EP3903396A1 - Elektrolysevorrichtung mit einem umrichter und verfahren zur bereitstellung von momentanreserveleistung für ein wechselspannungsnetz - Google Patents

Elektrolysevorrichtung mit einem umrichter und verfahren zur bereitstellung von momentanreserveleistung für ein wechselspannungsnetz

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Publication number
EP3903396A1
EP3903396A1 EP19816599.5A EP19816599A EP3903396A1 EP 3903396 A1 EP3903396 A1 EP 3903396A1 EP 19816599 A EP19816599 A EP 19816599A EP 3903396 A1 EP3903396 A1 EP 3903396A1
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EP
European Patent Office
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voltage
power
converter
electrolyzer
network
Prior art date
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Pending
Application number
EP19816599.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Falk
Christian Hardt
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SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • Y04S20/20—End-user application control systems
    • Y04S20/222—Demand response systems, e.g. load shedding, peak shaving

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis device with a converter, a method for operating an electrolysis device with a converter and a method for providing instantaneous reserve power for an AC voltage network.
  • deviations in the network frequency from a nominal frequency of the AC voltage network can occur due to an imbalance between the fed-in and the extracted electrical power.
  • This imbalance and thus the frequency deviation can be counteracted by devices that feed electrical power into the AC network and / or can take from the AC network vary the power that they feed or withdraw.
  • the power fed in can be reduced or the power drawn can be increased, while at frequencies which are below the nominal frequency, the power fed in can be increased or the power drawn off reduced.
  • control power The respective change in performance in direct or indirect response to a frequency deviation is referred to as control power.
  • control power In some AC networks, particularly in the European interconnection network, the provision of this control power is organized in stages that build on one another in time.
  • the first control stage the so-called instantaneous control, is ensured by devices that change their output in direct and immediate reaction to a change in frequency.
  • the so-called primary control which comes into play when the frequency deviation persists, devices are used which selectively adjust their output based on a characteristic curve as a function of the deviation of the mains frequency from the nominal frequency.
  • the so-called secondary control an expected or foreseeable power imbalance in the AC network is counteracted in a planned manner by devices being instructed by a higher-level control device to change their electrical power appropriately.
  • Devices are known from the prior art which exchange electrical power between the AC voltage network and a DC unit operating with direct current.
  • the DC unit can comprise an energy generator, for example a photovoltaic generator, the power of which is converted in an inverter and fed into the AC voltage network.
  • DE102005046919A1 discloses a method for the temporary storage of electrical wind energy generated from wind power by means of an electrolysis device, so that the wind power plant can provide control power.
  • EP2705175A1 discloses an energy management system comprising an electrolysis system with which control power can be provided.
  • the converters of such devices generally work in a current-impressing manner by converting a setpoint for the DC power into a corresponding setpoint for the AC current and feeding this AC current into the AC voltage network.
  • the DC unit can also include a DC load, e.g. an ohmic resistor, a machine or an electrochemical system that is operated by means of a current-impressing converter that takes AC power from the AC network and makes it available to the DC load as DC power.
  • This current-impressing converter is also given a setpoint for the DC power, which is transformed in a controller into a setpoint for an AC current to be drawn from the AC voltage network, so that the AC power is a function of the DC power.
  • Inverters of this type can in particular be designed as thyristor rectifiers or self-commutated IGBT inverters which synchronize themselves with the AC voltage network on the basis of a frequency measurement.
  • this frequency measurement must first settle to the new frequency before the setpoint for the DC power and subsequently the AC power are adjusted to the new position.
  • a current-impressing converter cannot react immediately to a frequency change in the AC network. Because of this delayed reaction, DC loads which are connected to the AC voltage network via such a conventionally impressively operated converter are not suitable for providing instantaneous control power or instantaneous reserve.
  • DE1020161 15182A1 discloses a method for providing instantaneous reserve in an AC voltage network, in which the power of a current-impressing converter is set to an instantaneous reserve setpoint by means of a current regulator.
  • the setpoint is generated from a phase error signal of a PLL control loop that uses the AC voltages of the AC network as input variables.
  • a current-impressing converter proves to be advantageous here compared to a voltage-impressing converter, in particular in the case of photovoltaic generators as energy sources.
  • a method for operating a converter is known, in which semiconductor switches are controlled either selectively or in combination by means of a voltage impressing and / or a current impressing modulation.
  • the properties of the various types of modulation which are described in detail in EP2182626A1 and which result in voltage-impressing or current-impressing behavior of the converter, are to be advantageously combined with one another.
  • Devices which are used for the instantaneous control in the context of the first of the control stages mentioned at the beginning include, in particular, so-called synchronous generators which feed power into the network, or synchronous machines which take power from the network.
  • Such synchronous generators and synchronous machines generally comprise rotating masses that have an inherent inertia.
  • Synchronous machines and synchronous generators contribute to the stabilization of the network frequency by their electrical behavior, which is well known to the person skilled in the art, because their electrical power depends on the phase difference between the AC voltage of the AC network and the rotational frequency of the rotating mass due to the inherent inertia. In other words, due to its inertial inertia, a synchronous generator or a synchronous machine can react immediately to frequency changes and also counteract them directly.
  • a synchronous generator can only be simulated with a device on the DC voltage side, which is connected directly to the network via a voltage-impressing converter.
  • a device on the DC voltage side which is connected directly to the network via a voltage-impressing converter.
  • Such an inverter in which the switching commands for power semiconductor switches are derived from an AC setpoint for the input AC voltage of the inverter, responds immediately, ie without control delays, to a change in the mains frequency. Therefore, the device on the DC voltage side must also be able to absorb or deliver energy directly and be connected directly to an intermediate circuit of the converter for this purpose.
  • Such a device on the DC voltage side comprises, for example, a battery which is connected to the network via a voltage-setting converter and can directly absorb or emit energy.
  • the device comprises a converter in which the power exchanged with the AC voltage network can be set as a function of an active power frequency statics.
  • the converter has a so-called synchronous machine emulator, by means of which the converter maps the dynamic behavior of a synchronous machine.
  • network frequency support is to take place in the transient and / or subtransient time range, the reaction of the device to a network frequency change being able to take place differently, ie the change in power is greater the higher the rate of change of the network frequency over time.
  • Ohmic resistors or machines are used as consumers, possibly in combination with a memory for thermal, mechanical or chemical energy. As a result, part of the performance of the consumers or part of the energy stored or storable in an energy store is available for network support.
  • a synchronous machine emulation for example, from DE102006047792A1, in which a so-called virtual synchronous machine (VISMA) is used for network support, the behavior of a synchronous machine being approximated by constant solution of differential equations, and from EP3376627A1, in which a voltage-impressing converter (voltage Source Inverter (VSI) is described, the control of which comprises a structure for generating a virtual inertia, so that the converter mimics the behavior of a synchronous generator.
  • VISMA virtual synchronous machine
  • VSI voltage Source Inverter
  • a so-called droop mode control for an inverter is known from EP1286444B1, the inverter being operated on the basis of a frequency statics f (P) and a voltage statics U (Q), so that the inverter responds directly to frequency changes in the AC voltage network with a change in the Active power reacts and is therefore suitable for parallel operation with other inverters and in particular for setting up an island grid.
  • EP2894722B1 discloses an arrangement for supplying an electrolyser with direct current, in which semiconductor components of a rectifier, in particular its thyristors, are divided into two groups, one of the groups being arranged directly on one of the two direct current connections of the electrolyzer.
  • the rectifier can be connected to a medium-voltage network via at least one transformer, and the output power of the rectifier can be set in a range between 20% and 50% of the maximum output power of the rectifier by means of a control of the thyristors.
  • the invention has for its object to provide a method for operating an electrolysis device connected to an AC network and an electrolysis device with which an electrolyser can be operated and at the same time reserve power can be made available for stabilizing the network frequency of the AC network.
  • a method for operating an electrolysis device with a converter that is connected to an AC voltage network via a decoupling inductor and draws AC active power from the AC network, and an electrolyser that is connected to the converter on the DC voltage side and at a network frequency that corresponds to a nominal frequency of Corresponds to the AC voltage network and is constant over time is operated with an electrical power which is between 50% and 100% of a nominal power of the electrolyzer, the converter being operated in a voltage-impressing manner, so that the AC active power taken from the AC voltage network is immediately dependent on a change and / or a change rate of the network frequency in the AC network is changed.
  • the method according to the invention is particularly distinguished from conventional methods for operating an electrolysis device in that the converter is operated in a voltage-impressing manner.
  • a setpoint for the input-side alternating voltage of the converter is specified in the control of the converter and the converter behaves in such a way that this setpoint voltage is achieved as far as possible, in particular regardless of the current then flowing.
  • voltage-impressing operation of the converter includes that the AC current drawn from the AC network depends on the network frequency in such a way that a change in the network frequency leads to an immediate change in the power drawn from the AC network, in particular regardless of which sink on the AC network is opposite End of the converter is connected.
  • the change in power can in particular be proportional to a change rate of the network frequency.
  • the immediate reactions to changes in the grid frequency in the form of changes in the active AC power drawn from the AC grid can be passed on to an electrolyser, although the electrolyser is not in a position to make a correspondingly rapid change in the converted power. Nevertheless, a change in the AC active power can be passed on directly to the electrolyzer via the converter, for example by means of a corresponding change in the DC voltage applied to the electrolyzer by the converter.
  • the change in the DC voltage leads to a change in the power consumed by the electrolyzer via a voltage-current characteristic curve of the electrolyzer.
  • the electrolyzer is switched on before the change, i.e. operate at a constant mains frequency between 50% and 100% of its nominal power, the nominal power of the electrolyzer being below a maximum power of the electrolyzer and in particular corresponding to the power with the maximum efficiency of the electrolyzer.
  • the DC power of the electrolyzer can thus be reduced or increased, which leads to a change in the metabolism in the electrolyzer. Due to its design, an electrolyser can withstand the short-term effects of a change in the DC power. Process or reduce sales only permanently if further measures for the operation of the electrolyzer take place, for example a change in the delivery rate of pumps for electrolyte circulation or the removal of produced gases. However, these further measures have a comparatively high inertia, so that stabilization of the operation of the electrolyzer is possible only after a sudden change in the applied voltage.
  • the voltage-impressing operation of the converter is characterized by the fact that the change in the active power drawn from the AC network essentially depends on the change and / or the rate of change in the network frequency, so that the active power returns to an initial value as soon as there is no change in the network frequency. especially if the rate of change is zero. As a result, the metabolism in the electrolyzer returns to the corresponding initial value as soon as the mains frequency has stabilized again.
  • the electrolysis device therefore only provides instantaneous reserve power for a comparatively short period of time, so that the inertia of the material conversions in the electrolyzer, which makes it necessary to start up pumps and fans, does not yet play a role.
  • the increase or decrease in turnover that takes place during the change in the mains frequency can therefore be buffered in the electrolyzer, for example by tolerating a short-term overpressure or underpressure in the electrolyzer and then reduced again by subsequent measures in the operation of the electrolyzer after the mains frequency has decreased has stabilized.
  • the invention is therefore based on the knowledge that a DC load connected to a voltage-setting converter does not necessarily have to be able to change the AC power obtained from the AC voltage grid just as quickly into a change in the DC power used for the intended purpose. Implement performance. Rather, it is sufficient if the DC load can process the changed DC power at least temporarily and can buffer it internally if necessary.
  • an electrolyzer proves to be a particularly advantageous DC load, since on the one hand an electrolyzer can be prompted to change the DC power, for example by the converter changing the DC voltage on the electrolyzer, and on the other hand said buffering inherently takes place in an electrolyzer , so that the inertia of the electrolyser, which is also inherent, does not prevent at least a short-term change in the DC power.
  • the voltage-impressing behavior of the electrolysis device can thus be achieved according to the invention, although neither an ohmic consumer, nor an energy source or an energy store is connected to the converter.
  • the converter can provide an instantaneous reserve power.
  • a control structure can be used that simulates the behavior of a synchronous machine with respect to frequency changes. This behavior stabilizes the grid frequency in a way comparable to conventional power plants.
  • a droop mode control mentioned at the outset which comprises a frequency-power characteristic curve, can be used.
  • Such a control system is also able to stabilize the grid frequency and can additionally include a voltage-reactive power characteristic, by means of which, in addition to the grid frequency, the grid voltage can also be stabilized and, if necessary, an island grid can be built or stabilized, into which further power generation units can be built can be involved.
  • the change in the AC active power drawn from the AC voltage network leads to a change in the DC voltage at the electrolyzer, the change in the DC voltage at the electrolyzer resulting in a change in a DC power consumed by the electrolyzer corresponding to the change in the AC active power.
  • the change in the AC active power taken from the AC voltage network can be passed on to the electrolyzer directly as a change in the DC power consumed by the electrolyzer.
  • a voltage translation between the electrolyzer and the converter can be generated by means of a first direct voltage converter (DC / D converter).
  • DC / D converter direct voltage converter
  • the converter can exchange electrical power with a PV generator connected on the DC voltage side, the PV generator being connected to a DC voltage intermediate circuit in parallel with the electrolyser.
  • An electrical power generated by the PV generator is optionally fed into the electrolyzer or into the AC network.
  • the electrolyzer can be supplied inexpensively with regeneratively generated electrical power that would otherwise have to be obtained from the AC network.
  • the converter can exchange electrical power with a battery connected on the DC voltage side, the battery is connected to the DC link via a second DC / DC converter parallel to the electrolyser.
  • the battery makes it possible to temporarily store electrical power and can decouple the power consumption from the network from the electrolyzer power.
  • the DC / DC converter can be used to stabilize the voltage of the DC voltage intermediate circuit.
  • regulation of the DC / DC converter can include a precontrol, with the precontrol being used to set a DC current setpoint of the DC / DC converter as a function of a phase difference between the mains voltage and the AC voltage at the input of the converter.
  • the phase difference can be processed in a d-q coordinate system and is proportional to the power drawn from the network. This causes the DC / DC converter to change its power as soon as the phase difference changes and not only in response to a change in the voltage in the DC link.
  • the precontrol is used to modify the DC current setpoint of the DC / DC converter immediately as a function of a change in the mains frequency.
  • the regulation of the DC / DC converter is thus designed in such a way that the DC / DC converter immediately stabilizes the DC link when the mains frequency changes.
  • the DC / DC converter With rapid changes in the network frequency, i.e. With high rates of change in the mains frequency, which result in correspondingly large phase differences and thus particularly large changes in the AC power, the DC / DC converter must supply or take away energy quickly in order to prevent the DC link voltage from sagging or becoming excessive.
  • the DC current setpoint for the DC / DC converter is precontrolled by the phase phi between the mains voltage and the converter voltage, thus increasing the dynamics of the control.
  • the voltage at the DC link can be stabilized by the first DC / DC converter and the electrolyser connected to it and / or, if necessary, by the second DC / DC converter and the battery connected to it.
  • the phase difference can act directly or via an appropriate filter on the clocking of the DC / DC converter.
  • An electrolysis device with an electrolyzer which is connected to a converter and, via the converter, electrical AC active power from one Is removed from the AC voltage network, is characterized in that the converter is set up to operate in a voltage-impressing manner, so that a change in the network frequency in the AC network causes an immediate change in the AC active power drawn from the AC network.
  • This invention is based on the knowledge that the direct reactions of the converter associated with the voltage-impressing operation to changes in the grid frequency in the form of changes in the AC active power taken from the AC voltage grid can be passed on directly to an electrolyzer.
  • the electrolyser is not in a position to permanently make a correspondingly rapid change in the implemented power, it can be prompted to change the DC power directly, for example by the converter changing the DC voltage on the electrolyzer, and secondly a short-term one Buffer the deviation between an externally impressed power and a static DC power setpoint.
  • the electrolysis device can comprise a first direct voltage converter (DC / DC converter), which is arranged between the electrolyzer and the converter.
  • DC / DC converter direct voltage converter
  • the setting range of the voltage on the electrolyzer can be expanded compared to the voltage range that can be set by the converter on the DC voltage side, so that the power consumption of the electrolyzer can also be set over a further range.
  • the electrolysis device can comprise a photovoltaic generator which is connected on the DC voltage side parallel to the electrolyser to a DC voltage intermediate circuit of the electrolysis device.
  • the photovoltaic generator By means of the photovoltaic generator, the electrolyser can be supplied inexpensively with regeneratively generated electrical power that would otherwise have to be obtained from the AC voltage network.
  • the electrolysis device can comprise a battery which is connected on the DC voltage side to the DC voltage intermediate circuit of the electrolysis device via a second DC / DC converter parallel to the electrolyzer.
  • the battery makes it possible to temporarily store electrical power and can decouple the power consumption from the network from the electrolyzer power.
  • a converter which takes electrical AC power from the AC voltage network and supplies an electrolyser with electrical DC power
  • the converter is operated in a voltage-impressing manner, so that a change in the network frequency in the AC voltage network results in an immediate change of the AC active power drawn from the AC network.
  • An electrolyzer proves to be advantageous DC load for the voltage-impressing converter, since on the one hand an electrolyzer can be prompted to change the DC power, for example by changing the DC voltage on the electrolyzer, and on the other hand there is buffering of electrical energy in the electrolyzer so that the electrolyzer despite its inherent inertia, a short-term change in the DC power is well tolerated and thus supports short-term changes in the AC active power to support the grid frequency as part of the instantaneous control.
  • the power taken from the AC voltage network and supplied to the electrolyzer can correspond to between 50% and 100% of a nominal power of the electrolyzer.
  • the electrolyzer has a maximum output that is above the nominal line, the nominal output being able to correspond in particular to an operating point which is characterized by a maximum efficiency of the electrolyzer.
  • the electrolyzer can therefore take up a DC power that is above the nominal power, especially if the electrolyzer is only operated for a short time at this operating point.
  • the converter can exchange electrical power with a battery connected on the DC voltage side if a change in the mains frequency causes a change in the AC power and the DC power supplied to the electrolyzer would lie outside an operating range of the electrolyzer.
  • the operating range can be limited by a lower input power between 10% and 20% of the nominal power and an upper maximum power between 1 10% and 120% of the nominal power of the electrolyzer.
  • the battery can be connected via a DC / DC converter in parallel to the electrolyser to a DC link of the converter.
  • the converter can exchange electrical power with a photovoltaic generator connected on the DC voltage side.
  • the PV generator can be operated at a working point of maximum power and the electrolyzer with nominal power.
  • the power of the PV generator is reduced if there is a change in the grid frequency, which causes the converter to reduce the AC power currently being fed in or to increase the AC power currently being drawn. If, however, a change in the grid frequency occurs, the converter leads to an increase in a current feed-in or a reduction in a current drawn AC power causes the DC power of the electrolyzer to be reduced. This means that the instantaneous reserve is available in both directions at all times.
  • FIG. 1 shows an electrolysis device according to the invention with a converter and an electrolyzer
  • FIG. 2 shows a device with a converter and a plurality of DC loads
  • Fig. 3 shows a further electrolysis device with a converter, a DC voltage converter and an electrolyzer
  • FIG. 4 shows an electrolysis device according to FIG. 3 with a control device
  • FIG. 5 shows an electrolysis device according to FIG. 3 or 4 with a PV generator
  • FIG. 6 shows a method for operating a device according to FIG. 3, 4 or 5;
  • FIG. 7 schematically shows the electrical powers in a device which is operated using a method according to FIG. 6;
  • FIG. 8 shows a further electrolysis device with a converter, an electrolyzer, a DC voltage converter and an energy store
  • FIG. 9 shows an electrolysis device according to FIG. 8 with a further DC voltage converter and a PV generator.
  • the converter 12 is connected to an AC voltage network 15 via an AC-side input 12a, a decoupling inductor 13, preferably a choke, and a network connection point 14 and takes electrical power from the AC network 15 Power.
  • the electrolyzer 11 is connected to a DC-side output 12b of the converter 12 and is supplied with electrical power by the converter 12.
  • the converter 12 can have a DC voltage intermediate circuit and is preferably of three-phase design, so that the converter 12 can be connected to a three-phase AC voltage network 15 in order to draw three-phase electrical AC power from the AC voltage network 15.
  • the converter 12 can in particular as self-guided transistor converter can be executed, the transistors of such a converter 12 may consist of IGBTs and / or MOSFETs.
  • the electrolyzer 11 essentially represents a DC load and is supplied with DC power by the converter 12.
  • the DC power consumed by the electrolyzer 11 depends on a current-voltage characteristic curve from the voltage present at the electrolyzer 11, which corresponds here to the voltage at the output 12b of the converter 12.
  • the current-voltage characteristic curve can have different threshold voltages and gradients, with a monotonous relationship between current and voltage generally occurring in an allowable input voltage range for the electrolyzer 11, so that the one recorded by the electrolyzer 11 The higher the applied voltage, the higher the DC power.
  • the electrolyzer 11 has a nominal power at which the electrolyzer 11 can be operated with optimum efficiency.
  • the nominal power is made up of a nominal voltage, which is within the permissible input voltage range of the electrolyser 1 1, and an associated nominal current. In principle, input voltages above the nominal voltage are also permissible and lead to a higher power consumption, the overall efficiency of the electrolyser 1 1 falling above the nominal power, for example due to the increased power requirement for auxiliary units such as pumps and the like.
  • the converter 12 supplies the electrolyser 11 with a DC power which can be set by the converter 12 as a function of the change in the current mains frequency of the AC network 15, in particular by the voltage at the output 12b of the converter 12 and thus the input voltage of the electrolyzer 1 1 is set by the converter 12 as a function of the change in the current network frequency of the AC network 15.
  • the converter 12 is operated in such a way that the electrolyser 11 is supplied with a DC power which is equal to or less than the nominal power of the electrolyzer 11.
  • the DC power can preferably be set to a value between 50% and 100% of the nominal power of the electrolyzer at a constant mains frequency.
  • the converter 12 has semiconductor switches, not shown, which are arranged in a bridge circuit and are controlled by a control unit, not shown, in such a way that a flow of electrical power from the AC voltage network 15 via the converter 12 to the electrolyzer 11 is established.
  • An alternating voltage can be applied to the line-side input 12a of the converter 12 by suitable timing of the semiconductor switches are regulated such that a phase difference is formed between the mains voltage in the AC network 15 and the AC voltage at the input 12a of the converter 12 via the decoupling inductor 13.
  • a desired electrical AC active power can be set by specifying a setpoint for the phase difference.
  • the desired electrical AC active power results from a setpoint value of the electrical DC power to be output by the converter 12 on the DC voltage side and to be supplied to the electrolyzer.
  • This DC current setpoint is transformed in the control unit of the converter 12 into the corresponding setpoint for the phase difference between the mains voltage and the AC voltage on the input side at the converter 12, so that the setpoint for the phase angle is a function of the desired DC load current.
  • the active electrical AC power which is drawn from the AC voltage network 15 by the converter 12 is approximately proportional to the phase difference which arises, provided that the phase difference is small compared to p.
  • the phase difference between the mains voltage and the alternating voltage at the input 12a of the converter 12 is regulated to the desired value by the converter 12 itself, the actual active AC power depending on which phase difference actually exists.
  • a change in the grid frequency which inevitably causes a change in the phase difference, leads directly to a largely proportional change in the active electrical AC power drawn from the AC network 15.
  • a frequency change in the AC network 15 thus correlates with a change in the phase angle, so that the AC active power drawn also changes immediately when the network frequency changes.
  • the converter 12 behaves in a voltage-impressing manner in that the active AC power that is drawn from the AC network 15 is immediately reduced when the frequency is reduced and is increased immediately when the frequency is increased.
  • FIG. 2 shows a device 20 with a plurality of DC loads 21, 22, 23 and a converter 12.
  • the converter 12 is connected on the input side via a network connection point 14 to an AC voltage network 15 and takes electrical power from the AC voltage network 15.
  • the DC loads 21, 22, 23 are each connected to the DC link 16 via one of the switches 21a, 22a, 23a and are supplied with electrical power by the converter 12.
  • Both DC electrolysers 11 and ohmic loads, in particular heating resistors or other resistors which are used, for example, for surface finishing or metal processing, can be used here as DC loads 21, 22, 23.
  • the DC loads 21, 22, 23 can each be connected to the converter 12 or separated from the converter 12 via the switches 21 a, 22a, 23a.
  • the total DC power flowing at a given voltage at the DC link 16 of the converter 12 can be adjusted by supplying only a portion of the DC loads 21, 22, 23, with the switches 21a, 22a, 23a being controlled appropriately the specific part of loads 21, 22, 23 to be supplied is selected.
  • Fig. 3 shows an electrolysis device 10 with an electrolyser 1 1 and a converter 12 corresponding to FIG. 1, wherein a DC voltage converter or DC / DC converter 32 is additionally arranged between the electrolyser 11 and converter 12, which has a voltage translation between the voltage on the DC voltage side Output 12b of the converter 12 or on the DC link 16 and the voltage at the electrolyser 1 1 enables.
  • the DC / DC converter 32 can be designed, for example, as a step-up converter, as a step-down converter or as a step-down converter and / or can be set up for a bidirectional power flow.
  • Such DC / DC converters 32 are known to the person skilled in the art in various embodiments, which mainly comprise clocked semiconductor switches for setting the voltage translation.
  • the DC / DC converter 32 can be designed as a buck converter for a unidirectional power flow from the converter 12 to the electrolyser 11, which converts the voltage of the DC link 16 into a relatively lower voltage at the electrolyser 11, the transmission ratio being adjustable, for example, by means of a duty cycle is.
  • a control device 41 generates control signals for the converter 12 and the DC / DC converter 32, which in particular predefine the control of the semiconductor switches of the converter 12 and the DC / DC converter 32.
  • the control signals can be specified by the control device 41 as a function of a target value for an electrical DC power, an actual value of the DC power being able to be determined, for example, on the basis of a current and voltage measurement, in particular between the DC / DC converter 32 and the electrolyzer 11 can be arranged.
  • the control device 41 determines a suitable duty cycle with which the DC / DC converter 32 has to be operated in order to set a suitable voltage on the electrolyzer 11 so that the electrolyzer 11 consumes the desired DC power.
  • the DC / DC converter 32 makes it possible, in contrast to the embodiment according to FIG. 1, to apply a significantly lower voltage than the rectified mains voltage to the electrolyzer 11 .
  • the voltages on both sides of the DC / DC converter 32 are proportional to each other. Therefore, a change in the voltage of the DC link 16 leads to a proportional change in the voltage at the electrolyzer 1 1, provided that the duty cycle is not tracked.
  • Conventional controls are able to track the duty cycle with a certain delay, whereby various higher-level control objectives can be pursued.
  • the voltage at the electrolyzer 11 and thus the DC power can be kept constant.
  • the voltage of the DC link 16 can be kept constant.
  • the converter 12 can work in a voltage-impressing manner in that the AC active power which is drawn from the AC voltage network 15, in particular as a function of the phase angle between the line voltage and the AC voltage at the input 12a of the converter 12, reduces and reduces the frequency immediately is increased immediately with a frequency increase.
  • Such an immediate change in the active AC power leads to a corresponding change in the voltage of the DC link 16, provided the DC power remains unchanged.
  • the DC power must be adapted to the AC power, wherein tracking the setpoint for the DC power as a function of the voltage of the DC link 16 to stabilize this voltage represents an indirect and correspondingly delayed response.
  • the control device 41 therefore determines the instantaneous phase difference between the line voltage in the AC voltage network 15 and the AC voltage at the input 12a of the converter 12 from time-resolved measurements of the voltages before and after the decoupling inductance 13.
  • This phase difference can be used in the control device 41 for pre-controlling the setpoint of the DC / DC converter 32 are used.
  • the setpoint for the DC power and thus the pulse duty factor of the DC / DC converter 32 is already adjusted in response to a change in the phase difference.
  • FIG. 5 shows an electrolysis device 10 with a PV generator 51, which is connected in parallel to the electrolyzer 11 with the DC link 16 of the converter 12.
  • the electrical power of the PV generator 51 can be set via the voltage of the DC voltage intermediate circuit 16 and optionally fed into the electrolyser 11 or exchanged with the AC voltage network 15 via the converter 12.
  • the operating point of the PV generator 51 is set on the basis of the voltage on the DC link 16, while the voltage on the electrolyser 11 can be set independently of this via the DC / DC converter 32.
  • FIG. 6 schematically shows an exemplary sequence of a method for providing control power by means of an electrolysis device 10 according to FIG. 5.
  • the PV generator 51 can be operated at an operating point with the maximum possible power P_MPP and the electrolyser with its nominal power P_Nom (step S2).
  • step S3 the converter 12 of the electrolysis device 10 reacts with a change in the AC active power (step S3). From step S3, depending on the sign of the power imbalance that leads to the change in the network frequency, the method branches to steps S4a and S5a in the event of a power deficit in the AC network 15 and to steps S4b and S5b in the event of a power surplus in the AC network 15.
  • step S5a the change in the AC power in the electrolysis device 10, which counteracts the power deficit in the AC network 15, is implemented by reducing the DC power P_Last of the electrolyzer 11 compared to the rated power P_Nenn.
  • the PV power P_PV of the PV generator 51 can remain unchanged at P_MPP.
  • step S5b the change in the AC power in the electrolysis device 10, which counteracts the excess power in the AC network 15, has the opposite sign and could be implemented by increasing the DC power P_Last of the electrolyzer 11 compared to the rated power P_Nenn.
  • this proves to be disadvantageous in particular if the maximum output is only slightly above the nominal output of the electrolyzer 11 and / or the efficiency of the electrolyzer 11 drops significantly for DC outputs above its nominal output. Therefore, in addition or as an alternative, in step S5b the PV power P_PV is reduced compared to the maximum possible power P_MPP. Incidentally, this is possible at any time, especially at night when the maximum possible power P_MPP is zero by feeding DC power back into the PV generator 51.
  • the DC powers P load and P_PV can be set separately from one another, in particular in an electrolysis device 10 according to FIG. 5 or FIG. 9.
  • the PV power P_PV is set via the voltage at the DC link 16, while the DC power P load of the electrolyser 1 1 results from the voltage at the DC link 16 and the adjustable transmission ratio of the DC / DC converter 32.
  • FIG. 7 schematically shows an exemplary distribution of the provision of the control power as a function of the power balance in the AC network 15.
  • the PV generator 51 is operated with the maximum possible power P_MPP and the electrolyzer 1 1 with the nominal power P_Nenn.
  • the nominal power P_Nenn of the electrolyser 1 1 is a device property and can therefore be assumed to be largely constant.
  • a current sum of the powers P_PV and P_Last and therefore also the AC power exchanged with the AC voltage network 15 via the converter 12 therefore depends essentially on the current solar radiation on the PV generator 51.
  • the AC power can therefore lie between the nominal power P_Nenn of the electrolyzer 1 1 (e.g.
  • the AC power in normal operation is therefore between P_nom and zero.
  • the DC power P load supplied to the electrolyzer 11 is reduced, while the PV power P_PV can still correspond to the maximum possible PV power P MPP.
  • a change rate of the network frequency can be used as a measure of the power deficit, so that the change in power is, for example, proportional to the change rate of the network frequency; this can apply analogously to a surplus in performance.
  • the electrolyzer 11 continues to be operated with its nominal power P_Nom.
  • the electrolyzer 11 could also be operated with a power greater than P_Nenn, but as a rule only with reduced efficiency and / or only for a short time.
  • the power P_PV taken from the PV generator 51 is therefore additionally or alternatively reduced.
  • the PV power P_PV can become zero and negative, ie DC power can be fed back into the PV generator 51 and consumed there. Since the maximum possible PV power P_MPP can be very small at times, as described, for example at night, the reduction in the PV power P_PV can also be implemented exclusively by the power fed into the PV generator 51 depending on the excess power in the AC network 15 is increased.
  • the nominal power P_Nenn of the electrolyzer 11 can correspond approximately to the nominal power P_Peak of the PV generator 51.
  • the complete nominal power P_Nenn of the electrolyser 11 is available for reacting to a power deficit in the AC network 15, while at least the complete nominal power P_Peak of the PV generator 51 is available at any time, in particular also at night, for reacting to a power surplus in the AC voltage network 15 .
  • an electrolysis device 10 configured in this way thus provides an optimal symmetrical control power band with positive and negative control power in an identical order of magnitude.
  • electrolysis device 10 many other configurations of the electrolysis device 10 are conceivable, for example intermediate variants with an electrolyser 11 as the main component, which is operated in normal operation at approximately 50% of the nominal power P_nom, and a PV generator 51 with a relatively small nominal power P_PV ⁇ P_nom.
  • the PV generator 51 takes over part of the power change in response to a power surplus in the AC network 15. The greater the nominal power P_Peak of the PV generator, the higher the target power P_Last of the electrolyzer 11 can be selected in normal operation.
  • Another intermediate variant comprises an electrolysis device 10 with a PV generator 51 as the main component, which is operated in normal operation with the maximum possible power P MPP, and an electrolyzer 11 with a relatively low nominal power P_Nenn ⁇ P_Peak.
  • the electrolyser 1 1 takes over the power change in response to a power deficit in the AC network 15, so that a symmetrical control power band can be offered, which is based on the nominal power P_Nenn of the electrolyser 1 1 on the one hand and, if necessary, the same reduction of the PV
  • generator 51 is composed and thus only depends on the nominal power P_Nenn or makes it fully usable for the instantaneous reserve.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of an electrolysis device 10 with a converter 12 and an electrolyzer 11.
  • the electrolysis device 10 according to FIG. 8 additionally comprises a battery 81, which is connected via a DC / DC converter 82 in parallel to the electrolyzer 11 is connected to the DC voltage intermediate circuit 16 of the converter 12.
  • the DC / DC converter 82 can in particular control the power exchange between the DC voltage intermediate circuit 16 and the battery 81 in such a way that the voltage at the DC voltage intermediate circuit 16 is stabilized, a pilot control analogous to FIG. 4 possibly being used.
  • a further degree of freedom is available for the specific configuration of the electrolysis device 10 according to FIG.
  • a power change in response to a power deficit in the AC network 15 can be implemented entirely by reducing the DC power P_Last of the electrolyzer 11 to a value below its nominal power P_Nenn, while a power change in response to a power surplus in the AC network 15 can be implemented entirely by feeding of DC power is realized in the battery 81; the energy thus stored in the battery can in turn be used to operate the electrolyser 11.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of an electrolysis device 10 with a converter 12 and an electrolyser 11 connected to the converter 12 via a DC / DC converter 32.
  • the electrolysis device 10 according to FIG. 9 additionally includes a battery 81, which, analogously to FIG. 8, is connected to the DC voltage intermediate circuit 16 of the converter 12 via a further DC / DC converter 82, and a PV generator 51, which 5 is also connected to the DC voltage intermediate circuit 16 of the converter 12, possibly via a third DC / DC converter, not shown here.
  • the electrolysis device 10 according to FIG. 9 essentially combines the features of the electrolysis devices 10 according to FIGS. 5 and 8 and therefore also has their advantages.

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung (10) mit einem Umrichter (12), der wechselspannungsseitig über eine Entkopplungsinduktivität (13) an ein Wechselspannungsnetz (15) angeschlossen ist und dem Wechselspannungsnetz (15) eine AC-Wirkleistung entnimmt, und einem Elektrolyseur (11), der gleichspannungsseitig an den Umrichter (12) angeschlossen ist und bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes (15) entspricht und zeitlich konstant ist, mit einer elektrischen Leistung betrieben wird, die zwischen 50% und 100% einer Nennleistung des Elektrolyseurs (11) beträgt, wobei der Umrichter (12) spannungseinprägend betrieben wird, so dass die dem Wechselspannungsnetz (15) entnommene AC-Wirkleistung unmittelbar in Abhängigkeit einer Änderung und/oder einer Änderungsrate der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz (15) geändert wird. Weiterhin beschrieben ist eine Elektrolysevorrichtung, sowie ein Verfahren zur Bereitstellung von Momentanreserveleistung für ein Wechselspannungsnetz.

Description

ELEKTROLYSEVORRICHTUNG MIT EINEM UMRICHTER UND VERFAHREN ZUR BEREITSTELLUNG VON MOMENTANRESERVELEISTUNG FÜR EIN WECHSELSPANNUNGSNETZ
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung mit einem Umrichter, ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung mit einem Umrichter sowie ein Verfahren zur Bereitstellung von Momentanreserveleistung für ein Wechselspannungsnetz.
STAND DER TECHNIK
In einem Wechselspannungsnetz, das als überregionales Verbundnetz aufgebaut ist, können aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen eingespeister und entnommener elektrischer Leistung Abweichungen der Netzfrequenz von einer Nennfrequenz des Wechselspannungs netzes auftreten. Diesem Ungleichgewicht und damit der Frequenzabweichung kann entgegengewirkt werden, indem Vorrichtungen, die elektrische Leistung in das Wechsel spannungsnetz einspeisen und/oder aus dem Wechselspannungsnetz entnehmen können, die von ihnen eingespeiste bzw. entnommene Leistung variieren. Insbesondere kann bei Frequenzen, die über der Nennfrequenz liegen, die eingespeiste Leistung reduziert bzw. die entnommene Leistung erhöht werden, während bei Frequenzen, die unter der Nennfrequenz liegen, die eingespeiste Leistung erhöht bzw. die entnommene Leistung reduziert wird.
Die jeweilige Änderung der Leistung in direkter oder indirekter Reaktion auf eine Frequenz abweichung wird als Regelleistung bezeichnet. In manchen Wechselspannungsnetzen, insbesondere im Europäischen Verbundnetz, ist die Erbringung dieser Regelleistung in zeitlich aufeinander aufbauenden Stufen organisiert. Die erste Regelungsstufe, die sogenannte Momentanregelung, wird durch Vorrichtungen gewährleistet, die ihre Leistung in direkter und unmittelbarer Reaktion auf eine Frequenzänderung ändern. In der zweiten Regelungsstufe, der sogenannten Primärregelung, die bei anhaltender Frequenzabweichung zum Tragen kommt, kommen Vorrichtungen zum Einsatz, die ihre Leistung anhand einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Abweichung der Netzfrequenz von der Nennfrequenz gezielt einstellen. In der dritten Stufe, der sogenannten Sekundärregelung, wird einem voraussichtlich andauernden oder absehbaren Leistungsungleichgewicht im Wechsel spannungsnetz geplant entgegengewirkt, indem Vorrichtungen von einer übergeordneten Steuereinrichtung angewiesen werden, ihre elektrische Leistung geeignet zu ändern. Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die elektrische Leistung zwischen dem Wechselspannungsnetz und einer mit Gleichstrom arbeitenden DC-Einheit austauschen. Die DC-Einheit kann einen Energieerzeuger umfassen, beispielsweise einen Photovoltaikgenerator, dessen Leistung in einem Wechselrichter gewandelt und ins Wechselspannungsnetz eingespeist wird. Die DE102005046919A1 offenbart ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie mittels einer Elektrolysevorrichtung, so dass die Windkraftanlage Regelleistung bereitstellen kann. Aus der EP2705175A1 ist ein Energiemanagementsystem umfassend ein Elektrolysesystem bekannt, mit dem Regelleistung bereitgestellt werden kann.
Die Umrichter derartiger Vorrichtungen arbeiten dabei in der Regel stromeinprägend, indem ein Sollwert für die DC-Leistung in einen entsprechenden Sollwert für den AC-Strom überführt und dieser AC-Strom ins Wechselspannungsnetz eingespeist wird. Die DC-Einheit kann auch eine DC-Last umfassen, z.B. einen ohmschen Widerstand, eine Maschine oder eine elektrochemische Anlage, die mittels eines stromeinprägenden Umrichters betrieben werden, der AC-Leistung aus dem Wechselspannungsnetz entnimmt und als DC-Leistung der DC-Last zur Verfügung stellt. Diesem stromeinprägenden Umrichter wird ebenfalls ein Sollwert für die DC-Leistung vorgegeben, der in einem Regler in einen Sollwert für einen aus dem Wechselspannungsnetz zu entnehmenden AC-Strom transformiert wird, so dass die AC-Leistung eine Funktion der DC-Leistung ist.
Derartige Umrichter können insbesondere als Thyristorgleichrichter oder selbstgeführte IGBT-Umrichter ausgeführt sein, die sich anhand einer Frequenzmessung mit dem Wechselspannungsnetz synchronisieren. Im Falle einer Frequenzänderung muss diese Frequenzmessung erst auf die neue Frequenz einschwingen, bevor der Sollwert für die DC- Leistung und in der Folge die AC-Leistung auf die neue Lage angepasst werden. Insofern kann ein stromeinprägender Umrichter nicht unmittelbar auf eine Frequenzänderung im Wechselspannungsnetz reagieren. Aufgrund dieser verzögerten Reaktion sind DC-Lasten, die über einen derart konventionell stromeinprägend betriebenen Umrichter mit dem Wechselspannungsnetz verbunden sind, nicht zur Bereitstellung von Momentan- Regelleistung bzw. Momentanreserve geeignet.
Aus der DE1020161 15182A1 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Momentanreserve in einem Wechselspannungsnetz bekannt, bei dem die Leistung eines stromeinprägenden Umrichters mittels eines Stromreglers auf einen Momentanreserve-Sollwert eingestellt wird. Der Sollwert wird aus einem Phasenfehlersignal einer PLL-Regelschleife erzeugt, die die Wechselspannungen des Wechselspannungsnetzes als Eingangsgrößen verwendet. Ein stromeinprägender Umrichter erweist sich hier als vorteilhaft gegenüber einem spannungs einprägenden Umrichter, insbesondere bei Photovoltaik-Generatoren als Energiequellen. Aus der EP2182626A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters bekannt, in der Halbleiterschalter wahlweise oder kombiniert mittels einer spannungseinprägenden und/oder einer stromeinprägenden Modulation angesteuert werden. Dadurch sollen die in der EP2182626A1 ausführlich beschriebenen Eigenschaften der verschiedenen Modulationsarten, die ein spannungseinprägendes bzw. stromeinprägendes Verhalten des Stromrichters ergeben, vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Vorrichtungen, die im Rahmen der ersten der eingangs genannten Regelungsstufen zur Momentanregelung eingesetzt werden, umfassen insbesondere sogenannte Synchron generatoren, die Leistung ins Netz einspeisen, bzw. Synchronmaschinen, die Leistung aus dem Netz entnehmen. Derartige Synchrongeneratoren und Synchronmaschinen umfassen in der Regel rotierende Massen, die eine inhärente Trägheit aufweisen. Synchronmaschinen und Synchrongeneratoren tragen durch ihr dem Fachmann wohlbekanntes elektrisches Verhalten zur Stabilisierung der Netzfrequenz bei, indem ihre elektrische Leistung aufgrund der inhärenten Trägheit von der Phasendifferenz zwischen der Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes und der Drehfrequenz der rotierenden Masse abhängt. Mit anderen Worten, durch seine träge Schwungmasse kann ein Synchrongenerator oder eine Synchronmaschine unmittelbar auf Frequenzänderungen reagieren und diesen auch unmittelbar entgegenwirken.
Dabei wird nach dem Stand der Technik davon ausgegangen, dass man das Verhalten eines Synchrongenerators nur mit einer gleichspannungsseitigen Vorrichtung nachbilden kann, die unmittelbar über einen spannungseinprägenden Umrichter mit dem Netz verbunden ist. Ein derartiger Umrichter, bei dem die Schaltbefehle für Leistungshalbleiterschalter aus einem AC-Sollwert für die eingangsseitige Wechselspannung des Umrichters abgeleitet werden, reagiert unmittelbar, d.h. ohne Regelverzögerungen auf eine Netzfrequenzänderung. Daher muss auch die gleichspannungsseitige Vorrichtung unmittelbar Energie aufnehmen oder abgeben können und dazu unmittelbar an einen Zwischenkreis des Umrichters angebunden sein. Eine solche gleichspannungsseitige Vorrichtung umfasst z.B. eine Batterie, die über einen spannungsstellenden Umrichter mit dem Netz verbunden ist und unmittelbar Energie aufnehmen oder abgeben kann. Dabei würde die spannungseinprägende Regelung durch eine Regelverzögerung eines etwaigen DC/DC-Wandlers zur Anpassung der DC-Spannung stark behindert oder sogar unmöglich werden. Dies gilt insbesondere auch für einen einstufigen Umrichter, an den ein Photovoltaikgenerator angeschlossen ist, der mit einer PV- Spannung nahe der Netzgleichrichtspannung betrieben wird, so dass bereits kleine DC- Spannungseinbrüche zu erheblichen Verzerrungen des vom Umrichter eingespeisten Wechselstroms führen können; derartige Einbrüche müssen mittels geeigneter Reglung der DC-Quelle verhindert werden. Aus der DE102010030093A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Austausches von elektrischer Energie zwischen einem Wechselspannungsnetz und einer an das Wechselspannungsnetz angeschlossenen Anlage bekannt, wobei die Anlage einen Verbraucher, einen Erzeuger und/oder einen Energiespeicher enthalten kann. Die Vorrichtung umfasst einen Umrichter, bei dem die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung in Abhängigkeit einer Wirkleistungs-Frequenz-Statik eingestellt werden kann. Zusätzlich weist der Umrichter einen sogenannten Synchronmaschinen emulator auf, mittels dessen der Umrichter das dynamische Verhalten einer Synchron maschine abbildet. Dadurch soll insbesondere eine Netzfrequenzstützung im transienten und/oder subtransienten Zeitbereich erfolgen, wobei die Reaktion der Vorrichtung auf eine Netzfrequenzänderung differenziell erfolgen kann, d.h. die Änderung der Leistung ist umso größer, je höher die zeitliche Änderungsrate der Netzfrequenz ist. Als Verbraucher werden dabei ohmsche Widerstände oder Maschinen verwendet, ggf. in Kombination mit einem Speicher für thermische, mechanische oder chemische Energie. Dadurch steht ein Teil der Leistungsfähigkeit der Verbraucher bzw. ein Teil der in einem Energiespeicher gespeicherten oder speicherbaren Energie zur Netzstützung zur Verfügung.
Weitere Ausführungsformen einer Synchronmaschinenemulation sind beispielsweise aus der DE102006047792A1 bekannt, in der eine sogenannte Virtuelle Synchronmaschine (VISMA) zur Netzstützung verwendet wird, wobei das Verhalten einer Synchronmaschine durch ständige Lösung von Differentialgleichungen angenähert wird, sowie aus der EP3376627A1 , in der ein spannungseinprägender Umrichter (Voltage Source Inverter, VSI) beschrieben ist, dessen Regelung eine Struktur zur Erzeugung einer virtuellen Trägheit umfasst, so dass der Umrichter das Verhalten eines Synchrongenerators nachahmt.
Aus der EP1286444B1 ist eine sogenannte Droop-Mode-Regelung für einen Wechselrichter bekannt, wobei der Wechselrichter anhand einer Frequenzstatik f(P) und einer Spannungs statik U(Q) betrieben wird, so dass der Wechselrichter unmittelbar auf Frequenzänderungen im Wechselspannungsnetz mit einer Änderung der Wirkleistung reagiert und insofern zum Parallelbetrieb mit weiteren Wechselrichtern und insbesondere zum Aufbau eines Inselnetzes geeignet ist.
Aus der US7645931 ist eine Vorrichtung mit einem an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen Umrichter, einem Photovoltaik-Generator und einem Elektrolyseur bekannt, wobei der Elektrolyseur dauerhaft in einem optimalen Arbeitspunkt mit einer entsprechenden Leistung betrieben wird, wobei die elektrische Leistung für den Betrieb des Elektrolyseurs entweder aus dem PV-Generator über einen Gleichspannungswandler oder aus dem Wechselspannungsnetz über den Umrichter an den Elektrolyseur geleitet wird. Aus der EP2894722B1 ist eine Anordnung zur Versorgung eines Elektrolyseurs mit Gleichstrom bekannt, bei der Halbleiter-Bauelemente eines Gleichrichters, insbesondere dessen Thyristoren, in zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei je eine der Gruppen unmittelbar an einem der beiden Gleichstromanschlüsse des Elektrolyseurs angeordnet ist. Der Gleichrichter kann über mindestens einen Transformator an ein Mittelspannungsnetz angeschlossen sein, und die Ausgangsleistung des Gleichrichters kann mittels einer Steuerung der Thyristoren in einem Bereich zwischen 20% und 50% der maximalen Ausgangsleistung des Gleichrichters eingestellt werden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer an ein Wechsel spannungsnetz angeschlossene Elektrolysevorrichtung sowie eine Elektrolysevorrichtung bereitzustellen, mit denen ein Elektrolyseur betrieben und gleichzeitig Momentan reserveleistung für die Stabilisierung der Netzfrequenz des Wechselspannungsnetzes zur Verfügung gestellt werden kann.
LOSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw. 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patent ansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung mit einem Umrichter, der wechselspannungsseitig über eine Entkopplungsinduktivität an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist und dem Wechselspannungsnetz eine AC-Wirkleistung entnimmt, und einem Elektrolyseur, der gleichspannungsseitig an den Umrichter angeschlossen ist und bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes entspricht und zeitlich konstant ist, mit einer elektrischen Leistung betrieben wird, die zwischen 50% und 100% einer Nennleistung des Elektrolyseurs beträgt, wobei der Umrichter spannungseinprägend betrieben wird, so dass die dem Wechselspannungsnetz entnommene AC-Wirkleistung unmittelbar in Abhängigkeit einer Änderung und/oder einer Änderungsrate der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz geändert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch gegenüber herkömmlichen Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung aus, dass der Umrichter spannungseinprägend betrieben wird. Dies bedeutet beispielsweise, dass in der Regelung des Umrichters ein Sollwert für die eingangsseitige Wechselspannung des Umrichters vorgegeben wird und der Umrichter sich so verhält, dass diese Sollspannung nach Möglichkeit erreicht wird, insbesondere unabhängig vom dann fließenden Strom. Darüber hinaus umfasst ein spannungseinprägender Betrieb des Umrichters, dass der dem Wechselspannungsnetz entnommenen AC-Strom derart von der Netzfrequenz abhängt, dass eine Änderung der Netzfrequenz zu einer unmittelbaren Änderung der dem Wechsel spannungsnetz entnommenen Leistung führt, insbesondere unabhängig davon, welche Senke am dem Wechselspannungsnetz gegenüberliegenden Ende des Umrichters angeschlossen ist. Die Änderung der Leistung kann dabei insbesondere proportional zu einer Änderungsrate der Netzfrequenz sein.
Genau diese unmittelbare Änderung der Leistung in Abhängigkeit einer Änderung der Netzfrequenz gehört auch zum inhärenten Verhalten einer Synchronmaschine. Im Gegensatz dazu besitzt eine stromeinprägender Betrieb eine inhärente Verzögerung, indem ein Sollwert für den AC-Strom vorgegeben wird, wobei dieser Sollwert bestenfalls mittelbar bei Frequenzänderungen angepasst werden kann, um die Frequenz zu stabilisieren, beispielsweise über eine P(f)-Kennlinie.
Die mit dem spannungseinprägenden Betrieb einhergehenden unmittelbaren Reaktionen auf Änderungen der Netzfrequenz in Form von Änderungen der dem Wechselspannungsnetz entnommenen AC-Wirkleistung kann an einen Elektrolyseur unmittelbar weitergegeben werden, obwohl der Elektrolyseur selbst nicht in der Lage ist, eine entsprechend schnelle Änderung der umgesetzten Leistung vorzunehmen. Dennoch kann eine Änderung der AC- Wirkleistung über den Umrichter unmittelbar an den Elektrolyseur durchgereicht werden, beispielsweise mittels einer entsprechenden Änderung der vom Umrichter angelegten DC- Spannung am Elektrolyseur. Die Änderung der DC-Spannung führt über eine Spannungs- Strom-Kennlinie des Elektrolyseurs zu einer Änderung der von Elektrolyseur aufgenommenen Leistung. Der Elektrolyseur wird dabei erfindungsgemäß vor der Änderung, d.h. bei konstanter Netzfrequenz zwischen 50% und 100% seiner Nennleistung betreiben, wobei die Nennleistung des Elektrolyseurs unterhalb einer Maximalleistung des Elektrolyseurs liegt und insbesondere der Leistung mit dem maximalen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs entsprechen kann.
Somit kann die DC-Leistung des Elektrolyseurs verringert oder erhöht werden, was zu einer Änderung des Stoffumsatzes im Elektrolyseur führt. Dabei kann ein Elektrolyseur aufgrund seines Aufbaus den durch eine Änderung der DC-Leistung kurzfristig auftretenden Mehr- bzw. Minderumsatz nur dann dauerhaft verarbeiten, wenn weitere Maßnahmen für den Betrieb des Elektrolyseurs stattfinden, beispielsweise eine Änderung der Förderleistung von Pumpen zur Elektrolytumwälzung oder der Abfuhr von produzierten Gasen. Diese weiteren Maßnahmen besitzen jedoch eine vergleichsweise hohe Trägheit, so dass eine Stabilisierung des Betriebs des Elektrolyseurs nach einer sprunghaften Änderung der angelegten Spannung nur verzögert möglich ist.
Andererseits zeichnet sich der spannungseinprägende Betrieb des Umrichters dadurch aus, dass die Änderung der dem Wechselspannungsnetz entnommenen Wirkleistung im Wesentlichen von der Änderung und/oder der Änderungsrate der Netzfrequenz abhängt, so dass die Wirkleistung auf einen Ausgangswert zurückkehrt, sobald keine Änderung der Netzfrequenz mehr stattfindet, also insbesondere wenn die Änderungsrate gleich null ist. Dadurch kehrt auch der Stoffumsatz im Elektrolyseur auf den entsprechenden Ausgangswert zurück, sobald sich die Netzfrequenz wieder stabilisiert hat.
Sofern die derart stabilisierte Netzfrequenz von der Nennfrequenz des Wechselspannungs netzes abweicht, erfolgt automatisch eine Bereitstellung von Primärregelleistung und die Momentanreserveleistung ist nicht mehr notwendig. Die Elektrolysevorrichtung stellt also nur für einen vergleichsweise kurzen Zeitraum Momentanreserveleistung zur Verfügung, so dass die Trägheit der Stoffumsätze im Elektrolyseur, die das Hochfahren von Pumpen und Lüfter erforderlich macht, noch keine Rolle spielt. Der Mehr- bzw. Minderumsatz, der während der Änderung der Netzfrequenz stattfindet, kann im Elektrolyseur mithin gepuffert werden, beispielsweise indem ein kurzfristiger Über- bzw. Unterdrück im Elektrolyseur toleriert und durch nachfolgende Maßnahmen im Betrieb des Elektrolyseurs wieder abgebaut wird, nachdem sich die Netzfrequenz stabilisiert hat.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zu Grunde, dass eine an einen spannungsstellenden Umrichter angeschlossene DC-Last nicht zwingend in der Lage sein muss, eine Änderung der aus dem Wechselspannungsnetz bezogenen AC-Leistung genauso schnell in eine Änderung der für den bestimmungsgemäße Zweck verwendeten DC-Leistung umzusetzen. Vielmehr reicht es aus, wenn die DC-Last die geänderte DC-Leistung zumindest kurzfristig verarbeiten kann und ggf. intern puffern kann. Dabei erweist sich insbesondere ein Elektrolyseur als besonders vorteilhafte DC-Last, da ein Elektrolyseur einerseits unmittelbar zur Änderung der DC-Leistung veranlasst werden kann, beispielsweise indem der Umrichter die DC-Spannung am Elektrolyseur ändert, und andererseits eine besagte Pufferung in einem Elektrolyseur inhärent stattfindet, so dass die ebenfalls inhärente Trägheit des Elektrolyseurs einer zumindest kurzfristigen Änderung der DC-Leistung nicht entgegensteht. Das spannungseinprägende Verhalten der Elektrolysevorrichtung kann somit erfindungsgemäß erreicht werden, obwohl weder ein ohmscher Verbraucher noch eine Energiequelle oder ein Energiespeicher an den Umrichter angeschlossen ist.
Im Rahmen des spannungseinprägenden Betriebs des Umrichters kann der Umrichter eine Momentanreserveleistung bereitstellen. Dazu kann eine Regelungsstruktur verwendet werden, die das Verhalten einer Synchronmaschine gegenüber Frequenzänderungen nachbildet. Dieses Verhalten stabilisiert die Netzfrequenz in vergleichbarer Weise wie herkömmliche Kraftwerke. Alternativ kann eine eingangs erwähnte Droop-Mode-Regelung verwendet werden, die eine Frequenz-Leistungs-Kennlinie umfasst. Eine derartige Regelung ist ebenfalls in der Lage, die Netzfrequenz zu stabilisieren und kann zusätzlich eine Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie umfassen, mittels der zusätzlich zur Netzfrequenz auch die Netzspannung stabilisiert und ggf. ein Inselnetz aufgebaut bzw. stabilisiert werden kann, in das zudem weitere Energieerzeugungseinheiten eingebunden sein können.
Die Änderung der dem Wechselspannungsnetz entnommenen AC-Wirkleistung führt zu einer Änderung der DC-Spannung am Elektrolyseur, wobei die Änderung der DC-Spannung am Elektrolyseur zu einer der Änderung der AC-Wirkleistung entsprechenden Änderung einer vom Elektrolyseur aufgenommenen DC-Leistung führt. Dadurch kann die Änderung der dem Wechselspannungsnetz entnommenen AC-Wirkleistung unmittelbar als Änderung der vom Elektrolyseur aufgenommenen DC-Leistung an den Elektrolyseur durchgereicht werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann mittels eines ersten Gleichspannungs wandlers (DC/D-Wandler) eine Spannungsübersetzung zwischen dem Elektrolyseur und dem Umrichter erzeugt werden. Dadurch kann der Einstellbereich der DC-Spannung am Elektrolyseur gegenüber dem vom Umrichter gleichspannungsseitig einstellbaren Spannungsbereich erweitert werden, so dass auch die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs über einen weiteren Bereich eingestellt werden kann.
Darüber hinaus kann der Umrichter elektrische Leistung mit einem gleichspannungsseitig angeschlossenen PV-Generator austauschen, wobei der PV-Generator parallel zum Elektrolyseur mit einem Gleichspannungs^zwischenkreis verbunden ist. Dabei wird eine durch den PV-Generator erzeugte elektrische Leistung wahlweise in den Elektrolyseur oder in das Wechselspannungsnetz eingespeist. Dadurch kann der Elektrolyseur kostengünstig mit regenerativ erzeugter elektrischer Leistung versorgt werden, die ansonsten aus dem Wechselspannungsnetz bezogen werden müsste.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Umrichter elektrische Leistung mit einer gleichspannungsseitig angeschlossenen Batterie austauschen, wobei die Batterie über einen zweiten DC/DC-Wandler parallel zum Elektrolyseur mit dem Gleichspannungs- zwischenkreis verbunden ist. Die Batterie ermöglicht es, elektrische Leistung zwischenzuspeichern und kann den Leistungsbezug aus dem Netz zeitlich von der Elektrolyseurleistung entkoppeln.
In den Ausführungsformen des Verfahrens, in denen ein DC/DC-Wandler zwischen dem Umrichter und einer gleichspannungsseitigen Einheit angeordnet ist, kann der DC/DC- Wandler zur Stabilisierung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises verwendet werden. Konkret kann eine Reglung des DC/DC-Wandlers eine Vorsteuerung umfassen, wobei mittels der Vorsteuerung ein DC-Stromsollwert des DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen der Netzspannung und der Wechselspannung am Eingang des Umrichters eingestellt wird. Die Phasendifferenz kann ein einem d-q- Koordinatensystem weiterverarbeitet werden und ist proportional zu der Leistungsentnahme aus dem Netz. Dadurch wird der DC/DC-Wandler veranlasst, seine Leistung bereits bei einer Änderung der Phasendifferenz zu ändern und nicht erst in Reaktion auf eine Änderung der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis.
Die Vorsteuerung dient dazu, den DC-Stromsollwert des DC/DC-Wandlers unmittelbar in Abhängigkeit einer Änderung der Netzfrequenz zu modifizieren. Dadurch wird eine Änderung der Spannung am Gleichspannungszwischenkreis, die aufgrund einer Änderung der AC- Wirkleistung in Reaktion auf die Änderung der Netzfrequenz auftritt, gleichsam antizipiert. Die Regelung des DC/DC-Wandlers ist somit so gestaltet, dass der DC/DC-Wandler bei Änderungen der Netzfrequenz unmittelbar den Gleichspannungszwischenkreis stabilisiert. Bei schnellen Änderungen der Netzfrequenz, d.h. bei hohen Änderungsraten der Netzfrequenz, die entsprechend große Phasendifferenzen und somit besonders große Änderungen der AC-Leistung hervorrufen, muss der DC/DC-Wandler schnell Energie nachliefern bzw. abnehmen, um ein Absacken bzw. ein Überhöhen der Zwischenkreisspannung zu verhindern. Dazu wird der DC-Stromsollwert für den DC/DC- Wandler durch die Phase phi zwischen Netzspannung und Stromrichterspannung vorgesteuert und so die Dynamik der Regelung erhöht.
Die Stabilisierung der Spannung am Gleichspannungszwischenkreis kann vom ersten DC/DC-Wandler und dem daran angeschlossenen Elektrolyseur und/oder ggf. vom zweiten DC/DC-Wandler und der daran angeschlossenen Batterie durchgeführt werden. Die Phasendifferenz kann dabei unmittelbar oder über einen entsprechenden Filter auf die Taktung der DC/DC-Wandler einwirken.
Eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung mit einem Elektrolyseur, der mit einem Umrichter verbunden ist und über den Umrichter elektrische AC-Wirkleistung aus einem Wechselspannungsnetz entnimmt, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter dazu eingerichtet ist, spannungseinprägend betrieben zu werden, so dass eine Änderung der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz eine unmittelbare Änderung der dem Wechselspannungsnetz entnommenen AC-Wirkleistung hervorruft. Diese Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die mit dem spannungseinprägenden Betrieb einhergehenden unmittelbaren Reaktionen des Umrichters auf Änderungen der Netzfrequenz in Form von Änderungen der dem Wechselspannungsnetz entnommenen AC-Wirkleistung unmittelbar an einen Elektrolyseur weitergegeben werden können. Zwar ist der Elektrolyseur selbst nicht in der Lage, eine entsprechend schnelle Änderung der umgesetzten Leistung dauerhaft vorzunehmen, er kann jedoch einerseits unmittelbar zur Änderung der DC-Leistung veranlasst werden, beispielsweise indem der Umrichter die DC-Spannung am Elektrolyseur ändert, und andererseits eine kurzfristige Abweichung zwischen einer von außen eingeprägten Leistung und einem an sich statischen DC-Leistungssollwert zwischenpuffern.
In einer Ausführungsform kann die Elektrolysevorrichtung einen ersten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) umfassen, der zwischen Elektrolyseur und Umrichter angeordnet ist. Dadurch kann der Einstellbereich der Spannung am Elektrolyseur gegenüber dem vom Umrichter gleichspannungsseitig einstellbaren Spannungsbereich erweitert werden, so dass auch die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs über einen weiteren Bereich eingestellt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Elektrolysevorrichtung einen Photovoltaik- generator umfassen, der gleichspannungsseitig parallel zum Elektrolyseur mit einem Gleich- spannungszwischenkreis der Elektrolysevorrichtung verbunden ist. Mittels des Photovoltaik- generators kann der Elektrolyseur günstig mit regenerativ erzeugter elektrischer Leistung versorgt werden, die ansonsten aus dem Wechselspannungsnetz bezogen werden müsste.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Elektrolysevorrichtung eine Batterie umfassen, die gleichspannungsseitig über einen zweiten DC/DC-Wandler parallel zum Elektrolyseur mit dem Gleichspannungszwischenkreis der Elektrolysevorrichtung verbunden ist. Die Batterie ermöglicht es, elektrische Leistung zwischenzuspeichern und kann den Leistungsbezug aus dem Netz zeitlich von der Elektrolyseurleistung entkoppeln.
In einem Verfahren zur Bereitstellung von Momentanreserveleistung für ein Wechsel spannungsnetz mittels eines Umrichters, der dem Wechselspannungsnetz elektrische AC- Leistung entnimmt und einen Elektrolyseur mit elektrischer DC-Leistung versorgt, wird der Umrichter spannungseinprägend betrieben, so dass eine Änderung der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz eine unmittelbare Änderung der dem Wechselspannungsnetz entnommenen AC-Wirkleistung hervorruft. Dabei erweist sich ein Elektrolyseur als vorteilhafte DC-Last für den spannungseinprägenden Umrichter, da ein Elektrolyseur einerseits unmittelbar zur Änderung der DC-Leistung veranlasst werden kann, beispielsweise indem der Umrichter die DC-Spannung am Elektrolyseur ändert, und andererseits eine Pufferung elektrischer Energie in dem Elektrolyseur stattfindet, so dass der Elektrolyseur trotz seiner inhärenten Trägheit eine kurzfristige Änderung der DC-Leistung gut verträgt und somit kurzfristige Änderungen der AC-Wirkleistung zur Stützung der Netzfrequenz im Rahmen der Momentanregelung gut unterstützt.
In einem Normalbetrieb im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. insbesondere bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes entspricht, kann die dem Wechselspannungsnetz entnommene und dem Elektrolyseur zugeführte Leistung zwischen 50% und 100% einer Nennleistung des Elektrolyseurs entsprechen. Der Elektrolyseur weist dabei eine Maximalleistung auf, die oberhalb der Nennleitung liegt, wobei die Nennleistung insbesondere einem Arbeitspunkt entsprechen kann, der sich durch einen maximalen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs auszeichnet. Somit kann der Elektrolyseur prinzipbedingt eine DC-Leistung aufnehmen, die oberhalb der Nennleistung liegt, insbesondere wenn der Elektrolyseur in diesem Arbeitspunkt nur kurzzeitig betrieben wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Umrichter elektrische Leistung mit einer gleichspannungsseitig angeschlossenen Batterie austauschen, wenn eine Änderung der Netzfrequenz eine Änderung der AC-Leistung hervorruft und die dem Elektrolyseur zugeführte DC-Leistung außerhalb eines Betriebsbereiches des Elektrolyseurs liegen würde. Dabei kann der Betriebsbereich von einer unteren Einsetzleistung zwischen 10% und 20% der Nennleistung und einer oberen Maximalleistung zwischen 1 10% und 120% der Nennleistung des Elektrolyseurs begrenzt sein. Die Batterie kann über einen DC/DC- Wandler parallel zum Elektrolyseur mit einem Gleichspannungszwischenkreis des Umrichters verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Umrichter elektrische Leistung mit einem gleichspannungsseitig angeschlossenen Photovoltaikgenerator austauschen. In einem Normalbetrieb, das heißt insbesondere bei einer Netzfrequenz, die einer Nenn frequenz des Wechselspannungsnetzes entspricht, kann der PV-Generator an einem Arbeitspunkt maximaler Leistung und der Elektrolyseur mit Nennleistung betrieben werden. Die Leistung des PV-Generators wird reduziert, wenn eine Änderung der Netzfrequenz auftritt, die den Umrichter zu einer Reduzierung einer momentan eingespeisten bzw. einer Erhöhung einer momentan entnommenen AC-Leistung veranlasst. Wenn jedoch eine Änderung der Netzfrequenz auftritt, die den Umrichter zu einer Erhöhung einer momentan eingespeisten bzw. einer Reduzierung einer momentan entnommenen AC-Leistung veranlasst, wird die DC-Leistung des Elektrolyseurs reduziert. Dadurch steht Momentanreserve zu jeder Zeit in beiden Richtungen zur Verfügung.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung mit einem Umrichter und einem Elektrolyseur;
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung mit einem Umrichter und einer Mehrzahl von DC-Lasten;
Fig. 3 zeigt eine weitere Elektrolysevorrichtung mit einem Umrichter, einem Gleich spannungswandler und einem Elektrolyseur;
Fig. 4 zeigt eine Elektrolysevorrichtung gemäß Fig. 3 mit einer Steuerungsvorrichtung;
Fig. 5 zeigt eine Elektrolysevorrichtung gemäß Fig. 3 oder 4 mit einem PV-Generator;
Fig. 6 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß Fig. 3, 4 oder 5;
Fig. 7 zeigt schematisch die elektrischen Leistungen in einer Vorrichtung, die mit einem Verfahren gemäß Fig. 6 betrieben wird;
Fig. 8 zeigt eine weitere Elektrolysevorrichtung mit einem Umrichter, einem Elektrolyseur, einem Gleichspannungswandler und einem Energiespeicher; und
Fig. 9 zeigt eine Elektrolysevorrichtung gemäß Fig. 8 mit einem weiteren Gleichspannungswandler und einem PV-Generator.
FIGURENBESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt eine Elektrolysevorrichtung 10 mit einem Elektrolyseur 1 1 und einem Umrichter 12. Der Umrichter 12 ist über einen wechselspannungsseitigen Eingang 12a, eine Entkopplungsinduktivität 13, vorzugsweise eine Drossel, und einen Netzanschlusspunkt 14 mit einem Wechselspannungsnetz 15 verbunden und entnimmt dem Wechselspannungsnetz 15 elektrische Leistung. Der Elektrolyseur 1 1 ist mit einem gleichspannungsseitigen Ausgang 12b des Umrichters 12 verbunden und wird vom Umrichter 12 mit elektrischer Leistung versorgt.
Der Umrichter 12 kann einen Gleichspannungszwischenkreis aufweisen und ist bevorzugt dreiphasig ausgeführt, so dass der Umrichter 12 mit einem dreiphasigen Wechsel spannungsnetz 15 verbunden werden kann, um dem Wechselspannungsnetz 15 dreiphasig elektrische AC-Leistung zu entnehmen. Der Umrichter 12 kann insbesondere als selbstgeführter Transistor-Umrichter ausgeführt sein, wobei die Transistoren eines solchen Umrichters 12 aus IGBTs und/oder MOSFETs bestehen können.
Der Elektrolyseur 1 1 stellt im Wesentlichen eine DC-Last dar und wird von dem Umrichter 12 mit DC-Leistung versorgt. Die vom Elektrolyseur 1 1 aufgenommene DC-Leistung hängt dabei über eine Strom-Spannungs-Kennlinie von der am Elektrolyseur 11 anliegenden Spannung ab, die hier der Spannung am Ausgang 12b des Umrichters 12 entspricht. Die Strom-Spannungs-Kennlinie kann je nach Typ und Ausführung des Elektrolyseurs 11 unterschiedliche Einsetzspannungen und Steigungen aufweisen, wobei in der Regel in einem zulässigen Eingangsspannungsbereich des Elektrolyseurs 1 1 ein monotoner Zusammenhang zwischen Strom und Spannung besteht, so dass die vom Elektrolyseur 1 1 aufgenommene DC-Leistung umso höher ist, je höher die anliegende Spannung ist.
Der Elektrolyseur 1 1 weist eine Nennleistung auf, bei der der Elektrolyseur 11 mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Die Nennleistung setzt sich zusammen aus einer Nennspannung, die im zulässigen Eingangsspannungsbereich des Elektrolyseurs 1 1 liegt, und einem dazu gehörigen Nennstrom. Grundsätzlich sind auch Eingangsspannungen oberhalb der Nennspannung zulässig und führen zu einer höheren Leistungsaufnahme, wobei die Gesamteffizienz des Elektrolyseurs 1 1 oberhalb der Nennleistung sinkt, beispiels weise aufgrund des erhöhten Leistungsbedarfs für Nebenaggregate wie Pumpen u.ä.
Der Umrichter 12 versorgt den Elektrolyseur 1 1 mit einer DC-Leistung, die in Abhängigkeit von der Änderung der aktuellen Netzfrequenz des Wechselspannungsnetzes 15 durch den Umrichter 12 eingestellt werden kann, insbesondere indem Spannung am Ausgang 12b des Umrichters 12 und damit die Eingangsspannung des Elektrolyseurs 1 1 durch den Umrichter 12 in Abhängigkeit von der Änderung der aktuellen Netzfrequenz des Wechselspannungs netzes 15 eingestellt wird.
Sofern die aktuelle Netzfrequenz der Nennfrequenz entspricht und konstant ist, wird der Umrichter 12 derart betrieben, dass dem Elektrolyseur 1 1 eine DC-Leistung zugeführt wird, die gleich der oder kleiner als die Nennleistung des Elektrolyseurs 11 ist. Vorzugsweise kann die DC-Leistung bei konstanter Netzfrequenz auf einen Wert zwischen 50% und 100% der Nennleistung des Elektrolyseurs eingestellt werden.
Der Umrichter 12 weist nicht näher dargestellte Halbleiterschalter auf, die in einer Brücken schaltung angeordnet sind und von einer nicht dargestellten Steuereinheit derart angesteuert werden, dass sich ein Fluss elektrischer Leistung aus dem Wechselspannungsnetz 15 über den Umrichter 12 zum Elektrolyseur 1 1 einstellt. Dabei kann eine Wechselspannung am netzseitigen Eingang 12a des Umrichters 12 durch geeignete Taktung der Halbleiterschalter so geregelt werden, dass sich über der Entkopplungsinduktivität 13 eine Phasendifferenz zwischen der Netzspannung im Wechselspannungsnetz 15 und der Wechselspannung am Eingang 12a des Umrichters 12 ausbildet.
Mittels einer derartigen Regelung kann eine gewünschte elektrische AC-Wirkleistung durch Vorgabe eines Sollwertes für die Phasendifferenz eingestellt werden. Die gewünschte elektrische AC-Wirkleistung ergibt sich aus einem Sollwert der vom Umrichter 12 gleichspannungsseitig auszugebenden und dem Elektrolyseur zuzuführenden elektrischen DC-Leistung. Dieser DC-Stromsollwert wird in der Steuereinheit des Umrichters 12 in den entsprechenden Sollwert für die Phasendifferenz zwischen Netzspannung und der eingangsseitiger Wechselspannung am Umrichter 12 transformiert, so dass der Sollwert für den Phasenwinkel eine Funktion des gewünschten DC-Laststroms ist. Dabei ist die elektrische AC-Wirkleistung, die dem Wechselspannungsnetz 15 durch den Umrichter 12 entnommen wird, näherungsweise proportional zu der sich einstellenden Phasendifferenz, sofern die Phasendifferenz klein gegenüber p ist.
Andererseits wird die Phasendifferenz zwischen Netzspannung und Wechselspannung am Eingang 12a des Umrichters 12 durch den Umrichter 12 selbst auf den Sollwert geregelt, wobei die tatsächlich fließende AC-Wirkleistung davon abhängt, welche Phasendifferenz tatsächlich vorliegt. Dadurch führt eine Änderung der Netzfrequenz, die zwangsläufig eine Änderung der Phasendifferenz hervorruft, unmittelbar zu einer weitgehend proportionalen Änderung der dem Wechselspannungsnetz 15 entnommenen elektrischen AC-Wirkleistung.
Eine Frequenzänderung im Wechselspannungsnetz 15 korreliert also mit einer Änderung des Phasenwinkels, so dass sich die entnommene AC-Wirkleistung bei einer Änderung der Netzfrequenz ebenfalls unmittelbar ändert. Insofern verhält sich der Umrichter 12 spannungseinprägend, indem die AC-Wirkleistung, die dem Wechselspannungsnetz 15 entnommen wird, bei Frequenzabsenkung unmittelbar reduziert und bei Frequenzerhöhung unmittelbar erhöht wird.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 20 mit einer Mehrzahl von DC-Lasten 21 , 22, 23 und einem Umrichter 12. Der Umrichter 12 ist eingangsseitig über einen Netzanschlusspunkt 14 mit einem Wechselspannungsnetz 15 verbunden und entnimmt dem Wechselspannungsnetz 15 elektrische Leistung. Die DC-Lasten 21 , 22, 23 sind über jeweils einen der Schalter 21a, 22a, 23a mit dem Gleichspannungszwischenkreis 16 verbunden und werden vom Umrichter 12 mit elektrischer Leistung versorgt. Als DC-Lasten 21 , 22, 23 können hier sowohl Elektrolyseure 1 1 als auch ohmsche Lasten, insbesondere Heizwiderstände oder andere Widerstände, die z.B. zur Oberflächenveredelung oder Metallverarbeitung genutzt werden, eingesetzt werden. Die DC-Lasten 21 , 22, 23 können über die Schalter 21 a, 22a, 23a jeweils mit dem Umrichter 12 verbunden bzw. vom Umrichter 12 getrennt werden. Dadurch kann die insgesamt fließende DC-Leistung bei einer gegebenen Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 16 des Umrichters 12 angepasst werden, indem lediglich einem Teil der DC-Lasten 21 , 22, 23 elektrische Leistung zugeführt wird, wobei über geeignete Ansteuerung der Schalter 21a, 22a, 23a der konkret zu versorgende Teil der Lasten 21 , 22, 23 ausgewählt wird.
Fig. 3 zeigt eine Elektrolysevorrichtung 10 mit einem Elektrolyseur 1 1 und einem Umrichter 12 entsprechend Fig. 1 , wobei zusätzlich zwischen Elektrolyseur 1 1 und Umrichter 12 ein Gleichspannungswandler oder DC/DC-Wandler 32 angeordnet ist, der eine Spannungsübersetzung zwischen der Spannung am gleichspannungsseitigen Ausgang 12b des Umrichters 12 bzw. am Gleichspannungszwischenkreis 16 und der Spannung am Elektrolyseurs 1 1 ermöglicht. Der DC/DC-Wandler 32 kann beispielsweise als Hochsetzsteller, als Tiefsetzsteller oder als Hochtiefsetzsteller ausgeführt und/oder für einen bidirektionalen Leistungsfluss eingerichtet sein.
Derartige DC/DC-Wandler 32 sind dem Fachmann in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, die überwiegend getaktete Halbleiterschalter zum Einstellen der Spannungs übersetzung umfassen. Insbesondere kann der DC/DC-Wandler 32 als Tiefsetzsteller für einen unidirektionalen Leistungsfluss vom Umrichter 12 zum Elektrolyseur 1 1 ausgeführt sein, der die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 in eine relativ dazu geringere Spannung am Elektrolyseur 11 wandelt, wobei das Übersetzungsverhältnis beispielsweise mittels eines Tastverhältnisses einstellbar ist.
Fig. 4 zeigt Details einer Steuerung des Umrichters 12. Eine Steuerungsvorrichtung 41 erzeugt Steuersignale für den Umrichter 12 sowie den DC/DC-Wandler 32, die insbesondere die Ansteuerung der Halbleiterschalter des Umrichters 12 und des DC/DC-Wandlers 32 vorgegeben. Die Steuersignale können von der Steuerungsvorrichtung 41 in Abhängigkeit von einem Sollwert für eine elektrische DC-Leistung vorgegeben werden, wobei ein Istwert der DC-Leistung beispielsweise anhand einer Strom- und Spannungsmessung bestimmt werden kann, die insbesondere zwischen DC/DC-Wandler 32 und Elektrolyseur 11 angeordnet sein kann. Die Steuerungsvorrichtung 41 ermittelt ein geeignetes Tastverhältnis, mit dem der DC/DC-Wandler 32 betrieben werden muss, um eine geeignete Spannung am Elektrolyseur 1 1 einzustellen, so dass der Elektrolyseur 1 1 die DC-Sollleistung aufnimmt. Da die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 mindestens so hoch wie die gleich gerichtete Netzspannung des Wechselspannungsnetz 15 ist, ermöglicht der DC/DC-Wandler 32 es, im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 eine deutlich kleinere Spannung als die gleichgerichtete Netzspannung an den Elektrolyseur 11 anzulegen. Ein gegebenes Tastverhältnis vorausgesetzt sind die Spannungen an den beiden Seiten des DC/DC-Wandlers 32 proportional zueinander. Daher führt eine Änderung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 zu einer proportionalen Änderung der Spannung am Elektrolyseur 1 1 , sofern das Tastverhältnis nicht nachgeführt wird. Herkömmliche Steuerungen sind in der Lage, das Tastverhältnis mit einer gewissen Verzögerung nachzuführen, wobei verschiedene übergeordnete Regelungsziele verfolgt werden können. Insbesondere kann die Spannung am Elektrolyseur 11 und damit die DC-Leistung konstant gehalten werden. Alternativ kann die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 konstant gehalten werden.
Der Umrichter 12 kann wie in Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert spannungseinprägend arbeiten, indem die AC-Wirkleistung, die dem Wechselspannungsnetz 15 entnommen wird, insbesondere in Abhängigkeit des Phasenwinkels zwischen Netzspannung und Wechsel spannung am Eingang 12a des Umrichters 12 bei einer Frequenzabsenkung unmittelbar reduziert und bei einer Frequenzerhöhung unmittelbar erhöht wird. Eine derartige unmittelbare Änderung der AC-Wirkleistung führt zu einer entsprechenden Änderung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16, sofern die DC-Leistung unverändert bleibt. Selbst eine konstante DC-Leistung reicht jedoch nicht aus, um einer Änderung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 aufgrund einer frequenzbedingt geänderten AC-Wirkleistung entgegenzuwirken. Daher muss die DC-Leistung an die AC- Leistung angepasst werden, wobei ein Nachführen des Sollwertes für die DC-Leistung in Abhängigkeit der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 zur Stabilisierung ebendieser Spannung eine mittelbare und entsprechend verzögerte Reaktion darstellt.
Die Steuerungsvorrichtung 41 bestimmt daher aus zeitaufgelösten Messungen der Spannungen vor und hinter der Entkopplungsinduktivität 13 die momentane Phasendifferenz zwischen der Netzspannung im Wechselspannungsnetz 15 und der Wechselspannung am Eingang 12a des Umrichters 12. Diese Phasendifferenz kann in der Steuerungsvorrichtung 41 für eine Vorsteuerung des Sollwertes des DC/DC-Wandlers 32 verwendet werden. Dadurch wird der Sollwert für die DC-Leistung und damit das Tastverhältnis des DC/DC- Wandlers 32 bereits in Reaktion auf eine Änderung der Phasendifferenz angepasst. Diese Anpassung geschieht bereits bevor eine signifikante Änderung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 auftritt, die mit einer Änderung der AC-Wirkleistung einhergeht, insbesondere wenn die AC-Wirkleistung aufgrund der spannungseinprägenden Steuerung des Umrichters 12 in Reaktion auf eine Änderung der Phasendifferenz geändert wird. Dadurch wird die Dynamik der gesamten Regelungsstrecke erheblich gesteigert. Fig. 5 zeigt eine Elektrolysevorrichtung 10 mit einem PV-Generator 51 , der parallel zum Elektrolyseur 1 1 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 16 des Umrichters 12 verbunden ist. Die elektrische Leistung des PV-Generators 51 kann über die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 eingestellt und wahlweise in den Elektrolyseur 1 1 eingespeist oder über den Umrichter 12 mit dem Wechselspannungsnetz 15 ausgetauscht werden. Dabei wird der Arbeitspunkt des PV-Generators 51 anhand der Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 16 eingestellt, während die Spannung am Elektrolyseur 1 1 unabhängig davon über den DC/DC-Wandler 32 einstellbar ist.
Fig. 6 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zur Bereitstellung von Regelleistung mittels einer Elektrolysevorrichtung 10 gemäß Fig. 5. In einem Normalbetrieb der Elektrolysevorrichtung 10, beispielsweise bei einer ausgeglichenen Leistungsbilanz im Wechselspannungsnetz 15 mit einer Netzfrequenz, die der Nennfrequenz des Wechsel spannungsnetzes 15 entspricht und weitgehend konstant ist (Schritt S1 in Fig. 5), können der PV-Generator 51 an einem Arbeitspunkt mit maximal möglicher Leistung P_MPP und der Elektrolyseur mit seiner Nennleistung P_Nenn betrieben werden (Schritt S2).
Im Falle einer Änderung der Netzfrequenz reagiert der Umrichter 12 der Elektrolyse vorrichtung 10 mit einer Änderung der AC-Wirkleistung (Schritt S3). Ab Schritt S3 verzweigt das Verfahren je nach Vorzeichen des Leistungsungleichgewichts, das zu der Änderung der Netzfrequenz führt, im Falle eines Leistungsdefizits im Wechselspannungsnetz 15 zu den Schritten S4a und S5a und im Falle eines Leistungsüberschusses im Wechselspannungs netz 15 zu den Schritten S4b und S5b.
In Schritt S5a wird die dem Leistungsdefizit im Wechselspannungsnetz 15 entgegenwirkende Änderung der AC-Leistung in der Elektrolysevorrichtung 10 umgesetzt, indem die DC- Leistung P_Last des Elektrolyseurs 11 gegenüber der Nennleistung P_Nenn reduziert wird. Die PV-Leistung P_PV des PV-Generators 51 kann unverändert bei P_MPP verbleiben.
In Schritt S5b hat die dem Leistungsüberschuss im Wechselspannungsnetz 15 entgegen wirkende Änderung der AC-Leistung in der Elektrolysevorrichtung 10 das umgekehrte Vorzeichen und könnte umgesetzt werden, indem die DC-Leistung P_Last des Elektrolyseurs 11 gegenüber der Nennleistung P_Nenn erhöht wird. Dies erweist sich jedoch insbesondere dann als unvorteilhaft, wenn die Maximalleistung nur wenig oberhalb der Nennleistung des Elektrolyseurs 1 1 liegt und/oder der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs 11 bei DC-Leistungen oberhalb seiner Nennleistung erheblich sinkt. Daher wird zusätzlich oder alternativ in Schritt S5b die PV-Leistung P_PV gegenüber der maximal möglichen Leistung P_MPP reduziert. Dies ist im Übrigen jederzeit möglich, insbesondere auch nachts, wenn die maximal möglichen Leistung P_MPP gleich null ist, indem DC-Leistung in den PV-Generator 51 zurückgespeist wird.
Die DC-Leistungen P Last und P_PV sind insbesondere in einer Elektrolysevorrichtung 10 gemäß Fig. 5 oder Fig. 9 getrennt voneinander einstellbar. Die PV-Leistung P_PV wird über die Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 16 eingestellt, während die DC-Leistung P Last des Elektrolyseurs 1 1 sich aus der Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 16 und dem einstellbaren Übersetzungsverhältnis des DC/DC-Wandlers 32 ergibt. Durch den Betrieb der Elektrolysevorrichtung 10 mit dem Verfahren gemäß Fig. 6 ist es somit möglich, Momentanreserveleistung zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 15 bereitzustellen, wobei Regelleistung zur Behebung eines Leistungsdefizits durch Verringerung der DC-Leistung des Elektrolyseurs 11 und Regelleistung zur Behebung eines Leistungsüberschusses durch Abregeln des PV-Generators 51 realisiert wird.
Fig. 7 zeigt schematisch eine beispielhafte Aufteilung der Bereitstellung der Regelleistung in Abhängigkeit von der Leistungsbilanz im Wechselspannungsnetz 15.
Im Falle einer ausgeglichenen Leistungsbilanz, die sich insbesondere dadurch ausdrücken kann, dass die Netzfrequenz konstant ist und insbesondere der Nennfrequenz des Wechselspannungsnetz 15 entspricht, werden der PV-Generator 51 mit maximal möglicher Leistung P_MPP und der Elektrolyseur 1 1 mit Nennleistung P_Nenn betrieben. Die Nennleistung P_Nenn des Elektrolyseurs 1 1 ist eine Geräteeigenschaft und kann daher als weitgehend konstant angenommen werden. Eine aktuelle Summe der Leistungen P_PV und P_Last und damit auch die mit dem Wechselspannungsnetz 15 über den Umrichter 12 ausgetauschte AC-Leistung hängt daher wesentlich von der aktuellen Sonneneinstrahlung auf den PV-Generator 51 ab. Die AC-Leistung kann somit im Normalbetrieb je nach Umgebungsbedingungen zwischen der Nennleistung P_Nenn des Elektrolyseurs 1 1 (z.B. nachts, ohne Sonneneinstrahlung) und der Differenz zwischen der Nennleistung P_Nenn des Elektrolyseurs 1 1 und einer Nennleistung des PV-Generators 51 liegen. In einem möglichen Spezialfall, in dem die Nennleistungen des Elektrolyseurs 11 und des PV-Generators 51 identisch sind, liegt die AC-Leistung im Normalbetrieb somit zwischen P_Nenn und Null.
Im Falle eines Leistungsdefizits im Wechselspannungsnetz 15 wird die dem Elektrolyseur 11 zugeführte DC-Leistung P Last reduziert, während die PV-Leistung P_PV weiterhin der maximal möglichen PV-Leistung P MPP entsprechen kann. Als Maß für das Leistungsdefizit kann insbesondere eine Änderungsrate der Netzfrequenz verwendet werden, so dass die Leistungsänderung beispielsweise proportional zur Änderungsrate der Netzfrequenz ist; dies kann analog für einen Leistungsüberschuss gelten. Im Falle eines Leistungsüberschusses im Wechselspannungsnetz 15 wird der Elektrolyseur 11 weiterhin mit seiner Nennleistung P_Nenn betrieben. Grundsätzlich könnte der Elektrolyseur 11 auch mit einer Leistung größer als P_Nenn betrieben werden, jedoch in der Regel nur mit reduziertem Wirkungsgrad und/oder nur kurzfristig. Um dem Leistungs überschuss im Wechselspannungsnetz 15 entgegenzuwirken, wird daher zusätzlich oder alternativ die dem PV-Generator 51 entnommene Leistung P_PV reduziert. Dabei kann die PV-Leistung P_PV gleich Null und negativ werden, d.h. DC-Leistung in den PV-Generator 51 zurückgespeist und dort verbraucht werden. Da die maximal mögliche PV-Leistung P_MPP wie beschrieben zeitweise sehr klein sein kann, beispielsweise nachts, kann die Reduzierung der PV-Leistung P_PV auch ausschließlich dadurch umgesetzt werden, dass die in den PV-Generator 51 eingespeiste Leistung in Abhängigkeit vom Leistungsüberschuss im Wechselspannungsnetz 15 erhöht wird.
In einer speziellen Konfiguration kann die Nennleistung P_Nenn des Elektrolyseurs 11 in etwa der Nennleistung P_Peak des PV-Generators 51 entsprechen. In diesem Fall steht die komplette Nennleistung P_Nenn des Elektrolyseurs 1 1 zur Reaktion auf ein Leistungsdefizit im Wechselspannungsnetz 15 zur Verfügung, während mindestens die komplette Nennleistung P_Peak des PV-Generators 51 jederzeit, insbesondere auch nachts, zur Reaktion auf einen Leistungsüberschuss im Wechselspannungsnetz 15 verfügbar ist. Insgesamt wird durch eine derart konfigurierte Elektrolysevorrichtung 10 somit ein optimales symmetrisches Regelleistungsband mit positiver und negativer Regelleistung in identischer Größenordnung bereitgestellt.
Grundsätzlich sind viele weitere Konfigurationen der Elektrolysevorrichtung 10 denkbar, beispielsweise Zwischenvarianten mit einem Elektrolyseur 1 1 als Hauptbestandteil, der im Normalbetrieb bei etwa 50% der Nennleistung P_Nenn betrieben wird, und einem PV- Generator 51 mit relativ kleiner Nennleistung P_PV<P_Nenn. Dabei übernimmt der PV- Generator 51 einen Teil der Leistungsänderung in Reaktion auf einen Leistungsüberschuss im Wechselspannungsnetz 15. Je größer die Nennleistung P_Peak des PV-Generators dabei ist, desto höher kann auch die Sollleistung P_Last des Elektrolyseurs 11 bei Normalbetrieb gewählt werden.
Eine andere Zwischenvariante umfasst eine Elektrolysevorrichtung 10 mit einem PV- Generator 51 als Hauptbestandteil, der im Normalbetrieb mit maximal möglicher Leistung P MPP betrieben wird, und einem Elektrolyseur 11 mit relativ kleiner Nennleistung P_Nenn<P_Peak. Dabei übernimmt der Elektrolyseur 1 1 die Leistungsänderung in Reaktion auf ein Leistungsdefizit im Wechselspannungsnetz 15, so dass ein symmetrisches Regelleistungsband angeboten werden kann, das sich aus der Nennleistung P_Nenn des Elektrolyseurs 1 1 einerseits und einer bei Bedarf gleichgroßen Abregelung des PV- Generators 51 andererseits zusammensetzt und somit lediglich von der Nennleistung P_Nenn abhängt bzw. diese voll für die Momentanreserve nutzbar macht.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysevorrichtung 10 mit einem Umrichter 12 und einem Elektrolyseur 11. Gegenüber Fig. 1 umfasst die Elektrolyse vorrichtung 10 gemäß Fig. 8 zusätzlich eine Batterie 81 , die über einen DC/DC-Wandler 82 parallel zum Elektrolyseur 11 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 16 des Umrichters 12 verbunden ist. Der DC/DC-Wandler 82 kann insbesondere den Leistungsaustausch zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis 16 und der Batterie 81 derart steuern, dass die Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 16 stabilisiert wird, wobei ggf. eine Vorsteuerung analog zu Fig. 4 verwendet werden kann. Darüber hinaus steht für die konkrete Konfiguration der Elektrolysevorrichtung 10 gemäß Fig. 8 durch die Batterie 81 ein weiterer Freiheitsgrad zur Verfügung, um einzelne Beiträge zur Bereitstellung eines symmetrischen Regelleistungsbandes als Momentanreserve zu exklusivieren. Beispiels weise kann eine Leistungsänderung in Reaktion auf ein Leistungsdefizit im Wechsel spannungsnetz 15 vollständig durch Reduzierung der DC-Leistung P_Last des Elektrolyseurs 11 auf einen Wert unterhalb seiner Nennleistung P_Nenn umgesetzt werden, während eine Leistungsänderung in Reaktion auf einen Leistungsüberschuss im Wechsel spannungsnetz 15 vollständig durch Einspeisung von DC-Leistung in die Batterie 81 realisiert wird; die in der Batterie dadurch gespeicherte Energie kann wiederum zum Betrieb des Elektrolyseurs 1 1 genutzt werden.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysevorrichtung 10 mit einem Umrichter 12 und einem über einen DC/DC-Wandler 32 mit dem Umrichter 12 verbundenen Elektrolyseur 1 1 . Gegenüber Fig. 3 umfasst die Elektrolysevorrichtung 10 gemäß Fig. 9 zusätzlich eine Batterie 81 , die analog zu Fig. 8 über einen weiteren DC/DC-Wandler 82 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 16 des Umrichters 12 verbunden ist, sowie einen PV- Generator 51 , der analog zu Fig. 5 ebenfalls mit dem Gleichspannungszwischenkreis 16 des Umrichters 12 verbunden ist, ggf. über einen hier nicht dargestellten dritten DC/DC-Wandler. Die Elektrolysevorrichtung 10 gemäß Fig. 9 kombiniert damit im Wesentlichen die Merkmale der Elektrolysevorrichtungen 10 gemäß Fig. 5 und Fig. 8 und weist daher auch deren Vorteile auf. BEZUGSZEICHENLISTE
10, 20 Elektrolysevorrichtung
11 Elektrolyseur
12 Umrichter
12a Eingang
12b Ausgang
13 Entkopplungsinduktivität
14 Netzanschlusspunkt
15 Wechselspannungsnetz
21 , 22, 23 DC-Last
21a, 22a, 23a Schalter
32, Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler)
41 Steuerungsvorrichtung
51 Photovoltaik-Generator (PV-Generator)
S1 -S3 Verfahrensschritte
S4a, S4b Verfahrensschritte
S5a, S5b Verfahrensschritte
81 Batterie
82 Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung (10) mit einem Umrichter (12), der wechselspannungsseitig über eine Entkopplungsinduktivität (13) an ein Wechselspannungs netz (15) angeschlossen ist und dem Wechselspannungsnetz (15) eine AC-Wirkleistung entnimmt, und einem Elektrolyseur (1 1 ), der gleichspannungsseitig an den Umrichter (12) angeschlossen ist und bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechsel spannungsnetzes (15) entspricht und zeitlich konstant ist, mit einer elektrischen Leistung betrieben wird, die zwischen 50% und 100% einer Nennleistung des Elektrolyseurs (11 ) beträgt, wobei der Umrichter (12) spannungseinprägend betrieben wird, so dass die dem Wechselspannungsnetz (15) entnommene AC-Wirkleistung unmittelbar in Abhängigkeit einer Änderung und/oder einer Änderungsrate der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz (15) geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Umrichter (12) eine Momentanreserveleistung bereitstellt, wobei der Umrichter (12) das Verhalten einer Synchronmaschine gegenüber Frequenzänderungen nachbildet oder ein Droop-Mode-Regelung verwendet, die eine Frequenz-Leistungs-Kennlinie umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Änderung der dem Wechsel spannungsnetz (15) entnommenen AC-Wirkleistung zu einer Änderung einer DC-Spannung am Elektrolyseur (1 1 ) führt, wobei die Änderung der DC-Spannung am Elektrolyseur (1 1 ) zu einer der Änderung der AC-Wirkleistung entsprechenden Änderung einer vom Elektrolyseur (11 ) aufgenommenen DC-Leistung führt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mittels eines ersten Gleichspannungswandlers (32) eine Spannungsübersetzung zwischen dem Elektrolyseur (11 ) und dem Umrichter (12) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Umrichter (12) elektrische Leistung mit einem gleichspannungsseitig angeschlossenen PV-Generator (51 ) austauscht, wobei der PV- Generator (51 ) parallel zum Elektrolyseur (11 ) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (16) verbunden ist, wobei eine vom PV-Generator (51 ) erzeugte elektrische Leistung wahl weise in den Elektrolyseur (11 ) oder in das Wechselspannungsnetz (15) eingespeist wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Umrichter (12) elektrische Leistung mit einer gleichspannungsseitig angeschlossenen Batterie (81 ) austauscht, wobei die Batterie (81 ) über einen zweiten Gleichspannungswandler (82) parallel zum Elektrolyseur (11 ) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (16) verbunden ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der erste Gleichspannungs wandler (32) die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises (16) stabilisiert und eine Regelung des ersten Gleichspannungswandlers (32) eine Vorsteuerung umfasst, wobei mittels der Vorsteuerung ein DC-Stromsollwert des ersten Gleichspannungswandlers (32) in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen der Netzspannung und der Wechsel spannung am Eingang (12a) des Umrichters (12) eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Gleichspannungswandler (82) die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises (16) stabilisiert und eine Regelung des zweiten Gleichspannungswandlers (82) eine Vorsteuerung umfasst, wobei mittels der Vorsteuerung ein DC-Stromsollwert des zweiten Gleichspannungswandlers (82) in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen der Netzspannung und der Wechsel spannung am Eingang (12a) des Umrichters (12) eingestellt wird.
9. Elektrolysevorrichtung (10) mit einem Elektrolyseur (1 1 ), der mit einem Umrichter (12) verbunden ist und über den Umrichter (12) elektrische AC-Wirkleistung aus einem Wechselspannungsnetz (15) entnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (12) dazu eingerichtet ist, spannungseinprägend betrieben zu werden, so dass eine Änderung der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz (15) eine unmittelbare Änderung der dem Wechselspannungsnetz (15) entnommenen Wirkleistung hervorruft.
10. Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei ein erster Gleichspannungs wandler (32) zwischen Elektrolyseur (1 1 ) und Umrichter (12) angeordnet ist.
11. Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein Photovoltaik- generator (51 ) gleichspannungsseitig parallel zum Elektrolyseur (1 1 ) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (16) der Elektrolysevorrichtung (10) verbunden ist.
12. Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , wobei eine Batterie gleichspannungsseitig über einen zweiten Gleichspannungswandler (82) parallel zum Elektrolyseur (1 1 ) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (16) der Elektrolysevorrichtung (10) verbunden ist.
13. Verfahren zur Bereitstellung von Momentanreserveleistung für ein Wechsel spannungsnetz (15) mittels eines Umrichters (12), der dem Wechselspannungsnetz (15) elektrische AC-Leistung entnimmt und einen Elektrolyseur (12) mit elektrischer DC-Leistung versorgt, wobei der Umrichter (12) spannungseinprägend betrieben wird, so dass eine Änderung der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz (15) eine unmittelbare Änderung der dem Wechselspannungsnetz (15) entnommenen AC-Leistung hervorruft.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes (15) entspricht, die dem Wechselspannungsnetz (15) entnommene und dem Elektrolyseur (11 ) zugeführte Wirkleistung zwischen 50% und 100% einer Nennleistung des Elektrolyseurs (11 ) entspricht.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Umrichter (12) elektrische Leistung mit einer gleichspannungsseitig angeschlossenen Batterie (81 ) austauscht, wenn eine Änderung der Netzfrequenz eine Änderung der AC-Leistung hervorruft und die dem Elektrolyseur (11 ) zugeführte DC-Leistung am Rande eines Betriebsbereiches des Elektrolyseurs (1 1 ) liegt, wobei der Betriebsbereich von einer unteren Einsetzleistung zwischen 10% und 20% der Nennleistung und einer oberen Maximalleistung zwischen 80% und 100% der Nennleistung des Elektrolyseurs (11 ) begrenzt ist, wobei die Batterie (81 ) über einen Gleichspannungswandler parallel zum Elektrolyseur (10) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (16) des Umrichters (12) verbunden ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Umrichter (12) elektrische Leistung mit einem gleichspannungsseitig angeschlossenen Photovoltaikgenerator (51 ) austauscht, wobei bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes (15) entspricht, der PV-Generator (51 ) an einem Arbeitspunkt maximaler Leistung und der Elektrolyseur (11 ) mit Nennleistung betrieben werden, wobei die Leistung des PV- Generators (51 ) reduziert wird, wenn eine Änderung der Netzfrequenz auftritt, die den Umrichter (12) zu einer Reduzierung einer momentan eingespeisten bzw. einer Erhöhung einer momentan entnommenen AC-Leistung veranlasst, und wobei die DC-Leistung des Elektrolyseurs (11 ) reduziert wird, wenn eine Änderung der Netzfrequenz auftritt, die den Umrichter (12) zu einer Erhöhung einer momentan eingespeisten bzw. einer Reduzierung einer momentan entnommenen AC-Leistung veranlasst.
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