspannungsquelle (Bat) oder einer weiteren Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter (24) aufweist, über welchen zumindest ein weiteres Nebenaggregat (22) unterbrechungsfrei mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der weitere Wechselrichter (24) sicherstellt, dass die unterbrechungsfreie Versorgung des zumindest einen weiteren Nebenaggregats (22) bei einem Übergang vom zweiten Betriebszustand (BZ2) mit einer Versorgung aus dem Mittelspannungsnetz (MVG) in den ersten Betriebszustand (BZ1) mit einer Versorgung aus der weiteren Energieversorgung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die weitere Energieversorgung ein Niederspannungsnetz (LVG), umfasst, aus dem das zumindest eine Nebenaggregat (20) im ersten Betriebszustand (BZ1) und/oder im zweiten Betriebszustand (BZ2) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Vormagnetisieren aus dem Niederspannungsnetz (LVG) in Schritt A2) über einen Umrichter (26) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Niederspannungstransformator eine Reihenimpedanz aufweist, welche nach dem Vormagnetisieren in Schritt A2) kurzgeschlossen wird.
Steuereinheit (Ctrl) zum Vormagnetisieren eines Mittelspannungstransformators (T1), welcher eingerichtet ist, eine Spannungstransformation zwischen einer Mittelspannung eines Mittelspannungsnetzes (MVG) auf einer Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) und einer Niederspannung auf einer Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) durchzuführen, und welcher auf seiner Niederspannungsseite über einen Gleichrichter (12) mit einem Elektrolyseur (10) verbunden ist, wobei in einem ersten Betriebszustand (BZ1) der Mittelspannungstransformator (T1) von dem Mittelspannungsnetz (MVG) getrennt ist, wobei in dem ersten Betriebszustand (BZ1) zumindest ein Nebenaggregat (20) des Elektrolyseurs (10) über eine weitere Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgbar ist, wobei die Steuereinheit mit der weiteren Energieversorgung und einem AC-Schalter (ACS1) verbunden sowie dazu eingerichtet ist, im ersten Betriebszustand (BZ1) die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) durch Schließen des AC-Schalters (ACS1) mit der weiteren Energieversorgung zu verbinden und die weitere Energieversorgung so anzusteuern, dass der Mittelspannungstransformator (T1) mittels der weiteren Energieversorgung vormagnetisiert wird.
Elektrolyseanlage mit einem Mittelspannungstransformator (T1), welcher mit einem Mittelspannungsnetz (MVG) verbindbar und dazu eingerichtet ist, eine Spannungstransformation zwischen einer Mittelspannung des Mittelspannungsnetzes (MVG) auf einer Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) und einer Niederspannung auf einer Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) durchzuführen, wobei die Elektrolyseanlage weiter einen Elektrolyseur (10) aufweist, welcher über einen Gleichrichter (12) mit dem Mittelspannungstransformator (T1) verbunden ist, wobei in einem ersten Betriebszustand (BZ1) der Mittelspannungstransformator (T1) von dem Mittelspannungsnetz (MVG) getrennt ist, wobei in dem ersten Betriebszustand (BZ1) zumindest ein Nebenaggregat (20) des Elektrolyseurs (10) über eine weitere Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgbar ist, wobei im ersten Betriebszustand (BZ1) die Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators (T1) über einen AC Schalter (ACS1) so mit der weiteren Energieversorgung verbindbar ist, dass der Mittelspannungstransformator (T1) mittels der weiteren Energieversorgung vormagnetisierbar ist.
Elektrolyseanlage nach Anspruch 15 mit einer Steuereinheit (Ctrl) nach Anspruch 14.