DE102022125719A1 - METHOD FOR OPERATING A POWER CONVERTER, CONTROL UNIT AND ELECTROLYSIS SYSTEM - Google Patents

METHOD FOR OPERATING A POWER CONVERTER, CONTROL UNIT AND ELECTROLYSIS SYSTEM Download PDF

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DE102022125719A1
DE102022125719A1 DE102022125719.3A DE102022125719A DE102022125719A1 DE 102022125719 A1 DE102022125719 A1 DE 102022125719A1 DE 102022125719 A DE102022125719 A DE 102022125719A DE 102022125719 A1 DE102022125719 A1 DE 102022125719A1
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power converter
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electrolyzer
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Application number
DE102022125719.3A
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Inventor
Alexander Unru
Marcel Kratochvil
Mohamed Khshainy
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SMA Solar Technology AG
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SMA Solar Technology AG
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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 DE102020112880 wird ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs mit zwei Betriebszuständen beschrieben. Es ist ein Normalbetrieb mit einer Eingangsspannung am Elektrolyseur größer als die Leerlaufspannung des Elektrolyseurs vorgesehen. Im Normalbetrieb wird der Elektrolyseur über einen Leistungswandler aus einem AC-Netz (AC: engl. alternating current, Wechselstrom/Wechselspannung) mit elektrischer Leistung versorgt und es findet ein Leistungsumsatz im Elektrolyseur statt. Weiter ist ein Stand-By-Betrieb vorgesehen, bei dem eine Elektrolyseur-Eingangsspannung unterhalb der Leerlaufspannung gehalten wird. Die Elektrolyseur-Eingangsspannung im Stand-By-Betrieb wird über eine getaktete Vorladeschaltung zwischen Leistungswandler und Elektrolyseur eingestellt.In the DE102020112880 A method for operating an electrolyzer with two operating states is described. Normal operation with an input voltage at the electrolyzer greater than the open circuit voltage of the electrolyzer is provided. In normal operation, the electrolyzer is supplied with electrical power via a power converter from an AC network (AC: alternating current) and power is converted in the electrolyzer. A stand-by mode is also provided, in which an electrolyzer input voltage is kept below the open circuit voltage. The electrolyzer input voltage in stand-by operation is set via a clocked pre-charging circuit between the power converter and the electrolyzer.

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 particular claim 14 describes an embodiment in which the control unit is part of an electrolysis system.

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.

  • 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.
In the following, the invention is further explained and described with reference to embodiments shown in the figures.
  • 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

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseanlage 10 mit einem Leistungswandler 16, welche einen Zwischenkreis ZWK aufweist. Der Leistungswandler 16 ist im vorliegenden Beispiel als Gleichrichter ausgebildet, welcher elektrische Leistung von Wechselspannung auf Gleichspannung umrichten kann. Der Leistungswandler 16 ist ebenfalls in der Lage, als Wechselrichter zu agieren und elektrische Leistung von Gleichspannung in Wechselspannung umzurichten. Zur elektrischen Leistungswandlung weist der Leistungswandler 16 insbesondere eine Brückenschaltung mit Halbleiterschaltern auf. Durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter kann eine Umrichtung von Wechselspannung auf einer AC-Seite des Leistungswandlers 16 in Gleichspannung auf einer DC-Seite des Leistungswandlers 16 und umgekehrt erfolgen. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter des Leistungswandlers 16 kann insbesondere mittels getakteter Ansteuersignale erfolgen, die zum Beispiel durch eine Steuereinheit des Leistungswandlers 16 erzeugt werden (nicht dargestellt). Die zur Erzeugung der Ansteuersignale der Halbleiterschalter des Leistungswandlers 16 notwendigen Parameter werden durch eine übergeordnete Steuerung einer Steuereinheit 20 ermittelt und an den Leistungswandler 16 übermittelt. Die Steuereinheit 20 kann als Prozessor oder Mikrocontroller mit entsprechender Speicherausstattung und Dateneingabe- und Datenausgabemöglichkeiten ausgebildet sein. 1 shows schematically an embodiment of an electrolysis system 10 with a power converter 16, which has an intermediate circuit ZWK. In the present example, the power converter 16 is designed as a rectifier, which can convert electrical power from alternating voltage to direct voltage. The power converter 16 is also able to act as an inverter and convert electrical power from direct voltage to alternating voltage. For electrical power conversion, the power converter 16 has in particular a bridge circuit with semiconductor switches. By suitable control of the semiconductor switches, a conversion of alternating voltage on an AC side of the power converter 16 into direct voltage on a DC side of the power converter 16 and vice versa can take place. The control of the semiconductor switches of the power converter 16 can take place in particular by means of clocked control signals, which are generated for example by a control unit of the power converter 16 (not shown). The parameters required to generate the control signals of the semiconductor switches of the power converter 16 are determined by a higher-level control of a control unit 20 and transmitted to the power converter 16. The control unit 20 can be designed as a processor or microcontroller with appropriate memory equipment and data input and output options.

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 power converter 16 is connected on its AC side via an AC relay 14 to an AC network 12, for example an AC supply network, in particular a public AC voltage network. The power converter 16 can draw electrical power from the AC network 12 in the form of an actual AC current I_AC_ist. The power converter 16 can be operated in current-setting mode. In current-setting mode, the power converter 16 sets an actual direct current I_DC_ist on its DC side, which is set up to supply a DC device connected on the DC side with electrical power. In the example shown, the power converter 16 has an intermediate circuit ZWK on its DC side, which is designed, for example, as a capacitance in the form of a capacitor and can be arranged outside the power converter 16 as shown or is located inside a housing of the power converter 16 (not shown). An electrolyzer 22 is connected to the DC side of the power converter 16 via DC switch 18. By means of the actual direct current I_DC_act, the electrolyzer 22 can be supplied with electrical power from the AC network 12 via the power converter 16.

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 1 durch einen gepunkteten Pfeil I_DC_ist dargestellt, der einen Stromfluss vom Leistungswandler 16 über dessen Zwischenkreis ZWK und die geschlossenen DC-Schalter in den Elektrolyseur 22 symbolisiert. Der Leistungswandler 16 stellt dabei den Ist-Gleichstrom I_DC_ist gemäß eines Anforderungs-Sollstroms I_DC_soll_1 vom Elektrolyseur 22 ein. Im Normalbetrieb, d. h. bei geschlossenen DC-Schaltern 18 und einer Zwischenkreisspannung im Arbeitsbereich des Elektrolyseurs 22, entspricht dabei der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 weitgehend dem Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2. Der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 wird dabei von der Steuereinheit 20 an den Leistungswandler 16 geliefert. Gemäß des Anforderungs-Sollstroms I_DC_soll, den der Leistungswandler 16 von der Steuereinheit 20 erhält, wird dabei der Ist-Gleichstrom I_DC_ist auf der DC-Seite des Leistungswandlers 16 eingestellt.If the DC switches 18 are closed, the actual direct current I_DC_act provided by the power converter 16 can flow into the electrolyzer 22 and supply it with electrical power. This situation is in 1 represented by a dotted arrow I_DC_actual, which symbolizes a current flow from the power converter 16 via its intermediate circuit ZWK and the closed DC switches into the electrolyzer 22. The power converter 16 sets the actual direct current I_DC_actual according to a required target current I_DC_soll_1 from the electrolyzer 22. In normal operation, ie with closed DC switches 18 and an intermediate circuit voltage in the working range of the electrolyzer 22, the required target current I_DC_soll_1 largely corresponds to the set target current I_DC_soll_2. The set target current I_DC_soll_2 is supplied to the power converter 16 by the control unit 20. According to the required target current I_DC_soll, which the power converter 16 receives from the control unit 20, the actual direct current I_DC_ist is set on the DC side of the power converter 16.

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 1 durch einen gestrichelten Pfeil I_DC_ist dargestellt, der einen Stromfluss vom Leistungswandler 16 in dessen Zwischenkreis ZWK symbolisiert.An intermediate circuit voltage U_ZWK is dropped across the intermediate circuit ZWK of the power converter 16. This intermediate circuit voltage U_ZWK is measured and the measured value for the intermediate circuit voltage is transmitted from the power converter 16 to the control unit 20. If the DC switches 18 are opened, the actual direct current I_DC_ist provided by the power converter 16 cannot flow through the intermediate circuit ZWK into the electrolyzer 22. Instead, the current I_AC_ist set by the power converter 16 flows into the intermediate circuit ZWK and the intermediate circuit voltage U_ZWK increases as a result because the current cannot flow out of the intermediate circuit ZWK. This situation is in 1 represented by a dashed arrow I_DC_ist, the symbolizes a current flow from the power converter 16 into its intermediate circuit ZWK.

In 2 ist am Beispiel eines Blockschaltbildes die Regelung dargestellt, wie sie von der Steuereinheit 20 ausgeführt werden kann. Als Eingabewert erhält die Regelung den Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 vom Elektrolyseur 22. Zu dem Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 wird ein Korrekturwert I_DC_k addiert. Die Summe aus Anforderungs-Sollstrom die I_DC_soll_1 und Korrekturwert I_DC_k ergibt den Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2, welcher von der Regelung in der Steuereinheit 20 an den Leistungswandler 16 übermittelt wird.In 2 The control is shown using a block diagram as an example, as it can be carried out by the control unit 20. The control receives the required target current I_DC_soll_1 from the electrolyzer 22 as an input value. A correction value I_DC_k is added to the required target current I_DC_soll_1. The sum of the required target current I_DC_soll_1 and the correction value I_DC_k results in the set target current I_DC_soll_2, which is transmitted from the control in the control unit 20 to the power converter 16.

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 control unit 20 by using the intermediate circuit voltage U_ZWK. A threshold generator 24 uses the intermediate circuit voltages to output the lower threshold U_ZWK_min and the upper threshold U_ZWK_max of the intermediate circuit voltage U_ZWK. The lower threshold U_ZWK_min can correspond, for example, to an open circuit voltage of the electrolyzer 22, below which no or no significant electrolysis takes place in the electrolyzer 22. The upper threshold U_ZWK_max can correspond, for example, to an intermediate circuit voltage which is in the range of a maximum permissible voltage of the electrolyzer 22, wherein the operating point at which the electrolyzer 22 operates in nominal operation with nominal power is below the upper threshold U_ZWK_max.

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 electrolyzer 22. A first operating mode of the power converter 16 corresponds to such an operation with the described thresholds U_ZWK_min, U_ZWK_max, closed DC switches 18 and connected electrolyzer 22.

Im oberen Pfad von 2 bildet nun die Differenz aus oberer Schwelle U_ZWK_max und Zwischenkreisspannung U_ZWK ein Eingangssignal eines ersten PI-Reglers PI1. Der erste PI-Regler PI1 generiert durch Multiplikation der Differenz zwischen oberer Schwelle U_ZWK_max und Zwischenkreisspannung U_ZWK mit einem Proportionalitätsfaktor P und mit einem Integralfaktor I einen Korrektur-Zwischenwert u, welcher einem ersten Begrenzer B1 zugeführt wird. Der erste Begrenzer B1 generiert einen Ausgangs-Wert y. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung U_ZWK und der oberen Schwelle U_ZWK_max liegt der Ausgangswert y des Begrenzers zwischen 0 und dem 1,1-fachen des Nennstrom des Elektrolyseurs In. Dabei entspricht der Ausgangswert y dem Korrektur-Zwischenwert u, wenn der Korrektur-Zwischenwert u zwischen 0 und dem 1,1-fachen des Nennstrom des Elektrolyseurs In liegt. Wenn der Korrektur-Zwischenwert u jedoch kleiner als 0 ist, was insbesondere eintritt, wenn die Zwischenkreisspannung U_ZWK kleiner als die obere Schwelle U_ZWK_max ist, dann wird der Ausgangswert y auf null gesetzt und zudem als Rücksetzsignal an den PI-Regler PI1 zurückgegeben, um den Integralanteil des PI-Regler PI1 zurückzusetzen (sogenanntes Anti-Windup); in diesem Fall ist der obere Pfad der Regelung in 2 praktisch inaktiv, da die obere Schwelle U_ZWK_max gerade nicht überschritten ist. Wenn der Korrektur-Zwischenwert u jedoch das 1,1-fache des Nennstroms In übersteigt, also zum Beispiel wenn die Zwischenkreisspannung U_ZWK deutlich und anhaltend über der oberen Schwelle U_ZWK_max liegt, wird der Ausgangswert y auf das 1,1 fache des Nennstroms begrenzt. Der Korrekturwert I_DC_k kann also in diesem Beispiel bis zum 1,1-fachen des Nennstroms In erreichen und damit insbesondere größer sein als der Anforderungs-Sollstrom I_DC soll_1. Daraus kann dann ein Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 resultieren, der ein umgekehrtes Vorzeichen als der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 aufweist. Dies kann dann wiederum darin resultieren, dass sich die Stromflussrichtung im Leistungswandler 16 gegenüber dem Normalbetrieb mit angeschlossenem und normal arbeitendem Elektrolyseur 22 umdreht, so dass elektrische Energie von der DC-seite des Leistungswandlers 16, insbesondere aus dem Zwischenkreis ZWK entnommen und in das AC-Netz 12 eingespeist wird. In einem solchen Betriebsmodus agiert der Leistungswandler 16 dann als Wechselrichter und transferiert Energie aus dem Zwischenkreis ZWK in das AC-Netz 12, insbesondere wenn die Zwischenkreisspannung U_ZWK deutlich und anhaltend über der oberen Schwelle U_ZWK_max liegt.In the upper path of 2 the difference between the upper threshold U_ZWK_max and the intermediate circuit voltage U_ZWK now forms an input signal of a first PI controller PI1. The first PI controller PI1 generates an intermediate correction value u by multiplying the difference between the upper threshold U_ZWK_max and the intermediate circuit voltage U_ZWK by a proportionality factor P and an integral factor I, which is fed to a first limiter B1. The first limiter B1 generates an output value y. Depending on the difference between the intermediate circuit voltage U_ZWK and the upper threshold U_ZWK_max, the output value y of the limiter is between 0 and 1.1 times the rated current of the electrolyzer I n . The output value y corresponds to the intermediate correction value u if the intermediate correction value u is between 0 and 1.1 times the rated current of the electrolyzer I n . However, if the intermediate correction value u is less than 0, which occurs in particular if the intermediate circuit voltage U_ZWK is less than the upper threshold U_ZWK_max, then the output value y is set to zero and also returned as a reset signal to the PI controller PI1 in order to reset the integral component of the PI controller PI1 (so-called anti-windup); in this case, the upper path of the control is in 2 practically inactive, since the upper threshold U_ZWK_max has not just been exceeded. However, if the intermediate correction value u exceeds 1.1 times the nominal current I n , for example if the intermediate circuit voltage U_ZWK is significantly and continuously above the upper threshold U_ZWK_max, the output value y is limited to 1.1 times the nominal current. In this example, the correction value I_DC_k can therefore reach up to 1.1 times the nominal current I n and thus in particular be greater than the required target current I_DC target_1. This can then result in a set target current I_DC_target_2 that has an opposite sign to the required target current I_DC_target_1. This can then in turn result in the direction of current flow in the power converter 16 being reversed compared to normal operation with the electrolyzer 22 connected and operating normally, so that electrical energy is taken from the DC side of the power converter 16, in particular from the intermediate circuit ZWK, and fed into the AC network 12. In such an operating mode, the power converter 16 then acts as an inverter and transfers energy from the intermediate circuit ZWK into the AC network 12, in particular when the intermediate circuit voltage U_ZWK is significantly and persistently above the upper threshold U_ZWK_max.

Der untere Pfad der Regelung von 2 hängt zum einen von der unteren Schwelle U_ZWK_min und zum anderen von der Zwischenkreisspannung U_ZWK ab. Ein zweiter Pl-Regler PI2 generiert durch Multiplikation der Differenz zwischen unterer Schwelle U_ZWK_min und Zwischenkreisspannung U_ZWK mit einem Proportionalitätsfaktor P und mit einem Integralfaktor I einen zweiten Korrektur-Zwischenwert u, der einem zweiten Begrenzer B2 zugeführt wird. Als Ausgabewert generiert der zweite Begrenzer B2 einen zweiten Ausgangswert y, der zum Ausgabewert y des ersten Begrenzers B1 addiert wird. Der zweite Begrenzer wirkt dabei ebenfalls als Begrenzer in analoger Weise zum ersten Begrenzer B1, jedoch im Hinblick auf die untere Schwelle U_ZWK_min. Die Summe aus den Ausgabewerten y des oberen und des unteren Pfades der Regelung ergibt den Korrekturwert I_DC_k. In Abhängigkeit vom Wert der Zwischenkreisspannung U_ZWK und dem daraus generierten Ausgabewert des zweiten PI-Reglers PI2 nimmt im unteren Pfad von 2 der Ausgabewert des zweiten Begrenzers B2 einen Wert zwischen 0 und dem negativen 1,1-fachen des Nennstrom In des Elektrolyseurs 22 an. Ist die Zwischenkreisspannung U_ZWK zum Beispiel deutlich und anhaltend unterhalb der unteren Schwelle U_ZWK_min, so kann ein Stromwert als Ausgabewert generiert werden, der maximal das negative 1,1-fache des Nennstrom des Elektrolyseurs 22 beträgt. Der Wert kann dann als Korrekturwert I_DC_k zum Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 addiert werden und ergibt den Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 in analoger Weise wie im Hinblick auf den oberen Pfad beschrieben, Der Korrekturwert I_DC_k kann auch hier so groß werden, dass elektrische Energie aus dem Zwischenkreis ZWK entnommen werden wird und in das AC-Netz 12 eingespeist wird.The lower path of regulation of 2 depends on the one hand on the lower threshold U_ZWK_min and on the other hand on the intermediate circuit voltage U_ZWK. A second PI controller PI2 generates a second intermediate correction value u by multiplying the difference between the lower threshold U_ZWK_min and the intermediate circuit voltage U_ZWK by a proportionality factor P and an integral factor I, which is fed to a second limiter B2. As an output value, the second limiter B2 generates a second output value y, which is added to the output value y of the first limiter B1. The second limiter also acts as a limiter in a similar way to the first limiter B1, but with regard to the lower threshold U_ZWK_min. The sum of the output values y of the upper and lower paths of the control results in the correction value I_DC_k. Depending on the value of the intermediate circuit voltage U_ZWK and the resulting Output value of the second PI controller PI2 decreases in the lower path of 2 the output value of the second limiter B2 has a value between 0 and negative 1.1 times the nominal current I n of the electrolyzer 22. If, for example, the intermediate circuit voltage U_ZWK is significantly and persistently below the lower threshold U_ZWK_min, a current value can be generated as an output value that is a maximum of negative 1.1 times the nominal current of the electrolyzer 22. The value can then be added as a correction value I_DC_k to the required target current I_DC_soll_1 and results in the setting target current I_DC_soll_2 in a similar manner to that described with regard to the upper path. The correction value I_DC_k can also be so large here that electrical energy is taken from the intermediate circuit ZWK and fed into the AC network 12.

Werden in 1 die DC-Schalter 18 geöffnet, ohne dass die Regelung des Leistungswandlers 16 vorab daran angepasst wurde, so stellt der Leistungswandler 16 zunächst weiter den Ist-Gleichstrom I_DC_ist auf seiner DC-Seite an. Da die DC-Schalter 18 dann jedoch geöffnet sind, kann die elektrische Leistung jedoch nicht über den Zwischenkreis ZWK in den Elektrolyseur 22 fließen, sondern verbleibt im Zwischenkreis ZWK. Dies führt dazu, dass immer mehr elektrische Ladung im Zwischenkreis ZWK akkumuliert wird und sich dort eine zu hohe Zwischenkreisspannung U_ZWK aufbauen kann. Um dies abzuwenden, kann in Reaktion auf das Öffnen der DC-Schalter 18, insbesondere auf ein spontanes Öffnen ohne Vorankündigung, das insbesondere einen schnellen Anstieg der Zwischenkreisspannung verursacht, in einen zweiten Betriebsmodus gewechselt werden, in dem die obere Schwelle U_ZWK_max und/oder die untere Schwelle U_ZWK_min durch die Regelung der Steuereinheit 20 angepasst werden. Zur Anpassung der oberen Schwelle U_ZWK_max kann insbesondere die Zwischenkreisspannung U_ZWK und/oder der Korrekturwert I_DC_k berücksichtigt werden.Will be in 1 the DC switches 18 are opened without the control of the power converter 16 having been adapted to this in advance, the power converter 16 initially continues to provide the actual direct current I_DC_ist on its DC side. However, since the DC switches 18 are then open, the electrical power cannot flow via the intermediate circuit ZWK into the electrolyzer 22, but remains in the intermediate circuit ZWK. This leads to more and more electrical charge being accumulated in the intermediate circuit ZWK and an excessively high intermediate circuit voltage U_ZWK can build up there. To prevent this, in response to the opening of the DC switches 18, in particular to a spontaneous opening without prior notice, which in particular causes a rapid increase in the intermediate circuit voltage, a switch can be made to a second operating mode in which the upper threshold U_ZWK_max and/or the lower threshold U_ZWK_min are adapted by the control of the control unit 20. To adjust the upper threshold U_ZWK_max, the intermediate circuit voltage U_ZWK and/or the correction value I_DC_k can be taken into account.

In Bezug auf 3 wird ein Ausführungsbeispiel mit einer möglichen Anpassung der oberen Schwelle U_ZWK_max der Zwischenkreisspannung U_ZWK anhand eines Zeitverlaufs der relevanten Spannungen und Ströme erläutert. Auf einer zeitlichen Achse t sind in 3 im oberen Teil verschiedener Spannungen U aufgetragen und im unteren Teil von 3 sind über einer zeitlichen Achse t verschiedene Ströme I aufgetragen. Im oberen Teil von 3 sind die untere Schwelle U_ZWK_min als durchgezogene Linie sowie die obere Schwelle U_ZWK_max als gestrichelte Linie aufgetragen. Dargestellt ist ebenfalls die Zwischenkreisspannung U_ZWK.In relation to 3 An example of a possible adjustment of the upper threshold U_ZWK_max of the intermediate circuit voltage U_ZWK is explained using a time curve of the relevant voltages and currents. On a time axis t, 3 in the upper part of different voltages U and in the lower part of 3 Different currents I are plotted on a time axis t. In the upper part of 3 The lower threshold U_ZWK_min is shown as a solid line and the upper threshold U_ZWK_max is shown as a dashed line. The intermediate circuit voltage U_ZWK is also shown.

Steigt nun die Zwischenkreisspannung U_ZWK über eine Fehlerschwelle U_fehl, in 3 im oberen Teil gestrichelt dargestellt, so wird als Reaktion auf das Ansteigen der Zwischenkreisspannung U_ZWK über die Fehlerschwelle U_fehl die obere Schwelle U_ZWK_max auf die untere Schwelle U_ZWK_min abgesenkt. Typische Werte für die Fehlerschwelle U_fehl können in der Größenordnung von 1000 Volt liegen, während die untere Schwelle U_ZWK_min und die obere Schwelle U_ZKW_min beispielsweise bei 400 bzw. 900 Volt liegen können. Auslöser eines solchen Anstiegs der Zwischenkreisspannung U_ZWK über die Fehlerschwelle U_fehl kann beispielsweise ein Öffnen der DC-Schalter 18 zum Zeitpunkt t_0 sein, ohne dass die Regelung des Leistungswandlers 16 zuvor angepasst wurde. In der Folge steigt die Zwischenkreisspannung U_ZWK ab dem Fehlerzeitpunkt t_0 stark an und erreicht die Fehlerschwelle U_fehl. Daraufhin wird zum Zeitpunkt t_1 die obere Schwelle U_ZWK_max abgesenkt, so dass die obere Schwelle U_ZWK_max nur noch wenige Volt über der unteren Schwelle U_ZWK_min liegt. Der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 bleibt weiterhin auf dem vorherigen Wert, denn der Elektrolyseur 22 fordert weiterhin den Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 an, der zur Aufrechterhaltung der Elektrolyse im Elektrolyseur 22 mit der an sich gewünschten Leistung benötigt wird. Der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 von der Steuereinheit 20 an den Leistungswandler 16 sinkt jedoch, da die obere Schwelle U_ZWK_max abgesenkt wurde und somit eine große Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung U_ZWK und der abgesenkten oberen Schelle U_ZWK_max besteht, die wiederum über den PI-Regler PI1 einen hohen Korrektur-Zwischenwert u ergibt. Der Korrektur-Zwischenwert u wird durch den Begrenzer B1 begrenzt, in diesem Beispiel auf maximal das 1,1fache des Nennstroms des Leistungswandlers 16, und als Korrekturwert I_DC_k zum Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 addiert. Durch die Addition des Korrekturwertes I_DC_k zum Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 in der in Bezug auf 2 beschriebenen Regelung wird der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 absenkt. In der Folge sinkt auch der AC-Iststrom I_AC_ist, der die aus dem AC-Netz 12 bezogene Leistung darstellt. Wie zuvor beschrieben, kann der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 und damit auch der AC-Iststrom I_AC_ist negativ werden, so dass elektrische Leistung von der DC-Seite bzw. aus dem Zwischenkreis ZWK des Leistungswandlers 16 in das AC-Netz 12 transferiert wird. Durch diesen Transfer elektrischer Leistung aus dem Zwischenkreis ZWK an das AC-Netz 12 sinkt die Zwischenkreisspannung U_ZWK wieder ab, wie im oberen Teil von 3 dargestellt.If the intermediate circuit voltage U_ZWK rises above an error threshold U_fehl, 3 shown in dashed lines in the upper part, in response to the increase in the intermediate circuit voltage U_ZWK above the error threshold U_fehl, the upper threshold U_ZWK_max is lowered to the lower threshold U_ZWK_min. Typical values for the error threshold U_fehl can be in the order of magnitude of 1000 volts, while the lower threshold U_ZWK_min and the upper threshold U_ZKW_min can be, for example, 400 and 900 volts respectively. The trigger for such an increase in the intermediate circuit voltage U_ZWK above the error threshold U_fehl can be, for example, the opening of the DC switch 18 at time t_0 without the control of the power converter 16 having been adjusted beforehand. As a result, the intermediate circuit voltage U_ZWK increases sharply from the error time t_0 and reaches the error threshold U_fehl. Then, at time t_1, the upper threshold U_ZWK_max is lowered so that the upper threshold U_ZWK_max is only a few volts above the lower threshold U_ZWK_min. The required target current I_DC_soll_1 remains at the previous value because the electrolyzer 22 continues to request the required target current I_DC_soll_1, which is required to maintain the electrolysis in the electrolyzer 22 at the desired output. However, the set target current I_DC_soll_2 from the control unit 20 to the power converter 16 drops because the upper threshold U_ZWK_max has been lowered and thus there is a large difference between the intermediate circuit voltage U_ZWK and the lowered upper threshold U_ZWK_max, which in turn results in a high intermediate correction value u via the PI controller PI1. The intermediate correction value u is limited by the limiter B1, in this example to a maximum of 1.1 times the nominal current of the power converter 16, and is added as correction value I_DC_k to the required target current I_DC_soll_1. By adding the correction value I_DC_k to the required target current I_DC_soll_1 in the order in relation to 2 described control, the set target current I_DC_soll_2 is reduced. As a result, the AC actual current I_AC_ist, which represents the power drawn from the AC network 12, also decreases. As previously described, the set target current I_DC_soll_2 and thus also the AC actual current I_AC_ist can become negative, so that electrical power is transferred from the DC side or from the intermediate circuit ZWK of the power converter 16 to the AC network 12. Due to this transfer of electrical power from the intermediate circuit ZWK to the AC network 12, the intermediate circuit voltage U_ZWK decreases again, as shown in the upper part of 3 shown.

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 electrolyzer 22, then at time t_2 the second to the first Operating mode can be returned and the upper threshold U_ZWK_max can be raised back to its original value. This raising of the threshold is carried out, for example, by the threshold generator 24. If the electrolysis in the electrolyzer 22 is started again at a later point in time, the required target current IDC_soll_1 increases again and, with the DC switches 18 closed, electrical power from the AC network 12 can again be supplied to the electrolyzer 22 via the actual AC current I_AC_ist. The intermediate circuit voltage U_ZWK increases again accordingly and reaches a stable operating value at time t_3 with the required target current IDC_soll_1.

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

  • DE 102020112880 [0002]EN 102020112880 [0002]

Claims (16)

Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers (16), welcher eingerichtet ist, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und welcher einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis (ZWK) aufweist, wobei der Leistungswandler (16) einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einstellt und wobei in einem ersten Betriebsmodus eine Zwischenkreisspannung (U_ZWK) zwischen einer oberen Schwelle (U_ZWK_max) und einer unteren Schwelle (U_ZWK_min) gehalten wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen (U_ZWK_max, U_ZWK_min) so verändert wird, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle (U_ZWK_max, U_ZWK_min) gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert.Method for operating a power converter (16) 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 (ZWK) arranged on the DC voltage side, wherein the power converter (16) sets an actual direct current (I_DC_ist) and wherein in a first operating mode an intermediate circuit voltage (U_ZWK) is maintained between an upper threshold (U_ZWK_max) and a lower threshold (U_ZWK_min), and wherein in a second operating mode at least one of the thresholds (U_ZWK_max, U_ZWK_min) is changed such that the difference between the upper and lower thresholds (U_ZWK_max, U_ZWK_min) changes compared to the first operating mode. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen (U_ZWK_max, U_ZWK_min) so verändert wird, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle (U_ZWK_max, U_ZWK_min) gegenüber dem ersten Betriebsmodus verkleinert, insbesondere auf eine Differenz von null verkleinert.Procedure according to Claim 1 , wherein in the second operating mode at least one of the thresholds (U_ZWK_max, U_ZWK_min) is changed such that the difference between the upper and the lower threshold (U_ZWK_max, U_ZWK_min) is reduced compared to the first operating mode, in particular reduced to a difference of zero. Verfahren nach Anspruch 2, wobei im zweiten Betriebsmodus die obere Schwelle (U_ZWK_max) abgesenkt, insbesondere auf die untere Schwelle (U_ZWK_min) abgesenkt wird.Procedure according to Claim 2 , whereby in the second operating mode the upper threshold (U_ZWK_max) is lowered, in particular to the lower threshold (U_ZWK_min). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, wenn die Zwischenkreisspannung (U_ZWK) eine Fehlerschwelle (U_fehl) überschreitet.Method according to one of the preceding claims, wherein a transition from the first to the second operating mode occurs when the intermediate circuit voltage (U_ZWK) exceeds an error threshold (U_fehl). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein an der Gleichspannungsseite angeschlossener Elektrolyseur (22) im ersten Betriebsmodus mit dem Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) versorgt wird, wobei der Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) durch den Leistungswandler (16) aus einem AC-Iststrom (I_AC_ist) aus einem an der Wechselspannungsseite angeschlossenen AC-Netz (12) erzeugt wird, und wobei die Zwischenkreisspannung (U_ZWK) von dem Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) und einer Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs (22) abhängig geregelt wird, wenn der Elektrolyseur (22) durch den Leistungswandler (16) mit dem Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) versorgt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein an electrolyzer (22) connected to the direct voltage side is supplied with the actual direct current (I_DC_ist) in the first operating mode, wherein the actual direct current (I_DC_ist) is generated by the power converter (16) from an AC actual current (I_AC_ist) from an AC network (12) connected to the alternating voltage side, and wherein the intermediate circuit voltage (U_ZWK) is regulated as a function of the actual direct current (I_DC_ist) and an electrolysis characteristic curve of the electrolyzer (22) when the electrolyzer (22) is supplied with the actual direct current (I_DC_ist) by the power converter (16). Verfahren nach Anspruch 5, wobei die untere Schwelle einer Leerlaufspannung des Elektrolyseurs entspricht oder über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs liegt.Procedure according to Claim 5 , where the lower threshold corresponds to or is above the open circuit voltage of the electrolyzer. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Leistungswandler (16) im ersten Betriebsmodus den Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) gemäß eines Einstell-Sollstroms (I_DC_soll_2) einstellt, wobei der Einstell-Sollstrom (I_DC_soll_2) unter Verwendung eines Anforderungs-Sollstroms (I_DC_soll_1) ermittelt wird, wobei der Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) vom Elektrolyseur (22) vorgegeben wird.Procedure according to Claim 5 or 6 , wherein the power converter (16) in the first operating mode sets the actual direct current (I_DC_actual) according to a setting target current (I_DC_setpoint_2), wherein the setting target current (I_DC_setpoint_2) is determined using a request target current (I_DC_setpoint_1), wherein the request target current (I_DC_setpoint_1) is specified by the electrolyzer (22). Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Einstell-Sollstrom (I_DC_soll_2) aus dem Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) unter Verwendung eines Korrekturwertes (I_DC_k) ermittelt wird.Procedure according to Claim 7 , whereby the setting target current (I_DC_soll_2) is determined from the request target current (I_DC_soll_1) using a correction value (I_DC_k). Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Korrekturwert (I_DC_k) in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung (U_ZWK), der oberen Schwelle (U_ZWK_max) und/oder der unteren Schwelle (U_ZWK_min) ermittelt wird, wobei der Korrekturwert (I_DC_k) durch eine Regelung ermittelt wird, welche zum Ziel hat, die Zwischenkreisspannung (U_ZWK) im ersten Betriebsmodus bei angeschlossenem Elektrolyseur (22) und im zweiten Betriebsmodus zwischen den jeweils gültigen oberen und unteren Schwellen (U_ZWK_max, U_ZWK_min) zu halten.Procedure according to Claim 8 , wherein the correction value (I_DC_k) is determined as a function of the intermediate circuit voltage (U_ZWK), the upper threshold (U_ZWK_max) and/or the lower threshold (U_ZWK_min), wherein the correction value (I_DC_k) is determined by a control which aims to keep the intermediate circuit voltage (U_ZWK) in the first operating mode with the electrolyzer (22) connected and in the second operating mode between the respectively valid upper and lower thresholds (U_ZWK_max, U_ZWK_min). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Korrekturwert (I_DC_k) im zweiten Betriebsmodus zeitweise größer als der Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) ist und ein Einstell-Sollstrom (I_DC_soll_2) mit einem gegenüber dem Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) umgekehrten Vorzeichen resultiert, so dass der Leistungswandler (16) einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einstellt, der elektrische Leistung aus dem Zwischenkreis (ZWK) in das AC-Netz (12) transferiert.Procedure according to Claim 8 or 9 , wherein the correction value (I_DC_k) in the second operating mode is temporarily greater than the required target current (I_DC_soll_1) and a set target current (I_DC_soll_2) with a sign opposite to the required target current (I_DC_soll_1) results, so that the power converter (16) sets an actual direct current (I_DC_ist) which transfers electrical power from the intermediate circuit (ZWK) to the AC network (12). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Korrekturwert (I_DC_k) erfolgt, wobei der Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus insbesondere ein Überschreiten eines Grenzwertes für den Korrekturwert (I_DC_k) voraussetzt.Method according to one of the Claims 8 until 10 , wherein the transition from the first to the second operating mode takes place as a function of the correction value (I_DC_k), wherein the transition from the first to the second operating mode requires in particular that a limit value for the correction value (I_DC_k) is exceeded. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) erfolgt, wobei der Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus insbesondere erfolgt, wenn der Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) gleich null ist.Method according to one of the Claims 7 until 11 , wherein the transition from the second to the first operating mode takes place as a function of the required target current (I_DC_soll_1), wherein the transition from the second to the first operating mode takes place in particular when the required target current (I_DC_soll_1) is equal to zero. Steuereinheit (20) zum Betrieb eines Leistungswandlers (16), welcher eingerichtet ist, elektrische Leistung zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und welcher einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis (ZWK) aufweist, wobei der Leistungswandler (16) in stromstellendem Betrieb einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einstellt, wobei die Steuereinheit (20) ausgelegt und eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Control unit (20) for operating a power converter (16) which is designed to transmit electrical power between an AC voltage side and a DC voltage side, and which has a DC voltage voltage side, wherein the power converter (16) sets an actual direct current (I_DC_ist) in current-setting operation, wherein the control unit (20) is designed and arranged to carry out a method according to one of the preceding claims. Elektrolyseanlage (10) aufweisend eine Steuereinheit (20) nach Anspruch 13, einen Elektrolyseur (22) und einen Leistungswandler (16), wobei der Elektrolyseur (22) über DC-Schalter (18) mit dem Leistungswandler (16) verbindbar ist, wobei der Leistungswandler (16) eingerichtet ist, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und wobei der Leistungswandler (16) einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis (ZWK) aufweist, wobei der Leistungswandler (16) ausgelegt und eingerichtet ist, in stromstellendem Betrieb einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einzustellen und den Elektrolyseur (22) bei geschlossenen DC-Schaltern (18) aus einem AC-Netz (12) mit elektrischer Energie zu versorgen.Electrolysis plant (10) comprising a control unit (20) according to Claim 13 , an electrolyzer (22) and a power converter (16), wherein the electrolyzer (22) can be connected to the power converter (16) via DC switches (18), wherein the power converter (16) is designed to transmit electrical power in current-setting operation between an AC voltage side and a DC voltage side, and wherein the power converter (16) has a DC voltage intermediate circuit (ZWK) arranged on the DC voltage side, wherein the power converter (16) is designed and set up to set an actual direct current (I_DC_actual) in current-setting operation and to supply the electrolyzer (22) with electrical energy from an AC network (12) when the DC switches (18) are closed. Elektrolyseanlage (10) nach Anspruch 14, wobei Steuereinheit (20) eingerichtet ist, eine Zwischenkreisspannung (U_ZWK) zwischen einer oberen Schwelle (U_ZWK_max) und einer unteren Schwelle (U_ZWK_min) zu halten, wobei die untere Schwelle (U_ZWK_min) einer Leerlaufspannung des Elektrolyseurs (22) entspricht oder über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs (22) liegt.Electrolysis plant (10) according to Claim 14 , wherein the control unit (20) is configured to maintain an intermediate circuit voltage (U_ZWK) between an upper threshold (U_ZWK_max) and a lower threshold (U_ZWK_min), wherein the lower threshold (U_ZWK_min) corresponds to an open circuit voltage of the electrolyzer (22) or is above the open circuit voltage of the electrolyzer (22). Elektrolyseanlage (10) nach Anspruch 15, wobei die DC-Schalter (18) in dem zweiten Betriebsmodus geöffnet sind.Electrolysis plant (10) according to Claim 15 , wherein the DC switches (18) are open in the second operating mode.
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