EP4449571A1 - Vorrichtung und verfahren zum umwandeln elektrischer leistung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum umwandeln elektrischer leistung

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EP4449571A1
EP4449571A1 EP22836187.9A EP22836187A EP4449571A1 EP 4449571 A1 EP4449571 A1 EP 4449571A1 EP 22836187 A EP22836187 A EP 22836187A EP 4449571 A1 EP4449571 A1 EP 4449571A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
power
inverter
rectifier
transformation ratio
Prior art date
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Pending
Application number
EP22836187.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Kratochvil
Alexander UNRU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4449571A1 publication Critical patent/EP4449571A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/02—Arrangements for reducing harmonics or ripples
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2101/00—Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
    • H02J2101/22—Solar energy
    • H02J2101/24—Photovoltaics
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the application relates to a device and a method for converting electrical power, which is taken in particular from a PV generator and fed to an electrolyzer.
  • a PV generator (PV: photovoltaic) has a PV characteristic curve that shows the dependency of the current generated by the PV generator on the voltage applied to the PV generator.
  • PV photovoltaic
  • the power converter can specify the voltage on the PV generator and vary it over a relatively large voltage range.
  • the PV curve shows a point of maximum power, i.e. a voltage where the product of current and voltage is maximum.
  • the maximum power is also referred to as MPP power (MPP: Maximum Power Point).
  • the power converter includes a controller that attempts to set the maximum power point by suitably varying the voltage and observing the corresponding change in power. In particular, a measurement of the current as a function of the set voltage can be used for this purpose.
  • An electrolyzer has an electrolysis characteristic that shows the dependency of the current consumed by the electrolyzer on the voltage applied to the electrolyzer.
  • the power converter can specify the voltage on the electrolyzer and vary it over a voltage range.
  • the electrolysis characteristic curve of the current has an idle range and a starting voltage, with the electrolyser being idle below the starting voltage and being able to be operated in electrolysis mode above the starting voltage.
  • the starting voltage corresponds to the so-called decomposition voltage of the individual electrolysis cells of the electrolyser.
  • the current consumed by the electrolyzer and thus the power consumed increases monotonically with increasing voltage at the electrolyzer up to a maximum output of the electrolyzer.
  • DE3150758A1 describes a device that feeds electrical power generated by a PV generator to an electrolyzer via a switching mechanism.
  • the switching mechanism carries out part of the PV generator generated electrical energy to a battery or supplies the electrolyzer with electrical energy that is partly taken from the battery.
  • the application is based on the object of demonstrating an improved device for converting electrical power, which is set up to take electrical power from a PV generator and feed it to an electrolyzer.
  • the invention is also based on the object of demonstrating an improved method for converting electrical power, in which the electrical power is taken from a PV generator and fed to an electrolyzer.
  • a device for converting electrical power between a PV generator and an electrolyzer, the device having a first side for connecting a PV generator and a second side for connecting an electrolyzer.
  • the device has an inverter and an active rectifier.
  • the inverter is placed between the first side of the device and a transformer.
  • the active rectifier is placed between the transformer and the second side of the device.
  • an AC side of the rectifier is connected to an AC side of the inverter via the transformer.
  • the inverter is configured to convert a first DC voltage on the DC side of the inverter into a first AC voltage on the AC side of the inverter.
  • the first DC voltage can correspond in particular to a PV voltage of a connected PV generator.
  • the rectifier is configured to convert a second AC voltage on the AC side of the rectifier to a second DC voltage on the DC side of the rectifier.
  • the second DC voltage can in particular correspond to an electrolysis voltage of a connected electrolyzer.
  • the device has a controller which is set up by adjusting an AC/DC transformation ratio of the rectifier between the second AC voltage and the second DC voltage affecting a power flow between the first side and the second side of the device from a connected PV generator to a connected electrolyzer.
  • the AC/DC transformation ratio corresponds to the quotient of the second AC voltage on the AC side of the rectifier and the second DC voltage on the DC side of the rectifier.
  • this quotient can be formed from various parameters of the DC voltage and the AC voltage, it being possible in particular to use a maximum amplitude or an effective value of the respective voltage.
  • the flow of electrical power between the PV generator and the electrolyzer can be set, so that the power converted by the device, e.g. B. can be adapted to the prevailing operating conditions of the PV generator and electrolyzer. So e.g. B. the power flow can be dynamically adapted to the operating conditions.
  • This can e.g. B. include setting the AC/DC transmission ratio to aim for a power flow that corresponds to an optimal point on the respective characteristic curves of the electrolyzer and/or PV generator, in particular an operating point of maximum power of the PV generator.
  • the setting can be done step by step and/or successively.
  • the control of the device is preferably arranged in the active rectifier.
  • the active rectifier has semiconductor switches, which are designed in particular in a bridge arrangement and form an active rectifier bridge.
  • the AC/DC transformation ratio of the active rectifier is set by suitable clocking of the semiconductor switches. Clocking is achieved by clocked control of the semiconductor switches.
  • the clocked control can z. B. by controlling the device or by controlling the active rectifier.
  • the relationship between the second DC voltage and the second AC voltage depends on the AC/DC transformation ratio of the active rectifier.
  • the DC voltage can essentially correspond to the maximum amplitude of the AC voltage when the transformation ratio has the value one, for example when the semiconductor switches are not clocked.
  • the first DC voltage on the DC side of the inverter and the second DC voltage on the DC side of the active rectifier depend on the AC/DC transformation ratio of the active rectifier.
  • the power flow between the first and second side of the device is influenced by adjusting the first and second DC voltage via the AC/DC transformation ratio of the rectifier.
  • the first DC voltage and the second Set the DC voltage for a given AC/DC transformation ratio in such a way that the operating points on the characteristic curves of a connected PV generator and a connected electrolyser essentially have the same power with opposite signs, with their DC voltages corresponding to the AC/DC Gear ratio are spaced from each other.
  • the active rectifier can act as a step-down converter depending on the AC/DC transformation ratio, in particular from its DC side to its AC side.
  • the second AC voltage more precisely the phase-to-phase voltage of the second AC voltage on the AC side of the rectifier, results here from the second DC voltage multiplied by the AC/DC transformation ratio.
  • the active rectifier which acts as a buck converter
  • the AC/DC transformation ratio is less than or at most equal to 1. This allows the power flow to be set even better and the operating point on the respective characteristic curves to be optimized.
  • the inverter can act as a buck converter with a DC/AC transformation ratio from its DC side to its AC side.
  • the DC/AC transformation ratio corresponds to the quotient of the first DC voltage on the DC side of the inverter and the first AC voltage on the AC side of the inverter.
  • the first AC voltage more precisely the phase-to-phase voltage of the first AC voltage, results here from the first DC voltage multiplied by the DC/AC transformation ratio.
  • the DC/AC transformation ratio is greater than or at least equal to 1. As a result, the power flow can be set even better and the operating point on the respective characteristic curves can be optimized.
  • the transformer converts the first AC voltage to the second AC voltage with an AC/AC transformation ratio and implements a galvanic isolation between the first side and the second side of the device.
  • the AC/AC transformation ratio corresponds to the quotient of the first AC voltage on one side of the transformer and the second AC voltage on the other side of the transformer.
  • the first AC voltage, which is present on the AC side of the inverter is thus in particular coupled to the second AC voltage, which is present on the AC side of the rectifier by the transformer converting the first AC voltage to the second AC -Converts voltage with the AC/AC transformation ratio.
  • the first DC voltage on the DC side of the inverter can thus also depend on the second AC voltage via the first AC voltage and the transformer and can be coupled to the second DC voltage via the current transformation ratio of the active rectifier.
  • the device is configured to control power flow between its first side and its second side by adjusting the DC/AC transformation ratio of the inverter and/or the AC/AC transformation ratio of the transformer.
  • This influence is therefore in addition to the influence of the AC/DC transformation ratio of the rectifier.
  • the inverter is designed in such a way that it can perform the function of the active rectifier when it is suitably controlled, and vice versa so that the active rectifier can perform the function of the inverter.
  • the inverter and the active rectifier have in particular the same housing and in particular the same electronic power circuit.
  • the active rectifier and the inverter can have the same hardware equipment and differ only in the control of the semiconductor switches, which defines the “active rectifier” or “inverter” function. This has the particular advantage that existing hardware can be used flexibly for different purposes.
  • the inverter is connected to the transformer via an AC grid and at least one further inverter is connected to the AC grid, the DC side of the further inverter being connectable to a further PV generator or an electrical energy store .
  • an AC network which is in particular locally limited and preferably not connected to a power supply network, it is possible to use electrical power from other DC units, e.g. B. other PV generators or z. As batteries, is generated or held available to feed into the electrolyzer.
  • a method for converting electrical power between a PV generator and an electrolyzer has the steps:
  • the first DC voltage is present on a DC side of the inverter and thus on the connected PV generator.
  • the first AC voltage is present on an AC side of the inverter at the transformer.
  • the second AC voltage is present on an AC side of the active rectifier.
  • the second DC voltage is present on a DC side of the rectifier at the electrolyzer. Both the first DC voltage and the second DC voltage depend on the set AC/DC transformation ratio of the active rectifier.
  • the power flow is increased based on a first DC voltage, which corresponds to an open-circuit voltage of the PV generator, and a second DC voltage, which corresponds to an open-circuit voltage of the electrolyzer, in that the AC/DC transformation ratio of the active rectifier is set in such a way that the first DC voltage decreases and the second DC voltage increases, with the PV power along a PV characteristic curve of the PV generator in the direction of an MPP power and the DC power absorbed by the electrolyzer Power increases along an electrolysis characteristic of the electrolyzer towards a rated power.
  • the respective operating point is shifted in the direction of higher output on the characteristic curves of the electrolyser and PV generator at the same time, with the output being largely identical from the respective operating points onwards.
  • the AC/DC transformation ratio of the active rectifier is set to an initial state such that the first DC voltage corresponds to an open-circuit voltage of the PV generator and the second DC voltage corresponds to an open-circuit voltage of the electrolyzer.
  • the no-load voltage of the PV generator is a variable that is given at a point in time, while the no-load voltage of the electrolyzer can be located within a voltage range below a starting voltage.
  • the ratio of the first DC voltage to the second DC voltage can essentially correspond to the product of the AC-AC transformation ratio of the transformer and a specified DC/AC transformation ratio of the inverter.
  • the DC/AC transformation ratio of the inverter is set to a value between 1 and 2, preferably to a value between 1.3 and 1.7, e.g. B. 1.5 fixed.
  • This value is particularly advantageous for setting the initial state of the device and the method such that the power flow between the first and second side of the device is optimized and, in particular, suitable operating points on the characteristic curves of the PV generator and electrolyzer can be achieved.
  • the selection of a specific value for the DC/AC transformation ratio enables greater freedom in the selection of the PV generators and electrolysers that can be connected, and the process can be optimally adjusted to the range of foreseeable changes in the characteristic curves during operation, ie in particular to weather-related and radiation-related shifts in the PV characteristic curve of the PV generator can be adjusted.
  • the AC/AC transformation ratio of the transformer can be changed stepwise in order to achieve an initial state in which the DC/AC transformation ratio of the inverter has the value specified therefor and the AC/DC transformation ratio of the rectifier has essentially reached the have a value of one.
  • This state is particularly advantageous for setting the initial state of the device and the method such that the power flow between the first and second side of the device can be optimized and, in particular, suitable operating points on the characteristic curves of the PV generator and electrolyzer can be achieved.
  • the selection of the AC/AC transformation ratio and its range of variation can be used as a degree of freedom for the design of the overall system and can be optimized for the specific relative position of the characteristic curves of the PV generator and electrolyzer.
  • the DC/AC transformation ratio and the AC/AC transformation ratio can be changed once or repeatedly, for example daily when the energy supply system is started in the morning and/or several times a day in response to changes in the characteristic curves, for example to shifts in the PV characteristic curve caused by weather and solar radiation of the PV generator.
  • the AC/DC transformation ratio of the rectifier is adjusted by varying a degree of modulation of the active rectifier as a function of a detected power of the power flow from the PV generator into the electrolyzer.
  • the AC/DC transformation ratio ie the transformation ratio of the active rectifier, depends on the degree of modulation of the active rectifier, in particular on the degree of modulation of the semiconductor switches of the active rectifier.
  • the AC/DC transformation ratio of the rectifier is changed step by step in such a way that the power output of the PV generator, i.e. the PV Power is gradually increased, the power output is preferably increased from the initial state or from zero to a maximum power of the PV generator. Starting from the idling of the PV generator, this corresponds to a reduction in the first DC voltage, which corresponds to the PV voltage, from the idling voltage of the PV generator along the PV characteristic towards greater power.
  • the PV power can flow from the PV generator to the electrolyzer as part of the power flow of electrical power.
  • the AC/DC transformation ratio of the rectifier is changed repeatedly and the change in the power flow caused thereby is observed.
  • the AC/DC transformation ratio of the rectifier is adjusted after each change in such a way that the PV power of the PV generator approaches the MPP power.
  • This can e.g. B. correspond to an MPP tracking scheme.
  • the active rectifier carries out the MPP tracking of the PV generator.
  • the device has a further inverter which is connected to an electrical energy store on its DC side and to the transformer on its AC side, the further inverter exchanging an adjustable DC storage power with the energy store.
  • An energy conversion system may include a PV generator, an electrolyzer, and one or more of the electrical power conversion devices described above. Such an energy conversion system can be set up to carry out one or more of the methods described above.
  • FIG. 1 shows an example of an energy conversion system with an embodiment of a device for converting electrical power
  • FIG. 2 shows an example of an energy conversion system with an embodiment of a device for converting electrical power
  • Fig. 3 shows exemplary characteristics of a PV generator and an electrolyzer
  • FIG. 4 shows exemplary characteristic curves of a PV generator and an electrolyzer in an energy conversion system over a common x-axis
  • 5 shows an example of an energy conversion system with an embodiment of a device for converting electrical power
  • FIGS. 6-9 show characteristic curves for an exemplary design of the device for converting electrical power.
  • FIG. 1 schematically shows an energy conversion system 100 with a device 10 for converting electrical power.
  • a PV generator 12 is connected to an electrolyzer 14 via the device 10 .
  • the device 10 comprises an inverter 16, a transformer 18 and an active rectifier 20.
  • the inverter 16 and the rectifier 20 are structurally identical with regard to their essential properties, i.e. in particular they have the same housing and the same electronic power circuit.
  • the available PV power P_PV of the PV generator 12 is converted in the device 10 and is available as electrolysis power P_P2G directly for use in the electrolyzer 14, in particular for hydrogen production.
  • the transformer 18 is pre-magnetized, and it can be advantageous for building up the pre-magnetization to increase the amplitude of the first AC voltage U_AC1 generated by the inverter via a ramp up to the desired value.
  • the inverter 16 is set up to lower the first DC voltage U_PV present on the DC side, which essentially corresponds to the PV voltage U_PV, from the DC to the AC side with a DC/AC transformation ratio, so that the first DC voltage U_PV (and thus the PV voltage U_PV) is above the amplitude of the phase-to-phase voltage generated first AC voltage U_AC1.
  • the second AC voltage U_AC2 which is present on the AC side of the active rectifier 20, results from the first AC voltage on the AC side of the inverter 18 divided by the AC/AC transformation ratio of the transformer 18. If the AC / AC transmission ratio of the T ransformators 18 z. B. 1.5, the second AC voltage U_AC2 is transformed to 2/3 of the value of the first AC voltage U_AC1.
  • the second AC voltage U_AC2 on the AC side of the active rectifier 20 is z. B. 350V to 690V and is not set to a fixed value, especially during operation, but can be Vary depending on the set AC / DC transformation ratio of the rectifier 20 or the desired power flow.
  • Fig. 2 shows possible expansions of the energy conversion system 100.
  • a storage device 26 via a bidirectional inverter 17 to the transformer 18, any excess PV power P_PV can be stored and the electrolysis operation can be supported at times of low PV power P_PV by drawing energy from the storage device 26 or be maintained.
  • more than one PV generator 12 can be connected to the transformer 18 .
  • Several PV generators 12 can each be connected via their own inverter 16 . If the PV generators 12 have different characteristics, for example due to different string lengths, and are therefore operated optimally with different PV voltages U_PV, the DC/AC transformation ratios of the inverters 16 can be adjusted accordingly, so that the inverters have the same first AC voltage Generate U:AC.
  • the PV generators 12 and the storage device 26 can be connected to the transformer via a local AC grid 28 which, in particular, is not connected to a public grid.
  • Fig. 3 shows exemplary characteristics of a PV generator 12 and an electrolyzer 14.
  • the PV characteristic of Fig. 3 a) represents the dependency of the current I_PV generated by the PV generator 12, the first DC current, from the to the PV -Generator 12 applied voltage U_PV under given external conditions (temperature, irradiation , etc.). is.
  • the maximum PV power P_PV is also referred to as the MPP power.
  • the PV generator 12 is therefore controlled by a controller that endeavors to set the point of maximum power by suitably varying the PV voltage U_PV and observing the corresponding change in the PV power P_PV.
  • a measurement of the PV current I_PV as a function of the set PV voltage U_PV can be used for this purpose.
  • This regulation is preferably arranged in the device 10 for power conversion.
  • the control of the device 10 and/or the control of the active rectifier 20 can additionally perform this control task.
  • An electrolyzer 14 has z.
  • Electrolysis current l_P2G represents the applied to the electrolyzer 14 second voltage U_P2G.
  • the electrolysis characteristic curve of the electrolysis current l_P2G has an open-circuit voltage range and a starting voltage U z , with the electrolyzer 14 being in the open-circuit voltage range below the starting voltage U z and thus in no-load operation, and being able to be operated in the electrolysis mode above the starting voltage V z .
  • a performance characteristic of the electrolyzer 14 results from the multiplication of the electrolysis current and electrolysis voltage U_P2G and has a similar course, monotonically increasing with the second DC voltage U_P2G, to the largely linear electrolysis characteristic of the current l_P2G shown largely corresponds to a quadratic function.
  • the active rectifier 20 starts with the pre-charging of its own intermediate DC circuit when the system is started.
  • the active rectifier 20 draws electrical AC power P_AC via the transformer 18, which is biased by the inverter 12 using PV power.
  • the AC power drawn from the rectifier 20 is taken from the PV generator 12 by the inverter 16 and initially fed into a capacitance on the DC side of the rectifier 20 as pre-charging power via the transformer 18 and the rectifier 20 .
  • the rectifier 20 is preferably structurally identical to the inverter 16 with regard to the electronic power circuit and therefore acts as a buck converter from its DC side to its AC side, the second DC voltage U_P2G on the DC side of the rectifier 20 is greater than the amplitude the second AC voltage U_AC2 on the AC side of the rectifier 20.
  • the rectifier 20 acts as a buck converter in the direction of the second AC voltage U_AC2 with an AC/DC transformation ratio that is divided by the second AC voltage U_AC2 by the second DC voltage U_P2G results.
  • the AC/DC transformation ratio is less than 1 according to this definition.
  • the second AC voltage U_AC2 is converted into the second DC voltage U_P2G via the rectifier 20 operated as a step-up converter, the DC voltage being greater than the amplitude of the second AC voltage U_AC2.
  • the energy in the rectifier 20 capacitance charged with the second DC voltage U_P2G can be used to provide an optional auxiliary supply 22 that is particularly useful for the periphery of an electrolyzer 14 can be used (e.g. pumps, heaters, etc.).
  • an optional auxiliary supply 22 that is particularly useful for the periphery of an electrolyzer 14 can be used (e.g. pumps, heaters, etc.).
  • the auxiliary voltage in the auxiliary supply 22 can be set via a further inverter or a DC voltage converter from the DC side of the rectifier 20 or via a converter or a rectifier from the AC side of the rectifier 20 take place.
  • the auxiliary supply can therefore optionally have a further inverter or a DC voltage converter as an auxiliary unit, which is connected to the DC side of the active rectifier 20 .
  • the auxiliary supply can optionally have a converter or a rectifier as auxiliary units, which is connected to the AC side of the active rectifier 20 .
  • the auxiliary supply can include an electrical storage device in order to dampen the effects of voltage fluctuations at the output of the active rectifier 20 or of fluctuations in the PV power P_PV on the voltage of the auxiliary supply 22 .
  • the DC-side switch 24 is closed and the process for converting electrical power changes from the system start to electrolysis operation.
  • rectifier 20 takes on the task of providing second AC voltage U_AC2 with a specified frequency and variable amplitude by using a variable duty cycle to calculate the ratio of second DC voltage U_P2G at electrolyzer 14 and the second AC voltage U_AC2 at the transformer 18 sets. This ratio corresponds to the AC/DC transformation ratio.
  • the inverter 16 converts the first AC voltage U_AC1 present on its AC side, i.e. the second AC voltage U_AC2 at the rectifier 20, translated by the transformer 18 using the AC/AC transformation ratio, into a second DC voltage U_PV on its DC side, which is applied to the PV generator 12 during electrolysis operation.
  • the inverter 16 preferably uses a fixed DC/AC transformation ratio, so that the voltage of the PV generator U_PV is related
  • the inverter 16 generates an AC voltage from the DC voltage U_PV, which follows the first AC voltage U_AC1 provided by the rectifier 20 and possibly scaled via the transformer 18, and feeds in an electric current that results from the PV power P_PV with the resulting PV voltage U_PV results.
  • the DC/AC transformation ratio and thus the ratio of U_PV and U_AC1 in power balance can basically be kept constant.
  • a controller of the device 10 can use power setpoints that indicate a power to be consumed by the electrolyzer 14 .
  • the active rectifier 20 provides the specified power z. B. by means of its control by the AC / DC transformation ratio between the second AC voltage U_AC2 on the AC side of the active rectifier 20 and the second DC voltage U_P2G at the electrolyzer 14 is varied.
  • a power balance is established between the AC input and the DC output of the active rectifier 20, in that the power supplied by the PV generator 12 corresponds to the power drawn from the electrolyzer 14, at least when the power is negligible losses in the overall system.
  • Both the PV power P_PV and the electrolysis power P_P2G can be increased by starting from an AC/DC transformation ratio of the rectifier 20 of one, in which, taking into account the AC/AC transformation ratio of the transformer 18, both the PV Generator 12 is idling and the electrolyser 14 is at an idle voltage, the AC/DC transformation ratio is changed in such a way that the AC voltages and thus the PV voltage U_PV decreases and the second DC voltage U_P2G and thus the electrolyser voltage increases.
  • the working point of the PV generator 12 on the PV characteristic curve moves in the direction of the MPP and the working point of the electrolyzer 14 on the electrolysis characteristic curve of the current I_P2G in the direction of the nominal power.
  • An overall operating point of the device 10 is established, at which the ratio of the second DC voltage U_P2G and the first DC voltage U_PV corresponds to the overall transformation ratio of the device 10 and at the same time the PV power P_PV is equal to the DC power P_P2G .
  • the control of the active rectifier 20 changes to MPP tracking, in which the variation of the second AC voltage U_AC2 by the active rectifier 20 is is carried out that the maximum possible PV power P_PV is retrieved from the PV generator, at least as long as this is in the rated power range of the electrolyzer 14 and can be processed by the electrolyzer 14 and / or a memory 26.
  • the power flow from the PV generator 12 to the electrolyzer 14 can be initiated and increased by in turn modifying the AC/DC transformation ratio of the rectifier 20, so that the second DC voltage U_PV and thus the PV voltage decreases and the second DC voltage U_P2G and thus the electrolyzer voltage increases.
  • the transformer can have an AC/AC transformation ratio equal to one.
  • the characteristics of the PV generator 12 and of the electrolyzer 14 could be designed in such a way that, in the starting state, ie with an AC/DC transformation ratio and DC/AC transformation ratio of one or close to one, as shown in FIG. next to each other”, ie the starting voltage U z of the electrolyzer 14 would have to be (just) above the no-load voltage U 0 /c of the PV generator 12 .
  • the need for a quite high voltage range of the electrolyzer 14 may arise.
  • the starting voltage of the electrolyzer would have to be essentially above the no-load voltage of the PV generator 12 .
  • the transformer 18 can have an AC/AC transformation ratio that First AC voltage U_AC1 present on the PV side is transformed into a significantly lower second AC voltage U_AC2 on the electrolyzer side.
  • the electrolyzer characteristic per se can be at significantly lower voltages, ie, for example, an electrolyzer 14 with lower power can be used, or the PV characteristic can be at significantly higher voltages, ie a larger PV generator 12 can be used.
  • the transformer 18 "shifts" the characteristic curves relative to one another based on its AC/AC transformation ratio, so that in the starting state both the PV generator 12 and the electrolyser 14 are at idle voltage.
  • the AC/AC transformation ratio of the transformer 18 represents a degree of freedom in the design of the energy conversion system and/or changes in the environmental conditions, for example changes in the irradiation and/or the temperature and the result any following changes, in particular of the PV characteristic curve, can be used to adapt the working areas of the PV generator 12 and the electrolyzer 14 to one another.
  • Electrolysis curves can be specified in terms of current and/or in terms of power. On the one hand, this can already be done during the design of the energy conversion system 100 and/or on the other hand it can be achieved during operation of the energy conversion system 100 by (dynamically) changing the AC/AC transformation ratio of the transformer 18, for example via a tap changer.
  • the characteristic curves can be used, for example, to compensate for external influences such as e.g. B. irradiation, temperature by means of a variation of the operation itself fixed DC / AC ratio of the inverter 16 can be suitably shifted against each other.
  • FIG. 5 shows a specific embodiment of an energy conversion system 100 with an embodiment of the device 10 for converting electrical power and with designation of the various voltages and currents occurring during operation.
  • the PV generator 12 feeds PV power P_PV into the DC side of the inverter 16 at the first DC voltage U_PV and the PV current I_PV.
  • the inverter 16 converts this PV power P_PV into a first AC power P_AC1.
  • the inverter 16 acts as a buck converter from its DC side to its AC side, i. H. the line-to-line voltage of the first AC voltage U_AC1 on its three-phase AC side is smaller than the first DC voltage U_PV on its DC side.
  • the bucking takes place with the DC/AC transformation ratio.
  • a transformer 18 is connected with the AC/AC transformation ratio. It transforms the first AC voltage U_AC1 into the second AC voltage U_AC2 and thus converts the first AC power P_AC1 into a second AC power P_AC2.
  • the transformer 18 is fed by the first AC current I_AC1.
  • the second AC voltage U_AC2 is present on the AC side of the active rectifier 20 and the second AC current I_AC2 flows into the rectifier 20, so that the rectifier 20 absorbs the second AC power P_AC2.
  • the rectifier 20 converts the second AC power P_AC2 into a DC power P_P2G.
  • the active rectifier 20 acts as a step-down converter from its DC side to its AC side.
  • the active rectifier 20 thus acts from its AC side to its DC side as a step-up converter with the AC/DC transformation ratio.
  • the active rectifier 20 feeds the electrolyzer 14 and supplies it with the DC power P_P2G at the second DC voltage U_P2G and with the second DC current l_P2G, the second DC voltage U_P2G and the second DC Current on the electrolysis characteristic of the electrolyzer 14 are linked.
  • FIGS. 6 to 9 Various characteristic curves and operating points of a design of the energy conversion system 100 with the device 10 according to FIG. 5 are shown by way of example in FIGS. 6 to 9 .
  • FIG. 6 shows the behavior of a PV generator 12 as a function of the voltage, with a distinction being made between current and power on the one hand and between DC and AC on the other.
  • the characteristic shown with dashes represents the PV power P_PV over the first DC voltage U_PV for an example of a PV generator 12.
  • the characteristic shown with two dashes represents the first DC current I_PV over the first DC voltage U_PV for the same PV generator 12.
  • the solid curve represents the first AC power P_AC1 over the first AC voltage U_AC1 on the AC side of the inverter 16.
  • the dashed curve represents the first AC current I_AC1 over of the first AC voltage U_AC1.
  • the total current l_AC1 is plotted in all three conductors for phase-to-phase voltages U_AC1.
  • the amplitude of the first DC voltage U_PV of the inverter 16 is permanently greater by a factor of 1.5 during operation than the amplitude of the phase-to-phase voltage of the first AC voltage U_AC1 on the AC side of the inverter 16.
  • FIG. Fig. 7 shows a section of the PV characteristic P_PV of the PV generator 12, the corresponding PV characteristic P_AC2 on the AC side of the active rectifier 20, and the electrolysis characteristic P_P2G on the DC side of the active rectifier 20.
  • the excerpts shown relate to the characteristic curves mentioned when the solar radiation on the PV generator 12 is low, for example in the morning.
  • the PV characteristic shown with dashes represents the PV power P_PV over the first DC voltage U_PV of the PV generator 12.
  • the characteristic shown as a solid line represents the second AC power P_AC2 over the second AC voltage U_AC2 on the AC Side of the rectifier 20.
  • the dotted curve represents the electrolysis power P_P2G over the second DC voltage U_P2G the DC terminals of the rectifier 20 applied second DC voltage U_P2G.
  • points AP1 are marked on the illustrated characteristics. These working points AP1 are used for a starting phase of the energy conversion system 100 when there is little irradiation, ie when the power is very low compared to the rated power of the electrolyzer (here: 10 kW at approximately 1000 kW rated power, see FIG. 8).
  • the PV generator 12 has enough power available to cover losses and for the magnetizing current of the transformer 18, to pre-charge the electrolyzer 14 and to supply the auxiliary units of the auxiliary supply 22.
  • the power available when the PV Generator 12 applied voltage of 850 V is 10 kW in the example shown.
  • the second AC voltage U_AC2 and thus also the PV voltage U_PV decrease at the same time.
  • both the PV power P_PV or the second AC power P_AC2 coupled thereto and the electrolysis power P_P2G increase.
  • a power balance is established which, in FIG. If the available power drops to e.g. B. below 2 kW, the energy conversion system 100 goes back to sleep. It would also be possible here to provide an energy store for buffering power for the starting phase, e.g. B. for the auxiliary units of the auxiliary supply, losses or the like.
  • FIGS. 8 and 9 each show the PV characteristics l_PV, P_PV of the PV generator 12, the PV characteristics l_AC2, P_AC2 coupled thereto on the AC side of the active rectifier 20, and the electrolysis characteristics l_P2G, P_P2G of the electrolyzer 14 the DC side of the active rectifier 20.
  • the irradiation on the PV generator 12 is higher here than in the characteristic curves of Fig. 7.
  • the PV characteristic shown with dashes represents the PV power P_PV over the first DC voltage U_PV at the PV generator 12.
  • the PV characteristic shown with two dashes represents the PV current I_PV over the PV Voltage U_PV on the PV generator 12.
  • the PV characteristic shown as a solid line represents the second AC power P_AC2 over the second AC voltage U_AC2 on the AC side of the rectifier 20.
  • the characteristic shown as a narrow dashed line represents the second AC Current l_AC2 over the second AC voltage U_AC2.
  • the total current l_AC2 is plotted in all three conductors for phase-to-phase voltages U_AC2, which is higher than the first DC current l_PV for the same power, since the voltage U_AC2 is lower than the voltage U_PV , while the powers P_DC and P_AC2 are identical.
  • the dotted characteristic curve represents the electrolysis power P_P2G over the electrolysis voltage U_P2G.
  • the characteristic curve shown with broad dashed lines represents the electrolysis current l_P2G over the electrolysis voltage U_P2G Power consumed in the electrolysis in relation to the electrolysis voltage U_P2G present at the DC terminals of the rectifier 20.
  • the illustrated electrolysis characteristic curve of the electrolysis current I_P2G shows the current that flows into the electrolyzer in relation to the electrolysis voltage U_P2G present at the DC terminals of the rectifier 20 .
  • FIG. 8 shows the operation of energy conversion system 100 at an operating point AP2 with maximum power P_MPP.
  • the system is operated with a power corresponding to the maximum power point (MPP) of the PV generator 12 .
  • MPP maximum power point
  • the corresponding operating points on the characteristic curves for P_P2G, P_PV and P_AC2 are each labeled AP2.
  • the active rectifier 20 reduces the second AC voltage U_AC2 and at the same time increases the electrolysis voltage U_P2G. This also reduces the PV voltage U_PV, so that the PV power P_PV increases until a new Power balance between generated PV power P_PV and consumed electrolysis power P_P2G at a given gear ratio of the device 10 sets.
  • the AC/DC transformation ratio can be varied further until the maximum power of the PV generator 12 is reached. This then corresponds to the operating point AP2.
  • FIG. 9 shows the operation of the energy conversion system 100 in an operating point AP3.
  • z. B. as constant as possible, i.e. uniform gas generation, e.g. B. a hydrogen production with a constant generation rate are sought, or a power limitation may be required, z. B. to a rated power of the electrolyzer 14 if this is less than the available PV power P_PV.
  • an electrolysis management of the electrolyzer 14 transmit a current setpoint for the electrolysis current I_P2G or a power setpoint for the electrolysis power P_P2G to the active rectifier 20.
  • the active rectifier 20 increases the spread between the electrolysis voltage U_P2G and the second AC voltage U_AC2 until the desired setpoint for the second electrolysis current l_P2G or until the desired setpoint for the electrolysis power P_P2G is reached. This then corresponds to the operating point AP3. If the electrolysis current l_P2G in this working point AP3 with a given distance between U_PV and U_P2G is smaller than the current setpoint, z. B.
  • the active rectifier 20 increases the distance between U_PV and U_P2G by changing the AC-DC transformation ratio, so that the PV voltage U_PV decreases and thus the PV power along the PV characteristic curve increases until a new balance between generated PV power P_PV and consumed electrolysis power P_P2G is established for a given gear ratio of device 10 .
  • the controls described above, in particular with reference to Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, can - as described - by the active rectifier 20, in particular by a controller in the active rectifier 20, and alternatively or additionally by a control unit of the device 10 be performed.
  • Electric power conversion device 10
  • PV generator 14
  • Electrolyzer 16
  • Inverter 17 Inverter 18
  • T ransformer
  • Rectifier 22
  • Auxiliary supply 24
  • Switch 26
  • Energy storage 28
  • AC grid 100 Energy conversion system

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Umwandeln elektrischer Leistung zwischen einem PV-Generator (12) und einem Elektrolyseur (14), wobei die Vorrichtung eine erste Seite zum Anschluss eines PV-Generators (12) und eine zweite Seite zum Anschluss eines Elektrolyseurs (14) aufweist. Die Vorrichtung weist auf: einen Wechselrichter (16), der zwischen der ersten Seite und einem Transformator (18) angeordnet ist, und einen aktiven Gleichrichter (20), der zwischen dem Transformator (18) und der zweiten Seite angeordnet ist, so dass eine AC-Seite des Gleichrichters (20) und eine AC- Seite des Wechselrichters (16) über den Transformator (18) miteinander verbunden sind, wobei der Wechselrichter (16) dazu eingerichtet ist, eine erste DC-Spannung auf der DC-Seite des Wechselrichters (16) in eine erste AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters (16) umzuwandeln, wobei der Gleichrichter (20) dazu eingerichtet ist, eine zweite AC-Spannung auf der AC-Seite des Gleichrichters (20) in eine zweite DC-Spannung auf der DC-Seite des Gleichrichters (20) umzuwandeln, wobei die Vorrichtung (10) eine Steuerung aufweist, welche eingerichtet ist, durch Einstellen eines AC/DC-Übersetzungsverhältnisses des Gleichrichters (20) zwischen der zweiten AC-Spannung und der zweiten DC-Spannung einen Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der Vorrichtung von einem angeschlossenen PV-Generator (12) zu einem angeschlossenen Elektrolyseur (14) zu beeinflussen. Die Anmeldung betrifft weiter Verfahren zum Umwandeln elektrischer Leistung.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM UMWANDELN ELEKTRISCHER LEISTUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung, die insbesondere einem PV-Generator entnommen und einem Elektrolyseur zugeführt wird.
STAND DER TECHNIK
Ein PV-Generator (PV: Photovoltaik) weist eine PV-Kennlinie auf, die die Abhängigkeit des vom PV-Generator erzeugten Stroms von der an den PV-Generator angelegten Spannung darstellt. Im Betrieb eines PV-Generators an einem Leistungswandler, insbesondere an einem Wechselrichter, kann der Leistungswandler die Spannung am PV-Generator vorgeben und über einen relativ großen Spannungsbereich variieren. Die PV-Kennlinie weist einen Punkt maximaler Leistung auf, d.h. eine Spannung, bei der das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist. Die maximale Leistung wird auch als MPP-Leistung (MPP: Maximum Power Point) bezeichnet. In der Regel umfasst der Leistungswandler eine Regelung, die bestrebt ist, den Punkt maximaler Leistung einzustellen, indem die Spannung geeignet variiert und die korrespondierende Änderung der Leistung beobachtet wird. Dazu kann insbesondere eine Messung des Stroms in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung verwendet werden.
Ein Elektrolyseur weist eine Elektrolyse-Kennlinie auf, die die Abhängigkeit des vom Elektrolyseur aufgenommenen Stroms von der an den Elektrolyseur angelegten Spannung darstellt. Im Betrieb eines Elektrolyseurs an einem Leistungswandler, insbesondere an einem aktiven Gleichrichter, kann der Leistungswandler die Spannung am Elektrolyseur vorgeben und über einen Spannungsbereich variieren. Die Elektrolyse-Kennlinie des Stromes weist einen Leerlaufbereich und eine Startspannung auf, wobei der Elektrolyseur unterhalb der Startspannung im Leerlauf ist und oberhalb der Startspannung im Elektrolysebetrieb betrieben werden kann. Die Startspannung korrespondiert mit der sogenannten Zersetzungsspannung der einzelnen Elektrolysezellen des Elektrolyseurs. Im Elektrolysebetrieb steigt der vom Elektrolyseur aufgenommene Strom und damit die aufgenommene Leistung monoton mit steigender Spannung am Elektrolyseur bis zu einer Maximalleistung des Elektrolyseurs.
In DE3150758A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die von einem PV-Generator erzeugte elektrische Leistung über ein Schaltwerk einem Elektrolyseur zuführt. Um die Anpassung des PV-Generators an den Elektrolyseur bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu verbessern, führt das Schaltwerk in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen einen Teil der von dem PV-Generator erzeugten elektrischen Energie einer Batterie zu oder führt dem Elektrolyseur elektrische Energie zu, die zum Teil der Batterie entnommen wird.
AUFGABE
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Leistung aufzuzeigen, die eingerichtet ist, einem PV-Generator elektrische Leistung zu entnehmen und einem Elektrolyseur zuzuführen. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung aufzuzeigen, bei dem die elektrische Leistung einem PV-Generator entnommen und einem Elektrolyseur zugeführt wird.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 sowie ein Energieumwandlungssystem gemäß Anspruch 19 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
BESCHREIBUNG
Eine Vorrichtung ist zum Umwandeln elektrischer Leistung zwischen einem PV-Generator und einem Elektrolyseur vorgesehen, wobei die Vorrichtung eine erste Seite zum Anschluss eines PV-Generators und eine zweite Seite zum Anschluss eines Elektrolyseurs aufweist. Die Vorrichtung weist einen Wechselrichter und einen aktiven Gleichrichter auf. Der Wechselrichter ist zwischen der ersten Seite der Vorrichtung und einem Transformator angeordnet. Der aktive Gleichrichter ist zwischen dem Transformator und der zweiten Seite der Vorrichtung angeordnet. Somit ist eine AC-Seite des Gleichrichters über den Transformator mit einer AC-Seite des Wechselrichters verbunden.
Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, eine erste DC-Spannung auf der DC-Seite des Wechselrichters in eine erste AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters umzuwandeln. Die erste DC-Spannung kann insbesondere einer PV-Spannung eines angeschlossenen PV-Generators entsprechen. Der Gleichrichter ist dazu eingerichtet, eine zweite AC-Spannung auf der AC-Seite des Gleichrichters in eine zweite DC-Spannung auf der DC-Seite des Gleichrichters umzuwandeln. Die zweite DC-Spannung kann insbesondere einer Elektrolyse-Spannung eines angeschlossenen Elektrolyseurs entsprechen.
Die Vorrichtung weist eine Steuerung auf, welche eingerichtet ist, durch Einstellen eines AC/DC-Übersetzungsverhältnisses des Gleichrichters zwischen der zweiten AC-Spannung und der zweiten DC-Spannung einen Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der Vorrichtung von einem angeschlossenen PV-Generator zu einem angeschlossenen Elektrolyseur zu beeinflussen. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus zweiter AC-Spannung an der AC-Seite des Gleichrichters und zweiter DC-Spannung an der DC-Seite des Gleichrichters. Je nach konkret zu verwendender Definition des Übersetzungsverhältnisses kann dieser Quotient aus verschiedenen Parametern der DC-Spannung und der AC-Spannung gebildet werden, wobei insbesondere eine Maximalamplitude oder ein Effektivwert der jeweiligen Spannung verwendet werden kann. Durch das Einstellen des AC/DC-Übersetzungsverhältnisses kann der Fluss elektrischer Leistung zwischen PV-Generator und Elektrolyseur eingestellt werden, so dass die von der Vorrichtung umgesetzte Leistung z. B. an die jeweils herrschenden Betriebsbedingungen von PV-Generator und Elektrolyseur angepasst werden kann. So kann z. B. der Leistungsfluss dynamisch an die Betriebsbedingungen angepasst werden. Dies kann z. B. umfassen, dass über das Einstellen des AC/DC-Übersetzungsverhältnisses ein Leistungsfluss angestrebt wird, der einem optimalen Punkt auf den jeweiligen Kennlinien von Elektrolyseur und/oder PV-Generator entspricht, insbesondere einem Arbeitspunkt maximaler Leistung des PV-Generators. Das Einstellen kann dabei schrittweise und/oder sukzessive erfolgen. Bevorzugt ist die Steuerung der Vorrichtung im aktiven Gleichrichter angeordnet.
In einer Ausführungsform weist der aktive Gleichrichter Halbleiterschalter auf, die insbesondere in einer Brückenanordnung ausgeführt sind und eine aktive Gleichrichterbrücke bilden. In dieser Ausführungsform erfolgt das Einstellen des AC/DC-Übersetzungs- verhältnisses des aktiven Gleichrichters durch eine geeignete Taktung der Halbleiterschalter. Die Taktung wird dabei durch eine getaktete Ansteuerung der Halbleiterschalter erreicht. Die getaktete Ansteuerung kann dabei z. B. durch die Steuerung der Vorrichtung oder durch die Steuerung des aktiven Gleichrichters erfolgen. Dabei hängt die Beziehung zwischen der zweiten DC-Spannung und der zweiten AC-Spannung von dem AC/DC-Übersetzungs- verhältnis des aktiven Gleichrichters ab. Insbesondere kann die DC-Spannung im Wesentlichen der Maximalamplitude der AC-Spannung entsprechen, wenn das Übersetzungsverhältnis den Wert eins aufweist, beispielsweise wenn die Halbleiterschalter nicht getaktet werden.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung hängen die erste DC-Spannung auf der DC-Seite des Wechselrichters und die zweite DC-Spannung auf der DC-Seite des aktiven Gleichrichters vom AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters ab. In dieser Ausführungsform wird also der Leistungsfluss zwischen erster und zweiter Seite der Vorrichtung durch Einstellen von erster und zweiter DC-Spannung über das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters beeinflusst. Insbesondere können sich die erste DC-Spannung und die zweite DC-Spannung bei einem gegebenen AC/DC-Übersetzungsverhältnis so einstellen, dass die Arbeitspunkte auf den Kennlinien eines angeschlossenen PV-Generators und eines angeschlossenen Elektrolyseurs im Wesentlichen die gleiche Leistung mit gegensätzlichem Vorzeichen aufweisen, wobei deren DC-Spannungen entsprechend des AC/DC- Übersetzungsverhältnisses zueinander beabstandet sind.
Der aktive Gleichrichter kann insbesondere von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller in Abhängigkeit von dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis wirken. Die zweite AC-Spannung, genauer die Leiter-Leiterspannung der zweiten AC-Spannung auf der AC-Seite des Gleichrichters, ergibt sich hierbei durch die zweite DC-Spannung multipliziert mit dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis. Beim aktiven Gleichrichter, der als Tiefsetzsteller wirkt ist das AC/DC-Übersetzungsverhältnis also kleiner oder maximal gleich 1. Hierdurch kann der Leistungsfluss noch besser eingestellt werden und der Arbeitspunkt auf den jeweiligen Kennlinien optimiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Wechselrichter von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller mit einem DC/AC-Übersetzungsverhältnis wirken. Das DC/AC-Übersetzungsverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus erster DC- Spannung an der DC-Seite des Wechselrichters und erster AC-Spannung an der AC-Seite des Wechselrichters. Die erste AC-Spannung, genauer die Leiter-Leiterspannung der ersten AC-Spannung, ergibt sich hierbei durch die erste DC-Spannung multipliziert mit dem DC/AC- Übersetzungsverhältnis. Beim Wechselrichter, der als Tiefsetzsteller wirkt ist das DC/AC- Übersetzungsverhältnis also größer oder mindestens gleich 1. Hierdurch kann der Leistungsfluss noch besser eingestellt werden und der Arbeitspunkt auf den jeweiligen Kennlinien optimiert werden.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung setzt der Transformator die erste AC-Spannung auf die zweite AC-Spannung mit einem AC/AC-Übersetzungsverhältnis um und realisiert eine galvanische Trennung zwischen erster Seite und zweiter Seite der Vorrichtung. Das AC/AC- Übersetzungsverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus erster AC-Spannung an einer Seite des Transformators und zweiter AC-Spannung an einer anderen Seite des Transformators. Die erste AC-Spannung, die auf der AC-Seite des Wechselrichters anliegt, ist damit insbesondere mit der zweiten AC-Spannung gekoppelt, die auf der AC-Seite des Gleichrichters anliegt, indem der T ransformator die erste AC-Spannung auf die zweite AC-Spannung mit dem AC/AC-Übersetzungsverhältnis umsetzt. Damit kann die erste DC-Spannung auf der DC-Seite des Wechselrichters über die erste AC-Spannung und den Transformator ebenfalls von der zweiten AC-Spannung abhängen und über das aktuelle Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters mit der zweiten DC-Spannung gekoppelt sein.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung eingerichtet, den Leistungsfluss zwischen ihrer ersten Seite und ihrer zweiten Seite durch Einstellen des DC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Wechselrichters und/oder des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators zu beeinflussen. Diese Beeinflussung erfolgt damit zusätzlich zu der Beeinflussung über das AC- /DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters. Hierdurch ergeben sich weitere Freiheitsgrade für die Auslegung des Energieumwandlungssystems, insbesondere für die Dimensionierung anschließbarer PV-Generatoren und Elektrolyseure, wobei durch eine jeweilige Systemauslegung und dynamische Anpassung von Übersetzungsverhältnissen eine Optimierung des Leistungsflusses erreicht werden kann, ohne dass die Hardware der Vorrichtung zwingend verändert werden muss.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Wechselrichter so ausgeführt, dass er bei geeigneter Ansteuerung die Funktion des aktiven Gleichrichters ausführen kann, und umgekehrt, dass der aktive Gleichrichter die Funktion des Wechselrichters ausführen kann. Dazu weisen der Wechselrichter und der aktive Gleichrichter insbesondere das gleiche Gehäuse und insbesondere die gleiche leistungselektronische Schaltung auf. In einer Ausführungsform können der aktive Gleichrichter und der Wechselrichter von der Hardwareausstattung gleich sein und sich lediglich durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter unterscheiden, welche die Funktion „aktiver Gleichrichter“ oder „Wechselrichter“ definiert. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass vorhandene Hardware flexibel für verschiedene Zwecke eingesetzt werden kann.
In einer Ausführungsform ist der Wechselrichter über ein AC-Netz mit dem Transformator verbunden und es ist zumindest ein weiterer Wechselrichter mit dem AC-Netz verbunden, wobei der weitere Wechselrichter auf seiner DC-Seite mit einem weiteren PV-Generator oder einem elektrischen Energiespeicher verbindbar ist. Durch ein solches insbesondere lokal begrenztes und bevorzugt nicht mit einem Energieversorgungsnetz verbundenes AC-Netz ist es möglich, elektrische Leistung, die von weiteren DC-Einheiten, z. B. weiteren PV- Generatoren oder z. B. Batterien, erzeugt bzw. vorgehalten wird, in den Elektrolyseur einzuspeisen.
Ein Verfahren zum Umwandeln elektrischer Leistung zwischen einem PV-Generator und einem Elektrolyseur weist die Schritte auf:
• Umwandeln von einer durch den PV-Generator bei einer ersten DC-Spannung erzeugten PV-Leistung in eine AC-Leistung mit einer ersten AC-Spannung durch einen Wechselrichter.
• Transformieren der AC-Leistung durch einen Transformator in eine AC-Leistung mit einer zweiten AC-Spannung.
• Umwandeln der AC-Leistung in eine DC-Leistung durch einen aktiven Gleichrichter. Die DC-Leistung wird dabei bei einer zweiten DC-Spannung in den Elektrolyseur eingespeist. Der Leistungsfluss zwischen PV-Generator und Elektrolyseur wird durch den aktiven Gleichrichter beeinflusst, indem er ein AC/DC-Übersetzungsverhältnisses zwischen der zweiten AC-Spannung und der zweiten einstellt. Das Verfahren kann z. B. auf einer der oben beschriebenen Vorrichtungen ausgeführt werden. Das Einstellen durch den aktiven Gleichrichter kann durch eine Steuerung gesteuert werden, welche z. B. im aktiven Gleichrichter angeordnet sein kann.
In einer Ausführungsform des Verfahrens liegt die erste DC-Spannung auf einer DC-Seite des Wechselrichters und damit am angeschlossenen PV-Generator an. Die erste AC-Spannung liegt auf einer AC-Seite des Wechselrichters am Transformator an. Die zweite AC-Spannung liegt auf einer AC-Seite des aktiven Gleichrichters an. Die zweite DC-Spannung liegt auf einer DC-Seite des Gleichrichters am Elektrolyseur an. Sowohl die erste DC-Spannung als auch die zweite DC-Spannung hängen vom eingestellten AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters ab.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Leistungsfluss ausgehend von einer ersten DC-Spannung, die einer Leerlaufspannung des PV-Generators entspricht, und einer zweiten DC-Spannung, die einer Ruhespannung des Elektrolyseurs entspricht, dadurch vergrößert, dass das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters so eingestellt wird, dass sich die erste DC-Spannung verringert und sich die zweite DC-Spannung erhöht, wobei die PV-Leistung entlang einer PV-Kennlinie des PV-Generators in Richtung einer MPP-Leistung und die vom Elektrolyseur aufgenommene DC-Leistung entlang einer Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs in Richtung einer Nennleistung ansteigt. Hierdurch wird gleichzeitig auf den Kennlinien von Elektrolyseur und PV-Generator der jeweilige Arbeitspunkt in Richtung höherer Leistung verschoben, wobei die Leistung ab den jeweiligen Arbeitspunkte weitgehend identisch ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters so auf einen Ausgangszustand eingestellt, dass die erste DC-Spannung einer Leerlaufspannung des PV-Generators und die zweite DC-Spannung einer Ruhespannung des Elektrolyseurs entspricht. Die Leerlaufspannung des PV-Generators ist dabei eine zu einem Zeitpunkt gegebene Größe, während die Ruhespannung des Elektrolyseurs innerhalb eines Spannungsbereichs unterhalb einer Startspannung angesiedelt sein kann. In dem Ausgangszustand kann das Verhältnis der ersten DC-Spannung zur zweiten DC-Spannung im Wesentlichen dem Produkt aus AC-AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators und einem festgelegten DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters entsprechen. ln einer Ausführungsform des Verfahrens wird das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters auf einen Wert zwischen 1 und 2, bevorzugt auf einen Wert zwischen 1 ,3 und 1 ,7, z. B. 1 ,5, festgelegt. Dieser Wert ist insbesondere vorteilhaft, um den Ausgangszustand der Vorrichtung und des Verfahrens so einzustellen, dass der Leistungsfluss zwischen erster und zweiter Seite der Vorrichtung optimiert und insbesondere geeignete Arbeitspunkte auf den Kennlinien von PV-Generator und Elektrolyseur erreicht werden können. Zudem ermöglicht die Wahl eines konkreten Wertes des DC/AC-Übersetzungsverhältnisses eine größere Freiheit in der Auswahl der anschließbaren PV-Generatoren und Elektrolyseure, und das Verfahren kann optimal auf die Bandbreite von absehbaren Änderungen der Kennlinien im Betrieb eingestellt werden, d.h. insbesondere auf witterungs- und einstrahlungsbedingte Verschiebungen der PV-Kennlinie des PV-Generators angepasst werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators stufenweise geändert werden, um einen Ausgangszustand zu erreichen, in dem das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters den dafür festgelegten Wert und das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters im Wesentlichen den Wert eins aufweisen. Dieser Zustand ist insbesondere vorteilhaft, um den Ausgangszustand der Vorrichtung und des Verfahrens so einzustellen, dass der Leistungsfluss zwischen erster und zweiter Seite der Vorrichtung optimiert werden kann und insbesondere geeignete Arbeitspunkte auf den Kennlinien von PV-Generator und Elektrolyseur erreicht werden können. Zudem kann die Auswahl des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses und dessen Variationsbereich als Freiheitsgrad für die Auslegung des Gesamtsystems genutzt und auf die konkrete relative Lage der Kennlinien von PV-Generator und Elektrolyseur optimiert werden.
Das DC/AC-Übersetzungsverhältnis und das AC/AC-Übersetzungsverhältnis können einmalig oder wiederholt geändert werden, beispielsweise täglich zum morgendlichen Start des Energieversorgungssystems und/oder mehrmals täglich in Reaktion auf Änderungen der Kennlinien, beispielsweise auf witterungs- und einstrahlungsbedingte Verschiebungen der PV- Kennlinie des PV-Generators.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters durch ein Variieren eines Modulationsgrades des aktiven Gleichrichters in Abhängigkeit von einer erfassten Leistung des Leistungsflusses vom PV-Generator in den Elektrolyseur eingestellt. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis, also das Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters, hängt dabei vom Modulationsgrad des aktiven Gleichrichters ab, insbesondere vom Modulationsgrad der Halbleiterschalter des aktiven Gleichrichters.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters schrittweise so verändert, dass die Leistungsabgabe des PV-Generators, also die PV- Leistung, schrittweise vergrößert wird, wobei die Leistungsabgabe bevorzugt vom Ausgangszustand oder von Null auf eine maximale Leistung des PV-Generators vergrößert wird. Ausgehend vom Leerlauf des PV-Generators entspricht dies einer Verringerung der ersten DC-Spannung, welche der PV-Spannung entspricht, von der Leerlauf-Spannung des PV- Generators entlang der PV-Kennlinie in Richtung zu größerer Leistung. Die PV-Leistung kann als Teil des Leistungsflusses elektrischer Leistung vom PV-Generator zum Elektrolyseur fließen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters wiederholt geändert und die dadurch bewirkte Änderung des Leistungsflusses beobachtet. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters wird dabei nach jeder Änderung so eingestellt, dass die PV-Leistung des PV-Generators sich der MPP-Leistung annähert. Dies kann z. B. einer MPP-Tracking-Regelung entsprechen. In dieser Ausführungsform führt also der aktive Gleichrichter das MPP-Tracking des PV-Generators aus.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Vorrichtung einen weiteren Wechselrichter auf, der auf seiner DC-Seite mit einem elektrischen Energiespeicher und auf seiner AC-Seite mit dem Transformator verbunden ist, wobei der weitere Wechselrichter eine einstellbare DC- Speicherleistung mit dem Energiespeicher austauscht.
Ein Energieumwandlungssystem kann einen PV-Generator, einen Elektrolyseur und eine oder mehrere der oben beschriebenen Vorrichtungen zum Umwandeln elektrischer Leistung aufweisen. Ein solches Energieumwandlungssystem kann eingerichtet sein eines oder mehrere der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Anmeldung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung,
Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung,
Fig. 3 zeigt beispielhafte Kennlinien eines PV-Generators und eines Elektrolyseurs,
Fig. 4 zeigt beispielhafte Kennlinien eines PV-Generators und eines Elektrolyseurs in einem Energieumwandlungssystem über einer gemeinsamen x-Achse, Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung,
Figuren 6 -9 zeigen Kennlinien für eine beispielhafte Auslegung der Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung.
FIGURENBESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt schematisch ein Energieumwandlungssystem 100 mit einer Vorrichtung 10 zum Umwandeln elektrischer Leistung. Ein PV-Generator 12 wird über die Vorrichtung 10 mit einem Elektrolyseur 14 verbunden. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Wechselrichter 16, einen Transformator 18 und einen aktiven Gleichrichter 20. Der Wechselrichter 16 und der Gleichrichter 20 sind hinsichtlich ihrer wesentlichen Eigenschaften baugleich, d.h. sie weisen insbesondere das gleiche Gehäuse und die gleiche leistungselektronische Schaltung auf. Die zur Verfügung stehende PV-Leistung P_PV des PV-Generators 12 wird in der Vorrichtung 10 umgewandelt und steht als Elektrolyse-Leistung P_P2G direkt zur Nutzung im Elektrolyseur 14 zur Verfügung, insbesondere zur Wasserstofferzeugung.
Wenn zum Systemstart genügend PV-Leistung P_PV aus dem PV-Generator 12 zur Verfügung steht, kann über den Wechselrichter 16 eine erste AC-Spannung U_AC1 mit einem Sollwert in einem Bereich von z.B. 350 bis 690V und mit einer Frequenz von z. B. 50 Hz oder 60Hz oder bei Bedarf einer anderen Frequenz zwischen z.B. 20 Hz und 100 Hz erzeugt und an eine Seite des Transformators 18 angelegt werden. Dadurch wird der Transformator 18 vormagnetisiert, wobei es für das Aufbauen der Vormagnetisierung günstig sein kann, die Amplitude der vom Wechselrichter erzeugten ersten AC-Spannung U_AC1 über eine Rampe bis auf den Sollwert zu erhöhen.
Der Wechselrichter 16 ist dazu eingerichtet, die an der DC-Seite anliegende erste DC- Spannung U_PV, die im Wesentlichen der PV-Spannung U_PV entspricht, von der DC- auf die AC-Seite mit einem DC/AC-Übersetzungsverhältnis tiefzusetzen, so dass die erste DC- Spannung U_PV (und damit die PV-Spannung U_PV) oberhalb der Amplitude der Leiter- Leiterspannung erzeugten ersten AC-Spannung U_AC1 liegt.
Die zweite AC-Spannung U_AC2, die an der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 anliegt, ergibt sich aus der ersten AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters 18 dividiert durch das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators 18. Beträgt das AC/AC- Übersetzungsverhältnis des T ransformators 18 also z. B. 1 ,5, so wird die zweite AC-Spannung U_AC2 auf 2/3 des Wertes der ersten AC-Spannung U_AC1 transformiert. Die zweite AC- Spannung U_AC2 an der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 beträgt z. B. 350V bis 690V und ist insbesondere im Betrieb nicht auf einen festen Wert festgelegt, sondern kann in Abhängigkeit vom eingestellten AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 bzw. vom gewünschten Leistungsfluss variieren.
Fig. 2 zeigt mögliche Erweiterungen des Energieumwandlungssystems 100. Durch Anbindung eines Speichers 26 über einen bidirektionalen Wechselrichter 17 am Transformator 18 kann etwaige überschüssige PV-Leistung P_PV eingespeichert und der Elektrolysebetrieb in Zeiten geringer PV-Leistung P_PV durch Entnahme von Energie aus dem Speicher 26 gestützt bzw. aufrechterhalten werden. Weiterhin kann mehr als ein PV-Generator 12 an den Transformator 18 angebunden werden. Es können mehrere PV-Generatoren 12 über jeweils einen eigenen Wechselrichter 16 angebunden werden. Wenn die PV-Generatoren 12 unterschiedliche Kennlinien aufweisen, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Stringlängen, und damit bei unterschiedlichen PV-Spannungen U_PV optimal betrieben werden, können die DC/AC- Übersetzungsverhältnisse der Wechselrichter 16 entsprechend angepasst werden, so dass die Wechselrichter dieselbe erste AC-Spannung U:AC erzeugen. Die Anbindung der PV- Generatoren 12 und des Speichers 26 an den Transformator kann über ein lokales AC-Netz 28 erfolgen, das insbesondere nicht mit einem öffentlichem Netz verbunden ist.
Auch eine Erdung des Elektrolyseurs 14 oder der PV-Generatoren 12 oder des Speichers 26 ist möglich (Speicher 26 und PV-Generator 12 liegen auf gleichem Potential gegen Erde). Durch den Transformator 18 sind der PV-Generator 12 und ggf. der Speicher 26 galvanisch vom Elektrolyseur 14 getrennt.
Fig. 3 zeigt beispielhafte Kennlinien eines PV-Generators 12 und eines Elektrolyseurs 14. Die PV-Kennlinie von Fig. 3 a) stellt die Abhängigkeit des vom PV-Generator 12 erzeugten Stroms l_PV, dem ersten DC-Strom, von der an den PV-Generator 12 angelegten Spannung U_PV bei gegebenen äußeren Bedingungen (Temperatur, Einstrahlung usw.) dar. Die PV-Kennlinie der PV-Leistung P_PV weist einen Punkt maximaler Leistung MPP auf, d.h. eine Spannung, bei der das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist. Die maximale PV-Leistung P_PV wird auch als MPP-Leistung bezeichnet. Zur bestmöglichen Nutzung der eingestrahlten Solarenergie wird der PV-Generator 12 deshalb von einer Regelung geregelt, die bestrebt ist, den Punkt maximaler Leistung einzustellen, indem die PV-Spannung U_PV geeignet variiert und die korrespondierende Änderung der PV-Leistung P_PV beobachtet wird. Dazu kann eine Messung des PV-Stroms l_PV in Abhängigkeit von der eingestellten PV-Spannung U_PV verwendet werden. Bevorzugt ist diese Regelung in der Vorrichtung 10 zur Leistungswandlung angeordnet. Insbesondere kann die Steuerung der Vorrichtung 10 und/oder die Steuerung des aktiven Gleichrichters 20 diese Regelungsaufgabe zusätzlich wahrnehmen.
Ein Elektrolyseur 14 weist z. B. eine Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyse-Stromes l_P2G wie in Fig. 3 B) dargestellt auf, die die Abhängigkeit des vom Elektrolyseur 14 aufgenommenen Elektrolyse-Stroms l_P2G von der an den Elektrolyseur 14 angelegten zweiten Spannung U_P2G darstellt. Die Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyse-Stromes l_P2G weist einen Ruhespannungsbereich und eine Startspannung Uz auf, wobei der Elektrolyseur 14 unterhalb der Startspannung Uz im Ruhespannungsbereich und damit im Leerlauf ist sowie oberhalb der Startspannung Vz im Elektrolysebetrieb betrieben werden kann. Eine Leistungs-Kennlinie des Elektrolyseurs 14 ergibt sich aus der Multiplikation von Elektrolyse-Strom und Elektrolyse- Spannung U_P2G und weist einen vergleichbaren, mit der zweiten DC-Spannung U_P2G monoton steigenden Verlauf auf, der bei der dargestellten weitgehend linearen Elektrolyse- Kennlinie des Stromes l_P2G weitgehend einer quadratischen Funktion entspricht.
Bei einem Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung startet der aktive Gleichrichter 20 bei Systemstart mit der Vorladung des eigenen DC-Zwischenkreises. Dazu bezieht der aktive Gleichrichter 20 elektrische AC-Leistung P_AC über den Transformator 18, der mittels des Wechselrichters 12 unter Verwendung von PV-Leistung vormagnetisiert ist. Die vom Gleichrichter 20 bezogene AC-Leistung wird vom Wechselrichter 16 aus dem PV-Generator 12 entnommen und über den Transformator 18 und den Gleichrichter 20 zunächst als Vorladeleistung in eine Kapazität auf der DC-Seite des Gleichrichters 20 eingespeist. Da der Gleichrichter 20 hinsichtlich der leistungselektronischen Schaltung bevorzugt baugleich mit dem Wechselrichter 16 ist und daher von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller wirkt, ist die zweite DC-Spannung U_P2G auf der DC-Seite des Gleichrichters 20 größer als die Amplitude der zweiten AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des Gleichrichters 20. Der Gleichrichter 20 wirkt als Tiefsetzsteller in Richtung der zweiten AC-Spannung U_AC2 mit einem AC/DC-Übersetzungsverhältnis, das sich durch die zweite AC-Spannung U_AC2 geteilt durch die zweite DC-Spannung U_P2G ergibt. Für den beschriebenen Tiefsetzsteller ist das AC/DC-Übersetzungsverhältnis nach dieser Definition also kleiner 1 . Anders ausgedrückt wird die zweite AC-Spannung U_AC2 über den als Hochsetzsteller betriebenen Gleichrichter 20 in die zweite DC-Spannung U_P2G umgewandelt, wobei die DC-Spannung größer als die Amplitude der zweiten AC-Spannung U_AC2 ist.
Die Energie in der mit der zweiten DC-Spannung U_P2G aufgeladenen Kapazität des Gleichrichters 20 (oder optional die vom Transformator 18 bei der zweiten AC-Spannung U_AC2 bereitgestellte Leistung) kann dazu genutzt werden, eine optionale Hilfsversorgung 22 zur Verfügung zu stellen, die insbesondere für die Peripherie eines Elektrolyseurs 14 genutzt werden kann (z. B. Pumpen, Heizungen u.ä.). Je nach erforderlicher Spannungsform der Hilfsversorgung 22 und je nach Spannungsquelle der Hilfsversorgung 22 kann das Stellen der Hilfsspannung in der Hilfsversorgung 22 über einen weiteren Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler aus der DC-Seite des Gleichrichters 20 oder über einen Umrichter oder einen Gleichrichter aus der AC-Seite des Gleichrichters 20 erfolgen. Die Hilfsversorgung kann als Hilfsaggregate also optional einen weiteren Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler aufweisen, welcher mit der DC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 verbunden ist. Die Hilfsversorgung kann als Hilfsaggregate optional einen Umrichter oder einen Gleichrichter aufweisen, welcher mit der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 verbunden ist. Dabei kann die Hilfsversorgung einen elektrischen Speicher umfassen, um Auswirkungen von Spannungsschwankungen am Ausgang des aktiven Gleichrichters 20 oder von Schwankungen der PV-Leistung P_PV auf die Spannung der Hilfsversorgung 22 zu dämpfen.
Sobald auch der Elektrolyseur 14 startfähig ist und Leistung aufnehmen kann, wird der DC- seitige Schalter 24 geschlossen und das Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung geht über vom Systemstart in den Elektrolysebetrieb.
Im Elektrolysebetrieb der Vorrichtung 10 im Energieumwandlungssystem 100 übernimmt der Gleichrichter 20 die Aufgabe, die zweite AC-Spannung U_AC2 mit einer vorgegebenen Frequenz und variabler Amplitude zu stellen, indem er anhand eines variablen Taktverhältnisses das Verhältnis aus der zweiten DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 und der zweiten AC-Spannung U_AC2 am Transformator 18 einstellt. Dieses Verhältnis entspricht dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis.
Im Elektrolysebetrieb wandelt der Wechselrichter 16 die an seiner AC-Seite anliegende erste AC-Spannung U_AC1 , d.h. die vom Transformator 18 anhand des AC/AC-Übersetzungs- verhältnisses übersetzte zweite AC-Spannung U_AC2 am Gleichrichter 20, in eine zweite DC- Spannung U_PV auf seiner DC-Seite, die im Elektrolysebetrieb am PV-Generator 12 anliegt. Dabei verwendet der Wechselrichter 16 bevorzugt ein festes DC/AC-Übersetzungsverhältnis, sodass die Spannung des PV-Generators U_PV über den Zusammenhang
UPV = UDCWR = 2 x ü x UAC
(mit U_PV=UPV=UDCWR und ü: DC/AC-Übersetzungsverhältnis und UAC Amplitude der zweiten AC-Spannung) direkt von der eingestellten zweiten AC-Spannung U_AC2 des Gleichrichters 20 abhängt. Anders ausgedrückt, der Wechselrichter 16 erzeugt aus der DC-Spannung U_PV eine AC- Spannung, die der vom Gleichrichter 20 gestellten und über den Transformator 18 ggf. skalierten ersten AC-Spannung U_AC1 folgt, und speist einen elektrischen Strom ein, der sich aus der PV-Leistung P_PV bei der resultierenden PV-Spannung U_PV ergibt. Das DC/AC- Übersetzungsverhältnis und damit das Verhältnis aus U_PV und U_AC1 im Leistungsgleichgewicht kann dabei grundsätzlich konstant gehalten werden. lm Elektrolysebetrieb kann eine Regelung der Vorrichtung 10 Leistungssollwerte verwenden, die eine vom Elektrolyseur 14 zu verbrauchende Leistung angeben. Der aktive Gleichrichter 20 stellt die vorgegebene Leistung z. B. mittels seiner Steuerung ein, indem das AC/DC- Übersetzungsverhältnis zwischen zweiter AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 und zweiter DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 variiert wird. Bei einem gegebenen Wert des AC/DC-Übersetzungsverhältnisses stellt sich ein Leistungsgleichgewicht zwischen dem AC-Eingang und dem DC-Ausgang des aktiven Gleichrichters 20 ein, indem die vom PV-Generator 12 gelieferte Leistung der vom Elektrolyseur 14 abgenommenen Leistung entspricht, zumindest bei vernachlässigbaren Verlusten im Gesamtsystem. Dabei stellen sich Arbeitspunkte auf der PV-Kennlinie P_PV und der Elektrolyse-Kennlinie des Stromes l_P2G ein, deren Spannungen in einem Verhältnis zueinander stehen, das dem Gesamt-Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 entspricht, d.h. dem Produkt der Übersetzungsverhältnisse von Wechselrichter 16, Transformator 18 und Gleichrichter 20. Dies entspricht dem Produkt von DC/AC-Übersetzungsverhältnis, AC/AC- Übersetzungsverhältnis und AC/DC-Übersetzungsverhältnis.
Es kann sowohl die PV-Leistung P_PV als auch die Elektrolyse-Leistung P_P2G gesteigert werden, indem ausgehend von einem AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 von Eins, bei dem unter Berücksichtigung des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators 18 sowohl der PV-Generator 12 im Leerlauf als auch der Elektrolyseur 14 bei einer Ruhespannung sind, das AC/DC-Übersetzungsverhältnis dahingehend geändert wird, dass die AC-Spannungen und damit die PV-Spannung U_PV sinkt und die zweite DC- Spannung U_P2G und damit die Elektrolyseur-Spannung steigt. Dabei wandern der Arbeitspunkt des PV-Generators 12 auf der PV-Kennlinie in Richtung des MPP und der Arbeitspunkt des Elektrolyseurs 14 auf der Elektrolyse-Kennlinie des Stromes l_P2G in Richtung Nennleistung. Es stellt sich ein Gesamt-Arbeitspunkt der Vorrichtung 10 ein, bei dem das Verhältnis aus zweiter DC-Spannung U_P2G und erster DC-Spannung U_PV dem Gesamt-Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 entspricht sowie gleichzeitig die PV- Leistung P_PV gleich der DC-Leistung P_P2G ist. Wenn die geforderte Leistung des Elektrolyseurs 14 oberhalb der maximalen MPP-Leistung des PV-Generators 12 liegt, geht die Steuerung des aktiven Gleichrichters 20 in ein MPP-Tracking über, bei dem die Variation der zweiten AC-Spannung U_AC2 durch den aktiven Gleichrichter 20 derart durchgeführt wird, dass die maximal mögliche PV-Leistung P_PV vom PV-Generator abgerufen wird, zumindest solange diese im Nennleistungsbereich des Elektrolyseurs 14 liegt und vom Elektrolyseur 14 und/oder einem Speicher 26 verarbeitet werden kann.
Es ist ebenfalls möglich, das Gesamt-Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 und damit das Verhältnis aus zweiter DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 und erster DC- Spannung U_PV am PV-Generator 12 zu modifizieren, indem alternativ oder zusätzlich zum AC/DC-Übersetzungsverhältnis das AC/AC-Übersetzungsverhältnis und/oder das DC/AC- Übersetzungsverhältnis verändert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um beim Systemstart mit einem AC/DC- Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 von Eins oder nahe Eins ein Verhältnis der DC-Spannungen zueinander zu erhalten, bei dem sich sowohl der PV-Generator 12 im Leerlauf als auch der Elektrolyseur 14 bei einer Ruhespannung befinden. Ausgehend von diesem Startzustand kann der Leistungsfluss vom PV-Generator 12 zum Elektrolyseur 14 angestoßen und gesteigert werden, indem wiederum das AC/DC- Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 modifiziert wird, so dass die zweite DC- Spannung U_PV und damit die PV-Spannung sinkt und die zweite DC-Spannung U_P2G und damit die Elektrolyseur-Spannung steigt.
Der Transformator kann grundsätzlich ein AC/AC-Übersetzungsverhältnis gleich eins aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel könnten die Kennlinien des PV-Generators 12 und des Elektrolyseurs 14 so ausgelegt werden, dass sie im Startzustand, d.h. bei einem AC/DC- Übersetzungsverhältnis und DC/AC-Übersetzungsverhältnis von Eins oder nahe Eins wie in Fig. 4 dargestellt „nebeneinander“ liegen, d.h. die Startspannung Uz des Elektrolyseurs 14 müsste (knapp) oberhalb der Leerlaufspannung U0/c des PV-Generators 12 liegen. In einem „Ruhezustand“, d.h. nach dem Vorladen bzw. Vormagnetisieren der Komponenten mit einer festen Taktung des Wechselrichters 16, ergibt sich dadurch die in Fig. 4 dargestellte Situation, dass die Leerlaufspannung U0/c des PV-Generators 12, die die anderen Spannungen innerhalb des Systems in der Aufstartphase beeinflusst hat, zu einer zweiten DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 führt, die im Wesentlichen der Leerlaufspannung U0/c des PV- Generators 12 entspricht, da die zwischen PV-Generator 12 und Elektrolyseur 14 liegenden Komponenten Wechselrichter 16, Transformator 18 und Gleichrichter 20 im Ruhezustand jeweils ein Übersetzungsverhältnis von (nahe) Eins aufweisen können.
Für eine solche Auslegung des Energieumwandlungssystems 100 kann sich die Notwendigkeit eines recht hohen Spannungsbereichs des Elektrolyseurs 14 ergeben. Insbesondere müsste die Startspannung des Elektrolyseurs im Wesentlichen oberhalb der Leerlaufspannung des PV-Generators 12 liegen. Um einen Elektrolyseur 14 mit einer niedrigeren Startspannung verwenden zu können, d.h. um die Lage der Elektrolyseur-Kennlinie in Fig. 4 relativ zur PV- Kennlinie zu kleineren Spannungen hin zu verschieben, kann der Transformator 18 ein AC/AC- Übersetzungsverhältnis aufweisen, dass die PV-seitig anliegende erste AC-Spannung U_AC1 in eine deutlich niedrigere Elektrolyseurseitige zweite AC-Spannung U_AC2 transformiert. Dadurch kann in Fig. 4 - je nach Sichtweise - die Elektrolyseur-Kennlinie an sich bei deutlich niedrigeren Spannungen liegen, d.h. beispielsweise ein Elektrolyseur 14 kleinerer Leistung verwendet werden, bzw. die PV-Kennlinie bei deutlich höheren Spannungen liegen, d.h. ein größerer PV-Generator 12 verwendet werden. Dabei „verschiebt“ der Transformator 18 die Kennlinien anhand seines AC/AC-Übersetzungsverhältnisses gegeneinander, so dass im Startzustand wiederum sowohl der PV-Generator 12 im Leerlauf als auch der Elektrolyseur 14 bei einer Ruhespannung sind. Das Grundprinzip der Regelung bleibt davon weitgehend unbeeinflusst, so dass das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators 18 einen Freiheitsgrad darstellt, der bei der Auslegung des Energieumwandlungssystems und/oder bei Änderungen der Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei Änderungen der Einstrahlung und/oder der Temperatur und daraus ggf. folgenden Änderungen insbesondere der PV- Kennlinie, genutzt werden kann, um die Arbeitsbereiche von PV-Generator 12 und Elektrolyseur 14 aneinander anzupassen.
Es wird also ermöglicht, die Elektrolyse-Kennlinie und die PV-Kennlinie recht einfach durch Einstellen des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators 18 geeignet gegeneinander zu verschieben. Elektrolyse-Kennlinien können wie PV-Kennlinien in Bezug auf den Strom und/oder in Bezug auf die Leistung angegeben werden. Dies kann einerseits bereits bei der Auslegung des Energieumwandlungssystems 100 geschehen und/oder andererseits im Betrieb des Energieumwandlungssystems 100 durch (dynamisches) Ändern des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators 18 erzielt werden, beispielsweise über einen Stufenschalter. Alternativ oder zusätzlich können die Kennlinien z.B. zur Kompensation äußerer Einflüsse wie z. B. Einstrahlung, Temperatur mittels einer Variation des im Betrieb an sich festen DC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Wechselrichters 16 geeignet gegeneinander verschoben werden.
Fig. 5 zeigt eine konkrete Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems 100 mit einer Ausführungsform der Vorrichtung 10 zum Umwandeln elektrischer Leistung und mit Bezeichnung der verschiedenen im Betrieb auftretenden Spannungen und Ströme.
Der PV-Generator 12 speist PV-Leistung P_PV bei der ersten DC-Spannung U_PV und dem PV-Strom l_PV in die DC-Seite des Wechselrichters 16 ein. Der Wechselrichter 16 setzt diese PV-Leistung P_PV in eine erste AC-Leistung P_AC1 um. Der Wechselrichter 16 wirkt als Tiefsetzsteller von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite, d. h. die Leiter-Leiterspannung der ersten AC-Spannung U_AC1 auf seiner drei-phasigen AC-Seite ist kleiner als die erste DC- Spannung U_PV auf seiner DC-Seite. Das Tiefsetzen erfolgt dabei mit dem DC/AC- Übersetzungsverhältnis.
Auf der AC-Seite des Wechselrichters 16 ist ein Transformator 18 mit dem AC/AC- Übersetzungsverhältnis angeschlossen. Er transformiert die erste AC-Spannung U_AC1 in die zweite AC-Spannung U_AC2 und setzt damit die erste AC-Leistung P_AC1 in eine zweite AC- Leistung P_AC2 um. Der Transformator 18 wird gespeist von dem ersten AC-Strom l_AC1 . Die zweite AC-Spannung U_AC2 liegt auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 an und der zweite AC-Strom l_AC2 fließt in den Gleichrichter 20, so dass der Gleichrichter 20 die zweite AC-Leistung P_AC2 aufnimmt. Der Gleichrichter 20 setzt die zweite AC-Leistung P_AC2 in eine DC-Leistung P_P2G um. Der aktive Gleichrichter 20 wirkt von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller. Der aktive Gleichrichter 20 wirkt also von seiner AC- Seite nach seiner DC-Seite als Hochsetzsteller mit dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis.
Auf seiner DC-Seite speist der aktive Gleichrichter 20 den Elektrolyseur 14 und versorgt ihn mit der DC-Leistung P_P2G bei der zweiten DC-Spannung U_P2G und mit dem zweiten DC- Strom l_P2G, wobei die zweite DC-Spannung U_P2G und der zweite DC-Strom über die Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseur 14 miteinander verknüpft sind.
In Fig. 6 bis Fig. 9 sind beispielhaft verschiedene Kennlinien und Arbeitspunkte einer Auslegung des Energieumwandlungssystems 100 mit der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 5 dargestellt.
Fig. 6 stellt das Verhalten eines PV-Generators 12 in Abhängigkeit von der Spannung dar, wobei zwischen Strom und Leistung einerseits und zwischen DC und AC andererseits unterschieden wird. In Fig. 6 stellt die mit Strichpunkten dargestellte Kennlinie die PV-Leistung P_PV über der ersten DC-Spannung U_PV für ein Beispiel eines PV-Generators 12 dar. Die mit Strichzweipunkten dargestellte Kennlinie stellt den ersten DC-Strom l_PV über der ersten DC-Spannung U_PV für den gleichen PV-Generator 12 dar. Die durchgezogen dargestellte Kennlinie stellt die erste AC-Leistung P_AC1 über der ersten AC-Spannung U_AC1 auf der AC-Seite des Wechselrichters 16 dar. Die gestrichelt dargestellte Kennlinie stellt den ersten AC-Strom l_AC1 über der ersten AC-Spannung U_AC1 dar. Aufgetragen ist der Summenstrom l_AC1 in allen drei Leitern für Leiter-Leiterspannungen U_AC1. Das DC/AC- Übersetzungsverhältnis ist im dargestellten Beispiel U_PV/U_AC1 = 1 ,5. Die Amplitude der ersten DC-Spannung U_PV des Wechselrichters 16 ist in diesem Beispiel während des Betriebs dauerhaft um den Faktor 1 ,5 größer als die Amplitude der Leiter-Leiterspannung der ersten AC-Spannung U_AC1 auf der AC-Seite des Wechselrichters 16.
Weist der Transformator 18 ein AC/AC-Übersetzungsverhältnis von 1 auf und wird eine verlustlose Übertragung angenommen, so ist die Amplitude der zweiten AC-Spannung U_AC2 am Gleichrichter 20 gleich groß wie die Amplitude der ersten AC-Spannung U_AC1 des Wechselrichters 16. Es ist z. B. auch möglich, das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators 18 mit U_AC1/U_AC2=1 ,5 zu wählen und das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters 16 mit U_PV/U_AC1=1 ,5 zu wählen. Dann sind die Amplituden von U_AC1 und U_AC2 nicht mehr gleich, aber das Verhältnis von l_PV und P_PV zu l_AC2 und P_AC2 ähnelt dem in Fig. 6 dargestellten Verhältnis von l_PV und P_PV zu l_AC1 und P_AC1 . Fig. 7 zeigt jeweils einen Ausschnitt der PV-Kennlinie P_PV des PV-Generators 12, der entsprechenden PV-Kennlinie P_AC2 auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20, und der Elektrolyse-Kennlinie P_P2G auf der DC-Seite des aktiven Gleichrichters 20. Die dargestellten Ausschnitte beziehen sich dabei auf die erwähnten Kennlinien bei geringer Einstrahlung auf den PV-Generator 12, beispielsweise morgens. Dabei stellt die mit Strichpunkten dargestellte PV-Kennlinie die PV-Leistung P_PV über der ersten DC-Spannung U_PV den PV-Generators 12 dar. Die durchgezogen dargestellte Kennlinie stellt die zweite AC-Leistung P_AC2 über der zweiten AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des Gleichrichters 20 dar. Die gepunktet dargestellte Kennlinie stellt die Elektrolyse-Leistung P_P2G über der zweiten DC-Spannung U_P2G dar. Die dargestellte Elektrolyse-Kennlinie der Elektrolyse-Leistung P_P2G zeigt die Leistung, die in der Elektrolyse verbraucht wird, in Relation zur an den DC-Klemmen des Gleichrichters 20 anliegenden zweiten DC-Spannung U_P2G.
In Fig. 7 sind Punkte AP1 auf den dargestellten Kennlinien markiert. Diese Arbeitspunkte AP1 werden bei geringer Einstrahlung zu einer Startphase des Energieumwandlungssystems 100 verwendet, also bei sehr geringer Leistung im Vergleich zur Nennleistung des Elektrolyseurs (hier: 10 kW bei ca. 1000 kW Nennleistung, vergl. Fig. 8). Bei diesem Arbeitspunkt AP1 hat der PV-Generator 12 genügend Leistung zur Verfügung zur Deckung von Verlusten sowie für den Magnetisierungsstrom des Transformators 18, zur Vorladung des Elektrolyseurs 14 und zur Versorgung der Hilfsaggregate der Hilfsversorgung 22. Die zur Verfügung stehende Leistung bei einer am PV-Generator 12 anliegenden Spannung von 850 V beträgt im dargestellten Beispiel 10 kW. Auf der AC-Seite des Wechselrichters 16 ergeben sich im Arbeitspunkt AP1 für die erste AC-Spannung U_AC 1=566 V, bedingt durch das gewählte DC/AC-Übersetzungsverhältnis von 1 ,5. Für die zweite AC-Spannung U_AC2 ergeben sich bei einem gewählten AC/AC-Übersetzungsverhältnis von 1 ebenfalls U_AC2=566 V. Im Ausgangszustand des Energieumwandlungssystems, d.h. nach der Vorladung der Komponenten, liegt am Elektrolyseur 14 eine Ruhespannung von ebenfalls ca. 566 V an, solange das AC/DC- Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 gleich oder nahe eins ist.
In der Startphase beginnt der Gleichrichter 20 mit der Vorladung des Elektrolyseurs 14 auf U_P2G=720 V, indem das AC/DC-Übersetzungsverhältnis so geändert wird, dass die zweite DC-Spannung U_P2G erhöht wird. Sobald die Startspannung des Elektrolyseurs 20 von U_P2G=700 V erreicht ist, sinkt gleichzeitig die zweite AC-Spannung U_AC2 und damit auch die PV-Spannung U_PV. Dadurch steigen sowohl die PV-Leistung P_PV bzw. die damit gekoppelte zweite AC-Leistung P_AC2 als auch die Elektrolyse-Leistung P_P2G an. Es stellt sich ein Leistungsgleichgewicht ein, dass in Fig. 7 bei einem gegebenen AC/DC- Übersetzungsverhältnis einen Leistungsfluss von etwa 10 kW vom PV-Generator 12 in den Elektrolyseur 14 ergibt. Sinkt in der Startphase die zur Verfügung stehende Leistung auf z. B. unter 2 kW ab, so geht das Energieumwandlungssystem 100 wieder in den Ruhezustand. Möglich wäre hier auch das Vorsehen eines Energiespeichers zur Pufferung von Leistung für die Startphase, z. B. für die Hilfsaggregate der Hilfsversorgung, Verluste oder ähnliches.
Figuren 8 und 9 zeigen jeweils die PV-Kennlinien l_PV, P_PV des PV-Generators 12, die damit gekoppelten PV-Kennlinien l_AC2, P_AC2 auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20, sowie die Elektrolyse-Kennlinien l_P2G, P_P2G des Elektrolyseurs 14 auf der DC-Seite des aktiven Gleichrichters 20. Die Einstrahlung auf den PV-Generator 12 ist hier höher als bei den Kennlinien von Fig. 7.
In den Figuren 8 und 9 stellt die mit Strichpunkten dargestellte PV-Kennlinie die PV-Leistung P_PV über der ersten DC-Spannung U_PV am PV-Generator 12 dar. Die mit Strichzweipunkten dargestellte PV-Kennlinie stellt den PV-Strom l_PV über der PV-Spannung U_PV am PV-Generator 12 dar. Die durchgezogen dargestellte PV-Kennlinie stellt die zweite AC-Leistung P_AC2 über der zweiten AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des Gleichrichters 20 dar. Die schmal-gestrichelt dargestellte Kennlinie stellt den zweiten AC- Strom l_AC2 über der zweiten AC-Spannung U_AC2 dar. Aufgetragen ist der Summenstrom l_AC2 in allen drei Leitern für Leiter-Leiterspannungen U_AC2, der bei gleicher Leistung höher ist als der erste DC-Strom l_PV, da die Spannung U_AC2 kleiner als die Spannung U_PV ist, während die Leistungen P_DC und P_AC2 jedoch identisch sind.
Die gepunktet dargestellte Kennlinie stellt die Elektrolyse-Leistung P_P2G über der Elektrolyse-Spannung U_P2G dar. Die breit-gestrichelt dargestellte Kennlinie stellt den Elektrolyse-Strom l_P2G über der Elektrolyse-Spannung U_P2G dar. Die dargestellte Elektrolyse-Kennlinie der Elektrolyse-Leistung P_P2G zeigt die Leistung, die in der Elektrolyse verbraucht wird, in Relation zur an den DC-Klemmen des Gleichrichters 20 anliegenden Elektrolyse-Spannung U_P2G. Die dargestellte Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyse-Stromes l_P2G zeigt den Strom, der in den Elektrolyseur fließt, in Relation zur an den DC-Klemmen des Gleichrichters 20 anliegenden Elektrolyse-Spannung U_P2G.
In Fig. 8 ist der Betrieb des Energieumwandlungssystems 100 in einem Arbeitspunkt AP2 mit maximaler Leistung P_MPP dargestellt. Das System wird mit einer Leistung betrieben, die dem Punkt maximaler Leistung (MPP) des PV-Generators 12 entspricht. Die entsprechenden Arbeitspunkte auf den Kennlinien für P_P2G, P_PV und P_AC2 sind jeweils mit AP2 bezeichnet.
Zum Erreichen des Arbeitspunktes AP2 verringert der aktive Gleichrichter 20 die zweite AC- Spannung U_AC2 und erhöht gleichzeitig die Elektrolyse-Spannung U_P2G. Dadurch sinkt auch die PV-Spannung U_PV, so dass die PV-Leistung P_PV ansteigt, bis sich ein neues Leistungsgleichgewicht zwischen erzeugter PV-Leistung P_PV und verbrauchter Elektrolyse- Leistung P_P2G bei einem gegebenen Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 einstellt. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis kann weiter variiert werden, bis das Leistungsmaximum des PV-Generators 12 erreicht ist. Dies entspricht dann dem Arbeitspunkt AP2. In diesem Arbeitspunkt AP2 beträgt U_AC2=U_AC1=500 V und l_P2G=750 A (AP2 auf l_P2G). Am PV- Generator 12 entspricht dies U_PV=750 V (AP2 auf P_PV). Ist der Arbeitspunkt AP2 erreicht, setzt das MPP-Tracking ein und der aktive Gleichrichter 20 erhöht oder verringert schrittweise das AC/DC-Übersetzungsverhältnis. Dabei verringert oder erhöht der aktive Gleichrichter 20 mittelbar die Spannungsdifferenz zwischen den Arbeitspunkten auf der PV-Kennlinie und auf der Elektrolyse-Kennlinie schrittweise, wobei sich nach jeder Änderung des AC/DC- Übersetzungsverhältnisses ein neues Leistungsgleichgewicht einstellt. Der resultierende Leistungsfluss kann erfasst und mittels geeigneter Regelung maximiert werden, so dass der PV-Generator im MPP oder zumindest um den MPP herum betrieben wird.
In Fig. 9 ist der Betrieb des Energieumwandlungssystems 100 in einem Arbeitspunkt AP3 gezeigt. In diesem Betrieb kann z. B. eine möglichst konstante, d.h. gleichmäßige Gaserzeugung, also z. B. eine Wasserstofferzeugung mit konstanter Erzeugungsrate angestrebt werden, oder auch eine Leistungsbegrenzung gefordert sein, z. B. auf eine Nennleistung des Elektrolyseurs 14, wenn diese kleiner ist als die verfügbare PV-Leistung P_PV. In einem solchen Fall kann z. B. ein Elektrolysemanagement des Elektrolyseurs 14 einen Stromsollwert für den Elektrolysestrom l_P2G oder einen Leistungssollwert für die Elektrolyse-Leistung P_P2G an den aktiven Gleichrichter 20 übermitteln.
Zum Erreichen des Arbeitspunktes AP3 ausgehend vom Startzustand (vergl. Fig. 7) erhöht der aktive Gleichrichter 20 die Spreizung zwischen Elektrolyse-Spannung U_P2G und zweiter AC- Spannung U_AC2, bis der gewünschte Sollwert für den zweiten Elektrolyse-Strom l_P2G oder bis der gewünschte Sollwert für die Elektrolyse-Leistung P_P2G erreicht ist. Dies entspricht dann dem Arbeitspunkt AP3. Wird der Elektrolyse-Strom l_P2G in diesem Arbeitspunkt AP3 mit gegebenem Abstand zwischen U_PV und U_P2G kleiner als der Strom-Sollwert, z. B. aufgrund einer sinkenden Einstrahlung auf den PV-Generator 12, so erhöht der aktive Gleichrichter 20 durch Änderung des AC-DC-Übersetzungsverhältnisses den Abstand zwischen U_PV und U_P2G, so dass die PV-Spannung U_PV sinkt und damit die PV-Leistung entlang der PV-Kennlinie steigt, bis sich ein neues Gleichgewicht zwischen erzeugter PV- Leistung P_PV und verbrauchter Elektrolyse-Leistung P_P2G bei einem gegebenen Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 einstellt. Das gleiche gilt bei einer Leistungsabgabe P_P2G unterhalb des Leistungs-Sollwertes. Das Festhalten des gewünschten Arbeitspunkts AP3 funktioniert hier so lange, wie der Leistungs-Sollwert oder bei dem Strom-Sollwert geforderte Leistung unterhalb der momentan maximal möglichen Leistung des PV-Generators 12 liegt.
Die zuvor, insbesondere anhand von Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, beschriebenen Regelungen können - wie beschrieben - durch den aktiven Gleichrichter 20, insbesondere durch eine Steuerung im aktiven Gleichrichter 20, und alternativ oder zusätzlich durch eine Regeleinheit der Vorrichtung 10 durchgeführt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung 12 PV-Generator 14 Elektrolyseur 16 Wechselrichter 17 Wechselrichter 18 T ransformator 20 Gleichrichter 22 Hilfsversorgung 24 Schalter 26 Energiespeicher 28 AC-Netz 100 Energieumwandlungssystem
AP1 , AP2, AP3 Arbeitspunkte I Strom
V Spannung P Leistung ls/c Kurzschlussstrom Uo/c Leerlaufspannung Mpp Punkt maximaler Leistung Uz Startspannung U_PV PV-Spannung, erste DC-Spannung l_PV PV-Strom, erster DC-Strom U_P2G zweite DC-Spannung, Elektrolyse-Spannung l_P2G zweiter DC-Strom, Elektrolyse-Strom U_AC1 erste AC-Spannung l_AC1 erster AC-Strom U_AC2 zweite AC-Spannung l_AC2 zweiter AC-Strom P_PV PV-Leistung
P_P2G DC-Leistung P_AC AC-Leistung P mpp MPP-Leistung Impp Strom bei MPP-Leistung Umpp Spannung bei MPP-Leistung

Claims

- 22 -
PATENTANSPRÜCHE Vorrichtung (10) zum Umwandeln elektrischer Leistung zwischen einem PV-Generator (12) und einem Elektrolyseur (14), wobei die Vorrichtung eine erste Seite zum Anschluss eines PV-Generators (12) und eine zweite Seite zum Anschluss eines Elektrolyseurs (14) aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Wechselrichter (16), der zwischen der ersten Seite und einem Transformator (18) angeordnet ist, und einen aktiven Gleichrichter (20), der zwischen dem Transformator (18) und der zweiten Seite angeordnet ist, so dass eine AC-Seite des Gleichrichters (20) und eine AC-Seite des Wechselrichters (16) über den Transformator (18) miteinander verbunden sind, wobei der Wechselrichter (16) dazu eingerichtet ist, eine erste DC-Spannung auf der DC- Seite des Wechselrichters (16) in eine erste AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters (16) umzuwandeln, wobei der Gleichrichter (20) dazu eingerichtet ist, eine zweite AC-Spannung auf der AC- Seite des Gleichrichters (20) in eine zweite DC-Spannung auf der DC-Seite des Gleichrichters (20) umzuwandeln, wobei die Vorrichtung (10) eine Steuerung aufweist, welche eingerichtet ist, durch Einstellen eines AC/DC-Übersetzungsverhältnisses des Gleichrichters (20) zwischen der zweiten AC-Spannung und der zweiten DC-Spannung einen Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der Vorrichtung von einem angeschlossenen PV- Generator (12) zu einem angeschlossenen Elektrolyseur (14) zu beeinflussen. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der aktive Gleichrichter (20) Halbleiterschalter aufweist und das Einstellen des AC/DC-Übersetzungsverhältnisses des aktiven Gleichrichters (20) durch eine geeignete Taktung der Halbleiterschalter erfolgt. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste DC-Spannung (U_PV) auf der DC- Seite des Wechselrichters (16) und die zweite DC-Spannung (U_P2G) auf der DC-Seite des aktiven Gleichrichters (20) vom AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters (20) abhängen. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der aktive Gleichrichter (20) dazu eingerichtet ist, von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller zu wirken, wobei das Tiefsetzen von dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis abhängt, und/oder wobei der Wechselrichter (16) dazu eingerichtet ist, von seiner DC-Seite nach seiner AC- Seite als Tiefsetzsteller mit einem DC/AC-Übersetzungsverhältnis zu wirken. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der T ransformator (18) die erste AC-Spannung auf die zweite AC-Spannung mit einem AC/AC-Übersetzungs- verhältnis umsetzt und eine galvanische Trennung zwischen erster Seite und zweiter Seite der Vorrichtung (10) realisiert. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, den Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite durch Einstellen des DC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Wechselrichters (16) und/oder des AC/AC- Übersetzungsverhältnisses des Transformators (18) zu beeinflussen. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (16) so ausgeführt ist, dass er bei geeigneter Ansteuerung die Funktion des aktiven Gleichrichters (20) ausführen kann und umgekehrt, wobei der Wechselrichter (16) und der aktive Gleichrichter (20) insbesondere das gleiche Gehäuse und insbesondere die gleiche leistungselektronische Schaltung aufweisen. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (16) über ein AC-Netz (28) mit dem Transformator (18) verbunden ist und zumindest ein weiterer Wechselrichter (16, 17) mit dem AC-Netz (28) verbunden ist, wobei der weitere Wechselrichter (16, 17) auf seiner DC-Seite mit einem weiteren PV-Generator (12) oder einem elektrischen Energiespeicher (26) verbindbar ist. Verfahren zum Umwandeln elektrischer Leistung zwischen einem PV-Generator (12) und einem Elektrolyseur (14) mit den Schritten,
Umwandeln von einer durch den PV-Generator (12) bei einer ersten DC-Spannung erzeugten PV-Leistung (P_PV) in eine AC-Leistung mit einer ersten AC-Spannung durch einen Wechselrichter (16), Transformieren der AC-Leistung durch einen Transformator (18) in eine AC-Leistung mit einer zweiten AC-Spannung, Umwandeln der AC-Leistung in eine DC-Leistung (P_P2G) durch einen aktiven Gleichrichter (20), wobei die DC-Leistung (P_P2G) bei einer zweiten DC-Spannung in den Elektrolyseur (14) eingespeist wird, wobei der Leistungsfluss zwischen PV-Generator (12) und Elektrolyseur (14) durch den aktiven Gleichrichter (14) beeinflusst wird, indem ein AC/DC-Übersetzungsverhältnis zwischen der zweiten AC-Spannung und der zweiten DC-Spannung durch den aktiven Gleichrichter (20) eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste DC-Spannung (U_PV) auf einer DC-Seite des Wechselrichters (16) am PV-Generator (12) anliegt, die erste AC-Spannung auf der AC- Seite des Wechselrichters (16) am Transformator (18) anliegt, die zweite AC-Spannung auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters (20) anliegt und die zweite DC-Spannung (U_P2G) auf einer DC-Seite des Gleichrichters (20) am Elektrolyseur (14) anliegt, wobei die erste DC-Spannung (U_PV) und die zweite DC-Spannung (U_P2G) vom eingestellten AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters (20) abhängen. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Leistungsfluss ausgehend von einer ersten DC-Spannung (U_PV), die einer Leerlaufspannung des PV-Generators (12) entspricht, und einer zweiten DC-Spannung (U_P2G), die einer Ruhespannung des Elektrolyseurs (14) entspricht, dadurch vergrößert wird, dass das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters (20) so eingestellt wird, dass sich die erste DC-Spannung (U_PV) verringert und sich die zweite DC-Spannung (U_P2G) erhöht, wobei die PV-Leistung (P_PV) in Richtung einer MPP-Leistung (Pmpp) und die vom Elektrolyseur (14) aufgenommene DC-Leistung (P_P2G) in Richtung einer Nennleistung ansteigt. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , wobei das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters (20) so auf einen Ausgangszustand eingestellt wird, dass die erste DC-Spannung (U_PV) einer Leerlaufspannung des PV-Generators (12) und die zweite DC-Spannung (U_P2G) einer Ruhespannung des Elektrolyseurs (14) entspricht. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis der ersten DC-Spannung (U_PV) zur zweiten DC-Spannung (U_P2G) im Ausgangszustand im Wesentlichen dem Produkt aus dem AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators (18) und einem festgelegten DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters (16) entspricht. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters (16) auf einen Wert zwischen 1 und 2, bevorzugt auf einen Wert zwischen 1 ,3 und 1 ,7 festgelegt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators (18) stufenweise geändert werden kann, um einen Ausgangszustand zu erreichen, in dem das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters (16) den dafür festgelegten Wert und das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters (20) im Wesentlichen den Wert eins aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters (20) durch ein Variieren eines Modulationsgrades des aktiven Gleichrichters (20) in Abhängigkeit von einer erfassten Leistung des Leistungsflusses vom PV-Generator (12) in den Elektrolyseur (14) eingestellt wird. - 25 - Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters (20) schrittweise so verändert wird, dass die Leistungsabgabe des PV- Generators (12) schrittweise vergrößert wird, wobei die Leistungsabgabe bevorzugt vom Ausgangszustand oder von Null auf eine maximale Leistung des PV-Generators (12) vergrößert wird. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters (20) wiederholt geändert und die dadurch bewirkte Änderung des Leistungsflusses beobachtet wird, wobei das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters (20) nach jeder Änderung so eingestellt wird, dass die PV-Leistung (P_PV) des PV-Generators (12) sich der MPP-Leistung (Pmpp) annähert. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei die Vorrichtung einen weiteren Wechselrichter (17) aufweist, der auf seiner DC-Seite mit einem elektrischen Energiespeicher (26) und auf seiner AC-Seite mit dem Transformator (18) verbunden ist, wobei der weitere Wechselrichter (17) eine einstellbare DC-Speicherleistung mit dem Energiespeicher (17) austauscht. Energieumwandlungssystem (100) mit einem PV-Generator (12), einem Elektrolyseur (14) und einer Vorrichtung (10) zum Umwandeln elektrischer Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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