DE102022125719A1 - METHOD FOR OPERATING A POWER CONVERTER, CONTROL UNIT AND ELECTROLYSIS SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers, welcher eingerichtet ist, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und welcher einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis aufweist, wobei der Leistungswandler einen Ist-Gleichstrom einstellt und wobei in einem ersten Betriebsmodus eine Zwischenkreisspannung zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle gehalten wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen so verändert wird, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert.Die Anmeldung betrifft weiter eine Steuereinheit und eine Elektrolyseanlage.The application relates to a method for operating a power converter which is designed to transmit electrical power in current-setting operation between an AC voltage side and a DC voltage side, and which has a DC voltage intermediate circuit arranged on the DC voltage side, wherein the power converter sets an actual direct current and wherein in a first operating mode an intermediate circuit voltage is maintained between an upper threshold and a lower threshold, and wherein in a second operating mode at least one of the thresholds is changed such that the difference between the upper and lower threshold changes compared to the first operating mode.The application further relates to a control unit and an electrolysis system.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers, eine Steuereinheit zum Betrieb des Leistungswandlers sowie eine Elektrolyseanlage mit Leistungswandler, Steuereinheit und Elektrolyseur.The invention relates to a method for operating a power converter, a control unit for operating the power converter and an electrolysis plant with power converter, control unit and electrolyzer.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
In der
Ein Leistungswandler in einer Elektrolyseanlage kann stromgeregelt betrieben werden, d.h. der Leistungswandler stellt den Strom, der dem AC-Netz entnommen und dem Elektrolyseur zugeführt wird, basierend auf einem Sollwert für den Strom oder die Leistung des Elektrolyseurs ein, wobei der Sollwert vom Elektrolyseur oder einer übergeordneten Steuereinheit vorgegeben wird. Die DC-Spannung (DC: engl. direct current, Gleichstrom/Gleichspannung) am Elektrolyseur stellt sich dann anhand der gegebenen Strom-Spannungs-Kennlinie des Elektrolyseurs ein. Dies wird als stromgeregelter Betrieb oder auch als stromstellender Betrieb bezeichnet. Übergeordnet ist eine Steuereinheit zum Beispiel, wenn sie mehr als eine Einheit der Elektrolyseanlage steuert oder regelt.A power converter in an electrolysis system can be operated in a current-controlled manner, i.e. the power converter adjusts the current that is taken from the AC network and fed to the electrolyzer based on a setpoint for the current or power of the electrolyzer, whereby the setpoint is specified by the electrolyzer or a higher-level control unit. The DC voltage (DC: direct current) on the electrolyzer is then adjusted based on the given current-voltage characteristic of the electrolyzer. This is referred to as current-controlled operation or current-setting operation. A control unit is higher-level, for example, if it controls or regulates more than one unit of the electrolysis system.
Leistungswandler in Elektrolyseanlagen können einen Spannungszwischenkreis auf einer DC-Seite des Leistungswandlers aufweisen. Es können DC-Schalter, insbesondere DC-Relais, zwischen Leistungswandler und Elektrolyseur vorgesehen sein, welche insbesondere aus normativen Gründen vorgeschrieben und darauf ausgelegt sein können, den Nennstrom des Elektrolyseurs zu trennen. Im Normalbetrieb mit geschlossenen DC-Schaltern entspricht die Zwischenkreisspannung dann der Eingangsspannung des Elektrolyseurs.Power converters in electrolysis systems can have a voltage intermediate circuit on a DC side of the power converter. DC switches, in particular DC relays, can be provided between the power converter and the electrolyzer, which are prescribed in particular for normative reasons and can be designed to disconnect the rated current of the electrolyzer. In normal operation with closed DC switches, the intermediate circuit voltage then corresponds to the input voltage of the electrolyzer.
Wird während des Betriebs, also während des Transfers elektrischer Leistung aus dem AC-Netz über den Leistungswandler an den Elektrolyseur, die DC-Verbindung zwischen Elektrolyseur und Zwischenkreis getrennt, insbesondere durch Öffnen der DC-Schalter, so ist es möglich, dies dem Leistungswandler vorab kommunikativ mitzuteilen. Dies ist z. B. möglich, wenn die DC-Trennung vorher bekannt ist, also z. B. planmäßig durchgeführt wird, und/oder manuell mit entsprechenden Vorbereitungsschritten durchgeführt wird. Nach vorheriger kommunikativer Mitteilung an den Leistungswandler kann dieser seine Betriebsweise entsprechend anpassen und/oder insbesondere abschalten.If the DC connection between the electrolyzer and the intermediate circuit is disconnected during operation, i.e. during the transfer of electrical power from the AC network via the power converter to the electrolyzer, in particular by opening the DC switches, it is possible to communicate this to the power converter in advance. This is possible, for example, if the DC disconnection is known in advance, i.e. is carried out according to plan, and/or is carried out manually with appropriate preparatory steps. After prior communication to the power converter, it can adapt its operating mode accordingly and/or in particular switch it off.
Wenn die DC-Trennung jedoch ohne vorherige Mitteilung an den Leistungswandler stattfindet, so kann sich der Leistungswandler zum Zeitpunkt der Trennung im Normalbetriebsmodus befinden, in dem elektrische Leistung von seiner AC-Seite auf seine DC-Seite mit dem Zwischenkreis transferiert wird. Bleibt der Leistungswandler nach einer Trennung vom Elektrolyseur in diesem Betriebsmodus, so transferiert der Leistungswandler weiterhin Strom im stromstellenden Betrieb gemäß des Stromsollwertes des Elektrolyseurs vom Wechselspannungsnetz auf seine DC-Seite. Da die elektrische Leistung aufgrund der DC-seitigen Trennung nicht mehr in den Elektrolyseur abfließen kann, wird elektrische Ladung im Spannungszwischenkreis des Leistungswandlers akkumuliert, was zum Anstieg der Zwischenkreisspannung führt und zur Zerstörung des Leistungswandlers führen kann.However, if the DC disconnection takes place without prior notification to the power converter, the power converter may be in normal operating mode at the time of disconnection, in which electrical power is transferred from its AC side to its DC side with the intermediate circuit. If the power converter remains in this operating mode after disconnection from the electrolyzer, the power converter continues to transfer current in current-setting mode according to the electrolyzer's current setpoint from the AC network to its DC side. Since the electrical power can no longer flow into the electrolyzer due to the DC-side disconnection, electrical charge is accumulated in the intermediate circuit of the power converter, which leads to an increase in the intermediate circuit voltage and can lead to the destruction of the power converter.
AUFGABETASK
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Steuereinheit anzugeben, welche den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Leistungswandlers verbessern.The application is based on the object of specifying a method and a control unit which improve the safe and reliable operation of a power converter.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Steuereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, insbesondere beschreibt Anspruch 14 eine Ausführungsform, in der die Steuereinheit Bestandteil einer Elektrolyseanlage ist.The object is achieved by a method having the features of claim 1 and a control unit having the features of claim 13. Embodiments are specified in the dependent patent claims, in
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Ein Leistungswandler ist eingerichtet, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite, AC-Seite, und einer Gleichspannungsseite, DC-Seite, zu übertragen. Der Leistungswandler stellt dabei einen Ist-Gleichstrom ein. Der Leistungswandler weist weiter einen Gleichspannungszwischenkreis auf seiner Gleichspannungsseite auf.A power converter is designed to transfer electrical power in current-setting operation between an alternating voltage side, AC side, and a direct voltage side, DC side. The power converter sets an actual direct current. The power converter also has a direct voltage intermediate circuit on its direct voltage side.
Bei einem Verfahren zum Betrieb des Leistungswandlers wird in einem ersten Betriebsmodus eine Zwischenkreisspannung zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle gehalten. In einem zweiten Betriebsmodus wird zumindest eine der Schwellen so verändert, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert.In a method for operating the power converter, an intermediate circuit voltage is maintained between an upper threshold and a lower threshold in a first operating mode. In a second operating mode, at least one of the thresholds is changed such that the difference between the upper and lower thresholds changes compared to the first operating mode.
Der Zwischenkreis weist eine Kapazität, zum Beispiel einen Kondensator auf, an dem die Zwischenkreisspannung anliegt. Der Leistungswandler, der elektrische Leistung zwischen der Wechselspannungsseite (AC-Seite) und der Gleichspannungsseite (DC-Seite) überträgt, wird insbesondere als Gleichrichter betrieben. Auf seiner Wechselspannungsseite ist dabei zum Beispiel ein AC-Netz, wie z. B. ein AC-Versorgungsnetz, anschließbar, aus dem die elektrische Leistung bezogen werden kann. Im stromstellenden Betrieb stellt der Leistungswandler den Strom auf seiner DC-Seite ein, d. h. er prägt ihn auf seiner DC-Seite ein und versorgt auf seiner DC-Seite anschließbare Abnehmer elektrischer Leistung, z. B. DC-Geräte, mit elektrischer Leistung in der eingestellten Stromstärke. Die Zwischenkreisspannung entspricht dabei der DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers. Die Zwischenkreisspannung entspricht dabei auch der Eingangsspannung, welche an einem an der DC-Seite des Leistungswandlers angeschlossenen DC-Gerät anliegt. Die Zwischenkreisspannung wird dabei in dem Bereich zwischen oberer und unterer Schwelle, in einem sogenannten Totband, gehalten. Dieses Totband kann so gewählt sein, dass die Zwischenkreisspannung insbesondere im ersten Betriebsmodus in einem Bereich gehalten wird, in dem das DC-Gerät zuverlässig betrieben werden kann, also beispielsweise dem Eingangsspannungsbereich eines anschließbaren Elektrolyseurs entsprechen.The intermediate circuit has a capacitance, for example a capacitor, to which the intermediate circuit voltage is applied. The power converter, which transfers electrical power between the alternating voltage side (AC side) and the direct voltage side (DC side), is operated in particular as a rectifier. On its alternating voltage side, for example, an AC network, such as an AC supply network, can be connected from which the electrical power can be drawn. In current-setting operation, the power converter sets the current on its DC side, i.e. it impresses it on its DC side and supplies connectable electrical power consumers on its DC side, e.g. DC devices, with electrical power at the set current strength. The intermediate circuit voltage corresponds to the DC output voltage of the power converter. The intermediate circuit voltage also corresponds to the input voltage that is applied to a DC device connected to the DC side of the power converter. The intermediate circuit voltage is kept in the range between the upper and lower threshold, in a so-called dead band. This dead band can be selected so that the intermediate circuit voltage, particularly in the first operating mode, is kept in a range in which the DC device can be operated reliably, for example corresponding to the input voltage range of a connectable electrolyzer.
Ist auf der DC-Seite des Leistungswandlers zum Beispiel ein Elektrolyseur angeschlossen, so könnte im ersten Betriebsmodus zum Beispiel die untere Schwelle für die Zwischenkreisspannung der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs entsprechen. Die obere Schwelle im ersten Betriebsmodus könnte zum Beispiel so gewählt sein, dass sie der zulässigen Maximalspannung des Elektrolyseurs entspricht, so dass der Nennleistungs-Arbeitspunkt des Elektrolyseurs in dem Totband innerhalb der oberen und der unteren Schwelle der Zwischenkreisspannung liegt.For example, if an electrolyzer is connected to the DC side of the power converter, the lower threshold for the intermediate circuit voltage in the first operating mode could correspond to the open circuit voltage of the electrolyzer. The upper threshold in the first operating mode could, for example, be selected to correspond to the permissible maximum voltage of the electrolyzer, so that the rated power operating point of the electrolyzer lies in the dead band within the upper and lower thresholds of the intermediate circuit voltage.
Im zweiten Betriebsmodus kann eine der Schwellen so verändert werden, dass die Differenz zwischen der oberen und unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert wird. Dies kann zum Beispiel dazu dienen, ein auf der DC-Seite des Leistungswandlers angeschlossenes DC-Gerät in einem anderen Bereich der an seinem Eingang anliegenden DC-Spannung zu betreiben. Dies kann zum Beispiel aus Sicherheits- oder Wartungsgründen erwünscht sein. Im zweiten Betriebsmodus kann also die DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers gegenüber dem ersten Betriebsmodus in einem anderen Bereich liegen und dabei z. B. auf einen Wartungszustand oder gefahrenärmeren Zustand des DC-Gerätes angepasst werden.In the second operating mode, one of the thresholds can be changed so that the difference between the upper and lower threshold is changed compared to the first operating mode. This can be used, for example, to operate a DC device connected to the DC side of the power converter in a different range of the DC voltage applied to its input. This can be desired for safety or maintenance reasons, for example. In the second operating mode, the DC output voltage of the power converter can therefore be in a different range compared to the first operating mode and can be adjusted, for example, to a maintenance state or a less dangerous state of the DC device.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen so verändert, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verkleinert. Insbesondere kann die Differenz zwischen oberer und unterer Schwelle auf einen Wert von wenigen Volt oder auf null verkleinert werden. Dies kann zum Beispiel dazu dienen, das auf der DC-Seite des Leistungswandlers angeschlossene DC-Gerät in einem engeren Bereich der an seinem Eingang anliegenden DC-Spannung zu betreiben. Dies kann zum Beispiel aus Sicherheits- oder Wartungsgründen erwünscht sein. Im zweiten Betriebsmodus kann also die DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers gegenüber dem ersten Betriebsmodus in einem engeren Bereich liegen und insbesondere auf Werte im unteren Bereich des ursprünglichen Totbandes des ersten Betriebsmodus beschränkt werden. Bei einer Differenz zwischen oberer und unterer Schwelle von wenigen Volt oder null wird die Zwischenkreisspannung und damit die DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers nahe bei bzw. auf einem bestimmten Wert gehalten.In one embodiment of the method, in the second operating mode, at least one of the thresholds is changed such that the difference between the upper and lower thresholds is reduced compared to the first operating mode. In particular, the difference between the upper and lower thresholds can be reduced to a value of a few volts or to zero. This can be used, for example, to operate the DC device connected to the DC side of the power converter in a narrower range of the DC voltage applied to its input. This can be desirable, for example, for safety or maintenance reasons. In the second operating mode, the DC output voltage of the power converter can therefore be in a narrower range compared to the first operating mode and, in particular, can be limited to values in the lower range of the original dead band of the first operating mode. If the difference between the upper and lower thresholds is a few volts or zero, the intermediate circuit voltage and thus the DC output voltage of the power converter is kept close to or at a certain value.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird im zweiten Betriebsmodus die obere Schwelle der Zwischenkreisspannung abgesenkt. Insbesondere wird die obere Schwelle auf die untere Schwelle abgesenkt. Diese Ausführungsform kann zum Beispiel Vorzüge bieten, wenn ein sicherer Betrieb des Leistungswandlers gewährleistet und eine DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers erreicht werden soll, die an der unteren Schwelle des ursprünglichen Totbandes des ersten Betriebsmodus und damit nahe der Leerlaufspannung eines angeschlossenen Elektrolyseurs liegt, so dass der Elektrolyseur bei bestehender oder wiederkehrender DC-Verbindung unmittelbar weiter betrieben werden kann.In one embodiment of the method, the upper threshold of the intermediate circuit voltage is lowered in the second operating mode. In particular, the upper threshold is lowered to the lower threshold. This embodiment can offer advantages, for example, if safe operation of the power converter is to be ensured and a DC output voltage of the power converter is to be achieved that is at the lower threshold of the original dead band of the first operating mode and thus close to the open circuit voltage of a connected electrolyzer, so that the electrolyzer can continue to be operated immediately with an existing or recurring DC connection.
In einer Ausführungsform erfolgt ein Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus, wenn die Zwischenkreisspannung eine Fehlerschwelle überschreitet. Die Fehlerschwelle für die Zwischenkreisspannung kann zum Beispiel oberhalb der oberen Schwelle liegen. Wenn die Zwischenkreisspannung über diese Fehlerschwelle ansteigt, so wird die Differenz zwischen oberer und unterer Schwelle verändert. Insbesondere kann zum Beispiel die obere Schwelle nahe an oder auf die untere Schwelle abgesenkt werden.In one embodiment, a transition from the first to the second operating mode occurs when the intermediate circuit voltage exceeds an error threshold. The error threshold for the intermediate circuit voltage can, for example, be above the upper threshold. If the intermediate circuit voltage rises above this error threshold, the difference between the upper and lower thresholds is changed. In particular, the upper threshold can, for example, be lowered close to or to the lower threshold.
Wird ein Fehlerfall erkannt, bei dem die Zwischenkreisspannung zu weit ansteigt, nämlich über die Fehlerschwelle hinaus, so kann dann die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle verändert werden. Dies kann zum Beispiel dazu dienen, das System, insbesondere den Zwischenkreis des Leistungswandlers, in einen sicheren Zustand zu bringen. Ein sicherer Zustand kann z. B. darin bestehen, dass die Zwischenkreisspannung durch Veränderung von oberer und/oder unterer Schwelle in einem wesentlich engeren Bereich als im ersten Betriebszustand nahe der unteren Grenze des Totbandes des ersten Betriebsmodus gehalten wird. Damit kann zum Beispiel auch darauf reagiert werden, dass sich auf der DC-Seite des Leistungswandlers Veränderungen ergeben haben, zum Beispiel ein im ersten Betriebsmodus zuvor angeschlossenes DC-Gerät getrennt wurde. Wird dies erkannt, zum Beispiel indem ein übermäßiges Ansteigen der Zwischenkreisspannung wahrgenommen wird, so kann durch Verändern von oberer und/oder unterer Schwelle darauf reagiert werden. Z. B. kann der Zwischenkreis dadurch geschützt werden, dass seine Spannung in einem engeren Bereich als im ersten Betriebsmodus gehalten wird, wobei der engere Bereich bevorzugt nahe der unteren Schwelle des ursprünglichen Totbandes des ersten Betriebsmodus liegt und diese untere Schwelle optional umfasst.If a fault is detected in which the intermediate circuit voltage rises too far, namely beyond the fault threshold, the difference between the upper and lower thresholds can then be changed. This can be used, for example, to bring the system, in particular the intermediate circuit of the power converter, into a safe state. A safe state can, for example, consist of the intermediate circuit voltage being kept in a much narrower range than in the first operating state, close to the lower limit of the dead band of the first operating mode, by changing the upper and/or lower threshold. This can also be used, for example, to react to changes on the DC side of the power converter, for example a DC device previously connected in the first operating mode has been disconnected. If this is detected, for example by detecting an excessive increase in the intermediate circuit voltage, it can be reacted to by changing the upper and/or lower threshold. For example, the intermediate circuit may be protected by maintaining its voltage within a narrower range than in the first operating mode, with the narrower range preferably being close to the lower threshold of the original deadband of the first operating mode and optionally including this lower threshold.
In einem Ausführungsbeispiel ist auf der Gleichspannungsseite des Leistungswandlers ein Elektrolyseur angeschlossen. Der Elektrolyseur wird im ersten Betriebsmodus mit dem Ist-Gleichstrom versorgt. Der Ist-Gleichstrom wird durch den Leistungswandler aus einem AC-Iststrom aus dem AC-Netz erzeugt. Die Zwischenkreisspannung hängt dabei von dem Ist-Gleichstrom und einer Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs ab, wenn der Elektrolyseur an den Leistungswandler angeschlossen ist und mit dem Ist-Gleichstrom versorgt wird.In one embodiment, an electrolyzer is connected to the DC voltage side of the power converter. In the first operating mode, the electrolyzer is supplied with the actual direct current. The actual direct current is generated by the power converter from an AC actual current from the AC network. The intermediate circuit voltage depends on the actual direct current and an electrolysis characteristic curve of the electrolyzer when the electrolyzer is connected to the power converter and is supplied with the actual direct current.
Der Elektrolyseur kann zum Beispiel als Wasserstoff-Elektrolyseur ausgebildet sein, der Wasser mittels des Ist-Gleichstroms in einer Elektrolysereaktion in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt. Der Elektrolyseur weist typischerweise eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf, welche auch als Elektrolyse-Kennlinie bezeichnet wird. Die Elektrolyse-Kennlinie kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Unterhalb einer Leerlaufspannung zeigt der Elektrolyseur ein überwiegend kapazitives Verhalten, welches von der Ausbildung von Doppelschichten an Elektroden des Elektrolyseurs hervorgerufen wird. Eine Elektrolysereaktion findet bei Spannungen unterhalb der Leerlaufspannung noch nicht oder zumindest nicht in signifikanter Weise statt. Bei Eingangsspannungen oberhalb der Leerlaufspannung zeigt der Elektrolyseur überwiegend ohmsches Verhalten, welches durch die bei diesen Spannungen ablaufende Elektrolysereaktion hervorgerufen wird. Die Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion und damit die Erzeugungsrate von Wasserstoff steigt mit zunehmendem Ist-Gleichstrom und damit zunehmender Eingangsspannung. Im stromstellenden Betrieb des Leistungswandlers hängt die Zwischenkreisspannung daher von dem Ist-Gleichstrom und der Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs ab. Der Ist-Gleichstrom wird dabei von dem Leistungswandler, der als aktiver Gleichrichter ausgebildet ist, eingestellt.The electrolyzer can, for example, be designed as a hydrogen electrolyzer that uses the actual direct current to convert water into its components hydrogen and oxygen in an electrolysis reaction. The electrolyzer typically has a current-voltage characteristic curve, which is also referred to as the electrolysis characteristic curve. The electrolysis characteristic curve can be divided into two areas. Below an open circuit voltage, the electrolyzer shows predominantly capacitive behavior, which is caused by the formation of double layers on the electrolyzer's electrodes. An electrolysis reaction does not take place at voltages below the open circuit voltage, or at least not to a significant extent. At input voltages above the open circuit voltage, the electrolyzer shows predominantly ohmic behavior, which is caused by the electrolysis reaction taking place at these voltages. The speed of the electrolysis reaction and thus the rate at which hydrogen is produced increases with increasing actual direct current and thus increasing input voltage. In current-setting operation of the power converter, the intermediate circuit voltage therefore depends on the actual direct current and the electrolysis characteristic of the electrolyzer. The actual direct current is set by the power converter, which is designed as an active rectifier.
Es ist vorteilhaft, wenn die untere Schwelle der Zwischenkreisspannung der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs entspricht oder über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs liegt. Hierdurch wird die Eingangsspannung des Elektrolyseurs durch den Leistungswandler in einem Bereich gehalten, in dem Elektrolyse stattfindet. Die obere Schwelle der Zwischenkreisspannung kann dann zum Beispiel im ersten Betriebsmodus in einem Bereich liegen, der gemäß Elektrolyse-Kennlinie oberhalb der Nennleistung des Elektrolyseurs und bei oder unterhalb der zulässigen Maximalspannung des Elektrolyseurs liegt.It is advantageous if the lower threshold of the intermediate circuit voltage corresponds to the open circuit voltage of the electrolyzer or is above the open circuit voltage of the electrolyzer. This keeps the input voltage of the electrolyzer in a range in which electrolysis takes place through the power converter. The upper threshold of the intermediate circuit voltage can then, for example, in the first operating mode, be in a range that, according to the electrolysis characteristic, is above the rated power of the electrolyzer and at or below the permissible maximum voltage of the electrolyzer.
In einer Ausführungsform stellt der Leistungswandler im ersten Betriebsmodus den Ist-Gleichstrom gemäß eines Einstell-Sollstroms ein, wobei der Einstell-Sollstrom unter Verwendung eines Anforderungs-Sollstroms ermittelt wird. Der Anforderungs-Sollstrom wird dabei beispielsweise vom Elektrolyseur oder einer übergeordneten Steuereinheit vorgegeben, oder der Elektrolyseur oder die übergeordnete Steuereinheit gibt eine Sollleistung vor, die an geeigneter Stelle unter Berücksichtigung der DC-Eingangsspannung in einen Anforderungs-Sollstrom umgerechnet werden kann. Der Anforderungs-Sollstrom kann zum Beispiel vom Elektrolyseur anhand seiner Elektrolyse-Kennlinie und/oder in Abhängigkeit von seinem aktuellen und/oder seinem anzustrebenden Betriebszustand vorgegeben werden. Der Einstell-Sollstrom hängt dann von dem Anforderungs-Sollstrom bzw. der Sollleistung ab und wird vom Leistungswandler oder von einer übergeordneten Steuerung, die den Leistungswandler ansteuert, ermittelt, so dass der Ist-Gleichstrom unter Verwendung des Einstell-Sollstroms bzw. der Sollleistung ermittelt und eingestellt wird.In one embodiment, in the first operating mode, the power converter sets the actual direct current according to a set target current, wherein the set target current is determined using a required target current. The required target current is specified, for example, by the electrolyzer or a higher-level control unit, or the electrolyzer or the higher-level control unit specifies a target power that can be converted into a required target current at a suitable point, taking the DC input voltage into account. The required target current can be specified, for example, by the electrolyzer based on its electrolysis characteristic curve and/or depending on its current and/or desired operating state. The set target current then depends on the required target current or the target power and is determined by the power converter or by a higher-level control that controls the power converter, so that the actual direct current is determined and set using the set target current or the target power.
In einer Ausführungsform wird der Einstell-Sollstrom aus dem Anforderungs-Sollstrom unter Verwendung eines Korrekturwertes ermittelt. Der Einstell-Sollstrom ergibt sich zum Beispiel, indem der Korrekturwert vom Anforderungs-Sollstrom subtrahiert wird. Der Leistungswandlers kann also mit einer Stromregelung betrieben werden, die einen Anforderungs-Sollstrom vom Elektrolyseur und einen Korrekturwert aufweist. Der Korrekturwert kann z. B. in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung erzeugt werden.In one embodiment, the set target current is determined from the required target current using a correction value. The set target current is obtained, for example, by subtracting the correction value from the required target current. The power converter can therefore be operated with a current control that has a required target current from the electrolyzer and a correction value. The correction value can be generated, for example, depending on the intermediate circuit voltage.
In einer Ausführungsform wird der Korrekturwert in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung, der oberen Schwelle und/oder der unteren Schwelle ermittelt. Der Korrekturwert wird durch eine Regelung ermittelt, welche zum Ziel hat, die Zwischenkreisspannung im ersten Betriebsmodus bei angeschlossenem Elektrolyseur und im zweiten Betriebsmodus zwischen den jeweils gültigen oberen und unteren Schwellen zu halten. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Regelung im ersten Betriebsmodus bei angeschlossenem Elektrolyseur und im zweiten Betriebsmodus in gleicher Weise stromgeregelt arbeitet und insofern strukturell unverändert verwendet werden kann. Die Regelung hat jeweils zum Ziel, den Ist-Gleichstrom entsprechend dem Einstell-Sollstrom einzustellen und gleichzeitig die Zwischenkreisspannung zwischen oberer und unterer Schwelle zu halten. Dadurch, dass im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen verändert wird, kann geänderten Randbedingungen Rechnung getragen werden. Die Regelung selbst muss strukturell nicht angepasst werden.In one embodiment, the correction value is determined depending on the intermediate circuit voltage, the upper threshold and/or the lower threshold. The correction value is determined by a control system which aims to keep the intermediate circuit voltage in the first operating mode with an electrolyzer connected and in the second operating mode between the respectively valid upper and lower thresholds. This embodiment offers the advantage that the control system operates in the same current-controlled manner in the first operating mode with an electrolyzer connected and in the second operating mode and can therefore be used structurally unchanged. The control system aims to set the actual direct current in accordance with the set target current and at the same time to keep the intermediate circuit voltage between the upper and lower thresholds. By changing at least one of the thresholds in the second operating mode, changed boundary conditions can be taken into account. The control system itself does not have to be structurally adapted.
In einer Ausführungsform ist der Korrekturwert im zweiten Betriebsmodus zeitweise größer als der Anforderungs-Sollstrom. Aus der Subtraktion des Korrekturwerts vom Anforderungs-Sollstrom kann dann ein Einstell-Sollstrom mit einem gegenüber dem Anforderungs-Sollstrom umgekehrten Vorzeichen resultieren. In einer solchen Situation stellt der Leistungswandler einen Ist-Gleichstrom ein, der elektrische Leistung aus dem Zwischenkreis in das AC-Netz transferiert. Hierdurch kann einer zu hohen Zwischenkreisspannung entgegengewirkt und damit eine Überladung des Zwischenkreises verhindert werden, indem elektrische Ladung aus dem Zwischenkreis entnommen und der Zwischenkreis in einem sicheren Zustand gehalten wird.In one embodiment, the correction value in the second operating mode is temporarily greater than the required target current. Subtracting the correction value from the required target current can then result in a set target current with a sign opposite to the required target current. In such a situation, the power converter sets an actual direct current that transfers electrical power from the intermediate circuit to the AC network. This can counteract an excessively high intermediate circuit voltage and thus prevent the intermediate circuit from being overloaded by removing electrical charge from the intermediate circuit and keeping the intermediate circuit in a safe state.
Für den Fall, dass der Leistungswandler elektrische Leistung aus dem GleichspannungsZwischenkreis in das AC-Netz transferiert, wird der Leistungswandler als aktiver Wechselrichter betrieben. Für den Fall, dass der Leistungswandler elektrische Leistung aus dem AC-Netz auf seine DC-Seite transferiert, wird der Leistungswandler als aktiver Gleichrichter betrieben. In beiden Fällen handelt es sich um einen stromgeregelten Betrieb.If the power converter transfers electrical power from the DC link to the AC network, the power converter is operated as an active inverter. If the power converter transfers electrical power from the AC network to its DC side, the power converter is operated as an active rectifier. In both cases, this is current-controlled operation.
In einer Ausführungsform erfolgt der Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus alternativ oder zusätzlich in Abhängigkeit von dem Korrekturwert. Hierdurch kann ein weiterer Fehlerfall abgefangen werden, der sich in auffälligen Werten für den Korrekturwert äußert. Insbesondere kann der Übergang von dem ersten und in den zweiten Betriebsmodus bei Überschreiten eines Grenzwertes für den Korrekturwert erfolgen. Dadurch kann insbesondere ein Sicherheitsmechanismus eingebaut werden, der auf zu große Korrekturwerte reagiert und in der Folge zumindest eine der Schwellen für die Zwischenkreisspannung verändert, um das System zurück in einen sicheren Zustand zu bringen. Die Bedingung für den Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus kann insbesondere sowohl die Fehlerschwelle für die Zwischenkreisspannung als auch den Grenzwert für den Korrekturwert umfassen, so dass der Übergang in den zweiten Betriebsmodus erst erfolgt, wenn sowohl die Zwischenkreisspannung als auch der Korrekturwert ihre jeweiligen Grenzwerte überschreiten.In one embodiment, the transition from the first to the second operating mode takes place alternatively or additionally depending on the correction value. This makes it possible to intercept another error case which manifests itself in conspicuous values for the correction value. In particular, the transition from the first to the second operating mode can take place when a limit value for the correction value is exceeded. In particular, this makes it possible to build in a safety mechanism which reacts to correction values which are too high and subsequently changes at least one of the thresholds for the intermediate circuit voltage in order to bring the system back to a safe state. The condition for the transition from the first to the second operating mode can in particular include both the error threshold for the intermediate circuit voltage and the limit value for the correction value, so that the transition to the second operating mode only takes place when both the intermediate circuit voltage and the correction value exceed their respective limit values.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt der Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Anforderungs-Sollstrom. In dieser Ausführungsform kann der Übergang vom zweiten in den ersten Betriebsmodus realisiert werden, indem auf einen Anforderungs-Sollstrom reagiert wird, der zum Beispiel in einem sicheren oder neutralen Bereich liegt. Insbesondere kann bei einem Anforderungs-Sollstrom von null vom zweiten in den ersten Betriebsmodus übergegangen werden. Bei einem Anforderungs-Sollstrom des Elektrolyseurs von null fordert dieser keine elektrische Leistung an. Da nun keine elektrische Leistung auf der DC-Seite des Leistungswandlers angefordert wird, so besteht keine Gefahr den Zwischenkreis zu weit aufzuladen, da ja gar keine Anforderung besteht Leistung von AC-Seite zu der DC-Seite zu transferieren. Es kann also wieder in den ersten Betriebsmodus zurückgekehrt werden.In further embodiments, the transition from the second to the first operating mode takes place depending on the required target current. In this embodiment, the transition from the second to the first operating mode can be realized by reacting to a required target current that is, for example, in a safe or neutral range. In particular, with a required target current of zero, it is possible to transition from the second to the first operating mode. With a required target current of the electrolyzer of zero, it does not request any electrical power. Since no electrical power is now requested on the DC side of the power converter, there is no risk of charging the intermediate circuit too much, since there is no requirement to transfer power from the AC side to the DC side. It is therefore possible to return to the first operating mode.
Der Leistungswandler kann den zweiten Betriebsmodus wieder verlassen und die Schwellen und damit das Totband auf ursprüngliche Werte setzen, wenn der Elektrolyseur auf das Ausbleiben der Leistungszufuhr reagiert hat und der Stromsollwert des Elektrolyseurs auf null gesetzt wurde. Anschließend kann der Elektrolyseur vom Leistungswandler im ersten Betriebsmodus ausgehend vom Leerlauf wieder angefahren werden.The power converter can leave the second operating mode again and set the thresholds and thus the dead band to their original values when the electrolyzer has reacted to the lack of power supply and the electrolyzer's current setpoint has been set to zero. The electrolyzer can then be started up again by the power converter in the first operating mode, starting from idle.
In einer Ausführungsform wird die obere Schwelle der Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung, dem Korrekturwert und/oder dem Anforderungs-Sollstrom ermittelt. In dieser Ausführungsform ist es möglich, die obere Schwelle dynamisch in Abhängigkeit von der aktuellen Zwischenkreisspannung, dem aktuellen Korrekturwert und/oder dem Anforderungs-Sollstrom festzulegen. Dies ermöglicht eine Ermittlung der oberen Schwelle unter Einbeziehung zumindest dieser drei Werte. Gefährliche Zustände des Gesamtsystems können damit vermieden werden.In one embodiment, the upper threshold of the intermediate circuit voltage is determined depending on the intermediate circuit voltage, the correction value and/or the required target current. In this embodiment, it is possible to set the upper threshold dynamically depending on the current intermediate circuit voltage, the current correction value and/or the required target current. This enables the upper threshold to be determined taking into account at least these three values. Dangerous states of the overall system can thus be avoided.
Mittels des Verfahrens kann also eine Fehlerschwelle für eine DC-Spannung auf der DC-Seite des Leistungswandlers, insbesondere für die Zwischenkreisspannung, definiert werden. Wenn die DC-Spannung diese Fehlerschwelle überschreitet, wird der Leistungswandler in einen Stand-By-Zustand versetzt, in dem keine Elektrolyse stattfindet und der Elektrolyseur ein im wesentlichen kapazitives Verhalten ohne wesentliche Leistungsaufnahme zeigt. Das Versetzen in den Stand-By-Zustand erfolgt, indem das Totband des DC-Spannungsreglers geändert wird, insbesondere verkleinert wird, insbesondere auf null verkleinert wird, so dass die DC-Spannung mittels des Korrekturwertes auf einen Wert geregelt wird, bei dem der Leistungswandler im grundsätzlich stromgeregelten Betrieb bleibt und nicht in einen passiven Gleichrichterbetrieb übergeht.The method can be used to define an error threshold for a DC voltage on the DC side of the power converter, in particular for the intermediate circuit voltage. If the DC voltage exceeds this error threshold, the power converter is put into a stand-by state in which no electrolysis takes place and the electrolyzer exhibits essentially capacitive behavior without significant power consumption. The switch to the stand-by state is carried out by changing the dead band of the DC voltage regulator, in particular by reducing it, in particular by reducing it to zero, so that the DC voltage is regulated by means of the correction value to a value at which the power converter remains in basically current-controlled operation and does not switch to passive rectifier operation.
Durch das Verfahren kann vermieden werden, dass sich der Zwischenkreis aufgrund einer fortdauernden Stromzufuhr gemäß des Anforderungs-Sollstroms und gleichzeitig fehlendem Abfluss elektrischer Leistung in den Elektrolyseur so lange auflädt, bis er z. B. explodiert, oder bis z. B. anderweitige Schutzmechanismen greifen und den Leistungswandler ggf. abschalten. Durch das Verfahren kann ein solcher Fall drohender Überladung frühzeitig erkannt werden, wobei der Leistungswandler die Überladung verhindert und gleichzeitig im stromgeregelten Betrieb bleibt. Dabei ist im zweiten Betriebsmodus das Totband der DC-Spannungsregelung geändert, so dass der Leistungswandler im zweiten Betriebsmodus de facto in einem Stand-By-Betrieb betrieben wird, mit einer DC-Spannung gleich oder oberhalb der Leerlaufspannung des (getrennten) Elektrolyseurs.The process can prevent the intermediate circuit from charging until it explodes, for example, or until other protective mechanisms kick in and possibly switch off the power converter, due to a continuous current supply in accordance with the required target current and a simultaneous lack of electrical power flowing into the electrolyzer. The process can detect such a case of impending overload at an early stage, with the power converter preventing the overload while remaining in current-controlled operation. In the second operating mode, the deadband of the DC voltage regulation is changed so that the power converter is de facto operated in standby mode in the second operating mode, with a DC voltage equal to or above the open circuit voltage of the (separated) electrolyzer.
Die Bedingung für die Änderung des Totbandes kann neben der Fehlerschwelle für die DC-Spannung einen Grenzwert für den Korrekturwert umfassen, so dass der Stand-By-Zustand erst dann eingenommen wird, wenn sowohl die DC-Spannung als auch der Korrekturwert den jeweiligen Grenzwert überschreitet. Der Korrekturwert kann dabei seinen Grenzwert zeitlich verzögert überschreiten, nachdem die DC-Spannung die Fehlerschwelle überschritten hat, wobei der zeitliche Verzug insbesondere von der Dynamik der Änderung der DC-Spannung abhängen kann.The condition for changing the dead band can include a limit value for the correction value in addition to the error threshold for the DC voltage, so that the standby state is only entered when both the DC voltage and the correction value exceed the respective limit value. The correction value can exceed its limit value with a time delay after the DC voltage has exceeded the error threshold, whereby the time delay can depend in particular on the dynamics of the change in the DC voltage.
Der Leistungswandler kann den Stand-By-Zustand wieder verlassen und das Totband kann auf ursprüngliche Werte gesetzt werden, wenn der Elektrolyseur auf den Fehler reagiert hat und der Anforderungs-Sollstrom des Elektrolyseurs auf null gesetzt wurde. Anschließend kann der Elektrolyseur ausgehend vom Leerlauf wieder angefahren werden.The power converter can exit the standby state and the deadband can be set to its original values once the electrolyzer has responded to the error and the electrolyzer's demand current has been set to zero. The electrolyzer can then be restarted from idle.
Eines der zuvor beschriebenen Verfahren kann zum Beispiel auf einer Steuereinheit zum Betrieb des Leistungswandlers ausgeführt werden. Die Steuereinheit kann in dem Leistungswandler angeordnet sein und Leistungsschalter des Leistungswandlers ansteuern, über die die Gleichrichtung und/oder die Wechselrichtung des elektrischen Stromes erfolgt und die den Transfer der elektrischen Leistung zwischen der AC-Seite und der DC-Seite realisieren. Die Steuereinheit kann auch als übergeordnete Steuereinheit ausgelegt sein und Steuer- und/oder Regelungsaufgaben für mehr als ein Gerät des Gesamtsystems wahrnehmen.One of the methods described above can, for example, be carried out on a control unit for operating the power converter. The control unit can be arranged in the power converter and control the power switches of the power converter, via which the rectification and/or the inversion of the electrical current takes place and which implement the transfer of the electrical power between the AC side and the DC side. The control unit can also be designed as a higher-level control unit and perform control and/or regulation tasks for more than one device in the overall system.
Ein Gesamtsystem mit Steuereinheit und Leistungswandler kann zum Beispiel als Elektrolyseanlage ausgebildet sein. Eine solche Elektrolyseanlage weist die zuvor beschriebene Steuereinheit, den Elektrolyseur und den Leistungswandler auf. Der Elektrolyseur ist über DC-Schalter, insbesondere DC-Relais, mit dem Leistungswandler verbindbar. Der Leistungswandler ist eingerichtet, elektrische Leistung in stromstellenden Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen. Der Leistungswandler weist den auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis auf. Der Leistungswandler ist ausgelegt und eingerichtet, in stromstellenden Betrieb einen Ist-Gleichstrom einzustellen und den Elektrolyseur bei geschlossenen DC-Schaltern aus dem AC-Netz mit elektrischer Energie zu versorgen.An overall system with a control unit and power converter can be designed as an electrolysis system, for example. Such an electrolysis system has the previously described control unit, the electrolyzer and the power converter. The electrolyzer can be connected to the power converter via DC switches, in particular DC relays. The power converter is designed to transfer electrical power in current-setting operation between an AC voltage side and a DC voltage side. The power converter has the DC voltage intermediate circuit arranged on the DC voltage side. The power converter is designed and set up to set an actual direct current in current-setting operation and to supply the electrolyzer with electrical energy from the AC network when the DC switches are closed.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, eine Zwischenkreisspannung zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle zu halten. Die untere Schwelle entspricht dabei der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs oder liegt wenige Volt über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs. Hierdurch ist die obere und die untere Schwelle der Zwischenkreisspannung an den Elektrolyseur der Elektrolyseanlage angepasst und ermöglicht einen Betrieb des Elektrolyseurs gemäß seiner Elektrolyse-Kennlinie.In one embodiment, the control unit is designed to maintain an intermediate circuit voltage between an upper threshold and a lower threshold. The lower threshold corresponds to the open circuit voltage of the electrolyzer or is a few volts above the open circuit voltage of the electrolyzer. As a result, the upper and lower thresholds of the intermediate circuit voltage are adapted to the electrolyzer of the electrolysis system and enable the electrolyzer to operate according to its electrolysis characteristic curve.
Im zweiten Betriebsmodus können insbesondere die DC-Schalter geöffnet sein. Der zweite Betriebsmodus ermöglicht dabei, die Parameter der Regelung des Leistungswandlers so anzupassen, dass die Zwischenkreisspannung in einem anderen Bereich gehalten wird als im ersten Betriebsmodus. Dies ist auch möglich, wenn der Leistungswandler über das Öffnen der DC-Schalter nicht vorab informiert wird, er also keine Information vorliegen hat, den von ihm eingestellten Ist-Gleichstrom vorab abweichend vom Anforderungs-Sollstrom einzustellen. Eine Anpassung des Einstell-Sollstroms und damit des Ist-Gleichstrom kann dann, wie zuvor beschrieben, durch ein Anpassen von oberer und/oder unterer Schwelle der Zwischenkreisspannung erfolgen.In the second operating mode, the DC switches in particular can be open. The second operating mode enables the control parameters of the power converter to be adjusted so that the intermediate circuit voltage is kept in a different range than in the first operating mode. This is also possible if the power converter is not informed in advance that the DC switches have been opened, i.e. it has no information to set the actual direct current it has set in advance to deviate from the required target current. The set target current and thus the actual direct current can then be adjusted, as described above, by adjusting the upper and/or lower threshold of the intermediate circuit voltage.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE CHARACTERS
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseanlage mit Leistungswandler und Steuereinheit, -
2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Betrieb des Leistungswandlers und -
3 zeigt schematisch beispielhafte Strom- und Spannungsverläufe in der Elektrolyseanlage.
-
1 shows schematically an embodiment of an electrolysis plant with power converter and control unit, -
2 shows a schematic block diagram of a method for operating the power converter and -
3 shows schematic examples of current and voltage curves in the electrolysis plant.
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In the figures, identical or similar elements are designated by the same reference numerals.
FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION
Der Leistungswandler 16 ist auf seiner AC-Seite über ein AC-Relais 14 mit einem AC-Netz 12, zum Beispiel einem AC-Versorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Wechselspannungsnetz verbunden. Aus dem AC-Netz 12 kann der Leistungswandler 16 elektrische Leistung in Form eines AC-Iststroms I_AC_ist beziehen. Der Leistungswandler 16 kann in stromstellenden Betrieb betrieben werden. Im stromstellenden Betrieb stellt der Leistungswandler 16 auf seiner DC-Seite einen Ist-Gleichstrom I_DC_ist ein, der zur Versorgung eines DC-seitig angeschlossenen DC-Geräts mit elektrischer Leistung eingerichtet ist. Im dargestellten Beispiel weist der Leistungswandler 16 auf seiner DC-Seite einen Zwischenkreis ZWK auf, welcher beispielsweise als Kapazität in Form eines Kondensators ausgebildet ist und wie dargestellt außerhalb des Leistungswandlers 16 angeordnet sein kann oder sich innerhalb eines Gehäuses des Leistungswandlers 16 befindet (nicht dargestellt). Ein Elektrolyseur 22 ist über DC-Schalter 18 an der DC-Seite des Leistungswandlers 16 angeschlossen. Mittels des Ist-Gleichstroms I_DC_ist kann der Elektrolyseur 22 über den Leistungswandler 16 aus dem AC-Netz 12 mit elektrischer Leistung versorgt werden.The
Sind die DC-Schalter 18 geschlossen, so kann der vom Leistungswandler 16 zur Verfügung gestellte Ist-Gleichstrom I_DC_ist in den Elektrolyseur 22 fließen und diesen mit elektrischer Leistung versorgen. Diese Situation ist in
An dem Zwischenkreis ZWK des Leistungswandlers 16 fällt eine Zwischenkreisspannung U_ZWK ab. Diese Zwischenkreisspannung U_ZWK wird gemessen, und der Messwert für die Zwischenkreisspannung wird von dem Leistungswandler 16 an die Steuereinheit 20 übermittelt. Sind die DC-Schalter 18 geöffnet, so kann der vom Leistungswandler 16 zur Verfügung gestellte Ist-Gleichstrom I_DC_ist nicht über den Zwischenkreis ZWK hinweg in den Elektrolyseur 22 fließen. Vielmehr fließt der vom Leistungswandler 16 eingestellte Strom I_AC_ist in den Zwischenkreis ZWK, und die Zwischenkreisspannung U_ZWK steigt in der Folge an, da der Strom nicht aus dem Zwischenkreis ZWK abfließen kann. Diese Situation ist in
In
Der Korrekturwert I_DC_k kann durch die Regelung in der Steuereinheit 20 ermittelt werden, indem die Zwischenkreisspannung U_ZWK herangezogen wird. Von einem Schwellwertgenerator 24 wird unter Verwendung der Zwischenkreisspannungen die untere Schwelle U_ZWK_min und die obere Schwelle U_ZWK_max der Zwischenkreisspannung U_ZWK ausgegeben. Die untere Schwelle U_ZWK_min kann dabei zum Beispiel einer Leerlaufspannung des Elektrolyseurs 22 entsprechen, unterhalb derer im Elektrolyseur 22 keine oder keine signifikante Elektrolyse stattfindet. Die obere Schwelle U_ZWK_max kann zum Beispiel einer Zwischenkreisspannung entsprechen, welche im Bereich einer maximal zulässigen Spannung des Elektrolyseurs 22 liegt, wobei der Arbeitspunkt, an dem der Elektrolyseur 22 in einem Nennbetrieb mit Nennleistung arbeitet, unterhalb der obere Schwelle U_ZWK_max liegt.The correction value I_DC_k can be determined by the control in the
Wenn die DC-Schalter 18 geschlossen sind, entspricht die Zwischenkreisspannung U_ZWK der Eingangsspannung am Elektrolyseur 22. Ein erster Betriebsmodus des Leistungswandlers 16 entspricht dabei einem solchen Betrieb mit den beschriebenen Schwellen U_ZWK_min, U_ZWK_max, geschlossenen DC-Schaltern 18 und angeschlossenem Elektrolyseur 22.When the DC switches 18 are closed, the intermediate circuit voltage U_ZWK corresponds to the input voltage at the
Im oberen Pfad von
Der untere Pfad der Regelung von
Werden in
In Bezug auf
Steigt nun die Zwischenkreisspannung U_ZWK über eine Fehlerschwelle U_fehl, in
Sinkt der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 auf 0, d. h. wird keine elektrische Leistung mehr vom Elektrolyseur 22 angefordert, so kann zum Zeitpunkt t_2 vom zweiten in den ersten Betriebsmodus zurückgekehrt werden und die obere Schwelle U_ZWK_max wieder auf ihren ursprünglichen Wert angehoben werden. Dieses Anheben der Schwelle erfolgt beispielsweise durch den Schwellwertgenerator 24. Wird zu einem späteren Zeitpunkt die Elektrolyse im Elektrolyseur 22 wieder angefahren, so steigt der Anforderungs-Sollstrom IDC_soll_1 wieder an und bei geschlossenen DC-Schaltern 18 kann wieder elektrische Leistung aus dem AC-Netz 12 über den AC-Iststrom I_AC_ist an den Elektrolyseur 22 geliefert werden. Entsprechend steigt die Zwischenkreisspannung U_ZWK wieder an und erreicht zum Zeitpunkt t_3 mit dem Anforderungs-Sollstrom IDC_soll_1 einen stabilen Betriebswert.If the required target current I_DC_soll_1 drops to 0, i.e. no more electrical power is required from the
Wie zuvor beschrieben, besteht ein möglicher Auslöser vom Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus darin, dass die Zwischenkreisspannung U_ZWK eine Fehlerschwelle U_fehl überschreitet. Es ist ebenso möglich, einen Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus auszulösen, wenn der Korrekturwert die I_DC_k eine gewisse Schwelle überschreitet. Dies kann ebenso ein Indiz dafür sein, dass die Zwischenkreisspannung U_ZWK die ihr zugewiesenen Schwellen verlässt und zu große Werte annimmt. Im zweiten Betriebsmodus kann dem dann gegengesteuert und Schaden an der Elektrolyseanlage vermieden werden.As previously described, a possible trigger for the transition from the first operating mode to the second operating mode is that the intermediate circuit voltage U_ZWK exceeds an error threshold U_fehl. It is also possible to trigger a transition from the first to the second operating mode if the correction value I_DC_k exceeds a certain threshold. This can also be an indication that the intermediate circuit voltage U_ZWK is leaving the thresholds assigned to it and is assuming values that are too high. In the second operating mode, this can then be counteracted and damage to the electrolysis system can be avoided.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS
- 1010
- ElektrolyseanlageElectrolysis plant
- 1212
- AC-NetzAC network
- 1414
- AC-RelaisAC Relay
- 1616
- LeistungswandlerPower converter
- 1818
- DC-SchalterDC switch
- 2020
- SteuereinheitControl unit
- 2222
- ElektrolyseurElectrolyzer
- 2424
- SchwellwertgeneratorThreshold generator
- B1, B2B1, B2
- BegrenzerLimiter
- I_AC_istI_AC_ist
- AC-IststromAC actual current
- I_DC_istI_DC_ist
- Ist-GleichstromActual direct current
- I_DC_kI_DC_k
- KorrekturwertCorrection value
- I_DC_soll_1I_DC_target_1
- Anforderungs-Sollstrom vom ElektrolyseurDemand target current from the electrolyzer
- I_DC_soll_2I_DC_target_2
- Einstell-Sollstrom an LeistungswandlerSetting target current on power converter
- InIn
- Nennstrom ElektrolyseurNominal current electrolyzer
- PI1, PI2PI1, PI2
- PI-ReglerPI controller
- U_fehlU_miss
- FehlerschwelleError threshold
- U_ZWK_maxU_ZWK_max
- obere Schwelleupper threshold
- U_ZWK_minU_ZWK_min
- untere Schwellelower threshold
- U_ZWKU_ZWK
- ZwischenkreisspannungDC link voltage
- ZWKZWK
- ZwischenkreisIntermediate circuit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012002089A1 (en) | 2012-02-06 | 2013-08-08 | Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg | Drive system with energy storage and method for operating a drive system |
US20130321959A1 (en) | 2010-10-06 | 2013-12-05 | Alstom Technology, Ltd | Method and device to protect an esp power supply from transient over-voltages on the power grid |
DE102015120271A1 (en) | 2015-11-23 | 2017-05-24 | Beckhoff Automation Gmbh | Output module of a drive control system |
DE102017205874A1 (en) | 2016-04-14 | 2017-10-19 | Fanuc Corporation | Motor driver for suppressing voltage fluctuations in a DC backup capacitor |
DE102020000997A1 (en) | 2019-03-08 | 2020-09-10 | Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg | Drive system, comprising a converter and an inverter for feeding an electric motor |
DE102020112880A1 (en) | 2020-05-12 | 2021-11-18 | Sma Solar Technology Ag | METHOD OF OPERATING AN ELECTROLYZER, CONNECTING CIRCUIT, RECTIFIER AND ELECTROLYSIS PLANT FOR CARRYING OUT THE METHOD |
DE102020114245A1 (en) | 2020-05-27 | 2021-12-02 | Sma Solar Technology Ag | METHOD OF PRECHARGING AN ELECTROCHEMICAL LOAD, PRECHARGING CIRCUIT FOR CARRYING OUT THE METHOD AND RECTIFIERS WITH A PRECHARGING CIRCUIT |
-
2022
- 2022-10-05 DE DE102022125719.3A patent/DE102022125719A1/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130321959A1 (en) | 2010-10-06 | 2013-12-05 | Alstom Technology, Ltd | Method and device to protect an esp power supply from transient over-voltages on the power grid |
DE102012002089A1 (en) | 2012-02-06 | 2013-08-08 | Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg | Drive system with energy storage and method for operating a drive system |
DE102015120271A1 (en) | 2015-11-23 | 2017-05-24 | Beckhoff Automation Gmbh | Output module of a drive control system |
DE102017205874A1 (en) | 2016-04-14 | 2017-10-19 | Fanuc Corporation | Motor driver for suppressing voltage fluctuations in a DC backup capacitor |
DE102020000997A1 (en) | 2019-03-08 | 2020-09-10 | Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg | Drive system, comprising a converter and an inverter for feeding an electric motor |
DE102020112880A1 (en) | 2020-05-12 | 2021-11-18 | Sma Solar Technology Ag | METHOD OF OPERATING AN ELECTROLYZER, CONNECTING CIRCUIT, RECTIFIER AND ELECTROLYSIS PLANT FOR CARRYING OUT THE METHOD |
DE102020114245A1 (en) | 2020-05-27 | 2021-12-02 | Sma Solar Technology Ag | METHOD OF PRECHARGING AN ELECTROCHEMICAL LOAD, PRECHARGING CIRCUIT FOR CARRYING OUT THE METHOD AND RECTIFIERS WITH A PRECHARGING CIRCUIT |
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Legal Events
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